Биосфера. Экосистемы: типы и составляющие

Новая, «глобальная» мафия На наших глазах происходит знаменательное событие. Многие думали, что после ударов по сицилийской мафии и смерти Пабло Эскобара (колумбийца, одного из крупнейших наркобаронов) наконец-то справедливость восторжествовала, однако тут же на

Биосфера Хотя в слово биосфера и входит частица «био», однако это понятие, строго говоря, не имеет отношения к биологии. Изначально термин «биосфера» – из области геологии, точнее геохимии. Деление внешнего слоя Земли на сферы – атмосфера, гидросфера, литосфера –

Биосфера и человек Экология, экологические проблемы, экологическая катастрофа, деградация биосферы. Эти слова слышал или читал каждый из нас. Действительно, то, что творит на планете человек, совершенно выходит за рамки нормальных биологических процессов и по своим

Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической частей.

Абиотическая часть представлена: 1) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства; 2) атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни; 3) водной средой океанов, рек, озер и т.п.

Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь, - биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы (рис. 2.2).

Рис. 2.2.

В основе биогенной миграции в биосфере лежат два биохимических принципа:

• - стремление к максимальному проявлению, по словам В.И. Вернадского, к «всюдности» жизни;
• - обеспечение выживания организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию.

Эти закономерности проявляются прежде всего в стремлении живых организмов «захватить» все мало-мальски приспособленные к их жизни пространства, создавая экосистему или ее часть. Но любая экосистема имеет границы, имеет свои границы в планетарном масштабе и биосфера.

При общем рассмотрении биосферы как планетарной экосистемы особое значение приобретает представление о ее живом веществе как некой общей живой массе планеты.

Под живым веществом В.И. Вернадский понимал все количество живых организмов планеты как единое целое. Его химический состав подтверждает единство природы - живое вещество состоит из тех же элементов, что и неживая природа (рис. 2.3), только соотношение этих элементов различное и строение молекул иное.

Рис. 2.3.

Живое вещество образует ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер Земли.

По подсчетам ученых его масса составляет 2420 млрд т, что более чем в 2000 раз меньше массы самой легкой оболочки Земли - атмосферы. Но эта ничтожная масса живого вещества встречается практически повсюду - в настоящее время живые существа отсутствуют лишь в области обширных оледенений и кратерах действующих вулканов.

«Всюдность» жизни в биосфере обусловлена потенциальными возможностями и масштабом приспособляемости организмов, которые постепенно, захватив моря и океаны, вышли на сушу и обосновались на ней. В. И. Вернадский считает, что этот захват продолжается. На рисунке 2.4 наглядно показаны границы биосферы - от высот атмосферы, где царят холод и низкое давление, до глубин океана, где давление достигает 12 тыс. атм. Это стало возможным потому, что пределы толерантности температур у различных организмов практически от абсолютного нуля до 4-180 °С, а некоторые бактерии могут существовать в вакууме. Широк диапазон химических условий среды обитания для ряда организмов - от жизни в уксусе до жизни под действием ионизирующей радиации (бактерии в котлах ядерных реакторов). Более того, выносливость некоторых живых существ по отношению к отдельным факторам выходит даже за пределы биосферы, т.е. у них есть еще определенный «запас прчности» и потенциальные возможности к распространению.

Рис. 2.4. Распределение живых организмов в биосфере (по В. А. Вронскому, 2002): 1 - озоновый слой; 2 - граница снегов; 3 - почва; 4 - животные, обитающие в пещерах; 5 - бактерии в нефтяных водах (высота и глубина даны в метрах)

Однако все организмы, во всяком случае в наземных условиях, выживают еще и потому, что благодаря почвам везде существует биогенный ток атомов.

Почвы - важнейший компонент биосферы, оказывающий, наряду с Мировым океаном, решающее влияние на всю глобальную экосистему в целом. Именно почвы обеспечивают биогенными веществами растения, которые кормят весь мир гетеротрофов.

Плодородие почв зависит от количества в ней гумуса, а его накопление - от климатических условий и рельефа местности. Наиболее богаты гумусом степные почвы, где гумификация идет быстро, а минерализация - медленно. Меньше всего гумуса в лесных почвах, где минерализация по скорости опережает гумификацию.

По различным признакам выделяют множество типов почв. Под типом почв понимается большая группа почв, формирующихся в однородных условиях и характеризующихся определенным почвенным профилем и направленностью почвообразования.

Поскольку важнейшим почвообразующим фактором является климат, то в значительной мере генетические типы почв совпадают с географической зональностью: арктические и тундровые почвы, подзолистые почвы, черноземы, каштановые, серо-бурые почвы и сероземы, красноземы и желтоземы.

Время формирования почв зависит от интенсивности гумификации. Скорость накопления гумуса измеряют отношением мощности (толщины) гумусового слоя к времени формирования почв, например, в мм/год (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Скорость формирования гумусового горизонта почв Русской равнины (по А.Н. Геннадиев)" и др., 1987)

Зная скорость накопления гумуса и мощность гумусового горизонта, можно рассчитать возраст различных типов почв (Геннадиев, 1987). На Русской равнине черноземы образовались за 2500-3000 лет, серые и бурые лесные почвы - за 800-1000 лет, подзолистые - примерно за 1500 лет. Скорость образования почв зависит и от типа материнской породы - на гранитах во влажном тропическом климате для образования настоящей почвы потребуется 20 тыс. лет.

Эти данные позволяют количественно оценивать допустимый смыв при интенсивном антропогенном воздействии. Одновременно они свидетельствуют о том, как легко можно разрушить эту тонкую «коричневую пленку» и сколько нужно времени, не считая затрат, чтобы восстановить утраченное.

Почва - граничный слой между атмосферой и биосферной частью литосферы, в котором наблюдается взаимодействие живого и неживого в рамках почвенной экосистемы, которая обеспечивает круговорот веществ в биосфере.

Основной объект экологии – экологическая система или экосистема – пространственно определенная совокупность живых организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями.

Термин «экосистема» введен в экологию английским ботаником А. Тенсли (1935). Понятие экосистемы не ограничивается какими-то признаками ранга, размера, сложности или происхождения. Поэтому оно приложимо как к относительно простым искусственным (аквариум, теплица, пшеничное поле, обитаемый космический корабль), так и к сложным естественным комплексам организмов и среды их обитания (озеро, лес, океан, экосфера). Различают водные и наземные экосистемы. Все они образуют на поверхности планеты густую пеструю мозаику. При этом в одной природной зоне встречается множество сходных экосистем – или слитых в однородные комплексы, или разделенных другими экосистемами. Например, участки лиственных лесов, перемежающиеся хвойными лесами, или болота среди лесов и т.п. В каждой локальной наземной экосистеме есть абиотический компонент – биотоп , или экотоп , – участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями и биотический компонент – сообщество , или биоценоз , – совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биотоп является общим местообитанием для всех членов сообщества. Биоценозы состоят из представителей многих видов растений, животных и микроорганизмов. Практически каждый вид в биоценозе представлен многими особями разного пола и возраста. Они образуют популяцию (или часть популяции) данного вида в экосистеме.

Члены сообщества так тесно взаимодействуют со средой обитания, что биоценоз часто трудно рассматривать отдельно от биотопа. Например, участок земли – это не просто «место», но и множество почвенных организмов и продуктов жизнедеятельности растений и животных. Поэтому их объединяют под названием биогеоценоза : «биотоп + биоценоз = биогеоценоз» (рис. 1)

Рис. 1 .

Схема биогеоценоза

Биогеоценоз – это элементарная наземная экосистема, главная форма существования природных экосистем. Понятие биогеоценоза ввел В.Н. Сукачев (1942). Для большинства биогеоценозов определяющей характеристикой является определенный тип растительного покрова, по которому судят о принадлежности однородных биогеоценозов к данному экологическому сообществу (сообщества березового леса, мангровой заросли, ковыльной степи, сфагнового болота и т.п.).

Крупная, региональная или субконтинентальная биосистема, характеризующаяся каким либо основным типом растительности или характерной особенностью ландшафта, называются биомом (Ю. Одум, 1986).

Выделяют: микроэкосистемы (подушка лишайника и т. п.); мезоэкосистемы (пруд, озеро, степь и др.); макроэкосистемы (континент, океан) и, наконец, глобальную экосистему (биосфера Земли) или экосферу – интеграция всех экосистем мира.

Замкнутость круговорота в такой системе не велика: часть продуктов распада выносится за пределы лишайника дождевыми водами, часть животных мигрирует в другие местообитания.

Границы этой экосистемы очерчены границами лишайника, но ее существование будет достаточно стабильным, если вынос будет компенсироваться поступлением вещества. Но есть экосистемы, в которых внутренний круговорот вещества вообще малоэффективен – реки, склоны гор – здесь стабильность поддерживается только перетоком вещества извне. Многие системы достаточно автономны – пруды, озера, океан, леса и др. Но даже биосфера Земли часть веществ отдает в космос и получает вещества из космоса.

Таким образом, природные экосистемы – это открытые системы: они должны получать и отдавать вещества и энергию.

Для того, чтобы экосистема существовала неограниченно долго, она должна обладать свойствами связывания и высвобождения энергии и в ней должен осуществляться круговорот веществ. Свойства экосистем, и механизмы, обеспечивающие устойчивое существование, определяются их структурной организацией.

Под структурой экосистемы понимаются ее составные части и пути их взаимодействия, обеспечивающие сохранение экосистемы как единого целого.

Каждая экосистема имеет собственное материально-энергетическое хозяйство и определенную функциональную структуру (рис. 2). В каждой экосистеме выделяются два компонента – совокупность живых организмов (биотический компонент) и окружающая среда (абиотический компонент). Биотический компонент экосистемы представлен живыми организмами, которые по способу получения необходимой им энергии подразделяются на организмы автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофы (самопитающие) составляют основную массу всех живых существ и полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме, т.е. являются производителями продукции – продуцентами экосистем. Это организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ – диоксида углерода и воды – посредством процессов фотосинтезa и хемосинтеза. Фотосинтез осуществляют фотоавтотрофы – все хлорофиллоносные (зеленые) растения и микроорганизмы. Хемосинтез наблюдается у некоторых хемоавтотрофных бактерий, которые используют в качестве источника энергии окисление водорода, серы, сероводорода, аммиака, железа. Хемоавтотрофы в природных экосистемах играют относительно небольшую роль, за исключением чрезвычайно важных нитрифицирующих бактерий.

Рис. 2 .

Экосистема – это система, состоящая из живых существ и среды их обитания объединенных в единое функциональное целое.

Основные свойства:

1) способность осуществлять круговорот веществ

2) противостоять внешним воздействиям

3) производить биологическую продукцию

Виды экосистем:

1) микроэкосистемы (ствол дерева в стадии размножения, аквариум, небольшой водоем, капля воды и т. д.)

2) мезоэкосистема (лес, пруд, степь, река)

3) макроэкосистема (океан, континент, природная зона)

4) глобальная экосистема (биосфера в целом)

Ю. Одум предложил классификацию экосистемы на основе биомов. Это крупные природные экосистемы соответствующие физико-географическим зонам. Характеризуется каким – либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта.

Типы биомов

1) наземные (тундра, тайга, степи, пустыни)

2) пресноводные (текучие воды: реки, ручьи, стоячие воды: озера, пруды, заболоченные воды: болота)

3) морские (открытый океан, воды шельфа, глубоководные зоны)

Понятие биогеоценоз и экосистема близки, но есть различия. Любой биогеоценоз это система. Экосистема может включать несколько биогеоценозов, но не каждая экосистема, есть биогеоценоз, поскольку не обладает всеми признаками его.

В экосистеме можно выделить два компонента - биотический и абиотический . Биотический делится на автотрофный (организмы, получающие первичную энергию для существования из фото- и хемосинтеза или продуценты) и гетеротрофный (организмы, получающие энергию из процессов окисления органического вещества - консументы и редуценты) компоненты, формирующие трофическую структуру экосистемы.

Единственным источником энергии для существования экосистемы и поддержания в ней различных процессов являются продуценты, усваивающие энергию солнца, (тепла, химических связей) с эффективностью 0,1-1 %, редко 3-4,5 % от первоначального количества. Автотрофы представляют первый трофический уровень экосистемы. Последующие трофические уровни экосистемы формируются за счёт консументов (2-й, 3-й, 4-й и последующие уровни) и замыкаются редуцентами, которые переводят неживое органическое вещество в минеральную форму (абиотический компонент), которая может быть усвоена автотрофным элементом.

Основные компоненты экосистемы

С точки зрения структуры в экосистеме выделяют:

1.климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды;

2.неорганические вещества, включающиеся в круговорот;

3.органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии:

Продуценты - организмы, создающие первичную продукцию;

Макроконсументы, или фаготрофы, - гетеротрофы, поедающие другие организмы или крупные частицы органического вещества;

Микроконсументы (сапротрофы) - гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот.

Последние три компонента формируют биомассу экосистемы.

С точки зрения функционирования экосистемы выделяют следующие функциональные блоки организмов (помимо автотрофов):

биофаги - организмы, поедающие других живых организмов,

сапрофаги - организмы, поедающие мёртвое органическое вещество.

Данное разделение показывает временно-функциональную связь в экосистеме, фокусируясь на разделении во времени образования органического вещества и перераспределении его внутри экосистемы (биофаги) и переработки сапрофагами. Между отмиранием органического вещества и повторным включением его составляющих в круговорот вещества в экосистеме может пройти существенный промежуток времени, например, в случае соснового бревна, 100 и более лет.

Все эти компоненты взаимосвязаны в пространстве и времени и образуют единую структурно-функциональную систему.

Термин биосфера был введён Жаном-Батистом Ламарком в начале XIX века, а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году. Однако создание целостного учения о биосфере принадлежит русскому учёному Владимиру Ивановичу Вернадскому.

Биосфера - экосистема высшего порядка, объединяющая все остальные экосистемы и обеспечивающая существование жизни на Земле. В состав биосферы входят следующие «сферы»:

Атмосфера - это самая лёгкая из оболочек Земли, граничит с космическим пространством; через атмосферу происходит обмен вещества и энергии с космосом (внешним пространством).

Гидросфера - водная оболочка Земли. Почти такая же подвижная, как и атмосфера, она фактически проникает всюду.Вода - соединение с уникальными свойствами, одна из основ жизни, универсальный растворитель.

Литосфера - внешняя твёрдая оболочка Земли, состоит из осадочных и магматических пород. На данный момент под земной корой понимается верхний слой твёрдого тела планеты, расположенный выше границы Мохоровичича.

Биосфера тоже не замкнутая система, она фактически полностью обеспечивается энергией Солнца, небольшую часть составляет тепло самой Земли. Ежегодно Земля получает от Солнца около 1,3·1024 калорий. 40 % от этой энергии излучается обратно в космос, около 15 % идёт на нагрев атмосферы, почвы и воды, вся остальная энергия является видимым светом, который и является источником фотосинтеза.

В. И. Вернадский впервые чётко сформулировал понимание того, что всё живое на планете неразрывно связанно с биосферой и обязано ей своим существованием:

В. И. Вернадский

Живое вещество (совокупность всех организмов на Земле) составляет ничтожно малую часть от массы Земли, однако влияние живого вещества на процессы преобразования Земли огромно. Весь тот облик Земли, который наблюдается сейчас, не был бы возможен без миллиардов лет жизнедеятельности живого вещества.

На данный момент сам человек, как часть живого вещества, является существенной геологической силой и значительно изменяет направления процессов, происходящих в биосфере, тем самым ставя под угрозу своё существование:

В. И. Вернадский.

Искусственные экосистемы

Пашня - типичная искусственная экосистема, неразрывно соседствует с естественным лугом

Искусственные экосистемы - это экосистемы, созданные человеком, например, агроценозы, природно-хозяйственные системы или Биосфера 2.

Искусственные экосистемы имеют тот же набор компонентов, что и естественные: продуценты, консументы и редуценты, но есть существенные отличия в перераспределении потоков вещества и энергии. В частности, созданные человеком экосистемы отличаются от естественных следующим:

меньшим числом видов и преобладанием организмов одного или нескольких видов (низкая выравненность видов);

невысокой устойчивостью и сильной зависимостью от энергии, вносимой в систему человеком;

короткими цепями питания из-за небольшого числа видов;

незамкнутым круговоротом веществ вследствие изъятия урожая (продукции сообщества) человеком, тогда как естественные процессы наоборот стремятся включить в круговорот как можно большую часть урожая

Без поддержания энергетических потоков со стороны человека в искусственных системах с той или иной скоростью восстанавливаются естественные процессы и формируется естественная структура компонентов экосистемы и вещественно-энергетических потоков между ними.

Еще со школьного курса всем знакомы такие понятия, как биосфера и экосистема. Сами по себе понятия отличаются, однако они очень взаимосвязаны. Каким образом? Наша задача - объяснить, почему биосфера является глобальной экосистемой. Для начала вспомним, что же такое экосистема.

Понятие экосистемы. Виды экосистем

Экосистема является такой системой, в которую входит биоценоз и биотоп. Иными словами, это все живые организмы с их местообитанием. Этим уже можно объяснить, почему биосфера является глобальной экосистемой. Все живые организмы, входящие в экосистему, тесно связаны тем, что между ними течет непрерывный обмен веществ. Выделяют две большие группы: это природные экосистемы и агроэкосистемы. Последние отличаются тем, что были созданы благодаря человеку. И та и другая группа имеют схожую структуру. Любая система включает в себя три блока, а именно: продуценты, консументы, редуценты.

Первые создают органическое вещество (зеленые растения), вторые потребляют органическое вещество. Среди них растительноядные, хищники и всеядные. К всеядной группе принято относить и человека. К редуцентам же принято относить различные грибы и бактерии. Разлагая вещества, они переносят их из отмерших остатков вновь в неживую среду. Экосистема является лишь малой частью всего живого на земле. Следует поподробнее объяснить, почему биосфера является глобальной экосистемой.

Биосфера - система всего живого на Земле

Что мы знаем о биосфере? Она связана с понятиями "жизнь" и "шар". Другими словами, биосфера - это оболочка Земного шара, густо заселенная различными организмами, а также в какой-то степени измененная ими. Оболочка Земли сформировалась более 3,5 миллиардов лет назад. В то время еще только начали появляться первые организмы. К биосфере относят гидросферу (водную оболочку), часть литосферы (внешняя сфера) и атмосферы (воздушная оболочка). Другими словами все это можно назвать экологической сферой (экосферой), то есть системой, включающей в себя живые организмы, взаимосвязанные между собой, и их местообитание. В общей сложности в биосфере обитает 3 млн различных организмов. Человек также, несомненно, является частью биосферы.

Итак, биосфера - это в первую очередь система.

Любая система всегда состоит из отдельных элементов. Различные экосистемы имеют взаимосвязь не только внутри себя, но также тесно взаимосвязаны и с другими экосистемами. Между ними, как и внутри даже самой маленькой системы, происходит энергетический обмен, а также обмен веществами. Объединенные экосистемы образуют их круговорот, благодаря которому объединятся в единую глобальную экосистему. Эта глобальная система и называется биосферой. Как это происходит на деле?

Почему биосфера является глобальной экосистемой

Объяснить это можно следующим примером. Если мы возьмем какой-либо из уголков нашей планеты, то обязательно найдем в нем источники жизни. Океаны, верхние области атмосферы, зона вечных снегов - везде есть вода. Следовательно, в любом уголке планеты мы находим жизнь.

Именно так утверждал Чарльз Дарвин. И, конечно, был прав. Населяя самые различные места на планете, живые организмы образуют экосистему. Находясь в ней, все они взаимосвязаны, в первую очередь обменом веществ и энергии. Определенная экосистема круговоротом веществ и энергии взаимосвязана и с другими системами. Те, в свою очередь, тоже. Так и происходит, что множество маленьких экосистем создают одну большую экосистему под названием биосфера.

Биосфера - тоже экосистема

Если объяснить кратко, почему биосфера является глобальной экосистемой, то земная оболочка - это живая сфера, которая включает в себя огромное количество жизненных форм. Таким образом, состоит из отдельных экосистем, а значит, является глобальной системой, нарушение которой грозит жизни на планете.