Структура біосфери. поняття екосистеми
Чибісова Н.В. Долганов Є.К.
Поняття біосфери як середовища існування живих організмів або сфери, зайнятої життям, було запропоновано в 1878 р австрійським вченим Е. Зюссом. Пізніше В.І. Вернадський підійшов до біосфери як планетної середовищі, в якій поширена живу речовину. Жива речовина розглядається як особливе прояв термодинамічних, фізичних і хімічних умов планети, здатне організовувати їх таким чином, щоб мати максимальну стійкість у часі і просторі. Біосфера - це не тільки зовнішня оболонка Землі, охоплена життям, а й структурно нею організована. Жива речовина за час свого існування глибоко змінило первісну природу планети. Життя як би сама пристосовувала середу і оптимізувала умови. У стратосфері виник озоновий екран, який захищає живі істоти від згубного впливу ультрафіолетових променів і інших космічних випромінювань.
Обмеженість ресурсів азотно-вуглецевого, водного, повітряного і мінерального живлення жива речовина подолало шляхом створення грунтового покриву, синтезу високодисперсних мінералів (що забезпечують сорбцію сполук азоту, фосфору, кальцію, калію та ін.), Більш ефективної акумуляції гумусно-органічних сполук макро- (С , N, Р, Са, S, К) і мікроелементів (J, Zn, Cu, Co, Se і ін.). За своїм біохімічним значенню в підтримці життя на планеті грунтовий покрив порівняємо з озоновим екраном в стратосфері.
Фотосинтез з'явився механізмом накопичення активної біохімічної енергії в масах органічної речовини, в грунтовому гумусі в вигляді копалин горючих.
Виник і показав свою виняткову роль механізм «співпраці» (симбіозу) між рослинами, тваринами, комахами, нижчими безхребетними, мікроорганізмами з утворенням так званих харчових ланцюгів. Харчові ланцюги забезпечують тривале утримання всередині екосистем енергії, пов'язаної фотосинтезом, і резерву біофільние елементів (С, N, К, S, Са, Мg і ін.), Необхідних для нових поколінь живої речовини. На цій основі складаються головні ланки біогеохімічного кругообігу речовин.
Відповідно до сучасних уявлень про структуру біосфери, заснованим на ідеях В.І. Вернадського, біосфера як місце проживання організмів разом із самими організмами може бути розділена на три подсфери: аеробіосферу, гідробіосферу і геобіосферу.
Аеробіосфера населена організмами, субстратом життя яких служить волога повітря. Лімітують факторами життя в аеробіосфере є наявність крапель води і твердих аерозолів, що піднімаються з поверхні Землі, а також позитивні температури. Аеробіосфера в свою чергу розпадається на дві субподсфери: тропобіосферу і альтобіосферу.
Гідробіосфера - це весь глобальний світ води, населений гідробіонтами. У свою чергу гідробіосфера включає аквабіосферу - світ континентальних, в основному прісних, вод і марінобіосферу (світ морів і океанів).
Геобіосфера - обитель геобіонтов, середовищем життя для яких служить земна твердь. Геобіосфера ділиться на п'ять субподсістем, в число яких входить літобіосістема.
Біологічний спектр біосфери має ступінчастий характер: співтовариство, популяція, організм, орган, клітина, ген.
Мал. 1. Предмет вивчення в екології
Слід зазначити, що в спектрі не можна знайти різких меж (у функціональному сенсі), оскільки кожен рівень інтегрований, взаємопов'язаний з іншими.
Як і організм, ізольований від популяцій, не в змозі жити довго, спільнота не може існувати, якщо в ньому не відбувається кругообігу речовин і в нього не надходить енергія.
Будь-яка одиниця (біосистеми), що включає всі спільно функціонуючі на даній ділянці організми (биотическое співтовариство) і взаємодіє з фізичним середовищем таким чином, що потік енергії створює чітко визначені біотичні структури і круговорот речовин між живою і неживою частинами, являє собою екологічну систему.
Концепцію екосистеми можна усвідомити на простої моделі, представленої на малюнку 3.2, де Е - рушійна сила, Р - властивості, F - потоки, Y - взаємодія.
Мал. 3.2. Лінійна модель екосистеми
Р1 і Р2 позначають дві властивості, які при взаємодії з Y - дають третя властивість Р3, коли система отримує енергію від джерела Е.
F1 - F2 - напрямок потоків речовини і енергії, з яких F1 - на вході, і F2 - на виході. Ця блок-схема може служити моделлю освіти смогу в повітрі над будь-яким містом.
Р1 і Р2 - вуглеводні та оксиди азоту (два типи хімічних компонентів вихлопних газів автомобілів). Р3 - смог, який утворюється з даних компонентів під впливом сонячної енергії, внаслідок чого вплив Р3 (смогу) більш небезпечно для здоров'я, ніж окремо Р1 і Р2.
Блок-схема на рис. 3.2 характеризує лінійну екосистему. Але природні екосистеми найчастіше мають кільцеву або петлеподібну структуру (рис. 3.3).
Мал. 3.3. Частково замкнута система
Такий, наприклад, є екосистема міста, в якому ресурси. А перетворюються в корисні товари. В, а відходи, що утворюються. З після переробки знову запускаються у виробництво, що зменшує кількість відходів (викидів).
У будь-якій екосистемі, з урахуванням зворотного зв'язку, наявні чотири основні компоненти: потік енергії, кругообіг речовин, співтовариство і керуюча петля зворотного зв'язку. Потік сонячної енергії, пронизливий екосистему, частково перетвориться співтовариством і переходить на якісно вищий щабель, трасформіруясь в енергію хімічного зв'язку в органічній речовині. Велика частина сонячної енергії деградує (покидає систему у вигляді тепла - теплової сток). Енергія може накопичуватися, трансформуватися, але її не можна використовувати повторно. Однак елементи живлення (біогенні елементи) і вода використовуються багаторазово!
Слід зазначити кібернетичну природу екосистеми, тобто крім потоків енергії, кругообігу речовин вони характеризуються інформаційними мережами (фізичні і хімічні сигнали, які пов'язують всі частини системи і управляють нею як одним цілим).
Принцип зворотного зв'язку багато в чому визначать стабільність екосистем. Розрізняють резисторную і пружну стабільності.
Резисторная - здатність екосистеми чинити опір порушень, підтримуючи незмінним свою структуру і функцію.
Пружна - здатність відновлюватися після того, як її структура і функції були порушені.
У загальному вигляді екосистеми поділяються на природні (луг, тундра, пустеля, ліс, озеро, море, океан) і штучні (місто, агроекосистеми, акваріум, космічний корабель).
За структурними ознаками:
1. Наземні: тундра, степ, савана, хвойні ліси, тропіки