Часть синтезированного органического вещества растения или другие продуценты используют для поддержания собственной жизнедеятельности, т.е. расходуют в процессе дыхания. Если из валовой первичной продукции вычесть органическое вещество, израсходованное на дыхание продуцентов, то получим чистую первичную продукцию. Она доступна гетеротрофом (консументам и редуцентам), которые, поедая органическое вещество, синтезированное автотрофами, создают вторичную продукцию.
Поскольку консументы лишь используют ранее созданные органические вещества, вторичную продукцию на валовую и чистую не разделяют. Но ее количество также зависит от расходов на дыхание, которые тем больше, чем больше энергии затрачивает организм. При интенсивной физической нагрузке (например, у птиц во время миграции) вторичная продукция уменьшается.
Чистая продуктивность сообщества подразумевает скорость накопления органического вещества в экосистеме, т.е. если из чистой первичной продукции вычесть затраты на дыхание гетеротрофов, мы получим продуктивность сообщества. Продуктивность экосистемы - это важная характеристика сообщества, и она является показателем его стабильности. Системы с быстрым ростом, например, поле кормовой травы, обычно характеризуется высокой чистой первичной продукцией и если они защищены от консументов, то и высокой продуктивностью сообщества. В сообществах в стационарном состоянии вся валовая первичная продукция обычно расходуется на дыхание автотрофов и гетеротрофов, так что к концу годового цикла чистая продуктивность сообщества очень невелика или ее не остается совсем.
Понятие о биогеоценозе. Структура биогеоценоза.
Понятию экосистема соответствует понятие биогеоценоз, между которыми есть различия. Учение о биогеоценозе разработал академик В.Н Сукачев в 1942 году. Биогеоценоз - исторически сложившийся комплекс взаимосвязанных видов или популяций разных видов, обитающих на определенной территории с более или менее однородными условиями существования.
Элементарной структурной единицей биосферы является биогеоценоз. Это понятие ввел впервые академик В.Н.Сукачев, разрабатывая учение о биогеоценозе. Он дал следующее определение биогеоценозу: « Биогеоценоз - это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая свою особую специфику взаимодействий этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и с другими явлениями природы и представляющая собой внутреннее противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении и развитии».
Биогеоценоз состоит из ряда компонентов, взаимообуславливающих существование друг друга:
Сообщества растительных организмов - фитоценоза
Сообщества животных организмов (беспозвоночных и позвоночных), обитающих в почве и надпочвенной среде - зооценоза
Микроорганизмов (бактерий, актиномицетов, дрожжей и т.д.), живущих в почве, в воздушной и водной среде - микробоценоза.
Эти три тесно связанных между собой биологических компонента биогеоценоза образуют единство более высокого ранга - биоценоз.
Почвенного покрова с подпочвенными слоями и почвенно-грунтовыми водами - эдафотопа.
Атмосферы, содержащей биогенные газы, атмосферную влагу и такие факторы внешней среды как освещенность, температуру, давление, радиацию и др. - климатопа.
Последние два компонента биогеоценоза - эдафотоп и климатоп - тесно взаимодействуют друг с другом и образуют систему, называемую экотопом.
Все перечисленные компоненты любого биогеоценоза тесно связаны между собой единством и однородностью территории, общим потоком энергии, обменом и круговоротом биогенных химических элементов, сезонными изменениями климатических условий, трофическими отношениями, численностью и взаимной приспособленностью многообразных видовых популяций организмов.
Лекция 4 Биосфера - глобальная экосистема (2 часа)
План лекции:
Понятие о биосфере. Границы и состав биосферы.
Живое вещество биосферы и его функции.
Понятие о ноосфере.
Понятие о биосфере. Границы и состав биосферы.
Австрийский геолог Э.Зюсс в 1875 году для обозначения особой оболочки Земли, образованной совокупностью живых организмов, предложил использовать термин «биосфера», что соответствует биологической концепции биосферы. Биосферой называют оболочку Земли, которая населена и активно преобразуется живыми существами. Согласно В.И.Вернадскому, биосфера - это такая оболочка, в которой существует или существовала в прошлом жизнь и которая подвергалась или подвергается воздействию живых организмов. В.И.Вернадский придал концепции биосферы биогеохимический смысл, он развил учение о биосфере как глобальной системе нашей планеты, в которой основной ход геохимических и энергетических превращений определяется живыми организмами, и распространил понятие биосферы на среду обитания живых организмов.
Границы биосферы определяются областью распространения организмов в атмосфере, гидросфере и литосфере. Верхняя граница биосферы определяется озоновым слоем и расположена примерно на высоте 15-18 км. Следовательно, живые организмы расселены в основном в тропосфере. Лимитирующим фактором расселения в этой среде является нарастающая с высотой интенсивность ультрафиолетовой радиации. В гидросферу биосфера проникает на всю глубину Мирового океана - более 11 км. В литосфере границы биосферы достигают более 4 км, где в нефтяных пластовых водах существуют нефтеокисляющие бактерии.
Атмосфера - газовая оболочка Земли, в состав которой входят азот, кислород, аргон и углекислый газ а также другие газы в очень малых количествах. Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород, используемый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего органического вещества, углекислый газ, расходуемый при фотосинтезе, а также озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Атмосферу делят на ряд слоев.
Гидросфера - водная оболочка Земли, в состав которой входят поверхностные и подземные воды, почвенная влага, ледники и парообразная влага. Вода является важной составной частью всех компонентов биосферы и одним из необходимых факторов существования живых организмов.
Литосфера - твердая или каменная оболочка Земли, в состав которой входит земная кора и верхняя часть мантии Земли. Биосфера охватывает верхнюю часть земной коры. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, сосредоточена в почвенном слое. Почвы представлены минеральными веществами, образующимися при разрушении горных пород, и органическими веществами - продуктами жизнедеятельности организмов.
Биосфера включает:
живое вещество, образованное совокупностью организмов. Для живого вещества характерно шесть основных функций.
биогенное вещество, которое создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, сланцы, известняки и др.,)
косное вещество, которое образуется без участия живых организмов (продукты тектонической деятельности, метеориты);
биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы, природные воды).
Таким образом, к современной биосфере относится вся совокупность живых организмов и все вещества литосферы, гидросферы и атмосферы, которые находятся под контролем потребления, трансформации и продуцирования живыми организмами.
Фотосинтез, до работ В.И. Вернадского, рассматривался как собственно биологический процесс, как процесс самоподдержания жизни путем улавливания лучистой энергии Солнца. Фотосинтез является практически единственным на Земле процессом, в котором из бедных энергией неорганических веществ (углекислого газа, воды и минеральных солей) с помощью энергии солнечного света зелеными растениями в огромных масштабах образуются сложные, богатые энергией органические соединения.
Эти соединения, способные к разнообразным химическим превращениям, - основа для жизни всех других организмов биосферы. В.И.Вернадский показал, что благодаря фотосинтезу меняется весь облик Земли. Фотосинтез происходит практически на всей поверхности Земли и создает огромный геохимический эффект, который может быть выражен количеством массы углерода, ежегодно вовлекаемой в построение органического живого вещества всей биосферы. В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно образует более 100 млрд.т. органического вещества, при этом они усваивают около 200 млн.т. СО2 и выделяют во внешнюю среду около 145 млн.т. свободного кислорода. Именно благодаря растениям на Земле началось бурное развитие различных форм жизни и активный обмен веществом и энергией между живой и неживой природой.
Живое вещество биосферы и его функции.
В. И. Вернадский, разрабатывая учение о биосфере, ввел в науку понятие «живое вещество». Под живым веществом понимается совокупность тел всех живых организмов, населяющих нашу планету. Живое вещество представлено биомассой растений, биомассой животных и биомассой микроорганизмов.
Химический состав живого вещества
В живом веществе определено около 80 химических элементов.
Главными элементами живого вещества планеты являются водород, углерод, кислород, азот, фосфор, сера, которые называются биофильными. Их атомы создают в живых организмах сложные молекулы в сочетании с водой и минеральными солями. Эти молекулярные постройки представлены углеводами, липидами, белками и нуклеиновыми кислотами.
Все перечисленные соединения живого вещества находятся в организме в тесном взаимодействии. Окружающий мир живых организмов биосферы представляет собой сочетание различных биологических систем разной структурной организации от крупных молекул до растений и животных различных организаций.
Основными функциями живого вещества являются: энергетическая, окислительно-восстановительная, газовая, концентра ционная, деструктивная, транспирационная.
Лучистая энергия Солнца - главный источник энергии, определяющий тепловой баланс и термический режим биосферы Земли. В связи с движением Земли вокруг Солнца по эллиптической орбите интенсивность солнечного излучения, приходящаяся на поверхность Земли, изменяется в течение года в соответствии с изменением расстояния Земля-Солнце.
Минимальное расстояние Земли от Солнца (147 млн. км) — в начале января, а максимальное (152 млн. км) — в начале июля. Это изменение расстояния приводит к колебаниям суточного количества падающей энергии. При этом следует отметить, что Земля получает лишь 5 • 1040 долю общей излучаемой Солнцем энергии.
Главные источники и потоки энергии земной поверхности охватывают атмосферу, океан и поверхность суши. Из всего общего количества энергии, получаемого Землей, 33% отражается облаками и поверхностью суши, а также тонкодисперсной пылью в верхних слоях атмосферы. Эта часть составляет альбедо Земли. 67% энергии поглощается. атмосферой и земной поверхностью и после ряда превращений уходит в космическое пространство.
В связи с действием солнечной энергии и внутренней энергии Земли в биосфере совершается постоянный процесс движения и перераспределения вещества. В ней осуществляется массовый перенос твердых жидких и газообразных тел при различных температурах и давлениях. Главные химические элементы литосферы — О, 81, А1, Ре, Са, Мд, Ка, К участвуют в большом круговороте, который проходит различные стадии развития от глубинных частей верхней мантии до поверхности литосферы.
Нетрудно себе представить, что магматическая порода, возникшая при кристаллизации магмы, поступившей из глубин Земли, на поверхности литосферы подвергается разложению — выветриванию в области биосферы. При этом продукты выветривания — материал различной степени измельчения
переходит, естественно, в подвижное состояние. Материал выветривания сносится водами и другими агентами в пониженные места рельефа и в большей части попадает в море, в океан. За счет этого образуются мощные толщи осадочных горных пород, которые в ходе времени погружаются на большие глубины и в области повышенных температур и давления подвергаются метаморфизму и ультраметаморфизму - переплавлению.
При переплавлении возникает магма, которая в благоприятных условиях может снова поступить в верхние горизонты земной коры, где застывает в форме различных интрузивных тел. Затем все повторяется сначала. Таким образом в течение веков происходит глобальный круговорот вещества: магматическая порода - осадочная порода - метаморфическая порода - переплавление и новое образование магмы. Различные участки земной коры на поверхности планеты по существу представляют собой звенья этого глобального круговорота.
Учение о крупных геологических циклах было развито В.И.Вернадским.
Наиболее интенсивному и быстрому круговороту подвергаются легкоподвижные вещества - газы и природные воды, составляющие атмосферу и гидросферу планеты. Более медленный круговорот совершает материал континентов.
Важным свойством биосферы является наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанных с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов, а также непрерывность биосферных процессов.
Круговоротами называются повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер.
З.Понятие о ноосфере.
Название ноосфера происходит от греческого «ноос» - разум и обозначает, таким образом, сферу разума. Однако представление о ноосфере в настоящее время не является однозначным. Французский математик Э. Леруа в 1927 г. ввел понятие о ноосфере, подразумевая под этим современную геологическую стадию развития биосферы. Он отмечал, что пришел к такому представлению вместе со своим другом - геологом и палеонтологом П. Тейяром-де-Шарденом, который в дальнейшем разрабатывал собственные представления о ноосфере, изложенные им в книге «Феномен человека». В этой книге автор определил ноосферу как «новый покров», «мыслящий пласт», который, зародившись в конце третичного периода, разворачивается над миром растений и животных — вне биосферы и над ней.
Последнее издание книги П. Тейяра-де-Шардена вышло на русском языке в 1987 г. Он полагал, что эволюция человеческого рода идет по пути его консолидации, объединения и превращения в нечто единое целое, слияние его интеллекта с его волей. Будущее человечества обозначается им как «сверхжизнь».
В. И. Вернадский, развивая учение о биосфере, придавал понятию ноосферы глубоко научное содержание, которое должно нами учитываться в процессе перестройки среды и общества. В этом отношении ноосферу следует рассматривать как высшую стадию развития биосферы, связанную с развитием в ней человеческого общества, которое, познавая законы природы и развивая технику до самого высокого уровня ее возможностей, становится крупной планетарной силой, превышающей по своим масштабам все известные геологические процессы вместе взятые. При этом человечество оказывает решающее влияние на протекание всех процессов в биосфере, глубоко изменяя ее своим трудом. Научное и практическое значение деятельности В.И. Вернадского - основателя учения о биосфере состоит в том, что он впервые во всеоружии знаний своего времени глубоко обосновал единство человека и биосферы.
После трудов В.И.Вернадского накопился огромный материал по биосфере, по производственной деятельности человеческого общества. В связи с развитием производительных сил возникают новые по качеству круговороты вещества в биосфере по пути превращения ее в ноосферу. Основные их признаки заключаются в следующем:
|
