Характеристика и состав биосферы
Экология является наукой, изучающей организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, видов, биоценозов (сообществ), экосистем, биогеоценозов и биосферы. Часто экологию определяют и как науку, которая рассматривает проблемы взаимоотношения человека и биосферы. Иными словами, все, что нас окружает и подвергается нашему воздействию, имеет отношение к экологической науке.
При всех огромных размерах земного шара реальная жизнь существует только на его поверхности, в той части Земли, которую называют биосферой. В этом тонком слое земной поверхности взаимодействуют воздух, вода, земля, животный и растительный мир. Все живое на Земле зависит от сохранения целостности биосферы. Что же угрожает биосфере, можно ли защитить ее от разрушений? Чтобы понять это, необходимо, прежде всего, рассмотреть составляющие биосферы, ее живые и неживые компоненты, их сложнейшие взаимодействия, которые поддерживают и уравновешивают биосферу как единое целое.
Характер взаимодействия живой и неживой природы начал всерьез изучаться в конце ХIХ века, когда австрийский геолог Эдуард Зюсс впервые ввел термин “биосфера”, а русский естествоиспытатель В.И. Вернадский в начале нашего века создал биогеохимию ‑ науку, изучающую роль живого вещества (биоты) в геологических процессах планеты. Современная наука рассматривает биосферу как сложную общепланетарную саморегулирующуюся систему живого вещества (биоты) и неживой материи (экотопа), термодинамически открытую, аккумулирующую и перераспределяющую огромные ресурсы энергии. Под биосферой подразумевают литосферу (слой земной коры глубиной до 3 километров), гидросферу(водную среду, представленную, в основном, мировым океаном), атмосферу(ее нижний слой - тропосферу) и совокупность всех живых организмов (биоту). Все составляющие биосферы играют важную роль в жизненных процессах на Земле, но главным компонентом биосферы все же является живое вещество.
Составляющие биосферы находятся в постоянном взаимодействии и взаимопроникновении. Сущность взаимодействия живых сообществ ‑ обмен веществом, при котором отходы одних популяций используются в пищу другими популяциями. Кроме того, живые организмы являются открытыми системами, постоянно обменивающимися веществом и энергией с окружающей неживой средой. Совокупность взаимодействующих популяций, существующих на ограниченной территории, вместе с используемым неживым веществом образует биогеоценоз (рис.1). В основе биогеоценоза лежит обмен веществом и энергией между популяциями (на рис.1 обозначен стрелками). Биосфера очень экономно расходует вещество и энергию. Из образующегося в биогеоценозах вещества лишь небольшая часть (доли процента) ежегодно выходят из круговорота в илы и осадки, попадая в медленные геологические циклы.
Рисунок 1 - Основные составляющие биосферы.
Земная кора – это преобразованные в ходе геологического времени прежние биосферы. Целый ряд минералов земной коры (известняки, мел, фосфориты, нефть, уголь и др.) возникли из тканей погибших организмов. Парадоксальный факт, что сравнительно небольшие живые организмы смогли вызвать явления геологического масштаба, объясняется их высочайший способностью к размножению. Например, холерный вибрион при благоприятных условиях может создать массу вещества, равную массе земной коры всего за 1,75 суток. Можно предположить, что в биосферах прежних эпох колоссальные массы живого вещества перемещались по планете, образуя в результате гибели запасы нефти, угля и т.п.
Биосфера существует, используя многократно одни и те же атомы. При этом на долю 10 элементов, расположенных в первой половине периодической системы (кислород-29,5 %, натрий, магний-12,7 %, алюминий, кремний-15,2 %, сера, калий, кальций, железо-34,6 %) приходится 99 % всей массы нашей планеты (масса Земли – 5976∙1021 кг), а 1 % на долю остальных элементов. Однако значение этих элементов очень велико ‑ они играют существенную роль в живом веществе.
В.И. Вернадский разделил все элементы биосферы на 6 групп, каждая из которых выполняет определенные функции в жизни биосферы. Первая группа – инертные газы (гелий, криптон, неон, аргон, ксенон). Вторая группа – благородные металлы (рутений, палладий, платина, осмий, иридий, золото). В земной коре элементы этих групп химически малоактивны, их масса незначительна (4,4∙10-4 % от массы земной коры), а участие в образовании живого вещества слабо изучено. Третья группа – лантаноиды (14 химических элементов – металлов) составляют 0,02 % от массы земной коры и их роль в биосфере не изучена. Четвертая группа – радиоактивные элементы являются основным источником образования внутреннего тепла Земли и оказывают влияние на рост живых организмов (0,0015 % массы земной коры). Некоторые элементы пятой группы – рассеянные элементы (0,027 % земной коры) – играют существенную роль в жизни организмов (например, йод и бром). Самую большую шестую группу составляют циклические элементы, которые, пройдя ряд превращений в геохимических процессах, возвращаются к исходным химическим состояниям. К этой группе относятся 13 легких элементов (водород, углерод, азот, кислород, натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций) и один тяжелый элемент (железо).
Гидросферасоставляет около 4 % массы земной коры и ее средняя мощность равна 3,8 км. На массу океанической воды приходится 97 % массы всей гидросферы (2·1021 кг). Роль океана в жизни биосферы огромна: в нем протекают основные химические реакции, обуславливающие производство биомассы и химическую очистку биосферы. Так, за 40 дней поверхностный пятисотметровый слой воды в океане проходит через фильтрационный аппарат планктона, следовательно, (с учетом перемешивания) в течение года вся океаническая вода океана подвергается очистке. Все составляющие гидросферы (водяные пары атмосферы, воды морей, рек, озер, ледников, болот, подземные воды) находятся в непрерывном движении и обновлении.
Вода – основа биоты (живое вещество на 70 % состоит из воды) и ее значение в жизни биосферы является определяющим. Можно назвать такие важнейшие функции воды, как:
1. производство биомассы;
2. химическая очистка биосферы;
3. обеспечение углеродного баланса;
4. стабилизация климата (вода выполняет роль буфера в тепловых процессах на планете).
Огромное значение мирового океана состоит в том, что он продуцирует своим фитопланктоном почти половину всего кислорода атмосферы, т.е. является своего рода “легкими” планеты. При этом растения и микроорганизмы океана в процессе фотосинтеза усваивают ежегодно значительно большую часть углекислого газа, чем поглощают растения на суше.
Живые организмы океана – гидробионты– подразделяются на три основные экологические группы: планктон, нектон и бентос. Планктон – совокупность пассивно плавающих и переносимых морскими течениями растений (фитопланктон), живых организмов (зоопланктон) и бактерий (бактериопланктон). Нектон – это группа активно плавающих живых организмов, перемещающихся на значительные расстояния (рыбы, китообразные, тюлени, морские змеи и черепахи, кальмары осьминоги и др.). Бентос – это организмы, обитающие на морском дне: сидячие (кораллы, водоросли, губки); роющие (черви, моллюски); ползающие (ракообразные, иглокожие); свободно плавающие у самого дна. Наиболее богаты бентосом прибрежные районы океанов и морей.
Мировой океан – источник огромных минеральных ресурсов. Уже сейчас из него добывается нефть, газ, 90 % брома, 60 % магния, 30 % поваренной соли и т.д. В океане имеются огромные запасы золота, платины, фосфоритов, окислов железа и марганца, других минералов. Уровень добычи полезных ископаемых в океане постоянно растет.
Атмосфера–воздушная средавокруг Земли, ее масса около 5,15∙1018 кг. Газовый состав атмосферы следующий: азот (79,09 %), кислород (20,95 %), аргон (0,93 %), углекислый газ (0,03 %) и незначительное количество инертных газов (гелий, неон, криптон, ксенон), аммиака, метана, водорода и др. В нижних слоях атмосферы (20 км) содержится водяной пар, количество которого с высотой быстро убывает. Слой озона, предохраняющий живые организмы от вредного коротковолнового излучения, расположен на высоте 20-25 км. Выше 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах преобладают гелий и водород; часть молекул газов распадаются на атомы и ионы, образуя ионосферу. Давление и плотность воздуха с высотой убывают. В зависимости от распределения температуры атмосферу подразделяют на тропосферу(от +40 до –50оС на высотах 10-15 км),стратосферу (от –50 до 0оС на высотах около 50 км), мезосферу (от 0 до –90оС на высотах 50-55 км), термосферу (от –90 до +1500оС на высотах 200-300 км) и экзосферу (от нескольких сотен км). Неравномерность нагревания способствует общей циркуляции атмосферы, которая влияет на погоду и климат Земли.
Атмосфера оказывает огромное влияние на биологические процессы на суше и в водоемах. Содержащийся в ней кислород используется в процессе дыхания организмов и при минерализации органического вещества, углекислый газ расходуется в ходе фотосинтеза автотрофными растениями, озон снижает вредное для организмов ультрафиолетовое излучение Солнца. Кроме того, атмосфера способствует сохранению тепла Земли, регулирует климат, воспринимает газообразные продукты обмена веществ, переносит водяные пары по планете и т.д. Без атмосферы невозможно существование сколько-нибудь сложных организмов.
Биота- это совокупность всех видов растений, животных и микроорганизмов. Биота является активной частью биосферы, определяющей все важнейшие химические реакции, в результате которых создаются основные газы биосферы (кислород, азот, окись углерода, метан) и устанавливаются между ними количественные соотношения. Биота непрерывно образует биогенные минералы и поддерживает постоянный химический состав океанических вод. Ее масса составляет не более 0,01 % от массы всей биосферы и ограничивается количеством углерода в биосфере. Основную биомассу составляют зеленые растения суши – около 97 %, а биомасса животных и микроорганизмов – 3 %.
Объектом изучения экологии является взаимодействие пяти уровней биоты: живых организмов, популяций, сообществ, экосистем и экосферы.
Живой организм – это любая форма жизнедеятельности. Принято подразделять все организмы на три категории: растения, животные и микроорганизмы.
Популяция – это группа организмов одного вида, проживающих в определенном районе. Примеры популяций: окуни в пруду, грибы белые в лесах, население в отдельной стране или население Земли в целом.
Сообщество(биологическое сообщество) – это несколько популяций, проживающих в одном месте и взаимодействующих друг с другом. Примерами являются все животные, растения и микроорганизмы, проживающие и произрастающие в лесу, пруду, пустыне или аквариуме.
Экосистема – это совокупность различных видов растений, животных и микробов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой таким образом, что вся эта совокупность может сохраняться неопределенно долгое время. Т.е. экосистема представляет собой функциональное единство организмов и окружающей среды. Понятие экосистемы весьма широко. Выделяют микроэкосистемы (напр., ствол гниющего дерева), мезоэкосистемы (лес, река, пруд), макроэкосистемы (море, тундра, пустыня). Границы и объем экосистем – определенная условность, т.к. между ними существует обмен веществом и энергией.
Экосфера – это совокупность всех экосистем Земли.