Характеристика географической оболочки земли (биосферы)

Экология

Лекция№2.

Тема: Биосфера и человек

Характеристика географической оболочки земли (биосферы)

Биосфера – это относительная тонкая оболочка жизни на Земле, занимающая нижнюю часть атмосферы (12-15 км), всю водную среду планеты и ее недра до 3-5 км (в т.ч. область «белых биосфер» с остатками следов живых организмов), связанная в единое целое обменом веществ и энергии.

Биосфера является геологической оболочкой Земного шара.

Биосфера является глобальной экосистемой (экосферой), состоит из 2 частей:

1. Абиотическая часть, которая представлена:

- 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,

- атмосферный воздух до высот, на которых возможны еще проявления жизни

- водная среда океанов, морей, рек, озер и пр.

2. Биотическая часть – состоит их живых организмов, 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 1).

Рис.1. Взаимосвязи живых организмов с компонентами биосферы.

В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат два биохимических принципа:

1. стремиться к максимальному проявлению жизни по всюду.

2. обеспечить выживание организмов для увеличения самой биогенной миграции.

По В.И. Вернадскому биосфера включает:

1. живое вещество планеты – все количество живых организмов планеты как единое целое.

2. биогенное вещество, к которому относятся: газы атмосферы, каменный уголь, нефть, известняки и прочее, то есть то, что создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности живого вещества.

3. косное вещество, которое образуется без участия живого веществ. Это продукты тектонической деятельности, метеориты.

4. биокосное вещество, образующееся в результате совместной деятельности организмов и абиогенных процессов (почва).

5. радиоактивное вещество,

6. вещество космического происхождения: метеориты и пр.

7. рассеянные атомы.

Вся масса «живого вещества» Земли составляет ее биомассу и составляет 5% от всей ее массы. Она играет ведущую роль в биохимических процессах.

Химический состав живого вещества подтверждает единство природы, так как он состоит из тех же элементов, что и неживая природа, только соотношение этих элементов различное и строение молекул иное.

Деятельность живых организмов обуславливает химический состав атмосферы, гидросферы, формирование почвенного покрова литосферы.

С учетом данных современной науки и основ учения В.И.Вернадского о биосфере выделяют пять основных функций биосферы и живого вещества:

1. Энергетическая – выполняется в основном растениями. В основе этой функции лежит процесс фотосинтеза, т.е. аккумулирование растениями солнечной энергии и дальнейшее её перераспределение между остальными компонентами биосферы. Часть энергии накапливается в отмершей органике, образуя залежи биогенного вещества (торф, уголь, нефть), а часть рассеивается в пространстве в виде тепла.

2. Газовая– обеспечивает газовый состав биосферы в процессах миграции и превращения газов, большая часть которых имеет биогенное происхождение.

3. Концентрационная– заключается в избирательном извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов ОС, обуславливая большую разницу в составе живого и косного вещества планеты. В результате этой деятельности образуются залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т.п.

4. Деструктивная– обуславливает процессы, связанные с разложением мертвой органики, с химическим разрушением горных пород и вовлечением образовавшихся веществ в биотический круговорот. В результате этого образуются биокосные и биогенные вещества, происходит минерализация органики, т.е. превращение её в косное вещество. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ.

5. Средообразующая– состоит в трансформации химических параметров среды в условия, благоприятные для существования организмов.

Границы биосферы не остаются застывшими: выходы в космос, проникновение в глубины Земли.

Любая экосистема состоит из двух основных элементов:

1. Биотопы или экотопы (места жизни) – однородные участки суши или воды, заселенные живыми организмами.

2. Биоценоз (биом) – исторически сложившееся сообщество организмов разных видов, населяющих биотоп.

Биогеоценоз (экосистема) – это устойчивая динамическая система, образованная сообществом организмов биоценоза и окружающей их неживой природы. Т е биогеоценоз – это совокупность биома и биотопа.

В составе биотопавыделяют следующие абиотические(неживые) компоненты:

- неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и мертвой материей (диоксид углерода, вода, кальций, магний, калий, натрий, железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.);

- органические вещества, связывающие абиотическую и биотическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты, белки, гуминовые вещества и др);

- воздушная, водная или твердая среда обитания;

- климатический режим и др.

В состав биоценозавходят биотические(живые) компоненты, которые состоят из трех функциональных групп организмов (рис. 2).

Биотические компоненты экосистемы

ПродуцентыКонсументыРедуценты

ФотоавтотрофыХемоавтотрофыФаготрофыСапротрофы

Рис. 2. Биотические компоненты экосистем

Первая группа организмов – продуценты или автотрофные организмы - создают органическое вещество из простых неорганических веществ с использованием энергии света (фотоавтотрофы) или энергии химических связей (хемотрофы).

Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала – неорганические вещества, в основном углекислый газ и воду. К этой группе организмов относятся все зеленые растения и некоторые бактерии.

Хемоавтотрофы используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях. К этой группе принадлежат, например, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной кислоты.

Химическая энергия, выделившаяся при этих реакциях, используется бактериями для восстановления углекислого газа до углеводов.

Вторая группа организмов – консументыпервого, второго, третьего порядков или гетеротрофные организмы - потребляют готовое органическое вещество, но не доводят его до разложения до простых минеральных составляющих (животные, часть микроорганизмов, паразитические растения). Эти организмы используют органические вещества, которые создали продуценты, в качестве источника и питательного материала и энергии. Они делятся на фаготрофов и сапротрофов.

Фаготрофы питаются непосредственно растительными или животными организмами. К ним относятся в основном крупные животные – макроконсументы. Сапротрофы используют для питания органические вещества мертвых остатков.

Третья группа организмов – редуценты или деструкторы - разрушают сложные соединения мертвой органики, поглощают некоторые продукты разложения и высвобождают неорганические питательные вещества, пригодные для использования продуцентами, а также органические вещества, способные служить источником энергии для других биотических компонентов экосистемы. К редуцентам относятся главным образом микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.) - микроконсументы.

Каждая группа организмов представляет собой трофический(пищевой)уровень или звено. Взаимосвязанный ряд трофических уровней представляет цепь питанияили трофическую цепь. Главное свойство цепи питания – осуществление биологического круговорота веществ и высвобождение запасенной в органическом веществе энергии.

Все элементы экосистемы тесно связаны между собой:

1. единством территории, общим потоком энергии (от Солнца к автотрофам, а от них

– к гетеротрофам),

2. обменом биогенных химических элементов,

3. сезонными колебаниями климатических условий,

4. взаимной приспособленностью видов всех уровней организации.

Биотоп

Микроклимат

Почва, грунт

Рельеф

Воды

Растительность

Животный мир

Микроорганизмы

Биоценоз

Биоценоз

Рис 3. Схема биогеоценоза.

Рис 4. Спектр уровней биологической организации.

Каждый биоценоз состоит из множества видов.

Вид – естественная биологическая единица, всех членов которой связывает воедино участие в общем генофонде. Но виды входят в биоценоз не отдельными особями(наименьшая неделимая единица биологического вида, подверженная действию факторов эволюции), а популяциями.

Популяция – совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство, воспроизводящая себя в течение большого числа поколений и способная к саморегулированию. Таким образом, каждый вид в пределах занимаемой территории (ареала) распадается на популяции, размеры которых различны. В таком случае можно сказать, что биоценоз – это сумма взаимосвязанных между собой и с условиями среды популяций разных видов.

В экологии часто пользуются термином «сообщество». Содержание этого термина неоднозначно. Под ним понимается и совокупность взаимосвязанных организмов разных видов (синоним биоценоза) и аналогичная совокупность только растительных организмов (фитоценоз), либо животных (зооценоз) или микробного населения (микробоценоз).

Экосистемы подобно организмам и популяциям способны к саморегулированию, противостоя изменениям и сохраняя состояние устойчивого равновесия. Это свойство экосистем называется гомеостазом. Но для того, чтобы эти механизмы нормально функционировали, необходим период эволюционного приспособления к условиям среды, который называется адаптацией.

Основными свойствами экосистемы являются:

- способность осуществлять круговорот веществ;

- противостоять внешним воздействиям;

- производить биологическую продукцию.

Экосистемы очень различны по размерам. Всю биосферу можно рассматривать как совокупность экосистем от глубокого океана до высокого леса. Классифицируя экосистемы таким образом можно выделить:

- микроэкосистемы– небольшой водоем; труп животного с населяющими его организмами; ствол дерева в стадии разложения; аквариум, даже лужа или капля воды, пока они существуют и вних присутствуют живые организмы, способные осуществлять круговорот веществ;

- мезоэкосистемы– лес, пруд, река и т.п.

- макроэкосистемы– океан, континент, природная зона и т.п.

- глобальная экосистема– биосфера в целом.

Таким образом более крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга.

Существует такое понятие как видовая структура экосистемы, под которым понимается количество видов, образующих экосистему и соотношение их численности. Видовое разнообразие обычно тем значительнее, чем богаче условия (биотоп) экосистемы. В этом отношении самыми богатыми по видовому разнообразию являются экосистемы дождевых тропических лесов.

Разнообразие видов зависит также от возраста экосистемы. Молодые экосистемы крайне бедны видами, т.к. возникают на изначально безжизненном субстрате (отвалы пород при добыче полезных ископаемых).

В хорошо сформировавшихся экосистемах преобладают 1, 2 или 3 вида, которые называются доминантными(господствующими). Наряду с доминантами в экосистемах выделяют виды - эдификаторы. К ним относят те виды, которые являются основными образователями среды.

Каждый вид или его части (популяция, группировка) занимают определенное место в окружающей среде, т.е. экологическую нишу.

Экологическая ниша-это место организма в природе и весь образ его жизнедеятельности- жизненный статус, включающий отношение к факторам среды, видам пищи, времени, способам питания, местам размножения, укрытий и т.п. Это понятие значительно объемнее и содержательнее понятия «местообитание». Американский эколог Ю. Одум образно назвал «местообитание» – «адресом» организма (вида), а «экологическую нишу» – его «профессией».

Прокариоты – древнейшие организмы в истории Земли – бактерии, водоросли.

Эукариоты- все остальные организмы Земли.

Трофические взаимоотношения организмов – пищевые отношения организмов, регулирующие всю энергетику биотических сообществ и всей экосистемы в целом.

Биота – совокупность флоры и фауны

Все организмы живут в среде обитания, или ОС, которая является совокупностью элементов, способных оказывать прямое или косвенное воздействие на организмы.

Экологические факторы – это элементы ОС, которые оказывают влияние на живые организмы.

1. абиотические факторы – это температура, свет , влажность, осадки, атмосферное давление, радиационный фон, химический состав атмосферы, воды, почвы и пр.

2. Биотические факторы – это живые организмы (бактерии грибы, растения, животные), вступающие во взаимодействие с данным организмом.

3. Антропогенные факторы – особенности среды, обусловленные трудовой деятельностью человека. Имеют позитивные и негативные стороны:

- Негативные – загрязнение воздуха, воды, поверхности земли и истощение ее ресурсов.

- Позитивные – предотвращение всего этого в рамках биосферы.

Ноосфера – преобразуемая человеком биосфера.

Биогенный ток атомов был бы невозможен без наличия почв.

Почвы – это важнейший компонент биосферы, который на ряду с Мировым океаном оказывает решающее влияние на всю глобальную экосистему в целом.

Именно почвы обеспечивают питание биогенными веществами растения, которые кормят весь мир гетеротрофов.

Плодородие почв зависит от наличие гумуса, а его накопление, как и мощность почвенных горизонтов, зависит от климатических условий и рельефа местности.

Наиболее богаты гумусом степные почвы, где гумификация идет быстро, а минерализация медленно.

Наименее богаты гумусов лесные почвы, где минерализация по скорости опережает гумификацию.

Под типом почв понимается большая группа почв, формирующаяся в однородных условиях и характеризующаяся определенным почвенным профилем и направленностью почвообразования.

Типы почв:

1. арктические,

2. подзолистые, черноземы,

3. каштановые,

4. серо-бурые,

5. сероземы,

6. красноземы,

7. желтоземы.

Закон целостности биосферы: биогенный ток атомов между компонентами биосферы связывает их в единую материальную систему, в которой изменение даже одного вена влечет за собой сопряженное изменение всех остальных. Следовательно, целостность биосферы обусловлена непрерывным обменов вещества и энергии между ее составными частями.

Целостность биосферы предполагает целостность ландшафтной оболочки и наоборот.