Роль живых организмов в биосфере. Роль живого вещества в биосфере Основное внимание в учении о биосфере В

Вопрос 1. В чем заключается влияние живых организмов на биосферу?
Живые существа способствуют переносу и круговороту веществ в природе. Благодаря деятельности фотосинтетиков в атмосфере снизилось количество углекислого газа, появился кислород и сформировался защитный озоновый слой. Деятельность живых организмов определяет состав и структуру почвы (переработка редуцентами органических остатков), предохраняет ее от эрозии. В значительной мере животные и растения определяют также содержание различных веществ в гидросфере (особенно в небольших по размеру водоемах). Некоторые организмы способны избирательно поглощать и накапливать определенные химические элементы - кремний, кальций, иод, серу и т.д. Результатом активности живых существ являются отложения известняков, железных и марганцевых руд, запасов нефти, угля, газа.

Вопрос 2. Расскажите о круговороте воды в природе.
Под действием энергии Солнца вода испаряется с поверхности водоемов и воздушными течениями переносится на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород и делает составляющие их минералы доступными для растений, микроорганизмов и животных. Она размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими и неорганическими частицами в моря и океаны. Циркуляция воды между океаном и сушей - важнейшее звено в поддержании жизни на Земле.
Растения участвуют в круговороте воды двояким способом: извлекают ее из почвы и испаряют в атмосферу; часть воды в клетках растений расщепляется в процессе фотосинтеза. При этом водород фиксируется в виде органических соединений, а кислород поступает в атмосферу.
Животные потребляют воду для поддержания осмотического и солевого равновесия в организме и выделяют ее во внешнюю среду вместе с продуктами обмена веществ.

Вопрос 3. Какие организмы поглощают диоксид углерода из атмосферы?
Диоксид углерода из атмосферы поглощают фотосинтезирующие организмы, которые усваивают его и запасают в виде органических соединений (в первую очередь глюкозы). Диоксид углерода из атмосферы поглощают фотосинтезирующие организмы, которые усваивают его и запасают в виде органических соединений (в первую очередь глюкозы). Кроме того, часть атмосферного углекислого газа растворяется в воде морей и океанов, а затем в форме ионов угольной кислоты может захватываться животными - моллюсками, кораллами, губками, использующими карбонаты для построения раковин и скелетов. Результатом их активности может быть образование осадочных пород (известняков, мела и др.).

Вопрос 4. Опишите путь возвращения связанного углерода в атмосферу.
Углерод поступает в биосферу в результате фиксации его в процессе фотосинтеза, Количество углерода, ежегодно связываемого растениями, оценивается в 46 млрд т. Часть его поступает в тело животных и освобождается в результате дыхания в виде СО 2 , который вновь поступает в атмосферу. Кроме того, запасы углерода в атмосфере пополняются за счет вулканической деятельности и сжигания человеком горючих ископаемых. Хотя основная часть поступающего в атмосферу диоксида углерода поглощается океаном и откладывается в виде карбонатов, содержание СО 2 в воздухе медленно, но неуклонно повышается.

Вопрос 5. Какие факторы, кроме деятельности живых организмов, влияют на состояние нашей планеты?
Кроме деятельности живых организмов на состояние нашей планеты влияют абиотические факторы: движение литосферных плит, вулканическая активность, реки и морской прибой, климатические явления, засухи, наводнения и другие природные процессы. Некоторые из них действуют очень медленно; другие же способны практически мгновенно изменить состояние большого количества экосистем (масштабное извержение вулкана; сильное землетрясение, сопровождаемое цунами; лесные пожары; падение крупного метеорита).

Вопрос 6. Кто впервые ввел в науку термин «ноосфера»?
Ноосфера (от греч. noos - разум) - это понятие, обозначающее сферу взаимодействия природы и человека; это эволюционно новое состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором ее развития. Впервые термин «ноосфера» в 1927 г. ввели в науку французские ученые Эдуард Леруа (1870-1954) и Пьер Тейяр де Шарден (1881-1955).

Реферат на тему:

Введение

Круговорот биологический – явление непрерывного характера, циклического, закономерного, но не равномерного во времени и пространстве перераспределения веществ, энергии и информации в пределах экологических систем различного иерархического уровня организации – от биогеоценоза до биосферы. Круговорот веществ в масштабах всей биосферы называют большим кругом, а в пределах конкретного биогеоценоза – малым кругом биотического обмена.

Академик В.И. Вернадский первым постулировал тезис о важнейшей роли живых организмов в формировании и поддержании основных физико-химических свойств оболочек Земли. В его концепции биосфера рассматривается не просто как пространство, занятое жизнью, а как целостная функциональная система, на уровне которой реализуется неразрывная связь геологических и биологических процессов. Основные свойства жизни, обеспечивающие эту связь, - высокая химическая активность живых организмов, их подвижность и способность к самовоспроизведению и эволюции. В поддержании жизни как планетарного явления важнейшие значение имеет разнообразие ее форм, отличающихся набором потребляемых веществ и выделяемых в окружающую среду продуктов жизнедеятельности. Биологическое разнообразие – основа формирования устойчивых биогеохимических циклов вещества и энергии в биосфере Земле.

Вопросы о роли живых организмов в малом круговороте рассматривали такие ученые, педагоги как Николайкин Н.И., Шилов И.А., МелеховаО.П. и др.

1. Роль живых организмов в биологическом круговороте

Специфическое свойство жизни – обмен веществ со средой. Любой организм должен получать из внешней среды определенные вещества как источники энергии и материал для построения собственного тела. Продукты метаболизма, уже непригодные для дальнейшего использования, выводят наружу. Таким образом, каждый организм или множество одинаковых организмов в процессе своей жизнедеятельности ухудшают условия своего обитания. Возможность обратного процесса – поддержания жизненных условий или даже их улучшения, - определяется тем, что биосферу населяют разные организмы с разным типом обмена веществ.

В простейшем виде набор качественных форм жизни представлен продуцентами, консументами и редуцентами, совместная деятельность которых обеспечивает извлечение определенных веществ из внешней среды, их трансформацию на разных уровнях трофических цепей и минерализацию органического вещества до составляющих, доступных для очередного включения в круговорот (основные элементы, мигрирующие по цепям биологического круговорота, - углерод, водород, кислород, калий. Фосфор, сера и т.д.).

Продуценты - это живые организмы, которые способны синтезировать органическое вещество из неорганических составляющих с использованием внешних источников энергии. (Отметим, что получение энергии извне - общее условие жизнедеятельности всех организмов; по энергии все биологические системы - открытые) их называют также автотрофами, поскольку они сами снабжают себя органическим веществом. В природных сообществах продуценты выполняют функцию производителей органического вещества, накапливаемого в тканях этих организмов. Органическое вещество служит и источником энергии для процессов жизнедеятельности; внешняя энергия используется лишь для первичного синтеза.

Все продуценты по характеру источника энергии для синтеза органических веществ подразделяются на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Первые используют для синтеза энергию солнечного излучения в части спектра с длиной волны 380-710 нм. Эго главным образом зеленые растения, но к фотосинтезу способны и представители некоторых других царств органического мира. Среди них особое значение имеют цианобактерии (сине-зеленые «водоросли»), которые, по-видимому, были первыми фотосинтетиками в эволюции жизни на Земле. Способны к фотосинтезу также многие бактерии, которые, правда, используют особый пигмент - бактериохлорин - и не выделяют при фотосинтезе кислород. Основные исходные вещества, используемые для фотосинтеза,- диоксид углерода и вода (основа для синтеза углеводов), а также азот, фосфор, калий и другие элементы минерального питания.

Создавая органические вещества на основе фотосинтеза, фотоавтотрофы, таким образом, связывают использованную солнечную энергию, как бы запасая ее. Последующее разрушение химических связей ведет к высвобождению такой «запасенной» энергии. Это относятся не только к использованию органического топлива; «запасенная» в тканях растений энергия передается в виде пищи по трофическим цепям и служит основой потоков энергии, сопровождающих биогенный круговорот веществ.

Хемоавтотрофы в процессах синтеза органического вещества используют энергию химических связей. К этой группе относятся только прокариоты: бактерии, архебактерии и отчасти сине-зеленные. Химическая энергия высвобождается в процессах окисления минеральных веществ. Экзотермические окислительные процессы используются нитрифицирующими бактериями (окисляют аммиак до нитритов, а затем до нитратов), железобактериями (окисление закисного железа до окисного), серобактериями (сероводород до сульфатов). Как субстрат для окисления используется также метан, СО и некоторые другие вещества.

При всем многообразия конкретных форм продуцентов-автотрофов их общая биосферная функция едина и заключается в вовлечении элементов неживой природы в состав тканей организмов и таким образом в общий биологический круговорот. Суммарная масса автотрофов-продуцентов составляет более 95 % массы всех живых организмов в биосфере.

Консументы. Живые существа, не способные строить свое тело на базе использования неорганических веществ, требующие поступления органического вещества извне, в составе пищи, относятся к группе гетеротрофных организмов, живущих за счет продуктов, синтезированных фото- или хемоситетиками. Пища, извлекаемая тем или иным способом из внешней среды, используется гетеротрофами на построение собственного тела и как источник энергии для различных форм жизнедеятельности. Таким образом, гетеротрофы используют энергию, запасенную автотрофами в виде химических связей синтезированных ими органических веществ. В потоке веществ по ходу круговорота они занимают уровень потребителей, облигатно связанных с автотрофами организмами (консументы 1 порядка) или с другими гетеротрофами, которыми они питаются (консументы II порядка).

Общее значение консументов в круговороте веществ своеобразно и неоднозначно. Они не обязательны в прямом процессе круговорота: искусственные замкнутые модельные системы, составленные из зеленых растений и почвенных микроорганизмов, при наличии влаги и минеральных солей могут существовать неопределенно долгое время за счет фотосинтеза, деструкции растительных остатков и вовлечения высвобожденных элементов в новый круговорот. Но это возможно лишь в стабильных лабораторных условиях. В природной обстановке возрастает вероятность гибели таких простых систем от многих причин. «Гарантами» устойчивости круговорота и оказываются в первую очередь консументы.

В процессе собственного метаболизма гетеротрофы разлагают полученные в составе пищи органические вещества и на этой основе строят вещества собственного тела. Трансформация первично продуцированных автотрофами веществ в организмах консументов ведет к увеличению разнообразия живого вещества. Разнообразие же необходимое условие устойчивости любой кибернетической системы на фоне внешних и внутренних возмущений. Живые системы - от организма до биосферы в целом - функционируют по кибернетическому принципу обратных связей.

Животные, составляющие основную часть организмов-консументов, отличаются подвижностью, способностью к активному перемещению в пространстве. Этим они эффективно участвуют в миграции живого вещества, дисперсии его по поверхности планеты, что, с одной стороны, стимулирует пространственное расселение жизни, а с другой служит своеобразным «гарантийным Механизмом» на случай уничтожения жизни в каком-либо месте в силу тех или иных причин.

Примером такой «пространственной гарантии может служить широко известная катастрофа на о. Кракатау: в результате извержения вулкана в 1883 г. жизнь на острове была полностью уничтожена, но в течение всего 50 лет восстановилась - было зарегистрировано порядка 1200 видов. Заселение шло главным образом за счет не затронутых извержением Явы, Суматры и соседних островов, откуда разными путями растения и животные вновь заселили покрытый пеплом и застывшими потоками лавы остров. При этом первыми (уже через 3 года) на вулканическом туфе и пепле появились пленки цианобактерий. Процесс становления устойчивых сообществ на острове продолжается; лесные ценозы еще находятся на ранних стадиях сукцессии и сильно упрощены по структуре.

Наконец, чрезвычайно важна роль консументов, в первую очередь животных, как регуляторов интенсивности потоков вещества и энергии по трофическим цепям. Способность к активной авторегуляции био- массы и темпов ее изменения на уровне экосистем и популяций отдельных видов в конечном итоге реализуется в виде поддержания соответствия темпов создания и разрушения органического вещества в глобальных системах круговорота. Участвуют в такой регуляторной системе не только консументы, но последние (особенно животные) отличаются наиболее активной и быстрой реакцией на любые возмущении баланса биомассы смежных трофических уровней.

В принципе система регулирования потоков вещества в биогенном круговороте, основанная на комплементарности составляющих эту систему экологических категорий живых организмов, работает по принципу безотходного производства. Однако в идеале этот принцип соблюден быть не может в силу большой сложности взаимодействующих процессов и влияющих на них факторов. Результатом нарушения полноты круговорота явились отложения нефти, каменного угля, торфа, сапропелей. Все эти вещества несут в себе энергию, первоначально запасенную в процессе фотосинтеза. Использование их человеком - как бы «отставленное во времени» завершение циклов биологического круговорота.

Редуценты. К этой экологической категории относятся организмы-гетеротрофы, которые, используя в качестве пищи мертвое органическое вещество (трупы, фекалия, растительный опад и пр.), в процессе метаболизма разлагают его до неорганических составляющих.

Частично минерализация органических веществ идет у всех живых организмов. Так, в процессе дыхания выделяется СО2, из организма выводятся вода, минеральные соли, аммиак и т.д. Истинными редуцентами, завершающий цикл разрушения органических веществ, следует поэтому считать лишь такие организмы, которые выделяют во внешнюю среду только неорганические вещества, готовые к вовлечению в новый цикл.

В категорию редуцентов входят многие виды бактерий и грибов. По характеру метаболизма это организмы-восстановители. Так, девитрифицирующие бактерии восстанавливают азот до элементарного состояния, сулъфатредуцирующие бактерия - серу до сероводорода. Конечные продукты разложения органических веществ - диоксид углерода, вода, аммиак, минеральные соли. В анаэробных условиях разложение идет дальше - до водорода; образуются также углеводороды.

Полный цикл редукции органического вещества более сложен и вовлекает большее число участников. Он состоит из ряда последовательных звеньев, в череде которых разные организмы-разрушители поэтапно превращают органические вещества сначала в более простые формы и только после этого в неорганические составляющие действием бактерий и грибов.

Уровни организации живой материи. Совместная деятельность продуцентов, консументов и редуцентов определяет непрерывное поддержание глобального биологического круговорота веществ в биосфере Земли. Этот процесс поддерживается закономерными взаимоотношениями составляющих биосферу пространственно-функциональных частей и обеспечивается особой системой связей, выступающих как механизм гомеостазирования биосферы - поддержания ее устойчивого функционирования на фоне изменчивых внешних и внутренних факторов. Поэтому биосферу можно рассматривать как глобальную экологическую систему, обеспечивающую устойчивое поддержание жизни в ее планетарном проявлении.

Любая биологическая (в том числе и экологическая) система характеризуется специфической функцией, упорядоченными взаимоотношениями составляющих систему частей (субсистем) и основывающимися на этих взаимодействиях регуляторными механизмами, определяющими целостность и устойчивость системы на фоне колеблющихся внешних условий. Из сказанного выше ясно, что биосфера в ее структуре и функции соответствует понятию биологической (экологической) системы.

На уровне биосферы как целого осуществляется всеобщая функциональная связь живого вещества с неживой природой. Ее структурно-функциональными составляющими (подсистемами), на уровне которых осуществляются конкретные циклы биологического круговорота, являются биогеоценозы (экосистемы).

2. Малый круговорот веществ в биосфере

Биологический (биогеохимический) круговорот (малый круговорот веществ в биосфере) – круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. Биогеохимический круговорот веществ совершается в пределах биосферы. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. В экосистеме органические вещества синтезируют автотрофами из неорганических веществ. Затем он потребляются гетеротрофами. В результате выделения в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов органические вещества подвергаются минерализации, т.е. превращению в неорганические вещества. Эти неорганические могут быть вновь использованы для синтеза автотрофами органических веществ.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части:

1. резервный фонд – это часть вещества, не связанная с живыми организмами;

2. обменный фонд – значительно меньшая часть вещества, которая связана прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением.

В зависимости от расположения резервного фонда биогеохимические круговороты можно разделить на два типа:

1. круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота);

2. круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и д.р.).

Круговороты газового типа совершенны, т.к. обладают большим обменным фондом, а значит способы к быстрой саморегуляции. Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более инертны, т.к. основная масса вещества содержится в резервном фонде земной коре в «недоступном» живым организмам виде. Такие круговороты легко нарушаются от различного рода воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом. Однако извлечь нужные живым организмам вещества из земной коры гораздо сложнее, чем из атмосферы.

Интенсивность биологического круговорота в первую очередь определяется температурой окружающей среды и количеством воды. Так, например, биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре. Кроме того, в тундре биологические процессы протекают только в теплое время года.

Продуценты, консументы, детритофаги и редуценты экосистемы, поглощая и выделяя различные вещества, взаимодействуют между собой четко и согласованно. Органические вещества и кислород, образуемые фотосинтезирующими растениями, - важнейшие продукты питания и дыхания консументов. В то же время выделяемые консументами диоксид углерода и минеральные вещества навоза и мочи являются биогенами, столь необходимыми продуцентами. Поэтому вещества в экосистемах совершают практически полный круговорот, попадая сначала в живые организмы, затем в абиотическую среду и вновь возвращаясь в живое. Вот один из основных принципов функционирования экосистем: получение ресурсов и переработка отходов происходят в процессе круговорота всех элементов.

Рассмотрим круговороты наиболее значимых для живых организмов веществ и элементов. К малому биогеохимическому круговороту биогенных элементов относятся: углерод, азот, фосфор, сера и др.

2.1 Круговорот углерода

Углерод существует в природе во многих формах, в том числе в составе органических соединений. Неорганическое вещество, лежащее в основе биогенного круговорота этого элемента, - диоксид углерода (СО2). В природе СО2 входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном состоянии в гидросфере. Включение углерода в состав органических веществ происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе СО2 и Н2 О образуются сахара. В дальнейшем другие процессы биосинтеза преобразуют эти углероды в более сложные, а также в протеиды, липиды. Все эти соединения не только формируют ткани фотосинтезирующих организмов, но и служат источником органических веществ для животных и незеленных растений.

В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества; конечный продукт этого процесса, СО2, выводится во внешнюю среду, где вновь может вовлекаться в процесс фотосинтеза.

При определенных условиях в почве разложение накапливающихся мертвых остатков идет замедленным темпом – через образование сапрофагами гумуса, минерализация которого воздействием грибов и бактерий может идти с различной, в том числе и с низкой, скоростью. В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность сапрофагов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа; углерод не высвобождается и круговорот приостанавливается. Аналогичные ситуации возникали и в прошлые геологические эпохи, о чем свидетельствуют отложения каменного угля и нефти.

В гидросфере приостановка круговорота углерода связана с включением СО2 в состав СаСО3 в виде известняков, мела, кораллов. В этом случае углерод выключается из круговорота на целые геологические эпохи. Лишь поднятие органогенных пород над уровнем моря приводит к возобновлению круговорота через выщелачивание известняков атмосферными осадками. А также биогенным путем – действием лишайников, корней растений.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд тонн этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода приводит в возрастанию содержания СО2 в атмосфере и развитию парникового эффекта.

Скорость круговорота СО2, т.е. время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.

2.2 Круговорот азота

Главный источник азота органических соединений – молекулярный азот в составе атмосферы. Переход его в доступные живым организмам соединения может осуществляться разными путями. Так, электрические разряды при грозах синтезируют из азота и кислорода воздуха оксида азота, которые с дождевыми водами попадают в почву в форме селитры или азотной кислоты. Имеет место и фотохимическая фиксация азота.

Более важной формой усвоения азота является деятельность азот-фиксирующих микроорганизмов, синтезирующих сложные протеиды. Отмирая, они обогащают почву органическим азотом, который быстро минерализируются. Таким путем в почву ежегодно поступает около 25 кг азота на 1 га.

Наиболее эффективная фиксация азота осуществляется бактериями, формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. Образуемый ими органический азот диффундирует в ризосферу, а также включается в наземные органы растения-хозяина. Таким путем в наземных и подземных органах растений на 1 га накапливается за год 150-400 кг азота.

Существуют азотфиксирующие микроорганизмы, образующие симбиоз и другими растениями. В водной среде и на очень влажной почве непосредственную фиксацию атмосферного азота осуществляют цианобактерии. Во всех этих случаях азот попадает в растения в форме нитратов. Эти соединения через корни и проводящие пути доставляются в листья, где используются для синтеза протеинов; последние служат основой для азотного питания животных.

Экскреты и мертвые организмы составляют базу цепей питания организмов-сапрофагов, разлагающих органические соединения с постепенным превращением органических азотсодержащих веществ в неорганические. Конечным звеном этой редукционной цепи оказываются аммонифицирующие организмы, образующие аммиак, который затем может войти в цикл нитрификации. Таким образом цикл азота может быть продолжен.

В то же время происходит постоянное возвращение азота в атмосферу действием бактерий-денитрификаторов, которые разлагают нитраты до N2. Эти бактерии активны в почвах, богатых азотом и углеродом. Благодаря их деятельности ежегодно с 1 га почвы улетучиваются до 50-60 кг азота.

Азот может выключаться из круговорота путем аккумуляции в глубоководных осадках океана. В известной мере это компенсируется выделением молекулярного N2 в составе вулканических газов.

2.3 Круговорот фосфора

Из всех макроэлементов (элементов, необходимых для всего живого в больших количествах) фосфор – один из самых редких в доступных резервуарах на поверхности Земли. В природе фосфор в больших количествах содержится в ряде горных пород. В процессе разрушения этих пород он попадает в наземные экосистемы или выщелачивается осадками и в конце концов оказывается в гидросфере. В обоих случаях этот элемент вступает в пищевые цепи. В большинстве случаев организмы-редуценты минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и таким образом снова вовлекаются в круговорот.

В океане часть фосфатов с отмершими органическими остатками попадает в глубинные осадки и накапливается там, выключаясь из круговорота. Процесс естественного круговорота фосфора в современных условиях интенсифицируется применением в сельском хозяйстве фосфорных удобрений, источником которых служат залежи минеральных фосфатов. Это может быть поводом для тревоги, поскольку соли фосфора при таком использовании быстро выщелачиваются, а масштабы эксплуатации минеральных ресурсов все время растут. Составляя в настоящее время около 2 млн. тонн в год.

2.4 Круговорот серы

Основной резерв фонд серы находится в отложении и почве, но в отличие от фосфора имеется резервный фонд и в атмосфере. Главная роль в вовлечение серы в биогеохимический круговорот принадлежит микроорганизмами. Одни из них восстановители, другие – окислители.

В горных породах сера встречается в виде сульфидов, в растворах – в форме иона, в газообразной фазе в виде сероводорода или сернистого газа. В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

В наземных экосистемах сера поступает в растения из почвы в основном в виде сульфатов. В живых организмах сера содержится в белках, в виде ионов и т.д. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до HS, другая часть окисляется до сульфатов и вновь включается в круговорот. Образовавшийся сероводорода улетучивается в атмосферу, там окисляется и возвращается в почву с осадками.

Сжигание человеком ископаемого топлива, а также выбросы химической промышленности, приводит к накоплению в атмосфере сернистого газа (SO), который реагируя с парами воды, выпадает на землю в виде кислотных дождей.

Биогеохимические циклы в значительной степени подвержены влиянию человека. Хозяйственная деятельность нарушает их замкнутость, они становятся ацикличными.

Заключение

Сложные взаимоотношения, поддерживающие устойчивый круговорот веществ, а с ним и существование жизни как глобального явления нашей планеты, сформировались на протяжении длительной истории Земли.

Совместная деятельность различных живых организмов определяет закономерный круговорот отдельных элементов и химических соединений, включающий введение их в состав живых клеток, преобразования химических веществ в процессах метаболизма, выделение в окружающую среду и деструкцию органических веществ, в результате которой высвобождаются минеральные вещества, вновь включающиеся в биологические циклы.

Таким образом, процессы круговорота происходят в конкретных экосистемах, но в полном виде биогеохимические циклы реализуются лишь на уровне биосферы в целом. А совместная деятельность качественных форм жизни обеспечивает извлечение определенных веществ из внешней среды, их трансформацию на разных уровнях трофических цепей и минерализацию органического вещества до составляющих, доступных для очередного включения в круговорот (основные элементы, мигрирующие по цепям биологического круговорота, - углерод, водород, азот, калий, кальций и др.).

Список литературы

1. Колесников С.И. Экология. – Ростов на Дону: «Феникс», 2003.

2. Петров К.М. Общая экология: Взаимодействие общества и природы: Учебн. пособие. 2-е изд.- СПб.; Химия, 1998.

3. Николайкин Н.И. Экология.: Учеб. для вузов/ Николайкин Н.Н., Николайкина Н.Е., Мелехина О.П. – 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Дрофа, 2003.

4. Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2002.

5. Шилов И.А. Экология: Учеб. для биол. и мед. спец. вузов И.А. Шилов.-4-е изд., испр.- М.: Высшая школа, 2003.

Вопрос 1. В чем заключается влияние живых организмов на биосферу?
Живые существа способствуют переносу и круговороту веществ в природе. Благодаря деятельности фотосинтетиков в атмосфере снизилось количество углекислого газа, появился кислород и сформировался защитный озоновый слой. Деятельность живых организмов определяет состав и структуру почвы (переработка редуцентами органических остатков), предохраняет ее от эрозии. В значительной мере животные и растения определяют также содержание различных веществ в гидросфере (особенно в небольших по размеру водоемах). Некоторые организмы способны избирательно поглощать и накапливать определенные химические элементы - кремний, кальций, иод, серу и т.д. Результатом активности живых существ являются отложения известняков, железных и марганцевых руд, запасов нефти, угля, газа.

Вопрос 2. Расскажите о круговороте воды в природе.
Под действием энергии Солнца вода испаряется с поверхности водоемов и воздушными течениями переносится на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород и делает составляющие их минералы доступными для растений, микроорганизмов и животных. Она размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими и неорганическими частицами в моря и океаны. Циркуляция воды между океаном и сушей - важнейшее звено в поддержании жизни на Земле.
Растения участвуют в круговороте воды двояким способом: извлекают ее из почвы и испаряют в атмосферу; часть воды в клетках растений расщепляется в процессе фотосинтеза. При этом водород фиксируется в виде органических соединений, а кислород поступает в атмосферу.
Животные потребляют воду для поддержания осмотического и солевого равновесия в организме и выделяют ее во внешнюю среду вместе с продуктами обмена веществ.

Вопрос 3. Какие организмы поглощают диоксид углерода из атмосферы?
Диоксид углерода из атмосферы поглощают фотосинтезирующие организмы, которые усваивают его и запасают в виде органических соединений (в первую очередь глюкозы). Диоксид углерода из атмосферы поглощают фотосинтезирующие организмы, которые усваивают его и запасают в виде органических соединений (в первую очередь глюкозы). Кроме того, часть атмосферного углекислого газа растворяется в воде морей и океанов, а затем в форме ионов угольной кислоты может захватываться животными - моллюсками, кораллами, губками, использующими карбонаты для построения раковин и скелетов. Результатом их активности может быть образование осадочных пород (известняков, мела и др.).

Вопрос 4. Опишите путь возвращения связанного углерода в атмосферу.
Углерод поступает в биосферу в результате фиксации его в процессе фотосинтеза, Количество углерода, ежегодно связываемого растениями, оценивается в 46 млрд т. Часть его поступает в тело животных и освобождается в результате дыхания в виде СО 2 , который вновь поступает в атмосферу. Кроме того, запасы углерода в атмосфере пополняются за счет вулканической деятельности и сжигания человеком горючих ископаемых. Хотя основная часть поступающего в атмосферу диоксида углерода поглощается океаном и откладывается в виде карбонатов, содержание СО 2 в воздухе медленно, но неуклонно повышается.

Вопрос 5. Какие факторы, кроме деятельности живых организмов, влияют на состояние нашей планеты?
Кроме деятельности живых организмов на состояние нашей планеты влияют абиотические факторы: движение литосферных плит, вулканическая активность, реки и морской прибой, климатические явления, засухи, наводнения и другие природные процессы. Некоторые из них действуют очень медленно; другие же способны практически мгновенно изменить состояние большого количества экосистем (масштабное извержение вулкана; сильное землетрясение, сопровождаемое цунами; лесные пожары; падение крупного метеорита).

Вопрос 6. Кто впервые ввел в науку термин «ноосфера»?
Ноосфера (от греч. noos - разум) - это понятие, обозначающее сферу взаимодействия природы и человека; это эволюционно новое состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором ее развития. Впервые термин «ноосфера» в 1927 г. ввели в науку французские ученые Эдуард Леруа (1870-1954) и Пьер Тейяр де Шарден (1881-1955).

Под охраной природы принято понимать систему мер, на­правленных на поддержание рационального взаимодействия между деятельностью человека и окружающей природной сре­ды. Эта система мер должна обеспечивать сохранение и восста­новление природных богатств, рациональное использование природных ресурсов, а также предупреждать прямое и косвен­ное вредное влияние промышленного производства на природу и здоровье человека. Одновременно ставится задача обеспечить сохранение равновесия между развитием производства и устой­чивостью окружающей природной среды в интересах человече­ства. Для этого необходимо комплексное изучение процессов, происходящих в окружающей природе, и организация всех ви­дов производств с учетом выявленных закономерностей. Науч­ной Основой для исследований природных объектов и комплекс­ного подхода при организации современного производства явля­ется учение о биосфере Земли.

Термин «биосфера» ввел в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс; основоположник современного учения о биосфере - русский ученый В. И. Вернадский. В представлении В. И. Вер­надского биосфера охватывает то пространство, в котором жи­вое вещество действует как геологическая сила, формирующая облик Земли;

В современном представлении биосфера-это Сложная ди­намическая большая система, состоящая из многих компонен­тов живой и неживой природы, целостность которой поддержи­вается в результате постоянно действующего биологического круговорота веществ.

В основе учения В, И. Вернадского лежат представления О Планетарной геохимической роли живого вещества в образо­вании биосферы, как продукта длительного превращения веще­ства и энергии в ходе геологического развития Земли. Живое Вещество - это совокупность живых организмов, существо­вавших или существующих в определенный отрезок времени И являющихся мощным геологическим фактором. В отличие от живых существ, изучаемых биологией, живое вещество как биогеохимический фактор характеризуется элементарным соста­вом, массой и энергией. Оно аккумулирует и трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в не­прерывный круговорот. Через живое вещество многократно про­шли атомы почти всех химических элементов. В конечном итоге Живое вещество определило состав атмосферы, гидросферы, почв и в значительной степени осадочных пород нашей планеты.

В.И. Вернадский указывал, что живое вещество аккумулирует энергию космоса, трансформирует ее в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую и пр.) и в непрерывном обмене веществ с косной материей пла­неты обеспечивает образование живого вещества, которое не только замещает отмирающие его массы, но и привносит новые качества, определяя тем самым процесс эволюции органическо­го мира.

В представлений В. И. Вернадского биосфера включает в се­бя четыре основных компонента:

живое вещество - совокупность всех живых организмов;

биогенное вещество, т. е. продукты, образовавшиеся в ре­зультате жизнедеятельности различных организмов (каменный уголь, битумы, торф, лесная подстилка, почвенный гумус и ip.);

биокосное вещество - преобразованное организмами неорганическое вещество (например, приземная атмосфера, некоторые осадочные породы и т.д.);

косное вещество - горные породы в основном магматическо­го, неорганического происхождения, слагающие земную кору.

Любые виды растений, животных и микроорганизмов, взаимодействуя с окружающей средой, обеспечивают свое существо­вание не как сумма особей, а как единое функциональное целое, представляющее собой популяцию (популяции сосны, кома­ра и т.д.).

По С.С.Шварцу, популяция - это элементарная группи­ровка организмов определенного вида, обладающая всеми не­обходимыми условиями для поддержания своей численности необозримо длительное время и в постоянно изменяющихся условиях среды. Иначе говоря, популяция - это форма сущест­вования вида, та надорганизменная система, которая делает вид потенциально (но не реально) бессмертным. Это свидетель­ствует о том, что приспособительные возможности популяции гораздо выше, чем у слагающих ее отдельных организмов.

Популяция как элементарная экологическая единица обла­дает определенной структурой, которая характеризуется состав­ляющими ее особями и их распределением в пространстве. Популяциям свойственны рост, развитие, и способность поддер­живать существование в постоянно меняющихся условиях.

В природе популяции растений, животных и микроорганиз­мов составляют системы более высокого ранга - сообщества живых организмов, или, как их принято называть, биоценозы. Биоценоз - это организованная группа популяций растений, животных и микроорганизмов, живущих во взаимодействии в одних и тех же условиях среды. Понятие «биоценоз» было предложено в 1877 г. немецким зоологом К- Мебиусом, который установил, что все члены одного сообщества живых организмов находятся в тесной и постоянной взаимосвязи. Биоценоз являет­ся продуктом естественного отбора, когда его устойчивое существование во времени и пространстве зависит от характера взаимодействия популяций и возможно лишь при обязатель­ном поступлении лучистой энергии Солнца и наличии постоян­ного круговорота веществ.

Иногда для упрощения изучения биоценоза его условно раз­деляют на отдельные компоненты: фитоценоз - раститель­ность, зооценоз - животный мир, микробоценоз - мик­роорганизмы. Такое деление приводит к искусственному выделе­нию отдельных группировок живых организмов, которые само­стоятельно существовать не могут. Не может быть устойчивой система, которая состояла бы только из растений или только из животных. Сообщества и их компоненты необходимо рассмат­ривать как биологическое единство разных типов живых орга­низмов.

Биоценоз не может развиваться сам по себе, вне и незави­симо от среды неорганического мира. В результате в природе складываются определенные относительно устойчивые комп­лексы, совокупности живых и неживых компонентов. Простран­ство с однородными условиями, заселенное сообществом организ­мов (биоценозом), называется биотопом, т.е. биотоп - это место существования, место обитания биоценоза. Поэтому био­ценоз можно рассматривать как исторически сложившийся ком­плекс организмов, характерный для данного конкретного био­топа.

Биоценоз образует с биотопом диалектическое единство, био­логическую макросистему еще более высокого ранга - биогео­ценоз. Термин «биогеоценоз», обозначающий совокупность биоценоза и его местообитания, предложил в 1940 г. В. Н. Су­качев. Термин практически тождествен термину «экосистема», который принадлежит А. Тенсли.

Экологическая система - это система, состоящая из живых и неживых элементов среды, между которыми имеет место обмен веществом, энергией и информацией. Экологиче­ские системы разных рангов могут включать ограниченное или очень большое число компонентов и занимать малые или очень большие площади и объемы; экологическая система Европы, экологическая система страны, экологическая система области, района, зоны действия предприятия и т.д.

Под биогеоценозом понимается элемент биосферы, где на известном протяжении биоценоз (сообщество живых организ­мов) и отвечающий ему биотоп (части атмосферы, литосферы и гидросферы) остаются однородными и тесно связанными между собой в единый комплекс. То есть, под биогеоцено­зом понимается естественный природный комплекс, через который не проходит ни одна существенная биоценотическая, геоморфологическая, гидрологическая, микроклиматическая, ночвенно-геохимическая или какая-либо другая граница. Это однородный по топографическим, микроклиматическим, гидро логическим и биотическим условиям участок биосферы. Поня­тие «экологическая система» не несет в себе этого ограничения и может объединять разные природные комплексы (лес, луг, реку и т.д.). Сам биогеоценоз является элементарной экологи­ческой системой.

Элементарная структурная единица биосферы - биогеоце­ноз- состоит из двух взаимосвязанных составляющих (рис. 3.1):

абиотической (биотоп), включающей абиотические элементы внешней среды, находящиеся во взаимосвязи с живы­ми организмами;

биотической (биоценоз), сообщество живых организ­мов, обитающих в пределах выделенного биотопа (выделенной экологической системы).

Абиотическая составляющая включает в себя компоненты: литосфера, гидросфера и атмосфера.

В литосфере выделяются участок массива горных пород, зем­ной поверхности, которые являются местом обитания живых организмов и входят в состав выделенного биоценоза. Важной характеристикой биотопа является участок земной поверхно­сти с особой структурой и вещественным составом почв (педосферы) в пределах выделенного участка.

К гидросфере относятся поверхностные и подземные воды, находящиеся в пределах биотопа и прямо или косвенно обеспе­чивающие жизнедеятельность живых организмов, а также вода, выпадающая на территории выделенного района в виде осад­ков.

К атмосфере (газовой составляющей) относятся: атмосфер­ный воздух; газы, растворенные в поверхностных и подземныхводах; газовая составляющая почв, а также газы, выделяю­щиеся из горного массива, которые прямо или косвенно влияют на жизнедеятельность живых организмов.

Биотическая составляющая природной среды (биоценоз) включает в себя три компонента: фитоценоз-продуценты (про­изводители) первичной продукции, аккумулирующие энергию Солнца; эоценоз- консументы, производители вторичной про­дукции, использующие для своей жизнедеятельности энергию, заключенную в органическом веществе фитоценоза; микробоце-ноз-редуценты (диструкторы), организмы, живущие за счет энергии мертвого органического вещества и обеспечивающие его разрушение (минерализацию) с получением исходных ми­неральных элементов в виде, удобном для использования расте­ниями для воспроизводства первичной органической продукции.

Все компоненты природной среды (биогеоценоза), его био­тическая и абиотическая составляющие находятся в постоян­ной взаимосвязи и обеспечивают эволюционное развитие друг друга. Состав и свойства литосферы, гидросферы и атмосферы в значительной степени определяют живые организмы. При этом сами живые организмы, обеспечивая жизнедеятельность друг друга, зависят от изменений условий внешней среды. Внешняя среда обеспечивает их энергией и необходимыми пи­тательными веществами.

Таким образом, в целом биосфера заключает в себя следующие уровни жизни: популяцию, биоценоз, биогеоце­ноз. Каждый из этих уровней обладает относительной незави­симостью, что и обеспечивает возможность эволюции макроси­стемы в целом, где эволюционирующей единицей является популяция. При этом элементарной структурной единицей био­сферы служит биогеоценоз, т. е. сообщество организмов в сово­купности с неорганической средой обитания (см. рис. 3.1).

В современных условиях деятельность человека преобразует природные богатства (леса, степи, озера). На смену им прихо­дит посев и посадки культурных растений. Так формируются новые экологические системы - агробиогеоценозы или агроценозы. Агроценозами являются не только сель­скохозяйственные поля, но и полезащитные лесные посадки, па­стбища, лесопосадки, пруды и водохранилища, каналы и осу­шенные болота. В большинстве случаев агробиоценозы по своей структуре характеризуются незначительным количеством видов живых организмов, но высокой их численностью. Хотя в струк­туре и энергетике естественных и искусственных биоценозов есть много специфических черт, принципиальных различий меж­ду ними не существует.

Значительно сложнее дело обстоит с экологическими систе­мами, возникающими в зонах влияния промышленных пред­приятий, городов, плотин и других крупных инженерных соору­жений. Здесь в результате активного воздействия людей на окружающую среду формируются качественно новые экологиче­ские системы, функционирование которых обеспечивается в ре­зультате естественных природных процессов и постоянного воз­действия промышленного предприятия иа абиотическую (нежи" вую) и биотическую (живую) составляющие природы.

5. Биотический круговорот веществ в биосфере

Существование биосферы в целом и отдельных ее Частей обеспечивает круговорот веществ и превращение энергии:

Круговорот веществ в биосфере осуществляется в цервуЮ очередь на основании жизнедеятельности большого разнбобра* зия организмов. Каждый организм извлекает из окружающей среды необходимые для своей жизнедеятельности вещества и возвращает неиспользованные. Причем некоторые виды жи« вых организмов потребляют нужные им вещества Непосредст* венно из окружающей среды, другие используют продукты, пе* реработанные и выделенные первыми, третьи - вторыми и так до тех пор, пока вещество вновь не возвращается в природную1 среду в первоначальном состоянии. Отсюда и возникает необхо* димость сосуществования различных организмов (видовое многообразие), способных использовать продукты жизне* деятельности друг друга, т. е. действует практически безотход; ное производство биологической продукции.

Общее число живых организмов и скорость их развития в биоценозе зависят от количества энергии, поступающей в эко­логическую систему, скорости ее передачи Через отдельные элементы системы и от интенсивности циркулйцИй Минеральный веществ. Особенностью этих процессов является то, что пита­тельные вещества (углерод, азот, вода, фосфор и т. Д>) Цирку­лируют между биотопом и биоценозом постоянно, т, е. используй ются бесчисленное-число раз, а энергия, поступающая в эКОло* гическую систему в виде потока солнечной радиации, расходует^ ся Полностью. Согласно закону сохранения И Превращения, энергий, поступающая в экологическую систему, мОЖет перехо* дить из одной формы в другую. Второй фундаментальный прин> цип - любое действие, связанное с преобразованием энергии, не может происходить без ее потери в виде рассеянного в" прост­ранстве Тепла. То есть часть поступающей в экологическою систему энергии терйетсй и не может совершать работу.

Любая экологическая система В Процессе СёОей эволюции стремится к своему равновесному состоянию, когда все ее фн= эические параметры принимают пОСтойНйое значение, & коэффи­циент полезного Действий достигает максимального значении»

Жизнедеятельность любого организма обесйечййаетсй в ре= зультате многосторонних биотических отношений, в которые он вступает с другими организмами. Все организмы Могут быть классифицированы по способу питания и тому трофическо­му уровню, на котором они находятся в общей цепи пита­ния. По способу питания выделяют две группы: автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофные обладают способностью создавать органи­ческие вещества из неорганических, используя энергию Солнца или энергию, освобождающуюся при химических реакциях.

Гетеротрофные организмы используют в качестве пищи органическое вещество. При этом в качестве пищи могут ис­пользоваться живые растения или их плоды, мертвые остатки растений и животных. При этом каждый организм в природе в том или ином виде служит источником питания для ряда дру­гих организмов.

В результате последовательного перехода органического ве­щества с одного трофического уровня на другой происходят круговорот вещества и передача энергии в природе (рис. 3.2). При этом органические вещества, переходя с одного трофиче­ского уровня на другой, частично исключаются из круговорота. В результате на Земле происходит накопление органических соединений в виде залежей полезных ископаемых (ТОрф, уголь, нефть, газ, горючие сланцы и др.). Однако Существенно био масса на Земле не накапливается, а удерживается на каком-то определенном уровне, поскольку она постоянно разрушается и вновь создается из одного и того же строительного материа­ла, т.е. в ее пределах протекает беспрерывный круговорот ве­ществ. В табл. 3.1 приводятся данные о скорости воспроизвод­ства биомассы для некоторых природных экологических систем.

В процессе жизнедеятельности организмов в корне преобразо­валась и неживая часть биосферы. В атмосфере появился-сво­бодный кислород, а в ее верхних слоях - озоновый экран; угле­кислота, извлеченная организмами из воздуха и воды, законсер­вировалась в отложениях угля и карбоната кальция.

В результате геологических процессов происходят деформа­ции и разрушение верхней части литосферы. Ранее погребен­ные осадочные породы оказываются вновь на поверхности. В дальнейшем происходит их выветривание, в котором живые организмы также принимают активное участие.

Выделяя углекислоту, органические и минеральные кислоты, они способствуют разрушению горных пород и тем самым уча­ствуют в обеспечении процесса миграции химических элемен­тов.

Общее количество солнечной энергии, ежегодно получаемой Землей, составляет примерно 2-1024 Дж. В процессе фотосинте­за в год образуется около 100 млрд. т органических веществ и аккумулируется 1,9-1021 Дж энергии Солнца. Для процессов фотосинтеза ежегодно вовлекается из атмосферы 170 млрд.т углекислого газа, разлагается фотохимическим путем около 130 млрд. т воды и выделяется в окружающую среду 115 млрд.т кислорода. Кроме этого, в круговорот веществ вовлекается 2 млрд. т азота, кремния, аммония, железа, кальция и многих других веществ. Всего в биологическом круговороте участвуют более 60 элементов.

Фаза синтеза органического вещества сменяется на после­дующем этапе биологического круговорота фазой его разруше­ния с одновременным рассеиванием в пространстве потенциаль­ной химической энергии (в виде тепловой энергии) В результа­те осуществляется переход органического вещества в газовую, жидкую и твердую формы (минеральные и другие соединения). В процессе этих трех фаз происходит возобновление биологиче­ского круговорота, который поддерживается солнечной энергией и в который вовлекаются практически одни и те же массы ве­ществ и химических элементов.

В процессе геологического круговорота веществ осуществля­ется перенос минеральных соединений с одного места в другое в масштабах всей планеты, а также происходит перенос и изме­нение агрегатного состояния воды (жидкая, твердая - снег, лед; газообразная - лары). Наиболее интенсивно вода циркулирует В парообразном состоянии.

Круговорот воды в биосфере основан на том, что суммарное испарение компенсируется выпадением осадков. При этом из океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше выпадает осадков, но излишек стекает в озера И реки, а оттуда снова в океан.

С появлением живого вещества на основе круговорота воды и растворенных в ней минеральных соединений, т.е. на базе абиотического, геологического возник круговорот органического вещества, или малый биологический круговорот.

В биологическом круговороте наиболее важен процесс транспирации. При поглощении почвенной влаги корнями растения с водой в него поступают растворенные в воде мине­ральные и органические вещества. Процесс транспирации важен также и для регулирования температуры растения, предохра­няя его от перегрева. Благодаря потерям тепла, которые проис­ходят при испарении воды, температура растения понижается. Одновременно этот процесс регулируется самим растением - в жаркую погоду устьица, расположенные на листьях, раскры­ваются шире и этим способствуют усилению испарения и пони­жению температуры, а при более низкой температуре устьица прикрываются, интенсивность испарения уменьшается. Таким образом, транспирации одновременно является и физиологиче­ским и физическим процессом, так как от обычного испарения с неживого вещества она отличается возможностями регулиро­вания самим растением.

Транспирационную способность растения часто оценивают по коэффициенту транспирации, характеризующему объем воды, который необходимо затратить для образования единицы массы сухого вещества растения. Например, для обра­зования 1 т наземной растительной массы пшеницы, т.е. зерна и соломы, расходуется 300-500 м3 воды Расход воды на травепирацию зависит от большого числа факторов: от характера самого растения, условий погоды, на­личия влаги в почве. В сухую жаркую погоду растение нужда­ется в расходовании большого количества воды на транспира-цию.

Корни растений всасывают почвенную влагу с разных глу­бин. Корневая система пшеницы распространяется на глубину до 2,0-2,5 м, корни дуба иногда проникают на глубину до 20 м. Благодаря этому растения способны использовать влагу, зале­гающую на больших глубинах, и меньше зависят от колебаний увлажненности поверхностного слоя почвы.

Испарение с почвы нельзя рассматривать изолированно от транспирации Так, например, под пологом леса с поверхности почвы испаряется мало воды, независимо от ее наличия. Это происходит потому, что солнечная радиация слабо проникает через кроны деревьев. Кроме того, под пологом леса скорость движения воздуха замедляется, и он больше насыщен влагой. В этих условиях основная часть влаги испаряется за счет транспирации.

В круговороте воды наиболее важны те фазы, которые про­исходят в пределах отдельных бассейнов рек и озер. Раститель­ность выполняет важную экранирующую функцию, задерживая часть выпадающей в осадках воды. Этот перехват, который, естественно, бывает максимальным при слабых дождях, может в умеренных широтах достигать до 25% общей суммы осадков.

Часть воды задерживается в почве,-причем тем сильнее, чем значительнее почвенный коллоидальный комплекс (гумус и глина). Та часть воды, которая проникает в почву на глубину 20-30 см, может вновь подняться на ее поверхность по капиллярам и испариться. Таким образом, переход воды с поверхности в атмосферу осуществляется в результате физи­ческого испарения и процесса транспирации. При этом количество воды, транспирируемой рас гениями, увеличивается с улучшением их водоснабжения. Так, одна береза испаряет за день 0,075 м3 воды; бук -0,1 м\ липа - 0,2, а I га леса - 20- 50 м3. 1 га березняка, масса листвы которого составляет 4940 кг, испаряет 47 м-" воды в день, а I га ельника, масса хвои которого 31 тыс. кг. транспирирует 43 м:< воды в день. 1 га пше­ницы за период развития использует 375 мм осадков, а проду­цирует 12,5 т (сухая масса) растительного вещества.

Биологический круговорот в противоположность геологиче­скому требует меньших затрат энергии. На создание органиче­ского вещества затрачивается всего 0,!-0,2% падающей на Землю солнечной энергии (на геологический круговорот - до 50%)- Несмотря на это. энергия, вовлеченная в биологический круговорот, производит огромную работу по созданию на плане­те первичной продукции.

Циркуляцию веществ принято называть биогеохимичес-кими циклами. Основные биогеохимические циклы - кру­говорот кислорода, углерода, воды, азота, фосфора и ряда дру­гих элементов.

В целом каждый круговорот любого химического элемента является частью общего грандиозного круговорота веществ на Земле, т. е. все они тесно связаны между собой различными формами взаимодействия. Основными звеньями биогеохимиче­ских циклов выступают живые организмы, которые и обуслов­ливают интенсивность всех круговоротов и вовлечение в них практически всех элементов земной коры.

Практически весь молекулярный кислород земной атмосфе­ры возник и поддерживается на известном уровне благодаря деятельности зеленых растений. В большом количестве он рас­ходуется организмами в процессе дыхания. Но, кроме того, об­ладая высокой химической активностью, кислород непременно вступает в соединения почти со всеми элементами земной коры. Подсчитано, что весь кислород, содержащийся в атмосфере, проходит через живые организмы (связываясь при дыхании и высвобождаясь при фотосинтезе) за 200 лет, углекислота со­вершает круговорот в обратном направлении за 300 лет, а все воды на Земле разлагаются и воссоздаются путем фотосинтеза и дыхания за 2 млн. лет.

Круговорот и миграцию веществ в биохимических циклах можно рассмотреть на примере круговорота углерода (рис. 3.3). На суше он начинается с фиксации углекислого газа растения ми в процессе фотосинтеза. Диоксид углерода, содержащийся в атмосфере, поглощается растениями и в результате фотосин­теза образуются углеводороды и выделяется кислород

В свою очередь, углеводы являются исходным материалом для формирования растений.

Фиксированный в растении углерод в значительной мере по­требляется животными. Животные при дыхании также выделя­ют углекислый газ. Отжившие растения и животные разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органи­ческого вещества окисляется до углекислого газа и снова попа­дает в атмосферу. Подобный круговорот углерода совершается и в океане.

Часть углекислого газа из атмосферы поступает в океан, где он находится в растворенном виде. То есть океан обеспечивает поддержание углекислого газа в атмосфере в определенных пределах. В свою очередь, содержание углерода в океане на определенном уровне обеспечивается за счет накопленных запа­сов карбоната кальция в донных осадках. Наличие этого посто­янно действующего природного процесса в определенной сте­пени регулирует содержание углекислого газа в атмосфере и в водах океана.

Круговорот азота, как и другие биогеохимические цик­лы, охватывает все области биосферы (рис. 3.4). Азот, которого очень много в атмосфере, усваивается растениями лишь после соединения его с водородом или кислородом. В современных ус­ловиях в круговорот азота вмешался человек. Он выращивает на обширных площадях азотофиксирующие бобовые растения или искусственно связывает природный азот. Считается, что сельское хозяйство и промышленность дают почти на 60% боль­ше фиксированного азота, чем его образуется в естественных условиях.

Круговорот фосфора, который является одним из ос­новных элементов, необходимых живым организмам, относи­тельно прост. Основные источники фосфора - изверженные (апатиты) и осадочные (фосфориты) породы. Неорганический фосфор вовлекается в круговорот в результате естественных процессов выщелачивания. Фосфор усваивается живыми орга­низмами, которые при его участии синтезируют ряд органиче­ских соединений и передают его на разные трофические уровни. Закончив свой путь по трофическим цепям, органические фос­фаты разлагаются микробами и превращаются в минеральные ортофосфаты, доступные для зеленых растений. В водоемы фосфаты попадают в результате стока рек, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов, расположенных на разных уровнях трофической цепи пресно­водных или морских водоемов. Возвращение минеральных фос­фатов в воду также осуществляется в результате деятельности микроорганизмов. Следует, однако, отметить, что фосфаты, от­ложившиеся на больших глубинах, выключаются из круговоро­та, что необходимо учитывать при составлении баланса данного биогеохимического цикла. Таким образом, происходит только частичное возвращение фосфора, попавшего в океан, обратно на сушу. Этот процесс происходит в результате жизнедеятельности птиц, питающихся рыбой.

Частично фосфор поступает на континент в результате выло­ва рыбы, который ведет человек. Однако количество фосфора, ежегодно поступающего с рыбной продукцией,значительно ни­же его выноса в гидросферу, которое достигает многих миллио­нов гонн в год. Кроме того, человек, внося фосфатные удобре­ния па поля, значительно ускоряет процесс выноса фосфора в водотоки и океан. При этом водоемам наносится экологи­ческий ущерб, так как нарушаются естественные процессы жиз­недеятельности организмов, обитающих в воде.

Поскольку запасы фосфора весьма ограничены, то бесконт­рольное его расходование может привести к ряду отрицатель­ных последствий. Он является основным лимитирующим (рак-тором для автотрофных организмов как водной, так и наземной сред, главным регулятором ряда других биогеохимических кру­говоротов. Так, например, содержание нитратов в воде или кислорода в атмосфере в значительной степени зависит от ин­тенсивности круговорота фосфора в биосфере.

6. Природные экологические системы

Структура и динамика популяций. Изучение структуры и ди­намики популяций имеет большое практическое значение.

Не зная закономерностей жизнедеятельности популяции. Нельзя обеспечить разработку научно обоснованных экологических, ин­женерных и организационных мероприятий по рациональному использованию и охране природных ресурсов.

Популяционный подход к изучению жизнедеятельности орга­низмов основан на их способности регулировать свою числен* ность и плотность при воздействии разнообразных абиотических и биотических факторов внешней среды.

Основные параметры популяции - ее численность и плотность. Численность популяции-это общее количество особей на данной территории или в данном объеме. Она никогда не бывает постоянной и, как правило, зависит от соотношения интенсивности размножения и смертности.

Плотность популяции определяется количеством осо­бей или биомассой на единицу площади или объема. Напри» мер, 106 растений березы на 1 га. или 1.5 окуня в I м3 воды характеризуют плотность популяций этих видов. При возраста нии численности плотность Не увеличивается лишь в том слу­чае, если возможно расселение популяции на большую пло­щадь или в большем объеме.

Размеры ареала распространения, численность И плотность популяций непостоянны и могут изменяться в значительных пределах. Нередко эти изменения связаны с деятельностью че­ловека. Но основными причинами такой динамики являются изменения условий существования, наличия кормов (т.е. энерге­тических ресурсов) и других причин.

Установлено, что численность популяций может кОлебаТьСй Небеспредельно. Удержание численности популяции в опреде­ленных пределах обеспечивается ее способностью к саморегу­лированию. Любая популяция всегда имеет нижние И верхние пределы плотности, за границы которых Она выходить не мбжет (рис. 3.5). При благоприятном сочетании факторов плотность популяции удерживается на каком-то оптимальном уровне, Не­значительно отклоняясь от него. Такие колебания плотности Обычно носят правильный, регулярный характер и Четко ОТра жают реакцию Популяции на конкретные изменения условий среды. В природе могут иметь место сезонные колебания ^ие* ленности, особенно у мелких животных (мышевидные грызуны. Насекомые, некоторые птицы). Так, численность мышевидны* грызунов в течение одного сезона иногда увеличивается в 300- Б00 раз, а некоторых насекомых в 1300--1500 раЗ.

Падение плотности ниже оптимальной обусловливает ухуд­шение защитных свойств популяции, уменьшение ее Плодови­тости и ряд Других отрицательных явлений. Популяций С мИ> нимальной численностью особей длительно существовать не могут, Известны случаи вымирания животных с низкой числен­ностью даже в заповедниках с весьма благоприятными условия ми жизни. Повышение плотности сверх оптимальной также не­благоприятно сказывается на популяции, поскольку при этом уничтожается кормовая база и сокращается жизненное прост­ранство.

Популяции регулируют свою численность и приспособлива-ются к изменяющимся условиям среды путем обновления осо­бей. Особи появляются в популяции благодаря рождению и иммиграции, а исчезают в результате смерти и эмиграции. При сбалансированной интенсивности рождаемости и смертно­сти формируется стабильная популяция. В такой популяции смертность компенсируется приростом, т.е. численность популя­ции к ее ареал удерживается на определенном уровне.

Однако равновесия популяций в природе не существует. Каждая популяция наделена как статическими, так и динами­ческими свойствами, поэтому плотность их постоянно колеблет­ся. Но при стабильных внешних условиях колебания эти проис­ходят около какой-то средней величины. В результате популя­ции не сокращаются и не увеличиваются, не расширяют и не сужают своего ареала.

Саморегулирование плотности популяции осуществляется действующими в Природе двумя взаимно урав­новешивающимися силами. Это, с одной стороны, свойственная организмам способность к размножению, с другой -- зависящие от плотности популяции процессы, ограничивающие воспроиз­водство. Авторегуляция плотности популяции - необходимое приспособление для поддерживания жизни в постоянно меняю­щихся условиях.

Популяция - это наименьшая эволюционирующая едини­ца. Она существует не изолированно, а в связи с популяциями других видов. Поэтому в природе одновременно широко распро странены и внепопуляционные механизмы автоматической регу­ляции, точнее межпопуляционные. При этом популяция являет­ся регулируемым объектом, а в качестве регулятора выступает природная система, слагающаяся из множества популяций раз­ных видов. Эта система в целом и входящие в ее состав попу­ляции других видов влияют на данную, конкретную популяцию, а каждая в отдельности со своей стороны воздействует на всю систему, в состав которой она входит.

Функционирование и структура биогеоценозов. В биоценозах между различными видами живых организмов возникают опре­деленные связи. Основной формой этих связей служат пищевые взаимоотношения, на базе которых формируются сложные цепи и циклы питания и пространственные связи. Именно иа пище­вых и пространственных отношениях (трофических и топических) строятся разнообразные биотические ком­плексы, объединяющие виды живых организмов в единое целое, т.е. в биологическую макросистему - биогеоценоз.

Естественные биогеоценозы обычно представляют собой мно­говидовые сообщества. И чем разнообразнее по видовому соста­ву биоценоз, тем у него больше возможностей для более пол­ного и экономичного освоения материальных и энергетических ресурсов.

Все звенья цепи питания взаимосвязаны и зависимы друг от друга. Между ними, от первого к последнему звену, осуще­ствляется передача вещества и энергии (рис. 3.6,а). При пере­даче энергии с одного трофического уровня на другой происхо­дит ее потеря. Вследствие этого цепь питания не может быть длинной. Чаще всего она состоит из 4-6 звеньев на суше и 5-8 в океане. В любой цепи питания не вся пища используется на рост особи, т.е. на накопление биомассы. Часть ее расходуется на удовлетворение энергетических затрат организма: на дыхание, движение, размножение, поддержание температуры тела и др. При этом биомасса одного звена не может быть перерабо­тана последующим звеном полностью. В каждом последующем звене пищевой цепи происходит уменьшение биомассы по срав­нению с предыдущим. Это касается не только биомассы, но и численности особей и потока энергии.

Это явление было изучено Ч. Элтоном и названо пирамидой чисел, или пирамидой Элтона (рис. 3.6.6). Основание пирами­ды образуют растения - продуценты, Над ними располагаются фитофаги. Следующее звено представлено консументами второго порядка. И так далее до вершины пирамиды, которую состав­ляют наиболее крупные хищники. Число этажей пирамиды обыч­но соответствует числу звеньев пищевой цепи.

Экологические пирамиды выражают трофическую структуру экологической системы в геометрической форме. Они могут быть построены из отдельных прямоугольников одинаковой высоты, длина которых в определенном масштабе отражает значение измеряемого Параметра. Таким образом можно по­строить пирамиды чисел, биомассы и энергии.

Источником энергии для биологического круговорота ве­ществ является солнечная радиация, аккумулируемая зелеными растениями - автотрофами. Из всей достигающей Земли сол­нечной радиации только около 0,1-0,2% энергии улавливается Зелеными растениями и обеспечивает весь биологический круго­ворот веществ в биосфере. При этом более половины энергии, связанной с фотосинтезом, расходуется самими растениями, а остальная аккумулируется в теле растения и в дальнейшем Служит источником энергии для всего многообразия организмов последующих трофических уровней.

Функции живого вещества в биосфере разнообразны, но все они служат одной цели — движению химических элементов. Зачем необходимо это движение, и каким образом оно происходило 3,5 млрд. лет назад, то есть до того, как на Земле появилась жизнь? С момента своего появления, роль живого вещества в биосфере стала ключевой. Несмотря на незначительную массу, примерно 10 -6 массы других оболочек Земли, оно является носителем энергии, благодаря которой это движение происходит.

В понятие «живое вещество биосферы» входят все живые организмы на планете. Независимо от того к какому классу, виду, роду и так далее они относятся. Это не только органические вещества, но и неорганические, а также минералы. «Живет» оно во всех слоях биосферы – в литосфере, гидросфере и атмосфере. Если условия существования непригодны, оно либо впадает в состояние анабиоза, то есть замедляет все свои процессы настолько, что видимые проявления жизни практически отсутствуют, либо погибает.

Отличительные черты и роль

Как же отличить живое вещество биосферы от неживого?

В-пятых, существует во всех фазовых состояниях. В-шестых, является индивидуальным организмом и при смене поколений, характеризуется преемственностью или наследственностью.

Живое вещество биосферы обеспечивает миграцию химических элементов как от одного организма к другому, так и между организмом и окружающей средой. Перемещение происходит, когда живые организмы переваривают пищу, развиваются и растут, а также передвигаясь в процессе жизнедеятельности. Первое такое перемещение элементов называется химически или биохимическим, а второе – механическим. Причем деятельность живых организмов стремится к тому, чтобы эта миграция шла максимально быстро, а энергия, получаемая от Солнца, использовалась наиболее эффективно. Для этого они постоянно и непрерывно приспосабливаются, адаптируются и развиваются.

Функции

Роль живых организмов в биосфере заключается в выполнении ими нескольких функций. Основными из них являются: энергетическая, деструктивная, концентрационная и средообразующая.

Энергетическая функция. Она связана со способностью зеленых хлорофилльных организмов к фотосинтезу. С помощью полученной ими солнечной энергии, они преобразовывают простейшие соединения такие как, вода, углекислый газ и минералы, в сложные органические вещества, которые, в свою очередь, являются необходимыми для существования других живых существ. Такой способностью обладают растения. Для процесса фотосинтеза они используют всего лишь 1% солнечной энергии, попадающей на Землю. Ежегодно они производят порядка 145 млрд. тонн кислорода, для чего потребляют около 200 млрд. тонн углекислого газа. Органического вещества при этом вырабатывается более 100 млрд. тонн. Так растения пополняют атмосферу свободным кислородом. Если бы растения не делали это постоянного, то кислород, как активный химический элемент, вступал в реакции и образовывал различные соединения и в итоге совершенно исчез из атмосферы Земли. А с ним прекратила бы существование и жизнь. Кроме растений, органическое вещество в очень небольшом количестве – не более 0,5% от общего количества, производят некоторые бактерии. Этот процесс называется хемосинтез. В нем задействована не солнечная энергия, а энергия, выделяющаяся в процессе реакций окисления серных и азотных соединений.

Синтезированные таким образом органические соединения – белок, сахар и так далее, — вместе с заключенной в них энергией, являются пищей и распространяются по трофической цепи. Кроме того, синтезированная растениями энергия рассеивается как тепло или накапливаться в отмершем органическом веществе, переходя в ископаемое состояние. И в этом следующая функция — деструктивная.

Эта роль живых организмов в биосфере еще носит название минерализация органических веществ. В результате разложения, отмершее органическое вещество преобразовывается в простые неорганические соединения. В этом процессе участвуют живые организмы, выполняющие деструктивную или разрушительную функцию. В трофической цепи они получили название «редуценты». Это грибы, бактерии, черви и микроорганизмы. Результатом разложения являются: углекислый газ, воды, сероводород, метан, аммиак и так далее. Которые, в свою очередь, являются «пищей» для растений. И процесс начинается вновь.

Важную роль играет процесс разложения, проходящий в литосфере. Благодаря ему из горных пород высвобождается такие элементы, как кремний, алюминий, магний и железо.

Редуценты, с помощью имеющихся в их распоряжении кислот, «добывают» и «отправляют» в биотический оборот такие важнейшие химические элементы, как кальций, калий, натрий, фосфор, кремний и различные микроэлементы. Благодаря деструкторам, почва обретает свою плодородность.

Еще одна функция живых организмов – концентрационная. Под нею подразумевается процесс, в ходе когда некоторые их виды извлекают, а затем накапливают у себя определенные химические элементы. В этом случае концентрация таких элементов, как: углерод, водород, азот, натрий, магний, кремний, сера, хлор, калий, кальций и кислород, может быть в сотни и тысячи раз выше, чем в окружающей среде. Например, марганца в 1200000 раз, серебра – 240000, а железа – в 65000. Яркими примерами такого накопления могут быть раковины, панцири и скелеты. С элементами «пригодными» для накопления, некоторые виды накапливают в себе ядовитые, отравляющие и радиоактивные вещества. И попадание их в пищевую цепь явно не носит положительного характера.

Противоположностью концентрационной функции является рассеивающая. Она проявляется при различных выделениях, перемещениях и тому подобное. Например, происходит рассеивание железа из крови, при укусах различных насекомых или кровососущих.

Биосфера — это не только взаимодействие между живыми организмами и обмен между ними энергией. Существенная роль живых организмов в биосфере – это ее преобразование. Живые организмы меняют физико-химические параметры окружающей их среды, а такая их функция получила название «средооразующей». Она, как результат всех ранее рассмотренных функций в совокупности. Извлечение химических элементов, накопление их, а затем, с помощью полученной энергии, «отправление» в путь по биологическому кругообороту, привело к существенным изменениям природной среды. За миллиарды лет изменился газовый состав атмосферы, химический – вод, появились осадочные породы и донные отложения, возник плодородный почвенный покров. И в настоящее время мы сталкиваемся с этим влиянием.

Преобразовывая внешнюю среду, организмы создают оптимальный баланс энергии и «питательного» вещества для своего существования и всей биосферы в целом. Этот баланс в результате многочисленных внутренних и внешних воздействий, всегда находится под угрозой разрушения. И вещество, за счет перечисленных своих качеств, сопротивляется такому влиянию, восстанавливает нарушенное и приводит систему в стабильное состояние.

Рассматриваемые функции живых организмов в биосфере касались двух этапов преобразования органического вещества в неорганическое и наоборот. На этих этапах свою роль играют растения, как продуценты, и бактерии, грибы и микроорганизмы, как редуценты. Какова же роль консументов или потребителей, основными видами которых являются животные?

Животные

Самый насыщенный, с точки зрения количества переходов от одного организма к другому, является этап между тем, как растения произвели кислород и заканчивается тем, когда погибший организм попал «на стол» разрушителей.

Следующий уровень использует не более 1% энергии предыдущего. С гибелью фитофагов и зоофагов, их тела попадают к сапрофагам и бактериям. Сапрофаги – это те же разрушители, редуценты или могильщики. На их «столе» завершает свое путешествие органическое вещество. Круг замкнулся. В процессе этого круговорота количество вещества или химических элементов осталось прежнее. Каким оно и было миллионы лет назад. Израсходовано только энергия. Считается, что роль животных в биосфере в том, что они способствуют перемещению химических веществ, участвуют в их распределении и в обмене энергией. Но их роль представляется несколько шире. Как живая самоорганизующаяся система биосфера стремиться к равновесию и поддержанию своего внутреннего баланса. Масса ее живого вещества должна поддерживаться в определенном объеме и эту функцию выполняют животные. Примером могут быть те биосистемы, где животный мир исчез или на грани того. Объем вещества в результате падает, что неукоснительно приводит к разрушению баланса и гибели системы.

Видео — Биосфера – лик планеты