Учение о биосфере и экосистемах

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение		3
1.	Концепция экосистемы	4
1.1	Интегрирующий фактор экосистемы	5
1.2	Открытость экосистем	6
1.3	Структура экосистемы	7
1.4	Характеристики экосистемы	8
2.	Учение о биосфере	10
2.1	Учение В.И. Вернадского о биосфере	10
2.2	Развитие учения о биосфере	12
Заключение		14
Список использованной литературы		15

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Все живые существа нашей планеты тесно связаны между собой и с окружающей средой, и образуют экосистемы - сообщества взаимодействующих организмов. Экосистемой является и лишайник на стволе дерева, и обширная степь, и океанический шельф. Экосистемы, конечно же, не изолированы друг от друга: существа различных биоценозов вступают между собой в определенные взаимодействия, прежде всего пищевые, экосистемы обмениваются веществами и энергией. В тесной взаимосвязи они образуют единую планетарную экосистему - биосферу. Термин впервые ввел в науку Ж.-Б. Ламарк в 1803 году, понимая под биосферой всю совокупность живых организмов планеты. В конце XIX века понятие биосферы использовал знаменитый австрийский геолог Э. Зюсс, включив в него и неживую материю осадочных пород.

Годом рождения учения о биосфере считается 1926 год, когда вышла книга В.И. Вернадского "Биосфера". Заслуга академика В. И. Вернадского - в обобщении огромного количества научных данных, указывающих на тесную взаимосвязь жизни и неживого вещества планеты.

 

1. КОНЦЕПЦИЯ ЭКОСИСТЕМЫ

Концепция экосистемы возникла после того, как ученые поняли, что между живым население и условиями, в которых они существуют, имеется неразрывная связь, и совместное развитие этих двух компонентов образует единую надорганизменную систему, называемую впоследствии в Англии экологической системой (экосистемой), а России - биогеоценозом. Термин "экосистема" обычно используется в том случае, когда выражается функциональный взгляд на многовидовую природную биосистему.

Термин "экосистема" был предложен английским ученым фитоценологом А.Тенсли в 1935 году. Согласно А.Тенсли, экосистема - это "единица природы на земной поверхности", которая "охватывает совокупность комплексов организмов с комплексом физических факторов его окружения, т.е. факторов местообитания в широком смысле, как одну из категорий разнообразных физических систем Вселенной". Американский ученый К.Уатт писал, что "живые и неживые элементы в природе связаны в единую систему, в которой происходит каскадный процесс передачи энергии от одних к другим и круговорот веществ. Мы называем такую систему экосистемой" [4, с. 334] .

В экосистемном подходе особо подчеркиваются разнокачественная роль организмов, входящих в биоценоз и участвующих в круговороте веществ, в том числе: продуценты (создающие органические вещества), консументы (поедающие готовую органику) и редуценты (разрушающие органические вещества до неорганических).

Термин "экосистема" можно применять  сообществам и их средам различных размеров - например, кочка среди болота или пень в лесу, нора с ее населением, аквариум являются примерами микроэкосистемы; отдельную растительную ассоциацию со всеми ее живыми компонентами (например, ельник-брусничник и т.п.) или озеро можно назвать мезоэкосистемой; а океаны, суша и отдельные типы растительности (лес, степь, луг и т.п.) являются макроэкосистемой. Взаимосвязь всех биогеоценозов нашей планеты создает гигантскую глобальную экосистему, называемую биосферой.

 

1.1 Интегрирующий  фактор экосистемы

Сложный процесс взаимодействия организмов и среды в экосистеме протекает в форме биологического круговорота веществ и движения энергии. Круговорот в экосистеме выполняет функцию фактора, интегрирующего взаимодействие биотипа и биоценоза. В различных экосистемах круговорот веществ идет при участии различных компонентов и  с разной скоростью, но везде его первоосновой является процесс автотрофного биосинтеза.

Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот веществ в экосистемах осуществляется только при постоянном притоке энергии. Энергия поступает в экосистему в виде солнечного излучения. В экосистеме энергия переходит из одного вида в другой. Часть поступающей солнечной энергии преобразуется сообществом и переходит в качественно более высокую ступень (в химические связи), трансформируется в органическое вещество, являющееся более концентрированной формой энергии, чем солнечный свет.  Но большая часть энергии деградирует, проходя в процессе движения через экосистему и покидает ее в виде низкокачественной тепловой энергии (метаболическое тепло).

Концепция экосистемы базируется на принятии принципа "энергетической проводимости", согласно которому поток энергии, веществ и информации в системе долен быть сквозным, охватывающим всю экосистему или косвенно отзывающимся в ней. Иначе система не будет иметь свойств единства, целостности. В разных экосистемах длительность (и скорость) прохождения потока энергии, веществ и информации будет разной, специфической для конкретной экосистемы.

Движение веществ и энергии в экосистемах подчинено ряду закономерностей:

• закон сохранения массы - масса веществ до химической реакции равна массе веществ после химической реакции;
• закон сохранения энергии или первый закон термодинамики - энергия не создается и не исчезает, а переходит  из одного состояния в другое;
• второй закон термодинамики - энергетические процессы могут идти самопроизвольно лишь при переходе энергии из концентрированной формы в рассеянную, при этом происходящие потери энергии в виде тепла обуславливают невозможность стопроцентного перехода одного вида энергии в другую;
• закон максимизации энергии - выживает и в соперничестве с другими та система, которая способствует лучшему поступлению энергии и использует ее максимальное количество наиболее эффективным способом;
• правила основного обмена - динамическая система в стационарном состоянии используется приход энергии, вещества и информации главным образом для своего самоподдержания и саморазвития [1, с. 317].

1.2 Открытость  экосистем

Открытые экосистемы, к  которым относятся все природные экосистемы, могут развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Изолированное саморазвитие экосистемы невозможно. Вещество, энергия и информация, поступающие в систему извне, по сути являются важнейшими факторами существования этой системы.

Живые организмы, входящие в состав экосистемы, неодинаково ассимилируют вещества и энергию. Таким образом, благодаря разнообразию населения, в биогеоценозе образуется цепь последовательной передачи веществ и заключенной в ней энергии от одних организмов к другим (трофическая цепь). Этот сквозной поток энергии, проходя через трофическую цепь экосистемы постепенно гасится, поскольку на вех этапах этой цепи идет потеря энергии.

Американский ученый Р.Л. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий или закон 10%. Согласно этому закону с одного уровня в трофической цепи экосистемы может быть передано следующему более высокому звену в среднем только 10% количества энергии, притом этот процесс носит не плавный, а ступенчатый, каскадный характер. На этой основе сформированы понятия о пирамиде энергетических потоков и пирамиде биомасс в экосистеме и др [1, с. 318].

Звенья, образующие пищевую (трофическую) цепь, неравнозначны с точки зрения занимаемого места в структуре экосистемы и их рассматривают как "трофические уровни". По их количеству определяют трофико-энергетическую структуру экосистемы.

На первом трофическом уровне находятся продуценты - зеленые растения, на втором - растительноядные организмы, за ними следуют представители более высокого третьего уровня - плотоядные организмы, затем возникает четвертый уровень - плотоядные второго порядка.

 

1.3 Структура экосистемы

Характеризуется наличием двух системообразующих частей - биотопа и биоценоза, которые включаю в себя четыре функционально различных компонента, осуществляющих круговорот веществ и поток энергии:

1. Первый компонент - абиотические факторы среды, или биотоп, то есть весь комплекс неживой природы.
2. Второй комплекс - продуценты, или "образователи", представленные комплексом разнообразных зеленых растений и фотосинтезирующих бактерий. Основная масса из них -  автотрофы.
3. Третий компонент - комплекс всевозможных организмов-гетеротрофов, живущих за счет готовых органических веществ, которые создали продуценты. Это - консументы, или "потребители".
4. Четвертый компонент - комплекс организмов, разлагающих органические соединения до минерального состояния. Это - редуценты, или "разлагатели" [5, с. 340].

Каждая экосистема характеризуется своим особым биогеохимическим циклом движения веществ и энергии. В действительности, хотя в каждой экосистеме биогеохимический круговорот может быть завершен, в реальности обособленных круговоротов в природе нет, все они объединяются в единую систему - биологический круговорот. В этом процессе проявляется глобальная функция живого населения нашей планеты.

 

1.4 Характеристики  экосистемы

При характеризовании экосистемы обычно рассматривают свойства:

• структура экосистемы, ее функциональные компоненты, круговороты химических веществ, величина и скорость однонаправленного потока энергии, качество этой энергии;
• энергетика системы, характер ее поступления (естественное солнечное или в виде топлива) с расчетом энергетического баланса скорости фиксации солнечной энергии в химические связи с синтезируемой биомассой в зависимости от присутствующего населения и условий окружающей среды, их качественного и количественного состояния;
• направления и скорость движения веществ и энергии по цепям питания и разложения, геохимические циклы в круговороте веществ для выяснения устойчивости функционирования системы;
• продуктивность экосистем в виде биологической продукции и биомассы, пирамиды продукции, продуктивность отдельных трофических уровней или отдельных представителей живого населения, привлекающих внимание человека с тех или иных позиций;
• трофико-динамическое состояние экосистемы и утилизация организмами природных ресурсов и потока энергии с количественной оценкой значения отдельных популяций, входящих в экосистему и находящихся на разных ступенях использования энергии;
• биологическая регуляция геохимической среды, отражающая зависимость химической и физической среды на Земле от жизнедеятельности организмов [1, с. 323].

Такой общий подход позволяет обнаружить сходство у принципиально различных природных объектов (море и лес, злаковое поле и аквариум) и различие у внешне похожих (смешанный лес или дубрава и др.). Концепция экосистемы позволяет с определенных и важных позиций характеризовать природные сообщества.

 

2. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ

Биосфера - это особая оболочка нашей планеты, где проявляется деятельность всего живого населения Земли: растений, животных, микроорганизмов и человечества. Термин "биосфера" как "Лик Земли" был создан Эдвардом Зюссом в 1873 году. В свое работе при описании геологии Альп он обозначил этим термином пространство земной поверхности, населенное жизнью. В 1919 году при чтении лекций студентам Сорбонны В.И. Вернадский, использовал термин, фактически переоткрыл его и вложил в него новое, более емкое содержание: биосфера - это не только область распространения жизни, но и ее производное, так как в своих основных свойствах она преобразована живыми организмами и определенным образом организована ими [3, с. 44].

Эти идеи В.И. Вернадский изложил в своем классическом труде "Биосфера", опубликованном в 1926 году. В дальнейшем, в работах 20-40-х годов, В.И.Вернадский развивал эти идеи и создал целостное учение о биосфере как о единой системе, состояние которой в значительной мере определяется деятельностью живых организмов и о ее переходе в качественно новое состояние - "ноосферу".

2.1 Учение В.И. Вернадского  о биосфере

Биосферу В.И. Вернадский характеризовал как особое космическое явление. Он пишет: биосфера - это явление космического характера, ее важной особенностью, главной геологической силой является жизнь - "живое вещество", не просто населяющее биосферу, а преобразующее облик Земли. Термин "живое вещество" он называл всю совокупность организмов, обитающих на планете.

Биосферу Вернадский рассматривал как систему, а в качестве ее структурных компонентов представлены разные геохимически значимые вещества:"живое вещество", "косное вещество" и "биокосное вещество".

Термином "живое вещество" ученый обозначил всю совокупность живых организмов, включая сюда и человека, которую рассматривал как однородное живое вещество на уровне видов, разнообразие которого определял с геохимических позиций и опирался при этом на деление организмов по способу питания (автотрофы, гетеротрофы, миксотрофы). Термином "костное вещество" В.И. Вернадский именовал совокупность всех планетарных и геологических свойств Земли, в образовании которых живое вещество не участвует: солнечная радиация, гравитация, земные ритмы (суточные, сезонные и прочие), атмосферное давление, температура, влажность, газы и пр., то, что называют абиотическими факторами. "Биокостным веществом" Вернадский называл взаимодействующие комплексы живого и костного вещества: почва, океаническая вода, каменные угли, нефть, торф, горючие сланцы, известняки, мел и др.

Биосфера, или "сфера жизни", по В.И. Вернадскому - это одна из геологических оболочек земного шара, в которой обитают живые существа, активно осуществляющие обмен веществ и энергии в глобальных размерах и в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых существ. Он утверждал, что биосфера - это закономерный продукт эволюции Земли, вместе с тем это главнейшая арена жизни и хозяйственной деятельности человека. В своем глобальном проявлении биосфера выступает как гигантский аккумулятор и трансформатор энергии Солнца. Зеленые растения, поглощая постоянно из окружающей среды солнечную энергию, накапливают ее, обеспечивают существование всего гетеротрофного населения планеты и глобальный биологический круговорот веществ, осуществляющий взаимоотношение живого вещества с окружающей средой и обусловливающий непрерывность жизни на нашей планете [1, с. 443].