Динамика и гомеостаз экосистем

Любая естественная экосистема способна к саморегули­рованию. Экологическая система не является абсолютно стабильным, застывшим образованием. В ней постоянно осуществляются жизненные процессы, связанные с переходом вещества и энергии с одних пищевых уровней на другие, с изменением численности и плотности популяций и т.д. Зачастую биоценоз экосистемы изменяется под воздействием факторов экотопа, причем эти воздействия обладают различной интенсивностью и скоростью.

Вместе с тем, мы знаем, что подвижность также относительна. Например, экосистема таёжных лесов существует длительное время (сотни лет) и на первый взгляд, стабильна, устойчива и неподвижна.

Таким образом, мы сталкиваемся с тем фактором, что экосистемы с одной стороны – стабильны; с другой – подвижны, динамичны во времени и в пространстве. Это состояние экосистем представляет собой интегральный результат двух процессов: гомеостаза и сукцессии.

Важнейшим свойством экосистемы является её устойчивость, сбалансированность, происходящих в ней процессов обмена веществом и энергией между всеми компонентами. Такое состояние подвижного равновесия называется гомеостазом. Гомеостаз обеспечивается механизмами, так называемой, обратной связи.

Рассмотрим условную экосистему, состоящую из популяций двух видов: оленя и волка. В этой системе: волк – хищник, олень – жертва. Если численность жертвы растет, то хищник, который питается только этой жертвой, тоже может увеличить свою численность. В этом проявляется положительная обратная связь. Но постепенно хищник снижает численность популяции оленя – это отрицательная обратная связь. Когда численность волка достигает некоторого предела, то они естественно снизят численность оленя, и в итоге волк окажется перед необходимостью снижать собственную численность из-за недостатка пищи.

В естественной экосистеме все время поддерживается равновесие, исключающее необратимое уничтожение тех или иных звеньев в трофических цепях (т.е. численность волка и оленя всегда будет держаться на определенном уровне). Это является следствием длительного эволюционного процесса, который Дарвин назвал естественным отбором. Любая экосистема всегда сбалансирована, устойчива, т.е. гомеостатична.

Приведенный пример достаточно условный. В действительности в природных условиях гомеостаз определяется не только взаимодействием популяций разных пищевых уровней, но и постоянной энергетической дотацией (за счет прихода солнечной энергии).

При некоторых условиях обратная связь может быть почему-либо нарушена. Например: на оленей стал охотиться другой хищник, он стал «мешать» волку. При этом происходит нарушение сбалансированности системы, которое может быть обратимым или необратимым.

Такую роль в природе могут играть абиотические факторы. Например – погодные условия. Засуха может снизить продуктивность растений, ограничить пищу оленей, и это сразу же скажется на численности хищников.

Причины, обосновывающие экологический гомеостаз, следующие. Каждая система обладает определенным запасом информации, под которой понимается количественная мера организованности этой системы. Очевидно, чем более сложна эта система, тем больше в ней перекрещивается трофических и энергетических цепей, тем выше её информативность (под которой понимается количественная мера организованности этой системы). Каждая экосистема получает информацию из внешней среды, причем эта информация, как правило, стремится вывести систему за границы в пределах которых «возможно её выживание». Поэтому стабильность системы будет зависеть от количества информации.

Стабильное состояние экосистемы, её гомеостаз не есть что-то неподвижное. Гомеостаз - это подвижное равновесие. В любой системе идут процессы, меняющие её во времени и пространстве. При этом изменяется состав биоты, структура экосистемы и её продуктивность. Последовательная смена биоценозов, возникающая на одной и той же территории в результате влияния природных факторов или влияния человека, называется сукцессией.

Сукцессия– это постепенный процесс изменения структуры и состава биоценоза в направлении повышения устойчивости экосистемы. Сукцессии связаны:

1.С внутренними процессами экосистемы, в частности с динамикой экотопа; с постепенными изменениями растительности; процессами размножения растений; с совокупностью экологических ниш для консументов и т.д.

2.С внешними воздействиями на экосистему. В том числе и в связи с хозяйственной деятельностью человека. Например: осушение болот. Однако, антропогенные сукцессии могут быть временными, и через какой-то период экосистема вновь начинает восстанавливаться. Это происходит, например, после лесных пожаров (восстановление леса на гарях).

Воздействие человека (прямое или косвенное) может существенным образом изменять сукцессионные процессы: замедлять или ускорять их.

Однако сукцессии подчиняются определенным закономерностям, являются неотъемлемым свойством любой наземной или водной экосистемы.

В зависимости от обстоятельств, предшествовавших началу сукцессии, их подразделяют на следующие виды:

- природные («старение» озерной экосистемы);

- антропогенные (вызванные хозяйственной деятельностью человека);

- катастрофические;

- пирогенные (пожары);

- зоогенные или фитогенные (в результате сильного действия животных или растений)

По общему характеру сукцессии делятся на первичные и вторичные. Первичные – позволяют проследить формирование сообществ с самого начала. Они начинаются на субстрате не измененном деятельностью живых организмов. Это - сообщества на скалах, в песках и т.п. Одна из основных функций сукцессии такого рода – постоянное накопление органических остатков и как следствие создание (или изменение) почвы первичными колонистами.

Вторичные – развиваются на субстрате первоначально измененным деятельностью комплекса живых организмов (например, после пожара, наводнения, вырубки и т.д.).

Смена фаз сукцессии идет в соответствии с определенными правилами: каждая предыдущая фаза готовит среду для возникновения последующей. Постепенно нарастают видовое многообразие и ярусность. Вслед за растениями в сукцессию вовлекаются животные.

Фактически сукцессия биоценоза является сукцессией пищевых цепей и фундаментальных экологических ниш, т.е. режимов и состава сцепленных факторов.

Сукцессия процесс энергоемкий, так как связан с образованием продукции в результате фотосинтеза. Поэтому преимущество в условиях восстановительной сукцессии (на вырубке) будут иметь те растения, которые максимально рационально утилизируют поступающую энергию солнечного излучения. И наоборот, те растения, которые в силу особенностей своей ниши не имеют такой возможности, отторгаются вновь формирующейся экосистемой. Поэтому лесное воспроизводство в настоящее время ориентировано на то, чтобы исключить подобные процессы и не допустить смены хвойных пород лиственными. Для этого на вырубках создаются искусственные хвойные насаждения путем посева семян и посадки выращенных в питомниках саженцев. И в этом случае человек берет на себя роль управления экосистемой.

Особый случай антропогенной сукцессии представляет собой сельское хозяйство. Распахав целинные участки, хозяйство получает определенный урожай. Этот урожай представляет собой ассимилированные растениями питательные вещества почвы, кислород и углерод из атмосферы, которые таким образом отчуждаются из экосистемы, поскольку урожай собирают и вывозят. Поэтому на следующий год необходимо восстановление плодородия за счет внесения удобрения, «отдых» почвы, замена культуры, использование обогащающих почву растений. Земледельцы вынуждены имитировать сукцессию, используя принцип чередования полей – севооборота.

Экологическая сукцессия происходит в определенный отрезок времени (первичная может до 1000 лет, вторичная – 150-200 лет). В это время происходит, как мы отметили выше, изменение видового состава сообщества и абиотической среды. Этот процесс, в конце концов, достигает кульминации развития, т.е. возникновения стабильной системы. Такое стабильное состояние системы называют климаксом. В этой системе на единицу энергии приходится максимальная биомасса и максимальное количество симбиотических связей между организмами.

 

 

Глава 4. Биосфера

Биосфера – это глобальная экосистема, активная оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяется и контролируется планетарной совокупностью живых организмов – биотой биосферы. Существующая биосфера сформировалась в результате закономерного эволюционного процесса развития нашей планеты в целом.

Первые представления о биосфере, как области жизни были высказаны в начале 19 века Ж. Ламарком. В 1875 году Э.Зюсс впервые ввёл в научную литературу современный термин «биосферы», понимая под ним взаимодействие основных оболочек Земли (атмосферы, литосферы, гидросферы) и живых организмов, их населяющих.

Целостное учение о биосфере принадлежит (1926 г.) В. И. Вернадскому. Именно он отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля. Границы биосферы наглядно показывают широту диапазона распространения живых организмов: от высот атмосферы, где царит холод и низкое давление до глубин океана, где давление достигает 12 тыс. атм. Они встречается практически всюду, за исключением обширных оледенений и кратеров действующих вулканов.

 

Структура биосферы

Как любая экосистема она состоит из абиотической и биотической частей.

Абиотическая часть биосферы включает в себя:

-аэробиосферу – нижнюю часть атмосферы до высоты озонового слоя (7-30км);

-гидробиосферу – всю гидросферу, включая Марианскую впадину 11 км;

- литобиосферу – верхние горизонты литосферы (земной коры) примерно до глубины 3 км.

Атмосфера

Атмосферой называется газообразная оболочка нашей планеты. Она выполняет ряд функций в биосфере:

- атмосферный воздух это источник дыхания живых организмов;

- защищает живые организмы на земной поверхности от губительного воздействия ультрафиолетого излучения солнца;

- защищает Землю от метеоритов и космической пыли (за счет магнитного поля Земли);

- служит, так называемой «одеждой» Земли, предохраняющей от потери тепла, излучаемого Землей в пространство;

- является средой для распространения световых и акустических волн.

Отличительными чертами этой земной оболочки являются следующие:

- атмосфера обладает наименьшей массой из всех других сфер планеты, она составляет 1/1000 гидросферы и 1/10000 массы земной коры;

- атмосфера имеет слоистое строение;

- атмосфера обладает высокой подвижностью (время вертикального перемешивания слоя толщиной 11 км – 2, 5 месяца);

- атмосфера характеризуется постоянным составом главных компонентов и высокой изменчивостью малых примесей.

Атмосфера связана с Землей силой тяжести и принимает участие в ее суточном и годовом вращении.

Химический состав основных компонентов атмосферного воздуха сложился в процессе исторического развития нашей планеты и с точки зрения химика представляет собой раствор кислорода, CO₂, инертных газов, метана, водорода в азоте.

Кислород – самый необходимый атмосферный элемент для функционирования биосферы. В атмосфере его конечно меньше, чем в воде (соответственно 23% / 89%), но зато он в значительном количестве находится в свободном состоянии. Обладая высокой химической активностью, он взаимодействует практически со всеми другими компонентами, составляющими атмосферу. Сейчас известны соединения кислорода даже с инертными газами, типа XeO₃ (кроме гелия и неона).

В атмосфере кислород существует в виде двух аллотропных модификаций O₂ и O₃ . Во всех состояниях (газообразных, жидких) кислород парамагнитен и имеет очень высокую энергию диссоциации – 496 кДж/моль. Озон диамагнитен, токсичен, имеет темно-голубой цвет. Озон в атмосфере образуется под воздействием УФ-излучения или электрического разряда. Максимальная концентрация O₃ наблюдается на высотах 25-45км и носит название «озонового слоя» Земли.

Не менее важен и основной компонент азот - N₂ , хотя он и является инертным, не активным в химическом отношении. Энергия диссоциации N₂ = 2N в два раза больше, чем у O₂ (944, 7 кДж/моль). Низкая реакционная способность обусловлена прочностью связи между атомами азота.

Кроме этих компонентов в атмосфере содержатся:

- органические и неорганические соли;

- кислоты почти всех элементов периодической таблицы (почти все антропогенного происхождения);

- органические соединения (около 500 - это ациклические ароматические углеводороды и их производные: альдегиды, кетоны, спирты, кислоты, эфиры).

Кроме соединений в атмосфере содержится большое количество радикалов органического происхождения: CH₃ ˙, C ₂H ₅ ˙ и радионуклидов (т. е. радиоактивных изотопов, которые образуются под воздействием космического излучения Na²² , Be⁷, P³², P³³, C¹⁴ и изотопов искусственного происхождения: C¹⁴, H³, Y¹³¹, Sr ⁹⁰, Cs¹³⁷, Zr ⁹⁵ ).

Все эти составляющие принимают активное участие в различных химических процессах в атмосфере:

- В протекании преобладающих окислительно-восстановительных реакций с участием разных соединений, в основном, с ковалентным типом химической связи;

- В протекании фотохимических реакций;

- В протекании цепных реакций с участием различных радикалов;

- В образовании новых соединений в слое атмосферы (в ряде случаев токсичных).

Рассматривая вертикальное строение атмосферы можно выделить несколько сфер: тропосферу; стратосферу, мезосферу, ионосферу (или термосферу), экзосферу.

Переход от одной сферы к другой характеризуется изменением не только химических компонентов, но и физических параметров, таких как температура, давление и т.п.

Основополагающим фактором при делении атмосферы на слои является температура: в тропосфере температура падает с увеличением высоты, далее в стратосфере она растет (примерно на 50⁰С); в мезосфере – вновь падает и возрастает в термосфере. Это явление носит название температурной инверсии .

Температурные инверсии протекают и в приземном слое атмосферы и оказывают значительное влияние на процессы циркуляции и рассеивания примесей в атмосфере.

Циркуляция атмосферы представляет собой сложную систему воздушных турбулентных течений. (Турбуленция – хаотическое движение воздуха с множеством завихрений). Причинами вызывающими процесс циркуляции атмосферы являются:

- вращение Земли

- неравномерное нагревание земной поверхности солнцем - меньшее у полюсов и большее у экватора.

Циркуляция атмосферы очень важна, так как она способствует сглаживанию контрастов температур; осуществляет перенос водяного пара; усредняет состав основных компонентов воздуха.

 

Литосфера

Литосфера- твердая оболочка Земли. Верхний слой литосферы это Земная кора. По современным данным толщина этой оболочки изменяется от 6 км под дном океана до 70 км в горных районах. Далее следует внутренняя оболочка литосферы - «мантия» Земли. Границей раздела этих оболочек является так называемая граница Мохоровича.

Обычно информацию о границах земной коры, границе Мохоровича и мантии получают на основании данных о скорости прохождения сейсмических волн через земные недра. При переходе от земной коры к мантии происходит скачкообразное изменение в распространении волны.

Внутренняя оболочка (мантия) включает в себя так же несколько слоев:

-верхнюю мантию (слои В и С) до глубины 2900км

-внешний слой ядра (2900 - 4980км)

-переходная зона ядра (4980 - 5120км)

-внутреннее ядро (5120 – 6370км)

Установлено что плотность земного вещества с глубиной возрастает. На этом основании предполагается, что в составе мантии преобладают более тяжелые химические элементы (Fe, Cr, Mg). Повышенная текучесть вещества в мантии обуславливает перемещение литосферных плит. В этой зоне зарождаются экологически значимые процессы: сейсмические, вулканические, горообразовательные и др., определяющие степень стабильности участков земной коры. Но до сих пор нет единого мнения о химическом составе внутренней оболочки ядра и глубинного строения Земли. Имеются предположения, что в условиях высокого давления и температуры (выше 3000⁰С) происходит переход вещества внутреннего ядра в фазу, при которой электронные оболочки атомов разрушаются и образуются так называемые «гигантские кольцевые вихри электронов». Возможно, они и создают постоянное магнитное поле Земли. Ядро совместно с мантией формируют гравитационное полк Земли.

Наиболее изученной частью Земли является ей верхний слой – земная кора. Среднее содержание химических элементов в земной коре впервые определил американский геохимик Ф. Кларк: 99% земной коры состоят всего из 9 химических элементов, на долю остальных элементов приходится всего 0, 52%. Кислород, кремний, алюминий – являются главными элементами земной коры. На их долю приходится 85, 6% её массы. Далее идут: Fe, Ca, K, Na, Mg, Ti. При этом следует особо отметить, что кислород по объему занимает 92% (т.е. земная кора представляет собой, в основном связанные элементы с кислородом). Рассеянные элементы (которых совсем немного) распределены в земной коре неравномерно, поэтому выделяют определенные территории, которые называют геохимическими провинциями , где концентрация их значительно выше, чем в других местах. Пример: район Уральских гор, характеризуется повышенным содержанием Cu, Cr, Ni.

Природные химические соединения (которые в основном образуют земную кору) принято называть минералами. Минералы – это однородные по составу и строению природные химические соединения, возникающие вследствие различных химических и физико-химических процессов в земной коре. Минералы встречаются в твердом, жидком (вода, нефть) и газообразном состоянии. Известно около трех тысяч минералов; 30 из них образуют горные породы (т.е. геологические тела более или менее постоянно минералогического (химического) состава). Это такие основные минералы: как полевые шпаты (ортоклаз - K[AlSi3O8], нефелин K[AlSiO4] ), кварц (SiO2), слюды (биотит, мусковит).

В зависимости от условий образования горные породы принято делить на три главные группы: магматические, осадочные, метаморфические. Верхний слой земной коры на 95% сложен из магматических пород, 1% - осадочных, 4% - метаморфических.

Магматические породы – возникают при затвердевании магматического расплава на поверхности или глубине земной коры. Это сложный раствор силикатного состава. При застывании магмы образуется крупнокристаллические структуры интрузивных пород: гранит, диорит, габбро, перидотит. Их плотность в этом ряду возрастает, а содержание SiO2 убывает.

Осадочные породы образуются путем отложения материала разрушенных или растворенных горных пород любого генезиса, как на суше, так и в море, осадочные породы залегают слоями. По составу и происхождению осадочные породы подразделяются на обломочные, хемогенные и биогенные. Обломочные – это продукты механического разрушения коренных исходных пород (глина, песок, гравий, галька, щебень, валуны). Хемогенные породы образуются из естественных растворов вследствие выпаривания воды. Это: каменная соль NaCl, гипс CaSO4 · 2H2O, известняки CaCО3 и т д. Биогенныепороды образуются вследствие жизнедеятельности живых организмов. Это либо продукты их жизнедеятельности, либо их неразложившиеся остатки. Их делят на карбонатные, кремнистые, фосфатные.

Метаморфические породы – формируются путем преобразований магматических и осадочных пород в глубинах земной коры, под воздействием высоких температур и плотности. Различают метаморфизм 2-х видов – контактный и региональный (обусловлен давлением вышележащих слоев и тепловыми потоками из глубин). К наиболее распространенным метаморфическим породам относятся: сланцы, гнейсы, кварцы, мрамор.

Длительный промежуток времени почва рассматривалась, как разновидность горных пород, т.е. термин «земля» и «почва» были равнозначны. Лишь в 1874г. В.В. Докучаев дал первое научное определение понятия «почва». Он доказал, что именно в почве переплетены и взаимосвязаны геологические и биологические процессы Земли.

Почвенный покров Земли представляет собой тончайшую оболочку планеты, которая является источником существования множества живых организмов. Процесс перехода горной породы в качественно новое состояние под воздействием живых организмов называются почвообразованием. При этом протекают химические, физические и биологические процессы.

 

Гидросфера

Гидросфера- водная оболочка Земли, совокупность океанов, морей, водных объектов суши (реки, озера, болота водо­хранилища), подземных вод, включая запасы воды в твердой фазе (ледники, снежный покров). Гидросфера Земли представляет собой единую водную оболочку, основным компонентом которой является хи­мическое соединение Н₂О. Гидросфера - это глобальная откры­тая система, а вода в ней - самое распространенное на Земле ве­щество.

Вода - единственное химическое соединение, которое в природных условиях существует в виде жидкости, твердого ве­щества (лед) и газа (пары воды). Н₂О - соединение с ковалентным типом химической связи, представляет собой бесцветную прозрачную жид­кость, без запаха, обладающую рядом аномальных физико-химических свойств:

- высоким поверхностным натяжением и зависящим от него значительным капиллярным поднятием, что обеспечивает питание растений по корневым системам;

- высокими температурами замерзания и кипения;

- удельные энтальпии испарения и плавления Н₂О (в расчете на 1г) выше, чем у большинства веществ;

- плотность воды в жидком состоянии больше плотно­сти льда, поэтому лед плавает на поверхности воды, и природные водоемы не промерзают до дна.

Эти аномальные свойства воды объясняются существо­ванием в ней водородных связей, которые связывают молекулы Н₂О в газообразном, жидком и в твердом состояниях.

Природная вода - это раствор многих веществ, в том числе солей, газов, а также веществ органического происхожде­ния, некоторые из них находятся во взвешенном состоянии. В большинстве случаев природная вода имеет атмосферное проис­хождение (дождевая вода), реже - глубинное (конденсация паров, поднимающихся из недр Земли)

Существует несколько классификаций химического со­става природных вод. В гидрохимии компоненты химического состава при­родных вод делятся на шесть групп:

1.Главные ионы (макрокомпоненты): К⁺, Na⁺, Mg²⁺, Са²⁺, СL^-, SO₄^2-, НСО₃^-, СО₃^2-.

2. Растворенные газы: О₂, N₂, H₂S, NH₃, CH4 и др.

3. Биогенные вещества (продукты жизнедеятельности организмов), главным образом, неорганические соединения азота и фосфора.

4. Растворенные органические вещества (РОВ), т.е. ор­ганические формы биогенных элементов. Эта группа включает практически все классы органических соединений.

5. Микроэлементы. В эту группу входят все металлы, кроме главных ионов, а также анионы.

6. Бактерии и микроорганизмы.

Из природных вод человек чаще всего сталкивается с так называемыми поверхностными природными водами. За счет антропогенной деятельности в химический со­став природных вод можно внести еще одну разновидность – это токсичные загрязняющие вещества: тяжелые металлы, нефтепро­дукты, хлорорганические соединения, синтетические поверхно­стно-активные вещества, фенолы и т.д. При хлорировании при­родной воды в ней могут также образоваться диоксины.

Показатели качества природной воды обычно подразде­ляют на физические (температура, цветность, взвешенные веще­ства, запах, вкус и др.), химические (жесткость, активная реакция, окисляемость, сухой остаток и др.), биологические (гидробионты) и бактериологические (общее количество бактерий, коли-индекс и др.)

Гидросфера - глобальная открытая система, стабиль­ность которой тем выше, чем больше разнообразие составляю­щих её компонентов. Опасность разбалансировки такой системы, нарушение равновесия и стабильности возникает тогда, когда существенно изменяется химический состав или физико-химические параметры на входе и, соответственно, продукция на выходе.

К особенностям химических процессов в гидросфере можно отнести:

1.Многообразие форм химических соединений: присут­ствуют все классы органических и неорганических веществ;

2.Влияние гидролиза на химические процессы и уча­стие в них гидратированных молекул и ионов;

3.Участие в химических процессах водорослей и бакте­рий.

В гидросфере протекают разнообразные химические и физико-химические процессы. Рассмотрим некоторые из них.

1. Химические реакции в водных растворах, в основном ионообменные и окислительно-восстановительные.

2. Испарение и растворение газов на поверхности раз­дела воздух-вода. Например, растворение газов О₂, N₂, СО₂, H₂S и NH₃ в природной воде.

3. Сорбционные процессы, т.е. процессы, адсорбции, абсорбции и десорбции, обычно протекающие с участием орга­нических соединений и способствующие самоочищению природ­ных вод.

4. Фотолиз - фотохимические превращения, протекаю­щие в природных водах под воздействием УФ-излучения Солнца при участии свободных радикалов и возбужденных частиц.

Три составляющие части биосферы тесно связаны друг с другом, составляя вместе единую, функциональную систему. Об этом свидетельствует тот факт, что многие части одного организма располагаются в различных оболочках биосферы. Например: наземная часть растений в атмосфере, корневая система в литосфере и т.п.

 

Биотическая часть биосферы

Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов. В настоящее время описано около 300 тыс. видов растений и более 1, 5 млн. видов животных. Суммарная биомасса организмов сухопутных видов образована на 99.2 % зелеными растениями и на 0, 8% животными и микроорганизмами. В океане, напротив, растения составляют 6, 3 % биомассы, а животные и микроорганизмы – 93, 7%. Несмотря на то, что океан покрывает более 70% поверхности планеты, в нем содержится лишь 0, 13% биомассы всех живых существ, обитающих на Земле. Причем, следует отметить, что в биосфере количественно преобладают формы, имеющие низкое качество развития: среди животных - 96 % видов составляют беспозвоночные и только 4% - позвоночные. Однако, живое вещество образует ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер Земли. Масса биосферы составляет 2420 млрд.т, что более чем в две тысячи раз меньше массы самой легкой оболочки Земли – атмосферы.

При всем разнообразии живое вещество физико-химически едино, имеет одни и те же эволюционные корни. В природе нет такого вида, который бы реагировал на некое химическое или физическое воздействие качественно иначе, чем организмы других видов. Существует лишь количественная разница. Из этого единства следует:

- нет такого физико-химическиого агента, который был бы губителен для одних организмов и абсолютно безвреден для других;

- количество живого вещества в биосфере в пределах рассматриваемого геологического периода есть константа;

- общее видовое разнообразие в биосфере есть константа (число нарождающихся видов в среднем равно числу вымирающих).

Живое вещество биосферы характеризуется определенными свойствами:

- стремление заполнить собой все окружающее пространство (связано как с интенсивностью размножения, так и со способностью организмов увеличивать поверхность своего тела: например – размер листовой пластинки);

- возможность произвольного перемещения в пространстве (даже против течения воды, ветра и т.п.);

- наличие специфических химических соединений (белков, ферментов) устойчивых при жизни и быстро разлагающихся после смерти;

- исключительное разнообразие форм, размеров, составов, а также высокая способность адаптироваться к условиям существования;

-феноменально высокая скорость протекания реакций: в сотни, тысячи, миллионы раз быстрее, чем в неживой природе;

- высокая скорость обновления живого вещества.

Специфической чертой биосферы, как особой оболочки Земли, является происходящий в ней круговорот веществ, регулируемый деятельностью живых организмов. Все химические элементы живой материи циркулируют в биосфере по характерным путям, переходя из внешней среды в организмы, а затем возвращаясь во внешнюю среду. Эти в большей или меньшей степени пути называют биогеохимическими циклами или круговоротами.

Живое вещество выполняет в биосфере ряд фундаментальных биогеохимических функций пла­нетарного масштаба.

Энергетическая (биохимическая) – связывание и запасание солнечной энергии. Свойства живого вещества определяются большой концентрацией (большим запасом) энергии в нем.Ее работа направлена на обеспечение условий жизни всех ее членов, в том числе и человека. Наземная и водная растительность планеты аккумулирует в течение 1 года 3х10²¹ калорий энергии Солнца. Это примерно в 100 раз больше вырабатываемой во всем мире энергии. При этом связывается 35 млрд тонн углерода, превращается в усвояемое состояние 44 млрд тонн азота, выделяется несколько десятков млрд тонн кислорода и производится другая химическая работа, обусловливающая современное состояние природы Земли.

Газовая функция. В процессе фотосинтеза и дыхания расте­ния и животные постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой. Растения сыграли реша­ющую роль в смене восстановительной среды на окислительную, в геохимической эволюции планеты и формировании состава современной атмосферы. Только после локализации фотосинтеза в хлоропластах у разных групп водорослей и последующей специализации органов синтеза стало возможным зна­чительное увеличение содержания кислорода в атмосфере.

Концентрационная функция. Пропуская через свое тело боль­шие объемы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование хими­ческих элементов и их соединений. Это относится не только к биосинтезу органики, но и к таким явлениям, как строительство раковин и скелетов, образование коралловых островов, толщ оса­дочных известняков, месторождений серы, некоторых металли­ческих руд, скоплений железомарганцевых конкреций на дне оке­ана и т. п. Ранние этапы биологической эволюции проходили в водной среде. Фильтруя колоссальные объемы воды, организмы научи­лись извлекать из разбавленного водного раствора необходимые для них вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своем теле. Отношение концентраций химических элементов между биотой и средой А. И. Перельман (1972) назвал биофильностыо элементов.

Рассеивающая – функция, противоположная концентрационной - рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.д. Железо гемоглобина крови рассеивается кровососущими насекомыми.

Окислительно-восстановительная функция живого вещества тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентриро­ванием веществ. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях. Например, молекулярный азот — один из важнейших биогенных элементов. Но живые клетки располагают настолько эффективными катали­заторами (ферментами), что способны осуществлять многие окис­лительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиогенной среде.

Деструктивная функция – это разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и костных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты (сапротрофные грибы и бактерии).

Информационная функция живого вещества биосферы.Именно с появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и активная («живая») информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая является простым отраже­нием структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с активной моле­кулярной структурой, играющей роль программы.

Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молеку­лярную информацию совершила опережающую эволюцию в при­роде и стала важнейшим экологическим системообразующим фак­тором.

Средообразующая функция. Перечисленные функции живого вещества вместе образуют мощную средообразующую функцию биосферы, заключающуюся в преобразовании физико-химиче­ских параметров среды. Работа этой функции направлена на обес­печение условий жизни всех ее членов, в том числе и человека. Следует четко представлять себе, что окружающая нас среда — это не возникшая когда-то и непреходящая физическая данность, а живое дыхание природы, каждое мгновение создаваемое работой множества живых веществ. Живые организмы создали в прошлом и поддерживают миллионы лет атмосферу нашей планеты в результате процессов жизнедеятельности автотрофных фотосинтезирующих организмов. Увеличение концентрации кислоро­да в атмосфере планеты повлияло, в частности, на скорость и интенсивность окислительно-восстановительных реакций в ли­тосфере.

Биота в глобальном масштабе способна с большой точностью и длительное время поддерживать на постоянном уровне важные параметры окружающей среды, несмотря на исключительную сложность и динамичность регулируемой системы. Таким обра­зом, биота биосферы формирует и контролирует состояние окру­жающей среды.

Транспортная функция – перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Такой перенос может осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных.

Для химических процессов в биосфере характерны следующие особенности:

- участие в химических и биохимических реакциях большого числа органических и неорганических веществ;

- протекание химических реакций смешанного типа, часто без непосредственного контакта взаимодействующих веществ (напри­мер, окислитель и восстановитель в живых организмах в боль­шинстве случаев находятся в разных частях тела);

- неравновесность процессов;

- участие в химических реакциях живых организмов.

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: