Основные закономерности иерархии биосферы (трофические уровни)

Если заяц съел 10 кг растительной массы, то его собственная масса может увеличиться на 1 кг. Лисица или волк, поедая 1 кг зайчатины, увеличивают свою массу уже только на 100 г. У древесных растений эта доля много ниже из-за того, что древесина плохо усваивается организмами. Для трав и морских водорослей эта величина значительно больше, поскольку у них отсутствуют трудноусвояемые ткани. Однако общая закономерность процесса передачи энергии остается: через верхние трофические уровни ее проходит значительно меньше, чем через нижние.

Вот почему цепи питания обычно не могут иметь более 3--5 (редко 6) звеньев, а экологические пирамиды не могут состоять из большого количества этажей. К конечному звену пищевой цепи так же, как и к верхнему этажу экологической пирамиды, будет поступать так мало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов.

Этому утверждению можно найти объяснение, проследив, куда тратится энергия потребленной пищи (С). Часть ее идет на построение новых клеток, т.е. на прирост (Р). Часть энергии пищи расходуется на обеспечение энергетического обмена 7или на дыхание ( i ?) . Поскольку усвояемость пищи не может быть полной, т.е. 100 %, то часть неусвоенной пищи в виде экскрементов удаляется из организма ( F ). Балансовое равенство будет выглядеть следующим образом:

С = Р + R + F .

Учитывая, что энергия, затраченная на дыхание, не передается на следующий трофический уровень и уходит из экосистемы, становится ясным, почему каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего.

Именно поэтому большие хищные животные всегда редки. Поэтому также нет хищников, которые питались бы волками. В таком случае они просто не прокормились бы, поскольку волки немногочисленны.

Пирамида биомасс -- это соотношение масс организмов разных трофических уровней. Обычно в наземных биоценозах общая масса продуцентов больше, чем каждого последующего звена. В свою очередь, общая масса консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка и т.д. Если организмы не слишком различаются по размерам, то на графике обычно получается ступенчатая пирамида с суживающейся верхушкой. Так, для образования 1 кг говядины необходимо 70--90 кг свежей травы.

В водных экосистемах можно также получить обращенную, или перевернутую, пирамиду биомасс, когда биомасса продуцентов оказывается меньшей, нежели консументов, а иногда и редуцентов. Например, в океане при довольно высокой продуктивности фитопланктона общая масса в данный момент его может быть меньше, нежели у потребителей-консументов (киты, крупные рыбы, моллюски).

Пирамиды чисел и биомасс отражают статику системы, т. е. характеризуют количество или биомассу организмов в определенный промежуток времени. Они не дают полной информации о трофической структуре экосистемы, хотя позволяют решать ряд практических задач, особенно связанных с сохранением устойчивости экосистем. Пирамида чисел позволяет, например, рассчитывать допустимую величину улова рыбы или отстрела животных в охотничий период без последствий для нормального их воспроизведения.

Пирамида чисел (численностей) отражает численность отдельных организмов на каждом уровне. Например, чтобы прокормить одного волка, необходимо по крайней мере несколько зайцев, на которых он мог бы охотиться; чтобы прокормить этих зайцев, нужно довольно большое количество разнообразных растений. Иногда пирамиды чисел могут быть обращенными, или перевернутыми. Это касается пищевых цепей леса, когда продуцентами служат деревья, а первичными консументами -- насекомые. В этом случае уровень первичных консументов численно богаче уровня продуцентов (на одном дереве кормится большое количество насекомых).

Вид, являющийся потребителем, не может полностью уничтожить всю популяцию своих потенциальных жертв: в противном случае он погибнет сам. В свою очередь, уровень плодовитости жертв эволюционно складывается с учетом того, что часть популяции будет уничтожена хищниками. Но естественно, что всегда имеются ограничения и на численность самих хищников. Это поддерживает равновесие системы.

Любая популяция сама по себе также является устойчивой биологической системой. Для обеспечения этого она непрерывно воспроизводит свой вид в биогеоценозе, в котором существует. Законы самоорганизации биосферы таковы, что между особями популяции складываются взаимоотношения, направленные на организацию выполнения этой функции. В частности, при благоприятных условиях существования популяции ее особи начинают размножаться более интенсивно. Это приводит к тому, что между отдельными особями возникает конкуренция (из-за территории, самок и т. п.).[19] Для популяции становится выгодно, чтобы часть особей размножаться перестала и рост численности замедлился. Понятно, что для особи отказ от создания потомства ненормален, но для популяции это необходимая реакция на ее чрезмерную численность.[14] Например, при определенной плотности внутри сообщества грызунов начинают обостряться внутренние отношения. При этом агрессивные формы отношений начинают преобладать над коммуникативными, возникает обстановка стресса. Последний приводит к гибели отдельных особей или к блокировке у некоторых из них поступления в кровь половых гормонов.

При резком ухудшении условий существования (чрезмерно расплодились хищники, ухудшились климатические условия, стало мало корма и т. п.) популяция начинает сокращаться. Тогда включаются природные механизмы, стимулирующие размножение. Но популяция всегда стремится к оптимальному уровню своей численности, и, следовательно, для любой популяции характерен процесс саморегуляции. [14]

Таким образом, биосфера представляет собой систему, в которой в качестве подсистемы выступают биогеоценозы. Каждый биогеоценоз, в свою очередь, является самостоятельной системой, в которой в качестве подсистемы выступают популяции. В них же подсистемами являются отдельные организмы. Каждый организм, естественно, представляет собой отдельную биологическую систему. Последняя является основной единицей обмена веществ. [16]

Биогенный круговорот веществ в планетарном масштабе возможен только потому, что все организмы осуществляют его с окружающей средой непрерывно. [13] Именно с организма начинается цепь взаимоотношений между составляющими живой материи. И ни на одном уровне эту цепь прерывать нельзя, ибо все они связаны между собой функционально. А значит биосфера, являясь целостной иерархией подчинена этой закономерности. [14]

Жизнедеятельность организмов сводится к дыханию, питанию и размножению. Последнее всегда считалось основным отличительным признаком живого вещества, гранью, которая отделяет его от неживой материи. Основные законы размножения организмов были известны давно. В частности, Ч. Дарвин и А.

Уоллес считали, что всякий организм, при отсутствии внешних препятствий, может за счет размножения рано или поздно покрыть всю поверхность земного шара: ведь организмы размножаются в геометрической прогрессии, причем мелкие организмы воспроизводят себе подобных гораздо быстрее, чем крупные. .[19]

В. И. Вернадский первым поставил вопрос о значении размножения организмов для организованности биосферы, бытия планеты в целом. [7]

В. И. Вернадский обратил внимание на преобладание в живом веществе изотопов, то есть атомов, имеющих разное строение, но обладающих одинаковыми химическими свойствами. Он предположил, что организмы различно относятся к изотопам, что живое вещество способно разлагать смеси изотопов и использовать в своей жизнедеятельности лишь некоторые из них. Он показал, что организмы строятся из однородных, чистых элементов, а косная материя -- из смеси изотопов. В этом, по мнению Вернадского, состоит существенное различие между живым и косным веществом. [3]

В. И. Вернадский высказал свое полное согласие с принципом бережливости природы, сформулированным К. М. Бэром. Этот принцип состоит в том, что любой организм расходует вещество, созданное им, с величайшей бережливостью. Организм не только не тратит его даром, но по возможности вообще не выпускает его из себя. [3]

В. И. Вернадский рассматривал принцип бережливости как крупное биологическое обобщение, наблюдаемое в природе на каждом шагу.[8] Этот принцип подтверждал гипотезу Вернадского о непрерывном сохранении химических элементов в жизненных циклах. Из этого принципа следует, что разделение изотопов возможно только живым веществом. Избирательное отношение организмов подтверждается изотопным составом атмосферы, ее биогенным происхождением. Но оказывается, изотопный характер кислорода атмосферы и природной воды неодинаков. Возможно, это является следствием избирательной способности различных организмов к различным изотопам.

До Вернадского оболочка жизни описывалась как особая, тонкая пленка, охватывающая поверхность нашей планеты и имеющая случайный характер.[8] Вернадский же усмотрел в поверхностной оболочке Земли не только область живого вещества, но и трансформатор энергии, «механизм» изменения планеты космическими силами. «Вещество биосферы, -- писал ученый, -- благодаря им проникнуто энергией. Оно становится активным, собирает и распределяет в биосфере полученную в форме излучений энергию, превращает ее в конце концов в энергию земной среды, свободную и способную производить работу».[18]

Биосфера отъединяет Землю от Космоса, и в то же время это единственное природное тело, которое связывает планету с космическими силами и переводит.[5] По выражению В. И. Вернадского, «космические излучения в... земную энергию -- электрическую, химическую, тепловую».[26]

Как отмечал В. И. Вернадский, всего лишь за один год через живые организмы биосферы проходит масса атомов, равная массе земной коры. Одни организмы накапливают какие-то химические элементы, другие -- их разлагают. В результате создаются залежи полезных ископаемых, обновляется атмосфера, меняется состав морской воды. [26] Все эти явления представляют собой плоды жизнедеятельности живого вещества в течение миллионов лет. «Живые организмы, -- писал Вернадский, -- своим дыханием, питанием, смертью, разложением, постоянным использованием своего вещества, а главное -- длящейся сотни миллионов лет непрерывной сменой поколений, своим рождением и размножением -- порождают одно из грандиознейших планетных явлений, не существующих нигде, кроме биосферы. Этот великий планетный процесс связан с миграцией химических элементов в биосфере, движением земных атомов, непрерывно происходящим более двух миллиардов лет по вполне определенным законам. Биогенная миграция производится силами жизни и, взятая в целом, является одним из самых грандиозных и самых характерных процессов биосферы, основной чертой ее организованности» .[7]

Движение живого вещества в биосфере В. И. Вернадский назвал сначала «механизмом биосферы». .[7] В последующих работах он отказался от этого термина, посчитав его чисто техническим, и заменил словом «организованность». Введение понятия «организованность биосферы» является для построения теории биосферы одной из гениальнейших догадок Вернадского. Он подчеркивал, что все живые организмы этой организованностью связаны между собой настолько тесно, что нарушение человеком существующего «динамического равновесия» между частями биосферы в одном месте может вызвать катастрофические последствия в другом. [7]

Учение Вернадского о биосфере несомненно является одним из крупнейших обобщений естествознания XX века. Никто из естествоиспытателей XIX века, рассуждавших о «сфере жизни», даже в отдаленной мере не мог предвидеть фундаментального значения для изучения экологии человека современного представления о биосфере. Оно неизмеримо шире таких расплывчатых понятий, как «окружающая среда», «географическая оболочка» и т. п. .[7]

Прежде всего, биосфера Вернадского неразрывно связана с его концепцией пространства-времени, то есть ее иерархия трехмерна и геоисторична. [3] Сведение ее к современной жизнедеятельной пленке планеты не просто обедняет понятие биосферы, а лишает ее самой основы -- бесконечной эволюции, неравномерности исторического развития, его непрерывности и необратимости.

Важным положением в учении В. И. Вернадского является то, что биосфера -- не закрытая самоуправляемая система, а открытая система, существующая, вероятно, столь же долго, как и сама Земля. Биосфера функционирует как таковая только в силу своей неразрывной связи с другими геосферами нашей планеты, образуя вместе с ними единую суперсистему. [11] Свое понимание биосферы Вернадский называл геологическим. Его биосферная концепция лишена узкой биологичности и поэтому не может быть вписана в сферу только биологических наук. Она представляет собой интеграцию наук о Земле и жизни. [6] В настоящее время она тесно связана с социально экономическими науками. В этом состоит значение современных биосферных знаний в науке и в глобальных биосферных прогнозах. Последние, к сожалению, приходится часто делать в условиях неконтролируемой технократической деятельности людей.

Положение человека в биосфере двоякое: с одной стороны, человек как биологический вид является составной частью биосферы и, как все организмы, включен в трофические цепи; с другой стороны, человек, в отличие от других живых существ, имеет не только биологические, но и небиологические потребности (он создает и использует технику, строит здания, прокладывает дороги, печатает книги и т. п.). [9] С точки зрения взаимодействия с биосферой в качестве одного из биологических видов человек является гетеротрофом. Это означает, что он в своем организме не может создавать органические вещества, а должен получать их извне.[24] Кроме того, человек дышит кислородом, пьет воду и, следовательно, связан с природой по всем своим биологическим каналам. С точки зрения того, что человек имеет еще и небиологические потребности, он вынужден брать из окружающей среды ресурсы (руды, нефть, древесину и т. д.), которые другие живые существа не потребляют. При этом человек возвращает в природу массу отходов: пластики, металлы, стройматериалы и т. п. Так как последние природе несвойственны, то есть не имеют в ней своих редуцентов, то возникают и накапливаются загрязнения. [10]

Природа как объект изучения естествознания сложна и многообразна в своих проявлениях: она непрерывно изменяется и находится в постоянном движении. Круг знаний о ней становится все шире, и область сопряжения его с безграничным полем незнания превращается в громадное размытое кольцо, усеянное научными идеями -- зернами естествознания. Некоторые из них своими ростками пробьются в круг классических знаний и дадут жизнь новым идеям, новым естественнонаучным концепциям, другие же останутся лишь в истории развития науки. Их сменят затем более совершенные. Такова диалектика развития естественнонаучного познания окружающего мира.

Биосфера, та самая природа, -- не статическая структура «оболочки жизни», выступающая как извечная данность окружающего нас мира, а прежде всего геобиоисторический процесс. Только введя понятия о «былых биосферах», «геологической вечности биосферы», «пределах биосферы» (как пространственно-временном поле существования самой жизни).

Вернадский создал учение о биосфере, указал пути углубления ее познания. Это учение -- одна из основных частей современной философии естествознания. Оно является руководством по регламентации поведения людей в геобиосферной системе, которая за многие миллионы лет достигла устойчивого равновесия и надежности.

О природе как о предмете естествознания можно говорить строгим научным языком. Про нее же можно сказать и простые слова, несущие глубокий смысл, как это сделал немецкий мыслитель и естествоиспытатель Иоганн Гёте:

«Природа! Окруженные и охваченные ею, мы не можем ни выйти из нее, ни глубже в нее проникнуть. Непрошеная, нежданная, захватывает она нас в вихре своей пляски и несется с нами, пока, утомленные, мы не выпадем из рук ее. Она вечно говорит с нами, но тайн своих не открывает. Мы постоянно действуем на нее, но нет у нас над ней никакой власти.

Она -- единственный художник: из простейшего вещества творит она противоположнейшие произведения... природа, у нее собственный всеобъемлющий смысл. Жизнь -- ее лучшее изобретение; смерть для нее средство для боль- шей жизни. Она окружает человека мраком и гонит его к свету. У нее нет речей и языка, но она создает тысячи языков и сердец, которыми она говорит и чувствует. Она сурова и кротка, любит и ужасает, немощна и всемогуща. Не вы- рвать у нее признания в любви, не выманить у нее подарка, разве добро- вольно она подарит. Как она творит, так можно творить вечно».

Но биосфера -- не просто одна из существующих оболочек Земли, подобно литосфере, гидросфере или атмосфере. В. И. Вернадский предельно лаконично указывает на основное отличие -- это организованная оболочка. И чтобы понять суть биосферы, нужно понять, как и кем она организована, в чем состоит организованность биосферы. Быть живым -- значит быть организованным, отмечал В. И. Вернадский, и в этом состоит суть понятия биосферы как организованной оболочки Земли. На протяжении миллиарда лет существования биосферы организованность создается и сохраняется деятельностью живого вещества -- совокупности всех живых организмов. Форма же деятельности живого, его биогеохимическая работа в биосфере (новое понятие, введенное В. И. Вернадским) заключается в осуществлении необратимых и незамкнутых круговоротов вещества и потоков энергии между основными структурными компонентами биосферной целостности: горными породами, природными водами, газами, почвами, растительностью, животными, микроорганизмами. Этот непрекращающийся процесс круговоротного движения составляет один из краеугольных камней учения о биосфере и носит название биогеохимической цикличности.

Вся живая оболочка нашей планеты, весь животный, растительный, бактериальный мир, и еще больше -- вся среда жизни: суша, реки, озера, океаны -- все эти удивительные, уникальные создания природы -- биосфера. Ничего подобного нет в ближайшем обозримом Космосе.

В последнее время вывод о существовании биосферы в "единственном экземпляре" в результате нашего зондирования ближайших окрестностей Земли стал неоспорим. Мысль об уникальности Земли, кроме глубоких и высоких эмоциональных переживаний человека о своем месте в мире, рождает и величайшую тревогу, становится нашей трудной повседневной заботой: нет ничего дороже ее сохранения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Биосфера: загрязнение, деградация, охрана: краткий толковый словарь: учебное пособие для студентов биологических специальностей высших учебных заведений/ Д. С. Орлов, Л. К. Садовникова, Н. И. Суханова, С. Я. Трофимов. - М. : «Высшая школа», 2003. - 123, [2]с - Список терминов: с. 118 - 124. - Допущено МО РФ.

2. Биосфера: изучение и охрана. Библиографический указатель составлен на основании отчётов о НИР и диссертаций, поступивших в НТ центр в 1981 г. - 1983гг./. Составлен Матвеева Р. А. - М.:1983 - 133с. - (Всесоюзный научно технический информационный центр)

3. Казначеев Ваиль Петрович, Яншина Фидан Тауфиковна. Учение Вернардского о преобразовании биосферы и экология человека. - М.: «Знание», 1986. - 47 с.

4. Малиновский Юрий Михайлович. Биосфера - Земля _ Галактика - М.: «Знание», 1990 - 47 с.

5. Кашапов Револьт Шаймухаметович. Живая оболочка земли; - М.: «Просвещение» 1984. - 96с.

6. Филлипов Евгений Михайлович. О развитии Земли и биосферы. - М.: «Знание» 1990. - 45с.

7. Казначеев Вайль Петрович. Учение о биосфере: Этюды о научном творчестве В. И. Вернадского, (1863 - 1945). М. : «Знание», 1985. - 79с.

8. Сидоренко А. В. Новое учение о биофере: 22-е чтение В. И. Вернадского 12марта 1980 г./ответственный редактор Н. А. Сщзинов. - М.: «Наука», 1984. - 15с.

9. Моисеев, Никита Николаевич и др. Человек и биосфера: Опыт систематического анализа и эксперимента с моделями/ Н. Н. Моисеев, В. В. Александров, А. М. Тарко. - М.: «Наука» 1985. - 271 с.

10. Моисеев, Никита Николаевич и др. Человек и ноосфера. - М.: «Молодая Гвардия», 1990. - 351с.

11. Войткевич, Георгий Витольдович, Вронский, Владимир Александрович. Основы учения о биосфере: Книга для учителя. М.: «Просвещение» 1989 - 159 с.

12. Гусейнов, М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания: Учебник. - 3-е изд. , -- М. : Издательство- торговая корпорации «Дашков и К», 2006г. - с. 692

13. Губерчзиц М. Я. И др. Превращения канцерогенных веществ в биосфере. М. : «Знание» 1990. - 45с.

14. Герасимов, Инокентий Петрович. Биосфера Земли. М.: «Педагогика» 1976 С. - 96с.

15. Агаджарян, Николай Александрович. Зерно жизни: (Ритмы биосферы)/ Н. А. Агаджанян. - М.: «Сов. Россия», 1977С. - 256с.

16. Изроэль, Юрий Анатолиевич, Ровинский, Феликс Яковлевич. Берегите биосферу/ Ю. А. Изроэль, Ф. Я. Ровинский. - М.: «Педогика», 1987. - 125,[2]с.

17. Реввель П.,Реввеяь Ч. Среда нашего обитания: В 4 кн. -- М.: «Мир», 1995.

18. Вернадский В.И. Живое вещество и биосфера. -- М.: «Наука», 1999 - 165 с.

19. Концепции современного естествознания. Под ред. В.Н. Лавриненко и В.П. Ратникова. - М.: 1997.

20. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. - М.: Гардарики, 1999. 420-431

21. Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания: Краткий курс . -- М.: Высшая школа . -- 3-е изд., 2003.- 143с.

22. Калишилов М. М. Эволюция биосферы, изд. 2- е доп. М., «Наука» 1979. 255

23. Верзилин, Никита Николаевич. Биосфера, ее настоящее, прошлое и будущее/ Н. Н. Верзилин, - М.: «Просвещение» 1976 С. - 223с.

24. Дювинью П., Тонг, М. Биосфера и место в ней человека. Под редакцией А. Н. Формледова, Ю. К. Ефремова. М.: «Прогресс», 1973. - 56с.

25. Карякин А. В., Грибовская И. Ф. Эмиссионный спектральный анализ объектов биосферы, М.: «Химия» 1979, 208с.

26. Учение Вернадского о преобразовании биосферы и экология человека. - М.: «Знание», 1986. - 47с.

27. Юлов В.Ф. Концепции современного естествознания. - Киров: ВГПУ, 1997. - 253с.

Размещено на Allbest.ru