Природные экосистемы

4

РЕФЕРАТ на тему:

«Природные экосистемы»

ВВЕДЕНИЕ

С начала 40-х годов ХХ в. в экологии возник принципиально новый подход к исследованию природных экосистем. В 1935г. английский учёный А. Тенсли выдвинул понятие экосистемы, а в 1942г. В.Н. Сукачёв обосновал представление о биогеоценозе. В этих понятиях нашла отражение идея о единстве совокупности организмов с абиотическим окружением, о закономерностях, которые лежат в основе связи всего сообщества и окружающей неорганической среды, - о круговороте веществ и превращениях энергии. Начались работы по точному учёту продуктивности водных сообществ (Г.Г. Винберг, 1936). В 1942г. американский учёный Р. Линдеман опубликовал статью с изложением основных методов расчёта энергетического баланса экологических систем. С этого периода стали принципиально возможными расчёты и прогнозирование предельной продуктивности биоценозов в конкретных условиях среды.

Развитие экосистемного анализа привело к возрождению на новой экологической основе учения о биосфере, принадлежащего крупнейшему естествоиспытателю ХХ в. В.И. Вернадскому, который в своих идеях намного опередил современную ему науку. Биосфера предстала как глобальная экосистема, стабильность и функционирование которой основаны на экологических законах обеспечения баланса вещества и энергии.

Основным практическим результатом развития экосистемной экологии явилось ясное осознание, сколь велика зависимость человеческого общества от состояния природы на нашей планете, необходимости перестраивать экономику в соответствии с экологическими законами.

СТРУКТУРА БИОСФЕРЫ

Биосферой В.И. Вернадский назвал ту область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается воздействию живых организмов.

Участие каждого отдельного организма в геологической истории Земли ничтожно мало. Однако живых существ на Земле бесконечно много, они обладают высоким потенциалом размножения, активно взаимодействуют со средой обитания и в конечном счёте представляют в своей совокупности особый, глобальных масштабов фактор, преобразующий верхние оболочки Земли.

Значение организмов обусловлено их большим разнообразием, повсеместным распространением, длительностью существования в истории Земли, избирательным характером биохимической деятельности и исключительно высокой химической активностью по сравнению с другими компонентами природы.

По физическим природным условиям биосфера может быть разделена на три среды: атмосферу, гидросферу и литосферу.

Приделы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни. Всю совокупность организмов на планете Вернадский назвал живым веществом.

Косное вещество, по Вернадскому, - совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют.

Биогенное вещество создаётся и перерабатывается жизнью, совокупностями живых организмов. Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть). После образования биогенного вещества живые организмы в нём малодеятельны.

Особой категорией является биокосное вещество, В.И. Вернадский писал, что оно «создаётся в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других». Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль. Биокосное вещество планеты, таким образом, - это почва, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества. Следовательно, биосфера - это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. Жизнь на Земле - самый выдающийся процесс на её поверхности, получивший живительную энергию Солнца и вводящий в движение едва ли не все химические элементы таблицы Менделеева.

Биосферу как место современного обитания организмов вместе с самими организмами можно разделить на три подсферы: аэробиосферу, населённую аэробионтами, субстратом жизни которых служит влага воздуха; гидробиосферу - глобальный мир воды (водная оболочка Земли без подземных вод), населённый гидробионтами; геобиосферу - верхнюю часть земной коры (литосфера), населённую геобионтами.

Гидробиосфера распадается на мир континентальных, главным образом, пресных вод - аквабиосферу (с аквабионтами) и область морей и океанов - маринобиосферу (с маринобионтами).

Геобиосфера состоит: из области жизни на поверхности суши - террабиосферы (с террабионтами), которая подразделяется на фитосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев) и педосферу (почвы и лежащие под ними подпочвы, нередко сюда включают всю кору выветривания) с педобионтами; из литобиосферы - жизни в глубинах Земли (с литобионтами, живущими в порах горных пород). Литобиосфера распадается на два слоя: гипотеррабиосфера - слой, где возможна жизнь аэробов (или подтеррабиосфера) и теллуробиосферу - слой, где возможно обитание анаэробов (или глубинобиосфера). Жизнь в толще литосферы существует в основном в подземных водах.

Подобные слои существуют и в гидробиосфере, но они связаны главным образом с интенсивностью света. Выделяют три слоя: фотосферу - относительно ярко освещённый, дисфотосферу - всегда очень сумеречный (до 1% солнечной инсоляции), афотосферу - абсолютной темноты, где невозможен фотосинтез.

Лимитирующим фактором развития жизни в аэробиосфере служит наличие капель воды и положительных температур, а также твёрдых аэрозолей, поднимающихся с поверхности Земли. От вершин деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков простирается тропобиосфера (с тропобионтами). Пространство - это более тонкий слой, чем атмосферная тропосфера. Выше тропобиосферы лежит слой крайне разряженной микробиоты - альтобиосфера (с альтобионтами). Над ней простирается пространство, куда жизнь проникает лишь случайно и не часто, где организмы не размножаются - парабиосфера.

На больших высотах в горах, там, где уже невозможна жизнь высших растений и вообще организмов - продуцентов, но куда ветры приносят с более низких вертикальных поясов органическое вещество и где при отрицательных температурах воздуха ещё достаточно тепло от прямой солнечной инсоляции для существования жизни, расположена высотная часть террабиосферы - эоловая зона. Это царство членистоногих и некоторых микроорганизмов эолобионтов. Жизнь в океанах достигает их дна. Под ним, в базальтах, она едва ли возможна. В глубинах литосферы есть два теоретических уровня распространения жизни - изотерма 100?С, ниже которой при нормальном атмосферном давлении вода кипит, а белки свёртываются, и изотерма 460?С, где при любом давлении вода превращается в пар, т.е. в жидком состоянии быть не может. Жизнь в глубинах Земли фактически не идёт дальше 3 - 4 км, максимум 6 - 7 км и лишь случайно в неактивных формах может проникнуть глубже - в гипобиосферу («подбиосфера» - аналог парабиосферы в атмосфере). Следует отметить, что здесь, где залегают биогенные породы, образно выражаясь, следы белых сфер, расположена метабиосфера. Метабиосфера, начинаясь с поверхности Земли, простирается далеко в глубь литосферы, теряясь там, где процессы метаморфоза горных пород стирают признаки жизни.

Между верхней границей гипобиосферы и нижней парабиосферы лежит собственно биосфера - зубиосфера. Её наиболее насыщенный жизнью слой называют биофильмом, или, по В.И. Вернадскому (1926), «плёнкой жизни».

Выше парабиосферы расположена апобиосфера, или «надбиосфера», где сравнительно обильны биогенные вещества (её верхняя граница трудноуловима). Под метабиосферой расположена абиосфера («небиосфера»).

Весь слой нынешнего или прошлого воздействия жизни на природу Земли называют мегабиосферой, а вместе с артебиосферой (пространством человеческой экспансии в околоземный космос) - панбиосферой.

Таким образом, «поле существования жизни», особенно активной, по новейшим данным, ограничено в вертикальном пределе высотой около 6 км над уровнем моря, до которой сохраняются положительные температуры в атмосфере и могут жить хлорофиллоносные растения (6,2 км в Гималаях). Выше, в эоловой зоне, обитают лишь жуки, ногохвостки и некоторые клещи, питающиеся зёрнами растительной пыльцы, спорами растений, микроорганизмами и другими органическими частицами, заносимыми ветром и т.д. Ещё все живые организмы попадают лишь случайно (микроорганизмы могут сохранять жизнь в виде спор). Нижний предел существования активной жизни традиционно ограничивают дном океана и изотермой 100?С в литосфере, расположенным соответственно на отметках около 11 км и, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове, около 6 км. Фактически жизнь в литосфере распространена до глубины 3 - 4 км.

Таким образом, вертикальная мощность биосферы в океанической области Земли достигает более 17 км, в сухопутной - 12 км. Парабиосфера ещё более асимметрична, поскольку верхнюю её границу определяет озоновый экран. Более значительны колебания толщи мегабиосферы, охватывающей осадочные породы, но она не опускается на материках глубже отметок самых больших глубин океана, т.е. 11 км (здесь температура достигает 200?С), и не поднимается выше наибольших плотностей озонового экрана (22 - 24 км), следовательно, её максимальная толщина 33 - 35 км.

Теоретически пределы биосферы шире, поскольку в гидротермах дна океана (их назвали «чёрными курильщиками» из-за тёмного цвета извергающихся вод) на глубинах около 3 км обнаружены организмы при температуре до 250?С.

При давлении около 300 атмосфер вода здесь не кипит (пределы жизни ограничены точками превращения воды в пар и сворачивания белков). Перегретая жидкая вода обнаружена в литосфере до глубин 10,5 км. Глубже 25 км, по оценкам, должна существовать критическая температура 460?С, при которой при любом давлении вода превращается в пар и жизнь принципиально невозможна.

ПОНЯТИЕ ОБ ЭКОСИСТЕМЕ

Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ, называют экосистемой. Термин был предложен в 1935г. английским экологом А. Тенсли, который подчёркивал, что при таком подходе неорганические и органические факторы выступают как равноправные компоненты и мы не можем отделить организмы от конкретной окружающей их среды. А. Тенсли рассматривал экосистемы как основные единицы природы на поверхности Земли, хотя они не имеют определённого объёма и могут охватывать пространство любой протяжённости.

По Н.Ф. Реймерсу (1990), экосистема - это любое сообщество живых существ и его среда обитания, объединённые в единое функциональное целое, возникающее на основе взаимозависимости и причинно-следственных связей, существующих между отдельными экологическими компонентами. Следует подчеркнуть, что совокупность специфического физико-химического окружения (биотопа) с сообществом живых организмов (биоценозом) и образует экосистему.

В отечественной литературе широко применяется термин «биогеоценоз», предложенный в 1940г. В.Н. Сукачёвым. По его определению, биогеоценоз - «это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, почвы и гидрологических условий), имеющая свою особую специфику взаимодействий этих слагающих её компонентов и определённый тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутреннее противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении, развитии». Существует мнение, будто содержание «биогеоценоз» в значительно большой степени отражает структурные характеристики изучаемой макросистемы, тогда как в понятие «экосистема» вкладывается прежде всего её функциональная сущность. Фактически же между этими терминами разницы нет.

Для поддержания круговорота веществ в системе необходимо наличие запаса неорганических молекул в усвояемой форме и трёх функционально различных экологических групп организмов: продуцентов, консументов и редуцентов.

Продуцентами выступают автотрофные организмы, способные строить свои тела за счёт неорганических соединений. Консументы - это гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов и трансформирующие его в новые формы. Редуценты живут за счёт мёртвого органического вещества, переводя его вновь в неорганические соединения. Классификация эта относительная, так как и консументы, и сами продуценты выступают частично в роли редуцентов, в течение жизни выделяя в окружающую среду минеральные продукты обмена веществ.

В принципе круговорот атомов может поддерживаться в системе и без промежуточного звена - консументов, за счёт деятельности двух других групп. Однако такие экосистемы встречаются скорее как исключения, например на тех участках, где функционируют сообщества, сформированные только из микроорганизмов. Роль консументов выполняют в природе в основном животные, их деятельность по поддержанию и ускорению циклической миграции атомов в экосистемах сложна и многообразна.

Масштабы экосистемы в природе чрезвычайно различны. Неодинакова также степень замкнутости поддерживаемых в них круговоротов вещества, т.е. многократность вовлечения одних и тех же атомов в циклы. В качестве отдельных экосистем можно рассматривать, например, и подушку лишайников на стволе дерева, и разрушающийся пень с его населением, и небольшой временный водоём, луг, лес, степь, пустыню, весь океан, и наконец, всю поверхность Земли, занятую жизнью.

В подушке лишайников мы найдём все необходимые компоненты экосистемы. Продуценты - симбиотические водоросли, осуществляющие фотосинтез. В качестве консументов выступают некоторые мелкие членистоногие, питающиеся живыми тканями лишайника, а также грибные гифы, по существу паразитирующие на клетках водорослей. И гифы грибов, и большинство микроскопических животных, обитающих в лишайниковых подушках (клещи, коллемболы, нематоды, коловратки, простейшие), выступают и в роли редуцентов. Грибные гифы живут не только за счёт живых, но и за счёт погибших клеток водорослей, а мелкие животные - сапрофаги перерабатывают отмершие слоевища, в разрушении которых им помогают многочисленные микроорганизмы. Степень замкнутости круговорота в такой системе очень невелика: значительная часть продуктов распада выносится за пределы лишайника - вымывается дождевыми водами, осыпается вниз со ствола. Кроме того, часть животных мигрирует в другие местообитания. Тем не менее, часть атомов успевает пройти несколько циклов, включаясь в тела живых организмов и освобождаясь из них, прежде чем покинет данную экосистему.

В некоторых типах экосистем вынос вещества за их пределы настолько велик, что их стабильность поддерживается в основном за счёт притока такого же количества вещества извне, тогда как внутренний круговорот малоэффективен. Таковы проточные водоёмы, реки, ручьи, участки на крутых склонах гор. Другие экосистемы имеют значительно более полный круговорот веществ и относительно автономны (леса, луга, степи на плакорных участках, озёра и т.п.). Однако ни одна, даже самая крупная экосистема Земли не имеет полностью замкнутого круговорота. Материки интенсивно обмениваются веществом с океанами, причём большую роль в этих процессах играет атмосфера, и вся наша планета часть материи получает из космического пространства, а часть отдаёт в космос.

В соответствии с иерархией сообществ жизнь на Земле проявляется и в иерархичности соответствующих экосистем. Экосистемная организация жизни является одним из необходимых условий её существования. Запасы биогенных элементов, из которых строят тела живые организмы на Земле в целом и на каждом конкретном участке на её поверхности небезграничны. Лишь система круговоротов могла придать этим запасам свойство бесконечности, необходимое для продолжения жизни. Поддерживать и осуществлять круговорот могут только функционально различные группы организмов. Таким образом, функционально-экологическое разнообразие живых существ и организация потока извлекаемых из окружающей среды веществ в циклы - древнейшее свойство жизни.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭКОСИСТЕМ

Существующие на Земле экосистемы разнообразны. Выделяют микроэкосистемы (например, ствол гниющего дерева), мезоэкосистемы (лес, пруд и т.д.), макроэкосистемы (континент, океан и др.) и глобальную - биосферу.

Крупные наземные экосистемы называют биомами. Каждый биом включает в себя целый ряд меньших по размерам, связанных друг с другом экосистем. Существует несколько классификаций экосистем. Например, одна из них, основанная на особенностях макроструктуры.

Наземные биомы здесь выделены по естественным или исходным чертам растительности, а типы водных экосистем геологическим и физическим особенностям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Биосфера является глобальной экосистемой.