ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО (ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ). БИОМАССА

Живое вещество - совокупность и биомасса живых организмов в биосфере.

Понятие «живое вещество» введено в науку В.И. Вернадским. Оно характеризуется суммарной массой, химическим составом, энергетикой.

Живые организмы - это мощный геологический фактор, преобразующий лик Земли. В.И. Вернадский подчеркивал, что на земной поверхности нет силы более могущественной по своим конечным результатам, чем живые организмы в целом. И атмосфера (воздушная оболочка), и гидросфера (водная оболочка), и литосфера (твердая оболочка) своим современным состоянием и присущим им свойствам обязаны тому влиянию, которое оказали на них организмы за миллиарды лет своего существования благодаря непрерывному потоку элементов в биогенном обмене веществ. Влияя на окружающий мир и изменяя его, живое вещество выступает в качестве активного фактора, определяющего и свое собственное существование.

Представление о планетарной геохимической роли живого вещества - одно из основных положений в учении о биосфере В.И. Вернадского. Другое важное положение в его теории - это представление о биосфере как об организованном образовании, продукте сложных превращений живым веществом материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды.

Биосферу с современных позиций рассматривают как наиболее крупную экосистему планеты, участвующую в глобальном круговороте веществ. Под системами биосферы являются экосистемы более низкого уровня. Биогеоценоз - структурная единица активной части современной биосферы.

Биосфера - продукт длительной эволюции живого и экосистем разной сложности, находящихся во взаимодействии и динамическом равновесии друг с другом и с косной средой.

Количество живого вещества организмов, приходящееся на единицу площади или объема, выраженное в единицах массы, называют биомассой. Организмы, составляющие биомассу, обладают способностью воспроизводства - размножения и распространения по планете.

Особенность любого живого организма и биомассы в целом заключается в постоянном обмене веществами и энергией с окружающей средой.

В настоящее время на Земле существует более двух миллионов видов организмов. Из них на долю растений приходится около 500 тыс. видов, а на долю животных - более 1,5 млн видов. Самая многочисленная по числу видов группа - это насекомые (около 1 млн видов).

БИОГЕННЫЙ КРУГОВОРОТ

Биохимический круговорот - это перемещение и превращение химических элементов через косную и органическую природу при активнoм участии живого вещества. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота: поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию во внешнюю среду. Такие циклы Вернадский назвал биохимическими. Их можно подразделить на два основных типа:

1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере;

2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Во всех биохимических циклах активную роль играет живое вещество. К главным циклам можно отнести круговорот углерода, кислорода, азота, фосфора.

ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ

Благодаря биотическому круговороту биосфера выполняет определенные функции.

1. Газовая функция - осуществляется зелеными растениями в процессе фотосинтеза и всеми животными и растениями, микроорганизмами в результате биологического круговорота веществ. Большинство газов порождено жизнью. Подземные горючие газы - продукты разложения органических веществ растительного происхождения, захороненных в осадочных породах.

2. Концентрационная функция - связана с накоплением в живом веществе различных химических элементов.

3. Окислительно-восстановительная функция (окисление веществ в процессе жизнедеятельности). В почве образуются окиси, соли. Бактерии создают известняки, руды и т.д.

4. Биохимическая функция - осуществляются обмен веществ в живых организмах (питание, дыхание, выделение) и разрушение, разложение отмерших организмов.

5. Биохимическая деятельность человечества. Она охватывает все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства.

ОРГАНИЗОВАННОСТЬ И СТАБИЛЬНОСТЬ БИОСФЕРЫ

Биосфера - сложная организованная система, функционирующая как единое образование, способное к саморегуляции. Ее структурной единицей является биогеоценоз - одна из наиболее сложных природных систем, представляющих комплекс из живых организмов и косной среды, находящихся друг с другом в постоянном взаимодействии и связанных между собой обменом веществ и энергии. Стабильность биосферы определяется стабильностью биогеоценоза - продуктов длительного естественноисторического развития органического мира.

Важным свойством биогеоценоза является его способность к саморегуляции, которая проявляется в его устойчивом динамическом равновесии. Последнее достигается скоординированностью и сложностью тех взаимодействий, которые складываются между его составляющими - живой и неживой частями. Потребление созданного органического вещества происходит параллельно с его производством и не должно по масштабам превышать последнее. Чем многообразнее физико-химические качества среды, условия жизни в рамках биотопа, тем многообразнее видовой состав ценоза, тем более он устойчив. Отклонения условий существования от оптимума приводят к видовому его обеднению. Стабильное состояние ценоза определяется и выходом валовой продукции, обеспечивающей поток энергии через трофические уровни и сохранение всех живых компонентов, связанных друг с другом в цепи питания и участвующих в общем круговороте веществ. Сбалансированные отношения между организмами разных трофических уровней - одно из условий стабильности биогеоценоза.

В условиях непостоянства физико-химической среды надежность биогеоценоза обеспечивается суммарным перераспределением живого вещества между входящими в его состав видами, способными заменить друг друга (или дублировать) в рамках одного уровня экологической пирамиды. В определенных условиях более комфортно чувствуют себя одни виды (в связи с чем увеличивается численность их популяций) и хуже - другие, близкие им, но занимающие в биогеоценозе подчиненное положение. Смена условий может отрицательно отразиться на первых и, напротив, способствовать процветанию вторых. В зависимости от силы и продолжительности действия нового природного фактора внутри биогеоценоза происходят более или менее существенные изменения в его организации. Один из механизмов, обеспечивающих сохранность биоценозов, проявляется в способности формировать под давлением внешних факторов иную структуру с усилением «элементов дублирования».

Отдельные биогеоценозы не изолированы друг от друга; они взаимозависимы и находятся в постоянном взаимодействии. Ярким доказательством этого могут служить примеры глобального круговорота биогенных элементов, в котором принимают участие не только отдельные подсистемы, но вся биосфера и другие геосферы Земли. Сбалансированность круговоротов элементов и веществ на планете, особенно круговоротов биогенных элементов, без которых невозможна жизнь, обеспечивается постоянством всей массы живого вещества. Через живые организмы проходит большое число элементов. Фотоавтотрофами определяются скорость фиксации солнечной энергии и обеспечение ею других обитателей планеты. Зеленые растения поставляют молекулярный кислород, необходимый для существования почти всех живущих на Земле организмов; исключение составляют лишь анаэробные формы. Для обеспечения стабильности круговорота, помимо постоянства массы живого вещества, необходимо постоянство между продуцентами, консументами и редуцентами. Все вместе они создают и стабилизируют условия существования биосферы как целостного и гармоничного образования.

Экологическое дублирование на уровне видов в биогеоценозе дополняется в природе экологическим дублированием на уровне ценоза, что проявляется в смене одного биоценоза другим при изменяющихся условиях в пределах целостной биосферы.

Суммарное количество живого вещества в биосфере заметно изменяется в рамках достаточно продолжительного геологического времени (закон константности количества живого вещества В.И. Вернадского). Его количественная стабильность поддерживается постоянством числа видов, определяющим общее видовое разнообразие в биосфере.

Таким образом, биогеоценозы - среда, в которой протекают разнообразные жизненные процессы на нашей планете, круговороты веществ и энергии, вызванные жизнедеятельностью организмов и в сумме составляющие большой биосферный круговорот.

Биогеоценоз - это относительно стабильная и открытая система, имеющая вещественно-энергетические «входы» и «выходы», связывающие смежные биоценозы.

НООСФЕРА

Ноосфера (греч. noos - разум + сфера) - это высшая стадия развития биосферы, сфера влияния человеческого разума, взаимодействия природы и общества. Появившись на Земле, человек постепенно стал мощной геологической силой, воздействующей на окружающий его мир.

Понятие ноосферы как идеально мыслящей оболочки Земли ввели в науку в начале ХХ в. французские ученые и философы П. Тейяр де Шарден и Э. Леруа. П. Тейяр де Шарден рассматривал человека как вершину эволюции и преобразователя материи через включение в творчество эволюции. Основное значение в эволюционных построениях ученый придавал коллективу и духовному фактору, не умаляя роли технического прогресса и развития экономики.

В.И. Вернадский, говоря о ноосфере (1944), подчеркивал необходимость разумной организации взаимодействия общества и природы, отвечающей интересам каждого человека, всего человечества и окружающего его мира. Ученый писал: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом, поставлен вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящeгo человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера».

Природа несет на себе следы деятельности человека в условиях разных общественно-экономических формаций, сменявших друг друга. Формы воздействия многообразны. Результаты его за последние 100- 150 (200) лет, особенно на территориях Европы и Северной Америки, превосходят таковые за всю предшествующую историю человечества. С ростом численности населения и повышением его благосостояния давление на природу становилось все большим. Считают, что в начале нашей эры на Земле насчитывалось около 200 млн человек. К тысячелетию эта цифра возросла до 275 млн; к середине ХX в. население планеты увеличилось почти в 2 раза (500 млн). За 200 лет цифра возросла до 1,3 млрд, за полвека прибавилось еще 300 млн (1900 г. - 1,6 млрд). В 1950 г. на Земле насчитывалось уже 2,5 млрд человек, в 1970 г. - 3,6 млрд, к 2025 г. ожидается цифра 8,5 млрд. Из этого числа 83% населения планеты будет проживать в развивающихся странах - в Азии, Африке, Южной Америке, где и сейчас ощутим прирост населения. Необходимо иметь представление о возможностях по жизнеобеспечению населения, чтобы избежать катастрофических последствий демографического взрыва.

Быстрый рост населения планеты делает острым вопрос о границах биологической производительности биосферы Земли. В результате активной деятельности человека в период научно-технического прогресса, направленной на повышение материального и духовного уровня всего человечества, в значительной мере истощились запасы невозобновляемых природных ресурсов. Глобальному нарушению на огромных площадях подверглись самовозобновляющиеся ресурсы, некоторые из них утратили способность к самовозобновлению. Стали мертвыми или находятся на грани между жизнью и смертью многие внутриматериковые водоемы. Мировой океан загрязнен отходами производства, разливами нефти, радиоактивными веществами, нарушен естественный круговорот - глобальный и особенно локальный - ряда жизненно важных биогенных элементов. Часто на стол потребителю попадают экологически «грязные» продукты питания и недоброкачественная питьевая вода.

Загрязнение среды и нарушение естественных местообитаний многих видов растений и животных привело к сокращению численности популяций или их вымиранию, а следовательно, к потере генофонда, создаваемого в течение миллионов лет. Под воздействием мутагенов, загрязняющих среду, появились не только новые формы вредителей агроценозов и естественных биоценозов, но и болезнетворные организмы, против которых не выработаны защитные свойства ни у человека, ни у других обитателей планеты.

Беспощадная эксплуатация природы, подчиненная удовлетворению сиюминутных запросов, не решает насущных проблем даже сегодняшнего дня, создавая неблагоприятные перспективы на будущее. Часть населения Земли недоедает и, умирает от голода (25% от всего урожая ежегодно теряется из-за сельскохозяйственных вредителей). Множество людей, среди которых преобладают дети, ежегодно умирают от заболеваний, вызванных употреблением недоброкачественной воды. Здоровье человека страдает от повышенной загрязненности окружающей среды, особенно в больших промышленных городах. Отрицательное воздействие на многих людей оказывает не только деградация экологических систем, но и нищета, возрастающее неравенство между богатыми и бедными.

Во избежание отрицательных последствий, вызванных хозяйственной деятельностью человека и стихийными бедствиями, необходимо учитывать законы, действующие в окружающей нас природе и поддерживающие ее самовозобновление. Задача охраны природы и рационального ее использования стала не только государственной, но и международной, и ее решение должно основываться на знании законов жизни и развития окружающего нас мира.

От степени осознания обществом кризисной ситуации в биосфере и от скорости его реакции зависит не только благосостояние людей, но и их жизнь.

Биосфера - это сложная термодинамически открытая система на поверхности Земли, действующая благодаря энергии Солнца и жизнедеятельности живых организмов, аккумулирующая и перераспределяющая огромные потоки вещества и энергии. Этот процесс возможен только благодаря химическим свойствам циклических, или органогенных элементов, названных так В. И. Вернадским в его геохимической классификации элементов за их способность к многочисленным химическим обратимым процессам, а история всех этих элементов может быть выражена циклами.

Понятие «живое вещество» и весь комплекс представлений о его геохимической деятельности введены в науку В. И. Вернадским. В 1919 г. он писал: «Под именем живого вещества я буду подразумевать всю совокупность всех организмов, и животных, в том числе и человека. С геохимической точки зрения эта совокупность организмов имеет значение только той массой вещества, которая ее составляет, ее химическим составом и связанной с ней энергией. Очевидно, только с этой точки зрения имеет значение живое вещество и для почвы, так как, поскольку мы имеем дело с химией почв, мы имеем дело с частным проявлением общих геохимических процессов. Живое вещество, вошедшее в состав почвы, обусловливает в ней самые разнообразные изменения ее свойств, обычно не учитываемые в почвоведении. На первом месте я остановлюсь здесь на его влиянии на мелкозернистость почвы, ибо это свойство почвы является самым основным и резким ее отличием от всех других продуктов земной поверхности. Оно же определяет ход всех химических реакций в почве и делает из почвы активнейшую область с химической точки зрения в биосфере».

Тогда же ученый впервые высказал мысль о совместном нахождении химических элементов в живом веществе, которое определяется биологическими свойствами организмов, а не химическими свойствами элементов.

Для построения живых организмов из 105 химических элементов обязательны шесть - углерод, азот, водород, кислород, фосфор, сера. Для них характерны малый атомный вес, легкость отдачи и присоединения электронов. Главный элемент среди них - углерод. Благодаря способности атомов соединяться в цепи углерод может образовывать бесконечное множество соединений. Остальные пять элементов также чрезвычайно легко образуют общие электронные пары с атомами других элементов, в том числе и друг с другом.

Что касается количества накапливаемых элементов, то 99,9% живой массы организмов составляют элементы «исходной дюжины»: Н, С, N, О, Na, Mg, Р, S, С1, К, Са, Fe. Все они относятся к первым 26 элементам периодической системы, на что обратил внимание еще Д. И. Менделеев. Живая масса на 99% образована всего четырьмя элементами - Н, С, N, О, которые отличаются высокой реакционноспособностью, имеют хорошо растворимые соединения и активно взаимодействуют с углеродом.

В биосфере круговорот элемента будет быстрым и устойчивым только в том случае, если этот элемент не только растворим, но и летуч, т.е. если одно из его соединений может, подобно воде, возвращаться на сушу через .

Таких элементов в биосфере не менее трех: углерод, азот и сера. Среди их «воздушных» соединений - двуокись углерода (С02), метан (СН4), свободный азот (N2), аммиак (NH3), сероводород (H2OS) и двуокись серы (S02). Интересно, что в процессе круговорота углерод, азот и сера меняют свою валентность. Все они находятся в биосфере в более восстановленной форме, чем в окружающем мире.
В обмене веществ между живой и неживой природой наиболее важно перераспределение газов. Растения, синтезируя органическое вещество, поглощают из атмосферы углекислый газ и выделяют кислород. Связывание в органическом веществе 1 г углерода сопровождается выделением 2,7 г кислорода. С 1 га луга за год в атмосферу выделяется 10 - 12 тыс. м3 кислорода.

Важнейшая стадия круговорота - восстановление двуокиси углерода. По существу, это реакция присоединения водорода, дающая в результате формальдегид. Источником водорода служит дегидрирование воды (отнятие у нее водорода), при этом попутно освобождается кислород. Такой способ накопления энергии химических связей свойствен только зеленым растениям, но аккумулированная энергия становится пригодной для других жизненных реакций и для функционирования трофических () цепей. Углерод, фиксированный растениями и использованный затем не только ими, но и животными, возвращается во внешнюю среду, где может включиться в любой из геохимических круговоротов. Напомним, что для биосферы характерно не только присутствие живого вещества. В ней в значительных количествах содержится жидкая вода, принимает на себя мощный поток энергии солнечных лучей, в биосфере лежат поверхности раздела между веществами, находящимися в одной из трех фаз — твердой, жидкой и газообразной. Благодаря этому для биосферы характерен непрерывный круговорот вещества и энергии, в котором активнейшую роль играют живые организмы.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВЛАДИВОСТОКСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И

СЕРВИСА

ИНСТИТУТ ИНФОРМАТИКИ ИННОВАЦИЙ И БИЗНЕС-СИСТЕМ

КАФЕДРА ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

020801.65 «Экология»

Владивосток

Издательство ВГУЭС

Рабочая программа учебной дисциплины «Учение о биосфере» составлена в соответствии с требованиями ГОС ВПО.

Составитель: , доцент кафедры экологии

Утверждена на заседании кафедры ЭПП от 01.01.2001 г., протокол № 6, редакция 2014 г.

© Издательство Владивостокский

государственный университет

экономики и сервиса, 2014

ВВЕДЕНИЕ

Учение о биосфере – естественнонаучная дисциплина, направленная на формирование у студентов экологов биоцентрического мировоззрения и способностей оценить профессиональную деятельность с позиций рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды . Природная среда биосферы обеспечивает человека сырьевыми ресурсами, энергией, различными материалами. Учение о биосфере помогает понять взаимосвязь организмов, популяций со средами обитания, взаимоотношения природных и антропогенных экосистем, условия устойчивого состояния экосистем, причины возникновения экологического кризиса, экологические принципы рационального природопользования , которые обеспечивают устойчивое развитие человечества. Изучая дисциплину «Учение о биосфере» студенты экологи рассматривают биосферу как глобальную экосистему, еѐ состав, структуру, внутренние связи, обеспечивающие еѐ функционирование и устойчивость. Дают оценку основным источникам загрязнения, анализируют экологические проблемы урбанизированных территорий. Изучают пути защиты биосферы от техногенного воздействия, рассматривают проблемы и пути сохранения биоразнообразия. Особое внимание уделяют проблемам влияния человека на глобальные процессы и климат биосферы. Изучение разных процессов биосферы позволяет воспитывать экологически ориентированное сознание студентов и формировать у них «экологизированный» стереотип поведения. Дисциплина «Учение о биосфере» направлена на изучение основных закономерностей функционирования природных систем различного уровня биосферы, факторов определяющей еѐ устойчивость, продуктивность, энергетику. Выявляется роль живого вещества в биогеохимических циклах, показывается логическая связь между традиционными исследованиями проблем взаимодействия природы – общества – хозяйства и концепцией устойчивого развития человечества, стремящейся к конструктивным решениям экологических проблем. Оценивается состояние глобальной экосистемы и пути стабилизации, улучшения современной биосферы. Изучение данного курса тесно связано с такими дисциплинами как «Биология», «Химия», «География», «Геология», «Почвоведение».

Особенностью изучения дисциплины «Учение о биосфере» является комплексный подход к экологическим проблемам, что дает возможность приобрести студентам экологам необходимую эрудицию, понять взаимосвязь биогеохимических процессов в биосфере. Для усвоения дисциплины необходимы базовые знания по географии, биологии, хи-мии, геологии, экологии, почвоведению.

1. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

1.1. Цели и задачи дисциплины

Целью дисциплины является ознакомление студентов с основными понятиями, проблемами и методами науки «Учение о биосфере». Дисциплина предназначена для студентов по специальности 020801.65 – Экология. Основные задачи дисциплины – формирование навыков и умения по следующим направлениям деятельности:

· изучение основ «Учения о биосфере», еѐ границ и эволюции;

· характеристика биогенной миграции, биогеохимических круговоротов веществ, пространственно-временной цикличности химических элементов;

· ознакомление с планетарно-космической организованностью биосферы;

· рассмотрение термодинамической направленности развития биосферы, трансформации энергии живым веществом;

· изучение ноосферной концепции, как основы научного управления;

· формирование профессиональных компетенций .

1.2. Перечень компетенций, приобретаемых при изучении дисциплины

Дисциплина формирует профессиональный взгляд на геохимические , биогеохимические и биологические аспекты биосферы. Концепция биосферы направлена на формирование целостного представления о процессах и явлениях в глобальной экосистеме, о механизмах и законо-мерностях устойчивого существования биологических систем разного уровня в условиях сложной и динамической среды. Знания, полученные в процессе изучения дисциплины, формируют экологическое, ноосферное мировоззрение студента и развивают логическое мышление на всех уровнях организации живой материи (организменном, популяционном, экосистемном, биосферном).

1.3. Основные виды занятий и особенности их проведения

Общий объем дисциплины для специальности 020801.65 Экология 200 часов, из них 68 часов аудиторной нагрузки (34 часа лекции, 34 часа практические занятия) и 132 часов самостоятельной работы. Дисциплина «Учение о биосфере» изучается в 5 семестре, 4 часа в неделю, из них 2 часа лекции, 2 часа практических занятий. Дисциплина завершается сдачей экзамена. Основные виды занятий : - лекции, на которых дается основной систематизированный материал о структуре, организованности, свойствах и функциях биосферы; - практические занятия способствуют формированию у студентов экологов представления о взаимоотношениях организмов со средой обитания, структуре биосферы, еѐ эволюции, глобальных проблемах окружающей среды. Семинарские и практические занятия развивают умения прогнозировать результаты профессиональной деятельности с учетом прямых и косвенных последствий для биосферы; - консультации включают помощь при самостоятельном освоении материала; - самостоятельная работа включает в себя: работу с учебной и наеучной литературой при подготовке к практическим семинарским занятиям , контрольным работам и написании курсовой работы . В ходе изучения данной дисциплины студенты экологи слушают лекции, получают практические навыки на практических занятиях, занимаются, самостоятельно используя научную литературу , библиотечные электронные базы данных и Интернет при подготовке к экзамену и при защите курсовой работы.

1.4. Виды контроля и отчетности по дисциплине

Изучение дисциплины завершается экзаменом в 5 семестре. Студент должен на экзамене показать фактическую базу знаний планетарно-космической организованности биосферы, умение устанавливать причинно-следственные связи, формулировать выводы. Используются следующие виды контроля: - текущая аттестация, включающая выполнение студентом контрольных письменных заданий, устного опроса, докладов на семинарских занятиях, посещение лекций, тестирования.

1.5 Виды контроля и отчетности по дисциплине

Контроль успеваемости студентов осуществляется в соответствии с рейтинговой системой оценки знаний.

Текущий контроль успеваемости содержит задания, которые способствуют развитию компетенций профессиональной деятельности, к которой готовится студент и включает:

Проверку уровня самостоятельной подготовки бакалавра при выполнении индивидуального задания, при подготовке к лекциям и практическим работам ;

Участие бакалавра в дискуссиях по основным моментам изучаемой темы;

Microsoft Office (Excel, Word, Power Point, Acrobat Reader), Internet explorer, или другое аналогичное.

б) техническое и лабораторное обеспечение

Лекции и практические занятия проводятся в аудиториях с использованием мультимедийного оборудования

7. СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ

Антропогенез - процесс историко-эволюционного формирования физического типа человека, первоначального развития его трудовой деятельности, речи, а также общества.

Биосфера - своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами

Биоцентризм - научный подход в природоохранном деле, ставящий превыше всего интересы живой природы (какими они представляются человеку).

Устойчивое развитие - гармоничное (правильное, равномерное, сбалансированное) развитие - это процесс изменений, в котором эксплуатация природных ресурсов, направление инвестиций, ориентация научно-технического развития, развитие личности и институциональные изменения согласованы друг с другом и укрепляют нынешний и будущий потенциал для удовлетворения человеческих потребностей и устремлений.

Экологическая катастрофа – это внезапное событие, быстротекущий процесс, влекущий тяжелые последствия для экосистем, их разрушение, жертвы. Причиной таких изменений могут служить как внешнее воздействие на систему, так и разрядка ее внутренних напряжений, превысивших прочность структуры.

Экологический кризис – значительное региональное или локальное нарушение условий среды, которое приводит к полному или частичному нарушению местных экологических систем.

Научные предпосылки Сферическая форма планеты (ХYI-XYII, Леонардо да Винчи, Дж. Бруно, Галилео Галилей) Геологическое значение живых организмов на поверхности земного шара (XYII-XYIII, Д. Вудворд, Ж. Бюффон, Жан Батист Ламарк) 1803 г. Ламарк: применил термин биосфера для обозначения совокупности живых организмов (сфера обитания живых организмов) Начиная с XYII века не только выделяются атмосфера, гидросфера и литосфера, но и отмечается их взаимопроникновение

Научные предпосылки XIX век: Гумбольдт – о взаимодействии природных явлений Докучаев (учитель Вернадского) в «Учении о зонах природы» о «…закономерной связи между мертвой и живой природой, между растительным, животным и минеральными царствами, с одной стороны, человеком, его бытом и даже духовным миром – с другой» . Э. Зюсс – 1875 г. Под биосферой понимает не только органический мир, но и окружающую его среду.

Основные положения (эмпирические обобщения) учения Вернадского о биосфере 1926 г. «Биосфера»: «Живое вещество тоже распространено концентрически в земной коре. Область им занятая образует оболочку, которую мы называем биосферой. Эта биосфера охватывает часть литосферы и атмосферы и всю гидросферу»

Эмпирические обобщения Отмечая центральную роль живого вещества, Вернадский указывает: 1. Существует генетическая связь современного живого вещества с живым веществом прошлого, непрерывность влияния этого вещества на окружающую среду, непрерывность процессов биогеохимического выветривания. Принцип актуализма – непрерывность существования биосферы «Растекание жизни - движение, выражающееся во всюдности жизни, есть проявление ее внутренней энергии, производимой ею химической работы. Я буду называть ее геохимической энергией жизни» .

Эмпирические обобщения 2. Принцип Реди (1712 г.) – все живое от живого. В масштабе геологического времени нет геохимических данных самозарождения жизни. Никогда в течение всего геологического времени не наблюдались азойные (т. е. лишенные жизни) геологические эпохи. 3. Принцип Дана (1863) – направленность эволюционного процесса (цефализация). Появление в биосфере человека закономерно. Человек стал геологической силой на планете. 4. Лучистая энергия солнца через посредство живых организмов регулирует химическое проявление земной коры.

Эмпирические обобщения 6. Живое вещество есть планетное явление и не может быть оторвано от биосферы, геологической функцией которой оно является. 7. Космические излучения, идущие от всех небесных тел, охватывают биосферу, проникают все в ней. Биосфера – область превращений космической энергии. Вещество биосферы благодаря этой энергии становится активным. Лик Земли меняется, он не только отражение нашей планеты, но одновременно является и созданием внешних сил космоса.

Место биосферы в планетной системе «Земля» (атмосфера) Верхняя граница биосферы – верхние пределы поля существования жизни – озоновый слой на границе тропосферы и стратосферы. Верхняя граница определяется радиацией (на высоте 9000 м в десятки раз больше, чем на уровне моря, на высоте 15 км в 100 раз). Концентрация жизни с удалением от поверхности Земли снижается. В 1 куб. м воздуха содержится: Вблизи поверхности почвы – 10 -100 тыс. микроорганизмов 11 -21 км - 0, 14 организмов (грибы, бактерии) 48 -85 км - обнаружены микроорганизмы

Границы биосферы Верхние пределы поля устойчивости жизни – выше озонового экрана (85 км и выше, космос). Живые организмы присутствуют либо в покоящемся состоянии, не имея активного метаболизма, либо защищены каким-либо веществом (например, вещество железного метеорита толщиной 800 ангстрем надежное убежище для микроба).

Место биосферы в планетной системе «Земля» (гидросфера) Вся гидросфера заселена живыми организмами: от поверхностных вод океана до глубоководных впадин

Место биосферы в планетной системе «Земля» (литосфера) Литосфера – твердый слой земной коры (кора выветривания) подстилается пластичной и менее вязкой астеносферой. Литосфера сложена породами: Осадочные 12 -15 км (до 20 км) Метаморфические (граниты) Магматические (базальты) Литосфера сложена из плит (океанических и континентальных). Причина тектоники плит (горизонтальные перемещения) – тепловая конвекция в мантии Земли)

Границы в литосфере На континентальных плитах нижние пределы поля существования жизни – 2 -3 км (до 6 км) Например, микроорганизмы в водах, омывающих слои нефти (до 10 -40 тыс. в 1 мл). В океанических плитах – 0, 5 -1 км. Нижние пределы поля устойчивости жизни в литосфере определяются наличием жидкой воды (10, 5 км обнаружено), но не более 25 км, где жизнь принципиально не возможна, т. к. несмотря на высокое давление при температуре 460 градусов жидкая вода переходит в состояние пара.

Средняя мощность биосферы км (Шипунов, 1980) Широтные пояса Полярный Континентальная Океаническая область 12 13 Среднеширотный 14 15 Тропический 22 21

Организованность биосферы «Структуру биосферы удобно назвать организованностью по характеру идущих в ней геологических процессов» Подчеркивается функциональный характер этого понятия. Организованность биосферы как целого динамического образования существует лишь в рамках потоков энергии и круговорота вещества. Выделяются уровни организованности биосферы: физический, термодинамический, химический, биологический, парагенетический

Физический уровень организованности биосферы Биосферу можно рассматривать как очень сложную дисперсную систему, слагающуюся из твердой, жидкой и газообразной фаз. Во всех частях биосферы (тропосферной, гидросферной, литосферной) всегда присутствуют вещества в трех агрегатных состояниях (твердое, жидкое и газообразное). В биосфере идет переход, с активным участием живых организмов, одного агрегатного состояния в другое.

Термодинамический уровень организованности биосферы Газовая фаза связывает термодинамические части биосферы Их термодинамические свойства зависимы друг от друга (извержение вулканических газов, испарение воды и пр.) Роль живого вещества в регулировании газовой составляющей биосферы (например, связывание диоксида углерода в процессе фотосинтеза)

Химический уровень организованности биосферы Химическая структура вод биосферы: наземные (поверхностные), надземные, подземные Химическая структура газов биосферы (газы надземные, наземные, подземные) в континентальной и океанической области Химическая структура твердых тел биосферы (надземные, наземные, собственно литосферные) Химическая структура живого вещества Химическую организованность биосферы изучает биогеохимия

Биологический уровень организованности биосферы Слой 1 - надземное живое вещество фотобиосферы Продуценты (фотосинтезирующие микроорганизмы) Окружающая среда (тропосфера) Консументы Редуценты (грибы и бактерии)

Биологический уровень организованности биосферы Слой 2 - живое вещество наземной и водной фотобиосферы Продуценты (фотосинтезирующие растения и бактерии) Окружающая среда (тропосфера, гидросфера, литосфера) Консументы Редуценты (грибы и бактерии)

Биологический уровень организованности биосферы Слой 3 - живое вещество подземной и водной афотобиосферы Продуценты (хемосинтезирующие микроорганизмы) Окружающая среда (гидросфера, литосфера) Редуценты (грибы и бактерии) Консументы

Парагенетический уровень организованности биосферы «К термодинамическим, фазовым и химическим оболочкам мы должны прибавить… парагенетическую оболочку, определяющую парагенезис элементов, т. е. законы их совместного нахождения. Биосфера и является одной из таких парагенетических оболочек, наиболее нам доступной и известной» .

Живое вещество, являясь особым проявлением термодинамических, физических и химических условий планеты, постоянно стремится организовать их таким образом, чтобы иметь максимальную устойчивость своей структуры, т. е. переводит их на более сложный уровень организованности. В результате возникает парагенетическая оболочка планеты – биосфера. В биосфере проявляется парагенезис структур различных уровней организованности. Это ведет к возникновению таких сложных структур, как биокосные тела.

Категории биосферного вещества 1. Живое вещество – сумма живых организмов постоянно умирающих и рождающихся (биогенная миграция атомов осуществляет связь с другими категориями вещества). 2. Биогенное вещество (прошлое живое вещество: каменный уголь, битум, нефть, известняки и т. д.). 3. Косное вещество – абиотическое, живое вещество в его образовании не участвует. 4. Биокосное вещество – создается живыми организмами и косными процессами (почвы, природные воды, биосфера)

Биогеохимические функции живого вещества Газовая (кислородно-углекислотная, озонная и др.) Концентрационная Окислительно-восстановительная Биохимическая Биогеохимические функции человека

Организованность жизни на планетно-космическом уровне 1. В масштабе биосферы и короткого времени – совокупность живых организмов. 2. В масштабе геологического времени вся биосфера становится актуально организованной частью жизни. 3. В масштабе космического времени можно допустить, что весь космос (?) может стать потенциально организованной частью жизни, ее потенциальным телом!

Организованность жизни на планетно-космическом уровне Джеймс Лавлок (1972) идея живой планеты «Gaia» . Планета, заселенная живыми организмами, сама, как целое приобретает некоторые свойства биологического организма. Умберто Матурана и Франсиско Варела (1974 -1979) Теория аутопоэзиса, теория самопродуцирующихся автономных систем. Создана метасистемная теоретическая модель жизни.

Аутопоэтическая система взаимодействует с окружающей средой как единый коллектив, как целостность. В процессе структурного сопряжения со средой в организме происходят адаптивные структурные перестройки. В среде также происходят возмущения под воздействием организма. Среда не инертна. В процессе взаимодействия организм и среда (которая может включать другие организмы) выступают как коэволюционирующие партнеры. Биосфера является аутопоэтической системой

Ноосфера Термин введен Э. Леруа (французский математик и философ) в 1927 году: Дальнейшая эволюция живого на планете будет совершаться только духовными средствами: общество, язык, культура и т. д. И это будет ноосфера, которая последует за биосферой. Пьер Тейяр де Шарден (французский антрополог) в 1930 г. Написал книгу «Ноосфера: феномен человека» . Под ноосферой понимает отдельную оболочку Земли, сформированную в ходе эволюции материи (тангенциальной энергии) и радиальной (тонкой) энергии на планете

Ноосфера В. И. Вернадский (1935) Ноосфера – природное естественное тело, компонентами которого является литосфера, гидросфера, атмосфера и органический мир, преобразованные разумной деятельностью человека. «Взрыв научной мысли в ХХ веке подготовлен всем прошлым биосферы. Биосфера неизбежно перейдет, так или иначе, рано или поздно, в ноосферу.

В.И. Вернадский, рассматривая биосферу как геоло­гическую оболочку, ясно понимал, что структура этой обо­лочки не отражает всей сложности идущих в ней про­цессов. Поэтому он ввел понятие об организованности биосферы. Еще в 1931 году в работе «Об условиях по­явления жизни на Земле» Вернадский определил орга­низованность биосферы как устойчивость динамической системы, ее равновесие.

Организованность биосферы в геологическом времени подтверждается тем, что вся биосфера охватывается и тропосферой, и гидросферой, и литосферой, и живым ве­ществом. Эти части ее взаимопроникают и вза­имодействуют между собой, образуя единое целое (рис. 2).

БИОСФЕРА

Рис. 2. Взаимосвязь оболочек биосферы Земли

Таким образом, понятие «организованность» подра­зумевает, что окружающая природа не есть хаос разроз­ненных элементов, но представляет собой единое и связ­ное целое.

Организованность природы – это не только внешний эмпирический факт, но и ее основное свойство. Оно наиболее ярко выступает в явлении живого, где каж­дая крупица может рассматриваться как своеобразный микрокосмос.

Таким образом, организованность биосферы подразу­мевает единство, равноценность и связь ее частей. Организованность биосферы проявляется на разных уровнях. Различают термодинамический, физический, химический, биологический, парагенетический, энергети­ческий, планетный уровни организованности биосферы.

1.5. Устойчивость и саморегуляция в процессе развития биосферы

Биосфера Земли – открытая, сложная, многокомпо­нентная, саморегулирующаяся, связанная с космосом система живого вещества и минеральных соединений, образующая внешнюю оболочку планеты.

Биосфера является не только областью, в которой на планете Земля возникла и развивалась жизнь во всем многообразии ее форм. Живое вещество за время свое­го существования глубоко изменило первоначальную природу планеты, биологизировало ее. Жизнь сама при­спосабливала и оптимизировала среду. В стратосфере возник озоновый экран, защищающий живые существа от гибельного воздействия ультрафиолетовых лучей и других космических излучений.

Выветривание, почвообразование, делювиальные и аллювиальные наносы закрыли органо-минеральными покровами мелкозема монолитные, бесплодные, безвод­ные скалы. Эти процессы создали рыхлые горизонты, благоприятные по физическим и химическим свой­ствам для существования растений, особенно их кор­невых систем, и экологические ниши для животных. Фотосинтез растений явился механизмом накопления активной биохимической энергии в массах органичес­кого вещества в форме гумуса, ископаемых горючих, гарантирующих удовлетворение запросов организмов на случай стрессовых условий и неблагоприятных пе­риодов.

Живое вещество, создав почвенный покров, преодоле­ло ограниченность ресурсов азотно-углеродного, водно­го, воздушного и минерального питания. Неосинтез высо­кодисперсных минералов обеспечил в почвах физико-химическую поглотительную способность, тем самым закрепляя соединения N, Р, Са, К. Еще более интенсив­ное накопление макроэлементов (С, N, Р, Са, S, К) и мик­роэлементов (I, Zn, Сu, Со, Sе и т.д.) наблюдается в ходе биогенной аккумуляции в форме гумусово-органических соединений.

Возник и показал свою исключительную роль меха­низм сотрудничества – симбиоз – между растениями, животными, насекомыми, низшими беспозвоночными, микроорганизмами с образованием пищевых цепей. Этот механизм в биосфере позволяет обходиться не­большими запасами энергии и химических соединений. Но есть пределы этой устойчивости и саморегу­ляции. Если изменения в среде выходят за пределы периодических колебаний, к которым приспособлены организмы, то слаженность экосистем и биосферы в целом нарушается.

Жизнь, живое вещество, биосфера благодаря этим про­цессам, а также в связи с непрерывностью поступления кос­мической энергии развивалась на Земле по принципу са­моуправляемого расширенного воспроизводства. Так, в девоне существовало около 12 тыс. видов растений, в ка­менноугольном периоде – 27 тыс., в пермотриасе – 43 тыс., в юре – 60 тыс. Современная флора насчитывает около 300 тыс. видов (Ковда, 1983). Это направленное поступа­тельное развитие биосферы не было непрерывным. Ката­строфы (эпохи вулканизма, оледенения, опустынивания) нарушали, задерживали общий процесс расширенного вос­производства, но не могли остановить общий процесс все усложняющегося развития жизни и биосферы.

1.6. Понятие о биогеоценозе как элементарной структурной

единицы биосферы

Биогеоценоз – это взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом вещества и энергии (греч.: bios – жизнь, gi – гео – земля, koinos – общий). В основе понятия лежит определение академика В.Н. Сукачева, по которому биогеоценоз – «совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая свою особую специфику взаимодей­ствия этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и дру­гими явлениями природы и представляющая собой внут­реннее противоречие, диалектическое единство, находя­щееся в постоянном движении и развитии».

В настоящее время термины «биогеоценоз» и «экосистема» часто рассматриваются как синонимы. Но понятие «биогеоценоз», предложенное В.Н. Сукачевым и относящееся к наземным живым системам, имеет определенные территориальные границы. Понятие «экосистема» – безразмерное и может включать пространство любой протяженности – от капли воды с живущими в ней микроорганизмами до всей биосферы в целом. Таким образом, понятие «биогеоценоз» по отношению к поня­тию «экосистема» – более частное. Однако на симпозиуме ЮНЕСКО по вопросу о функционировании земных эко­систем на уровне первичной продукции, проходившем в Копенгагене в 1965 году, условились об одинаковом зна­чении этих двух терминов.

Итак, биогеоценозы являются частями земной или вод­ной поверхности, однородной с точки зрения топографи­ческих, микроклиматических, ботанических, зоологичес­ких, почвенных, гидрологических и геохимических усло­вий. В этой системе круговорот веществ и поток энер­гии характеризуются определенной интенсивностью и направленностью. Отправной точкой круговорота ве­ществ являются фотосинтез и создание фитобиомассы растениями. Реальные размеры биогеоценозов на пла­нете варьируют весьма широко: от нескольких метров (микровпадины в степях и полупустынях, песчаные дюны и т.д.) до километров (биогеоценозы солончака, солон­ца, такыра, однородные участки степей, лесов и т.д.). Вертикальные размеры биогеоценозов варьируют так­же весьма широко: от нескольких сантиметров на ска­лах до нескольких десятков метров в тайге или в тропических лесах.

Биогеоценоз относительно устойчив во времени и тер­модинамически открыт в отношении притока и оттока вещества и энергии. Он имеет вход энергии и различ­ных веществ: солнечная энергия, минеральные элемен­ты горных пород, атмосферные выпадения, грунтовые воды. А также и выход энергии и биогенных веществ в атмосферу (тепло, кислород, углекислый газ и т.д.), ли­тосферу (гумусовые соединения, минералы, осадочные породы) и гидросферу (растворенные биогенные веще­ства грунтовых, озерных, речных вод).

Саморегулирующийся характер биосферы и биогео­ценозов является результатом автокаталитического свойства живого вещества, его способности поглощать и об­менивать вещества, расти и размножаться. Поток энер­гии и вещества в биогеоценозе идет от растений к тра­воядным животным, от последних – к хищникам, затем к низшим организмам и бактериям в почве. Именно травоядные начинают пищевую цепь организмов-потребителей и разрушителей органического вещества, созданного в процессе фотосинтеза. Отсюда первич­ным источником пищи и энергии для пищевой цепи организмов является фитомасса, созданная растениями. Зоомасса – вторичный продукт. Поэтому различают первичную и вторичную продуктивность биогеоценозов и ландшафтов.

В пищевой цепи организмов в биогеоценозе сущест­вует непрерывный поток энергии. На каждом новом зве­не этой цепи теряется 50–90 % энергии и биомассы, за­пасенной на предыдущем этапе. Возникает так назы­ваемая экологическая пирамида запасов энергии. Чем больше звеньев в пищевой цепи, тем выше экологическая пирамида и тем больше будет потеряно энергии в конечном звене (рис. 3).

	ОРЕЛ
	ЗМЕИ
	ЛЯГУШКИ
	КУЗНЕЧИКИ
ТРАВЫ

Рис. 3. Пирамида пищевой цепи

Основным положением энергетики экосистем является необратимость биоэнергетических процессов. Поэто­му в применении к экосистемам (и в частности, к почвам) нельзя применять выражение «круговорот энергии», по­добно тому, как в биогеохимии и в почвоведении о кру­говороте веществ. Единственно правильный термин – «поток энергии», так как энергия первичной биологичес­кой продукции в дальнейшем только расходуется. Для пополнения и возобновления биомассы в экосистеме необходим постоянный приток энергии извне, в то вре­мя как притока атомов вещества может и не быть. Одни и те же атомы могут многократно циркулировать в био­геоценозе.