2.1 Понятия экосистемы и биосферы. Структура биосферы.

Экосистема – это любое сообщество живых существ и его среда обитания, объединенные в единое функциональное целое на основе взаимозависимости и причинно-следственных связей, существующих между отдельными экологическими компонентами. Термин «экосистема» предложен в 1935 г. А. Тенсли, в дальнейшем теория экосистем разрабатывалась академиком В.Н. Сукачевым (в его трудах использован термин биогеоценоз).

По характеру трофности и получения энергии экосистемы подразделяются на три функциональные группы, состоящие из множества популяций: продуценты, консументы и редуценты.

В первую группу продуцентов (от лат. producens – производящий) входят производители органического вещества. Это автотрофы: фотосинтезирующие растения и бактерии, использующие солнечную энергию, хемосинтезирующие бактерии, использующие химическую энергию для построения органического вещества. Продуценты являются источником органического вещества и энергии для консументов (от лат. consumo – потребитель). Первичными консументами называют растительноядных животных; вторичными и третичными консументами -паразитов и хищников, потребляющих растительноядных и друг друга.

Замыкающей группой пищевых цепей являются редуценты (от лат. reducere – возвращать), перерабатывающие остатки органического вещества: растительный опад, трупы, экскременты. К редуцентам относятся самые разнообразные организмы – от птиц и млекопитающих, поедающих падаль, до трупоядных насекомых и бактерий.

Окончательная переработка органического вещества осуществляется редуцентами-деструкторами, разлагающими органические соединения на неорганические молекулы (воду, углекислый газ, аммиак и другие минеральные вещества), которые вновь используются растениями. Наиболее активными организмами-деструкторами являются грибы.

Только совместное функционирование продуцентов, консументов и редуцентов обеспечивает существование экосистемы. Без зеленых растений не могут обойтись животные, отсутствие растительноядных делает невозможным существование хищников. Без редуцентов экосистемы заполнились бы мертвой органикой, а запасы минеральных веществ быстро бы иссякли.

Первичным источником энергии для круговорота веществ в экосистемах служит солнечный свет, при этом энергия света должна поступать постоянно. Энергия солнечных фотонов в процессе жизнедеятельности экосистемы рассеивается в виде тепла и не может быть использована в системе заново.

Продукция экосистем. Важные параметры любой экосистемы – биомасса и ее прирост. Самой высокой биомассой обладают тропические леса, самой низкой – тундры и пустыни. Биомасса тропических лесов составляет 500 т/га, широколиственных лесов умеренной зоны – 300 т/га, пустынь – более 10 т/га. Среди животных наибольшей биомассой обладают почвенные беспозвоночные дождевые черви – 300-900 кг/га, биомасса лесных позвоночных составляет менее 10 кг/га.

Общая площадь листьев растений в широколиственных лесах умеренной зоны, произрастающих на 1 га почвы, составляет 4-6 т/га, корней 3-4 т/га. Общая продукция биомассы лесных массивов составляет 10 т/га. Биомасса почвенных микроорганизмов на 1 га почвы может составлять от 300 до 3 000 кг.

Биомасса водорослей океана (основу ее составляет фитопланктон) в 10 тыс. раз меньше, чем растений суши, а ее продукция меньше только в 3 раза. При беспрепятственном размножении зеленые водоросли теоретически способны накопиться в количестве, равном массе земной коры, всего за 25 суток (бактерии – за 2 суток, а слоны – за 1 300 лет). Биомасса водорослей в океане воспроизводится почти ежедневно, а в широколиственном лесу биомасса высших растений каждые 30 лет. Существенно более продолжительный цикл воспроизводства лесной биомассы обусловлен в основном значительной инертной массой древесных стволов. Пирамида биомасс большинства земных экосистем сходна с пирамидой продукции, а пирамида биомасс океана перевернута вверх основанием за счет высокой продуктивности и малой массы планктона.

Таким образом, каждая экосистема занимает определенную территорию, обладает конкретным видовым составом, характеризуется трофической структурой и биопродуктивностью.

Таковой, например, является экосистема города, в котором ресурсы А превращаются в полезные товары В, а образующиеся отходы С после пе­реработки снова запускаются в производство, что уменьшает их количество.

В любой экосистеме, с учетом обратной связи, имеется четыре основных компонента: поток энергии, круговорот веществ, сообщество и управляющая петля обратной связи.

Классификация экосистем. В общем виде экосистемы подразделяются на естественные (луг, тундра, пустыня, лес, озеро, море, океан и т.д.) и искусственные (город, агроэкосистема, аквариум, космический корабль и т.д.).

По структурным признакам экосистемы подразделяются на: наземные (тундра, степь, саванна, хвойный лес, тропики и т.д.); пресноводные (озеро, пруд, река, ручей, болото и т.д.); морские (море, океан и т.д.).

Следует отметить кибернетическую природу экосистемы, т.е. помимо потоков энергии и круговорота веществ они характеризуются информационными потоками - физические и химические сигналы, которые связывают все части системы и управляют ею как одним целым.

Принцип обратной связи во многом определяет стабильность экосистем. Различают резисторную и упругую стабильности. Резисторная стабильность – способность экосистемы сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменным свою структуру и функцию. Упругая стабильность - способность экосистемы восстанавливаться после того, как ее структура и функции были нарушены.

Биосфера – это самая крупная (глобальная) экосистема Земли, область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете (Н.Ф. Реймерс, 1990). В соответствии с определением В.И. Вернадского «Биосфера – это нижняя часть атмосферы, вся гидросфера и верхняя часть литосферы Земли, населенная живыми организмами, область существования живого вещества».

Живое вещество рассматривается как особое проявление термодинамических, физических и химических условий планеты, способное организовывать их таким образом, чтобы иметь максимальную устойчивость во времени и в пространстве. Биосфера - это не только наружная оболочка Земли, охваченная жизнью, но и структурно ею организованная. Живое вещество за время своего существования глубоко изменило первоначальную природу планеты. Жизнь как бы сама приспосабливала среду и оптимизировала условия. В стратосфере возник озоновый экран, защищающий живые существа от гибельного воздействия ультрафиолетовых лучей и других космических излучений.

Ограниченность ресурсов азотно-углеродного, водного, воздушного и минерального питания живое вещество преодолело путем создания почвенного покрова, синтеза высокодисперсных минералов, обеспечивающих сорбцию соединений азота, фосфора, кальция, калия и др., более эффективной аккумуляции гумусно-органических соединений макро- (углерод, азот, фосфор, кальций, сера, калий) и микроэлементов (йод, цинк, медь, кобальт, селен и др.). По своему биохимическому значению в поддержании жизни на планете почвенный покров сравним с озоновым экраном в стратосфере.

Фотосинтез явился механизмом накопления активной биохимической энергии в массах органического вещества, в почвенном гумусе в виде ископаемых горючих.

Исключительную роль играет механизм «сотрудничества» (симбиоза) между растениями, животными, насекомыми, низшими беспозвоночными, микроорганизмами с образованием так называемых пищевых цепей. Пищевые цепи обеспечивают длительное удержание внутри экосистем энергии, связанной фотосинтезом, и резерва биофильных элементов (углерод, азот, калий, сера, кальций, марганец и др.), необходимых для новых поколений живого вещества. На этой основе формируются главные звенья биогеохимического круговорота веществ.

Биологический спектр биосферы имеет ступенчатый характер: сообщество, популяция, организм, орган, клетка, ген, что является предметом изучения традиционной экологической науки.

Следует отметить, что в этом спектре нет резких границ в функциональном смысле, поскольку каждый уровень интегрирован, взаимосвязан с другими. Как и организм, изолированный от популяций, не в состоянии продолжительно существовать, так и сообщество не может существовать, если в нем не происходит круговорот веществ и в него не поступает энергия. Потоки вещества и энергии связывают сообщества между собой и с окружающей средой в неразрывное единство – экосистему.