Тема 2. Біосфера. Її властивості. Межі біосфери.
Австрійський геолог Е. Зюсс (1831-1914) у 1875 році першим виділив біосферу, як окрему оболонку Землі, охоплену життям (біосфера від грецького bios – життя, sphairo – сфера), тобто сукупність живих організмів.
Основоположником нової науки про природу є В.І. Вернадський, який у 1926 році опублікував свою працю «Біосфера». За ним, біосфера – загальнопланетна оболонка, до складу якої входять нижні шари атмосфери, гідросфера, верхні шари літосфери. Склад і будова біосфери обумовлені сучасною і минулою життєдіяльністю всієї сукупності живих організмів - колишніх і сучасних.
До появи робіт В.І. Вернадського роль живих організмів представлялася в дуже незначній мірі. Здавалося б, яке може бути порівняння наслідків їхньої життєдіяльності з міццю внутрішніх сил планети, що формують високі гори, океани, моря. Однак В.І.Вернадський довів, що який би не був слабкий кожний окремий організм, усі вони разом узяті протягом тривалого відрізка часу виступають як могутній геологічний фактор, що грає значну роль на нашій планеті. Хімічний стан зовнішньої частини земної кори нашої планети цілком знаходиться під впливом життя і визначається діяльністю живих організмів.
Біосфера - природна система, що складається з компонентів живої і неживої природи, у якій здійснюється беззупинний коловорот речовин, рух енергії й інформації за безпосередньої участі живих організмів
Отже, існування біосфери – наслідок взаємодії її живих і неживих компонентів, акумуляції і перерозподілу в ній величезної кількості енергії.
До основних властивостей біосфери належать: термодинамічна відкритість, самоорганізація, саморегуляція, динамічна рівновага, стійкість, глобальність.
2.1 Межі біосфери
За Вернадським В.І., існує два взаємодоповнюючих підходи щодо визначення меж біосфери: геометричний підхід (фізичні межі, км) та єкологічний підхід, що враховує екологічні фактори.
Геометричний підхід
Біосфера охоплює нижню частину атмосфери, гідросферу і верхню частину літосфери (мал. 2.1.).
Мал.
2.1. Геометричний підхід до меж біосфери.
Верхня межа біосфери, за В.І. Вернадським, є променистою. Проходить на висоті 20 – 25 км. Тут спостерігається найбільша концентрація озона в атмосфері, що є природним екраном, який захищає живі організми від жорсткого ультрафіолетового випромінювання. Активна життєдіяльність живих організмів зафіксована до висоти 20 –25 км, тобто до верхньої границі біосфери. В даний час до висоти близько 85 км виявлені лише спори мікроорганізмів, що було виявлено під час запусків геофізичних ракет.
Нижня межа біосфери є термічною. Існування цієї межі обумовлено підвищенням температури при просуванні всередину Землі кожні 33 метра в середньому на 1оС. На суші термічна границя проходить на глибині 3-3,5 км від земної поверхні (у молодих складчастих областях це 1,5-2 км, на кристалічних щитах - 7-8 км). Зникнення життя на цих глибинах пояснюється збільшенням температури середовища до 1000C. Біосфера охоплює практично всю гідросферу - ріки, океани і моря до глибин приблизно 12 км.
Вищенаведених меж досягають тільки нижчі організми – бактерії. Життя зосереджене в основному на суші (ґрунт і рослинний покрів), а також у Світовому океані – у верхньому шарі води глибиною до 200 м.
Очевидно, що товщина біосфери кінцева – має відповідні визначені геометричні розміри і біологічні можливості.
Найбільша товщина біосфери на тропічних широтах – до 22 км, найменша на полярних широтах – 11 км.
Екологічний підхід
Екологічний підхід враховує вплив екологічних факторів. Межі біосфери в екологічному аспекті – це простір, в межах якого зовнішні умови (фактори) середовища стимулюють активну життєдіяльність.
Екологічні фактори – елементи або умови навколишнього середовища, що здатні здійснювати прямий чи непрямий вплив на живі організми навіть на одній фазі їхнього розвитку.
У пристосуванні до мінливих факторів навколишнього середовища організмам допомагає закладений у них природою механізм адаптації. Адаптивні можливості різних організмів розраховані на певну силу впливу екологічних факторів. Наприклад, підвищення або зниження температури за межі адаптаційної можливості може призвести до загибелі організму.
Екологічні фактори поділяються на три основні групи: абіотичні, біотичні, антропогенні.
Абіотичні фактори враховують вплив неживої природи. Їх розділяють на:
кліматичні (світло, тепло, тиск, волога, рух повітря);
едафогенні (едафос - ґрунт);
топографічні (рельєф, висота над рівнем моря);
хімічні (газовий склад повітря, хімічний склад водяних ресурсів, ґрунту і т.д.).
На мал.2.2 можна спостерігати дію топографічних факторів на області поширення живих організмів
З підвищенням відмітки над рівнем моря знижується температура, зростає інтенсивність сонячної радіації, повітря стає більш розрідженим, змінюється склад ґрунту тощо. Зі зміною абіотичних умов (у даному випадку зі зміною висоти над рівнем моря) ми можемо спостерігати ярусну вертикальну зональність в росповсюджуванні живих організмів, пристосованих до певних умов існування.
До абіотичних факторів належать також фізичні поля (гравітаційне, магнітне, електромагнітне), іонізуюча та проникаюча радіація, рух середовищ – акустичні коливання, хвилі, вітер, плини, припливи. Більшість абіотичних факторів можуть бути охарактеризовані кількісно і піддаються об'єктивному виміру.
Біотичні фактори передбачають вплив одних живих організмів на інші. Всі біотичні фактори визначені внутрішньовидовими і міжвидовими взаємодіями. Навколишній органічний світ – це складова частина середовища існування кожного живого організму. Взаємини між організмами складніші за абіотичні впливи. Більшість з них не має скалярних значень, важко піддається прямому виміру, виключення складають кількісні оцінки чисельності популяцій, фактори, що відносяться до харчових зв'язків тощо.
Антропогенні фактори – це є фактори впливу людського суспільства на процеси, що протікають у біосфері. Антропогенні фактори призводять до зміни природи як середовища існування тих чи інших видів або безпосередньо впливають на їхнє життя.
Сутність екологічного підходу к межам біосфери визначається двома критеріями В.І. Вернадського:
полем стійкості життя;
полем існування життя.
Поле стійкості життя – умови, які витримують живі організми, знаходячись на межі своїх можливостей.
Поле існування життя – умови, за яких організми можуть мати нащадків, тобто збільшувати свою живу масу і діючу енергію планети.
На розвиток життя, а, отже, на межі біосфери впливає багато факторів, наприклад, наявність кисню, вуглекислого газу, води в її рідкій фазі. Обмежують область поширення життя занадто високі чи низькі температури, дефіцит або надлишок елементів мінерального харчування. Наприклад, позбавлені життя підземні води з концентрацією солей вище 270 г/л. Вплив екологічних факторів на область поширення живих організмів зображено на мал. 2.3.
Мал. 2.3. Вплив екологічних факторів на умови існування організмів.
2.2 Екологічні системи. Рівні організації природних систем. Склад та функціональна структура екосистеми
Рівні організації природних систем. Навколишнє середовище (атмосфера, гідросфера, літосфера) і живі організми нашої планети утворюють глобальну систему – біосферу. Вона має могутню життєздатність завдяки великому розмаїттю складових систем більш низького рівня. Прийнято виділяти кілька рівнів організації природних систем: Молекули – Клітини – Тканини – Органи - Багатоклітинний організм – Види – Популяції – Біоценози – Біогеоценози – Біосфера.
На будь-якому рівні організації природні системи мають такі властивості:
Природні системи складаються з взаємозв’язаних і взаємозалежних компонентів, що з'єднані один з одним прямими і зворотніми зв'язками.
Будь-яка досліджувана система є елементом системи більш високого рівня.
Елементи будь - якої досліджуваної системи, у свою чергу, виступають як системи нижчого рангу. (Наприклад, розглядаючи клітинний рівень як систему, необхідно враховувати, що молекулярний рівень у цьому випадку розглядається як підсистема).
На всіх рівнях спостерігається впорядкованість обміну речовиною, енергією, інформацією.
Ємерджментість –наявність у більш високих рівнів організації природних систем властивостей, які відсутні на нижчих рівнях. Наприклад, властивості цілого організму відрізняються від властивостей окремих органів, з яких він будується.
В організації і функціонуванні біосфери - складної оболонки, що поєднує усі форми життя, доцільно розділяти наступні рівні, що є основними об'єктами вивчення в екології:
Популяція(populus - население) – група організмів певного виду, яка має всі необхідні умови для підтримки своєї чисельності в умовах середовища, що постійно змінюються.
Біоценоз – сукупність живих організмів, що населяють ділянку середовища існування. Для цих живих організмів характерний тісний взаємозв'язок, що склався, круговорот енергії, речовин. Біоценоз є продуктом природного відбору.
Простір, заселений біоценозом, називається біотопом. Отже, біотоп є місцем існування біоценозу.
Біогеоценоз (екосистема) – сукупність співтовариства живих організмів і середовища. Іншими словами, біоценоз (біотична складова) і біотоп (абіотична складова) утворюють систему більш високого рангу – біогеоценоз.
Умовимось - терміни екосистема та біогеоценоз є тотожнимі.
Біосфера – вища ступінь ієрархії, сукупність усіх живих організмів і їхнього екологічного середовища в межах планети.
Склад і функціональна структура екосистеми
Кожна екосистема має власне матеріально – енергетичне забезпечення і певну функціональну структуру, що грунтується на харчових чи трофічних (від греч. trophos - харчування) взаєминах. Ця структура представлена кількома групами організмів, кожна з яких виконує певну роботу в круговороті речовин.
Ряд взаємозалежних видів, з яких кожний може служити їжею наступному, зветься ланцюгом харчування.
Організми, що відносяться до однієї такої ланки, утворюють один трофічний рівень. В екосистемі присутні наступні ланки трофічного ланцюга:
Автотрофи (фітоценоз) – організми, що створюють органічні сполуки з неорганічних складових у процесі фотосинтезу. Це єдині в біосфері організми, які засвоюють, та акумулюють сонячну енергію (наприклад, вищі зелені рослини). До автотрофів належать лишайники, водорості і бактерії, що мають фотосинтезуючі пігменти. Автотрофні організми також називають продуцентами (від лат. producens, родовий відмінок producentis - виробляючий, створюючий). Синтезована автотрофами нова біомаса органічної речовини – це первинна продукція, а швидкість її утворення – біологічна продуктивність екосистеми. Автотрофи утворюють перший трофічний рівень екосистеми.
Гетеротрофи. Органична речовина, яку утворюють продуценти, містіть у собі енергію. З харчуванням цю речовину та енергію одержують гетеротрофи і використовують у процесі своєї життєдіяльності. В екології гетеротрофів розділяють на консументи (зооценоз) і редуценти (мікробоценоз).
Консументи (від лат. соnsuме - споживаю)– споживачі готової органічної продукції. Розрізняють консументів 1-го і 2-го порядків. Консументи 1-го порядку – травоїдні, 2-го порядку – хижаки. Консументи 1-го і 2-го порядку займають відповідно другий, третій, а іноді і наступні рівні в екосистемі.
Редуценти (від лат. reducens - той що повертає, відновлює)– відновлювачі, які існують за рахунок енергії речовини, що відмирає. Редуценти забезпечують його мінералізацію з одержанням вихідних мінеральних компонентів у виді, зручному для використання рослинами у виробництві органічної продукції. До редуцентів належать бактерії і нижчі гриби.
Усі вищезгадані групи організмів у будь-якій екосистемі тісно взаємодіють між собою, узгоджуючи потоки речовини й енергії. Їхнє спільне функціонування не тільки підтримує структуру і цілісність біоценозу, а і впливає на абіотичні компоненти біотопу, формуючи і підтримуючи екологічне середовище екосистеми.
Принципове розходження між потоками речовини й енергії в екосистемі полягає в тім, що біогенні елементи, тобто елементи, що складають органічну речовину, можуть багаторазово брати участь у круговороті речовин, тоді як потік енергії односпрямований і ненезворотній. Кожна порція енергії використовується одноразово. У відповідності з другим законом термодинаміки на кожному етапі трансформації енергії значна її частина неминуче розсіюється у вигляді теплоти.