Підручники з Біології / Біологія 11 клас / Шаламов Біологія 11 клас 2019

мання сільськогосподарської продукції, екосистеми називають агроекосистемами1, а угруповання організмів у них — агроценозами. Наразі близько 30 % поверхні суші зайнято агроекосистемами, і вони забезпечують людство 90 % всієї їжі, виробляючи близько 2,5 млрд тонн сільськогосподарських продуктів на рік. Третина цієї площі обробляється як рілля, а решта — це пасовища. В Україні більше 60 % земель використовують для сільськогосподарських потреб.

Усі агроекосистеми можна поділити на два основних типи: невеликі фермерські угіддя, що обробляються завдяки м’язовій силі людини й тварин, та великі сільськогосподарські комплекси, для роботи на яких задіяна спеціалізована техніка, а продуктивність2 значно перевищує місцеві потреби в їжі (рис. 19.2). До першого типу належать городи й сади, невеликі пасовища. Великі ж агроекосистеми — це поля, з яких систематично збирають величезний

Рис. 19.2. Зразки агроекосистем

А.Город і сад біля заміської садиби. Б. Житнє поле на українському Поділлі.

В.Високогірне карпатське пасовище.

1 Від грец. agros — поле.

2 Нагадаємо, що продуктивністю називають зростання біомаси чи енергії екосистеми за одиницю часу.

121

урожай, а також колгоспні пасовища. На сьогодні розподіл площі між цими типами агроекосистем майже рівномірний, оскільки більш розвинені країни віддають перевагу великим угіддям, тоді як менш розвинені — дрібним фермерським.

Щоб повернути вилучені з урожаєм хімічні елементи до ґрунту, використовують добрива

Однією з основних рис екосистеми є відносна замкненість колообігу хімічних елементів. Для агроекосистем такий колообіг є незамкненим. Річ у тім, що людина систематично вилучає частину біомаси у вигляді врожаю чи приплоду. Тому хімічні елементи не повертаються редуцентами до ґрунту, що спричиняє швидке виснаження мінеральних запасів. Унаслідок цього продуктивність агроекосистеми повинна б швидко зменшуватися з часом. Аби запобігти цьому й відновити запаси мінеральних речовин у ґрунті, у сільськогосподарські землі систематично вносять добрива. Додавання недостатньої кількості добрив не дозволить отримати максимальний урожай, тому часто їх уносять сповна. Це, безперечно впливає на мінеральний склад прилеглих природних екосистем, куди з поверхневими й ґрунтовими водами потрапляють добрива. У прісних водоймах такі дії можуть спричинити евтрофікацію — надмірне розмноження ціанобактерій і водоростей у товщі води, через яке у водоймі виникає брак світла й кисню і, як наслідок, збільшується смертність водних організмів. Тому добрива треба вносити у відповідних кількостях, для з’ясування яких проводять хімічний аналіз складу ґрунту.

Низьке видове різноманіття агроценозів є наслідком гонитви за максимальною продуктивністю й має ряд недоліків

Суттєво відрізняється й видова структура агроценозу. Для того, щоб продуктивність угідь була максимальною, господарі намагаються мінімізувати конкуренцію між видами й втрати від шкідників (рослиноїдів, хижаків чи паразитів). Тому на сільськогосподарських полях чи у великих садах вирощується один або кілька домінантних видів. Решта конкурентів і шкідників знищуються людиною шляхом прополювання та обробки пестицидами, що вбивають бур’яни, комах-рослиноїдів, паразитичні грибки тощо. Також фермери намагаються попередити потрапляння шкідників до агроекосистеми, наприклад, завдяки парканам на межі пасовищ чи полів (рис. 19.3).

Таке підтримання низького видового різноманіття потребує значного внесення енергії й ресурсів з боку людини. Тому, крім Сонця, джерелом енергії агроекосистеми є й діяльність людини. Але варто розуміти, що вкладена людиною енергія не перетворюється на біомасу, а лише сприяє більш ефективному запасанню енергії Сонця в хімічних зв’язках, тобто підвищує продуктивність агроценозу.

Однак домінування одного чи кількох вирощуваних видів у агроценозі не означає відсутності там інших видів. Крім рослин, до складу агроекосистеми

122

Існує кілька способів підвищення продуктивності агроценозу

Основним завданням агроекосистеми є створення врожаю чи поголів’я, які надалі переробляються в харчові продукти. Тому нині тривають пошуки способів підвищення продуктивності сільськогосподарських екосистем із метою отримання більших урожаїв. Одним із засобів підвищення продуктивності є сівозміна — чергування різних культур і парів на одній ділянці. Вона дозволяє більш ефективно використовувати ґрунтові ресурси, оскільки культурні рослини різних видів відрізняються своїми вимогами до них. Наприклад, бобові потребують більше Цинку, а картопля — Бору. Тому якщо провести сівозміну бобових на картоплю, то запаси як Цинку, так і Бору вичерпуватимуться повільніше. Окрім того, різні культури мають відмінну стійкість до шкідників, приваблюють різних комах й неоднаково впливають на мікробіологічні характеристики ґрунту, що підвищує загальну стійкість екосистеми. Час від часу протягом сівозміни поля залишають під парою, тобто незасіяними, що дозволяє природним організмам заселити поле й дає час на хоча б часткове відновлення його ресурсної бази.

Іншим способом підвищення продуктивності є використання якісних сортів рослин і порід тварин. Завдяки досягненням селекції та генетики щороку виводять нові, менш вибагливі до умов і більш продуктивні сорти, використання яких дозволяє збільшити обсяги врожаю й приплоду (докладніше про селекцію рослин і тварин ітиметься в § 40). Для зменшення конкуренції між рослинами одного виду важливим є правильне просторове висівання чи висаджування (рис. 19.5). Якщо організми будуть розміщені занадто щільно, то зросте взаємозатінення й конкуренція за мінеральні ресурси. Але якщо, навпаки, розташувати їх нещільно, то частина ресурсів біотопу не буде використана й загальна продуктивність агроекосистеми зменшиться. Кількість добрив і пестицидів, що вносяться в поля й сади, повинна бути раціонально розрахована, щоб не завдавати шкоди ані агроценозу, ані суміжним природним біоценозам. Крім того, їхнє економне використання є фінансово вигіднішим. Зрештою, адекватний полив території чи підтримання оптимальної вологості ґрунту є необхідним чинником високої продуктивності агроценозу.

Рис. 19.5. Ефективна просторова структура агроценозу

Правильне просторове розміщення кущів винограду (А) і яблучних дерев (Б) сприяє меншому взаємозатіненню й зменшує конкуренцію за ґрунтові ресурси.

124

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

1. Яка з наведених екосистем НЕ є агроекосистемою? А ставок для розведення форелі Б грядка з огірками В вигін для випасу корів Г озеро посеред села

2. Висока продуктивність агроценозу досягається завдяки А винищенню видів-конкурентів для сільськогосподарської культури Б розведенню культурних і диких рослин поряд

В максимально щільному засіванню території Г збільшенню кількості сонячної енергії, що надходить

3. Схильність агроекосистеми до сукцесії зумовлена А унесенням добрив Б відсутністю редуцентів

В нестабільністю агроценозу Г високою розгалуженістю трофічних ланцюгів

4. Використання досконаліших сортів і порід у господарстві дозволяє А зменшити стійкість агроценозу Б збільшити продуктивність агроценозу В зменшити витрати на насіння

Г збільшити об’єми добрив, що вносяться 5. Увідповідніть захід для підвищення продуктивності агроценозу та його

У житті все просто

6. Обґрунтуйте твердження про те, що енергія, яку вкладає людина, не запа-

сається в органічній речовині агроценозу.

7. Чому екосистема не може бути високопродуктивною й стійкою водночас? 8. Складіть порівняльну таблицю природної екосистеми й агроекосистеми.

У житті не все просто

9. Схарактеризуйте всі причини спалаху паразитичного грибка фітофтори

на полях картоплі.

10. Для підвищення вмісту Нітрогену в землі на полях висівають бобові рослини. Як вони сприяють збагаченню ґрунту? Чим це краще за внесення добрив, що містять Нітроген?

11. У чому полягає суть органічного землеробства? Які його основні переваги й недоліки?

125

§ 20. Біосфера

Біосфера об’єднує всі екосистеми Землі

Коли йшлося про екосистеми, то ми зауважували, що їхній розмір може суттєво відрізнятися: і невеличке лісове озерце, і гігантський тропічний ліс можна розглядати як єдину екосистему. Кордони екосистем зазвичай умовні, й організми спроможні легко їх перетинати та взаємодіяти з організмами з інших екосистем. Зрештою, усі екосистеми Землі пов’язані між собою спільною атмосферою, міграцією організмів, колообігами речовин, потоками енергії в глобальну світову екосистему, яка має назву біосфера. Біосфера, як і будь-яка екосистема, містить біотичний та абіотичний компоненти — усіх живих істот планети й середовище їхнього мешкання відповідно. Поняття «біосфера» 1875 року запропонував австрійський учений Едуард Зюсс, але найповніше розвинув концепцію біосфери у своїх працях Володимир Вернадський — геніальний учений, перший президент Української академії наук.

Межі біосфери визначаються діапазоном толерантності найвитриваліших організмів

Межі біосфери визначаються межами зустрічності організмів у воді, повітрі та в землі (рис. 20.1), які залежать від діапазону толерантності живих істот. Нижня межа біосфери знаходиться на глибині кількох кілометрів у літосфері. Зі зростанням глибини збільшується й температура, тому хемоавтотрофні бактерії не виживають на великих глибинах. У гідросфері нижня межа біосфери сягає дна, оскільки організми існують у воді на всіх глибинах. Верхня межа біосфери сягає 20–22 км у атмосфері1. Максимальна висота поширення живого визначається озоновим шаром (20–30 км), вище за який ультрафіо-

1 Утім, у 2017 році життєздатні спори бак- Рис. 20.1. Межі біосфери терій було знайдено на поверхні Міжна-

родної космічної станції на висоті 400 км.

126

Біосфера має властивості глобальної екосистеми

Біосфера є величезною екосистемою, розміром із цілу планету! Разом із тим, для неї характерні властивості, спільні для всіх екосистем. Сукупність компонентів біосфери характеризується величезним різноманіттям організмів і середовищ їхнього мешкання. Біосфера — це найбагатша на види екосистема на Землі. Наразі на нашій планеті мешкає до 9 млн видів організмів, а загалом за всю історію біосфери налічують понад 100 млн видів.

Як і окрема екосистема, біосфера має стійкість і здатність до саморегуляції, що забезпечуються розгалуженістю трофічних мереж і видовим різноманіттям. Завдяки міжвидовим взаємодіям, обміну організмами між екосистемами (наприклад, перельотам птахів, міграціями риб) і сукцесіям біосфера підтримує свою сталість у часі. Саме завдяки стійкості біосфера вже кілька разів переживала масштабні катастрофи (наприклад, кисневу катастрофу, льодовикові періоди), після яких утрачала мільйони видів (чого вартує лише крейдяно-палеогенове вимирання, під час якого загинули динозаври разом із майже 75 % усіх видів Землі), але все одно відновлювалася.

Біосфера характеризується централізованістю. Як зазначав Володимир Вернадський, «організми формують основу біосфери та є її центральним компонентом».

Біосфера — відкрита система, тобто вона обмінюється речовиною й енергією з іншими системами. Насамперед, це стосується сонячної енергії, без надходження якої існування біосфери є неможливим. У ній наявний потік енергії, яка поглинається організмами, передається ланцюгами живлення й вивільняється до космічного простору у вигляді теплоти. Водночас надходження речовин до біосфери ззовні обмежене, тому ще одна її властивість — наявність замкнених колообігів речовин. Саме вони забезпечують тривале існування біосфери без виснаження власних ресурсів (докладніше про колообіги йтиметься в наступному параграфі).

Жива речовина біосфери виконує важливі функції

Володимир Вернадський у понятті «жива речовина» об’єднав усю сукупність організмів планети, тобто біотичний компонент біосфери. Для живої речовини характерна наявність власного запасу енергії, що проявляється в процесах зміни довкілля, розмноження й поширення. Завдяки виконанню енергетичної функції живою речовиною на планеті Земля сонячна енергія акумулюється

йвикористовується для зміни довкілля. Без біосфери енергія Сонця не спричиняла б значних геологічних змін, а також не могла б запасатися й використовуватися тривалий час після свого поглинання.

Завдяки ферментам жива речовина здійснює хімічні процеси набагато швидше, ніж вони відбуваються в неживій природі. Організми відповідальні за реалізацію окисно-відновної функції — значна кількість процесів окиснення

йвідновлення відбуваються винятково в організмах. Це забезпечує перехід хімічних елементів із одних сполук в інші, що є основою біогеохімічних колообігів

127

елементів (рис. 20.2, А). Так, азотфіксувальні бактерії перетворюють азот на амоніак, сіркобактерії — окиснюють сполуки Сульфуру, а рослини — відновлюють сполуки Карбону.

Організми намагаються обжити кожну доступну ділянку Землі, адаптувавшись і змінивши умови середовища. У цьому полягає функція

утворення середовища, що її здійснює жива речовина. Завдяки ній мінеральні породи руйнуються і включаються до колообігу елементів. Також жива речовина постійно перетворюється: організми вмирають і народжуються знову, рештки розкладаються. Усе це забезпечує рух хімічних елементів і впливає на умови існування.

Постійний склад атмосфери підтримується діяльністю живої речовини. Організми поглинають і виділяють гази, і регулюючи таким чином їх уміст у повітрі. При цьому вони виконують газову функцію (рис. 20.2, Б). Поява киснеутворювальних організмів-фотосинтетиків змінила вигляд Землі й уможливила виникнення озонового шару, завдяки якому життя змогло вийти на суходіл.

Концентраційна функція полягає в накопиченні хімічних елементів у значно більших обсягах, ніж вони є в неживій природі. Наприклад, органічні речовини містять багато Карбону, Гідрогену, Оксигену й Нітрогену, на сполуки Кальцію та Фосфору багаті скелети тварин, а бурі водорості запасають Йод. Саме тому склад живої природи суттєво відрізняється від складу неживої.

Для кожного біому характерний свій тип рослинності

Різні регіони континентів відрізняються кількістю сонячного світла й опадів. Унаслідок зміни температури зі зміною географічної широти й висоти суші над рівнем моря, а також кількості опадів у окремих місцях сформувалися кілька природно-кліматичних зон суходолу, сукупність екосистем яких утворює біоми (рис. 20.3). До складу кожного біому входять рослинні й тваринні угруповання певного регіону із певним кліматом.

Основою для виокремлення того чи того біому є домінантний тип рослинності. Hаприклад, у степу переважає трав’яниста рослинність, а в пустелях — сукулентні рослини. А вже залежно від типу рослинності й абіотичних умов різні види тварин «обживають» певний біом. За різними класифікаціями кількість біомів відрізняється. Ми ж розглянемо лише основні з них.

Найпівнічнішими біомами є тундри. Також вони зустрічаються на високогір’ї. Для тундри характерні тривалі низькі температури й короткий

128

Рис. 20.3. Поширення наземних біомів

А. Умови в наземних біомах. Б. Географічний розподіл біомів.

1 – тундра, 2 – тайга (хвойний ліс), 3 – листопадний і мішаний ліс, 4 — степ, 5 – пустеля, 6 – саванна, 7 – тропічний ліс.

період тепла. Основою цього біому є лишайники, злаки й карликові дерева (рис. 16.3, А). Південніше, ніж тундра, розташована тайга, основою якої є хвойні дерева (рис. 15.4). Хвойні ліси тайги небагаті на кущі й трав’янисту рослинність через значну затіненість, що виникає під деревами. Хоча для тайги також характерні тривалі періоди морозів, продуктивність екосистем цього біому набагато більша за таку в тундрових.

Упомірних широтах переважають два типи біомів: листопадні й мішані ліси (рис. 16.1, А) та степи (рис. 16.5, Б). Тут мають яскравий прояв сезонні зміни. Ці біоми зазнали найбільшого впливу людини, оскільки саме в них розташовані осередки розвитку цивілізації. Характерною особливістю степів є наявність великих травоїдних тварин: коней, бізонів, кенгуру.

Утропіках і на екваторі великі площі займають савани (рис. 20.4, А). Протягом року в них спостерігається велика кількість опадів у дощові сезони

йтривалі посухи між ними. Тому саме волога є визначальним фактором сезонності, на відміну від температури в степах помірного клімату. Окремі дерева саван (це здебільшого акації) адаптовані до витримування тривалої спеки. Як і в степах, тут живе велике різноманіття копитних травоїдних — антилоп, зебр, жирафів.

Вологі тропічні ліси поширені вздовж екватора в Африці, Південній Америці та Південній Азії. У цих біомах існує найбільше видове різноманіття організмів і яскраво виражена ярусність (рис. 16.3, Б). У тропічних лісах є надзвичайно ефективний колообіг речовин, завдяки якому в лісі постійно існує значна кількість організмів.

Пустелі вирізняються малою кількістю опадів (менше 250 мм на рік). Домінантними видами цих біомів є сукулентні рослини (кактуси, верблюжі колючки, молочаї), що здатні витримувати спеку, однорічні швидкорослі рослини та посухостійкі кущі (рис. 20.4, Б). Їхнє життя цілком залежить від води: якщо тривалий час немає опадів, то екосистеми біднішають на види або взагалі зникають.

129