4.2.4. Біосферні зв’язки.

Біосфера неоднорідна і складається з сукупності екосистем.

Екосистема — основна структурна одиниця біосфери. Екосистеми займають певну частину біосфери. Площа екосистем може бути від декількох квадратних метрів до тисяч квадратних кілометрів, а товщина — від декількох сантиметрів (ґрунт пустель) до десятків кілометрів (океан). Процеси, котрі відбуваються в екосистемах, залежать від кількості енергії, котра надходить до екосистеми та від циркуляції речовин в ній.

Елементарними екосистемами, з яких складається біосфера, є біогеоценози — замкнені екосистеми, здатні до саморегуляції.

Біогеоценозом називають однорідну ділянку земної поверхні з певним складом організмів, що населяють її (бактерій, рослин, тварин, грибів), і комплексом абіотичних компонентів (ґрунтом, повітрям, сонячною енергією та іншими), які пов’язуються обміном речовини й енергії в єдину природну систему. Складові біогеоценозу — це біотоп — однорідний за абіотичними факторами середовища простір (сукупність абіотичних факторів і географічних умов, кількості сонячної радіації, параметрів та складу атмосфери, гідросфери, літосфери) — і біоценоз — сукупність усіх представлених у межах даного біотопу тваринних та рослинних організмів. Функціональні складові біоценозу: сукупність усіх продуцентів даного біотопу (вищі рослини, водорості, автотрофні бактерії) — так званий фітоценоз; сукупність тварин-консументів — зооценоз; сукупність редуцентів (бактерій і грибів-сапротрофів) — мікробоценоз. Межі біогеоценозу визначаються межами фітоценозу, тобто контуру однорідної рослинності, оскільки саме рослини-продуценти є першою ланкою трофічних ланцюгів біогеоценозу. Біогеоценози водойм називають також біогідроценозами.

Розміри конкретних біогеоценозів коливаються в досить широких межах: у пустелях площа біогеоценозу становить сотні тисяч квадратних метрів (наприклад, такири й барханні піски); площа одного лісового біогеоценозу — зазвичай від кількох сотень до кількох десятків тисяч квадратних метрів (наприклад, березовий гай у дубовому лісі); лугові й степові біогеоценози ще менші — до кількох десятків, зрідка — сотень квадратних метрів. Як правило, виразних, різких меж між біогеоценозами не існує, а один поступово переходить в інший. Будь-який біогеоценоз являє собою систему елементів, що взаємодіють, — популяцій живих організмів.

Кожний біогеоценоз характеризується біомасою та продуктивністю, має свою певну просторову й видову структури, певну сукупність ланцюгів живлення, які пов’язуються потоками речовини й енергії в специфічну для даного біогеоценозу трофічну мережу й визначають його інформативність.

Сукупність біогеоценозів із відносно схожими характеристиками (передусім — рослинністю), які займають значну територію й розвиваються в схожих кліматичних умовах, називають біомами. Сьогодні на нашій планеті виділяють близько 30 основних біомів.

Нескінченна взаємодія абіотичних факторів та живих організмів екосистеми супроводжується кругообігом речовин між біотопом та біоценозом у вигляді мінеральних та органічних з’єднань, котрі чергуються. Організми поглинають речовини, котрі потрібні для підтримання життєдіяльності, викидають мінеральні та органічні речовини в навколишнє середовище. У воді та атмосфері безперервно циркулюють хімічні елементи та речовини.

Кругообіг біогенних елементів обумовлений синтезом і розпадом органічних речовин в екосистемі. В основі цих процесів лежить реакція біотичного кругообігу речовин. Крім біогенних елементів в біотичний кругообіг залучені найважливіші для біоти мінеральні елементи і множина будь-яких сполук. Тому весь циклічний процес хімічних перетворень, обумовлених біотою, особливо коли мова йде про всю біосферу, звуть ще біогеохімічним кругообігом.

Існує три типи біогеохімічних кругообіги: кругообіг води, кругообіг елементів в газоподібній фазі, кругообіг елементів в осадовій фазі.

Для рівноваги в екосфері дуже велике значення має глобальна замкненість біотичного кругообігу. Кругообіг буде замкнений, коли існує точне рівняння сум прямих і зворотних витрат. Головними учасниками кругообігу є енергія, вуглець, азот, кисень, фосфор, вода.

Біосфера виступає взагалі як цілісна система. Найважливішою функцією біосфери є стійке підтримання життя, заснованого на безперервному кругообігу речовин, пов’язаному зі спрямованими потоками енергії. На рівні біосфери всі процеси поєднуються в єдину систему глобальної функції живої речовини. В цілому біосфера дуже схожа на єдиний гігантський супер-організм, у якому автоматично підтримується сталість фізико-хімічних і біологічних властивостей внутрішнього середовища. Крім енергетичних, хімічних і харчових зв’язків, величезну роль відіграють інформаційні зв’язки.

Біосферні зв’язки складалися протягом тривалого часу. Їх суть у біосфері надзвичайно складна і визначена практично тільки у загальних рисах. Неживою частиною біосфери керують продуценти. Продуцентами керують консументи. Діяльність останніх визначають зворотні зв’язки що йдуть від продуцентів.

Внаслідок здійснення біотичного кругообігу речовин у біосфері відбуваються такі процеси:

1. продуценти (автотрофи) в межах реалізації механізму фотосинтезу виробляють органічну речовину, споживаючи сонячну енергію, воду, вуглекислий газ і мінеральні солі. До продуцентів належать хлорофіловмісні рослини (їх близько 350 тис. видів, за масою становлять 2,4×10¹² тон), синьо-зелені водорості та деякі бактерії. Завдяки фотосинтезу рослини продукують кисень. При цьому близько 80 % кисню надходить в атмосферу при фотосинтезі океанського планктону і 20 % — від земних рослин. У спрощеному вигляді процес фотосинтезу можна подати такою схемою:

. (4.1)

Коефіцієнт корисної дії фотосинтезу, тобто відношення кількості енергії синтезованих органічних речовин до поглинутою сонячної енергії, у вищих рослинах сягає 15 %. Надмірна інтенсивність світла, як і його нестача, гальмує фотосинтез. Оптимальна для нього температура знаходиться в межах 1540 °С. Є також хемопродуценти, що виробляють органічну речовину використовуючи енергію хімічних реакцій (наприклад, окислення сполук заліза або сірки);

2. консументи (гетеротрофи) — організми що живляться органічною масою продуцентів. Консументи другого та третього порядків споживають інших консументів. До консументів першого порядку належать рослиноїдні тварини. До консументів другого і третього порядків належать хижаки і паразити, а також рослини- та гриби-хижаки. Їх близько 1,5 млн., за масою складають близько 2,3×10¹⁰ тон;

3. редуценти (деструктори) — мікроорганізми, що розкладають „мертву” органічну речовину продуцентів і консументів (трупи, рослинний опад), виділення тварин та інші залишки до простих хімічних сполук (води, вуглекислого газу та мінеральних речовин), які знову використовуються продуцентами, замикаючи таким чином кругообіг речовин у біосфері. Їх налічується 75 тис. видів, а сумарна маса дорівнює 1,8×10⁸ тон.

Основними факторами, що впливають на рослинний світ (крім світлового), є достатня температура, наявність високої концентрації СО₂, тривалість світлової доби. Тривалість світлової доби визначається як фотоперіодизм.

Стан екосистем та процеси енерго- та масообміну в них залежать від антропогенного впливу, оскільки приплив сонячної енергії до біосистем та механізм фотосинтезу істотно залежать від складу атмосфери, а кругообіг хімічних елементів та речовин в екосистемах також чутливий до антропогенного впливу на всіх їх стадіях. Проте екосистеми мають захисні властивості, котрі нівелюють наслідки стихійних лих. При цьому зруйновані екосистеми відновлюються або ж замість них формуються нові. Енергетичний рівень стихійних явищ в біосфері з плином часу змінюється неістотно, а антропогенний вплив невпинно зростає. Першим екологічно небезпечним здобутком людини був вогонь.

Розвиток сільського господарства забезпечив зростання маси їжі і зумовив зростання чисельності населення. Разом з тим сталися зміни у структурі початкового рослинного покриву, змінилися види тварин. Все це зумовило зміни та повне знищення деяких екосистем. Однак екосистеми періоду аграрної цивілізації зберігали здатність до регенерації, а науково-технічний прогрес призвів до зменшення різноманітності екосистем, накопичення відходів, котрі не мінералізувались деструкторами. В кругообіги почали вливатись штучні речовини, а це істотно порушило природні кругообіги речовин.