Законы функционирования экосистем

Открытие, знание и применение законов позволяет с большей долей разумности использовать природный потенциал, сохраняя при этом среду обитания в устойчивом пригодном для существования большинства видов планеты Земля, состоянии.

Закон минимума или закон Ю Либиха.Выносливость организма, определяемая самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. В соответствии с этим законом жизненные возможности организма лимитируют экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму. При дальнейшем их снижении происходит гибель организма или деструкция экосистемы.

Если когда-то Ю. Либих иллюстрировал закон минимума образом дырявой бочки, уровень жидкости в которой определяется ниже всех расположенной дырой, то противоположный по смыслу закон максимума можно иллюстрировать верхним срезом той же бочки — выше максимального объема бочки ее не наполнить. Если пытаться ее «растянуть», то она распадется на отдельные клепки и не сможет уже вместить никакой жидкости. Модель процессов в природе не столь механистична, но перенапряжение любой экосистемы в конечном итоге ведет к ее саморазрушению, как правило, отзывающемуся на нескольких ступенях иерархии взаимосвязанных природных систем.

Закон необратимости взаимодействия человек-биосфера.Возобновляемые природные ресурсы делаются невозобновляемыми в случаях глубокого изменения среды, значительной переэксплуатации, доходящей до поголовного уничтожения видов или крайнего истощения природных ресурсов, а потому превышающей возможности их восстановления.

Закон обратимости биосферы действует только в определенных рамках. Если внешнее воздействие превышает буферные возможности биосферы, то в силу вступает закон необратимости взаимодействия «человек-биосфера». Например, животные ресурсы являются возобновляемыми, однако известны примеры, когда в результате перепромысла некоторые их виды исчезли с лица Земли.

Закон обратимости биосферы.Биосфера стремиться к восстановлению экологического равновесия, тем сильнее, чем больше давление на нее. Это стремление продолжается до достижения экосистемами климаксовых фаз развития (Климакс относительно стабильное состояние биоценоза, экосистемы). Так, заброшенные сельскохозяйственные поля постепенно (путем сукцессии) возвращаются в состояние дикой природы.

Закон внутреннего динамического равновесия. Вещество, энергия, информация, динамические качества отдельных природных систем и их иерархии взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функционально-структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств систем, где эти изменения происходят, или в их иерархии.

Действие данного закона четко связано с однонаправленностью потока энергии. Именно ограниченность этого потока и специфические свойства формируют всю массу связей в экосистеме в их разнообразии. Именно поэтому и соблюдается экологический аналог законов сохранения массы и энергии. Справедливость закона внутреннего динамического равновесия доказывается всей практикой ведения хозяйства и особенно характером региональных экологических катастроф типа приаральской, азовской, волжско-каспийской и других. Этот закон - одна из основных путеводных нитей в управлении природопользованием. Игнорирование закона внутреннего динамического равновесия приводит к серьезным ошибкам в природопользовании.

Закон незаменимости биосферы.Биосфера представляет собой единственную систему, обеспечивающую устойчивость среды обитания. Существование человечества возможно только в системе биосферы.

Закон убывающей отдачи. Повышение удельного вложения в агроэкосистемы не дает адекватного пропорционального увеличения ее продуктивности. Этот закон стал азбучной истиной сельскохозяйственной экологии. Падение энергетической эффективности сельскохозяйственного производства общеизвестно. Например, среднее соотношение вложения энергии в производство и энергия урожая в сельском хозяйстве США в 1910 г. составляло 1:1, ас 1970-х гг. оно подошло к 10:1. Это явление связано с заменой ручного труда механическим и техническим, а естественного плодородия почв - искусственным. Кроме того, увеличение урожаев требует сдвига в соотношении экологических компонентов (подавления консументов и активизации продуцентов в экосистеме), что дается только значительным вложением энергии.

Закон «бумеранга» или закон обратной связи взаимодействия «человек-биосфера».Между природой и человеком существует постоянная обратная связь. Любые изменении в хозяйственной деятельности вызывают перемены в природе, которые в свою очередь заставляют изменять хозяйственную деятельность. Ход исторических изменений связей между природой и человеком приводил к одновременным переменам в природе и в формах хозяйствования. Формы хозяйства менялись вследствие тех затруднений, которые вызывались переменами в природе. В свою очередь перемены в хозяйстве вызывали цепные реакции в природе. То есть, любое воздействие человека на природу, как бумеранг, возвращалось к нему обратно.

По Б.Коммонеру, «глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничего не может быть выиграно или потеряно и которое не может являться объектом всеобщего улучшения: все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возвращено. Платежа по этому векселю нельзя избежать, он может быть только отстрочен».

Закон соответствия между развитием производительных сил и природно-ресурсным потенциалом общественного прогресса.Существует взаимная связь между природно-ресурсным потенциалом, производственными силами и производственными отношениями. Возникновение кризисных ситуаций при дисбалансе между выше названными составными частями этой системы приводят к серьезным повреждениям, восстанавливающим равновесие. Эта динамика, в конечном счете служит внешней причиной общественного развития.

Если проследить историю развитии человечества, то можно выделить несколько экологических кризисов, которые являлись толчками развития цивилизации. Так, 35-50 тыс. лет назад кризис обеднения ресурсов охоты и собирательства привел к биотехнической революции, а позднее к сельскохозяйственной революции. Кризис примитивного поливного земледелия привел ко второй сельскохозяйственной революции — широкому освоению неполивных земель и т.д. Современный экологический кризис наряду с чертами всех предшествующих, оказался кризисом редуцентов, которые не в состоянии разлагать весь состав загрязнителей, производимых человечеством (особенно тех, что не имеют природных аналогов), а потому и организмов для их утилизации и превращения в исходные химические элементы нет. Кроме этого, для современного экологического кризиса характерна угроза нехватки минеральных ресурсов. Данный кризис должен породить научно-техническую революцию, которая заставит использовать новые альтернативные источники энергии, и они, вероятно, будут более экологически безопасными по сравнению с современными. По прогнозам, следующим экологическим кризисом может стать глобальный кризис надежности экологических систем, что породит революцию экологического планирования.

Лекция 4,5 (4 часа) Учение В.И.Вернадского о биосфере – теоретическая база современной экологии. Понятие биосферы. Функции живого вещества в биосфере. Компоненты, границы и структура биосферы. Круговороты вещества в биосфере

Существование всех живых организмов неразрывно связано с окружающим миром или, говоря языком экологии, со средой обитания. В процессе своей жизнедеятельности не только взаимодействуют со средой, но и коренным образом преображают её. Поэтому в естествознании изучение жизни как целостного явления, связанного с окружающей природой, получило своё развитие в учении о биосфере.

Термин «биосфера» был введен австрийским геологом, профессором Венского университета Эдуардом Зюссом (1875) для обозначения оболочки Земли, образованной совокупностью живых организмов, оболочке, наполненной жизнью.

Роль и значение биосферы для развития жизни на нашей планете оказались настолько велики, что уже в первой трети XX в. возникло новое фундаментальное научное направление в естествознании — учение о биосфере, основоположником которого является выдающийся русский ученый В. И. Вернадский.

Согласно учению Владимира Ивановича В.И.Вернадского (1863-1945) биосфера представляет собой оболочку Земли, включающую как область распространения живого вещества, так и само это вещество. Биосфера возникла 3,4-4,5 млрд. лет назад и представляет собой не просто сочетание абиотической области распространения живого вещества, но и тесное их взаимодействие. Как живое вещество есть функция биосферы, так и биосфера есть результат развития живого вещества как планетарного явления, служащего могучей геологической силой, связанной с другим веществом биосферы биогенной миграцией атомов.

Живое органическое вещество рассматривается В.И. Вернадским в качестве носителя свободной энергии в биосфере. Таким образом, биосфера – это оболочка Земли, включающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхние слои литосферы, состав, структура и энергетика которых в значительной степени обусловлены прошлой и современной жизнедеятельностью живых организмов.

Два главных компонента биосферы – живые организмы и среда их обитания – постоянно взаимодействуют между собой, образуя целостную динамическую систему.

По В.И.Вернадскому, биосфера – это наружная оболочка земли, область существования живого вещества (совокупности всех живых организмов), включающая все живое вещество и взаимодействующие с ним элементы неживой природы.

Эта оболочка включает:

1. живое вещество – совокупность всех живых организмов;

2. биогенное вещество – созданное ранее в процессе геологической истории Земли и переработанное в процессе жизнедеятельности организмов (газы в атмосфере, уголь, нефть, газ, сланцы, торф, известняк и др.);

3. косное вещество – образующееся на планете без участия живых организмов (термальные воды, продукты вулканической деятельности, метеориты);

4. биокосное вещество – совместный результат жизнедеятельности живых организмов и неживой природы (почвы)

В.И. Вернадский в своем учение о биосфере особое место уделял живому существу.

Живое вещество – это совокупность всех форм жизни в биосфере.

Характеризуя его В.И. Вернадский отмечал, что живое вещество проявляется как физико-химическое единство. Такое единство в свойствах живого вещества Вернадский объесняет единством возникновения и развития жизни, в результате чего на нашей планете наблюдается не только родство всех многообразных живых организмов, но проявляется и их физико-химическое сродство. Единство действия живого вещества в биосфере, сформулированное В.И. Вернадским, считается одним из основных законов всего органического мира.

Другое важное обобщение, сделанное В.И. Вернадским и названное им «биогеохимический принцип», заключается в том, что в биосфере с помощью живого вещества постоянно совершается «биогенная миграция» химических элементов (атомов) из внешней среды в живое вещество и из живого вещества в окружающую среду. Организм выбирает из среды нужные ему элементы в виде соединений и атомы в виде изотопов. При этом биохимические процессы распадаются на два типа: одни связаны с питанием, дыханием, размножеиием организмов; другие – с разрушением тела отмерших организмов, т.е. с разрушением тела живого вещества и переходом его в косную материю. Эти два функционально разнокачественных типа живых организмов, характеризующих гетерогенность биосферы, являются важнейшими функциональными компонентами в структуре биосферы.

1. Несмотря на удивительную разницу форм и размеров живых организмов, живое обладает одним общим свойством – оно проявляется в биосфере как физико-химическое единство.

2. Все химические реакции в живом веществе, благодаря участию ферментов, протекают значительно быстрее, чем в других веществах планеты, и наоборот, химические реакции, протекающие в неживой материи очень быстро, в живых организмах идут намного медленнее. Химические реакции протекают в живых организмах с удивительной упорядочностью и в менее жестких условиях, чем вне их. Упорядочивающую роль в химических реакциях живого вещества выполняют преимущественно ферменты.

3. В возникающих химических связях живого вещества заключено огромное количество свободной энергии. Термином «свободная энергия» Вернадский называл солнечную энергию. Поэтому живое вещество выступает как «накопитель и трансформатор» лучистой энергии мирового пространства.

4. Живому веществу свойственна подвижность, обеспечивающая перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. С помощью движения живое вещество способно заполнить собой все возможное пространство путем «растекания живого» под «давлением жизни». В.И. Вернадский выделяет две формы движения живого вещества: пассивную – осуществляется путем роста и размножения организмов и активную – путем направленного перемещения организмов (животных, растений, бактерий, грибов и человека).

5. Живое вещество характеризуется значительно большим морфологическим и химическим разнообразием, чем любое косное вещество. Притом оно постоянно обновляется, так как благодаря размножению существует на земле в форме непрерывного чередования поколений.

6. Живое вещество, в отличие от косного, постоянно производит «геологическую работу», т.е. увеличивает биологическую массу и разнообразие форм жизни, изменяет среду обитания и тем преобразовывает физико-химические параметры биосферы. Вся масса осадочных пород – это результат «работы» живого вещества.

7. Живое вещество представлено в биосфере в виде дискретных тел – отдельных особей. Будучи дисперсным, живое вещество на Земле никогда не существует в виде обособленных организмов, а всегда представлено сообществами популяций разных видов (биоценозами), между которыми существуют различные взаимосвязи, важнейшими среди них выступают пищевые связи. Возникновение биоценозов идет в истории Земли одновременно с появлением живых организмов.

8. Характерным для живого вещества является способность к эволюционному процессу. В истории Земли появилось огромное количество разнообразных видов, способных существовать в тех или иных условиях биосферы. Путем эволюции у животных сформировались разные типы обмена веществ, способность создавать из неорганических органические вещества, способность их утилизировать и возвращать в косную среду. Разнообразие живых форм, отличающихся разным типом взаимодействия с внешней средой: одни из нее потребляют вещества, другие разлагают и выделяют в среду продукты жизнедеятельности, имеет большое значение в поддержании жизни как планетарного явления.

9. Специфические свойства живого вещества показывают, что в биосфере Земли нет другого вещества, более мощного и активного в геологическом отношении.

Все живое вещество нашей планеты приблизительно составляет 1/1000000 часть массы земной коры. Однако по активному воздействию на окружающую среду оно занимает особое место, поэтому биосфера качественно отличается от всех других оболочек земного шара.

Благодаря биотическому круговороту, живому веществу биосферы присущ ряд функций:

1. газовая

2. концентрационная

3. окислительно-восстановительная

4. биохимическая (геохимическая)

5. энергетическая

6. деструктивная .

7. транспортная

8. историческая

9. средообразующая и средорегулирующая

10. самовоспроизводящая

Границы биосферы определяются областью распространения живых организмов в атмосфере, гидросфере и литосфере. Особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Взаимодействие абиотической части биосферы — воздуха, воды и горных пород и органического вещества — биоты обусловило формирование почв и осадочных пород. Последние, по В. И. Вернадскому, несут на себе следы деятельности древних биосфер, существовавших в прошлые геологические эпохи.

В.И. Вернадский определил биосферу как термодинамическую оболочку с температурой от +50⁰С до -50⁰С и давлением около 1 атм. Биосфера, охватывающая весь земной шар, имеет определенные границы. Они определяются распространением живого вещества.

Живыми организмами освоены четыре среды жизни: водная, наземно-воздушная, почвенная и внутренняя среда самих организмов, каждый из которых является целым миром для населяющих его симбионтов и паразитов.

Главным компонентом и преобразующей силой в биосфере является живое вещество. Оно составляет по массе всего 0,01-0,02% от вещества биосферы, но играет ведущую роль в биогеохимических процессах благодаря непрерывно идущему обмену веществ. Живые организмы представлены примерно 500 тысячами видов растений и 1,5 млн. видов животных, среди которых 93% сухопутных и 7% водных (такое количество видов описано и систематизировано). Биомасса живых организмов на суше на 99% определена растительностью, и около 1% - животными и микроорганизмами. В океане на долю растений приходится 6,3% биомассы, на животных – 93,7%.

Верхняя граница биосферы проходит на высоте в 15-20 км. Лимитирующим фактором расселения микроорганизмов на такой высоте является нарастающая с высотой интенсивность ультрафиолетового излучения, и всё живое, попавшее выше озонового слоя, погибает. В гидросфере живые организмы проникают на всю глубину Мирового океана (до 11 км). В литосфере область распространения жизни определяется уровнем проникновения воды в жидком состоянии – т.е. до глубин 7,5-8 км. Некоторые бактерии обнаружены как в нефтяных скважинах на глубине 5-7 км, так и геотермальных источниках, где температура может превышать +90⁰С.

Таким образом, биосфера распространяется в гидросфере, верхних слоях литосферы и нижних слоях атмосферы. В ней наблюдается наибольшая концентрация живого вещества. Здесь самые благоприятные условия жизни – температура, влажность, содержание кислорода и химических элементов, необходимых для питания организмов, являются оптимальными. В остальной части биосферы живое вещество находится в разреженном состоянии.

Следует отметить, что четкая граница между литосферой, гидросферой и тропосферой (нижний слой атмосферы) отсутствует, т.к. в водах рек, например, всегда есть взвешенные твердые частицы и пузырьки воздуха, в которых обитают микроорганизмы.

Литосфера - земная кора, внешняя твердая оболочка Земли. Составляет 1,5 % от общего объема планеты и 0,8 % от ее массы. Толщина литосферы колеблется в пределах 50-200 км. Слой литосферы, состоящий из кремнезема и алюминия – «сиалитный слой», называют «земной корой». Она покрывает всю поверхность планеты и на материках, и под слоем гидросферы. Толща земной коры неоднородна: континентальная кора имеет толщу слоя от 70 до 25 км, океаническая кора -5-10 км. В биосферу входит лишь самый верхний слой земной коры (почва), толщиной от 15-20 см до 3-6 м. Почва образована в результате тесного взаимодействия гидросферы, литосферы, атмосферы и при активном участии живого вещества: растений, животных, грибов и бактерий. В почве происходит постоянный обмен веществом и энергией между всеми геосферами нашей планеты. В почве около 50% массы представлено твердой фазой, а остальные 50% представлены живым веществом, биогенными остатками, водой и газом. Преобладающей формой жизни в почве являются микроорганизмы, осуществляющие разложение органических остатков и образование гумуса.

Гидросфера – водная оболочка земли, включает в себя Мировой океан, поверхностные и грунтовые воды, ледники, снежный покров. Основной объем воды сосредоточен в Мировом океане – 94% всего объема гидросферы. Мировой океан занимает большую часть поверхности Земли – 70,8%.Отавшиеся 6% объема гидросферы распределены следующим образом: подземные воды – около 4%, ледяной и снежный покров – 1,6-1,7%, остальное – воды озер, рек, водохранилищ, болот, почв и пары воды в атмосфере.

В отличие от литосферы и атмосферы гидросфера полностью освоена живыми организмами. Даже на дне Мирового океана, на глубинах около 12 км, были обнаружены разнообразные виды живых существ (животные, бактерии). Однако основная масса видов обитает в гидросфере в пределах 150–200 м от поверхности. Это связано с тем, что до такой глубины проникает свет. А, следовательно, в более низких горизонтах невозможно существование растений и многих видов, зависящих в питании от растений. Распространение организмов на больших глубинах обеспечивается за счет постоянного «дождя» экскрементов, остатков мертвых организмов, падающих из верхних слоев, а также хищничества. Гидробионты обитают как в пресной, так и в соленой воде и по месту обитания делятся на 3 группы:

1) планктон — организмы, живущие на поверхности водоемов и пассивно передвигающиеся за счет движения воды;

2) нектон — активно передвигающиеся в толще воды;

3) бентос — организмы, обитающие на дне водоемов или зарывающиеся в ил.

В водной среде наблюдается преобладание животного населения над растительным – здесь более 90% биомассы приходится на долю животных. Гидрросфера – основной источник обеспечения жизни на Земле, в том числе – вода, животная пища, и создания благоприятных климатических условий на планете.

Вода – универсальный растворитель, на нашей планете играет ведущую роль в круговороте веществ. Считается, что жизнь зародилась в воде. Все функционирующие живые организмы состоят в основном из воды в жидкой фазе. В растениях содержится до 85- 95% воды, в организме человека – 57 – 66%.

Атмосфера – газовая воздушная оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести. Основные компоненты атмосферы: азот – 78,8% объема; кислород – 20,95%; аргон – 0,93%; углекислый газ – 0,03% и другие различные газы- 0,01%. В атмосфере кроме газов присутствуют частицы пыли и воды, находящиеся во взвешенном состоянии.

Нижняя граница атмосферы соприкасается с земной и водной поверхностями, а верхняя граница лежит примерно на высоте 3 тыс. км. В атмосфере различают ряд слоев в зависимости от высоты и характера изменений в них температуры. Самый нижний слой – тропосфера, в нем в основном формируется погода планеты. Величина тропосферы: до 9 км у полюсов и до 18 км у экватора. Вышележащие слои – стратосфера (до 50 км.), мезосфера (до 80 – 85 км.), ионосфера или термосфера (до 500 – 800 км.), экзосфера (свыше 800 км.).

В биосферу входит лишь тропосфера. Физическим пределом распространения жизни служит озоновый слой, который располагается на высоте около 8-35 км. Основное размещение живого мира сосредоточено в толще приземного слоя атмосферы, не более 50-70 м., хотя отдельные залеты птиц, насекомых и заносы бактерий и спор растений наблюдались и на значительных высотах (бактерии встречались даже на высоте 77 км).

В отличие от гидросферы, в атмосфере преобладающее место занимают растения с их автотрофным способом обмена.

Состояние атмосферы оказывает важное влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли. Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород атмосферы, необходимый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего органического вещества; углекислый газ, расходуемый на фотосинтез, а также озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения.

Взаимосвязь между тремя частями биосферы протекает прежде всего в форме различных круговоротов веществ и потоков энергии, реализуемых активным участием живого вещества.

Главная функция биосферы - обеспечение круговоротов различных химических элементов. Глобальный биотический круговорот осуществляется при участии всех населяющих планету организмов и заключается в циркуляции и трансформации вещества и энергии между компонентами геосреды (атмосферой, гидросферой и литосферой) и живыми организмами. Ежегодная продукция живого вещества оценивается в 230-240 млрд. тонн сухого органического вещества, половина из которого образуется в процессах фотосинтеза.