Каждая экосистема характеризуется присущей ей совокупностью свойств и структурой.С точки зрения структуры в экосистеме выделяют:
1) Климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды.
2) Неорганические вещества, включающиеся в круговорот.
3) Органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии.
4) Продуценты - автотрофные организмы, создающие первичную продукцию.
5) Консументы - гетеротрофы, поедающие другие организмы (хищные) или крупные частицы органического вещества.
6) Редуценты - гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот.
Последние три компонента формируют биомассу экосистемы.С точки зрения функционирования экосистемы выделяют следующие функциональные блоки организмов (помимо автотрофов):
1) Биофаги - организмы, поедающие других живых организмов.
2) Сапрофаги - организмы, поедающие мёртвое органическое вещество.
Данное разделение по типу питания обеспечивает круговорот биовещества в экосистеме. Между отмиранием органического вещества и повторным включением его составляющих в круговорот вещества в экосистеме может пройти существенный промежуток времени, например, в случае соснового бревна, 100 и более лет.Все эти компоненты взаимосвязаны в пространстве и времени и образуют единую структурно-функциональную систему.
Среди составляющих также выделяют экотоп, климатоп, эдафотоп, биотоп и биоценоз.
Экотоп - территория (или акватория) местообитания организмов, характеризующееся определённым сочетанием экологических условий: почв, грунтов, микроклимата и т.д., при этом не измененная деятельностью организмов (новообразованные формы рельефа).
Климатоп - воздушная (или водная) часть экосистемы, отличающаяся от окружающей своим составом, воздушным (водным) режимом, влажностью (соленостью) и / или другими параметрами.
Эдафотоп - почва, как часть среды преобразуемой организмами.
Биотоп - преобразованный биотойэкотоп или, более точно, участок территории, однородный по условиям жизни для определённых видов растений или животных, или же для формирования определённого биоценоза [11,с.33].
Биоценоз - исторически сложившаяся совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма (биотоп). Биоценозы ограничиваются распределением детерминантов (определителей) зооценозов (консорций - популяций растений вместе с сопровождающими их организмами), в которых доминирующие виды растений создают условия для жизни других организмов.
1.3 Круговорот вещества в биосфере
Земля отличается от других планет тем, что её биосфера содержит вещество, чувствительное к потоку солнечного излучения - хлорофилл. Именно хлорофилл обеспечивает преобразование электромагнитной энергии солнечного излучения в химическую энергию, с помощью которой идет процесс восстановления окислов углерода и азота в реакциях биосинтеза.
В зеленом растении происходит фотосинтез - процесс образования углеводов из воды и двуокиси кислорода (которая находится в воздухе или воде). При этом в качестве побочного продукта выделяется кислород. Зеленые растения относят к автотрофам - организмам, которые берут все нужные им для жизни химические элементы из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых органических соединений другого организма.
Гетеротрофы - это организмы, которые нуждаются для своего питания в органическом веществе, образованном другими организмами. Гетеротрофы постепенно преобразуют органическое вещество, образованное автотрофами, доводя его до первоначального - минерального - состояния.
Деструктивная (разрушающая) функция совершается представителями каждого из царств живого вещества. Распад, разложение - неотъемлемое свойство обмена веществ каждого живого организма. Растения образуют органические вещества и являются крупнейшими производителями углеводов на Земле, но они же выделяют и необходимый для жизни кислород как побочный продукт фотосинтеза.
В процессе дыхания в телах всех видов живого образуется углекислый газ, который растения вновь используют для фотосинтеза. Существуют и такие виды живого, для которых разрушение отмершего органического вещества являются способом питания. Существуют организмы со смешанным типом питания, их называют миксотрофами [5,с.91].
В биосфере происходят процессы преобразования неорганического, косного вещества в органическое и обратной перестройки органических веществ в минеральные. Движение и преобразование веществ в биосфере осуществляется при непосредственном участии живого вещества, все виды которого специализировались на различных способах питания.Конечное количество вещества, которое есть в биосфере, приобрело свойство бесконечности через круговорот веществ. Все компоненты биосферы взаимодействуют друг с другом (рисунок 1.6), обеспечивая устойчивость системы.В ходе биогеохимических циклов атомы большинства химических элементов проходили бесчисленное количество раз через живое существо.
Например, весь кислород атмосферы «оборачивается» через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ - за 200-300 лет, а вся вода биосферы - за 2 млн. лет.Живое вещество является совершенным приемником солнечной энергии. Энергия, поглощенная и использованная в реакции фотосинтеза, а затем запасенная в виде химической энергии углеводов, очень велика, есть сведения, что она сопоставима с энергией, которую потребляют 100 тысяч больших городов в течение 100 лет.
Рисунок 1.6 - Экологические компоненты
Гетеротрофы используют органическое вещество растений, как пищу: органика окисляется кислородом, который доставляют в организм органы дыхания, с образованием углекислого газа - реакция идет в обратном направлении.
Таким образом, «вечной» делает жизнь одновременное существование автотрофов и гетеротрофов.Факты и рассуждения о «колесе жизни» в биосфере дают право говорить о законе биогенной миграции атомов, который сформулировал В.И. Вернадский: миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое сейчас населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории.Живое вещество разных царств и разного рода обеспечивает непрерывный круговорот веществ и преобразование энергии. Тем самым обнаруживается закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского: в биосфере миграция химических элементов происходит при обязательном непосредственном участии живых организмов. Биогенная миграция атомов обеспечивает непрерывность жизни в биосфере при конечном количестве вещества и постоянном притоке энергии.
Все вышеперечисленные аспекты определяют понятие, что биосфера является глобальной экосистемой. Экосистемой, как уже было рассмотрено выше, является система взаимодействия живых организмов и среды их обитания. Экосистемы бывают различных уровней сложности и размеров. Меньшие экосистемы входят в состав более крупных, те - в свою очередь в еще более крупные. Макроэкосистемы (материки, океаны и т.д.) формируют глобальную экосистему - Биосферу.
Для биосферы характерен круговорот энергии, обусловленный разными трофическими ролями продуцентов, консументов и редуцентов. Это один из ключевых признаков экосистемы, который обеспечивает стабильность экосистемы.Для биосферы характерны все свойства экосистем:
ѕ биосфера включает в себя живые организмы, населяющие Землю, а также среду их обитания: океаны, сушу, атмосферу;
ѕ в биосфере существуют круговороты вещества: большой (океан-суша) и малый (живое - косное вещество);
ѕ в биосфере присутствуют все три участника трофической цепи: продуценты, представленные автотрофами; консументы (гетеротрофные организмы), и редуценты (гетеротрофные организмы, разлагающие органическое вещество);
ѕ биосфера, как экосистема, обладает стабильностью, и потенциально бессмертна, пока существуют продуценты. Среди всех экосистем биосфера, как самая крупная, обладает наибольшей стабильностью.
Исходя из этого, биосфере является экосистемой. Так как биосфера объединяет в себе все экосистемы на планете, то ее называют «глобальной» экосистемой.
2 Возникновение и развитие биосферы
2.1 История развития биосферы
Биосфера не развивалась равномерно на всем протяжении истории Земли. Наибольшее ее влияние на формирование внешнего облика планеты стало заметно лишь в последние 600-700 млн. лет, когда с заселением материков резко возросла роль фотосинтеза, что привело к многократному увеличению доли кислорода в древней атмосфере.
В развитии биосферы условно можно выделить несколько этапов, каждый из которых отмечен важным прогрессивным продвижением; которые в конце привели к образованию современного состояния биосферы (рисунок 2.1).
Большинство гипотез о происхождении жизни на Земле предполагают, что долгое время после формирования пригодной для выживания живых организмов температурной среды, планета была безжизненной. В это время на ее поверхности, в атмосфере и океане под действием коротковолнового солнечного изучения происходил медленный абиогенный синтез органических соединений (метан, водород, аммиак, водяной пар), который привел к формированию первых, самых примитивных организмов. Длительность этапа оценивается не менее чем в 1 млрд. лет. Данный этап исторические называют хемогенез (химическая эволюция).
Биогенез. Ключевым фактором, обусловившим появление сложных организмов из простых, стало насыщение атмосферы кислородом, который по мере увеличения концентрации в верхних слоях атмосферы, под действием ультрафиолетового излучения образовывал газ озон, имевший свойство задерживать коротковолновую радиацию, губительную для жизненных форм.
На начальных этапах биогенеза концентрация кислорода составляла не более 0,1% от современного; изменение атмосферы началось приблизительно 2 млрд. лет назад, когда появились первые фотосинтезирующие организмы (очевидно, это были сине-зеленые водоросли - прокариоты) [8,с.19], а значительное увеличение доли кислорода началось около 1,5 млрд. лет назад вместе с появлением хлорофилловых клеток, поглощающих углекислый газ и выделяющих кислород в больших объемах. Около 600 млн. лет назад произошло еще одно резкое увеличение доли кислорода в атмосфере (с 3% от современного значения 700 млн. лет назад до 50% - в меловом периоде 140 млн. лет назад). Причиной этого стал выход и расселение по материкам сначала низших, затем высших автотрофов.
Социогенез. Появление человека и его расселение по планете (1,5 - 3 млн. лет назад).
Техногенез. Биосфера сильно подверглась изменению в период активного формирования технической оболочки - техногенных и природно-технических комплексов (результатов производственной деятельности), которой окружил себя человек. Начало этапа связано с появлением 10-15 тыс. лет назад городских поселений.
Ноогенез. Последняя, высшая стадия развития биосферы, связанная прежде всего с превращением одностороннего использования природных ресурсов (характерно для техногенеза) в разумно-управляемую социально-природную систему (ноосферу). Ее особенностью является взаимополезное взаимодействие природы и человеческого сообщества, где человеческая деятельность становится определяющим фактором глобального развития, в частности внешнего облика окружающей его среды [12,с.88]. При этом, так как человечество может существовать только в благоприятном для жизни слое - биосфере, то основной целью построения ноосферы является сохранение того типа биосферы, который обеспечивает выживание и развитие человека и его взаимодействия с окружающей средой. Термин впервые введен и описан советским ученым В. Вернадским.
2.2 Учение о биосфере. История изучения биосферы
Современное понимание термина «биосфера» и выделение ее, как области распространения живого вещества возможно благодаря трудам Ж.-Б. Ламарка, Э. Зюсса, В. Вернадского и других ученых, благодаря которым биосфера стала центральным объектом изучения новой науки - экологии. Изучение биосферы и планирование ее будущего развития не может отделяться от изучения истории ее становления [6,с.28].
«Биосфера» как понятие, отражающее область распространения живых организмов, впервые ввел в своих работах французский натуралист Ж.-Б. Ламарк (1802). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.
Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. Однако в то время быстрое расслоение наук о природе привело к тому, что термин не прижился. Только спустя более 70 лет, в 1875 австрийский геолог Э. Зюсс вновь упомянул этот термин. Первоначально под «биосферой» подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина «биосфера» Э. Зюсс в своей книге «Лик Земли», опубликованной спустя тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли», а третье и окончательное возрождение понятия стало возможным благодаря советскому геологу В.И. Вернадскому, создавшему в 20-хгодах XX века современное учение о биосфере (1926). Должного внимания научному труду Вернадского сначала оказано не было, но после Второй Мировой Войны последствия радиоактивного и химического загрязнения воздуха, воды и почв заставило ученых вернуться к исследованиям Вернадского.