Биосфера

Изучение  структуры вида имеет не только сугубо теоретическое, но и важное практическое значение, позволяющее осуществлять эффективное управление биосферными  процессами. В условиях современной  экологической ситуации, когда многие виды находятся на грани уничтожения, знание структуры и состава популяционно-видовой  формы организации жизни –  необходимое условие сохранения и форма существования видового разнообразия, как важнейшего фактора  стабильности биосферы.

Таким образом, биосфера выступает как сложная  динамическая система, включающая все  существующие биогеоценозы. Неоднородная по своему построению и отличающаяся разнообразием составляющих видов, она выступает как результат  совокупного развития природных  систем разной степени сложности, находящихся  в состоянии динамического равновесия. Это состояние – «это вечно  изменчивое, подвижное, в каждый данный момент меняющееся и никогда не возвращающееся к прежнему образу равновесия».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Формы и виды биосферы.

 

Высокий уровень дифференциации биосферы и наличие в ней разнородности  определяет исключительную стабильность ее организации. Эта разнородность  проявляется в системной совокупности ее важнейших форм и видов, среди  которых выделяются агрегатная, энергетическая, пространственная, зональная и другие.

Агрегатная неоднородность обусловлена  наличием различных состояний вещества – твердого, жидкого, газообразного, которые, постоянно взаимодействуют  между собой и зачастую, переходя друг в друга, определяют протекающие  в биосфере процессы. При неравномерном  поступлении космического излучения, в первую очередь солнечной энергии, эти процессы протекают по-разному. Солнечная энергия, поглощаемая  поверхностью Земли, превращается в  длинно – волновое излучение и  определяет температурный режим  атмосферы. Суммарная энергия, поступающая  на Землю от Солнца и уходящая от нее, радиационный баланс земной поверхности, идущий на нагревание атмосферы, испарение, теплообмен и тому подобное, атмосфера, состоящая в основном из кислорода  и азота, определяют характер протекания физических, химических и биологических  процессов и оказывают большое  влияние на процессы преобразования земной поверхности.

В.И. Вернадский неоднократно указывал на особо важную роль в строении биосферы физико-химической и геометрической разнородности, состоящей из живого и косного вещества, которые на протяжении всего геологического времени  резко разделены по своему генезису и строению. Между ними имеется  постоянная никогда не прекращающаяся связь в виде непрерывного биогенного тока атомов из живого вещества в косное вещество биосферы. Как отмечает В.И. Абакумов, механизмы химической регуляции  обеспечивают относительное постоянство  химического состава и физико-химических свойств внутри сферы биосферы.

Неравномерность поглощения солнечной  энергии растительным покровом земной поверхности, а также не одинаковостью  соотношения энергии и вещества в различных компонентах биосферы определяют ее энергетическую однородность. Энергетические процессы в биосфере – необходимое условие существования  жизни, адаптации живых организмов, ибо только за счет наличия свободной  энергии может существовать любая  живая система. Постоянный приток энергии  из окружающей среды определяет все  многообразие жизни, причем в ходе эволюции происходит нарастание потребление  энергии. Преимущества в ходе эволюции живой природы получают те организмы, которые более эффективно используют энергию и вещество.

Структурная организация жизни  позволяет выявить ее фундаментальную  способность, связанную с использованием энергии на различных уровнях  организации. Установлено, что с  повышением уровня биологической интеграции эффективность использования энергии  резко уменьшается. Высокий процент  потребления энергии на клеточном  уровне обуславливает надежность ее воспроизведения и сохранения.

Количество энергии не одинаково  не только на различных уровнях организации  живого, но и при переходе с одного трофического уровня на другой. Часть  энергии теряется во время превращения  ткани жертвы в ткани хищника, а ее значительная часть вообще не ассимилируется. Эффективность использования  энергии может быть ослаблена  выработкой жертвы специфических средств  защиты. Помимо этого каждый трофический  уровень использует часть поступающей  энергии на собственные нужды. Наконец  значительная часть энергии рассеивается в пространстве в виде тепла. Подсчитано что на любой трофический уровень  поступает примерно 10 – 20% энергии  предыдущего уровня. Вследствие этого  численность животных высших уровней  значительно ниже, чем животных низших уровней.

Каждое сообщество имеет определенную трофическую структуру, сложившуюся  в результате взаимодействия энергетических явлений в пищевых цепях. Согласно Одуму, трофическая структура выражается продуктивностью на единицу площади, либо качеством энергии фиксируемой  на единице площади в единицу  времени на последовательных трофических  уровнях. Последние связаны между  собой зависимостями, образующимися  рядом элементарных связей в виде цепочки. Образующиеся при этом в  экосистеме пищевые цепи имеют весьма сложный состав. Простейшие из них  – продуценты, первичные консументы (травоядные животные, насекомые), вторичные  консументы (плотоядные животные, к  которым примыкают деструктуры). Трофические зависимости также  сложны по составу и исключают  целый ряд длинных «цепей питания». В их основе лежат растительные источники  пищи. Низшие звенья обычно состоят  из многочисленных мелких растительных форм, высшие – из немногих крупных  хищников. Цепи питания, как правило, не замкнуты. Они взаимодействуют  с другими цепями в качестве одного и того же биогеоценоза.

Графически трофическая структура  и функции сообщества изображаются в виде экологической пирамиды,  в основании которой лежат  продуценты, а последующие уровни образуют этажи и вершину пирамиды. Одум выделяет три основных вида пирамид: пирамиды чисел, отражающая численность  организмов; пирамида биомассы, выражающая общий сухой вес, калорийность или  другую величину живого вещества; пирамида энергии, характеризующая величину потока энергии продуктивность на последовательных трофических уровнях.

Экологические пирамиды позволяют  выявить количественные отношения  в отдельных частях экосистемы и  получить интересные сведения о составе  и функционировании экосистем.

Наличие свойства энергетической неоднородности биосферы способствуют обеспечению  ее стабильности в условиях резко  изменяющихся факторов внешней среды.

Пространственная и зональная  неоднородности выражают соответственно неравномерность распределения  вещества в биосфере и не одинаковое распределение жизни по широтным зонам. Наконец геохимическая разнородность  обнаруживается в ассиметричном  распределении атомов химических соединений в земной коре.

Отмеченные виды неоднородности в  строении биосферы глубоко взаимосвязаны  между собой и объединяют все  основные формы движения материи  и уровни ее организации.  Взаимодействие компонентов биосферы – необходимое  условие обеспечения ее стабильности, ведущее к усложнению организованности жизни в целом. В частности, важным этапом в эволюции биосферы было появление  многоклеточных организмов, поскольку  оно означало переход на новый  уровень организации биосферы. Эти  биосистемы, более совершенные по сравнению с низшими факторами  жизни, избавились от конкуренции с  ними и обеспечили себе необходимые  условия для дальнейшего прогрессивного развития.

  

     

 

2.3 Возникновение и эволюция  биосферы.

 

Современная структура биосферы сформировалась не сразу.  Доказательств развития биосферы не мало. В древнейшие архейскую и протерозойскую эры жизнь была представлена самыми примитивными неизменными формами. Эрой палеозоя называют геологическое время, когда уже существовали разнообразные организмы в море, а на суше появилась развитая растительность. В мезозойскую эру на Земле пышно развивалась высшая растительность. Сушу заселили крупные пресмыкающиеся: динозавры, летающие ящеры и другие представители зарождающейся фауны. В кайнозое появилась разнообразная растительность, из которой развилась современная. Среди животного населения сформировались его высшие представители – млекопитающие. Во второй половине кайнозоя появился и предок современного человека. Основные компоненты среды, необходимые для возникновения и существования жизни – это кислород, вода, углекислый газ. Кислород необходим для дыхания живых организмов, поэтому от его количества в атмосфере зависит общая масса организмов. Согласно Вернадскому, кислород появился в атмосфере в результате фито синтеза растений. Вместе с тем, жизнь на Земле должна была изначально возникнуть в бескислородных условиях. Она возникла под действием ультрафиолетовой радиации из компонентов первичной атмосферы – водяного пара, водорода, аммиака и метана. Это были первые органические соединения. Этот этап возникновения жизни нередко образно называют этапом образования «первичного бульона». Именно органические вещества, накопившиеся в гидросфере, должны были, служит не только материалом для создания первых организмов, но и необходимой питательной средой для них. Предполагается что органические соединения,  рассеянные в воде в результате бесчисленных взаимодействий друг с другом, привели, в конце концов, к возникновению специфических соединений органического вещества. Эти скопления могли не только длительное время существовать, но и расти, а затем, постоянно обмениваясь веществом с окружающей средой, делиться на части себе подобные, также способные к обмену, росту и дальнейшему делению. Момент, когда какая – то совокупность сложных органических молекул и связанной с ними воды приобрела способность расти за счет поглощения и усвоения органического вещества из окружающей среды и размножаться, капля сложного органического вещества превратилась в живое существо.

Но это лишь одна из наиболее возможных  схем пути развития возникшей на Земле  жизни. В действительности все могло  быть иначе. В частности нельзя с  полной уверенностью утверждать, что  жизнь могла возникнуть на самой  Земле. Она могла быть принесена  в виде каких – то простейших организмов с метеоритным веществом  из космоса в то время, когда еще  не существовало сколько – нибудь плотной атмосферы.

Каким бы путем не возникла на Земле  жизнь, можно предположить, что даже появление в древнем океане одного жизнеспособного организма могло  привести к практически мгновенному  в масштабе геологического времени  распространению жизни на громадные  пространства планеты. Ведь у живых  организмов, не было ни каких соперников, а пищи – много.

Интересные соображения в пользу возможности происхождения всех ныне живущих организмов от одного общего предка высказал Холдейн. Известно, что только биогенные вещества вызывают вращение плоскости поляризации  света и что большинство молекул, из которых построены живые организмы, ассиметричны. Однако, как подчеркивал  Холдейн, из двух возможных типов  такой молекулы, являющихся зеркальными  отражениями друг друга, на Земле  присутствует только один. Поэтому  биогенные органические вещества и  вращают плоскость популяризации  света всегда в одну сторону. В  природе не обнаружено ничего такого, что препятствовало бы существованию  зеркально – симметричных молекул.

Принято считать, что древняя атмосфера  во время возникновения жизни  на Земле практически не содержала  свободного кислорода и в ней  господствовали восстановительные  условия. Вероятно, кислород возникал в небольших количествах, поэтому  очевидно, что первые организмы получали необходимую для своей жизнедеятельности  энергию не за счет окисления, а за счет брожения, на основе использования  веществ «первичного бульона».

Первые организмы были не только анаэробами, но и гетеротрофными, и  полностью зависимы от запаса органических веществ, которые находились в среде  их обитания. Но в процессе эволюции простейших организмов какой – то организм за счет лучистой энергии  Солнца осуществил в своем теле синтез органического вещества. Появился первый автотрофный организм, родоначальник  фотосинтезирующих растений, а именно фотосинтез – двигатель органических процессов.

Автотрофные организмы в свое время  практически мгновенно распространились на все пространство возможного обитания. Роль фотосинтезирующих растений уже  на раннем этапе обитания была значительной. Основным результатом их жизнедеятельности  было выделение громадных масс кислорода.

Увеличение размеров суши, а параллельно  и возрастание глубин в океанах  приводили к увеличению контрастности  в количественном распределении  живого вещества. На значительных глубинах в океанах не могли обитать  фотосинтезирующие растения. Следовательно, пленка жизни должна была иметь сгущения особенно вблизи крупных массивов суши. Именно в этих местах накапливалось  органическое вещество, образовывая  толстые слои осадочных пород, и  таким образом небольшие участки  суши постепенно превращались в материки, которые увеличивались в размерах. Вот основные факторы возникновения  жизни и биосферы.

Благодаря развитию биосферы Земля  постепенно приобрела всевозможные цвета и оттенки. Живое вещество не только является главным и необходимым  компонентом биосферы, определяющим ее развитие, но и наиболее изменчивой и быстро эволюционирующей составной  частью земной коры.

 

2.4 Биосфера и космические  циклы.

 

Исходной основой существования  биосферы и происходящих в ней  биогеохимических процессов является астрономическое положение нашей  планеты, в первую очередь от Солнца и наклон земной оси к плоскости  земной орбиты. Это пространственное расположение Земли в основном определяет климат на планете, а последний в  свою очередь – жизненные циклы  всех существующих на ней организмов.

Биосфера получает из космоса потоки космической энергии. Используя  ее, живое вещество преобразует планету. Само образование биосферы, в том числе и происхождение жизни на Земле, является результатом действия этих космических сил, важнейшего фактора функционирования биосферы. Космические излучения и прежде всего энергия Солнца, оказывают постоянное действие на все явления на Земле. Основатель геобиологии А.Л. Чижевский особенно много занимался изучением солнечно – земных связей. Он отмечал, что самые разнообразные процессы и явления на Земле происходят непосредственно под воздействием Солнца. Солнце является основным источником энергии, причиной всего на Земле от атмосферных явлений, роста растений до умственной деятельности человека.

Связь между циклами солнечной  активности и процессами в биосфере была замечена в XVIII веке. Тогда английский астроном Гершель обратил внимание на связь между урожаями пшеницы и числом солнечных пятен. В конце XIX века профессор Одесского университета Ф.Н. Шведов, изучая срез ствола столетней акации, обнаружил, что толщина годичных колец изменяется каждые одиннадцать лет, как бы повторяя цикличность солнечной активности. Обобщив опыт предшественников, А.Л. Чижевский подвел под эти эмпирические данные научную базу. По его мнению, Солнце определяет ритм большинства биологических процессов на Земле. Когда на нем образуется много пятен, появляются хромосферные вспышки и усиливается яркость короны, на нашей планете развиваются эпидемии, усиливается рост деревьев, особенно сильно размножаются вредители сельского хозяйства и микроорганизмы. Вся живая природа чутко реагирует на сезонные изменения окружающей температуры, интенсивность солнечного излучения – весной покрываются листвой деревья, осенью листва опадает, затухают обменные процессы, многие животные впадают в спячку и так далее. Человек не является исключением. На протяжении года меняется интенсивность обмена, состав клеток, тканей.