 |
Энергетическая классификация экосистем
|
|
|
|
В зависимости от источника энергии и степени энергетических субсидий Ю. Одум (1986) разделил существующие экосистемы на 4 типа.
Природные экосистемы, движимые Солнцеми несубсидируемые (например, открытые океаны, глубокие озера, высокогорные леса). Они получают мало энергии и имеют низкую продуктивность, но при этом занимают основные площади биосферы.
Природные экосистемы, движимые Солнцем и субсидируемые другими естественными источниками (например, эстуарии в приливных морях, некоторые дождевые леса, речные экосистемы). Помимо солнечного света они получают дополнительную энергию в виде дождя, ветра, органических веществ, минеральных элементов и т.д.
Экосистемы, движимые Солнцем и субсидируемые человеком (например, агроэкосистемы, аквакультуры). Дополнительная энергия поставляется в них человеком в виде горючего, органических минеральных удобрений, пестицидов, стимуляторов роста и т.п. Эти экосистемы производят продукты питания и другие материалы.
Индустриально-городские экосистемы, движимые топливом (например, города, пригороды, промышленные комплексы). Основным источником энергии служит не Солнце, а топливо. Эти экосистемы зависят от экосистем первых трех типов, паразитируют на них, получая продукты питания и топливо.
БИОСФЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ – МЕГАЭКОЛОГИЯ
10.1 Сущность и содержание биосферы
Термин “биосфера”, для обозначения геологических пластов населенных жизнью, был впервые введен австрийским геологом Э. Зюссом в 1875 г. Однако учение о биосфере “о сфере жизни” как биологической системе появилось в 20-е годы нынешнего столетия, автором его является русско - советский ученый В.И.Вернадский.
|
|
|
Биосфера — это та оболочка Земли, в которой существовали и существуют живые организмы и в образовании которой они играли и играют основную роль.
Биосферу В. И. Вернадский рассматривал как качественно своеобразную оболочку Земли, развитие которой в значительной мере определяется деятельностью живых организмов. Сущность его учения заключается в том, что высшая фаза развития материи на Земле — жизнь — опосредует другие планетарные процессы. “Можно без преувеличения утверждать, – пишет ученый, – что химическое состояние наружной коры нашей планеты, биосферы, всецело находится под влиянием жизни, определяется живыми организмами. Несомненно, что энергия, придающая биосфере ее обычный облик, имеет космическое происхождение. Она исходит из Солнца в форме лучистой энергии. Но именно живые организмы, совокупность жизни, превращают эту космическую лучистую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Это живые организмы, которые своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом, своей смертью и своим размножением, постоянным использованием своего вещества, а главное – длящейся сотни миллионов лет непрерывной сменой поколений, своим рождением и размножением порождают одно из грандиознейших планетных явлений, не существующих нигде, кроме “биосферы”. В. И. Вернадский, таким образом, рассматривает биосферу не как простую совокупность живых организмов, как единую термодинамическую оболочку (пространство), в которой сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды.
Биосфера имеет свои границы, обусловленные распространением жизни. Биосфера представляет собой гигантскую биологическую систему, включающую огромное разнообразие составляющих компонентов, охарактеризовать которые по отдельности крайне трудно. Биосфера охватывает сферу развития жизни, “живого вещества”, по выражению В. И. Вернадского, то окружающее Землю пространство, в котором живое вещество действует как геологическая сила, формирующая лик Земли. Этим определяются и границы биосферы. Они охватывают всю гидросферу, т. е. водную оболочку (до глубины 12 км) и нижний слой атмосферы высотой до 15 км. Нижняя граница биосферы в литосфере проходит, как считают, на глубине до 5 км. Однако надо отметиь еще раз что 99,98% активного и живого вещества планеты сосредоточено в очень тонком слое эубиосферы на суше толщиной не более 150 метров, а в Мировом океане только на материковом (прибрежном) шельфе не глубже 50 метров. Глубже 20 метров в литосфере, 50 метров в гидросфере и выше 100 метров в атмосфере биомасса живых организмов не превышает более 0, 02%.
|
|
|
Структура биосферы
С биоцентрической позиции, т.е. с точки зрения распространения живых организмов в пределах сфер Земли, выделяются: аэробиосфера, гидробиосфера и литобиосфера, объединенные в настоящую биосферу или эубиосферу.
Эубиосфера на суше очень тонкое образование — практически она заканчивается на высоте роста растений и глубине проникновения корней. Эубиосфера может доходить до высоты около 100 метров в самых высоких лесах, или не превышать высоты 40-50 сантиметров в пустынях. В глубину Земли эубиосфера распространяется чуть глубже распространения корней растений. Самые глубококорневые растения — верблюжья колючка и саксаул, корни которых не распространяются глубже 30 метров. Именно в эубиосфере живут и размножаются растения — продуценты первичной биологической энергии. Эти растения продуценты суши и океана, за счет очень высокой скорости накопления биомассы, при благоприятных условиях, определяют устойчивость биосферы в целом. Толщину эубиосферы на суше вряд ли можно представить толще 150 метров.
В эубиосфере сосредоточена основная часть активной биомассы около 99,8 %. И не более 0,02 % активной биомассы может находиться выше или ниже эубиосферы. Даже птицы поднимаются выше растений только во время перелетов. В остальное время они существуют на поверхности Земли (суше или воде).
Кроме того, существуют ряд понятий как артебиосфера, мегабиосфера, панбиосфера, метабиосфера, парабиосфера, гипобиосфера и другие.
|
|
|
Метабиосфера — слой литосферы, преобразованный жизнью (живым веществом или биогенными веществами), но в котором ныне живые организмы не присутствуют.
Гипобиосфера — слой литосферы, где живые организмы могут находиться в результате случайных причин и в состоянии временно существовать, но не могут нормально жить и размножаться.
Теллуробиосфера — нижняя часть литобиосферы, в пределах которой могут существовать лишь организмы-анаэробы и ниже которой расположена гипобиосфера.
Стратобиосфера — верхняя часть аэробиосферы, где теоретически еще могут постоянно существовать микроорганизмы, главным образом в виде живых спор. Выше в парабиосферу живые организмы попадают случайно. Стратобиосфера пространственно не совпадает со стратосферой и расположена на высотах 4-5 км.
Парабиосфера — слой атмосферы от 5 до 10 км, куда живые организмы попадают в результате случайных причин и где они могут очень кратковременно существовать, но не в состоянии нормально жить и размножаться.
Апобиосфера — высокие слои атмосферы (выше 10 км), в которые никогда (даже случайно) не поднимаются живые организмы и куда биогенные вещества заносятся в очень незначительном количестве.
Артебиосфера — слой биосферной колонизации в околоземном пространстве, т.е. тот слой, в котором летают искусственные спутники Земли.
Классификация различных видов биосфер, в упрощенной форме, схематично представлена на рисунке 1.
Таким образом, биоцентрический подход характеризует распространение живых организмов, и дает иную картину сфер Земли, которая не совпадает с геоцентрическим подходом выделения сфер.
10.3 Биросферные функции живого вещества
Живое вещество. В. И. Вернадский, разрабатывая учение о биосфере, ввел в науку понятие “живое вещество”. Под живым веществом понимается совокупность тел всех живых организмов, которые населяют нашу планету. Живое вещество представлено биомассой растений (включая наземную и подземную части), биомассой животных (включая насекомых) и биомассой бактерий.
|
|
|
Под биомассой понимают количество живого вещества растений, животных и микроорганизмов, находящегося в пределах биогеоценозов ландшафта, водоема, некоторой территории или акватории. Это одно из важнейших характеристик биоты ландшафта. Биомасса подсчитывается для всех организмов в целом, для растительности и животных, для отдельных частей фитоценоза (подземной и наземной) и микроорганизмов.
Количество биомассы связано с биологической продуктивностью количеством органического вещества, производимого организмами. Биомасса выражается единицами массы, отнесенной к единице пло щади (г/м2) или объема (г/м3). Биологическая продуктивность измеряется в единицах массы, времени и площади (кг/(га-год)) или объема.
Биопродуктивность определяется и как скорость, с которой энергия усваивается организмами, и измеряется в Дж/(cм2•гoд) или Дж/м2год).
В современную эпоху первичная продуктивность живых организмов определяется фотосинтезом автотрофных растений. Но в удержании и преобразовании энергетических ресурсов, создаваемых автотрофными растениями, участвует все живое вещество планеты. Общая масса живого вещества Земли, по расчетам В. И. Вернадского, исчисляется сотнями биллионов тонн и включает 500 тыс. видов растений и около 2 млн. видов животных.
Согласно подсчетам Суетовой И. А. (Марков К. К. и др., 1978) биомасса суши составляет 6,5 • 1012 т, биомасса океана-29,9 • 109 т, т. е. в 200 раз меньше биомассы суши. Причем, в океане больше масса животных (в 30 раз), чем масса растений, на суше масса растений составляет 98-99%, зоомасса - 1-2% всей биомассы; 95-99,5% биомассы суши приходится на беспозвоночных и растения. Сегодня нет данных о массе микроорганизмов Земли, но для суши она, как полагают, достигает многих миллиардов тонн. Несмотря на то, что биомасса океана меньше биомассы суши, биологическая продуктивность суши и океана равны. Объясняется это тем, что слой жизни океана состоит в основном из одноклеточных водорослей, которые обновляются ежедневно. Обновление биомассы суши происходит примерно за 15 лет. При этом травянистая растительность обновляется намного быстрее, чем древесная.
Вернадский считал, что главную преобразующую роль в биосфере играет живое вещество. Оно выполняет пять основных биосферных функций: 1) энергетическая функция – это способность живых организмов поглощать солнечную энергию, превращать ее в энергию химических связей и передавать по пищевым цепям. Благодаря этой функции постоянно идет восполнение потерь энергии в экосистемах и поддержание жизни в биосфере; 2) газовая функция – это способность живых организмов поддерживать постоянство газового состава биосферы в результате сбалансированности фотосинтеза и дыхания. 3) концентрационная функция — это способность живых организмов накапливать в своем теле определенные элементы окружающей среды, благодаря чему произошло перераспределение элементов в пределах биосферы и образовались полезные ископаемые; 4) окислительно-восстановительная функция — это способность живых организмов в ходе биохимических реакций изменять степень окисления элементов и создавать, таким образом, разнообразие соединений в природе, необходимое для поддержания разнообразия жизни в биосфере; 5) деструктивная функция — это способность живых организмов разлагать отмершее органическое вещество до биогенов, поглощаемых продуцентами, благодаря чему осуществляется круговорот вещества в биосфере, и жизнь может существовать бесконечно долго без поступления вещества из космоса.
|
|
|
Решающее значение в истории образования биосферы имело появление на Земле автотрофных растений. Это единственная группа организмов, способных синтезировать органические вещества из минерального. Хлорофиллсодержащие растения улавливают световую энергию и используют ее на осуществление реакций фотосинтеза. Фотосинтезирующие растения суши используют для построения органического вещества углекислоту воздуха, воду, минеральные вещества. В результате создаются богатые энергией органические вещества — первооснова существования и развития живого мира.
Из двух путей создания органического вещества, основанных на использовании световой энергии (фотосинтез) и химической (хемосинтез), только первый существен в продуцировании биомассы. Хемосинтез имеет важное значение для кругооборота азота и других процессов, но органической массы дает относительно небольшое количество.
Фотосинтез до работ В. И. Вернадского рассматривался лишь как собственно биологический процесс, как процесс самоподдержания жизни путем улавливания лучистой энергии Солнца. В. И. Вернадский показал, что благодаря фотосинтезу меняется весь облик Земли. В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно oбразует более 170 млрд. т органического вещества (около половины этого количества приходится на долю фотосинтеза растений морей и океанов). При этом они усваивают около 200 млрд. т СО2 и выделяя во внешнюю среду около 145 млрд. т свободного кислорода. Именно благодаря растениям на Земле началось бурное развитие различных форм жизни и активный обмен веществом и энергией между живой и неживой природой.
|
|
|
