Биосфера (греч. bios жизнь, sphaira шар, сфера) сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. По новейшим данным, масса Земли составляет 6*1021 т, объем 1,083*1012 км3, площадь поверхности 510,2 млн. км2. Размеры, а следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены. Наша планета имеет неоднородное строение и со­стоит из концентрических оболочек (геосфер) внутренних и внешних. К внутренним относятся ядро, мантия, а к внешним литосфера (земная кора), гид­ росфера, атмосфера и сложная оболочка Земли биосфера.

Атмосфера (греч. «атмос» пар). Наиболее легкая оболочка Земли, граничащая с космическим пространством, масса которой составляет 5,15*1015т. Через нее осуществляется обмен веществ нашей планеты с Космосом. Атмосфера пронизывается насквозь излучением Солнца (кроме жесткого излучения, задерживаемого озоновым слоем и обеспечивающим развитие живых организмов). Именно Солнце определяет энергетический режим поверхности планеты и живого вещества на Земле. Большая часть массы атмосферы состоит из азота (78,08%), кислорода (20,95%) и инертного газа аргона (0,93%). На долю углекислого газа приходится всего 0,034%. Следовательно, в целом атмосфера Земли является аргоново – кислородно - азотной. На долю остальных газов приходится менее 0,01% объема. Это инертные газы, метан, диоксид азота, лары воды, водород, гелий, озон. И все же одним из важнейших компонентов атмосферы является озон. Его образование и разложение связано с поглощением ультрафиолетовой радиации Солнца, которая губительна для живых организмов: Основная масса озона располагается на высотах км с максимальной ее концентрацией на высоте км. Озоновый слой «экран» имеет исключительно важное значение для сохранения жизни на Земле.

Гидросфера {греч. «гидора» вода) водная оболочка Земли. Вода в силу своей подвижности, способности универсального растворителя проникает в различные природные образования, неся с собой жизнь. Она находится в виде паров и облаков в земной атмосфере, формирует океаны, моря, реки, озера, существует в замороженном состоянии в высокоширотных и высокогорных районах, включая многолетнюю мерзлоту, проникающую в глубь земли на несколько сот метров.

Литосфера (от греч. «литое» камень) каменная оболочка Земли, включающая земную кору мощностью (толщиной) от 6 (под океанами) до 80 км (гор­ные системы). Доля различных горных пород в земной коре не одинакова более 70% приходится на базальты, граниты и другие магматические породы, около 17% на преобразованные давлением и высокой температурой породы и лишь чуть больше 12% на осадочные. Возраст литосферы 4,1 млрд. лет. В земной коре наиболее распространенными элементами являются кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий, углерод, сера. На долю этих элементов приходится более 99% вещества. Кислород составляет около 47,3% от общей массы земной коры, или 92% ее объема. Живое вещество биосферы занимает ничтожную часть объема земного шара, однако история его образования захватывает громадный интервал времени. И хотя живое вещество по своей массе составляет нич­тожную долю по сравнению с любой из оболочек Земли, оно проникает почти во всю толщу атмосферы и гидросферы, в твердую оболочку Земли до нескольких тысяч метров.

ЭКОСИСТЕМЫ: ТИПЫ И СОСТАВЛЯЮЩИЕ. Основополагающим объектом изучения экологии является взаимодействие пяти уровней организации материи: живые организмы, популяции, сообщества, экосистемы и экосфера.

Живой организм это любая форма жизнедеятельности. Все организмы подразделяются на три царства: растения, животные и деструкторы редуценты. Размеры растений варьируют от микроскопических одноклеточных плавающих растений, известных как фитопланктон, до самых больших из всех живых организмов произрастающих в западной части Северной Америки деревьев секвойя. Размеры животных могут изменяться от размеров мельчайшего плавающего зоопланктона до размеров 4-метрового африканского слона и 30-метрового голубого кита. Размеры деструкторов варьируют от микроскопических бактерий до грибов. Популяция группа организмов одного вида, проживающих в определенном районе. Примерами популяций являются все окуни в пруду, белки обыкновенные или дубы белые в лесах, население в отдельной стране или население Земли в целом. Популяции это динамичные группы организмов, адаптирующиеся к изменениям условий окружающей среды путем изменения своих размеров, распределения возрастных групп (возрастной структуры), генетического состава.

Экосистема взаимосвязь сообществ с химическими и физическими факторами, создающими неживую окружающую среду. Это вечно меняющаяся (динамичная) сеть биологических, химических и физических взаимодействий, которые поддерживают жизнеспособность сообществ и помогают им приспосабливаться к изменениям условии, окружающей среды. Все экосистемы Земли составляют экосферу.

ТРИ ГРУППЫ ПРИРОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ

Биотические компоненты экосистемы основные тины организмов, которые формируют живые компоненты экосистемы. Их принято подразделять на продуцентов, консументов и редуцентов. Это разделение базируется на преобладающем способе питания организмов. Прежде всего все организмы делятся на две большие группы автотрофов и гетеротрофов.

Автотрофные организмы используют неорганические источники для своего существования, тем самым создавая органическую материю из неорганической. К таким организмам относятся фотосинтезирующие зеленые растения суши и водной среды, сине-зеленые водоросли, некоторые хемосинтезиругощие бактерии и др. Это замечательные химические фабрики. Используя энергию света, они из углекислого газа и воды синтезируют глюкозу, выделяя в качестве по­ бочного продукта кислород. Окисляя часть глюкозы для получения дополнительной химической энергии, из остальной глюкозы и извлекаемых из почвы биогенов они образуют другие сложные органические молекулы и все ткани растений, за счет которых и растут

Продуценты («самопитающиеся») организмы, производящие органические соединения, используемые ими как источник энергии и питательных веществ, а также производители продукции, которой потом питаются все остальные организмы; это наземные зеленые растения, производящие органические вещества из неорганических. Консументы - потребители органических веществ. Б зависимости от источников питания консументы подразделяются на три основных класса; фитофаги (растительноядные) это консументы первого.порядка, питающиеся исключительно живыми растениями (либо целиком, либо их отдельными органами). Например, птицы едят семена, почки и листву. Олени и зайцы питаются ветками и листьями. Кузнечики и многие другие виды насекомых потребляют все части растений; хищники (плотоядные) это консументы 2-го порядка, которые питаются исключительно растительноядными животными (фитофагами), а также консу­менты 3-го порядка, питающиеся только плотоядными животными. Пауки и птицы, поедающие хищных насекомых, и тунец, питающийся сельдью, являются вто­ричными консументами. Ястреб или сокол, охотящие­ся на змей и горностаев, а также акула, питающаяся другими рыбами, относятся к третичным консументам; эврифаги (всеядные)- которые могут поедать как растительную, так и животную пищу. Примерами явля­ются свиньи, крысы, лисы, тараканы, а также человек.

Редуценты (восстановители) возвращают вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений и элементов (СО2, N0,,, Н,,О). Возвращая в почву или водную среду биогенные элементы, они тем самым завершают биохимический круговорот. Существует два основных класса редуцентов; детритофаги и деструкторы. Детритофаги напрямую потребляют мертвые организмы или органические остатки. К ним можно отнести, например, крабов, шакалов, термитов, дождевых червей, многоножек, муравьев и грифов.

Причи­ной того, что организмы не могут быть распростране­ны повсюду, является то, что виды и отдельные организмы различных видов имеют определенный диапазон толерантности по отношению к колебанию химических и физических факторов окружающей среды, таких как температура. Диапазон толерантности, популяция организмов одного вида по отношению к абиотическому фактору среды в данном случае к температуре.

ПОТОКИ ЭНЕРГИИ КРУГОВОРОТА ВЕЩЕСТВ В ЭКОСИИТЕМАХ. Все организмы, живые или мертвые, потенциально являются пищей для других организмов. Последовательность организмов, в которой каждый из них съедает или разлагает другой, называется пищевой цепью, В природе они редко изолированы друг от друга, в подавляющем большинстве случаев взаимосвязаны и образуют сложную пищевую сеть. Простая пищевая цепь

В продуценты относятся к первому трофическому уровню, все первичные консументы, питающиеся продуцентами, ко второму трофическому уровню и т. д. Концепция пищевых цепей помогает проследить круговорот химических элементов и потоки энергии в экосистеме.

Пирамиды энергетических потоков. Пищевые (трофические) цепи внутри каждой экосистемы имеют хорошо выраженную структуру, которая является следствием длительной эволюции биосферы, и определяют продуктивность количеством организмов, представленных на каждом уровне различных пище­вых цепей. Таким образом, образующиеся экологические пирамиды выражают трофическую структуру экосистемы, характеризуемую численным значением видов, биомасс и энергий. Эти пирамиды отражают две фундаментальные характеристики: их высота пропорциональна длине пищевой цепи, числу содержащихся в ней трофических уровней; их форма отражает эффективность превращений энергии при переходе от одного уровня к другому.

Круговорот веществ в природе Круговорот веществ и энергии в природе складывается из нескольких взаимосвязанных процессов: 1. Регулярно повторяющийся или непрерывный приток энергии, а также образование и синтез новых соединений, 2. Постоянный или периодический перенос и перераспределение энергии, вынос и направленное перемещение синтезированных соединений под влиянием физических, химических и биологических агентов. 3. Направленное ритмическое или периодическое последовательное преобразование, разложение и деструкция (разрушение) синтезированных ранее соеди­нений под влиянием биогенных или абиогенных воздействий среды. 4. Постоянное или периодическое образование про­стейших минеральных и органоминеральных компо­нентов в газообразном, жидком или твердом состоя­нии, которые играют роль составных компонентов для новых очередных синтетических циклов круговорота веществ.

Круговорот углерода В кругообороте углерода а точнее наиболее подвижной его формы СО2, четко прослежива­ется трофическая цепь: продуценты, улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуцентов возвращающих углерод вновь в круговорот. Скорость оборота СО2 составляет порядка 300 лет (полная его замена в атмосфере). Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат 500 млрд. т этого элемента, что составляет 3/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот этого элемента приводит к возрастанию содержания СО2 в атмосфере, Особую роль в современном круговороте углерода играет массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание со­держания С02 в атмосфере, вызывающее так называемый «парниковый эффект».

Круговорот фосфора Фосфор, главным образом в виде фосфат-ионов (РОД и НРО42~), является важным питательным элементом как для растений, так и для животных. Он входит в состав молекул ДНК, несущих генетическую информацию; молекул АТФ и АДФ, в которых запасается необходимая для организмов химическая энергия, используемая при клеточном дыхании; молекул жиров, образующих клеточные мембраны в растительных и животных клетках; а также веществ, входящих в состав костей и зубов. Общий круговорот фосфора можно разделить на две части водную и наземную. Фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам и затем обратно. Фосфор, высвобождаемый при медленном разрушении (или выветривании) фосфатных руд, растворяется почвенной влагой и поглощается корнями растений. Животные получают необходимый им фосфор, поедая растения или других растительноядных животных, Значительная часть этого фосфора в виде экскрементов животных и продуктов разложения мертвых животных и растений возвращается в почву.

Круговорот азота Круговорот азота охватывает все области биосферы.

Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом (NO4 и NH4). И это при том, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема). Азот возвращается в атмосферу вновь с выделен­ными при гниении газами. Правда, часть его окисля­ется в воздухе во время грозовых разрядов и поступает в почву с дождевой водой, но таким спо­собом его фиксируется в 10 раз меньше, чем с помощью бактерий.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВИДОВ В ЭКОСИСТЕМАХ. Экологическая ниша это комплекс всех физических, химических и биологических факторов среды, которые необходимы тому или иному биологическому виду для жизни, роста и размножения в данной экосистеме. Понятие ниши включает в себя и роль организма в экосистеме. Известная аналогия утверждает, что местообитание организма это его « адрес» в экосистеме, тогда как его экологическая ниша его «род занятий» и «стиль жизни». Знание экологической ниши позволяет ответить на вопросы, как, где и чем питается вид, чьей добычей он является, каким образом и где он отдыхает и размножается.

Внутривидовые взаимодействия - означают объединение животных одного вида в группы по две или более особей. Внутривидовая конкуренция проявля­ется в основном в территориальном поведении животных, которые защищают места своих гнездовий и известную площадь в округе. Таковы взаимодействия многих птиц и рыб. Межвидовые взаимоотношения - значительно более разнообразив. Два живущих рядом вида могут вообще никак не влиять друг на друга, могут влиять благоприятно или неблагоприятно.

Хищничество это когда отдельная особь одного вида, называемого хищником, питается организмами (или частями организмов) другого вида, называемого жертвой, причем хищник живет отдельно от жертвы, В таких случаях говорят, что эти два вида организмов вовлечены в отношения типа хищник жертва, Нейтрализм оба вида независимы и не оказы­вают никакого воздействия друг на друга. В этом случае виды не связаны непосредственно друг с другом и даже не контактируют между собой. Например, совы и лисы, змеи и тигры, и т. п. Аменсализм это такие биотические отношения, при которых происходит торможение роста одного вида (амеисала) продуктами выделения другого. Лучше всего они изучены у растений и микроорганизмов, которые в борьбе с конкурентами за ресурсы применяют различные ядовитые вещества и это явление называют аллелопатией.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЧЕЛОВЕКА НА ЭКОСИСТЕМЫ. 1. Массовым потреблением продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох, преимущественно в энергетических целях. Уничтожением до 70% биоты, сокращением ее разнообразия, что подрывает генофонд планеты. В связи с этим в биосфере химическое равновесие смещается в сторону, противоположную глобальному процессу фотосинтеза. Это неизбежно приводит к росту содержания углекислого газа в биосфере и уменьшению содержания свободного кислорода. Под угрозой находится защитный экран биосферы озоновый слой. 2. Возрастающим количеством механически из­влекаемого материала литосферы ростом интенсивности разработки месторождений полезных ископаемых. Сейчас он превышает 100 млрд. т. в год, что в 4 раза больше массы материала, выносимого речным стоком в Мировой океан в процессе денудации суши. Невиданными темпами экономического развития, результатом которого является все возрастающее дав­ление на среду обитания.

3. Процессы в ноосфере приводят к рассеиванию энергии Земли, а не к ее накоплению, что было характерно для биосферы до появления человека. Возникает важная энергетическая проблема, связанная с климатическими изменениями в биосфере. 4. В ноосфере в массовом количестве создаются вещества, ранее в биосфере отсутствовавшие, в том числе чистые металлы, органические соединения. Происходит металлизация биосферы. 5. Для ноосферы характерно появление новых трансурановых химических элементов в связи с ядерной технологией и ядерной энергетикой. Происходит овладение ядерной энергией за счет деления тяжелых ядер. В недалеком будущем предвидится овладение термоядерной энергией за счет синтеза легких ядер, что позволит в значительной мере отказаться от го­рючих полезных ископаемых в качестве источника энергии.

6. Ноосфера выходит за пределы биосферы в связи с огромным, прогрессом научно-технической революции. Возникла космонавтика, обеспечивающая выход человека в мировое пространство. Происходит освоение солнечного пространства, создаются предпосылки искусственного создания биосфер на других планетах. В целом в связи с образованием ноосферы наша планета переходит в новое качество. Если биосфера это сфера Земли, то ноосфера это уже сфера Солнечной системы, Ноосфера в будущем станет особой областью Солнечной системы в познавательных и производственно-хозяйственных целях человеческого общества. Однако надо помнить об ограниченности ресурсов биосферы и необходимости сохранения среды обитания как колыбели Жизни и Человечества. В ноосфере важное значение приобретает духовная сто­рона уровень развития культуры, уровень ее экологизации.