Биогеоценотическая биосферы.

Биосфера, будучи целостной глобальной системой, а в то же время дискретна. Её элементарной структурой – функциональной единицей является биогеоценозы (или экосистемы).

Термин «экосистема» ввел английский ботаник А.Тенсли в 1935г., а «биогеоценоз» - русский ботаник и лесовед В.Н.Сукачев в 1940г.

Биогеоценоз – это эволюционно сложившаяся, пространственно ограниченная природная система живых организмов и окружающей среды, между компонентами которой идет непрерывный обмен веществом, энергией, информацией (биотический круговорот). Каждый биогеоценоз представляет собой как бы модель биосферы в миниатюре. Он состоит из системы популяций организмов разных видов (биоценоз) и пространства, в которой они обитают (биотоп).

Биогеоценозы различаются как составом биогеоценозов и свойствами биотопов, так и видом используемой организмом энергии (солнечной энергии, энергия химических соединений, скрытая энергия оседающих на акваторий органических остатков и прочее). Однако, при этом основная схема структуры и функции биогеоценозов остается единой. Любой биоценоз включает три функциональные группы организмов: продуцентов органического вещества, консументов (потребителей органического вещества) и редуцентов, обеспечивающих минерализацию органических веществ и тем самым возвращающих в неживую природу химические элементы, участвующие в биотическом круговороте.

Постоянная циркуляция веществ и движение энергии между компонентами неживой и живой природы (растениями, животными и микроорганизмами) осуществляется в биогеоценозах по пищевым (трофическим) цепям. Пищевой цепью называется ряд микроорганизмов, в котором одни поедают предшественников и, в свою очередь, оказываются съеденными, которые следуют за ними. Первый трофический уровень в таких цепях занимают аутотрофы или, так называемые, первичные продуценты. Организмы второго трофического уровня- первичные консументы, третьего – вторичные консументы и т.д. Обычно бывает 4-5 трофических уровней, редко 6 и более, так как по грубой оценке общая энергия каждого трофического уровня уменьшается в 10 раз, а при передаче от первичных продуцентов консументам даже в 100 раз. Следствием этого является ограниченная длина пищевых цепей, а так же уменьшение количества особей, биомассы и общей энергии от низших уровней к высшим. Такую динамику указанных процессов принято называть правилом экологической пирамиды: пирамида энергии пирамида численности и пирамида биомассы.

Биогеоценозы, будучи саморегулирующимися система, способны поддерживать свой гомеостаз. В основе этой способности лежит принцип всеобщей связи компонентов экосистемы, как внутрипопуляционных, так и межпопуляционных. Установившиеся при этом связи не случайны, а избирательны, с учетом чего можно говорить о принципе соответствия. Следующий принцип – относительная терпимость экосистемы к её нарушениям до определенного предела.Всякое давление на экосистему (стресс), такое как необычное изъятие продукции, внедрение новой популяции, массовое размножение фитофагов и т.п., рано или поздно приводит к появлению компенсаторных противоположно направленных процессов. Они возвращают систему к норме (при условии ограничения стресса некоторым пределом) или переводят ее на более низкий уровень продуктивности. Крупная и сложная экосистема скорее и надежнее может погасить резкие воздействия стресса, чем небольшая поразмеру. Основным условием для самовосстановления является сохранение ландшафтно-климатических условий и возможности пополнения генофонда со стороны при условии достаточно длительного времени.

Важнейшим принципом, на которой указывал В.И.Вернадский в учении о биосфере, является, является принцип её организованности. Биогеоценоз как элемент биосферы является первичным носителем такой организованности,охватывающей и живое и костное вещество. Эта организованность выражается в динамическом равновесии составляющих систему компонентов, что отличает её от механизмов, свойственных неживой природе.

Биогеоценоз в хронологическом отношении функционирует в значительных масштабах времени. Однако, со временем в экосистеме любой степени наступают изменения, затрагивающие как и абиотическую части. Если при этом экосистема в общем сохраняет свои структурно-функциональные черты, то можно говорить о временных ритмичных (например,сезонных) и аритмичных (случайных) изменениях.

Всякий поступательный процесс смены одних биогеоценозов другими называется секцессией. Стабильная зрелая стадия в развитии биогеоценозов называется климаксом.

 

Биогеохимическая концепция

Эта концепция впервые была разработана В.И.Вернадским, который показал, что основной ход геохимических преобразований в земных оболочках определяется в первую очередь живым веществом, которое в течение геологического времени многократно пропускает через себя воду, углевод, кислород, фосфор, серу и не менее 30 других химических элементов, причем, эти вещества не только пропускаются через живые организмы, но и участвуют в окислительных процессах как внутри самих организмов, так и во внешней среде. Основной движущей силой биогенной миграции атомов служит прежде всего солнечная радиация.

Биотический круговорот основан на определенной организованности биосферы. С геохимической точки зрения биосфера прошла две стадии исторического развития: 1) Анаэробную, живое вещество которой использовало энергию брожения и химосинтеза, когда атмосфера была лишена свободного кислорода и озонового экрана, и 2) Аэробную формирующуюся постепенно от1800 до 600млн.лет назад и использующую энергетически более выгодный окислительный метаболизм. Анаэробная жизнь при этом сохранилась, но потеряла господствующее положение. Эффективность, которой достигла биосфера в осуществлении химических реакций, намного превосходит возможности современных химических лабораторий.

По мнению В.И.Вернадского, если бы не прекратилась жизнь «… старые, нам известные тела (минералы) безвозвратно исчезли бы. С исчезновением жизни не оказалось бы земной поверхности силы, которая могла бы давать непрерывно начало новым химическим соединениям. На ней неизбежно установилось бы химическое равновесие, химическое спокойствие непрерывное начало новым химическим соединениям. На ней неизбежно установилось бы химическое равновесие, химическое спокойствие…» Химическое плодородие биологических форм жизни препятствует свободному развитиюнеорганических процессов-по оценкам специалистов в биосфере содержится сегодня около 2-х млн. органических соединений в сравнении с 20 тыс. неорганических веществ.

 

Геофизическая концепция

С физической точки зрения биосфера трехфазна (твердая, жидкая и газообразная). В соответствии с этим в биосфере выделяют три оболочки: атмосферу-воздушную оболочку, литосферу-твердую оболочку и гидросферу-водяную среду. Вода является составной частью всех компонентов биосферы с одним из необходимых факторов существования живых организмов, однако основная её часть-95% заключена в Мировом океане.

Границы биосферы определяются областью распространения организмов в атмосфере, гидросфере и литосфере. В атмосфере верхняя граница жизни проходит примерно на высоте 20-22 км. над уровнем моря. Таким образом, живые организмы рассеяны в тропосфере и нижних слоях стратосферы. Лимитирующим фактором распространения жизни выше этих пределов является нарастание ультрафиолетовой радиации. В океанах жизнь проникает на всю глубину, что подтверждается обнаружением живых организмов до глубины 10-11 км.. В литосфере область распространения жизни определяется уровнем 7,5 км., хотя основная масса живых организмов занимает всего несколько метров, обитая в основном в почве.

 

Термодинамическая концепция

В.И.Вернадский отмечал, что биосфера является динамической оболочкой с температурой от +50 до-50 давлением около одной атмосферы. Эти условия составляют границу жизни для большинства организмов. При этом атмосфера характеризуется увеличением температуры по мере приближения к поверхности Земли, в гидросфере с глубиной температура понижается, в литосфере же, наоборот, повышается.

Живые организмы адаптированы к существованию в строго определенном режиме. Особенно высока зависимость от температурного фактора у растений ипойкилотермных животных. Наиболее совершенной терморегуляцией обладают гомойотермные (птицы и млекопитающие). В природе температура всегда колеблется и часто выходит за уровень, благоприятный для жизни, что привело к возникновению у растений и животных специальных приспособлений, ослабляющих неблагоприятное действие таких колебаний.

 

Кибернетическая концепция

Согласно этой концепции, биосфера рассматривается как кибернетическая система, в которой информационные сигналы управляют вещественно-энергетическими преобразованиями. Световые, температурные, химические и другие информационные сигналы обеспечивают согласованность обмена веществом и энергией живых организмов с окружающей средой в соответствии с суточными и многолетними циклами. Будучи кибернетической системой, биосфера отличается относительной устойчивостью. Известно, что любая кибернетическая система только тогда обладает устойчивостью для блокирования внутренних и внешних возмущений, когда имеет достаточное внутреннее разнообразие. Биосфера как система обладает достаточным разнообразием составляющих её компонентов.

Биосфера, будучи дискретной системой, состоящей из различных биогеоценозов, имеет широкий выбор вариантов для приспособления всех форм жизни к различным условиям существования. Биогеоценоз как подсистемы биосферы функционируют,как и вся биосфера, в соответствии с информационными сигналами по принципу положительных и отрицательных обратных связей.

В биосфере действуют мощные гомеостатические механизмы как в основных газовых и минеральных циклах биотического круговорота, способствующих успешному развитию жизни, так и в поддержании определённых климатических условий, необходимых для продолжения и распространения жизни.