Лекции по "Экологии"

Більшість сучасних екологів розуміють біосферу як об'єднання  усіх живих організмів, що знаходяться  у взаємозв'язку з фізичним середовищем  Землі. З цього погляду біосфера становить собою сукупність екосистем  нашої планети.

Основоположниками вчення про біосферу є В. І. Вернадський та Тейяр де Шарден. Вони обґрунтували високу хімічну та геологічну активність живої речовини біосфери, підкреслюючи, що розвиток життя на планеті забезпечується особливими фізичними властивостями біосфери.

Слід звернути увагу на ствердження В. І. Вернадського про те, що біосфера - планетарне явище космічного характеру. Виходячи з уявлення про біосферу, як про земний, але одночасно й космічний механізм, В. І. Вернадський пов'язував її утворення та еволюцію з організованістю Космосу. "Для нас є зрозумілим,- писав він,- що життя є явище космічне, а не суто земне". Цю думку В. І. Вернадський повторював багаторазово: "Початку життя в тому Космосі, який ми спостерігаємо, не було, оскільки не було початку цього Космосу. Життя вічне, оскільки вічний Космос". В. І. Вернадським було розроблено уявлення про біосферу як глобальну єдину систему Землі, де основний хід геохімічних перетворень визначається життям. Біосферою В. І. Вернадський назвав ту область нашої планети, в якій існує або будь-коли існувало життя і котра постійно піддається, або піддавалася впливу живих організмів. В. І. Вернадський довів, що живі організми грають дуже важливу роль у формуванні образу Землі. Хімічний склад атмосфери,гідросфери і літосфери зумовлений життєдіяльністю організмів.

З погляду системного підходу біосфера являє собою  глобальну Екосистему Землі.

 

26. Структура біосфери, жива речовина, розподіл життя у біосфері.

Структура біосфери

Біосфера охоплює нижні  шари атмосфери до висоти близько 11 км, всю гідросферу і верхній шар літосфери до глибини 3-11 км на суші й 0,5-1,0 км під дном океану. Товщина біосфери на полюсах Землі близько 10 км, на екваторі - 28 км[3].

- Атмосфера Землі - найбільш легка оболонка Землі, що граничить з космічним простором; через атмосферу здійснюється обмін речовини й енергії з космосом.

- Гідросфера - водяна оболонка Землі. У наслідок високої рухливості вода проникає повсюдно в різні природні утворення, навіть найчистіші атмосферні води містять від 10 до 50 мг/л розчинних речовин.

- Літосфера - зовнішня тверда оболонка Землі, що складається з осадових і магматичних порід. Поверхневий шар літосфери, у якому здійснюється взаємодія живої матерії з мінеральною (неорганічною), являє собою ґрунт. Залишки організмів після розкладання переходять у гумус (родючу частину ґрунту). Складовими частинами ґрунту служать мінерали, органічні речовини, живі організми, вода, гази. Педосфера - ґрунтова оболонка планети, повністю просякнута живими організмами та складається з продуктів їх життєдіяльності.

Жива речовина - вся  сукупність тіл живих організмів в біосфері, незалежно від їх систематичної  приналежності.

Унікальна роль живої  речовини в біосфері полягає в  її високій біогеохімічній активності. Жива речовина автотрофних організмів здійснює поглинання сонячної енергії та її перетворення в енергію хімічних зв'язків.

Розподіл життя у  біосфері:

У 1931 р. вийшла стаття В.І. Вернадського "Про межі біосфери". Проте слід нагадати, що вчений до цієї проблеми звернувся ще в 1926 році, однак  тоді наука ще не нагромадила достатньої кількості інформації, яка б дала вичерпну відповідь на запитання: де проходять межі біосфери? Наприклад, не підтвердилося передбачення вченого про заселення усієї осадної оболонки Землі бактеріальним життям. Відомо, що розподіл мікроорганізмів у підземних водах, а отже, і нижня межа біосфери на континентах визначається двома факторами: температурою води і концентрацією в ній мінеральних солей. Живі бактерії можуть існувати у водах із температурою до 100°С, тоді як активна їхня життєдіяльність проявляється на межі близько 80°С. Крайня межа соляного розчину - 270 г/л, що в 10 разів перевищує концентрацію води океану. Передбачення В.І. Вернадського про повсюдне поширення життя в океані до самого його дна збулося. Однак це підтвердилося через декілька десятків років - у 1960 р., коли батискаф "Трієст" із Жаком Піккаром і Доном Уолшем торкнувся дна Маріанської западини на глибині 10919 м від точки занурення. Акванавти на великій глибині побачили життя, про яке В.І. Вернадський тільки догадувався. Сьогодні можна стверджувати, що океанічна межа біосфери перебуває на глибині близько 11 км. Повітряні потоки підіймають і переносять міріади мікроорганізмів, вірусів, які живуть, головним чином, у краплях вологи. Тут можна зустріти пилок, спори і насіння рослин, тут є звичними біогенні речовини - біоліни і фітонциди. Тут вирує життя, особливо в його товщі від декількох метрів від поверхні суші чи води до приблизно 50-300 м. Цю частину атмосфери М.Ф. Реймерс (1994) вважає екотоном між террабіосферою і гідробіосферою, з одного боку, і тропосферою - з іншого. Ту частину тропосфери, куди лише спорадично підіймаються перелітні птахи, зграї сарани чи якісь скупчення комах, автор відносить до тропобіосфери. Над останньою поза шаром позитивних температур лежить відносно тонкий шар альтобіосфери (з лат. "альту с" - високий).

 

27. Речовини, з яких сформована біосфера. Властивості та функції живої речовини.

Основна маса живої речовини, наявність якої відрізняє біосферу від інших геосфер, зосереджена  в порівняно невеликому прошарку - біостромі. Біострома лежить на поверхні суходолу та охоплює верхні шари водойм. У цій зоні знаходиться 98% всієї живої речовини планети. Біосфера сформована з різних видів речовини. За В. 1. Вернадським виділяють шість головних типів речовини біосфери:

1. Жива речовина, що  представлена організмами різних  видів.

2. Біогенна речовина, що є продуктом життєдіяльності  організмів (наприклад, кам'яне вугілля,  торф).

3. Нежива речовина (косна), в утворенні якої живі організми  не брали участі.

4. Біокосна речовина, що сформована за рахунок взаємодії  живої та косної речовин. Основним  видом біокосної речовини є  ґрунт.

5. Радіоактивна речовина.

6. Космічна речовина (наприклад,  метеорит).

За Вернадським жива речовина - сукупність усіх живих організмів біосфери. Це форма активної матерії, і її енергія тим більша, чим більша маса живої речовини.

Властивості живої речовини:

1)високоорганізованавнутрішня  структура; 

2)здатність вловлювати  із зовнішнього середовища і  транспортувати речовини та енергію, забезпечуючи ними процеси своєї життєдіяльності;

3)здатністьпідтримуватисталістьвласноговнутрішньогосередовища,  незважаючи на коливання умов  середовищазовнішнього, якщоціколиваннясумісні  з життям;

4)здатність до самовідтворення  шляхом розмноження.

Функції живої речовини в біосфері

1) Енергетична - поглинання  сонячної енергії в процесі  фотосинтезу, а хімічної енергії  шляхом розкладу енергонасичених  речовин; передача енергії кормовими  ланцюгами різнорідної живої  речовини           

2) концентраційна - вибіркове накопичення в ході життєдіяльності окремих видів речовин: а) використовуваної для створення тіла організму; б) виділеної з неї в процесі метаболізму

3) деструктивна - мінералізація  небіогенної органічної речовини; розкладання неживої органічної  речовини; втягування утворених речовин у біохімічний кругообіг          

4) середовищетворна - перетворенняхіміко-фізичнихпараметрівсередовища (головним чином за рахунок  не біогенноїречовини) 

5) транспортна - перенесенняречовинпротисилитяжіння  і в горизонтальному напрямку.

                 Закон константності за Вернадським:  кількість живої речовини (за  певнийгеологічний час) є величина  постійна.

                Закон фізико-хімічної єдності  живої речовини (за Вернадським): уся жива речовина Землі має  єдину фізико-хімічну природу.

 

 

 

 

28. Біогеохімічні цикли. Енергетичний баланс біосфери.

Біогеохемічний цикл- система незамкнутих і незворотних  кругообігів хімічних речовин в  неорганічній природі через рослини  і тварини в органічну природу.

Біогеохімічний цикл можна визначити як циклічне, поетапне перетворення речовин та зміну потоків енергії з просторовим масоперенесенням, яке здійснюється за рахунок сумісної дії біотичної та абіотичної трансформації речовин. Біогеохімічні цикли становлять собою циклічні переміщення біогенних елементів: вуглецю, кисню, водню, азоту, сірки, фосфору, кальцію, калію та ін. Від одного компоненту біосфери до інших. На певних етапах цього кругообігу вони входять до складу живої речовини.

Рушійною силою всіх речовин в біогеохімічних циклах є потік сонячної енергії або частково енергії геологічних процесів Землі. Витрати енергії необхідні і для переміщення речовин у біогеохімічних циклах, і для подолання біогеохімічних бар'єрів. Такими бар'єрами на різних рівнях виступають мембрани клітин, самі особини рослин і тварин та інші матеріальні структури. Переміщення речовин у біогеохімічних циклах одночасно забезпечує життєдіяльність живих організмів. Головними оціночними параметрами ефективності та напрямку роботи біогеохімічного циклу є кількість біомаси, її елементарний склад та активне функціонування живих організмів.

1) За рахунок процесів міґрації хімічних елементів усі геосфери Землі зв'язані єдиним циклом кругообігу цих елементів. Такий кругообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси та сонячна енергія, дістав назву великого (геологічного) кругообігу. Цей кругообіг має абіотичний характер. Тривалість його існування - близько 4 млрд років. Потужність великого (геологічного) кругообігу речовин в атмосфері, гідросфері та літосфері оцінюється в 2х1016 тонн/рік.

2) Виникнення життя на Землі спричинило появу нової форми міґрації хімічних елементів - біогенної. За рахунок біологічної міґрації на великий кругообіг наклавсямалий (біогенний) кругообіг речовин. У малому біологічному кругообігу переміщуються в основ ному вуглець (1011 тонну рік), кисен ь (2х 1011 тонн у рік), азот (2x10і1 тонн у рік) та фосфор (10е тонн у рік).

  Біологічний колообіг  зворотний не повністю, частина  речовин постійно виходить з  колообігу і осідає в товщині  осадових порід у вигляді органогенних вапняків, гумусу, торфу і т.п. В результаті колообігу біосфера (чи інша екосистема) не повертається в початковий стан: для біосфери характерний поступальний рух, тому символом біологічного циклу є не коло, а циклоїд (спіраль) .

Зараз обидва кругообіги протікають одночасно, тісно пов'язані між собою. Завдяки взаємодії різних груп живих організмів між собою та з навколишнім середовищем в екосистемах виникає певна та характерна кожному виду екосистем структура біомаси, створюється своєрідний тип потоку енергії та специфічні закономірності "її передачі від однієї групи організмів до іншої, формуються трофічні ланцюги, що визначають послідовність переходу органічних речовин від одних груп живих організмів до інших.

Найбільше значення мають наступні  біогеохімічні цикли:

" Кругообіг азоту в природі. Охоплює всі області біосфери. Хоча його запаси в атмосфері практично невичерпні, вищі рослини можуть використовувати азот тільки після сполуки його з воднем або киснем. Виключно важливу роль у цьому процесі відіграють азотфіксуючі бактерії. При розпаді білків цих мікро­організмів азот знову повертається в атмосферу.

" Кругообіг вуглецю. починається з фіксації атмосферного дво­окису вуглецю в процесі фотосинтезу. Частина вуглево­дів, які утворилися при фотосинтезі, використовується самими рослинами для отримання енергії, а частина споживається  твари­нами. Вуглекислий газ виділяється в процесі дихання рослин і тварин. Мертві рослини і тварини розкладаються, вуглець їх тка­нин окислюється і повертається в атмосферу. Аналогічний процес відбувається і в океані.

" Кругообіг сірки в природі. Сірка входить до складу білків і також є життєво важливим елементом. У вигляді сполук з металами - сульфідів - вона залягає у вигляді руд на суші та входить до складу глибоководних відкладень. У доступну для засвоєння роз­чинну форму ці сполуки перетравлюються хемосинтезуючими бактеріями, здатними одержувати енергію шляхом окислення відновлених сполук сірки. У результаті створюються сульфати, які використовуються рослинами. Сульфати, що глибоко заляга­ють, залучаються до кругообігу іншою групою мікроорганізмів, які поновлюють сульфати до сірководню.

" Кругообіг води. Важлива роль у глобальному кругообігу речовин належить циркуляції води між океаном, атмосферою та верхніми шарами літосфери. Вода випаровується і повітряними течіями переноситься на багато кілометрів. Випадаючи на поверхню суші у вигляді опадів, вона сприяє руйнуванню гірських порід, робля­чи їх доступними для рослин і мікроорганізмів, розмиває верхній ґрунтовий шар і проникає разом із розчиненими в ньому хімічни­ми сполуками та зваженими органічними частинками в океани та моря.

" Кругообіг фосфору в природі (зокрема Кругообіг фосфору у воді). . Резервуаром фосфору є поклади його спо­лук у гірських породах. Унаслідок вимивання він потрапляє в річкові системи й частково використовується рослинами, а част­ково несеться в море, де осідає в глибоководних відкладеннях. Крім того, в світі щорічно видобувається від 1 до 2 млн. т. фосфо­ровмісних порід. Велика частина цього фосфору також, вимива­ється та включається до кругообігу. Завдяки лову риби частина фосфору повертається на сушу в невеликих розмірах (близько 60 тис. т. елементарного фосфору на рік).

Енергетичний баланс

Всю біосферу можна розцінювати  як єдине природне утворення, що поглинає енергію з космічного простору та направляє її на внутрішню роботу. У біосфері енергія тільки переходить з однієї форми до іншої і розсіюється у вигляді тепла.

Потік енергії на Земній Кулі має три джерела:

a) сонячна енергія;

b) енергія земних надр;

c) кінетична енергія оберту Землі та її супутника Місяця як космічних тіл.

 

 

29. Стабільність біосфери. Ноосфера, управління біосферою.

Стабільність біосфери - спроможність біосфери зберігати  свій стан, протистояти внутрішнім збуренням, включаючи будь-які антропогенні впливи, шляхом вироблення в ній саморегулюючих механізмів.