Структура биосферы. 
Трофические уровни

Биосфера — это глобальная экологическая система, состоящая из множества экосистем более низкого ранга, биогеоценозов, взаимодействием которых друг с другом и обусловлена ее целостность. Действительно, биогеоценозы существуют не изолированно — между ними существуют непосредственные связи и отношения. Например, в водные биогеоценозы ветром, дождями, талыми водами выносятся из наземных экосистем минеральные и органические вещества. Может происходить перемещение организмов из одного биогеоценоза в другой (например, сезонные миграции животных). И наконец, всех объединяет атмосфера Земли, служащая общим резервуаром для живых существ. В нее поступают кислород (выделяемый растениями в процессе фотосинтеза) и углекислый газ (образуемый в процессе дыхания аэробных организмов). Из атмосферы же растения всех экосистем черпают углекислый газ, необходимый им в процессе фотосинтеза, а все дышащие организмы получают кислород.

Структура биосферы состоит из трех основных частей:

• — литобиосфера — верхние области литосферы;
• — гидробиосфера — вся гидросферу;
• — аэробиосфера — нижняя часть атмосферы. Концепции современного естествознания. — Под ред. В. Н. Лавриненко: М. ЮНИТИ, 2008. — 303 с.

Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки (атмосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере). Литосфера — твердая оболочка Земли, сложенная горными породами и их производными вулканического происхождения, осадочными соединениями, продуктами выветривания. Гидросфера — водная оболочка Земли, покрывает 2/3 поверхности планеты. Под гидросферой понимают основные воды на земной поверхности в жидком и твердом агрегатном состояниях. Объем воды гидросферы не исчерпывается тем ее количеством, которое сосредоточено в океанах и морях. Более 40% воды заключено в недрах литосферы, небольшая часть находится в атмосфере. Атмосфера — воздушная оболочка Земли. В вертикальном направлении атмосферу разделяют на несколько основных слоев: тропосфера (до 9−17 км.); стратосфера (до 50−55 км); мезосфера (до 80−85 км); термосфера (до 100 км). На высоте 15−20 км располагается озоновый слой, защищающий живые организмы от жесткого ультрафиолетового излучения.

Концентрация и активность жизни особенно велика у поверхности Земли. Водоемы заселены по всей толще, со сгущениями у поверхности и у дна. На суше более 99% живого вещества сосредоточено в слое на несколько метров вглубь и на несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности. Крайние пределы температуры, которые выносят некоторые формы жизни — от малых долей атмосферы на небольшой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах.

Вглубь земной коры живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает прежде всего температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5 -15 км превышает 1000 С. Наибольшая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, составляет 4 км. В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10−11 км от поверхности.

В атмосфере предельная граница жизни определяется уровнем УФ-радиации. На высоте 25−30 км большая часть УФ-излучения Солнца поглощает находящийся здесь озоновый слой. Если живые организмы поднимаются выше этого слоя, они погибают. Споры грибов и бактерий обнаруживают до высоты 20−22 км, но основная часть аэропланктонка сосредоточена в слое 1−1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни — около 6 км над уровнем моря.

Таким образом, жизнь наблюдается в тончайшей пленке планеты, где и протекают главные процессы взаимодействия живой и неживой природы.

Согласно В. В. Вернадскому структурными компонентами биосферы являются:

• 1. Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4…3,6· 1012 т (в сухом весе) и составляет менее одной миллионной части всей биосферы (ок. 3· 1018 т), которая, в свою очередь, представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик Земли. Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широты.
• 2. Биогенное вещество — вещество, создаваемое и перерабатываемое живым организмом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д.
• 3. Косное вещество — продукты, образующиеся без участия живых организмов.
• 4. Биокосное вещество — вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.
• 5. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.
• 6. Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.
• 7. Вещество космического происхождения.

Элементарной структурной и функциональной единицей биосферы является биогеоценоз. Именно в биогеоценозе организмы и среда их обитания тесно взаимно приспособлены друг к другу и благодаря этому осуществляется биологический круговорот веществ — основа бесконечности жизни на планете. В ходе осуществления биологического круговорота ограниченные запасы химических веществ приобретают свойство бесконечных, так как находятся в непрерывном круговом обращении. Поэтому круговорот веществ в виде биогеохимических циклов является необходимым условием существования биосферы.

Взаимодействие организмов, занимающих определенное место в биологическом круговороте, называется трофической структурой биоценоза. Устойчивые биогеохимические циклы вещества и энергии в биосфере нашей планеты формируются вследствие биологического разнообразия потребляемого организмами набора веществ и выделяемых в природную среду продуктов жизнедеятельности. Базу биологического круговорота веществ составляют трофические уровни, которые представлены конкретными видами живых организмов, делящимися на три основные группы: продуценты, консументы и редуценты. Трофический уровень составляют популяции организмов, выполняющих в экосистеме одинаковые трофические функции и имеющих различный видовой состав.

Первый трофический уровень — Уровень первичной продукции — образуют продуценты (автотрофы). Это организмы, синтезирующие из неорганических веществ (главным образом воды и двуокиси углерода) все необходимые для жизни органические вещества, используя солнечную энергию (зеленые растения, цианобактерии и некоторые другие бактерии) или энергию окисления неорганических веществ (серобактерии, железобактерии и др.). Первичная продукция — это биомасса растительных тканей. Первичные продуценты — растения, фотоавтотрофные бактерии и хемосинтезирующие бактерии (хемотрофы). Хемотрофы — микроорганизмы, синтезирующие органическое вещество за счет энергии окисления аммиака, сероводорода и других веществ, имеющихся в воде и почве. Поэтому только растительности планета Земля обязана существованию на ней жизни. Именно зеленые растения создали необходимые условия для появления и существования вначале разнообразных доисторических животных, а затем и человека. Погибая, растения аккумулировали энергию в отложениях каменного угля, торфе и лаже нефти. Рузавин Г. И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. — М.: ЮНИТИ, 2009. — 287 с.

Второй трофический уровень представляют консументы (гетеротрофы):

• 1) первого порядка — фитофаги — используют в качестве пищи растения;
• 2) второго порядка — питаются животной пищей.

Консументы — животные, бактерии, грибы, паразитические и насекомоядные растения — накапливают в тканях своего тела энергию, которая используется в пищу консументами высших порядков. Эта энергия составляет вторичную продукцию экосистемы. Консументы сами не могут строить органическое вещество из неорганического и получают его в готовом виде, питаясь другими организмами. Консументы также участвуют в минерализации органических веществ. В своих организмах они преобразуют органику в специфические формы белков и других веществ, а в окружающую среду выделяют образующиеся в процессе их жизнедеятельности отходы.

К консументам (потребителям) относятся животные и человек, а также растения-паразиты, которые в своих клетках не имеют хлорофилла и не могут самостоятельно образовывать органические вещества. Концепции современного естествознания. — Под ред. В. Н. Лавриненко: М. ЮНИТИ, 2008. — 303 с.

Третий трофический уровень — это редуценты. Это организмы, разлагающие до минеральных веществ, диоксида углерода и воды отходы жизнедеятельности и отмершие организмы. Основными редуцентами являются бактерии, грибы, простейшие, т. е. находящиеся в почве гетеротрофные микроорганизмы. Если снижается их активность (например, при использовании человеком пестицидов), ухудшаются условия для продукционного процесса растений и консументов.

Мертвые органические остатки, будь то древесный пень или труп какого-либо животного, не исчезают в никуда. Они подвергаются гниению. Но мертвая органика не может перегнить сама по себе. В качестве «могильщиков» выступают редуценты (деструкторы, разрушители). Они окисляют мертвые органические остатки до С02, Н20 и простых солей, т. е. до неорганических составляющих, которые снова могут быть вовлечены в круговорот веществ, тем самым замыкая его.

Между видами разных трофических уровней существуют взаимоотношения, образующие систему трофических цепей (цепей питания). Использование ресурсов на каждом трофическом уровне зависит от видового разнообразия экосистемы. Все организмы используют в пищу биомассу предыдущих трофических уровней, теряя энергию с потерями на дыхание, обогрев тела, на различные формы деятельности, на выделение экскрементов. Там же.