Основные закономерности иерархии биосферы (трофические уровни)

Федеральное агентство по образованию Волгоградский государственный педагогический университет Кафедра философии и политологии.

Контрольная работа

по предмету

Концепции современного естествознания

на тему:

" Основные закономерности иерархии биосферы (трофические уровни)" .

Работу выполнила студентка гр. Н-213Б Киреева Е.В.

Волгоград, 2009

Своеобразным, единственным в своем роде, отличным и неповторяемым в других небесных телах представляется нам Лик Земли — ее изображение в Космосе, вырисовывающееся извне, со стороны, из дали бесконечных небесных пространств. В Лике Земли выявляется поверхность нашей планеты — ее биосфера, ее наружная область, отграничивающая ее от космической среды. (В.И. Вернадский).

Планета Земля, земной шар, рассматривается мной в этой работе как геологическое образование, продукт астрофизических, физических и химических процессов, протекавших на протяжении нескольких миллиардов лет.

Минералогическая эволюция на нашей планете изучена достаточно глубоко, что позволяет установить закономерности распределения вещества ее недр на различных уровнях. Имеет смысл, однако, отдельно рассмотреть сначала часть нашей планеты, связанную с процессами жизнедеятельности разнообразных существ. Впервые, это было сделано в конце ХIХ века В. В. Докучаевым, создавшим науку о почве. Почва — самостоятельное естественноисторическое тело природы, объединение приповерхностных процессов, связывающих в одно целое горные породы, рыхлые отложения, циркулирующие в них воды, произрастающие на них растения и гумусированные их остатки (плодородный перегной), населенные микроорганизмами. Взгляды Докучаева были восприняты и развиты В. И. Вернадским, создавшим в начале ХХ века учение о биосфере, раскрывающее огромную роль микроорганизмов, растений и животных в перемещении химических элементов в земной коре. Понятие биосфера шире, чем понятие почва, поскольку помимо последней включает в себя и тропосферу с прилегающей нижней стратосферой, и океаны, моря и другие водоемы, и верхние слои литосферы земного шара, и населяющие все эти области живые существа от простейших бактерий до человека — в общем все, что так или иначе связано с жизнью и продуктами жизнедеятельности.

Итак, понятие биосферы, несмотря на то что это сравнительно новый термин, является ведущим для ряда наук и ключевым в этой работе.

Интерес человека к проблемам биосферы, по-моему мнению только набирает обороты., обсуждение приняло научную основу и проблемы биосферы выделились особой актуальностью, а так же постоянной новизной, среди многочисленных биологических, экологических и других проблем.

Постоянно появляются интересные труды о биосфере российских и зарубежных представителей. Каждая работа многогранна и актуальна.

Целью реферата является определение понятия биосферы, характеристики основных её черт, структуры и закономерностей её иерархии.

Начинать исследование целесообразно с представлений о биосфере и затем анализировать закономерности её иерархии, через определение трофических уровней.

Изучение многообразия форм органического мира и закономерностей его развития не будет полным без понимания места и роли живых организмов в целом на всей планете Земля. Современная наука считает, что примерно 1 млрд. лет назад произошло разделение живых существ на два царства — животных и растений. Термин «биосфера» предложил в 1875 г. австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831 — 1914), однако его точного определения он не дал. Спустя полстолетия русский геохимик В. И. Вернадский (1863−1945) создал учение о биосфере, основные положения которого он изложил в опубликованной в 1926 г. небольшой брошюре под названием «Биосфера» .В. И. Вернадский назвал биосферой оболочку Земли, основная роль в формировании которой принадлежит живым организмам. В. И. Вернадский родился в Петербурге в 1863 году, всего через два года после отмены крепостного права в России, в семье профессора политической экономии, яркого представителя русской либеральной интеллигенции прошлого века. Через пять лет, семья Вернадских переехала в Харьков, где на формирование личности Вернадского повлиял его двоюродный дядя — Е. М. Короленко, офицер в отставке, увлекающийся научно-философскими изысканиями. Более всего его интересовали проблемы, связанные с жизнью каждого человека и человечества в целом. Вполне вероятно, что некоторые мысли Е. М. Короленко, некоторые из вопросов, поставленные им, сохранились в памяти Вернадского и осознанно или бессознательно повлияли на его научное творчество.

Петербургская классическая гимназия, где с третьего класса учился Вернадский, была одна из лучших в России. Здесь хорошо преподавались иностранные языки, история, философия. В дальнейшем Вернадский самостоятельно изучил несколько европейских языков. Он читал литературу, преимущественно научную, на пятнадцати языках, а некоторые свои статьи писал по-французски, по-английски и по-немецки. Интерес к истории и философии ученый сохранил на всю жизнь.

Затем Вернадский поступил на физико-математический факультет Петербургского университета, где среди профессоров находились светила русской науки: Менделеев, Бекетов, Сеченов, Бутлеров. Однако наибольшее влияние на Вернадского, несомненно, оказал Докучаев, преподававший в университете минералогию. Молодой ученый неоднократно принимал участие в экспедициях по изучению почв Нижегородской губернии под руководством Докучаева. Но сфера научных интересов Вернадского в то время не ограничивалась минералогией. Он занимался и достиг выдающихся результатов также в геологии, кристаллографии.

В то же время Вернадский искренне увлекся учением Толстого и разделял многие его сомнения. Однако Толстой не верил в то, что наука способна удовлетворить стремление человека найти «смысл жизни», примириться с неизбежностью смерти, обосновать высокие моральные принципы. Вряд ли подобные идеи были близки Вернадскому. В отличие от Толстого он всю свою жизнь сохранял веру в научное знание и стремился найти ответ на множество вопросов бытия на основе логического анализа фактов, достоверных сведений о мире и человеке. В 1885 году Вернадский был оставлен хранителем Минералогического кабинета Московского университета. Работая на этом месте, ученый много ездит, работает в химических и кристаллографических лабораториях, совершает геологические экспедиции. В 1897 году Вернадский защищает докторскую диссертацию и становится профессором Московского университета. В 1906 году его избирают членом Государственного совета от Московского университета. Два года спустя он делается экстраординарным академиком. По инициативе и под председательством Вернадского в 1915 году создается комиссия по изучению естественных производительных сил России при Академии наук. В конце 1921 года Вернадский основал в Москве Радиевый институт и был назначен его директором. В 1926 году выходит его знаменитая работа «Биосфера», после чего он пишет массу исследований о природных водах, круговороте веществ и газах Земли, о космической пыли, геометрии проблеме времени в современной науке. Но главной для него остается тема биосферы — области жизни и геохимической деятельности живого вещества.

Дожив до глубокой старости, Вернадский скончался в Москве всего за несколько месяцев до победоносного завершения Великой Отечественной войны. Ему пришлось пережить три революции в России и две мировые войны. На его век выпали и не менее революционные открытия в науке.

Но самое важное: для Вернадского наука была средством познания природы. Он блестяще знал добрый десяток наук, но изучал природу, которая неизмеримо сложнее всех наук, вместе взятых. Он размышлял и над природными объектами, и над их взаимосвязями. Как и многие естествоиспытатели, добившиеся выдающихся успехов в специальных областях, Вернадский пришел к своим философским построениям на склоне лет, видя в них естественное обобщение фундаментальных принципов, лежащих в основе мироздания. Но даже среди корифеев естествознания он выделяется не только новаторством и глубиной идей, но и их поразительной современностью. И в центре этого новаторства — возрождение древней идеи о центральной роли человека, его разума во всей Вселенной. Значимость ее для нашей цивилизации долгое время недооценивалась. И главная причина этого, как ни парадоксально, состояла, по-видимому, в самих успехах классической науки, увенчавшихся созданием А. Эйнштейном в 1916 г. общей теории относительности. Опьяненные невиданными достижениями, большинство ученых традиционно видели в человеке всего лишь талантливого созерцателя природы, способного раскрыть ее тайны и вдоволь удовлетворить жажду познания. А Вернадский пророчески увидел в человеке умелого творца природы, призванного, в конце концов, занять место у самого штурвала эволюции. Вернадскому при всей его гениальности и невероятной работоспособности потребовались десятилетия, чтобы перебросить надежный мост над пропастью, отделяющей естествознание от истории, творимой самими людьми. И мост этот состоял в ключевой идее, что переход возникшей на Земле биосферы в ноосферу, то есть царство разума, не локальный эпизод «на задворках» бескрайней Вселенной, а закономерный и неизбежный этап развития материи, этап естественноисторический. «Мы только начинаем сознавать непреодолимую мощь свободной научной мысли, величайшей творческой силы Homo Sapiens, человеческой свободной личности, величайшего нам известного проявления ее космической силы, царство которой впереди» , — писал Вернадский.

Как было уже сказано, живое вещество — главная биогеохимическая сила в биосфере. Главным компонентом биосферы является живое вещество — совокупность всех живых организмов планеты, численно выраженная в элементарном химическом составе, массе, энергии. Это вещество геохимически чрезвычайно активно, так как при осуществлении процессов питания, дыхания, выделения, размножения оно тесно связано с окружающей средой, благодаря чему почти все химические элементы проходят в общей цепи превращений через биогеохимическое звено. Таким образом, жизнедеятельность организмов — это глубокий и мощный геологический процесс планетарного характера. Миграция химических элементов из организма в среду и обратно не прекращается ни на секунду. Эта миграция была бы невозможной, если бы элементарный химический состав организмов не был близок к химическому составу земной коры. В, И. Вернадский писал: «Организм имеет дело со средой, к которой не только он приспособлен, но которая приспособлена и к нему» .

Биомасса живого вещества продуцентов (зеленых растений) и консументов (животных и микроорганизмов) в океанической и континентальной частях биосферы неоднородна. Основная масса живого вещества биосферы (свыше 99,8%) сосредоточена на континентах. Вклад океаносферы в общую биомассу составляет только 0,13%.

Благодаря зеленым растениям, осуществляющим процесс фотосинтеза, в биосфере создаются сложные по строению молекулы органических веществ. Заключенную в них энергию используют для процессов жизнедеятельности гетеротрофные организмы. В этом состоит космическая функция зеленых растений биосферы. Без живого вещества работа солнечного луча сводилась бы лишь к перемещению газообразных, жидких и твердых тел по поверхности планеты и к временному их нагреванию. Живое вещество выступает в качестве гигантского аккумулятора и уникального трансформатора связанной лучистой энергии Солнца. Солнечная энергия без живого вещества не совершала бы на Земле созидательной деятельности, так как не могла бы ни удержаться на ней, ни преобразоваться в необходимую для этого энергию.

Улавливание солнечной энергии осуществляется преимущественно растениями. Но в удержании и преобразовании заключенной в них энергии Солнца, перемещении ее по поверхности, а также из внешнего в более глубокие слои планеты принимает участие все живое вещество. Этот процесс осуществляется благодаря размножению, последующему росту и перемещению организмов. Скорость размножения, по В. И. Вернадскому, — это скорость передачи в биосфере геохимической энергии.

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. Весь круговорот веществ в биосфере происходит благодаря одному источнику энергии — Солнцу. Между величиной поступающей на планету солнечной энергии и количеством образуемого живого вещества установилась тесная зависимость. Так, в результате многолетних исследований ученых разных стран удалось подсчитать, что ежегодно в биосфере образуется примерно 150−200 млрд т сухого органического вещества. Таким образом, создание учения о биосфере явилось важным достижением человечества. Впервые живая природа стала рассматриваться как целостная система, тесно взаимодействующая с абиотической средой. В. И. Вернадский заложил основы современных научных представлений о планетарном и космическом значении жизни, о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы.

Протяженность биосферы. На планете Земля различают несколько геосфер, в пределах которых существует жизнь.

Атмосфера — воздушная оболочка Земли. С высотой плотность воздуха быстро убывает: 75% массы атмосферы сосредоточено в слое до 10 км, 90% - до 15 км, 99% - до 30 км, 99,9% - до 50 км. Воздух, лишенный влаги и твердых примесей, состоит из азота (78,1%), кислорода (21%), аргона (0,9%), углекислого газа (около 0,03%) и незначительного количества некоторых других газов. Большое влияние на состояние атмосферы, т. е. на формирование погоды и климата, играют различные примеси — переменные составные части атмосферы. К важнейшим из них относится вода, которая в виде водяного пара содержится в нижнем 20-километровом слое атмосферы. Водяной пар вместе с углекислым газом, метаном и некоторыми другими примесями участвует в нагревании внутренних слоев атмосферы (так называемый парниковый эффект). Это обусловлено способностью атмосферы пропускать солнечную радиацию к поверхности Земли и поглощать отраженное от нее тепловое излучение. Благодаря парниковому эффекту температура в атмосфере растет с понижением высоты, и ее нижние слои оказываются теплыми.

Область биосферы простирается лишь в нижнем слое атмосферы — тропосфере (от греч. tropos — перемена). Высота тропосферы изменяется от 8−10 км в полярных широтах до 16−18 км на экваторе. Над тропосферой располагается стратосфера (от лат. stratum — слой) высотой 100 км. В ней на высоте 15−25 км свободный кислород под влиянием солнечной радиации превращается в озон (О 2-> О 3), который, образуя экран, поглощает губительное для живых организмов коротковолновое ультрафиолетовое излучение.

Литосфера (от греч. lithos — камень) — внешняя твердая оболочка планеты. В ней различают два слоя: верхний — слой осадочных пород с гранитом и нижний — базальтовый. Слои расположены неравномерно, поэтому в некоторых местах гранит выходит на поверхность. Граница распространения живого вещества в литосфере не опускается ниже 3−4 км. На такой глубине можно встретить лишь анаэробных бактерий. Наибольшая плотность живого вещества в литосфере отмечается в поверхностном слое земной коры — почве.

Гидросфера представляет собой совокупность вод океанов, морей, озер, рек, подземных вод и ледяных покровов. Гидросфера образует прерывистую водную оболочку планеты. Основная масса вод сосредоточена в Мировом океане, средняя глубина которого составляет 3,8 км, максимальная (Мариинская впадина Тихого океана) — 11,034 км. Незначительная часть гидросферы представлена пресными водами.

Живые организмы населяют всю толщу гидросферы вплоть до максимальных ее глубин, однако наибольшая их плотность приходится на поверхностные слои и прибрежье, прогреваемые и освещаемые солнцем. Зоны непосредственного контакта и активного взаимодействия литосферы, атмосферы и гидросферы плотнее всего заселены живыми организмами, так как в этих местах создаются наиболее благоприятные условия для жизни — оптимальные температура, влажность, наличие кислорода и необходимых для жизнедеятельности организмов химических элементов.

Биосфера пространственно неоднородна. Условия для жизни организмов в биосфере чрезвычайно разнообразны. Особенно они различаются в наземной и водной средах. Поэтому выделяют континентальную и океаническую части биосферы. [4]

Итак, выделяют несколько частей биосферы. Континентальная часть биосферы — суша — занимает 148 млн км 2, или 29% всей площади планеты. Особенностью ее является крайняя неоднородность, выражающаяся в наличии широтной и высотной зональности.

Широтная зональность обусловлена шарообразностью нашей планеты и наклоном ее оси вращения, вследствие чего земная поверхность неодинаково обеспечивается теплом и влагой. Наибольшее количество тепла получают тропические и субтропические пояса, наименьшее — полярные. Наблюдается большое различие и в обеспеченности разных областей влагой. Например, для тундры характерен избыток, а для пустынь — недостаток атмосферных осадков, области умеренных широт характеризуются средними величинами водообеспечения.

Высотная ландшафтная зональность континентальной части биосферы формируется в связи с тем, что с увеличением высоты местности воздух становится более разреженным, с меньшим содержанием кислорода, углекислого газа и водяных паров, а температура его понижается. Из-за недостатка углекислого газа и влаги нарушается нормальный ход фотосинтеза, поэтому на высотах более 6 тыс. м высшие растения не произрастают.

Океаническая часть биосферы занимает 361 млн км 2, или 71% площади планеты. Определяющими факторами жизни организмов в ней являются солевой и газовый состав воды, содержание биогенных элементов, глубина, подвижность вод. Для этой части биосферы также характерна зональность. По условиям жизни особенно различаются между собой полярные и экваториально-тропические зоны гидросферы, а также поверхностная ее часть, освещаемая солнцем, и глубинная зона, куда солнечный свет не проникает. Наиболее благоприятна для развития жизни в гидросфере небольшая по площади (8%) прибрежная зона — шельф, которая хорошо освещена и обогрета солнечными лучами, обеспечена достаточным количеством элементов минерального питания, поступающих из донных отложений и поверхности суши.

Наличие на нашей планете водной оболочки — гидросферы — и воздушной — атмосферы действительно является одним из ее самых заметных отличий от других планет Солнечной системы. Но главное отличие все же состоит в том, что на Земле существует живое вещество — растительный и животный мир. В связи с этим (как говорилось выше) в XIX веке французский биолог Ж. Б. Ламарк и австрийский геолог Э. Зюсс ввели понятие биосферы. Это искусственно созданное из греческих корней слово буквально означает" шар, наполненный жизнью, область жизни". Биосферой называется та часть литосферы, гидросферы и атмосферы Земли, в которой существует живое вещество. В ее состав входят не только растительный покров, животный мир и человечество, обитающие на планете, но и все реки, озера, водная масса океанов, почвенный слой, верхний слой земной коры, значительная часть тропосферы. На поверхности Земли практически нет участков, на которых отсутствует жизнь. Даже в жарких и безводных тропических пустынях, на поверхности высокогорных ледников и полярных льдов обнаружены микроорганизмы.

В современном содержании понятие биосферы было всесторонне рассмотрено ученым В. И. Вернадским. Он доказал, что вся совокупность живых организмов, обитавших и обитающих на Земле, играет огромную роль в ее геологической эволюции, во всех современных физических и химических процессах, которые протекают на земной поверхности и в водной толще океанов. Все живое вещество Земли сосредоточено в очень узкой части пространства, прилегающего к земной поверхности и измеряемого по вертикали всего лишь несколькими километрами. Это меньше толщины литосферы и тропосферы, взятых вместе. Что касается массы живого вещества, то доля всей совокупности живых организмов в общей массе Земли просто ничтожна и по отношению к массе биосферы составляет всего 0,25%.

Высказанные В. И. Вернадским взгляды о ведущей роли живого вещества в образовании современного химического состава атмосферы, гидросферы и части литосферы подтверждаются всем ходом развития науки. Эта роль обусловлена высокой геохимической активностью живых организмов: они способны усваивать солнечную энергию и, используя ее в процессе фотосинтеза, создавать из простых веществ соединения значительно более высокой сложности. Деятельность живых организмов на земной поверхности связана с цепочками разнообразных физико-химических превращений веществ — синтезом, трансформацией, распадом, непрерывно происходящими в биосфере. В результате этих превращений под прямым и косвенным влиянием живых организмов возникали в геологическом прошлом и возникают в настоящее время разнообразные земные образования, которые В. И. Вернадский предложил называть биокосными природными телами. Их объемы и значение для развития жизни на Земле позволяют сопоставить биосферу с другими геосферами даже количественно. Жизнь на нашей планете воплощается во множестве форм и на разных уровнях, но принципиально важно то, что она едина. Все формы и проявления жизни не существуют сами по себе, а связаны сложными взаимоотношениями в единый комплекс жизни. Эти взаимоотношения и связи удивительны. Именно они осуществляют биогенный круговорот веществ, то есть саму жизнь, и не дают ей прерваться. Взаимосвязи в биосфере очень стойки, но достаточно разорвать хотя бы одно звено или одну связь, и может погибнуть вся цепь взаимоотношений живой материи. Каждая из оболочек Земли, в которой существует биосфера, являет собой особую, неповторимую среду жизни. Наконец, поверхностный слой Земли представляет собой сложное структурное образование. Для существования в нем нужны развитые органы локации в темноте, способность рыть землю, обходиться малым количеством воздуха и многое другое.

Все это можно рассматривать как условия существования жизни. Но это и результат ее существования: наличие живых существ определяет современный химический состав и физические свойства воздуха, воды, почвы.

Таким образом, биосфера, с одной стороны, и среда жизни, с другой, — результат жизнедеятельности организмов. Специфика биосферы состоит в том, что в ней все время поддерживается связанный с деятельностью живых существ круговорот веществ и четко направленные потоки энергии. Это то, чего пока не найдено ни на каких других планетах. [20]

В течение миллиардов лет живое вещество на Земле использовало и в ходе образования биокосных тел трансформировало солнечную энергию. Ее значительная часть законсервирована в угле, нефти и других полезных ископаемых органического происхождения. Ее другая часть была использована для формирования различных горных пород биокосного происхождения (от осадочных известняков до метаморфических гранитов), накопления солей, растворенных в воде океанов, кислорода, входящего в состав земной коры. Все эти природные тела и их компоненты, по выражению В. И. Вернадского, представляют собой прямые и косвенные следы существования «былых биосфер». [18]

Непрерывность развития организмов на Земле составляет один из основных законов биологии, открытый Ж. Ламарком и Ч. Дарвином. Установлено, что чем древнее растения и животные, населявшие Землю, тем они были проще устроены. Наоборот, чем ближе к нашему времени, тем организмы становились более сложными и более похожими на современные. [18]

В настоящее время история Земли и жизни на ней делится на пять эр. Каждая эра состоит из нескольких периодов, а периоды складываются из эпох и веков. Наша эра называется кайнозойской, то есть эрой новой жизни. Ей предшествовали эры средней и древней жизни (соответственно, мезозойская и палеозойская). Самыми древними эрами являются протерозойская и архейская.

От начала архейской эры нас отделяет более 3 млрд лет. В слоях осадочных пород этой эры остатков организмов не обнаружено. В слоях же следующей, протерозойской эры, которая началась 2,5 млрд лет назад, обнаружены остатки водорослей и морских беспозвоночных животных. Судя по этим остаткам, в то время в теплых водах лагун обитало множество разнообразных одноклеточных организмов. Они использовали и растительные, и животные способы питания. Другими словами, на свету они были способны к фотосинтезу, в темноте — к питанию органическими веществами. Многоклеточные организмы, очевидно, произошли из колоний одноклеточных животных, в которых отдельные клетки могли специализироваться на выполнении различных функций — питания, движения, размножения, защиты выделения и т. д., — становясь как бы органами целого. Первыми наиболее просто устроенными многоклеточными организмами были губки, затем — кишечнополостные; от них впоследствии произошли черви. Некоторые из них перешли от плавания в воде к ползанию по дну. Это привело к тому, что их тела сплющились, появились различия между спинног и брюшной сторонами, начал обосабливаться головной отдел, образовались органы дыхания (жабры), сформировались органы движения, выделительная и кровеносная системы. Интересно, что соленость крови большинства животных и людей близка к солености морской воды.

Палеозойская эра началась 570 млн лет назад. В земной коре сохранилось достаточно много остатков и следов существ, живших в то время. Они свидетельствуют о том, что в середине эры произошло освоение растениями и животными суши. В то время в пресных водоемах уже обитали зеленые и сине-зеленые водоросли, бактерии, низшие грибы, одноклеточные корненожки жгутиковые, ресничные инфузории, а также беспозвоночные, кишечнополостные и черви. В периоды мелководий и засух водные растения, у которых начинали развиваться прообразы корней, выживали и постепенно расселялись в прибрежной полосе суши. Вместе с растениями на сушу начали переселяться сначала беспозвоночные, а потом и позвоночные. По-видимому, первыми из воды выбрались кольчатые черви, моллюски, а также предки наземных членистоногих.

Палеозойская эра состояла из шести периодов: кембрийского, ордовикского, силурийского, девонского, каменноугольного (или карбона) и пермского.

В частности, каменноугольный период начался 350 млн лет назад. В нем произошло наступление моря на сушу, горы сгладились. Большая часть Европейской равнины оказалась затопленной морем, образовались огромные заболоченные низины. В них стала развиваться наземная растительность. Древовидные папоротники, плауны и хвощи высотой до 50 м и диаметром до 3 м образовывали густые леса. Климат был теплый и влажный. У земноводных начали образовываться конечности, пригодные для хождения. Некоторые из них были похожи на змей, другие — на ящериц и крокодилов.

Для последнего периода палеозойской эры, пермского особенно характерно — больше количество костных рыб. Вымерли ракоскорпионы, трилобиты, многие кораллы, древние морские лилии и ежи, гораздо меньше стало амфибий. На суше появились леса из голосеменных, в том числе хвойные.

Эти изменения жизненной среды повлияли на развитие животных, в первую очередь позвоночных. Некоторые земноводные перестали откладывать яйца в воду, а начали зарывать их в песок или кучи гниющих растений. Появились первые пресмыкающиеся. Они не имели постоянной температуры тела, и с заходом солнца их жизненная активность падала. Скелеты, мускулатура, кровеносная и нервная системы пресмыкающихся были по сравнению с земноводными намного совершеннее. Вследствие своей большой активности они в короткий промежуток времени заселили огромные пространства и стали на планете господствующими. [22]

Мезозойская эра началась 230 млн лет назад и продолжалась около 160 млн лет. Она делится на три периода: триасовый, юрский и меловой. В начале мезозоя суша занимала громадные площади, но к его середине достаточно большая ее часть превратилась в море. В конце эры произошло мощное горообразование, и размеры материков увеличились. В морях широко распространились моллюски, на суше — пресмыкающиеся. Последние приспособились к жизни не только в море, но и на суше. В мезозое появились все высшие представители растительного и животного мира: цветковые растения, двукрылые и перепончатокрылые насекомые, костистые рыбы, птицы и млекопитающие, а также многочисленные двуногие архозавры. Хождение на двух ногах было удобно для жизни среди высоких растений: поднятое тело позволяло лучше и дальше видеть. В юрский и меловой периоды большие участки материков погрузились в море, климат стал мягким, ровным и теплым. В юрском периоде появились новые отряды пресмыкающихся, в том числе крокодилы и ящерицы. Некоторые из них были огромными: бронтозавры, диплодоки и брахиозавры достигали в длину 35 м, в высоту 9 м, а их масса достигала 60 т. Они были четвероногими, могли поднимать высоко шею, жили на побережьях морей и больших озер, питались мягкой растительной пищей. В юрском периоде появились первые млекопитающие. Очевидно, их возникновение связано с переходом от откладывания яиц, которые согревало в основном солнечное тепло, к развитию зародышей в утробе матери и их рождению непосредственно из нее. В конце юрского периода появились первые цветковые растения. В середине мелового периода новая растительность практически полно-стью вытеснила прежнюю. Благодаря появлению цветковых растений стали быстро развиваться такие высшие классы животных, как насекомые, птицы, млекопитающие. Последние, в свою очередь, сыграли большую роль в развитии цветковых растений: они способствовали перекрестному опылению цветов, а также распространению плодов и семян. В морях мезозоя жили ихтиозавры — рыбоящеры, похожие на дельфинов и достигавшие восьмиметровой длины. Они обладали спинными плавниками, ластами и рыбьими хвостами. Ихтиозавры превосходно плавали, но не могли выбираться на сушу и были живородящими. В воздухе носились летающие ящеры — птерозавры. Конец мезозоя сопровождался тем, что вымерли все группы динозавров и многие отряды пресмыкающихся. Причину их массовой гибели еще предстоит узнать. [23]

Кайнозойская эра началась около 70 млн лет назад. В ней различают четыре периода: палеогеновый, неогеновый, третичный, четвертичный. Из мира ящеров в эру новой жизни перешли ящеры, змеи, крокодилы, черепахи. Уже в начале эры появились все основные группы современных млекопитающих, в том числе и обезьяны. Важную роль в эволюции млекопитающих сыграло развитие цветковых растений. Например, оно привело к появлению обезьян: их основной пищей являются плоды, ягоды и семена. Четвертичный период, или антропоген, начавшийся около миллиона лет назад, характерен тем, что именно в это время сформировались современные флора и фауна. В начале антропогена началось похолодание, но в высоких широтах Северного полушария было еще относительно тепло. Поэтому растительный и животный мир теперешних умеренных и холодных поясов значительно отличался от современного. Например, в Евразии были широко распространены гигантские слоны, носороги, однопалые лошади, верблюды, антилопы, грызуны, похожие на гигантских бобров. Дальнейшее похолодание во второй половине антропогена привело к оледенению больших пространств Европы, Азии, Северной Америки. Многие млекопитающие не смогли приспособиться к новым условиям и вымерли. Остались мамонты, волосатые носороги, северные олени, овцебыки, волки, песцы, грызуны и другие немногочисленные животные. От одного из видов обезьян, ходивших на двух ногах с вертикальным положением туловища, в конце антропогена произошли наши предки — питекантропы, или обезьянолюди. Позже от них произошли первобытные люди (неандертальцы), а примерно 100 тыс. лет назад появились люди современного вида.

С течением времени различие между умеренной и арктической зонами приблизилось к современному. Считается, что преобладающее большинство ныне существующих диких видов растений и животных было на Земле уже около 20 тыс. лет назад.

Биосфера — область распространения живых организмов на планете Земля. Жизнедеятельность организмов сопровождается вовлечением в состав их тела разнообразных химических элементов, необходимых им для построения собственных органических молекул. В результате формируется мощный поток химических элементов между всем живым веществом планеты и средой его обитания. После гибели организмов и разложения их тел до минеральных элементов вещество возвращается во внешнюю среду. Так осуществляется непрерывный круговорот веществ — необходимое условие для поддержания непрерывности жизни. Наибольшая масса живых организмов сосредоточена на границе соприкосновения литосферы, атмосферы и гидросферы. По биомассе в океане преобладают консументы, на суше — продуценты. На нашей планете нет более активного и мощного в геохимическом отношении вещества, чем живое вещество. [4]

Круговорот веществ и приток солнечной энергии — основные условия существования биосферы. Деятельность живых существ в биосфере сопровождается потреблением из среды их обитания больших количеств разнообразных органических и неорганических веществ. После отмирания организмов и последующей минерализации их органических остатков высвободившиеся неорганические вещества вновь возвращаются во внешнюю среду. Так осуществляется биогенный (с участием живых организмов) круговорот веществ в природе, т. е. движение веществ между литосферой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Таким образом, под круговоротом веществ понимают повторяющийся процесс превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее выраженный циклический характер.

В круговороте веществ принимают участие все живые организмы, поглощающие из внешней среды одни вещества и выделяющие в нее другие. Так, растения потребляют из внешней среды углекислый газ, воду и минеральные соли и выделяют в нее кислород. Животные вдыхают выделенный растениями кислород; поедая растения, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют углекислый газ и непереваренные остатки пищи. При разложении бактериями и грибами отмерших растений и животных образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные, которые попадают в почву или водоемы и снова усваиваются растениями. Таким образом, химические элементы постоянно совершают миграцию из одного организма в другой, из почвы, атмосферы и гидросферы — в живые организмы, а из них — в среду их обитания. Эти процессы повторяются бесконечное число раз, весь атмосферный кислород проходит через живое вещество за 2 тыс. лет, весь углекислый газ — за 200−300 лет.

Непрерывная циркуляция химических элементов в биосфере по более или менее замкнутым путям называется биогеохимическим циклом. Необходимость такой циркуляции объясняется ограниченностью их запасов на планете. Чтобы обеспечить бесконечность жизни, химические элементы должны совершать движение по кругу. Круговорот каждого химического элемента является частью общего грандиозного круговорота веществ на Земле, т. е. все круговороты тесно связаны между собой.

Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока энергии. Основой биогенного круговорота, обеспечивающего существование жизни, является солнечная энергия. Заключенная в органических веществах энергия, передаваемая по ступеням пищевой цепи, уменьшается, потому что значительная ее часть поступает в окружающую среду в виде тепла или же расходуется на осуществление процессов жизнедеятельности (например, мышечная работа, движение крови у животных, передвижение растворов минеральных и органических веществ, транспирация у растений). Поэтому через структурные единицы биосферы — биогеоценозы — осуществляется непрерывный поток энергии и ее преобразование. Таким образом, биосфера может быть устойчивой только при условии постоянного круговорота веществ и притока солнечной энергии.

Вода — самое распространенное вещество в биосфере. Основные ее запасы (около 95%) сосредоточены в виде солено-горькой воды морей и океанов. Остальные воды — пресные. Воды ледников и вечных снегов (т.е. вода в твердом состоянии) и подземные воды совместно составляют свыше 97% всех запасов пресной воды. Лишь незначительная часть пресных вод заключена в озерах, реках, болотах и атмосфере (в виде водяного пара). Вода испаряется с поверхности морей и океанов и переносится от них воздушными потоками на различные расстояния. Большая часть испарившейся воды возвращается в виде дождя в океан, а меньшая — на сушу. С суши вода в виде водяного пара теряется также вследствие процессов испарения с ее поверхности и транспирации растениями. Вода переносится в атмосферу и в виде осадков возвращается на сушу или в океан. Одновременно с континентов в моря и океаны поступает речной сток воды.

Как видим, основу глобального круговорота воды в биосфере обеспечивают физические процессы, происходящие с участием Мирового океана. Роль живого вещества в нем, казалось бы, невелика. Однако на континентах масса воды, испаряемая растениями и поверхностью почвы, играет главную роль в круговороте воды. Масса воды, транспирируемая растительным покровом, весьма существенна. Так, 1 га леса испаряет примерно 20 — 50 т воды в сутки. Роль растительного покрова заключается также в удержании воды путем замедления ее стока, в поддержании постоянства уровня грунтовых вод и др. В результате такие зоны суши функционируют как бы на собственном замкнутом водном балансе. [17]

Следующий основополагающий компонент круговорота веществ в биосфере — углерод — обязательный химический элемент органических веществ. Огромная роль в круговороте углерода принадлежит зеленым растениям. В процессе фотосинтеза углекислый газ атмосферы и гидросферы ассимилируется наземными и водными растениями, а также цианобактериями и превращается в углеводы. В процессе же дыхания всех живых организмов происходит обратный процесс: углерод органических соединений превращается в углекислый газ. В результате ежегодно в круговорот вовлекаются многие десятки миллиардов тонн углерода. Таким образом, два фундаментальных биологических процесса — фотосинтез и дыхание обусловливают циркуляцию углерода в биосфере. Еще одним мощным потребителем углерода являются морские организмы. Они используют соединения углерода для построения раковин, скелетных образований. Из остатков отмерших морских организмов на дне морей и океанов образованы мощные отложения известняков. Цикл обращения углерода не полностью замкнут. Углерод может выходить из круговорота на довольно длительный срок в виде залежей каменного угля, известняков, торфов, сапропелей, гумуса и др. Отрегулированный круговорот углерода нарушает человек в ходе интенсивной хозяйственной деятельности. За счет сжигания огромного количества ископаемого топлива содержание углекислого газа в атмосфере за прошлое столетие возросло на 25%.

Азот — необходимый компонент важнейших органических соединений: белков, нуклеиновых кислот, АТФ и др. Основные его запасы сосредоточены в атмосфере в форме молекулярного азота, недоступного для растений, так как они способны использовать азот только в виде соединений. Пути поступления азота в почву и водную среду различны. Так, небольшое количество азотистых соединений образуется в атмосфере во время гроз (вместе с дождевыми водами они поступают в водную или почвенную среду), а также выделяется при извержениях вулканов. К прямой фиксации атмосферного молекулярного азота способны лишь некоторые прокариотические организмы: бактерии и цианобактерии. Наиболее активными клубеньковые бактерии, поселяющиеся в клетках корней бобовых растений. Они поставляют растению доступный азот в виде аммиака, который синтезируют из молекулярного азота. Аммиак хорошо растворяется в воде и образует ион NH 4 +, который усваивают растения.

После отмирания растения и разложения клубеньков почва обогащается органическими и минеральными формами азота. Значительную роль в обогащении азотистыми соединениями водной среды играют цианобактерии. Они могут развиваться в воде в массовом количестве, вызывая ее «цветение». Азотсодержащие органические вещества отмерших растений и животных, а также мочевина и мочевая кислота, выделяемые животными и грибами, расщепляются гнилостными (аммонифицирующими) бактериями до аммиака. Основная масса образующегося аммиака окисляется нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, после чего вновь используются растениями. Некоторая часть аммиака уходит в атмосферу и вместе с углекислым и другими газами участвует в создании парникового эффекта. Различные формы азотистых соединений почвы и водной среды могут восстанавливаться некоторыми видами бактерий до оксидов и молекулярного азота. Этот процесс называется денитрификацией. Результатом его является обеднение почвы и воды соединениями азота и пополнение молекулярным азотом атмосферы.

Процессы нитрификации и денитрификации были сбалансированы вплоть до начала интенсивного использования человеком азотных минеральных удобрений в целях получения больших урожаев сельскохозяйственных растений. В настоящее время из-за использования громадных объемов таких удобрений наблюдается накопление азотистых соединений в почве, растениях, грунтовых водах. Таким образом, роль живых организмов в круговороте азота является основной.

Круговорот веществ — основа бесконечности жизни на нашей планете. В нем принимают участие все живые организмы, осуществляя процессы питания, дыхания, выделения, размножения. Основой биогенного круговорота является солнечная энергия, которая поглощается фототрофными организмами и преобразовывается ими в первичное органическое вещество, доступное консументам. В ходе дальнейшей трансформации консументами разных порядков энергия пищи постепенно растрачивается, уменьшается. Поэтому устойчивость биосферы напрямую связана с постоянным притоком солнечной энергии.

В биогеохимических циклах углерода и азота основную роль играют живые организмы, в то время как основу глобального круговорота воды в биосфере обеспечивают физические процессы. [15]

В.И. Вернадский пришел к выводу о том, что для обеспечения своей устойчивости жизнь должна быть непременно представлена в разных формах. Действительно, если предположить, что жизнь зародилась где-нибудь в океане в форме только одного биологического вида, то через некоторое время он извлечет из среды все, что ему нужно, выделит отходы своей деятельности, усеет все дно морей своими останками, и на этом жизнь прекратится: превратить эти останки в минеральные вещества будет некому. Вот почему жизнь как устойчивое планетарное явление возможна только тогда, когда она разнокачественна. Эта разнокачественность в существующей на Земле биосфере характеризуется наличием трех составляющих: продуцентов, консументов и редуцентов. [20]

Трофическая иерархия биосферы выражается в сложных пищевых связях между составляющими ее видами, это совокупность организмов, объединенных типом питания. Автотрофные организмы (преимущественно зеленые растения) занимают первый трофический уровень (продуценты), далее следуют гетеротрофы: на втором уровне растительноядные животные (консументы 1 порядка); хищники, питающиеся растительноядными животными — на третьем (консументы 2 порядка); вторичные хищники — на четвертом (консументы 3 порядка). Сапротрофные организмы (редуценты) могут занимать все уровни, начиная со второго. Организмы различных трофических цепей, получающие пищу через равное число звеньев, находятся на одном Т. у. Соотношение различных Т. у. можно графически изобразить в виде пирамиды. [25]

Понятие о трофических уровнях. Трофический уровень — это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней.

Так, зеленые растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные животные — второй (уровень первичных консу-ментов), первичные хищники, поедающие травоядных, — третий (уровень вторичных консументов), а вторичные хищники — четвертый (уровень третичных консументов). Трофических уровней может быть и больше, когда учитываются паразиты, живущие на консументах предыдущих уровней.

Экологические пирамиды чисел, биомассы и энергии, изображенные в виде графических моделей, выражают количественные соотношения разных по способу питания организмов: продуцентов, консументов и редуцентов.

Продуцентами называются организмы, способные к фото — и хемосинтезу и являющиеся в пищевой цепи веществ первым звеном, созидателем органических веществ из неорганических. К продуцентам относятся практически все растения. [1]

Консументами называются организмы, являющиеся в пищевой цепи потребителями органического вещества. Консументы питаются растениями, животными или и растениями и животными. Различают консументы первого и второго порядка. К животным первого порядка относятся все растительнояд-ные животные, к животным второго — хищники. Редуцентами называются организмы, разлагающие мертвые органические вещества (трупы, отбросы) и превращающие их в неорганические вещества, которые могут быть усвоены вновь. К редуцентам относятся бактерии и грибы. В пищевой цепи редуценты относятся к консументам. Взаимодействие продуцентов, консументов и редуцентов обеспечивает постоянство, устойчивость биологического круговорота. Вследствие этого круговорота разнообразные формы жизни влияют на окружающую среду, организуют ее химизм, изменяют рельеф местности и микроклиматические условия. Зоны, в которых осуществляется биогенный круговорот, называются экосистемами или, как их назвал В. Н. Сукачев, биогеоценозами. Они представляют собой однородные участки земной поверхности с установившимися составами живых существ (биоценозов) и косных компонентов (почв, приземных слоев атмосферы, солнечной энергии), находящихся во взаимодействии. Последнее связано с обменом веществ и энергии. Вся совокупность биогеоценозов, имеющихся на Земле и осуществляющих биогенный круговорот веществ, составляет биосферу в целом.

Во всех биогеоценозах продуценты, консументы и редуценты составляют разнообразные наборы. Это является гарантией того, что если что-то случится с одним из видов, то его долю влияния на биосферу возьмут на себя другие виды, и биогеоценоз не разрушится. Взаимосвязь биогеоценозов обеспечивает устойчивость жизненных процессов на планете в целом. Эта гарантия обеспечивается также тем, что различных биогеоценозов много: если где-то на Земле произойдет какой-то катаклизм (извержение вулкана, опускание земной коры, наступление/отступление моря, геологический сдвиг, похолодание и т. п.), то другие биогеоценозы поддержат существование жизни и со временем восстановят равновесие. Например, после того как на острове Кракатау в результате извержения вулкана в 1883 году было полностью уничтожено все живое, через полвека жизнь на острове восстановилась.

Итак, биосфера — это система биогеоценозов. Каждый из них представляет собой самостоятельную биологическую систему, точнее подсистему. Она обеспечивает поддержание биогенного круговорота в конкретных географических условиях. Каждый биогеоценоз имеет свой набор видов, связанных друг с другом. Но взаимоотношения в биогеоценозах строятся не на уровне видов (ибо их представители могут обитать не только в данном биогеоценозе [8]) и не на уровне особей (ибо тут они в основном пищевые и потому кратковременные [8]), а на уровне популяций видов.

Под популяцией понимается совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений. Популяции за время совместной эволюции видов в составе биогеоценоза приспосабливаются друг к другу и стремятся устойчиво поддерживать соответствующие трофические цепи.

Пищевамя (трофимческая) цепь — ряды видов растений, животных, грибов и микроорганизмов, которые связаны друг с другом отношениями: пища — потребитель. Организмы последующего звена поедают организмы предыдущего звена, и таким образом осуществляется цепной перенос энергии и вещества, лежащий в основе круговорота веществ в природе. При каждом переносе от звена к звену теряется большая часть (до 80−90%) потенциальной энергии, рассеивающейся в виде тепла. По этой причине число звеньев (видов) в цепи питания ограничено и не превышает обычно 4−5.

В результате последовательности превращений энергии в пищевых цепях каждое сообщество живых организмов в экосистеме приобретает определенную трофическую структуру. Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно первого, второго и т. д. порядков) и редуцентами, выраженное или количеством особей живых организмов, или пх биомассой, или заключенной в них энергией, рассчитанными на единицу площади в единицу времени. [27]

Трофическую структуру обычно изображают в виде экологических пирамид. Эту графическую модель разработал в 1927 г. американский зоолог Чарльз Элтон. Основанием пирамиды служит первый трофический уровень — уровень продуцентов, а следующие этажи пирамиды образованы последующими уровнями — консументами различных порядков. Высота всех блоков одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне. Различают три способа построения экологических пирамид. [21]

Пирамида энергии отражает величину потока энергии, скорость про хождения массы пищи через пищевую цепь. На структуру биоценоза в большей степени оказывает влияние не количество фиксированной энер гии, а скорость продуцирования пищи.

Установлено, что максимальная величина энергии, передающейся на следующий трофический уровень, может в некоторых случаях составлять 30% от предыдущего, и это в лучшем случае. Во многих биоценозах, пищевых цепях величина передаваемой энергии может составлять всего лишь 1%.

В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий (закон 10 процентов), согласно которому с одного трофического уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Остальная часть энергии теряется в виде теплового излучения, на движение и т. д. Организмы в результате процессов обмена теряют в каждом звене пищевой цепи около 90% всей энергии, которая расходуется на поддержание их жизнедеятельности.