М.Э. Гусельников, В.Н. Стройнова
Биоэкология
Учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 2002. – 104 с.
Предыдущая |
3. Круговорот веществ и эволюция биосферы
Биогенная миграция атомов
Количество вещества в биосфере конечно, однако биосфера существует 3 — 4 млрд. лет, то есть практически бесконечно. Как объяснить это противоречие? Дело в том, что благодаря биогеохимическим циклам в кругообороте веществ одни и те же биогенные атомы многократно участвуют в жизни на Земле. Вещество в биосфере находится в состоянии непрерывного обновления с помощью биогенной миграции атомов в биогеохимических циклах отдельных химических элементов. Биогеохимические циклы — это перемещение и превращение химических элементов в биосфере при участии живого вещества. Биогенная миграция атомов — это перемещение атомов вещества при участии живого вещества.
Биогенная миграция атомов подчиняется трем принципам Вернадского:
1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному проявлению.
2. Эволюция видов, приводящая к появлению устойчивых форм жизни, всегда идет в направлении усиления биогенной миграции атомов.
3. Живое вещество биосферы находится в непрерывном химическом обмене с космосом и создается и поддерживается энергией Солнца.
Нарушение любого из трех принципов Вернадского ведет к неустойчивости и исчезновению жизни. Например, нарушение третьего принципа — изоляция от Солнца — ведет к исчезновению жизни в глубинах океана или под землей.
Кругооборот веществ поддерживается непрерывно благодаря солнечной энергии, поступающей в биосферу Земли из космоса. Например, весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 2 тыс. лет, углекислый газ — за 200 — 300 лет, а вся вода биосферы — за 2 млн. лет. Не полная замкнутость биогеохимических циклов приводит к тому, что в атмосфере накапливаются азот и кислород, а в земной коре — различные химические элементы и соединения. Какое значение имеют в биогеохимических циклах разные формы жизни? Клеточные формы жизни, такие как бактерии, являются автотрофами в своем большинстве и накапливают азот. Бактерии — гетеротрофы разлагают отмершие организмы и возвращают химические элементы в окружающую среду. Клеточные организмы, например растения, являются автотрофами и синтезируют с помощью фотосинтеза органическое вещество (углеводы) из неорганического: 6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2. Многоклеточные животные — гетеротрофы переносят органическое вещество в биосфере на большие расстояния. Таким образом, различные живые организмы участвуют в биогеохимических циклах кругооборота вещества в биосфере.
Основными биогеохимическими циклами являются циклы С, О, N, Н, P, S и биогенных катионов. Важными являются круговороты воды, углекислого газа, кислорода. Следует отметить особенности биогенной миграции атомов, наиболее распространенных во Вселенной и важных для жизнедеятельности живых организмов:
Углерод С: оборачивается посредством дыхания животных и фотосинтеза растений в составе СО2 и углеводов. Цикл незамкнут, разложение СО2 приводит к образованию С и оседанию атомов в океане или почве. Оттуда после окисления до СО2 возвращается в атмосферу. Участие человека нарушает естественный цикл, при сжигании топлив и увеличении транспортного потока в мегаполисах образуется избыток окислов углерода в атмосфере. Это приводит к появлению парникового эффекта и изменению климата;
Кислород О: в биосфере существует в виде озона О3, молекулярного О2 и атомарного О кислорода. Цикл незамкнут, озон, молекулярный и атомарный кислород накапливаются в основном в атмосфере. Вмешательство человека (транспортная проблема и сжигание топлив) в естественный природный цикл приводит к недостатку молекулярного кислорода в атмосфере больших городов и нарушению озонового слоя (озоновые дыры);
Азот N: является основной составляющей атмосферы. Фиксируется бактериями почвы, затем поступает в растения в виде нитратов и нитритов. Преобразуется в аммоний при помощи фотосинтеза. Цикл незамкнут, азот накапливается в почве и в атмосфере. Сельскохозяйственная деятельность человека нарушает естественный цикл и приводит к перенасыщению почвы азотом;
Водород Н: атом входит в состав воды и в свободном виде в природе практически не встречается. Поскольку круговорот воды является глобальным и происходит в основном без участия человека (осадки (конденсация), ветер, испарение), биогеохимический круговорот не нарушается;
Фосфор Р: особенность биогенной миграции фосфора состоит в том, что он в атомарном состоянии накапливается главным образом в морепродуктах. Накапливается также в почве (апатиты). Внесение сельскохозяйственных удобрений нарушает естественный цикл и приводит к избыточной концентрации фосфора в почве.
По отношению к круговороту веществ живые организмы классифицируются следующим образом:
1. ПРОДУЦЕНТЫ — автотрофные организмы, преобразующие неорганические соединения в органические посредством солнечной энергии. К ним относятся в основном растения.
2. КОНСУМЕНТЫ — гетеротрофные организмы, питающиеся продуцентами. Консументы первого порядка — растительноядные, консументы второго и более порядков — плотоядные.
3. РЕДУЦЕНТЫ (ДЕСТРУКТОРЫ) — организмы, разлагающие органические остатки до неорганического состояния. Редуценты осуществляют обратную связь в круговороте веществ. Это бактерии, грибы, микроорганизмы. Относятся либо к гетеротрофам, либо выделяются в отдельный класс организмов, осуществляющих обратную связь между органическим и неорганическим веществом.
Участие перечисленных организмов в круговороте веществ осуществляется благодаря ТРОФИЧЕСКИМ, или пищевым, цепям — связям между организмами, по которым передаются вещество и энергия. Схематично механизм круговорота веществ в биосфере изображен на рис. 3.1.
Функции живого вещества в биосфере
Из анализа биогенной миграции атомов и трофических цепей вытекают биосферные функции живого вещества Земли:
1. Энергетическая. Аккумулирование, получение из пищи, передача по трофическим цепям.
2. Концентрационная — накопление в ходе жизнедеятельности веществ, используемых для построения тела и удаляемых из организма.
3. Деструктивная. Минерализация (или разложение) неживого органического вещества.
4. Средообразующая — преобразование физико-химических параметров среды.
5. Транспортная — перенос вещества.
Эволюция биосферы
Исторически сложились три группы гипотез происхождения жизни на Земле:
1. Теории, в основе которых лежат религии.
2. Жизнь на Землю была занесена из Космоса.
3. Эволюционная теория.
Рассмотрим подробно третью гипотезу. Эволюция — это необратимый процесс исторического изменения жизни. Теория эволюции разработана Ч. Дарвиным в ХIХ в. и основана на четырех принципах:
1. Избыточное потомство. Все биологические виды способны давать большее потомство, чем это необходимо для простого воспроизводства родителей. Например, одна пара мышей способна давать по 6 мышат 6 раз в год (36 мышат). Более того, через 6 недель после рождения мышата способны давать потомство. Почему же Земля не наводнена мышами? Потому что не все потомство выживает и численность популяции имеет тенденцию к стабилизации.
2. Борьба за выживание. Среда воздействует на отдельные особи, стабилизируя численность популяции. Окружающая среда — это не только пища и условия для размножения, но и хищники и конкуренция. Поэтому в любой популяции не все особи выживают и дают потомство.
3. Некоторые существенные различия. Поскольку все отдельные особи индивидуальны, одни имеют больше шансов на выживание, другие — меньше. Например, мыши различны по окраске, одни светлее, другие темнее. Темные мыши легче выживают, поскольку неразличимы ночью и их меньше съедают совы.
4. Вопрос наследственности. Следует заметить, что при наследовании осуществляется обмен информацией между системами (например организмами детей и родителей). Наследственная информация передается от родителей к детям. Некоторые различия между особями одного вида — наследственные, например цвет шкурки у мышей. Поскольку темные мыши лучше выживают, в следующем поколении будет больше темных мышей, чем в предыдущем.
Через много поколений число хорошо адаптировавшихся особей в популяции возрастет. Дарвин назвал этот процесс естественным отбором. Таким образом, воспроизводство живого вещества происходит не простым штампованием, а путем эволюции — постепенных изменений в строении и функциях.
ЗАКОН ЭКОЛОГО-СИСТЕМНОЙ направленности эволюции: любые эволюционные изменения направляются внешними факторами окружающей среды и внутренними системными особенностями. То есть эволюция не является случайным процессом, а определяется внешними и внутренними причинами. Внутренними факторами могут быть мутации — скачкообразные генетические изменения, тогда скорость эволюции значительно увеличивается. Внешним фактором служит влияние системы более сложной организации. Например, для биосферы- это космос, для любой экосистемы — биосфера Земли, для популяции — сообщества, экосистема и биосфера.
Таким образом, биосфера является открытой системой высшей степени организации и порядка. Биосфера Земли связана обменными процессами с космосом. Внутри биосферы осуществляется обмен веществом, энергией и информацией — круговорот веществ. Биосфера является динамической системой и подвержена процессу эволюции.
Тест
1. Можно ли считать небиогенным круговорот следующих веществ в биосфере?
1. О2 2. СО2 3. Н2О
2. Являются ли автотрофные организмы:
1. Консументами 1 порядка.
2. Продуцентами.
3. Консументами 3 порядка.
3. Являются ли гетеротрофные организмы:
1. Продуцентами.
2. Редуцентами.
4. Какой вид обмена осуществляется с помощью трофических цепей?
1. Обмен энергией и информацией.
2. Обмен веществом и информацией.
3. Обмен энергией и веществом.
5. Являются ли биогеохимические циклы СО2, Н2О, О2, N2:
1. Незамкнутыми. 2. Замкнутыми.
6. Как вы оцените последствия вмешательства человека в биогеохимические циклы СО2, О2, N2 в биосфере?
1. Положительно.
2. Отрицательно.
3. Нейтрально.
Предыдущая |