Функциональные связи в биосфере
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Три составные части биосферы – гидросфера, атмосфера и литосфера тесно связаны между собой, составляя единую функциональную систему. Функциональные связи составных частей биосферы, в том числе живого и костного вещества, включают взаимодействие процессов происходящих в них. Различают следующие основные виды функциональных связей в биосфере:

- материальные;

- энергетические;

- химические;

- информационные.

Материальные функциональные связи это, прежде всего, круговорот воды и химических элементов. Во-вторых, это энергетические связи как прямые – через теплоизлучение, так и опосредованные – через процессы фотосинтеза. Наконец имеют место и химические связи: поступление и растворение в водах О2 и СО2. Данный процесс поддерживает систему динамического равновесия в водной среде и имеет решающее значение в формировании условий жизни гидробионтов. Информационные связи в биосфере особенно широко распространены среди живых организмов. За миллионы лет эволюции животные и растения усвоили многие жизненно важные сигналы. Это - окраска, телодвижения, запахи, звуковые сигналы и т.д. Например, пчелы-разведчицы после возвращения в улей передают информацию о том, где расположен источник нектара. Фигуры и движения пчелиного танца содержат точные сведения о том, куда следует лететь за нектаром.

Почва многими своими функциями объединена с гидросферой и атмосферой. С гидросферой ее связывает постоянный вынос почвенных вод в водоемы. В почве происходит трансформирование поверхностных вод в грунтовые, которые участвуют в формировании речного стока. Переносимые с водой почвенные соединения участвуют в формировании биопродуктивности водоемов. Сорбционные свойства почвы защищают водоемы от загрязнения.

Поглощая и отражая солнечную энергию, почва выступает мощным фактором энергетического баланса биосферы и воздействует на атмосферные процессы. Почва участвует в регулировании круговорота воды в атмосфере и ее газовом режиме.

Почва возникла из литосферы и связана с ней прямым образом, оказывает воздействие на геохимические преобразования, служит источником вещества для образования минералов, горных пород, полезных ископаемых и способствует переносу аккумулированной солнечной энергии в глубокие слои литосферы. В наиболее общей форме значение почвы в биосфере можно определить как связующее звено биологического и геологического круговоротов.

В целом функциональная взаимосвязь составных частей биосферы превращает ее в генеральную саморегулирующую экосистему, обеспечивающую глобальный круговорот веществ. Особое положение в этой планетарной функции имеют многочисленные и разнообразные живые организмы, сумму которых акад. В.И.Вернадский назвал живым веществом. Масса живого вещества в биосфере составляет около 2400 млрд. т., что соответствует всего лишь 1/2100 массы атмосферы Земли и образует тонкую пленку на поверхности планеты. Но именно биосфера превращает ее в уникальное небесное тело. Это объясняется высокой химической активностью живого вещества. Химические и биохимические реакции, протекающие в живых организмах, осуществляются с участием мощных биологических катализаторов (ферментов) и по скорости в тысячи раз превосходят реакции в неорганическом мире. Кроме того, реакции с участием ферментов происходят при более низких температурах и в иных условиях чем, химические взаимодействия. Органические вещества превращаются в организме при температуре 370С и ниже, тогда как в абиотических условиях это происходит при высоких температурах (400-5000С и более). С участием ферментов происходят реакции на которых базируется глобальный круговорот вещества о масштабах которого можно судить по темпам оборота О2 и СО2 в процессе биосинтеза (Табл. 1)

 

Таблица 1 . Продуктивность фотосинтеза в биосфере 109 т/год (по С.В.Войткевич, 1983)

 

Биоциклы

Используются вещества

Создается вещества

СО2 Н2О СnН2nОn О2
Суша 253 103,5 172,5 184
Океан 88 36 60 64
Всего 342 139,5 231,5 248

Создавая органические вещества на основе фотосинтеза, фототрофы связывают солнечную энергию и как бы запасают ее. Последующее разрушение химических связей ведет к высвобождению «запасенной» энергии не только в результате использования органического топлива, но энергия передается в виде пищи по трофическим цепочкам и служит основой потоков энергии, сопровождающих биогенный круговорот веществ (Рис 12)

 

 

 


Солнце
.

Рис. 12. Упрощенная схема переноса вещества (сплошная линия) и энергии (пунктирная линия) в процессе биологического круговорота.

 

При всем многообразии конкретных форм продуцентов-автотрофов их общая биосферная функция едина и заключается в вовлечении элементов неживой природы в состав тканей организмов и таким образом в общий круговорот. Суммарная масса автотрофов-продуцентов составляет около 95% массы всех живых организмов в биосфере. Соотношение между различными элементами биосферы, между продуцентами, консументами и редуцентами являются величиной не случайной, а определенной. Для понимания этого Ч.Элтон (1927) выработал графические модели, которые назвал экологическими пирамидами (численности, биомасс, энергии).

Все эти экологические пирамиды показывают закономерное уменьшение основных показателей с повышением трофического уровня живых организмов.

Изучение различного типа экологических пирамид позволяет получать необходимые сведения о составе и функционировании определенных экосистем или их отдельных частей, а также определять степень воздействия антропогенных факторов на отдельные живые организмы или экосистему в целом.

Совместная деятельность различных организмов определяет закономерный круговорот отдельных элементов и химических соединений, включающий введение в состав живого вещества, преобразование в процессе метаболизма, выведение в окружающую среду и разрушение органических веществ, в результате чего освобождаются минеральные вещества, вновь включающиеся в биологические циклы. Процессы круговорота энергии и вещества происходят в конкретных экосистемах, но в полном объеме биохимические циклы реализуются лишь на уровне биосферы в целом.

Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота: поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество и отдают накопленную энергию во внешнюю среду. Такие большие или меньшие замкнутые пути были названы В.И.Вернадским «биогеохимическими циклами». Эти циклы можно подразделить на два основных типа: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. Во всех биогеохимических циклах активную роль играет живое вещество. В.И.Вернадский (1965) писал «Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы, действенная его энергия огромна. Живое вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени»

Огромное значение в биосфере имеют круговорот воды, азота, фосфора, серы, углерода и других веществ.

Углерод – его круговорот в биосфере начинается с фиксации атмосферного СО2 а процессе фотосинтеза в зеленых организмах и некоторых микроорганизмах. Суммарное уравнение фотосинтеза имеет следующий вид:

                   Солнечная энергия

6СО2 + 6Н2О                              С6Н12О6 + 6О2

При реакции выделяется свободный кислород, поступающий в атмосферу, что имеет громадное экологическое значение. У всех зеленых растений реакции фотосинтеза идентичны. У некоторых бактерий в процессе эволюции выработались иные биохимические пути синтеза сахаров. Так, фотосинтезирующие серные бактерии получают для синтеза необходимые компоненты из сероводорода, а не из воды. На интенсивность фотосинтеза влияют освещенность, температура и другие абиотические факторы. В процессе фотосинтеза энергия светового электромагнитного излучения преобразуется в химическую энергию соединений углерода (биомассу). Впоследствии при дыхании (либо самого растения, либо тех организмов, которые это растение поедают или разлагают) эти высокоэнергетические соединения расщепляются и окисленный углерод (СО2) возвращается в атмосферу. Мертвые растения и животные в конце концов разлагаются микроорганизмами почвы; углерод их тканей окисляется до СО2 в поступает в биосферу (чаще всего в атмосферу). Подобный круговорот имеет место в океане. Однако часть углерода при образовании и дальнейшем круговороте входит в состав органогенных горных пород (торф, уголь, горючие сланцы), другая – в водоемах участвует в образовании карбонатных пород (известняки, доломиты, мел). Особое место в современном круговороте углерода играет массовое сжигание органических веществ, преимущественно в виде топлива, и постепенное возрастание содержания СО2 в атмосфере, вызывающее так называемый «парниковый эффект».

Биогеохимический цикл кислорода является планетарным процессом, связывающим атмосферу, гидросферу и литосферу. Определяющей формой содержания кислорода в атмосфере является молекула О2, но еще встречается озон (О3) и атомарный кислород (О). Свободный кислород поддерживает жизнь (аэробных организмов), но и сам является продуктом жизнедеятельности организмов. Появление фотосинтезирующих организмов на Земле и насыщение атмосферы кислородом позволило жизни выйти из водной среды первобытного океана на сушу. До насыщения атмосферы кислородом и возникновения озонового слоя губительное ультрафиолетовое излучение Солнца не позволяло закрепиться жизненным формам на суше. В.И.Вернадский (1967) писал «Жизнь, создающая в земной коре кислород, тем самым создает озон и предохраняет биосферу от губительных коротких излучений небесных светил». Так возникли наземные формы жизни, которые в последующем частично возвратились в океан.

Круговорот кислорода в биосфере чрезвычайно сложен, так как сопровождается разнообразными химическими реакциями, с возникновением множества различных соединений органического и неорганического состава. В основном круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. Процесс продуцирования и выделения кислорода во время фотосинтеза зелеными растениями противоположен процессу его потребления гетеротрофами при дыхании. Незначительное количество кислорода образуется в процессе диссоциации молекул воды и озона в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовой радиации. Значительная часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях, природных пожарах и т.д. Подсчитано, что для полного обновления всего атмосферного кислорода потребуется примерно 2000 лет. Деятельность человека начала оказывать весьма ощутимое влияние на биогеохимический цикл кислорода.

Круговорот фосфора связан с процессами обмена веществ в растениях и животных. Общий круговорот фосфора как бы состоит из двух частей: наземной и водной. Огромные залежи фосфора, накопившегося за прошлые геологические эпохи, содержат горные породы (апатиты). В процессе выветривания и разрушения эти породы отдают фосфаты наземным экосистемам, однако значительная часть фосфатов выщелачивается и попадает в конечном итоге в океан. В морской воде фосфор переходит в состав фитопланктона, который служит пищей другим живым организмам, с последующим накоплением в тканях морских животных (рыб и др.), а часть оседает на большие глубины. Частичный возврат возможен с помощью морских птиц и благодаря рыболовству. Однако антропогенный фактор, в частности чрезмерное применение фосфатных удобрений в сельском хозяйстве, нарушает естественный круговорот фосфора. Избыток фосфатов в водоемах приводит к чрезмерному разрастанию растений, постепенному заиливанию и обмелению водоемов (авторофированию).

 


Адаптация в биосфере

Адаптация в биосфере – процесс приспособления живых организмов к определенным условиям внешней среды. У организмов развиваются конкретные морфологические и функциональные свойства, позволяющие им выжить и размножаться. Адаптации всегда развиваются под воздействием трех основных факторов – изменчивости, наследственности и естественного отбора (как и искусственного отбора – осуществляемого человеком). Организмы адаптировались к постоянно действующим периодическим факторам, но среди них важно различать первичные и вторичные.

Первичные это те факторы, которые существовали на Земле еще до возникновения жизни: температура, освещенность, приливы, отливы и др. Адаптация организмов к этим факторам наиболее древняя и наиболее совершенная.

Вторичные периодические факторы являются следствием изменения первичных: влажность воздуха, зависящая от температуры; растительная пища, зависящая от цикличности развития растений; ряд биотических факторов внутривидового влияния и др. Они возникли позднее первичных и адаптация к ним не всегда четко выражена.

Непериодические факторы обычно воздействуют катастрофически, могут вызвать болезни и даже гибель организма.

 

Как и любая биологическая система, организм обитает в сложных и изменчивых условиях среды, с которой поддерживает непрерывные и жизненно важные взаимосвязи, основанные на обменных процессах. Устойчивость внутренней среды организма, ее относительная самостоятельность, зависят от того, насколько структура и физиологические свойства организма сохраняют свои главные особенности на фоне меняющихся внешних условий. Именно в этом и заключается принцип гомеостаза на уровне организма.

Существует два типа приспособления к внешним факторам. Первый заключается в возникновении определенной степени устойчивости к данному фактору, способности сохранять функции при изменении силы воздействия. Это пассивный путь адаптации – адаптация по принципу толерантности. Такой тип приспособления формируется как характерное видовое свойство и реализуется преимущественно на клеточно-тканевом уровне. Примером может служить темная окраска кожи у жителей Африки, увеличение у них количества потовых желез.

Второй тип приспособления – активный. В этом случае организм с помощью специфических адаптивных механизмов компенсирует изменения, вызванные воздействующим фактором, таким образом, что внутренняя среда остается относительно постоянной. Активные приспособления – адаптация по резистентному типу,  поддерживают гомеостаз внутренней среды организма (пример пойкилотермные животные), адаптация по толерантному типу (пример – гомойотермные животные).

Источниками адаптивных изменений являются мутации – генетические изменения в организме, возникающие под влиянием естественных факторов, так и в результате искусственного влияния на организм.

 Примером адаптации может служить приспособительная окраска, как одно из важных средств пассивной защиты организмов. Многие животные средних и северных широт имеют белую окраску (песец, заяц, горностай). Скрывающая (расчленяющая) окраска, связанная с чередованием на теле животных темных и светлых полос (зебра, тигр), приводит к тому, что они плохо видны на открытой местности.

Очевидно, что если внешние условия в течение длительного времени сохраняются более или менее постоянными (сохраняют постоянный режим колебания вокруг какого-то среднего уровня), то в организме функции стабилизируются на уровне, адаптивном по отношению к этому среднему (типичному) состоянию среды. Именно такая стабилизация отражает положение зоны оптимума на шакале количественных изменений факторов (Рис. 2). Но полной идентичности условий, их абсолютной повторяемости в природе не бывает. В этом случае приспособление организма будет происходить за счет лабильных адаптативных реакции.

Таким образом, по принципиальному экологическому значению адаптивные механизмы можно разбить на две группы:

1. Механизмы, обеспечивающие адаптивный характер общего уровня стабилизации отдельных функциональных систем и организма в целом по отношению к наиболее общим и устойчивым параметрам среды обитания.

2. Лабильные реакции, поддерживающие относительное постоянство общего уровня стабилизации путем включения адаптивных функциональных реакций при отклонении условий среды от средних характеристик.

Эти два уровня адаптации действуют совместно, их взаимодействие обеспечивает точное приспособление функций организма к конкретным условиям среды, и в итоге – устойчивое его существование в условиях сложной и динамичной среды.

Наиболее ярким примером адаптации является мимикрия – подражание животных и растений определенным предметам живой и неживой природы. В 1862 году английский натуралист Г.Бейтс, изучая животных в Южной Америке, установил подражание незащищенного съедобного вида (имитатора) другому, неродственному ему виду, который опасен или невкусен для хищника (мимикрия Бейтса). Так многие виды безвредных змей сходны по внешнему виду с ядовитыми; безвредные мухи и бабочки часто подражают пчелам и осам и др. Такие имитаторы широко встречаются среди насекомых, амфибий, рептилий, птиц. Многие виды животных имеют сходную предупреждающую окраску, которая всем им приносит пользу. Так, у многих видов пчел и ос на теле имеются желтые и черные полоски, и хищники, часто сталкиваясь с несколькими видами-имитаторами, привыкают избегать их, что выгодно всем видам, входящим в «кольцо мимикрии».

Адаптация и акклиматизация человека

Под адаптацией подразумевают совокупность физиологических реакций, которые лежат в основе приспособления организма к климатическим особенностям, направленных на сохранение относительно постоянного внутренней среды . Физиологическая адаптация в жарком климате начинает проявляться через 7-10 дней после начала воздействия. Позднее биологическое приспособление к новым условиям усиливается, становится более стойким и эффективным.

Под акклиматизацией большинство ученых понимают приспособление человека, которое включает биологические и социальные механизмы адаптации. Таким образом, под акклиматизацией можно рассматривать сложный социально-биологический процесс приспособления человека (контингента людей) к жизни в изменившихся условиях внешней среды. В акклиматизации важную роль, кроме биологической, принадлежит социальной адаптации, те есть созданию благоприятных условий труда, быта, питания, образа жизни, которые способствовали физиологической адаптации и компенсировали отрицательные последствия. Акклиматизация является длительным процессом. Обычно она начинает проявляться через 1,5-2 мес., однако полное приспособление к условиям жизни и труда (физической средней тяжести и напряженной умственной) требует нескольких лет.

Биологическое приспособление человеческой популяции к условиям жаркого климата осуществляется в процессе филогенеза (у местных жителей - аборигенов) и онтогенеза (у аборигенов и приезжих).

Генетическая акклиматизация у коренных жителей проявляется физиолого-морфологическими особенностями организма, которые формируются под действием окружающей среды в процессе филогенеза. К признакам так называемой природной акклиматизации относятся; темный цвет кожи; курчавые волосы; удлиненные формы тела с относительно повышенной поверхностью испарения в аридных зонах и низкорослостью в юмидных; увеличенное количество потовых желез на 1 кв. см кожи; интенсивное потоотделение вследствие быстрого и равномерного включения большей численности потовых желез; меньшая концентрация NаСl и других компонентов пота; лучшее испарение пота за счет образования более мелких капель; редукция эндогенного синтеза жиров, вследствие чего отмечается незначительное отложение подкожного жира, что улучшает теплоотдачу; некоторое снижение основного обмена веществ.

Адаптация, которая отмечается в процессе онтогенеза, является следствием приспособления терморегуляции, метаболитической, циркуляционной и иных физиологических функций к условия жаркого климата. Адаптационные реакции появляются при условии повторного взаимодействия климатопогодных условий на организм, вследствие чего формируется новый динамический стереотип, который наиболее отвечает условиям тропического климата

Вопросы для самоконтроля:

1. Понятие о биосфере.

2. Структура биосферы.

3. Особенности живого вещества биосферы, классификация живых организмов.

4. Иерархия экосистем биосферы.

5. Функции биосферы, их характеристика.

6. Эволюция биосферы.

7. Функциональные связи в биосфере.

8. Круговорот углерода, кислорода и фосфора в биосфере.

9. Адаптация в биосфере.

10. Особенности адаптации человека.

 

Дата: 2019-02-25, просмотров: 556.