Биосфера

Биосфера как биосистема

Все живое и каждый живой организм связаны с окружающей средой биологическим круговоротом веществ и потоком энергии. Потребляя и выделяя вещество и энергию, организмы оказывают влияние на среду обитания уже тем, что они живут. Воздействие на окружающую среду отдельной особи обычно невелико и малозаметно. Воздействие всех вместе взятых организмов (то есть всего живого вещества) оказывается мощной силой, преобразующей земную поверхность.

Например, только новой растительной массы в биосфере ежегодно образуется около 170 млрд тонн (по сухому весу). Из них 115 млрд тон дает суша и 55 млрд тон — Мировой океан. Так, примерно за миллиард лет фотосинтезирующие водоросли и наземные растения связали столько солнечной энергии и создали столько органического вещества, что оно могло бы покрыть всю Землю слоем толщиной в 2000 км. Однако этого не произошло, так как основная часть созданного растениями органического вещества была использована и разрушена в процессе жизнедеятельности гетеротрофов (животных, грибов, бактерий), возвращена в минеральном виде в косную часть биосферы.

Все составные компоненты биосферы — живое вещество, представленное в виде сообществ (биогеоценозов), и населенные жизнью части гидросферы, атмосферы и литосферы тесно связаны между собой единым круговоротом веществ и потоком энергии. В результате вся биосфера представляется как целостная живая система (биосистема). Ее функционально значимыми частями (компонентами) выступают биогеоценозы с их живым и косным веществом. Между этими компонентами биосферы происходит постоянный обмен веществом и энергией. Таким путем создается целостность биосферы как живой системы, или биосистемы.

Функциональная неоднородность организмов в биосфере

Целостность и устойчивое существование глобальной биосистемы во многом зависит от неоднородности ее состава — живых организмов, различающихся по их функциональному участию.

Все организмы по их роли, выполняемой в природных сообществах и в биосфере, разделяют на три группы. Одну группу представляют продуценты (от лат. producens - «создающий»), или создатели. Продуценты — это автотрофы, обладающие уникальной способностью создавать из неорганических соединений сложные органические соединения и запасать в их химических связях энергию. Другую группу составляют консументы (от лат. consumo - «потребляю»), или потребители. Консументы — это гетеротрофы, потребляющие органические вещества, созданные автотрофами и образующие из них другие органические вещества, которых нет у автотрофов. В третью группу входят редуценты (от лат. reduction - «возвращение»), или разлагатели. Редуценты также являются гетеротрофами, но способными перерабатывать различные отходы живых организмов и органические вещества мертвых тел, разрушая их до простых неорганических соединений.

Функции живых организмов в биосфере
Функции живых организмов в биосфере

Именно благодаря такой функциональной неоднородности живого вещества и возникла биосфера как целостность, как единая самоподдерживающаяся и саморегулирующася биологическая система.

Между компонентами биосистемы и окружающей средой образуется тесная связь в виде четырех звеньев: абиотическая среда, продуценты, консументы и редуценты. Завися друг от друга и обитая совместно, они создают особые структурные части биосферы — биогеоценозы. Все биогеоценозы Земли вместе создают глобальную биосистему.

Биосфера — это глобальная биосистема, в которой все компоненты, взаимосвязанные между собой, обеспечивают ее единство и целостность.

На взаимодействии организмов, создающих и разрушающих органическое вещество, основан круговорот веществ, обеспечивающий устойчивость и целостность (единство) биосферы.

Биосфера как экосистема

Биосистему, в которой организмы и неорганические факторы среды являются равнозначными компонентами и между ними постоянно поддерживается круговорот веществ, принято называть экологической системой или экосистемой. Поэтому биосферу часто называют глобальной экосистемой.

В биосфере как глобальной экосистеме функционируют два основных компонента: организмы как выразители живого вещества (продуценты, консументы, редуценты) и условия неживой природы. Оба компонента взаимодействуют между собой как равноправные компоненты единого биологического круговорота веществ.

Основные структурные компоненты глобальной экосистемы

Организованная в глобальную биосистему и экосистему, жизнь на Земле продолжается непрерывно уже миллионы лет. Поскольку экосистема получает энергию и вещества из окружающей среды и в окружающую среду удаляет свои продукты обмена, ее называют открытой системой. Все биосистемы, в том числе и глобальная экосистема нашей планеты, являются открытыми. В поддержании единства и целостности открытой глобальной экосистемы принимают активное участие солнечная энергия, химические элементы географических оболочек планеты, а также среда, окружающая биосферу.

Химические элементы географических оболочек планеты и энергия, поступающая от Солнца, через тела растений доходят по пищевым цепям до каждого гетеротрофного организма. Таким путем из многочисленных веществ, поддерживающих жизнь организмов разных видов, в биосфере создается круговорот веществ и поток энергии. Ввиду огромной роли живого вещества круговорот веществ в биосфере называют биологическим или биотическим.

В круговороте движения веществ их окружающей среды в живые организмы (продуценты) и поглощение ими солнечной энергии часто называют восходящим потоком, а разрушение органических веществ до минеральных (с помощью консументов и редуцентов) и удаление веществ и энергии в окружающую среду — нисходящим потоком. Экосистема устойчиво и длительно существует лишь в том случае, если наблюдается динамическое равновесие восходящего и нисходящего потоков круговорота веществ.

Для выяснения закономерностей устойчивости систем активно используются методы и понятия кибернетики — науки об управлении в системе. Среди них — информация, вход и выход информации, избыточность информации, обратная связь и др. Особенно важным для характеристики устойчивости экосистем являются понятия «информация» и «обратная связь».

«Информация» в биологии понимается как «сообщение» о состоянии экосистемы, как некое «действо» (сигнал) внутренней или внешней среды, вызывающее в ней отклик. Любой отклик в системе проявляется как обратная связь.

Понятие «обратная связь», или «петля управления», - это ответ на изменения (информацию), происходящие в экосистеме. Эти ответы, обычно нивелируя происходящие изменения, обеспечивают стабильность функционирования системы. Например, образование органических веществ продуцентами в экосистеме вызывает в качестве обратной связи действие консументов и редуцентов, перерабатывающих эту органику до неорганических веществ.

С помощью обратной связи система осуществляет управление многими процессами, происходящими в ней. На рисунке ниже показана упрощенная схема систем с прямой и обратной связью (петлей управления).

Схемы связей поддержания стабильности в экосистеме
Схемы связей поддержания стабильности в экосистеме:
А — посредством прямой линейной связи (пищевая цепь):
1 — растения; 2 — травоядные животные; 3 — плотоядные; 4 — паразиты;
Б — посредством петли обратной связи;
В — посредством избыточности функциональных компонентов: а, б, в — разные виды

На устойчивость и гомеостаз экосистемы особенно влияют избыточность информации и обратная связь. Избыточной информацией называют сигнал, который идет с превышением обычных норм, характерных для данной системы.