возможность возникновения органического вещества из неорганического в условиях древней Земли подтверждена экспериментально. Согласно положениям теории Опарина, развитие земной оболочки шло по пути усложнения образующихся органических веществ. На определенном этапе неживая природа (сложные органические вещества) перешла в живую – образовалась живая клетка, способная воспроизводить подобные себе структуры. Промежуточной стадией между живой и неживой природой, согласно Опарину, были коацерваты – студнеобразные сгустки сложных органических веществ, которые могли увеличиваться в размерах или, наоборот, распадаться на части. Следует отметить, что эта часть теории Опарина не доказана экспериментально. Процесс перехода неживой природы в живую остается не вполне ясным.
Развитие живого вещества Земли сопровождалось изменением всего облика планеты. В результате появившихся процессов фотосинтеза и хемосинтеза сильно изменился состав атмосферы – в ней образовалось значительное количество кислорода. В верхних слоях атмосферы кислород превращался в озон – таким образом вокруг Земли возник озоновый слой, позволивший живой природе покрыть всю поверхность планеты.
Под воздействием первых микроорганизмов образовалась почва – верхний слой литосферы. Дальнейшее развитие биосферы Земли характеризуется все большим усложнением живых организмов – от микроорганизмов до млекопитающих – и, наконец, появлением в биосфере человека.
Современный человек является мощной преобразующей природу силой и оказывает прямое и косвенное воздействие на природные процессы. Согласно учению Вернадского, постепенно биосфера Земли должна перейти в ноосферу – сферу разума, характеризующуюся разумным регулированием взаимоотношений природы и человека. Человек при помощи разума должен так организовать свою деятельность, чтобы она не нарушала нормального течения природных процессов. Только при этом условии возможно дальнейшее существование и развитие биосферы.
Рассматривая структуру биосферы, Вернадский выделил в ней три основных компонента: живое, косное и биокосное вещества. Эти компоненты биосферы не существуют раздельно, а тесно связаны между собой материально-энергетическими и информационными потоками.
Живое вещество – это совокупность растительного и животного мира, а также все человечество.
Вес живого вещества составляет незначительную часть от веса всего вещества биосферы. Однако именно живое вещество играет важнейшую роль во многих геологических процессах, изменяя облик Земли.
Живое вещество является основным компонентом биосферы, определяющим ее эволюцию. В ходе различных биологических процессов
– дыхания, питания, фотосинтеза и др. – живые организмы изменяют окружающую среду, меняют состав, влияют на круговорот многих веществ.
Изменения в живом веществе происходят во много раз быстрее, чем в неживой природе. Причиной этого является то, что все биологические процессы катализируются (ускоряются) биологическими катализаторами – ферментами, немного более активными, чем неорганические катализаторы.
Косное вещество – это окружающие живые организмы – объекты неживой природы: атмосферный воздух, вода, горные породы и т.п. Косное вещество тесно связано с живой природой – существует постоянная миграция атомов различных химических элементов из косного вещества в живое и обратно.
Биокосные тела представляют собой объекты неживой природы, преобразованные живыми организмами. К биокосным телам относится почва, воды многих поверхностных водоемов, химический состав которых сформировался под действием микроорганизмов.
Биокосные тела состоят из косных и живых тел и являются, согласно учению В.И. Вернадского, результатом деятельности былых биосфер, существовавших в более ранние геологические эпохи.
Эволюция биосферы охватывает все ее компоненты: развитие живого вещества сопровождается изменением находящихся с ним в контакте биокосных тел и постепенным преобразованием других объектов неживой природы – косного вещества.
1.3.Экосистема, ее структура. Биотическое сообщество
иабиотическая среда
Основным предметом экологии как науки, изучающей взаимодействие живых организмов с окружающей средой, является экологическая система, или экосистема.
Экосистемой называется безразмерная устойчивая система компонентов живой и неживой природы, в которой осуществляется внешний и внутренний круговорот веществ, переход энергии и обмен информации. Термин "экосистема" был предложен в 1935г. английским экологом А. Тэнсли и в настоящее время является общепринятым.
Любая экосистема является сложной структурой, состоящей из двух основных частей: биотических компонентов (биота, или биотическое сообщество) и абиотических компонентов (экотоп).
Структура экосистемы:
*Биотическое сообщество (биотоп) – совокупность всех живых организмов (живое вещество – растения, животные, микроорганизмы и пр.), входящих в данную экосистему.
*Абиотическая среда (экотоп) – совокупность компонентов неживой природы (биокосное и косное вещество), входящих в экосистему.
К абиотической среде относятся:
– химические вещества (органические и неорганические), находящиеся в постоянном круговороте между живой и неживой природой;
– вода, воздух, почва и горные породы, присутствующие в экосистеме;
– климатический режим местности (освещенность, температура, количество осадков и т. д.);
– другие компоненты неживой природы, составляющие среду обитания живых организмов экосистемы.
Таким образом, экосистема включает в себя все живые организмы, обитающие на данном участке, а также находящееся с ними во взаимодействии косное и биокосное вещество.
В качестве примера можно привести экосистему водоема, которая состоит из биоты (планктона, высших растений, водных организмов и т.д.), находящихся в тесном взаимодействии с экотопом (водной средой, грунтом, климатическими факторами и т.д.). Причем между биотой и экотопом осуществляется постоянный обмен веществом, энергией и информацией.
Согласно современной терминологии к экосистеме можно отнести любую, без учета масштаба, систему абиотических и биотических компонентов, находящихся в более тесном взаимодействии между собой, чем с окружающей средой. В зависимости от величины выделяют следующие уровни экосистем:
1.Глобальная экосистема – это биосфера Земли, представляющая собой совокупность биотических и абиотических компонентов планеты.
2.Макроэкосистемы – экосистемы, занимающие значительные территории на земной поверхности; к ним относятся океаны, континенты, тундра, тайга и т.п.
3.Мезоэкосистемы – экосистемы среднего уровня, меньше по масштабу, чем макроэкосистемы; это поля, реки, озера, степи и т.п. природные объекты.
4.Микроэкосистемы – к ним можно отнести муравейник, старый пень
влесу с обитающими на нем многочисленными живыми организмами, комнатный аквариум, обычную лужу и т.д.
Все экосистемы делятся на природные и антропогенные (то есть созданные человеком).
Природные экосистемы обычно достаточно устойчивы – они самопроизвольно обмениваются веществом и энергией с окружающей средой и за счет этого могут существовать долгое время. Экосистемы, обладающие отлаженным обменом веществом и энергией с внешней средой, называются открытыми.
Многие антропогенные экосистемы являются закрытыми – они лишены возможности самостоятельно обмениваться необходимыми компонентами с окружающей средой. Для поддержания стабильности во времени закрытых экосистем необходимо искусственно создавать в них внешние потоки вещества и энергии.
Примером закрытой экосистемы является обычный комнатный аквариум. Без вмешательства человека такая экосистема постепенно деградирует. Для поддержания стабильности требуется искусственно осуществлять круговорот веществ: вносить корм, очищать дно и стенки аквариума, проводить аэрацию (насыщение воды воздухом).
Таким образом, для продолжительного существования природных и антропогенных экосистем любого уровня необходимо выполнение следующих условий:
1.Поступление достаточного количества энергии от окружающей среды, ее накопление, преобразование в другие виды энергии и экспорт в окружающую среду.
2.Круговорот веществ (самопроизвольный или искусственный) между экосистемой и внешней средой.
В экосистеме существует внутренний круговорот веществ: различные органические и неорганические вещества могут использоваться многократно и поочередно входить в состав различных компонентов экосистемы. Чем лучше организован внутренний круговорот веществ, тем автономнее экосистема.
В отличие от потока веществ, поток энергии направлен в одну сторону: энергия поступает от окружающей среды, преобразуется в другие виды энергии или накапливается в виде запаса энергии в органическом веществе и экспортируется в окружающую среду. Следует отметить, что большая часть получаемой экосистемой энергии рассеивается в виде тепла
–в форме энергии, наименее пригодной для использования.
Таким образом, даже при хорошо отлаженном внутреннем круговороте веществ необходимо постоянное поступление в экосистему новых порций энергии, компенсирующих энергетические потери.
Только выполнение перечисленных условий поддерживает экологическое равновесие и осуществляет развитие экосистем.
1.4. Уровни организации жизни на Земле
Биосфера Земли является сложноорганизованной структурой, состоящей из большого количества элементов.
Входящие в состав биосферы биологические системы сильно различаются по своему масштабу, образуя различные уровни организации жизни на Земле.
Экология изучает структуры высшего уровня: от систем организмов до биогеоценозов (экосистем на определенном участке), образующих биосферу. Любая система высшего уровня слагается из определенного количества подсистем низших уровней, тесно взаимодействующих между собой и дополняющих характеристики друг друга. В результате этого при переходе от системы более низкого уровня к системе высокого уровня возникает хотя бы одно новое свойство. Это является основой принципа эмерджентности (от англ. «Emergent» – неожиданно появляющийся). Согласно этому принципу при каждом объединении сложных компонентов в новую систему возникают новые (так называемые "эмердментные") свойства, дополняющие сумму свойств всех компонентов. Ниже рассмотрены различные уровни организации живой природы, изучаемые экологией.
1.5. Организм и среда обитания
Организменный – это первый уровень организации жизни, изучаемый экологией. Отдельный живой организм входит в системы более высокого уровня (популяции, биоценозы, биотические сообщества) как подсистема низшего уровня.
Большинство организмов имеет клеточное строение, то есть представляет собой систему живых клеток (хотя на Земле существуют и внеклеточные формы жизни – вирусы). Простейшие организмы состоят всего из одной клетки (одноклеточные), более сложные – из миллиардов различных клеток.
Таким образом, организм является сложной системой, включающей в себя подсистемы более низкого уровня.
На уровне отдельного организма осуществляется обмен веществом и энергией с окружающей средой, поэтому каждый живой организм является самостоятельной системой, находящейся в тесном взаимо-действии с окружающей средой. Обмен веществом и энергией на организменном уровне осуществляется при помощи согласованного действия различных систем органов. Любой организм способен самостоятельно поддерживать равновесие с окружающей средой, а также адаптироваться к изменяющимся условиям среды.
Все физиологические процессы, осуществляющиеся на уровне организма, можно разделить на две группы: