Биосфера қалай қызмет етеді?

Біздің планетамыз үнемі өзара әрекеттесетін өзара байланысты компоненттердің күрделі жүйесін білдіреді. Тірі организмдер жер шарының дерлік барлық бұрыштарын мекендейді, терең мұхит шұңқырларынан биік тау шыңдарына дейін. Барлық тіршілік иелерінің жиынтығы олардың мекендеу ортасымен бірге бірыңғай ғаламдық қабықты құрайды. Бұл грандиозды механизм үздіксіз жұмыс істеп, өмірге қолайлы жағдайларды қолдайды. Оның жұмыс істеу принциптерін түсіну табиғи тепе-теңдіктің нәзіктігін ұғынуға көмектеседі. Жердің тірі қабығының тұрақтылығын қамтамасыз ететін негізгі процестерді қарастырайық.

Тірі қабықтың құрылымы мен шекаралары

Биосфера планетаның бірнеше геологиялық сфераларын қамтып, олардың әрқайсысына белгілі бір тереңдікке енеді. Төменгі шекара литосфера арқылы өтеді, онда микроорганизмдер бірнеше шақырым тереңдікте табылған. Жоғарғы шегі барлық тіріні зиянды ультракүлгіннен қорғайтын атмосфераның озон қабатына жетеді.

Тіршіліктің тік таралуы біркелкі емес және қоршаған орта факторларының көптігіне байланысты. Организмдердің ең көп шоғырлануы жарық, су және қоректік заттар қолжетімді бет маңы аймақтарында байқалады. Терең су экожүйелері гидротермалдық көздер маңындағы хемосинтездің арқасында өмір сүреді.

Тірі қабықтың негізгі компоненттері келесі элементтерді қамтиды:

• атмосфералық қабат беттен шамамен 20 шақырым биіктікке дейін созылады, бірақ микроорганизмдердің споралары әлдеқайда жоғарыда табылады. Құстар мен жәндіктер ауа кеңістігін орын ауыстыру және аң аулау үшін белсенді пайдаланады. Бұл ортаның газ құрамы фотосинтездеуші тіршілік иелерінің тікелей қатысуымен қалыптасады;
• гидросфера планета бетінің үштен екісінен астамын алып жатқан маңызды мекендеу ортасын білдіреді. Мұхиттар микроскопиялық планктоннан алып киттерге дейін түрлердің орасан зор әртүрлілігін қамтиды. Өзендер мен көлдердің тұщы су экожүйелері өздерінің бірегей қауымдастықтарымен ерекшеленеді;
• литосфералық компонент топырақ жамылғысы мен жер асты қабаттарын олардың тұрғындарымен бірге қамтиды. Топырақ сансыз бактериялар, саңырауқұлақтар, құрттар мен жәндіктер үшін үй болып табылады. Өсімдіктердің тамыр жүйелері жоғарғы қабаттарды тесіп өтіп, күрделі жер асты желілерін құрайды;
• педосфера немесе топырақ қабығы тірі және өлі зат арасындағы өтпелі аймақ қызметін атқарады. Мұнда органикалық қалдықтардың ыдырауы және минералдық элементтердің босатылуы жүреді. Жерлердің құнарлылығы топырақ организмдерінің белсенділігіне тікелей байланысты.

Осы сфералардың өзара енуі тіршіліктің әртүрлі формаларының өмір сүруіне қолайлы үздіксіз кеңістік жасайды.

Экожүйелердегі энергия ағындары

Күн сәулеленуі планетадағы тірі тіршілік иелерінің басым көпшілігі үшін бастапқы энергия көзі болып табылады. Фотосинтездеуші организмдер жарық кванттарын ұстап, оларды органикалық молекулалардың химиялық байланыстарына түрлендіреді. Бұл процесс барлық қалған трофикалық деңгейлер үшін энергетикалық негіз қалайды.

Энергияның организмдер арасында берілуі қоректік тізбектер мен желілер арқылы жүреді. Әрбір келесі деңгей алдыңғыдан аз ғана үлес алып, қалғанын жылу түрінде жоғалтады. Бұл ереже жыртқыштардың өз құрбандарынан неліктен әрқашан аз болатынын түсіндіреді.

Энергия ағыны дәйекті трофикалық сатылар арқылы өтеді:

1. Продуценттер экологиялық пирамиданың негізін құрап, бейорганикалық компоненттерден органикалық зат жасайды. Құрлықтағы жасыл өсімдіктер мен мұхиттардағы фитопланктон жыл сайын миллиардтаған тонна көміртек байланыстырады. Олардың өнімділігі барлық жоғары тұрған деңгейлердің әлеуетті сыйымдылығын анықтайды.
2. Бірінші ретті консументтер органика өндірушілерімен тікелей қоректеніп, олар жинаған энергияны алады. Шөпқоректі жануарлар кішкентай жұлдызқұрттардан үлкен пілдерге дейін өсімдік биомассасын қайта өңдейді. Оларда азықты сіңіру тиімділігі 10-15 пайыздан сирек асады.
3. Екінші ретті жыртқыштар шөпқоректі тіршілік иелерін аулап, пирамиданың келесі сатысын алады. Қасқырлар, арыстандар мен акулалар өз құрбандарының санын бақылап, артық көбеюді болдырмайды. Олардың экологиялық тепе-теңдікті сақтаудағы рөлін асыра бағалау қиын.
4. Төбелік жыртқыштар қоректік тізбекті аяқтап, өз экожүйелерінде табиғи жаулары болмайды. Жолбарыстар, қосжақтаулар мен ақ аюлар тұтас биомдардың денсаулық индикаторлары қызметін атқарады. Олардың популяцияларының азаюы табиғи қауымдастықтардағы елеулі бұзылулар туралы сигнал береді.
5. Редуценттер өлі органиканы ыдыратып, қоректік элементтерді айналымға қайтарады. Бактериялар мен саңырауқұлақтар барлық қалған организмдердің қалдықтарын ерекшеліксіз қайта өңдейді. Олардың іс-әрекетінсіз планета өңделмеген материал үйінділерімен жабылар еді.

Энергетикалық заңдылықтарды түсіну экожүйенің кез келген деңгейіндегі өзгерістердің салдарын болжауға мүмкіндік береді.

Заттардың биогеохимиялық циклдары

Химиялық элементтер тірі организмдер мен өлі табиғат арасында үздіксіз қозғалады. Бұл айналымдар тіршілік әрекеті үшін қажетті материяның тұрақты жаңаруын қамтамасыз етеді. Әртүрлі заттардың айналу жылдамдығы бір-бірінен айтарлықтай ерекшеленеді.

Көміртек, оттек, азот және басқа элементтердің атомдары әртүрлі резервуарлар арқылы күрделі маршруттардан өтеді. Мұхиттар, атмосфера, топырақтар мен тірі ұлпалар осы компоненттермен әртүрлі уақыт масштабтарында алмасады. Тізбектің кез келген буынының бұзылуы каскадтық салдарларға әкелуі мүмкін.

Негізгі биогеохимиялық циклдар келесідей жұмыс істейді:

• көміртек айналымы атмосфералық газды фотосинтез арқылы органикалық затпен байланыстырады және тыныс алу кезінде оны кері босатады. Мұхиттар көмірқышқыл газының айтарлықтай бөлігін өз суларында еріте отырып сіңіреді. Қазба отын миллиондаған жылдар бойы жиналған органиканың ежелгі шөгінділерін білдіреді;
• азот циклі топырақтағы мамандандырылған бактериялардың атмосфералық газды байланыстыруынан басталады. Өсімдіктер нитраттар мен аммонийді сіңіріп, оларды ақуыз молекулаларына енгізеді. Денитрификация бос азотты ауа ортасына қайтарып, айналымды тұйықтайды;
• су айналымы мұхит бетінен буланумен, бұлттардағы конденсациямен және жауын-шашын түсумен біріктіріледі. Өсімдіктердің транспирациясы ылғалдың айтарлықтай көлемін атмосфераға қайтарады. Жерасты ағындары сұйықтықты теңіздерге қарай баяу жылжытады;
• фосфор циклі газ фазасының болмауымен ерекшеленеді және негізінен литосфера арқылы жүреді. Тау жыныстарының үгілуі ДНҚ мен мембраналар құруға қажетті осы элементті босатады. Шөгінді жиналымдар фосфорды белсенді айналымнан ұзақ уақытқа шығарады;
• күкірт жанартау шығарындылары, мұхит аэрозольдары мен органикалық қосылыстар арасында айналады. Бактериялар күкірт компоненттерін тотықтыру мен тотықсыздандыруда шешуші рөл атқарады. Қышқылды жауын-шашын күкірт оксидтерінің атмосфералық ылғалмен әрекеттесуінен қалыптасады.

Биогеохимиялық циклдардың тұрақтылығы биосфераның ұзақ мерзімді өмір сүруінің қажетті шарты болып табылады.

Өзін-өзі реттеу механизмдері

Планетаның тірі қабығы орта жағдайларының салыстырмалы тұрақтылығын сақтаудың таңғажайып қабілетіне ие. Теріс кері байланыстар параметрлердің оңтайлы мәндерден ауытқуын өтейді. Бұл принцип ұйымдастырудың барлық деңгейлеріндегі гомеостаздың негізін құрайды.

Джеймс Лавлок ұсынған Гея гипотезасы планетаны бірыңғай өзін-өзі реттейтін организм ретінде қарастырады. Осы тұжырымдамаға сәйкес тірі тіршілік иелері өз мекендеу ортасының физика-химиялық жағдайларын белсенді қалыптастырады. Сыншылар эволюциялық процестерде мақсаттылықтың жоқтығын көрсетеді.

Реттеуші механизмдер әртүрлі масштабтарда көрінеді:

1. Популяциялық бақылау жыртқыштар мен құрбандардың өзара әрекеттесуі арқылы жүзеге асырылып, сан мөлшерінің шамадан тыс өсуін шектейді. Классикалық мысал солтүстік ормандардағы қояндар мен сілеусіндердің сан ауытқуларын білдіреді. Аурулар мен паразиттер де табиғи қауымдастықтарда реттеуші қызмет атқарады.
2. Экожүйелер сукцессиясы бұзылулардан кейін қауымдастықтардың дамуын тұрақты климакстық күйге бағыттайды. Тасталған егістіктер біртіндеп бұталармен қаптап, содан кейін толыққанды орманға айналады. Әрбір сатысы болжамды бірізділік жасай отырып, келесі үшін жағдайлар дайындайды.
3. Климаттық тұрақтандыру өсімдіктердің бет альбедосы мен ылғал айналымына әсерінің арқасында жүреді. Тропикалық жеңгелдер жапырақтардан қарқынды булану арқылы өз жауын-шашынын генерациялайды. Ормандарды кесу аймақтық климаттық режимдерді бұзады.
4. Мұхиттардың буферлік жүйелері атмосферадан артық көмірқышқыл газы мен жылуды сіңіреді. Теңіз суының карбонаттық тепе-теңдігі қышқылдықтың күрт ауытқуларына кедергі келтіреді. Алайда шамадан тыс жүктеме Дүниежүзілік мұхиттың буферлік сыйымдылығын біртіндеп сарқады.

Реттеуші процестерді түсіну табиғи жүйелердің антропогендік әсерге реакциясын алдын ала болжауға көмектеседі.

Тұрақтылықтағы биоәртүрлілік рөлі

Экожүйелердің түрлік байлығы олардың сыртқы бұзылуларға қарсы тұру қабілетімен тікелей байланысты. Әртүрлі қауымдастықтар маңызды экологиялық рөлдерді қайталайтын функционалдық топтарды көбірек қамтиды. Бір түрдің жоғалуы функциясы бойынша жақын организмдердің іс-әрекетімен өтеледі.

Популяциялар ішіндегі генетикалық өзгергіштік өзгермелі жағдайларға бейімделу үшін материал қамтамасыз етеді. Біртекті дара топтары жаңа патогендер мен климаттық өзгерістер алдында осал. Мәдени өсімдіктердің жабайы туыстарының генофондын сақтау азық-түлік қауіпсіздігі үшін аса маңызды.

Биоәртүрлілік экожүйелердің жұмыс істеуін бірнеше жолмен қолдайды:

• тозаңдандыруды әлемнің әртүрлі аймақтарындағы жәндіктердің, құстардың және тіпті сүтқоректілердің көптеген түрлері қамтамасыз етеді. Жеткілікті әртүрлілік жағдайында бір тозаңдандырушылардың жоғалуын басқалары өтей алады. Монодақылды ауыл шаруашылығы ландшафттары осы көмекшілердің азаюына ерекше осал;
• топырақ түзілуі бактериялардың, саңырауқұлақтардың және омыртқасыз жануарлардың мыңдаған түрлерінің белсенділігіне байланысты. Әрбір топ органикалық қалдықтарды қайта өңдеу бойынша арнайы міндеттерді орындайды. Топырақ қауымдастықтарының деградациясы жерлердің құнарлылығының сарқылуына алып келеді;
• зиянкестерді биологиялық бақылауды жыртқыштар мен паразиттер жүзеге асырып, ықтимал қауіпті түрлердің көбеюін тежейді. Теңгерілген экожүйелер жекелеген организмдердің сан жарылыстарынан сирек зардап шегеді. Пестицидтерді қолдану мақсатты объектілермен бірге табиғи реттеушілерді де жояды;
• инвазияларға тұрақтылық барлық экологиялық қуыстар жергілікті организмдермен толтырылған түрлерге бай қауымдастықтарда жоғары. Кедейленген экожүйелер агрессивті бөтен келімсектермен оңайырақ отарланады. Аралдық биоталар интродукцияланған бәсекелестер мен жыртқыштардан ерекше зардап шегеді.

Биологиялық әртүрлілікті сақтау ғаламдық тіршілікті қамтамасыз ету жүйесінің тұрақтылығына салынған инвестиция болып табылады.

Тірі қабықтың жұмыс істеуін зерттеу адамзаттың табиғатпен үйлесімді қатар өмір сүруіне перспективалар ашады. Технологиялық прогресс биосфералық процестер қоятын шектеулерді ескеруі тиіс. Бұзылған экожүйелерді қалпына келтіру олардың ішкі механизмдерін терең түсінуді талап етеді. Өркениеттің болашағы шаруашылық қызметті планетаның табиғи циклдарына интеграциялау қабілетіне байланысты.