28. Биосфера — глобальная экосистема

Определения и обозначения

Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразуемая их жизнедеятельностью. В неё входят не только сами организмы, но и части атмосферы, гидросферы и литосферы, с которыми они взаимодействуют. Это понятие нужно, чтобы рассматривать жизнь как единую планетарную систему, а не как набор изолированных экосистем.

Живое вещество — совокупность всех живых организмов биосферы. Организмы извлекают химические элементы из среды, включают их в свои тела, а после отмирания возвращают в почву, воду и воздух. Поэтому живое вещество выступает главным накопителем и перераспределителем многих элементов.

Биогеохимический круговорот — циклическое перемещение химических элементов между живыми организмами и компонентами неживой природы. Например, углерод переходит из углекислого газа в органические вещества, а затем возвращается при дыхании и разложении. Понятие помогает понять, почему природные ресурсы могут возобновляться, но только при сохранении нормального хода циклов.

Ноосфера — этап развития биосферы, на котором разумная деятельность человечества становится значимым фактором её изменения. Человек уже влияет на климат, круговороты веществ, разнообразие организмов и состояние ландшафтов. Термин подчёркивает необходимость направлять хозяйственную деятельность с учётом законов природы.

Как это устроено

Биосферу называют глобальной экосистемой, потому что в ней сохраняется полный набор функциональных групп. Продуценты создают органические вещества, консументы получают их с пищей, а редуценты разлагают остатки и возвращают элементы в среду. Все природные экосистемы связаны переносом веществ, организмов и энергии, поэтому изменения в одной области могут отразиться на всей планете.

Биосфера состоит из нижней части атмосферы, всей гидросферы и верхних слоёв литосферы. Именно там встречаются условия, необходимые для жизни: вода, подходящая температура, источники энергии и химические элементы. Вся гидросфера включается в биосферу потому, что организмы обнаружены от поверхностных вод до глубоководных впадин, хотя плотность жизни на разных глубинах неодинакова.

Организмы не просто приспосабливаются к среде, а сами её преобразуют. Растения участвуют в образовании органического слоя почвы, корни разрушают породы, а микроорганизмы разлагают остатки и формируют плодородие. Фотосинтез изменил состав атмосферы, а накопление и захоронение остатков организмов способствовало образованию осадочных пород.

Энергия в биосфере движется однонаправленно, потому что при каждом переходе по цепи питания часть её рассеивается в виде тепла и не возвращается к Солнцу или продуцентам. Вещество устроено иначе: атомы углерода, азота, кислорода и других элементов переходят из среды в организмы и обратно. Поэтому для существования биосферы нужны постоянный приток энергии и замкнутые или почти замкнутые круговороты веществ.

Деятельность человека ускоряет или нарушает естественные циклы: вырубка лесов уменьшает поглощение углекислого газа, добыча топлива возвращает в атмосферу древний углерод, а удобрения меняют круговорот азота. Устойчивость биосферы зависит от разнообразия организмов, потому что разные виды поддерживают разные звенья пищевых сетей и процессов разложения. Чем больше взаимосвязей сохраняется, тем выше способность экосистем восстанавливаться после нарушений.

Компоненты и особенности биосферы

Таблица помогает разделить биосферу на неживые компоненты, живое вещество и процессы, связывающие их. При разборе любой экологической ситуации сначала определите, какой компонент изменился, а затем проследите его связи с остальными. Так можно увидеть не отдельный факт, а цепочку глобальных последствий.

Разбор задач

Задача 1

Условие: Определите, какие части Земли входят в биосферу, и объясните, почему вся гидросфера относится к её области.

1. Назовите основные оболочки Земли, в которых встречаются организмы: нижнюю атмосферу, гидросферу и верхнюю литосферу.
2. Уточните, что границы определяются не всей оболочкой целиком, а пределами распространения жизни.
3. Свяжите включение гидросферы с наблюдением организмов в поверхностных и глубоких водах.

Ответ: В биосферу входят нижняя часть атмосферы, вся гидросфера и верхние слои литосферы. Вся гидросфера относится к биосфере, потому что живые организмы обитают во всех её основных частях, включая большие глубины.

Задача 2

Условие: Проследите превращения углерода при фотосинтезе, питании животных, дыхании и разложении органических остатков.

1. При фотосинтезе растения поглощают углекислый газ и включают углерод в состав органических веществ.
2. Животные получают этот углерод, поедая растения или других животных, поэтому он перемещается по пищевым цепям.
3. При дыхании часть углерода возвращается в атмосферу в виде углекислого газа, а после отмирания организмов редуценты возвращают его при разложении.

Ответ: Углерод проходит путь «атмосфера — растение — животное — атмосфера или почва», а затем снова может быть поглощён продуцентами. Так проявляется связь живого вещества с неживой природой.

Задача 3

Условие: Проанализируйте последствия сведения лесов для круговорота углерода, газового состава атмосферы и устойчивости экосистем; предложите меры снижения воздействия.

1. После вырубки уменьшается число продуцентов, поэтому поглощается меньше углекислого газа и снижается образование кислорода.
2. Сжигание древесины и разложение растительных остатков дополнительно возвращают углерод в атмосферу, а разрушение местообитаний сокращает биоразнообразие.
3. Для снижения воздействия нужно сохранять ценные леса, восстанавливать вырубленные участки, предотвращать пожары и использовать древесину рационально.

Ответ: Сведение лесов нарушает круговорот углерода, меняет газовый состав атмосферы и ослабляет устойчивость экосистем. Наиболее эффективны охрана лесов, лесовосстановление и сокращение необоснованной вырубки.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Биосферой считают только совокупность организмов, забывая о воде, воздухе и породах. Так происходит из-за буквального понимания слова «сфера» как области жизни. Проверьте себя: назовите неживые компоненты, с которыми организм обменивается веществами.

Ошибка 2. Поток энергии смешивают с круговоротом веществ. Причина — и энергия, и вещества переходят по цепям питания, но энергия при этом рассеивается, а элементы возвращаются в среду. Для проверки спросите: может ли солнечная энергия многократно использоваться в том же виде?

Ошибка 3. Границей биосферы называют всю атмосферу или всю литосферу. Ошибка возникает, если не учитывать пределы распространения жизни. Проверьте ответ, указав конкретно нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхние слои литосферы.

Ошибка 4. Человека рассматривают как внешнюю силу, не относящуюся к биосфере. На самом деле человек является её частью, но его технологии сделали влияние особенно масштабным. Проверьте себя: можете ли вы назвать природный круговорот, который изменяется хозяйственной деятельностью?

Связь с другими темами

Для понимания биосферы нужны знания об уровнях организации живого, строении экосистем, пищевых цепях, фотосинтезе и работе редуцентов. Тема связана с химией и географией через круговороты углерода, кислорода и воды, состав атмосферы, гидросферу и литосферу. Далее эти знания применяются при изучении глобальных экологических проблем, охраны природы, устойчивого развития и перехода к ноосфере.

Что запомнить

• Биосфера — глобальная экосистема Земли.
• В неё входят нижняя часть атмосферы, вся гидросфера и верхняя часть литосферы.
• Живое вещество преобразует и перераспределяет химические элементы.
• Вещества в биосфере участвуют в круговоротах.
• Энергия поступает главным образом от Солнца и передаётся по цепям питания с потерями.
• Человеческая деятельность стала глобальным фактором изменения биосферы.
• Сохранение устойчивости биосферы требует поддержания биоразнообразия и природных круговоротов.