29. Закономерности существования биосферы

Определения и обозначения

Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная их жизнедеятельностью. К ней относят области атмосферы, гидросферы и верхней части литосферы, где существует жизнь. Это понятие нужно, чтобы рассматривать жизнь как планетарную систему.

Живое вещество — совокупность всех живых организмов биосферы, рассматриваемая как единое геологическое образование. Организмы не только населяют планету, но и изменяют состав воздуха, воды и почвы. Термин помогает понять масштаб влияния жизни на Землю.

Биогеохимический цикл — круговорот химических элементов между живыми организмами и компонентами неживой природы. Например, углерод и азот переходят из воздуха и почвы в организмы, а затем возвращаются в среду. Благодаря циклам вещества не исчезают после использования.

Саморегуляция биосферы — поддержание относительного равновесия её состояния благодаря взаимодействию организмов и среды. Если численность одного вида меняется, связанные с ним популяции и условия среды реагируют на это. Саморегуляция объясняет устойчивость биосферы, но не означает восстановление после любого нарушения.

Как это устроено

Биосферу считают целостной системой, потому что её части соединены пищевыми связями, круговоротами веществ и потоками энергии. Например, уменьшение хищников вызывает рост численности травоядных, а те сильнее поедают растения. Значит, изменение одной популяции постепенно отражается на растительности, почве и других организмах.

Живое вещество преобразует биосферу благодаря совокупной работе организмов. Растения создают органическое вещество и меняют соотношение газов в атмосфере, корни участвуют в разрушении пород, а микроорганизмы и животные образуют почву. Разложение остатков возвращает химические элементы в среду и перераспределяет их между оболочками Земли.

Вещества в биосфере совершают круговорот, потому что разрушители расщепляют остатки организмов до соединений, доступных растениям и микроорганизмам. Так элементы снова включаются в состав живого вещества. Энергия ведёт себя иначе: солнечная энергия проходит через пищевые уровни, часть используется организмами, а значительная доля рассеивается в виде тепла и не возвращается в прежнюю форму.

Саморегуляция поддерживает устойчивость за счёт отрицательных обратных связей. Если численность жертв возрастает, хищникам становится доступно больше пищи, их численность увеличивается, и давление на жертв усиливается. Подобные связи ограничивают чрезмерные изменения, хотя при слишком сильном воздействии могут оказаться недостаточными.

Существование биосферы подчиняется периодичности и неравномерности, поскольку условия среды меняются во времени и пространстве. Освещённость и температура задают суточные и сезонные ритмы, а климатические колебания формируют многолетние изменения. В разных областях Земли организмы живут при неодинаковых условиях, поэтому их активность и состав сообществ различаются.

Основные закономерности существования биосферы

Таблицу удобно читать построчно: сначала назвать закономерность, затем объяснить механизм и привести пример. Последний столбец показывает, какую роль это свойство играет в работе биосферы.

При анализе ситуации можно сопоставлять несколько строк одновременно. Например, вырубка леса затрагивает и круговорот углерода, и поток энергии, и устойчивость природного сообщества.

Разбор задач

Сокращение численности волков

Условие: после сокращения численности волков увеличилось число травоядных, а растительный покров начал уменьшаться. Нужно определить проявляющиеся закономерности.

1. Волков стало меньше, поэтому ослабло хищническое давление на травоядных.
2. Численность травоядных увеличилась, и они стали потреблять больше растений.
3. Уменьшение растительного покрова показывает, что изменение одной популяции повлияло на другие компоненты сообщества.
4. Если растительности становится меньше, пищевые связи и численность организмов начинают перестраиваться.

Ответ: проявились целостность биосферы и саморегуляция. Цепь «волки — травоядные — растения» показывает взаимозависимость организмов, а изменение численности популяций — действие обратных связей.

Нарушение деятельности почвенных бактерий

Условие: нужно объяснить, почему нарушение работы почвенных бактерий-разрушителей влияет на плодородие почвы и состав атмосферы.

1. Бактерии разлагают органические остатки и переводят элементы в минеральные соединения.
2. При снижении их активности питательные вещества медленнее возвращаются растениям, поэтому плодородие почвы уменьшается.
3. Замедление разложения изменяет накопление органики и обмен углерода между почвой и атмосферой.

Ответ: бактерии-разрушители обеспечивают круговорот веществ и связывают живую и неживую части биосферы. Поэтому нарушение их деятельности одновременно отражается на почве, растениях и составе атмосферы.

Массовое сведение лесов

Условие: нужно проследить последствия массового сведения лесов для круговорота углерода, потока энергии, водного режима и устойчивости биосферы.

1. Сокращение площади лесов уменьшает поглощение углекислого газа при фотосинтезе, а разложение и сжигание древесины могут увеличить его содержание в атмосфере.
2. Исчезает часть продуцентов, поэтому уменьшается поступление энергии в пищевые сети и сокращается число связанных с лесом организмов.
3. Без растительного покрова усиливаются сток воды и эрозия почвы, меняются влажность и местный климат.
4. Разрушение местообитаний ослабляет пищевые связи и саморегуляцию, поэтому восстановление сообщества становится более трудным.

Ответ: сведение лесов нарушает сразу несколько закономерностей биосферы. Последствия проявляются не только на вырубленном участке, но и в атмосфере, водном режиме, почве и соседних экосистемах.

Типичные ошибки

Биосфера — простая сумма экосистем. Так считают, если рассматривают природные сообщества изолированно и не учитывают перенос веществ и энергии. Проверить себя можно вопросом: какие последствия изменение одной экосистемы вызовет за её пределами?

Круговорот вещества равен потоку энергии. Ошибка возникает потому, что и вещества, и энергия переходят между организмами. Нужно проверить направление движения: элементы возвращаются в среду, а энергия постепенно рассеивается как тепло.

Саморегуляция всегда полностью устраняет нарушение. Такое представление не учитывает силу и длительность воздействия, а также пределы устойчивости системы. Следует спросить, сохранились ли пищевые связи и условия, необходимые для восстановления.

Устойчивость обеспечивается только человеком. Иногда забывают о роли организмов, пищевых сетей и отрицательных обратных связей. Проверка проста: назовите природный механизм, который ограничивает изменение численности или условий среды без вмешательства человека.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об уровнях организации живой природы, строении экосистем, пищевых цепях и трофических уровнях. Эти понятия помогают увидеть связи между организмами и средой.

Тема опирается на круговороты углерода, азота и воды, а также на фотосинтез и дыхание. Именно эти процессы объясняют обмен веществ и движение энергии в биосфере.

Полученные знания пригодятся при изучении глобальных экологических проблем, охраны природы и последствий хозяйственной деятельности человека. Они позволяют оценивать не отдельное воздействие, а всю цепь его последствий.

Что запомнить

• Биосфера представляет собой целостную систему.
• Живое вещество участвует в преобразовании оболочек Земли.
• Химические элементы в биосфере совершают круговороты.
• Энергия поступает в биосферу главным образом от Солнца и движется однонаправленно.
• Саморегуляция поддерживает относительную устойчивость биосферы.
• Природные процессы имеют суточную, сезонную и многолетнюю периодичность.
• Сильное или длительное воздействие человека может нарушить естественные закономерности биосферы.