§ 35. Биосфера как глобальная экосистема

Определения и обозначения

Биосфера — оболочка Земли, населённая живыми организмами и преобразуемая их деятельностью. Она охватывает только те области атмосферы, гидросферы и литосферы, где возможна жизнь. Это понятие помогает увидеть связь организмов с планетой в целом, а не только внутри отдельного сообщества.

Живое вещество — совокупность всех организмов биосферы. Растения, животные, грибы и микроорганизмы влияют на окружающую среду, изменяя состав воздуха, воды и почвы. Понятие показывает, что жизнь выступает не только частью природы, но и силой, меняющей свойства планеты.

Биогенное вещество — вещество, образованное организмами или их остатками. К нему относят, например, уголь, известняк и торф, возникшие при участии живых существ в течение длительного времени. По происхождению таких веществ можно проследить, как деятельность организмов сохраняется в составе земной коры.

Биоинертное вещество возникает при совместном влиянии организмов и неживых процессов. Так образуется почва: живые существа перерабатывают остатки, а вода, воздух и горные породы участвуют в её формировании. Этот термин нужен, чтобы учитывать вклад обеих сторон, а не приписывать результат только организмам или только неживой природе.

Как это устроено

Биосфера охватывает части атмосферы, гидросферы и литосферы, где условия позволяют организмам жить и размножаться. В атмосфере жизнь возможна лишь в определённой области, в гидросфере она встречается в водоёмах, а в литосфере — в верхней части земной коры. Значит, границу биосферы задаёт не условная оболочка одинаковой толщины, а предел распространения жизни. Там, где не хватает воды, слишком высока температура или действуют другие неблагоприятные факторы, организмы существовать не могут.

Организмы взаимодействуют друг с другом: одни служат пищей другим, а остатки организмов используют редуценты — бактерии и грибы, разлагающие органику. Одновременно все живые существа зависят от неживой среды, получая из неё воду, газы и минеральные вещества. Поэтому изменения в одной части биосферы могут отражаться на других её частях. Из-за множества таких связей биосферу рассматривают как единую глобальную экосистему, а не просто как место обитания разных видов.

Главный источник энергии для биосферы — Солнце. Фотосинтезирующие организмы улавливают часть солнечной энергии и используют её для образования органических веществ из неорганических. Когда один организм поедает другой, часть запасённой энергии передаётся дальше по пищевой цепи. При дыхании и других процессах энергия постепенно рассеивается в виде тепла, поэтому поток энергии не замыкается: экосистемам нужен постоянный приток энергии извне.

Вещества, напротив, переходят между организмами и неживой природой. Например, растения поглощают углекислый газ и минеральные вещества, животные получают часть веществ с пищей, а после смерти организмов или при их дыхании вещества возвращаются в окружающую среду. Так связаны живые организмы, атмосфера, вода и горные породы. Круговорот не означает, что каждое вещество мгновенно возвращается в исходную точку: некоторые соединения надолго задерживаются в почве или осадочных породах.

Живое вещество меняет планету потому, что организмы постоянно взаимодействуют с воздухом, водой и породами. Их остатки могут со временем участвовать в образовании осадочных пород и почвы, а жизнедеятельность организмов меняет состав атмосферы и вод. Одновременно эти процессы поддерживают перемещение веществ между компонентами биосферы. Поэтому влияние организмов проявляется не только в создании органики, но и в преобразовании всей окружающей среды.

Виды вещества биосферы

Сравнивая виды вещества, обращайте внимание прежде всего на то, как они образовались и участвовали ли в этом организмы. Роль организмов помогает отличить вещество, созданное ими, от вещества, возникшего совместно с неживыми процессами. Такая проверка особенно полезна для почвы и других сложных природных образований.

Разбор задач

Задача 1. Определите, к какому виду вещества биосферы относится уголь, и объясните классификацию. Нужно выбрать вид вещества, опираясь на его происхождение. Само название вещества не показывает ответ, поэтому важно вспомнить, из чего оно образовалось. В данном случае решающим признаком будет связь с древними организмами.

1. Уголь образовался из органических остатков древних растений, которые накапливались и преобразовывались длительное время.
2. Значит, его образование связано с организмами и их остатками, хотя готовый уголь уже не является живым организмом.
3. Сопоставляем это с определением: вещество, образованное организмами или их остатками, называют биогенным.

Ответ. Уголь относится к биогенному веществу. Его классифицируют так из-за происхождения из древних органических остатков, а не потому, что он сам живой.

Задача 2. Объясните, почему почву относят к биоинертному веществу, а не только к продуктам деятельности организмов. В вопросе важно различить участие организмов и единственную причину образования. Почва содержит органические остатки и преобразованные ими вещества, но формируется не только из них. Для ответа нужно учесть все взаимодействующие факторы.

1. Организмы перерабатывают остатки, перемешивают почву и участвуют в образовании перегноя — органической части почвы.
2. В то же время вода и воздух изменяют горные породы, а минеральные частицы служат основой почвы.
3. Так как результат создаётся совместным действием живых организмов и неживых процессов, выбираем категорию «биоинертное вещество».

Ответ. Почва — биоинертное вещество, потому что в её образовании участвуют и организмы, и неживые факторы. Считать её только продуктом жизнедеятельности организмов — значит не учитывать преобразование горных пород водой и воздухом.

Задача 3. Проследите путь углерода от атмосферного углекислого газа через растение и животное обратно в атмосферу и укажите, где передаётся энергия. Нужно проследить именно перемещение вещества, а затем отдельно отметить передачу энергии. Эти процессы связаны, но не тождественны: атомы углерода переходят между компонентами системы, а энергия постепенно рассеивается. Поэтому составим последовательность от поглощения газа до его возвращения.

1. Растение поглощает атмосферный CO₂ и в ходе фотосинтеза включает углерод в органические вещества; одновременно запасает часть солнечной энергии.
2. Животное получает углерод, поедая растение, а вместе с пищей — часть энергии, заключённой в органических веществах.
3. При дыхании растения и животного углерод возвращается в атмосферу в составе CO₂; энергия используется организмами и в итоге рассеивается как тепло.

Ответ. Путь углерода: атмосферный CO₂ → растение → животное → атмосферный CO₂. Вещество участвует в круговороте, а энергия передаётся от Солнца растению и затем животному, постепенно рассеиваясь.

Типичные ошибки

Ошибка: считать биосферой всю Землю. Так думают, потому что биосфера включает части нескольких земных оболочек и кажется всеобъемлющей. Но жизнь существует не во всей толще литосферы и атмосферы, поэтому биосферой называют только области распространения организмов. Проверь себя вопросом: могут ли организмы жить в каждой части планеты?

Ошибка: смешивать биогенное и биоинертное вещество. В обоих случаях можно обнаружить связь с живыми организмами, поэтому происхождение легко упустить. Для биогенного вещества основой служит деятельность организмов или их остатки, а для биоинертного необходимо совместное действие живых и неживых факторов. Проверь себя: участвовали ли вода, воздух или породы в создании рассматриваемого вещества?

Ошибка: утверждать, что энергия совершает круговорот так же, как вещество. Путаница возникает из-за того, что в экосистеме одновременно происходят передача энергии и перемещение веществ. Вещество может переходить между организмами и средой, тогда как энергия рассеивается в виде тепла и требует постоянного притока. Чтобы проверить себя, проследи, возвращается ли энергия в исходный источник или проходит систему только в одном направлении.

Ошибка: сводить роль живого вещества только к созданию органики. Это упрощение связано с тем, что фотосинтез легко представить как главный пример влияния организмов. Но организмы также участвуют в образовании почв и осадочных пород, меняют состав атмосферы и вод. Проверь ответ вопросом: описывает ли он только создание органических веществ или учитывает преобразование среды?

Связь с другими темами

Чтобы понять биосферу как систему, понадобятся знания об уровнях организации живой природы и пищевых цепях. Также важно различать продуцентов — организмы, создающие органические вещества, консументов — потребителей готовой органики, и редуцентов, разлагающих остатки. Эти понятия помогают проследить, как вещества и энергия проходят через сообщества.

Представление о биосфере и круговоротах пригодится при изучении экологии и глобальных изменений среды. Оно помогает объяснять, почему воздействие человека может затронуть не только отдельный вид, но и связи между компонентами природы. Знание этих связей нужно, чтобы оценивать последствия деятельности и искать способы снизить вред окружающей среде.

Что запомнить

• Биосфера — глобальная оболочка Земли, населённая организмами.
• Живое вещество объединяет все организмы биосферы.
• Организмы связаны с неживой природой обменом веществом и энергией.
• Вещество в биосфере участвует в круговоротах.
• Энергия проходит через экосистемы и рассеивается в виде тепла.
• Живое вещество преобразует среду и влияет на облик планеты.