Биосферный уровень

Определения и обозначения

Биосферный уровень организации жизни — уровень, охватывающий взаимодействие всех живых организмов Земли между собой и с неживой природой. Это самый масштабный уровень: на нём рассматривают не одну популяцию или экосистему, а связи между ними по всей планете. Такое понятие помогает понять, почему изменения в одном месте могут затронуть другие части Земли.

Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразуемая ими. Это не только пространство, где встречается жизнь: в неё входят также части воздуха, воды и горных пород, с которыми организмы взаимодействуют. Понятие нужно, чтобы обозначить общую среду существования жизни на планете.

Живое вещество — совокупность всех организмов биосферы, рассматриваемых как единое целое. В эту совокупность входят бактерии, грибы, растения и животные, живущие в самых разных условиях. Такое объединение позволяет оценивать общее влияние организмов на планетарные процессы, а не только их роль в отдельном сообществе.

Биогеохимический круговорот — многократное перемещение и преобразование химических элементов между живыми организмами и компонентами неживой природы. Например, углерод может перейти из воздуха в растение, затем в животное и снова попасть в окружающую среду. Понятие объясняет, как необходимые элементы возвращаются в доступную для жизни форму.

Как это устроено

Биосферный уровень объединяет организмы, сообщества и экосистемы, потому что они связаны обменом веществ и энергии. Растение одной экосистемы использует вещества среды, а животные и микроорганизмы участвуют в их дальнейшем преобразовании. Воздействие на один участок может менять потоки воды, веществ и организмов за его пределами. Поэтому биосфера представляет собой единую систему планетарного масштаба, а не набор полностью независимых частей.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу — водную оболочку Земли — и верхнюю часть литосферы, то есть твёрдой оболочки планеты. Жизнь распределена здесь неравномерно: условия различаются по температуре, освещённости, доступу воды, кислорода и питательных веществ. В глубинах океана или в почве организмы встречаются не так, как на поверхности, а с увеличением глубины существование жизни ограничивают давление, нехватка света и другие факторы. Значит, границы распространения жизни задаются возможностями организмов выдерживать условия среды.

Живое вещество преобразует окружающую среду, потому что организмы постоянно поглощают и выделяют вещества. Растения используют углекислый газ и воду при образовании органических веществ, животные получают их с пищей, а разрушители разлагают остатки организмов. В результате элементы переходят из одной формы в другую, а состав почвы, воды и воздуха меняется. Так живые организмы становятся не только обитателями среды, но и участниками её формирования.

Круговороты веществ связывают живую и неживую природу: элементы переходят из воздуха, воды и почвы в организмы, а затем возвращаются в среду. Производители включают неорганические вещества в органические, потребители передают элементы по пищевым цепям, а разрушители возвращают их из остатков. Благодаря этому одни и те же химические элементы могут использоваться многократно. Однако круговороты не всегда полностью замкнуты: часть вещества может надолго накапливаться в породах или переноситься из одной области в другую.

Поток энергии поддерживает процессы жизнедеятельности, но устроен иначе, чем круговорот веществ. Большая часть энергии поступает от Солнца и улавливается организмами-производителями, например зелёными растениями. Затем энергия передаётся потребителям и разрушителям вместе с пищей, однако при каждом преобразовании часть рассеивается в виде тепла. Поэтому вещества переходят между компонентами биосферы снова и снова, а энергия проходит через систему преимущественно в одном направлении.

Компоненты биосферы и их роль

Чтобы определить компонент, выясните, как он образовался: только при участии организмов, без них или благодаря совместному действию живой и неживой природы. Затем проследите его роль — например, почва одновременно служит средой для организмов и формируется при их участии. Такое сравнение показывает, что компоненты биосферы связаны, а не существуют изолированно.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, к какой части биосферы относятся бактерии, живущие в почве, и объясните свой ответ. Чтобы решить задачу, нужно отделить вопрос о месте обитания от вопроса о том, что именно классифицируют. Бактерии остаются организмами, где бы они ни находились.

1. Определяем объект: в условии названы бактерии, то есть живые организмы.
2. Сопоставляем объект с компонентами биосферы: к живому веществу относят все организмы планеты.
3. Проверяем, влияет ли место обитания на принадлежность: оно указывает среду жизни, но не меняет того, что бактерии живые.

Ответ: бактерии относятся к живому веществу биосферы. Почва — их место обитания, но не причина, по которой их относят к этой части биосферы.

Задача 2. Проследите путь атома углерода от углекислого газа в воздухе через растение и животное обратно в окружающую среду. Здесь важно учитывать не только переходы между организмами, но и возвращение атома в неживую природу. Углерод не исчезает, а входит в состав разных веществ.

1. Растение поглощает углекислый газ из воздуха и включает углерод в органические вещества при фотосинтезе.
2. Животное поедает растение, поэтому атом углерода переходит в состав его тканей и других органических веществ.
3. При дыхании животного углерод может вернуться в воздух в составе углекислого газа; после смерти он также может оказаться в среде при разложении остатков.

Ответ: путь может выглядеть так: углекислый газ → растение → животное → углекислый газ в воздухе. Это пример перехода элемента между неживой природой и организмами.

Задача 3. После вырубки леса на участке уменьшилось количество растений и животных, изменились почва и водный режим. Объясните последствия этих изменений для биосферы и круговорота веществ. Нужно рассмотреть не только исчезновение части организмов, но и последствия для их связей со средой. Лесное сообщество влияет на почву, воду и перемещение химических элементов.

1. Сокращение растений уменьшает количество организмов-производителей и органического вещества, поступающего в пищевые цепи.
2. Из-за уменьшения пищи и мест обитания меняются численность и состав животных, а значит, нарушаются связи между участниками сообщества.
3. Изменения растительного покрова влияют на удержание воды и почвы; это может усилить сток и вымывание веществ, изменив их перенос и доступность организмам.
4. Связываем последствия: преобразования затрагивают не только лес, но и компоненты среды, а через перенос воды и веществ могут влиять на другие участки.

Ответ: вырубка меняет сообщество и потоки веществ, ослабляет связи организмов с почвой и водой. Это показывает, как изменение одной части биосферы способно отражаться на других её компонентах.

Типичные ошибки

Ошибка — считать биосферу только совокупностью живых организмов. Её допускают, потому что слово «биосфера» прежде всего вызывает представление о жизни, но в это понятие входят и преобразованные организмами части неживой природы. Проверка: спросите себя, включены ли в описание воздух, вода, почва и породы, взаимодействующие с жизнью.

Ошибка — путать биосферу с отдельной экосистемой. Экосистемой может быть лес, озеро или луг, а биосфера охватывает все экосистемы Земли. Путаница возникает из-за того, что в обеих системах есть организмы и среда; проверить себя можно вопросом о масштабе: рассматривается один участок или планета целиком?

Ошибка — называть круговорот веществ совершенно замкнутым и неизменным. Так думают, представляя путь элемента в виде идеального круга, хотя вещества могут надолго запасаться или перемещаться между областями. Проверка: учитывайте, что речь идёт о многократном переходе, а не о точном возвращении каждого атома по одному и тому же пути.

Ошибка — считать, что энергия циркулирует так же, как химические элементы. Причина — энергия тоже передаётся от одного организма другому, но при преобразованиях её часть рассеивается в виде тепла. Проверьте себя: если для поддержания жизни нужен постоянный приток энергии, значит, она не возвращается по замкнутому циклу.

Связь с другими темами

Для понимания биосферы нужны знания об уровнях организации живой природы: они помогают увидеть переход от отдельных организмов к целой планете. Понятия экосистемы, пищевой цепи, производителей, потребителей и разрушителей объясняют, как организмы связаны между собой и как элементы переходят между ними. Биосферный уровень расширяет эти знания до масштаба Земли.

Понятия биосферы и круговоротов веществ понадобятся при изучении экологии и глобальных экологических проблем. Они помогают проследить, как деятельность человека меняет природные сообщества, потоки веществ и состояние среды. Поэтому при оценке воздействия на природу важно учитывать связи между разными компонентами, а не только ближайший результат.

Что запомнить

• Биосфера — глобальная оболочка Земли, где существует жизнь и проявляется её влияние.
• Живое вещество объединяет все организмы планеты.
• Организмы взаимодействуют с неживой природой и преобразуют её.
• Круговороты веществ связывают живые организмы и окружающую среду.
• Вещества многократно используются, а энергия в основном проходит через биосферу однонаправленно.
• Изменения в одной части биосферы могут отражаться на других её компонентах.