22. Биосфера — глобальная экологическая система

Определения и обозначения

Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразуемая их деятельностью. Она включает части атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, где возможна жизнь. Понятие помогает увидеть не отдельные местообитания, а единую планетарную систему.

Живое вещество — совокупность всех организмов Земли. Растения, животные, грибы и микроорганизмы участвуют в обмене веществ между организмами и средой. Благодаря этому живое вещество влияет на состав оболочек планеты и поддерживает круговороты.

Биогенное вещество — вещество, образованное организмами или их остатками. К нему относятся, например, торф, каменный уголь и известняк, возникший из скоплений организмов. Такие вещества сохраняют результат деятельности живого вещества даже после гибели организмов.

Биокосное вещество образуется при совместном взаимодействии организмов и неживой природы. Почва относится к нему: она формируется из минеральных частиц, воды и воздуха при участии живых организмов и их остатков. Это понятие показывает, что среда и жизнь способны создавать новые свойства совместно.

Как это устроено

Жизнь занимает не всю Землю, а области с подходящими условиями. В атмосфере организмы встречаются в нижних слоях, в гидросфере — в водах разной глубины, а в литосфере — преимущественно в её верхней части. Поэтому биосфера охватывает лишь части этих оболочек: ниже или выше определённых пределов мешают давление, температура, нехватка воды либо другие условия.

Организмы не только приспосабливаются к среде, но и изменяют её. Растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, микроорганизмы разлагают остатки, а корни и лишайники участвуют в разрушении пород. Такие процессы меняют свойства воздуха, воды и почвы; поскольку они происходят во множестве экосистем и связаны обменом веществ, биосферу рассматривают как глобальную экологическую систему.

Основной источник энергии для большинства экосистем — Солнце. Производители, прежде всего растения, улавливают часть солнечной энергии при фотосинтезе и запасают её в органических веществах. Затем энергия передаётся потребителям по цепям питания, но на каждом этапе часть её рассеивается в виде тепла, поэтому для поддержания жизни нужен постоянный приток энергии.

Атомы и молекулы переходят из неживой среды в организмы и затем возвращаются обратно. Растения поглощают воду, углекислый газ и минеральные вещества, животные получают вещества с пищей, а выделения и останки разлагаются и пополняют окружающую среду. Поэтому вещества могут многократно циркулировать, тогда как энергия не возвращается по замкнутому пути: она проходит через систему и рассеивается.

В биосфере различают живое, биогенное, биокосное и косное вещества. Живое вещество — сами организмы, биогенное создаётся ими или их остатками, а биокосное возникает при взаимодействии жизни и неживой среды. Косное вещество формируется без участия организмов, например при геологических процессах; все эти виды связаны, поскольку организмы используют вещества среды и меняют её.

Виды вещества биосферы

Чтобы определить вид вещества, сначала выясните, участвовали ли в его образовании организмы. Если вещество создано организмами или их остатками, оно биогенное; если возникло при взаимодействии живого и неживого — биокосное. Таблица также показывает, что разные виды вещества связаны в составе биосферы.

Разбор задач

Задача 1. Определите, к какому виду вещества биосферы относятся живые растения, торф и почва. Нужно различить сами организмы, их остатки и результат взаимодействия организмов со средой. Проверим происхождение каждого объекта.

1. Живые растения — организмы, поэтому это живое вещество.
2. Торф образуется из остатков растений, значит, это биогенное вещество.
3. Почва формируется при взаимодействии минеральных частиц, воды, воздуха и организмов, поэтому она биокосная.

Ответ: растения — живое вещество, торф — биогенное, почва — биокосное. Ключевой критерий — происхождение объекта, а не то, находится ли он сейчас рядом с живыми организмами.

Задача 2. Объясните, как углерод из атмосферы может попасть в растение, затем в животное и вернуться в окружающую среду. Проследим его перемещение по цепи питания. При этом важно различать перенос атомов вещества и поток энергии.

1. Растение поглощает углекислый газ из воздуха и включает углерод в органические вещества при фотосинтезе.
2. Животное получает этот углерод, поедая растение или другого потребителя.
3. При дыхании организмов углерод возвращается в виде углекислого газа; после смерти остатки разлагаются, и углерод также переходит в окружающую среду.

Ответ: углерод проходит через организмы и снова оказывается в среде, продолжая круговорот. Он может перемещаться разными путями и не обязан возвращаться сразу в атмосферу.

Задача 3. На примере лесной экосистемы покажите связь потока энергии и круговорота веществ и объясните, почему это не одинаковые процессы. В лесу растения служат производителями, а животные и грибы связаны с ними пищевыми отношениями. Сравним, что происходит с энергией и веществом.

1. Растения запасают солнечную энергию в органических веществах, которыми питаются животные.
2. При дыхании и других процессах энергия используется и рассеивается как тепло; для леса нужен новый приток солнечной энергии.
3. Атомы веществ переходят между растениями, животными, грибами, микроорганизмами и средой, а после разложения снова доступны организмам.

Ответ: энергия передаётся через лес в одном направлении и постепенно рассеивается, а вещества многократно возвращаются в круговорот. Поэтому поток энергии нельзя считать круговоротом веществ.

Типичные ошибки

Ошибка — считать биосферой только места, где организмы живут непосредственно. Так думают, потому что слово связывают лишь с присутствием живых существ, но деятельность организмов изменяет и окружающие их части оболочек. Проверка: учитывайте также преобразованную жизнью среду в атмосфере, воде и верхней части литосферы.

Биогенное и биокосное вещества иногда смешивают, поскольку оба связаны с жизнью. Но биогенное образовано организмами или их остатками, а биокосное возникает при взаимодействии живого и неживого. Чтобы проверить себя, спросите: вещество создано организмами или его формирование требует совместного действия организмов и среды?

Неверно считать, что энергия, как и вещества, совершает замкнутый круговорот. Путаница возникает потому, что энергия передаётся по цепям питания вместе с веществами, однако при преобразованиях она рассеивается. Проверьте направление процесса: вещества возвращаются в среду, а энергия требует постоянного притока.

Ещё одна ошибка — представлять организмы только пассивными обитателями среды. Это впечатление создаёт привычка описывать приспособление организмов, оставляя без внимания их влияние. Проверка: назовите конкретное изменение среды, например поглощение углекислого газа растениями или образование почвы при участии живых организмов.

Связь с другими темами

Для понимания биосферы нужны знания о строении оболочек Земли: они помогают определить, где возможна жизнь. Представления об экосистемах, цепях питания и круговоротах показывают, как связаны организмы и среда. Далее эти знания пригодятся при изучении биогеохимических циклов и глобальных экологических проблем. Они также помогают оценивать, как деятельность человека влияет на биосферу.

Что запомнить

• Биосфера — глобальная система, объединяющая организмы и преобразуемые ими части оболочек Земли.
• Жизнь распространена в частях атмосферы, гидросферы и литосферы.
• Живое вещество участвует в преобразовании среды и круговороте веществ.
• Биогенное вещество образовано организмами или их остатками.
• Биокосное вещество возникает при взаимодействии живой и неживой природы.
• Вещества в биосфере циркулируют, а энергия передаётся через систему и рассеивается.