§64. Биосфера — живая оболочка Земли

Определения и обозначения

Биосфера — оболочка Земли, населённая живыми организмами и преобразуемая их деятельностью. Это понятие охватывает не только сами организмы, но и области планеты, где они живут, а также изменения среды, возникающие благодаря жизни. Оно помогает рассматривать живую природу и её окружение как связанные части одной системы.

Живое вещество — совокупность всех организмов биосферы. Организмы поглощают вещества и энергию, создают органические соединения, а затем возвращают химические элементы в окружающую среду. Понятие нужно, чтобы описывать общую роль жизни в преобразовании вещества и поддержании его круговорота.

Биогенное вещество — вещество, созданное организмами или образовавшееся из их остатков. К нему относят, например, каменный уголь, возникший из древнего органического материала, и известняк, часто образованный из остатков организмов. По происхождению такого вещества можно увидеть, как жизнь сохраняет свой след в земной коре.

Границы биосферы — пределы областей атмосферы, гидросферы и литосферы, где существуют организмы. Они определяются не условными линиями, а возможностью жизни: например, наличием воды, подходящей температурой и давлением. Это понятие помогает объяснить, почему в одних частях планеты жизнь распространена, а в других почти отсутствует.

Как это устроено

Биосфера охватывает части атмосферы и литосферы, а также всю гидросферу. В атмосфере жизнь встречается в нижних слоях, в литосфере — в верхней части, а вода населена организмами от поверхности до больших глубин. Эти оболочки входят в биосферу не целиком или целиком не случайно: живые организмы могут существовать лишь там, где сохраняются подходящие условия.

Распределение жизни по оболочкам Земли неравномерно, потому что условия среды меняются в пространстве. Свет необходим растениям для фотосинтеза, температура влияет на скорость жизненных процессов, а вода служит средой жизни и условием обмена веществ. Давление и доступность кислорода также ограничивают распространение организмов. Поэтому на глубине, в холодных областях или в высоких слоях атмосферы видов и особей обычно меньше, чем в благоприятных местах.

В биосфере различают четыре типа вещества: живое, биогенное, косное и биокосное. Косное вещество образуется без участия организмов, например многие минеральные породы; биокосное возникает при взаимодействии живых организмов и неживых процессов, как почва. Типы не существуют изолированно: организмы используют воду и минералы, остатки организмов становятся сырьём для новых веществ, а среда влияет на жизнь. Такое деление показывает происхождение компонентов, а не просто их внешний вид.

Живое вещество участвует в круговороте химических элементов: организмы поглощают их из воздуха, воды и почвы, включают в состав клеток и передают по пищевым цепям. При дыхании, выделении и разложении остатков элементы возвращаются в окружающую среду, откуда могут быть использованы снова. Например, растения поглощают углекислый газ, а животные получают углерод, питаясь растениями или другими животными. Вещество циркулирует, но для поддержания процессов биосфере нужен постоянный приток энергии, прежде всего солнечной.

Деятельность организмов меняет облик Земли: растения создают органическое вещество, микроорганизмы разлагают остатки, а организмы участвуют в образовании почв и некоторых горных пород. Эти изменения накапливаются и влияют на условия жизни других организмов. Биосфера является единой системой, потому что её компоненты обмениваются веществом и зависят друг от друга. Изменение одной части, например состава воды или почвы, может отразиться на живых сообществах и связанных с ними процессах.

Вещества биосферы и их происхождение

Чтобы определить тип вещества, сначала выясни, участвовали ли в его образовании организмы, а затем уточни, было ли такое участие единственным или совместным с неживыми процессами. Примеры помогают проверить классификацию, но главным признаком остаётся происхождение. Например, почва не является только остатком организмов или только минеральным материалом: она формируется при их взаимодействии.

Разбор задач

1. Оболочки Земли и места обитания

Условие. Определите, к какой оболочке Земли относятся почва, океаническая вода и нижние слои атмосферы, в которых обитают организмы. Нужно различить оболочки по среде, а не относить все перечисленное к одной категории только потому, что там встречается жизнь. При этом следует помнить, что биосфера включает не всю атмосферу и литосферу.

1. Почва находится на поверхности суши и связана с верхней частью литосферы. Она является биокосным веществом, но по месту расположения относится к литосфере.
2. Океаническая вода относится к гидросфере. Вся гидросфера входит в биосферу, хотя условия на разных глубинах различаются.
3. Нижние слои атмосферы относятся к атмосфере. В биосферу входят те её области, где могут существовать организмы.

Ответ. Почва относится к верхней части литосферы, океаническая вода — к гидросфере, а воздушная среда — к атмосфере. Все три области связаны с биосферой, поскольку в них обитают организмы. При классификации важно отделять оболочку, где находится объект, от типа вещества, к которому он относится.

2. Классификация веществ

Условие. Распределите известняк, воду, живые бактерии и почву по типам вещества биосферы и обоснуйте классификацию. Здесь недостаточно назвать объект: нужно установить, как он возник. Один и тот же объект можно описать и по месту нахождения, и по происхождению, но задача проверяет именно происхождение.

1. Живые бактерии — живое вещество, потому что это организмы, а не продукт их деятельности.
2. Известняк относят к биогенному веществу, если он образован организмами или их остатками; многие известняки возникают из скелетов и раковин.
3. Воду в такой классификации рассматривают как косное вещество: она существует независимо от образования организмами.
4. Почва — биокосное вещество, поскольку её формирование связано и с живыми организмами, и с неживыми процессами разрушения горных пород.

Ответ. Известняк — биогенное вещество, вода — косное, бактерии — живое, почва — биокосное. Проверь себя вопросом о происхождении каждого объекта: организм ли это, продукт жизни, результат неживых процессов или совместного действия живого и неживого. Для известняка важно учитывать, что в задаче подразумевается его биологическое происхождение.

3. Путь углерода в биосфере

Условие. Проследите путь углерода от углекислого газа атмосферы через растения и животных обратно в окружающую среду и укажите процессы перехода. Нужно показать последовательность перемещений элемента, а не только перечислить организмы. Углерод при этом не исчезает: он переходит между средой и живыми организмами.

1. Растения поглощают углекислый газ из воздуха. При фотосинтезе с использованием энергии света углерод входит в состав органических веществ растения.
2. Животные получают углерод, поедая растения или других животных. Так он перемещается по пищевым цепям и становится частью их организмов.
3. При дыхании растений и животных часть углерода возвращается в атмосферу в составе углекислого газа. После гибели организмов разложение остатков также возвращает углерод в окружающую среду.

Ответ. Путь можно записать так: CO₂ атмосферы → растение → животное → окружающая среда. Фотосинтез связывает углерод из воздуха с органическим веществом, питание передаёт его между организмами, а дыхание и разложение возвращают его в среду. В реальной биосфере у углерода есть и другие пути, но эта цепочка показывает основной принцип круговорота.

Типичные ошибки

Ошибка — считать биосферой только совокупность организмов. Такое представление возникает, если сосредоточиться на слове «живая» и забыть о среде обитания и преобразованных жизнью веществах. Проверь себя: входят ли в состав биосферы вода, воздух и почва, с которыми взаимодействуют организмы? Если учитывать их и связи между ними, становится ясно, что биосфера шире, чем одно живое население.

Ошибка — предполагать, что организмы равномерно распространены во всех оболочках Земли. Её допускают, когда представляют границы биосферы как сплошной слой, не учитывая различия условий. Проверь, доступны ли в конкретном месте вода и свет, подходит ли температура и выдерживают ли организмы давление. Эти ограничения объясняют, почему жизнь сосредоточена в одних областях и редка в других.

Ошибка — путать биогенное и биокосное вещество. Оба типа связаны с жизнью, поэтому их легко объединить, однако биогенное образовано организмами или их остатками, а биокосное возникает при совместном действии живых организмов и неживых процессов. Проверь себя вопросом: достаточно ли для образования вещества деятельности организмов или одновременно действовали неживые процессы? Каменный уголь и известняк служат примерами биогенного, почва — биокосного.

Ошибка — считать круговорот веществ замкнутым и не зависящим от энергии. Вещество действительно может многократно переходить между организмами и средой, но переходы и жизненные процессы требуют энергии. Проверь, чем обеспечивается фотосинтез и работа организмов: главным источником энергии для биосферы служит Солнце. Поэтому круговорот вещества не означает, что энергия бесконечно циркулирует без поступления извне.

Связь с другими темами

Для понимания биосферы нужны знания об оболочках Земли, условиях среды и признаках живых организмов. Они помогают определить, где проходит область жизни и почему её границы зависят от возможности существования организмов. Связь с экологией проявляется через экосистемы: взаимодействие организмов друг с другом и со средой составляет часть процессов биосферы.

Представление о биосфере пригодится при изучении круговоротов веществ и глобальных экологических проблем. Оно позволяет проследить, как локальные изменения могут распространяться через связи между компонентами планеты. При обсуждении влияния человека на природу важно учитывать не только отдельные виды, но и последствия для среды и связанных с ней процессов.

Что запомнить

• Биосфера — оболочка Земли, населённая живыми организмами и изменяемая их деятельностью.
• Биосфера включает части атмосферы и литосферы, а также всю гидросферу.
• Живое вещество — совокупность всех организмов биосферы.
• В биосфере различают живое, биогенное, косное и биокосное вещества.
• Организмы участвуют в круговороте веществ и преобразовании энергии.
• Жизнь распределена в оболочках Земли неравномерно из-за различий условий среды.