§65. Закономерности существования биосферы

Определения и обозначения

Биосфера — оболочка Земли, населённая живыми организмами и преобразуемая их деятельностью. Жизнь распространена в нижней части атмосферы, во всей гидросфере и верхней части литосферы. Понятие помогает увидеть Землю как систему, в которой живое связано с воздухом, водой и горными породами.

Живое вещество — совокупность всех организмов биосферы. Организмы поглощают вещества, создают органические соединения и передают энергию по пищевым цепям. Поэтому живое вещество выступает активным преобразователем среды, а не просто населяет её.

Биогенная миграция атомов — перемещение и преобразование химических элементов под воздействием живых организмов. Элементы входят в состав тел, переходят между организмами и возвращаются в среду при обмене веществ и разложении. Это понятие объясняет, как жизнь меняет химический состав оболочек Земли.

Биологический круговорот веществ — многократное перемещение веществ между организмами и компонентами неживой природы. В нём участвуют продуценты, консументы и редуценты. Круговорот позволяет элементам повторно включаться в жизнь, хотя некоторые из них надолго выпадают из быстрого обмена.

Как это устроено

Атмосфера, гидросфера, литосфера и живые организмы связаны обменом вещества и энергии. Вода переносит растворённые соединения, воздух снабжает организмы газами, а почва даёт минеральные элементы. Поэтому изменение одного звена, например загрязнение водоёма, может нарушить условия жизни организмов и повлиять на связанные с ним сообщества. Так проявляется целостность биосферы: её части различны, но не существуют изолированно.

Организм получает химические элементы из среды с пищей, водой или при газообмене. Растение, например, поглощает углерод из углекислого газа и использует его для создания органических веществ; животное получает этот углерод, поедая растение или другое животное. При дыхании, выделении продуктов обмена и разложении останков элементы возвращаются в воздух, воду и почву. Значит, жизнь не только зависит от химических элементов, но и обеспечивает их перемещение.

Круговорот поддерживается совместной работой разных групп организмов. Продуценты создают органические вещества из неорганических, консументы получают вещества с пищей, а редуценты разлагают остатки и возвращают часть элементов в доступную среду. Однако круговорот не замкнут полностью: часть веществ накапливается в осадках и породах или переносится за пределы экосистемы. Поэтому вещества могут снова использоваться, но не всегда сразу и не все в одном месте.

Главный источник энергии для большинства экосистем — Солнце. Продуценты поглощают свет и запасают его часть в органических веществах, затем энергия передаётся консументам и редуцентам вместе с пищей. На каждом этапе часть энергии расходуется на жизнедеятельность и рассеивается в виде тепла. В отличие от атомов веществ, энергия не возвращается к продуцентам для повторного использования: её однонаправленный поток обеспечивает работу экосистем.

Процессы в биосфере повторяются с разной периодичностью. Суточные изменения освещённости и температуры влияют на активность организмов, а сезонные — на цветение, размножение, миграции и подготовку к зиме. Климатические условия меняются по широте и высоте, поэтому возникают природные зоны с характерными сообществами. Зональность не определяется одной широтой: на неё также влияют рельеф, океанические течения и местные условия.

Основные закономерности существования биосферы

Читайте таблицу по строкам: каждая строка связывает закономерность с её причиной, проявлением и ролью. Сравнивая строки, можно различить круговорот вещества и поток энергии. Отдельно учитывайте, что целостность означает взаимосвязь компонентов, а не отсутствие изменений.

Разбор задач

Задача 1. Проследите путь атома углерода от углекислого газа атмосферы через растение и животное обратно в окружающую среду. Нужно различить момент включения атома в организм и пути его возвращения. Для ответа достаточно представить последовательность процессов без предположения, что один и тот же атом обязательно проходит через всех организмов.

1. Растение поглощает углекислый газ, а при фотосинтезе включает углерод в органические вещества. Так атом становится частью живого организма.
2. Животное поедает растение и усваивает часть содержащих углерод соединений. Атом может войти в состав тканей животного или использоваться при обмене веществ.
3. При дыхании углерод возвращается в атмосферу в составе углекислого газа. Если растение или животное погибает, его остатки разлагают редуценты, и углерод также поступает в окружающую среду.

Ответ. Углерод проходит путь: углекислый газ — растение — животное — углекислый газ или другие компоненты среды. Включение происходит при создании растением органических веществ и при усвоении пищи животным. Возврат обеспечивают дыхание и разложение останков.

Задача 2. После применения пестицида в водоёме сократилось число водных беспозвоночных. Определите, какие связи могут быть нарушены вслед за этим изменением. Учитывайте не только пищевые отношения, но и роль организмов в переработке вещества. По условию нельзя точно установить масштаб последствий, поэтому ответ описывает возможные изменения.

1. Сначала выясните, кто питается беспозвоночными и чем питаются сами беспозвоночные. Снижение их численности может уменьшить кормовую базу рыб и других потребителей, а также вызвать рост тех организмов, численность которых беспозвоночные сдерживали.
2. Затем учтите, что водные беспозвоночные участвуют в переработке органических остатков и передаче веществ по пищевым цепям. Их сокращение способно изменить скорость разложения и доступность питательных веществ для других организмов.
3. Наконец, проследите влияние на сообщество водоёма в целом. Изменения затрагивают связанные популяции и круговорот веществ, а при переносе загрязнителя или нарушенных связей могут отразиться и на соседних экосистемах.

Ответ. Сокращение беспозвоночных может нарушить пищевые цепи и изменить численность их потребителей и объектов питания. Одновременно может измениться переработка органики и движение элементов в водоёме. Это пример целостности: воздействие на одно звено способно отразиться на других, хотя конкретный эффект зависит от экосистемы и пестицида.

Задача 3. Сравните лес умеренной зоны и тропический лес по сезонной ритмичности, круговороту веществ и влиянию климата. Сначала сопоставьте сезонные изменения температуры и увлажнения, затем свяжите их с жизненными процессами. Не забывайте, что речь идёт об общих особенностях, а внутри каждой зоны есть различия.

1. В умеренном лесу выраженная смена сезонов вызывает заметные изменения: растения сбрасывают листья, многие животные меняют активность или мигрируют. В тропическом лесу температурные колебания в течение года обычно слабее, но ритмы могут зависеть от влажного и сухого сезонов.
2. В обоих лесах органические остатки разлагаются, а элементы возвращаются в почву и снова поглощаются растениями. В тёплом и влажном климате тропиков разложение часто идёт быстро, но доступные питательные вещества могут быстро поглощаться растениями и вымываться дождями.
3. Свяжите различия с условиями среды: температура, осадки и их сезонность влияют на виды, сроки размножения и скорость процессов. Это проявление зональности, а не просто следствие положения по широте.

Ответ. В умеренном лесу сезонные ритмы обычно выражены сильнее, а в тропическом климат может быть более стабильным по температуре или сменяться влажным и сухим периодами. Круговорот веществ происходит в обоих лесах, но его скорость и доступность элементов различаются. Климат задаёт условия жизни, а особенности рельефа и местного увлажнения дополняют эту картину.

Типичные ошибки

Считать круговорот веществ полностью замкнутым. Ошибка возникает из-за слова «круговорот», которое создаёт образ непрерывного возвращения всего вещества в исходную точку. На деле часть элементов надолго задерживается в породах и отложениях, а экосистемы обмениваются веществом с окружением. Проверьте себя: спросите, может ли вещество временно выйти из быстрого обмена, и помните, что энергия при этом рассеивается.

Смешивать поток энергии с круговоротом вещества. Путаница появляется потому, что оба процесса связаны с пищевыми цепями. Однако атомы могут переходить между организмами и средой многократно, а энергия передаётся в одном направлении и постепенно рассеивается. Для самопроверки проследите отдельно путь атома и путь энергии: возвращение первого возможно, второй не замыкается.

Сводить целостность биосферы к отсутствию изменений. Иногда целостность ошибочно понимают как постоянство всей системы. На самом деле среда и сообщества меняются, но компоненты связаны, поэтому воздействие на одно из них может отразиться на других. Проверьте себя: если вы можете указать связь между изменившимся компонентом и его последствиями, значит, речь идёт о целостности, а не о неизменности.

Объяснять зональность только широтой. Так считают, потому что климатические пояса заметно меняются от экватора к полюсам. Но распределение организмов зависит также от высоты, рельефа, океанических течений и местных условий. Чтобы проверить объяснение, выясните, не меняются ли условия среды при той же широте из-за гор, близости моря или течений.

Связь с другими темами

Для понимания закономерностей биосферы нужно знать строение экосистем и роли продуцентов, консументов и редуцентов. Эти понятия показывают, как организмы связаны пищевыми отношениями и участвуют в круговороте веществ. Основы потока энергии помогают отличить движение энергии от повторного использования атомов.

Тема связана с биогеохимическими циклами углерода, азота и воды: в каждом случае элементы перемещаются между организмами и компонентами среды. Знание этих циклов помогает объяснять последствия загрязнения и других экологических проблем. Оно также позволяет оценивать, как хозяйственная деятельность человека меняет потоки веществ и устойчивость экосистем.

Что запомнить

• Биосфера — взаимосвязанная система живых организмов и среды их обитания.
• Живое вещество активно преобразует оболочки Земли.
• Организмы обеспечивают биогенную миграцию атомов.
• В круговороте веществ участвуют организмы и неживая природа.
• Энергия проходит через биосферу однонаправленно и рассеивается.
• Жизненные процессы обладают ритмичностью.
• Распределение жизни по Земле связано с зональностью и условиями среды.