65. Закономерности существования биосферы

Определения и обозначения

Биосфера — оболочка Земли, населённая живыми организмами и преобразуемая их деятельностью. Она охватывает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы, где возможна жизнь. Эти оболочки не изолированы: организмы обмениваются веществами с воздухом, водой и горными породами. Понятие помогает увидеть жизнь не отдельно от среды, а как часть планетарной системы.

Живое вещество — совокупность всех организмов биосферы. Организмы поглощают химические элементы, превращают их и передают дальше по пищевым связям. После выделения продуктов обмена и разложения вещества снова оказываются в среде. Поэтому живое вещество важно для объяснения изменений состава планеты и движения элементов.

Биогенная миграция атомов — перемещение и преобразование химических элементов под влиянием живых организмов. Например, растение поглощает углерод из углекислого газа и включает его в органические вещества. Затем атомы могут перейти к животному, почвенным организмам и снова в воздух. Это понятие показывает, как деятельность живого соединяет живую и неживую природу.

Биогеохимический круговорот — циклическое перемещение химических элементов между организмами и компонентами окружающей среды. В круговороте участвуют не только живые существа, но также вода, атмосфера и горные породы. Элементы возвращаются в среду и могут быть использованы повторно. Понятие нужно, чтобы описывать пути веществ в биосфере как единую систему процессов.

Как это устроено

Биосфера существует как целостная система, потому что организмы постоянно обмениваются веществами и энергией с окружающей средой. Растения используют воду, минеральные вещества и углекислый газ, а животные зависят от растений и других организмов как от источника пищи. Изменение одного звена может повлиять на остальные: например, сокращение растений уменьшает доступность пищи для травоядных. Такие связи объясняют, почему последствия воздействия на природу нередко распространяются далеко от места, где оно началось.

Круговороты элементов поддерживаются работой организмов и физико-химическими процессами среды. Растения поглощают доступные вещества, строят из них ткани, а животные получают элементы с пищей. Дыхание, выделение и разложение возвращают часть веществ в воздух, воду и почву, откуда они могут снова попасть в живые организмы. Если бы отходы жизнедеятельности и остатки организмов не перерабатывались, многие элементы постепенно становились бы недоступными для новых поколений.

Поток энергии и круговорот веществ устроены неодинаково, потому что атомы и энергия имеют разные пути в экосистеме. Атомы переходят от среды к организмам и обратно, сохраняя возможность повторного использования. Энергия в основном поступает от Солнца, сначала запасается растениями в органических веществах, а затем передаётся другим организмам. При каждом превращении часть её рассеивается как тепло, поэтому она не возвращается к исходному источнику в виде замкнутого цикла.

Саморегуляция возникает благодаря обратным связям между организмами и средой: изменение одного компонента может вызвать процессы, которые ослабят или усилят первоначальное изменение. Например, рост численности травоядных увеличивает давление на растения; нехватка пищи впоследствии может ограничить численность самих травоядных. Такие связи помогают сохранять относительную устойчивость системы. Однако ресурсы и способность сообществ восстанавливаться ограничены, поэтому сильное или длительное воздействие может превысить возможности саморегуляции.

Ритмичность природных процессов обусловлена периодическими изменениями освещённости, температуры и других условий. Суточная смена дня и ночи влияет на активность организмов, а сезонные изменения — на рост, размножение, миграции и подготовку к неблагоприятному времени. Многолетние колебания тоже могут отражаться на численности организмов и работе экосистем. Повторяемость циклов помогает организмам приспосабливаться, но не делает условия и последствия каждого цикла совершенно одинаковыми.

Основные закономерности существования биосферы

Используйте таблицу, чтобы сопоставить закономерность с конкретным процессом и ролью организмов. Для разбора примера проследите, какие компоненты участвуют и что именно между ними перемещается. Особенно важно не смешивать круговорот вещества с однонаправленным потоком энергии.

Разбор задач

Задача 1. Проследите путь атома углерода от углекислого газа атмосферы через растения и животных обратно в окружающую среду. Нужно показать не только последовательность организмов, но и процессы, которые перемещают атом между ними. При этом следует учитывать, что возможны разные пути возврата углерода.

1. Растение поглощает CO₂ при фотосинтезе и использует углерод для образования органических веществ. Значит, атом переходит из атмосферы в живое вещество.
2. Травоядное животное поедает растение, и углерод из его тканей становится частью тела животного. При дыхании часть углерода возвращается в атмосферу в составе CO₂.
3. После гибели растений и животных их остатки разлагают микроорганизмы. В ходе разложения углерод попадает в почву и воду, а часть возвращается в атмосферу.

Ответ. Один из возможных путей: CO₂ атмосферы → растение → животное → CO₂ при дыхании; другой путь возврата проходит через отмершие остатки и разложение. Так видно, что организмы связывают атмосферу с другими компонентами среды.

Задача 2. Объясните, почему поток энергии в экосистеме нельзя считать круговоротом, подобным круговороту химических элементов. Важно сравнить судьбу атомов с судьбой энергии, а не только назвать источник энергии. Проверка ответа — выяснить, возвращается ли энергия к начальной точке и может ли использоваться повторно без новых поступлений.

1. Химические элементы входят в состав организмов, передаются по пищевым связям и возвращаются в среду. Затем они снова могут быть поглощены организмами.
2. Энергия Солнца запасается производителями, затем передаётся потребителям и разрушителям. На каждом этапе часть энергии рассеивается в виде тепла.
3. Поэтому система получает новую энергию извне, а не возвращает прежнюю энергию к исходному состоянию. Поток остаётся направленным, хотя вещества могут циркулировать.

Ответ. Круговорот возможен для атомов, которые многократно переходят между живой и неживой природой. Энергия проходит через экосистему и рассеивается, поэтому её поток не замыкается.

Задача 3. После сокращения численности хищников стало больше травоядных и меньше растений. Объясните изменения и оцените, может ли система восстановить равновесие. Для этого проследите пищевые связи и отделите возможный механизм восстановления от гарантированного результата.

1. При уменьшении числа хищников давление на травоядных ослабевает, поэтому их численность может увеличиться. Более многочисленные травоядные поедают больше растений, и растительный покров сокращается.
2. Нехватка растений способна ограничить питание и размножение травоядных. Если условия позволяют, их численность снизится, а растения получат возможность восстановиться.
3. Однако исход зависит от силы и длительности нарушения, наличия убежищ, ресурсов и других связей. Если растительность сильно истощена или система изменилась надолго, прежнее равновесие может не восстановиться.

Ответ. Изменения вызваны ослаблением хищнического контроля и усилением поедания растений. Обратные связи могут помочь восстановлению, но саморегуляция не гарантирует его при любом масштабе нарушения.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что энергия совершает замкнутый круговорот, как вещества. Такое представление возникает, если смешивать переход энергии между организмами с повторным использованием атомов. Проверьте себя: энергия рассеивается и требует постоянного поступления, а элементы могут снова войти в состав организмов.

Ошибка: сводить круговорот веществ только к деятельности организмов. Организмы заметно преобразуют вещества, но сами круговороты включают воду, атмосферу, горные породы и другие компоненты среды. Проверка проста: проследите путь элемента и отметьте, где он находится вне организма.

Ошибка: считать саморегуляцию способностью компенсировать любое воздействие. Эту ошибку допускают, когда принимают относительную устойчивость за неуязвимость. Спросите себя, не превышает ли сила или длительность воздействия возможности восстановления и сохранены ли необходимые ресурсы.

Ошибка: понимать ритмичность как неизменность условий. Повторение суточных или сезонных циклов не означает, что каждый год проходит одинаково. Чтобы проверить вывод, различайте периодичность процесса и конкретные условия, которые могут меняться от цикла к циклу.

Связь с другими темами

Для понимания закономерностей биосферы нужны знания об уровнях организации живой природы, составе экосистем и связях организмов со средой. Обмен веществ, фотосинтез, дыхание и разложение помогают проследить, как элементы переходят между организмами и неживыми компонентами. Эти представления пригодятся при изучении глобальных экологических проблем и устойчивого развития. Они позволяют оценивать, как хозяйственная деятельность человека меняет круговороты, связи и устойчивость природных систем.

Что запомнить

• Биосфера — целостная система живых организмов и преобразуемой ими среды.
• Живое вещество участвует в перемещении и преобразовании химических элементов.
• Вещества в биосфере совершают круговороты, а энергия проходит через систему и рассеивается.
• Саморегуляция поддерживает устойчивость биосферы, но не безгранична.
• Природным процессам свойственна ритмичность, связанная с периодическими изменениями условий.
• Изменение одного компонента биосферы может повлиять на другие.