§ 55. Биосфера. Структура и функции биосферы

Определения и обозначения

Биосфера — глобальная оболочка Земли, населённая живыми организмами и преобразованная их деятельностью. Это понятие нужно, чтобы рассматривать жизнь не изолированно, а как часть единой планетарной системы, связанной с воздухом, водой и горными породами.

Живое вещество — совокупность всех живых организмов биосферы, рассматриваемая как единое целое. Такое определение помогает оценить общий результат деятельности организмов: они вместе меняют состав среды и участвуют в перемещении химических элементов.

Биогенное вещество — вещества, образованные и преобразованные живыми организмами в процессе жизнедеятельности. К ним относят, например, органические остатки, торф, каменный уголь, нефть и известняк; это показывает, что следы жизни сохраняются и в неживой природе.

Биогеохимический круговорот — перемещение химических элементов между живыми организмами и компонентами неживой природы. Благодаря круговоротам атомы углерода, кислорода, азота и других элементов многократно используются организмами.

Как это устроено

Границы биосферы определяются не условными линиями, а возможностями существования жизни. В нижней атмосфере есть воздух, вода и подходящие температуры, в гидросфере жизнь встречается от поверхности до значительных глубин, а в верхней части литосферы доступны вода, поры и минеральные вещества. По мере удаления от поверхности усиливаются неблагоприятные факторы: холод, давление, высокая температура, недостаток воды или энергии.

В структуре биосферы взаимодействуют три группы компонентов: живое вещество, неживые компоненты среды и продукты деятельности организмов. Воздух, вода, минералы и почва служат организмам средой и источником веществ, а организмы изменяют их состав. Отмершие тела и выделения превращаются в биогенное вещество, которое затем снова включается в природные процессы.

Круговорот веществ поддерживает относительную устойчивость биосферы, потому что одни и те же элементы не исчезают после использования, а переходят между разными звеньями системы. Растения извлекают вещества из почвы и воздуха, животные получают их с пищей, а редуценты возвращают соединения в почву и воду. Так связываются организмы, почва, водоёмы и атмосфера, а недостаток или избыток вещества в одном звене отражается на остальных.

Главный источник энергии для большинства экосистем — Солнце. Продуценты запасают её в органических веществах, консументы получают часть энергии с пищей, а редуценты используют энергию остатков; на каждом переходе значительная доля рассеивается в виде тепла. Поэтому вещества могут циркулировать повторно, а энергия требует постоянного притока.

Живое вещество выполняет несколько функций. Газовая функция проявляется в изменении состава атмосферы, концентрационная — в накоплении элементов организмами, окислительно-восстановительная — в превращении соединений; деструктивная связана с разложением остатков, а средообразующая — с созданием и изменением условий жизни, например почвы и состава воздуха.

Структура биосферы и роль её основных компонентов

Таблицу удобно читать по строкам: сначала определить, к какой оболочке или группе относится компонент, затем установить его роль. По столбцу «Роль» видно, что ни один компонент не существует отдельно от остальных. Например, растения используют вещества литосферы и углекислый газ атмосферы, а после отмирания возвращают элементы в почву.

Разбор задач

Задача 1. Определить, какие части атмосферы, гидросферы и литосферы входят в состав биосферы

Условие: нужно назвать части трёх оболочек Земли, где существуют организмы или сохраняются необходимые для жизни условия.

1. Определим критерий: граница биосферы проходит там, где жизнь ещё возможна, а не по всей оболочке целиком.
2. В атмосфере выберем нижнюю часть, потому что выше становятся неблагоприятными состав воздуха, температура и уровень излучения.
3. В гидросферу включим все воды Земли: жизнь встречается в океанах, пресных водоёмах, льду, подземных водах и во влажных плёнках.
4. В литосфере возьмём верхнюю часть земной коры, где есть почва, вода, поры и доступные минеральные вещества.

Ответ: биосфера включает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Задача 2. Объяснить функции при поглощении растениями углекислого газа и выделении кислорода

Условие: нужно связать фотосинтез с функциями живого вещества. Растения поглощают углекислый газ, создают органические вещества и выделяют кислород.

1. Поглощение и выделение газов прямо изменяют состав атмосферы, поэтому проявляется газовая функция.
2. Углерод из углекислого газа включается в органические вещества растения, значит, живое вещество концентрирует химический элемент.
3. Образование органики запасает солнечную энергию и создаёт пищу для других организмов, связывая растение с пищевой цепью.
4. Изменение газового состава и создание органического вещества влияют на условия жизни других организмов, поэтому проявляется средообразующая функция.

Ответ: в процессе участвуют газовая, концентрационная и средообразующая функции; фотосинтез также связывает поток солнечной энергии с пищевыми цепями.

Задача 3. Проанализировать последствия массового уничтожения лесов

Условие: нужно проследить, как вырубка лесов влияет на круговорот углерода, атмосферу и устойчивость биосферы.

1. Станет меньше растений, которые поглощают углекислый газ, поэтому его удаление из атмосферы ослабнет.
2. При сжигании древесины и разложении остатков углерод быстрее перейдёт в атмосферу в составе углекислого газа.
3. Сократится образование кислорода и органического вещества, уменьшится число местообитаний и нарушатся пищевые связи.
4. Изменятся водный режим, почвообразование и защита почвы от эрозии, поэтому круговороты и саморегуляция биосферы станут менее устойчивыми.

Ответ: массовое уничтожение лесов ослабляет поглощение углекислого газа, может повышать его содержание в атмосфере, разрушает местообитания и нарушает взаимосвязанные процессы биосферы.

Типичные ошибки

Считать биосферой всю Землю или только живые организмы. Первая ошибка не учитывает области, где жизнь невозможна, а вторая исключает воду, воздух, почву и продукты деятельности организмов. Проверь себя: можешь ли ты назвать взаимодействие живого и неживого компонентов?

Проводить границу биосферы строго по границе географической оболочки. Так делают, когда путают крупные природные оболочки с областью распространения жизни. Проверь себя вопросом: есть ли в названной части условия для существования организмов?

Путать круговорот веществ с потоком энергии. Вещества возвращаются в циклы и используются повторно, а энергия проходит через пищевые цепи и рассеивается как тепло. Проверь себя: возвращается ли данный ресурс в систему или ему нужен постоянный внешний источник?

Считать деятельность организмов только потреблением ресурсов. Организмы не только используют среду, но и создают почву, меняют состав газов, разлагают остатки и перемещают элементы. Проверь себя: назвал ли ты хотя бы одну средообразующую функцию живого вещества?

Связь с другими темами

Для понимания биосферы нужны знания об уровнях организации живой природы и об экосистемах. Пищевые цепи показывают передачу энергии, а продуценты, консументы и редуценты — роли организмов в круговоротах.

Тема опирается на сведения о составе атмосферы, гидросферы и литосферы, а также о круговоротах воды, углерода и кислорода. Эти знания помогают объяснить взаимосвязь оболочек Земли.

Понятие биосферы понадобится при изучении экологии, глобальных экологических проблем, охраны природы и последствий влияния человека на окружающую среду.

Что запомнить

• Биосфера — оболочка Земли, в которой существует жизнь.
• В состав биосферы входят части атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы.
• Основным преобразователем вещества и энергии в биосфере является живое вещество.
• Вещества в биосфере совершают круговороты.
• Энергия поступает главным образом от Солнца и рассеивается в виде тепла.
• Живые организмы изменяют состав атмосферы, воды, почвы и горных пород.
• Устойчивость биосферы зависит от взаимосвязи всех её компонентов.