5.8. Биосфера — глобальная экосистема

Определения и обозначения

Биосфера — оболочка Земли, населённая живыми организмами и преобразуемая ими. Её называют глобальной экосистемой, потому что она объединяет все организмы планеты и их среду. Это понятие помогает увидеть взаимосвязь местных экосистем и процессов, которые охватывают всю Землю.

Живое вещество — совокупность всех организмов биосферы. Организмы поглощают вещества, преобразуют их и передают энергию по цепям питания. Понятие нужно, чтобы описывать влияние жизни на планетарные процессы, а не только отдельные организмы.

Биогенное вещество — вещество, образованное организмами или из их остатков. К нему относятся, например, каменный уголь, возникший из древних растительных остатков, и известняк, сформированный в том числе из остатков организмов. По таким веществам можно судить о давнем участии жизни в преобразовании Земли.

Биокосное вещество возникает при совместном воздействии организмов и неживой природы. Почва — пример такого вещества: она формируется из горных пород, остатков организмов и продуктов их деятельности. Это понятие показывает, что живое и неживое в биосфере часто действуют вместе.

Как это устроено

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Граница жизни не совпадает с чёткой линией: в разных местах условия резко различаются по температуре, давлению, освещённости и наличию воды. Поэтому организмы встречаются лишь там, где эти факторы допускают их существование, а плотность жизни неодинакова. Наибольшее разнообразие организмов обычно наблюдается в благоприятных и хорошо обеспеченных ресурсами местах.

Организмы не могут существовать отдельно от неживой природы: им нужны вода, минеральные вещества, подходящая температура и источник энергии. В свою очередь, живые существа меняют среду — например, растения выделяют кислород, а корни и почвенные организмы влияют на почву. Из-за обмена веществ и энергии граница между живой и неживой частью экосистемы не означает их изоляции. Совокупность этих связей на уровне всей Земли и образует глобальную экосистему.

Большинство экосистем получает энергию от Солнца: растения и некоторые другие организмы используют её при фотосинтезе, создавая органические вещества. Затем энергия передаётся другим организмам при питании и постепенно рассеивается в виде тепла. Химические элементы, напротив, переходят между организмами, воздухом, водой и горными породами и могут использоваться повторно. Поэтому круговороты веществ поддерживают жизнь, а постоянный приток энергии обеспечивает работу этих процессов.

Живое, биогенное, биокосное и косное вещества различаются по происхождению и роли организмов в их образовании. Живое вещество — сами организмы, биогенное создано ими или их остатками, а биокосное возникло при совместном участии живого и неживого. Косное вещество формируется без участия организмов, например многие минералы и горные породы. Эти виды вещества связаны: организмы используют вещества среды, а после их гибели остатки могут войти в состав биогенного или биокосного вещества.

Живое вещество выполняет несколько взаимосвязанных функций. Газовая функция проявляется в изменении состава атмосферы, например при фотосинтезе и дыхании; концентрационная — в избирательном накоплении организмами химических элементов. Окислительно-восстановительная функция связана с превращениями веществ при обмене веществ и разложении органики. Средообразующая функция состоит в том, что организмы меняют условия среды, формируя, например, состав воздуха, почву и места обитания других видов.

Вещества биосферы и их происхождение

Чтобы определить вид вещества, сначала спросите, участвуют ли в его образовании организмы. Если перед вами сами организмы, это живое вещество; если продукт их деятельности или остатки — биогенное. Если необходимы одновременно живые организмы и неживые процессы, вещество биокосное, а при отсутствии участия организмов — косное.

Разбор задач

Задача 1. Определите, к какой оболочке Земли относится водоём, населённый организмами, и почему он входит в биосферу. Нужно разделить понятия «оболочка Земли» и «область распространения жизни». Затем соотнесите водоём с земными оболочками и проверьте наличие организмов.

1. Водоём состоит из воды, значит, он относится к гидросфере.
2. Гидросфера входит в биосферу, а организмы могут жить в водной среде.
3. Следовательно, населённый организмами водоём входит в биосферу как часть гидросферы, где существует жизнь.

Ответ: водоём относится к гидросфере и входит в биосферу. Причина не только в наличии воды, но и в том, что это часть земной оболочки, освоенная живыми организмами.

Задача 2. Классифицируйте почву, каменный уголь и воду океана как живое, биогенное, биокосное или косное вещество. Для каждого примера выясните, что именно перед нами и как оно возникло. Важно классифицировать происхождение вещества, а не просто отмечать, что в нём могут жить организмы.

1. Почва образуется при совместном участии организмов и неживых процессов, поэтому это биокосное вещество.
2. Каменный уголь возник из древних растительных остатков, значит, он биогенный.
3. Вода океана сама по себе не является организмом и формируется без создания организмами, поэтому её относят к косному веществу.

Ответ: почва — биокосное вещество, уголь — биогенное, океанская вода — косное. Наличие организмов в океане не превращает воду в живое вещество: живыми являются сами обитатели.

Задача 3. Объясните, как вырубка леса может повлиять на круговорот углерода и условия существования организмов в биосфере. Рассуждайте не только о деревьях, но и о связанных с ними процессах. Проследите, что меняется в поглощении углекислого газа и в среде обитания.

1. При фотосинтезе деревья поглощают углекислый газ и включают углерод в органические вещества.
2. После вырубки леса таких растений становится меньше, а при разложении или сжигании древесины углерод возвращается в атмосферу.
3. Меняются затенение, влажность и места обитания, поэтому условия для лесных организмов могут ухудшиться.

Ответ: вырубка способна ослабить поглощение углекислого газа и нарушить местный круговорот углерода. Одновременно она изменяет среду, от которой зависят организмы. Масштаб последствий зависит от площади вырубки и того, восстанавливается ли лес.

Типичные ошибки

Ошибка — считать биосферу только совокупностью организмов, не включая преобразуемую ими среду. Так думают, когда сводят биосферу к перечню видов и забывают о связи организмов с водой, воздухом и горными породами. Проверьте себя вопросом: могут ли организмы существовать без обмена веществами со средой? Если нет, биосфера должна включать и эту среду.

Биогенное и биокосное вещества иногда путают, потому что в образовании обоих участвуют организмы. Различие в том, что биогенное создано организмами или их остатками, а биокосное возникает при совместном воздействии живого и неживого. Чтобы проверить классификацию, выясните, достаточно ли деятельности организмов для образования вещества или необходимы ещё и природные процессы.

Неверно представлять границы биосферы как одинаково пригодные для жизни области. Ошибка возникает из-за представления о границах как о ровной оболочке, хотя условия меняются и жизнь распределена неравномерно. Проверка проста: сравните доступность воды, света, кислорода и подходящей температуры в разных частях Земли.

Круговорот веществ нельзя считать замкнутым потоком энергии. Такое смешение возникает потому, что оба процесса связаны с жизнедеятельностью организмов. Проверьте себя: химические элементы могут многократно возвращаться в цикл, а энергия в основном приходит от Солнца и рассеивается как тепло. Поэтому для существования биосферы нужны и круговороты веществ, и постоянный приток энергии.

Связь с другими темами

Для понимания биосферы нужны знания об уровнях организации живой природы, строении экосистемы и связях организмов со средой. Тема опирается на представления о круговороте веществ и потоке энергии, знакомые по изучению экосистем. На этом уровне отдельные процессы объединяются в картину жизни всей планеты. Эти знания помогают разбираться в глобальных экологических проблемах, охране природы и устойчивом развитии.

Что запомнить

• Биосфера — глобальная экосистема Земли.
• Она включает части атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.
• Живое вещество — совокупность всех организмов биосферы.
• Организмы преобразуют среду и участвуют в круговороте веществ.
• Биогенное вещество образовано организмами, биокосное — совместным воздействием живой и неживой природы.
• Энергия проходит через биосферу потоком, а многие химические элементы участвуют в круговоротах.