§ 41. Биосфера — глобальная экосистема

Определения и обозначения

Биосфера — оболочка Земли, населённая живыми организмами и преобразуемая их деятельностью. Она включает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы, то есть области, где возможна жизнь. Это понятие помогает увидеть, что жизнь связана не только с организмами, но и с окружающей их средой.

Живое вещество — совокупность всех организмов биосферы. Растения, животные, грибы и микроорганизмы участвуют в превращении веществ и передаче энергии. Рассматривая их вместе, можно понять, как жизнь меняет природные оболочки Земли.

Биогеохимический круговорот — повторяющееся перемещение химических элементов между живыми организмами и неживой природой. Например, углерод переходит из воздуха в растения, затем в животных и снова оказывается в окружающей среде. Круговороты позволяют одним и тем же элементам многократно участвовать в жизни организмов.

Биокосное вещество — вещество, образованное совместным воздействием живых организмов и неживых природных процессов. Например, почва возникает при разрушении горных пород и участии организмов, которые заселяют её и оставляют органические остатки. Это понятие показывает, что живое и неживое в природе тесно взаимодействуют.

Как это устроено

Биосфера занимает не всю толщу земных оболочек, а только области, где сохраняются условия для жизни. В атмосфере организмы встречаются в нижней части, в гидросфере жизнь есть практически повсюду, а в литосфере — лишь в её верхних слоях. Распространение ограничивают температура, давление, доступность воды и питательных веществ, а для многих организмов — свет. Поэтому жизнь сосредоточена неодинаково, а верхнюю границу биосферы определяют условия, за которыми организмы уже не могут существовать.

Биосферу называют глобальной экосистемой, потому что в ней действуют те же связи, что и в любой экосистеме, но на масштабе всей планеты. Организмы влияют друг на друга и на воздух, воду и горные породы, получая от среды необходимые вещества и энергию. Потоки связывают разные участки Земли: вещество может переходить между организмами, почвой, водой и атмосферой. Поэтому изменения в одной части биосферы способны влиять на другие её части.

Круговорот вещества обеспечивают производители, потребители и разрушители. Производители, например зелёные растения, создают органические вещества из неорганических, используя энергию света. Потребители получают готовое органическое вещество, поедая растения или других животных. Разрушители разлагают остатки организмов и возвращают химические элементы в среду, откуда их снова могут взять производители.

Энергия проходит через биосферу не так, как вещество. Главный её источник для большинства экосистем — Солнце: растения улавливают часть солнечной энергии при фотосинтезе, а затем она передаётся потребителям. На каждом этапе часть энергии рассеивается в виде тепла, поэтому она не возвращается к производителям в исходном виде. Значит, для продолжения работы экосистем нужен постоянный приток энергии, тогда как химические элементы могут использоваться повторно.

Деятельность организмов меняет состав воздуха, воды и горных пород. Например, растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, а организмы и их остатки участвуют в преобразовании веществ в почве и водоёмах. Когда живые организмы взаимодействуют с неживыми природными процессами, возникают биокосные тела. Почва — такой результат: в её образовании участвуют горные породы, вода, воздух и живые организмы.

Компоненты биосферы и их роль в круговороте веществ

Чтобы проследить путь вещества, читайте таблицу от производителей к потребителям, затем к разрушителям и неживой среде. После возвращения элементов в среду производители могут снова их использовать. Так видно, что компоненты экосистемы не действуют по отдельности.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие оболочки Земли входят в биосферу и где проходит её верхняя граница.

1. Сначала вспомним, что биосфера охватывает не всю планету, а области с условиями, подходящими для жизни.

2. В атмосфере такие условия есть в нижней части, где обитают организмы и достаточно плотный воздух. Вся гидросфера входит в биосферу, а в литосфере жизнь распространена только в верхнем слое.

3. Значит, верхнюю границу биосферы следует искать в атмосфере, на высоте, где условия становятся непригодными для жизни. При этом нельзя считать, что она проходит на одной и той же глубине или высоте для всех организмов.

Ответ: в биосферу входят нижняя часть атмосферы, вся гидросфера и верхняя часть литосферы; её верхняя граница проходит в атмосфере там, где жизнь уже невозможна.

Задача 2. Проследите путь углерода от углекислого газа в воздухе через растение и животное обратно в окружающую среду.

1. Углекислый газ из воздуха поглощается растением. При фотосинтезе растение использует углерод для образования органических веществ.

2. Животное получает этот углерод, когда питается растением или другим животным, которое его съело. Так углерод переходит от производителя к потребителю.

3. При дыхании часть углерода возвращается в воздух в составе углекислого газа. После гибели организма его остатки разлагают разрушители, и углерод также попадает в окружающую среду.

Ответ: углекислый газ → растение → животное → окружающая среда; разложение остатков разрушителями тоже возвращает углерод в среду.

Задача 3. Объясните, почему в экосистеме вещество может возвращаться к производителям, а энергия не возвращается к своему первоначальному источнику.

1. Вещество переходит из неживой среды к производителям, затем к потребителям и разрушителям. Разрушители возвращают химические элементы в среду, после чего производители могут использовать их снова.

2. Энергия поступает главным образом от Солнца и сначала улавливается производителями. Далее она передаётся по цепям питания, но при каждом переходе часть рассеивается в виде тепла.

3. Следовательно, круговорот возможен для химических элементов, но не для энергии: для работы экосистемы нужен новый приток энергии извне.

Ответ: вещество возвращается в среду и повторно используется производителями, а энергия движется потоком от Солнца через организмы и рассеивается как тепло.

Типичные ошибки

Ошибка — считать биосферой только совокупность организмов. Так думают, потому что именно живые существа заметнее всего, но биосфера включает также области Земли, где они обитают и которые преобразуют. Проверьте себя: если из определения исчезли вода, воздух и горные породы, описание стало неполным.

Ошибка — представлять биосферу как равномерный слой вокруг всей Земли. Организмы не могут жить в любых условиях, поэтому жизнь ограничена в атмосфере и литосфере и распределена неодинаково. Проверка простая: назовите условия, необходимые для жизни, и соотнесите с ними каждую оболочку планеты.

Ошибка — смешивать круговорот вещества с потоком энергии. Путаница возникает из-за того, что и вещества, и энергия переходят между организмами, но элементы возвращаются в среду, а энергия рассеивается в виде тепла. Чтобы проверить ответ, спросите себя, может ли исходное вещество снова попасть к производителю и нужен ли системе новый источник энергии.

Ошибка — приписывать разрушителям создание органического вещества. Разрушители перерабатывают остатки, а органическое вещество из неорганического создают производители; путаница связана с тем, что обе группы участвуют в круговороте. Проверьте себя: растения образуют органические вещества, потребители их получают, а разрушители возвращают элементы в среду.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о компонентах экосистемы, пищевых связях и ролях производителей, потребителей и разрушителей. Обмен веществ и фотосинтез объясняют, как организмы преобразуют вещества и используют энергию. Эти представления пригодятся при изучении круговоротов углерода, азота и воды, а также влияния человека на экосистемы и биосферу.

Что запомнить

• Биосфера — глобальная экосистема Земли.
• В биосферу входят части атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы.
• Живое вещество объединяет все организмы планеты.
• Производители, потребители и разрушители связаны круговоротом веществ.
• Вещество в биосфере совершает круговорот.
• Энергия проходит через биосферу потоком и рассеивается в виде тепла.
• Живые организмы участвуют в преобразовании оболочек Земли.