§ 11. Функциональная структура биосферы

Определения и обозначения

Живое вещество — совокупность всех организмов, населяющих биосферу. Это не просто перечень растений, животных, грибов и микроорганизмов: их деятельность меняет окружающую среду. Понятие помогает увидеть жизнь как активную силу, преобразующую вещество и энергию планеты.

Биогенное вещество — вещество, созданное организмами или возникшее из их остатков. К примерам относят торф, уголь и известняк, образовавшийся из остатков организмов. В отличие от него, вещество, возникшее только в результате неживых процессов, не является биогенным.

Биокосное вещество формируется в результате совместного действия организмов и неживых процессов. Так возникает почва: её минеральную основу изменяют вода, воздух и температура, а организмы добавляют органические остатки и участвуют в их переработке. Это понятие показывает, что природные тела могут иметь смешанное происхождение.

Биогеохимическая функция — преобразование вещества и энергии живыми организмами, которое влияет на состав и состояние биосферы. Например, растения поглощают углекислый газ, а микроорганизмы разлагают органические остатки. Понятие нужно, чтобы описывать не отдельные свойства организма, а последствия его деятельности для природных круговоротов.

Как это устроено

Функциональная структура показывает, какие преобразования осуществляет живое вещество, а не только из каких компонентов состоит биосфера. Организмы непрерывно получают вещества и энергию из среды, меняют их и возвращают в неё. Поэтому их деятельность связывает живую и неживую части природы. Через такие связи поддерживаются круговороты и условия существования жизни.

Энергетическая функция начинается с фотосинтеза: растения, водоросли и некоторые бактерии улавливают солнечную энергию. Она используется для образования органических веществ, где энергия сохраняется в химической форме. Затем органические вещества служат пищей другим организмам, и энергия передаётся по цепям питания. На каждом этапе часть её рассеивается в виде тепла, поэтому исходный приток энергии должен постоянно возобновляться.

Газовая функция проявляется в поглощении и выделении газов организмами. При фотосинтезе углекислый газ используется для образования органических веществ, а кислород выделяется; при дыхании организмы поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Эти процессы действуют в разных направлениях, поэтому их соотношение влияет на газовый состав атмосферы и других сред. Газообмен связывает жизнедеятельность организмов с состоянием всей биосферы.

Концентрационная функция возникает потому, что организмы поглощают элементы не случайно, а избирательно. Например, моллюски используют кальций для построения раковин, а растения получают из почвы минеральные элементы. После смерти организмов или при выделении отходов накопленные вещества снова переходят в окружающую среду. Так живое вещество перемещает элементы и перераспределяет их между средами.

Окислительно-восстановительная функция связана с химическими реакциями, в которых меняются свойства веществ при обмене электронами. Разрушительная функция проявляется, когда бактерии, грибы и другие организмы расщепляют остатки до более простых соединений; вещество не исчезает, а возвращается в круговорот. Средообразующая функция складывается из множества таких воздействий: организмы меняют состав воздуха и воды, свойства почвы и условия обитания. Эти процессы взаимосвязаны, потому что превращения веществ влияют на среду, а среда, в свою очередь, определяет жизнь организмов.

Основные функции живого вещества в биосфере

Чтобы определить функцию, сначала выясните, что именно изменяется в процессе: поток энергии, состав газов, распределение элементов, химические соединения, остатки или условия среды. Затем сопоставьте этот результат с соответствующей строкой таблицы. Один процесс может подходить сразу к нескольким функциям, если у него несколько последствий.

Разбор задач

Задача 1. Установите, какую функцию иллюстрирует поглощение растениями углекислого газа и выделение кислорода. Нужно определить, какое изменение наблюдается непосредственно, а не ограничиваться тем, что процесс происходит у растений. Сопоставьте результат с функциями живого вещества.

1. Назовите наблюдаемое действие: растение поглощает один газ и выделяет другой.
2. Определите, что меняется в результате: соотношение углекислого газа и кислорода в окружающей среде.
3. Сопоставьте изменение газового состава с названием функции.

Ответ: это газовая функция. Фотосинтез также связан с энергетической функцией, но в условии проверяется именно обмен газами и его влияние на среду.

Задача 2. Моллюски накапливают кальций в раковинах. Назовите функцию и объясните, как это влияет на перемещение элемента в биосфере. Важно рассмотреть не только наличие кальция в раковине, но и то, откуда он поступил и куда может попасть позднее. Так можно связать действие организма с круговоротом элемента.

1. Установите, что моллюск поглощает кальций из окружающей среды.
2. Определите результат: элемент избирательно накапливается в теле и раковине организма.
3. Свяжите накопление с его дальнейшей судьбой: после смерти моллюска кальций может перейти в осадки и другие образования.

Ответ: это концентрационная функция. Организм переносит кальций из воды в раковину, а затем элемент может переместиться в донные отложения и включиться в дальнейшие круговороты.

Задача 3. Сопоставьте фотосинтез, дыхание и разложение опавших листьев с функциями живого вещества. Объясните, почему один процесс может быть связан с несколькими изменениями в биосфере. Для решения выделите главный результат каждого процесса, а затем проверьте, есть ли у него дополнительные последствия.

1. При фотосинтезе солнечная энергия запасается в органических веществах, а углекислый газ поглощается и кислород выделяется.
2. При дыхании энергия органических веществ используется организмом, кислород поглощается, а углекислый газ выделяется.
3. При разложении листьев органическое вещество расщепляется и возвращается в круговорот; процесс также меняет состав почвы и высвобождает соединения.

Ответ: фотосинтез относится к энергетической и газовой функциям, дыхание связано с превращением энергии и газообменом, а разложение — прежде всего с разрушительной функцией. Один процесс влияет сразу на несколько сторон биосферы, потому что изменение энергии или вещества часто сопровождается изменением газового состава и условий среды.

Типичные ошибки

Ошибка — считать функции свойствами отдельных организмов, не учитывая общий результат их деятельности. Так думают, когда рассматривают только то, что делает конкретное растение или животное, и не прослеживают последствия для среды. Проверка: спросите, какое изменение возникает в биосфере при участии множества организмов.

Газовую и энергетическую функции часто смешивают, потому что фотосинтез связан с обеими. Но изменение состава газов и запасание энергии — разные результаты одного процесса. Проверяйте себя вопросом: речь идёт о движении энергии или о поглощении и выделении газов?

Накопление вещества организмом иногда ошибочно относят к разрушительной функции. Причина путаницы — любое перемещение элемента принимают за разложение. Если организм избирательно поглощает и накапливает элемент, это концентрационная функция; разрушительная связана с распадом органических остатков.

Разложение остатков не уничтожает вещество, хотя остатки перестают быть узнаваемыми. Ошибку допускают, если считают исчезновением любое изменение формы. Проследите, во что превращаются остатки: простые соединения возвращаются в почву, воду или атмосферу и могут снова участвовать в круговороте.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о составе биосферы, продуцентах, консументах и редуцентах, а также об основах фотосинтеза и дыхания. Функции живого вещества связывают эти процессы с круговоротами веществ и потоком энергии. Благодаря этому можно объяснить, как поддерживается устойчивость экосистем и почему изменения природных циклов отражаются на биосфере в целом. Эти представления пригодятся при изучении её эволюции и воздействия человека на природные круговороты.

Что запомнить

• Живое вещество активно преобразует вещество и энергию биосферы.
• Энергия поступает в биосферу главным образом благодаря фотосинтезу.
• Газовая функция изменяет состав атмосферы и других сред.
• Организмы избирательно накапливают химические элементы.
• Разложение органических остатков возвращает вещества в круговороты.
• Функции живого вещества взаимосвязаны и совместно формируют условия жизни.