§ 28. Особенности биосферного уровня живой материи и его роль в обеспечении жизни на Земле

Определения и обозначения

Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная их деятельностью. Жизнь распространена в нижней части атмосферы, во всей гидросфере и в верхней части литосферы; вместе с организмами в биосферу входят и неживые компоненты, с которыми они связаны. Это понятие помогает описать область планеты, где природные процессы поддерживают существование жизни.

Биосферный уровень организации живой материи — уровень, охватывающий все экосистемы планеты и их взаимодействие. Он включает связи между отдалёнными сообществами и оболочками Земли, поэтому не сводится к одной местности. Это определение позволяет оценивать последствия природных изменений и деятельности человека в планетарном масштабе.

Живое вещество — совокупность всех организмов биосферы. Растения, животные, грибы и микроорганизмы поглощают вещества из среды, используют их для построения тела и возвращают наружу. Понятие нужно, чтобы показать, как организмы участвуют в переносе элементов и преобразовании энергии.

Биогеохимический круговорот — циклическое перемещение химических элементов между организмами и неживыми компонентами биосферы. Элементы переходят из воздуха, воды и почвы в живые тела, а после выделения продуктов жизнедеятельности и разложения снова оказываются в среде. Такое понятие объясняет, как необходимые для жизни вещества становятся доступными снова.

Как это устроено

Биосферу считают высшим уровнем организации жизни, потому что она объединяет не одну экосистему, а все экосистемы планеты. Они связаны переносом воды, газов и химических элементов, а также миграциями организмов и климатическими процессами. Связи с атмосферой, гидросферой и литосферой возникают потому, что организмы получают из этих оболочек ресурсы и возвращают в них продукты своей деятельности. Поэтому изменение одного крупного природного процесса может отразиться на живых сообществах в других местах.

В круговороте веществ организмы сначала поглощают элементы из среды, затем включают их в состав клеток и тканей. Растение, например, использует минеральные вещества почвы и углекислый газ воздуха; животное получает элементы, поедая растения или других животных. При дыхании, выделении продуктов обмена и разложении останков вещества возвращаются в воздух, воду и почву. Круговорот поддерживается потому, что атомы элементов не исчезают после использования организмом, а переходят в другие соединения и формы.

Солнечная энергия поступает в биосферу преимущественно благодаря фотосинтезу: растения и некоторые другие организмы преобразуют её в энергию органических веществ. Этой энергией пользуются сами производители, а затем она передаётся потребителям по пищевым цепям. При каждом преобразовании часть энергии рассеивается в виде тепла, поэтому для поддержания процессов требуется постоянное поступление новой энергии. В отличие от вещества, энергия не возвращается к исходному источнику по замкнутому пути.

Организмы изменяют оболочки Земли, потому что постоянно обмениваются с ними веществом и энергией. Фотосинтез влияет на содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере, а испарение воды растениями участвует в водном обмене. Корни растений и микроорганизмы воздействуют на почву и горные породы, а водные организмы меняют состав водной среды. Эти изменения способны создавать или поддерживать условия, подходящие для жизни других организмов.

Устойчивость биосферы зависит от того, насколько сохранены связи между её компонентами и непрерывно ли идут круговороты веществ. Если нарушается отдельная связь, например сокращается число организмов, перерабатывающих органические остатки, изменяются доступность питательных элементов и условия для других видов. При этом последствия могут распространяться по пищевым цепям и затрагивать разные экосистемы. Непрерывное поступление солнечной энергии и возврат веществ в среду помогают поддерживать процессы жизни, но не отменяют уязвимости биосферы к сильным нарушениям.

Особенности и роль биосферного уровня

Таблица позволяет сравнить масштаб биосферы, механизмы её работы и их значение для жизни. Читая строки, связывайте процесс в средней колонке с результатом в правой: например, возврат элементов поддерживает доступность веществ для организмов. Это помогает отличать свойства биосферного уровня от особенностей отдельной экосистемы.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему совокупность всех лесов Земли сама по себе не тождественна биосфере. Нужно сравнить значение слов «леса» и «биосфера», а затем учесть, что кроме лесных экосистем на планете существуют другие среды жизни. Рассуждайте не только о количестве экосистем, но и об их связях с неживой природой.

1. Совокупность лесов включает только экосистемы, относящиеся к лесным; в неё не входят, например, океаны, пустыни и степи.
2. Биосфера охватывает все экосистемы планеты, а не один тип природных сообществ.
3. В биосферу входят также взаимодействия организмов с воздухом, водой и верхней частью литосферы.

Ответ: все леса Земли составляют лишь часть биосферы, потому что не включают другие экосистемы и все связи жизни с оболочками планеты.

Задача 2. Проследите путь углерода от углекислого газа в атмосфере через растение и животное обратно в окружающую среду. Чтобы не перепутать этапы, отмечайте, в какой форме и в каком компоненте среды находится элемент на каждом шаге. Переходы между живой и неживой природой и составляют круговорот.

1. Растение поглощает углекислый газ из воздуха и при фотосинтезе включает углерод в органические вещества.
2. Животное поедает растение; углерод поступает в его организм и становится частью органических соединений.
3. При дыхании часть углерода выделяется животным в виде углекислого газа. После смерти организма остатки разлагаются, и углерод возвращается в окружающую среду в составе различных соединений.

Ответ: углерод переходит из атмосферы в растение, затем в животное и возвращается в воздух или другие компоненты среды. В природе его путь может включать дополнительные переходы и формы.

Задача 3. При нарушении фотосинтеза в крупном регионе обсудите возможные последствия для потока энергии, пищевых связей и круговорота веществ. Разделите рассуждение на эти три стороны, чтобы установить цепочку причин и следствий. Учитывайте, что изменения в регионе могут повлиять на биосферу через связи экосистем.

1. При снижении фотосинтеза меньше солнечной энергии будет запасаться в органических веществах, а значит, уменьшится её поступление к потребителям.
2. При нехватке пищи меняются численность организмов и связи в пищевых цепях; последствия могут затронуть виды, которые не нарушали фотосинтез напрямую.
3. Изменится поглощение углекислого газа и образование растительной массы, а значит, могут измениться скорость включения элементов в живое вещество и их последующее возвращение в среду.

Ответ: нарушение фотосинтеза способно ослабить поток энергии через пищевые связи и изменить круговорот веществ. Масштаб последствий зависит от силы и длительности нарушения и от того, как связаны экосистемы региона с другими частями биосферы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать биосферу только совокупностью живых организмов. Такое упрощение возникает, если не учитывать воздух, воду, почву и связи организмов со средой. Проверь себя вопросом: включил ли ты в описание компоненты, которые организмы используют и изменяют?

Ошибка: путать биосферный уровень с уровнем отдельной экосистемы. Причина — оба понятия описывают организмы вместе со средой, но различаются масштабом. Проверь, охватывает ли рассматриваемая система все экосистемы Земли или только одно сообщество на определённой территории.

Ошибка: представлять круговорот вещества как движение по неизменному замкнутому маршруту. В действительности элементы переходят между организмами и средой и могут менять химическую форму. Для проверки перечисли компоненты, через которые проходит элемент, и учти превращения соединений.

Ошибка: считать, что энергия циркулирует так же, как вещество. Эту мысль принимают из-за того, что энергия передаётся по пищевым цепям, но при передачах часть её рассеивается как тепло. Проверь себя: для энергии нужно указать источник и путь передачи, а для вещества — ещё и возвращение в круговорот.

Связь с другими темами

Для понимания биосферы нужны знания об уровнях организации живой материи, строении экосистем и связях организмов со средой. Тема продолжает изучение круговоротов веществ, пищевых цепей и потока энергии: эти процессы на уровне экосистем складываются в биосферные. Представления о биосфере помогают разбирать экологические проблемы, охрану природы и последствия влияния человека на окружающую среду.

Что запомнить

• Биосфера объединяет все экосистемы Земли.
• Живые организмы взаимодействуют с неживыми компонентами планеты.
• Живое вещество участвует в преобразовании оболочек Земли.
• Вещества переходят между живыми организмами и окружающей средой.
• Основной источник энергии для биосферы — Солнце.
• Энергия проходит через биосферу, а вещества участвуют в круговоротах.
• Состояние биосферы зависит от взаимосвязей её компонентов.