Раздел II. Биосферный уровень организации жизни

Определения и обозначения

Биосфера — оболочка Земли, в которой существует жизнь: часть атмосферы, вся гидросфера и верхняя часть литосферы. Её называют глобальным уровнем организации жизни, потому что она объединяет организмы всей планеты и среды, с которыми те обмениваются веществом и энергией. Понятие помогает увидеть жизнь не только как отдельные организмы или экосистемы, но и как единое планетарное явление.

Живое вещество — совокупность всех организмов биосферы. Организмы поглощают и выделяют вещества, создают органические соединения, участвуют в образовании осадочных пород и преобразуют среду. Поэтому живое вещество рассматривают как активную силу, способную менять облик планеты.

Биогенное вещество образуется в результате жизнедеятельности организмов или из их остатков. К нему относят, например, каменный уголь, возникший из древних растительных остатков, и многие известняки, образованные при участии организмов. Это понятие позволяет проследить, как жизнь оставляет долговременный след в составе земной коры.

Био- и косное вещество формируется при совместном действии живых организмов и неживых процессов, а косное вещество возникает без участия организмов. Почва относится к био- и косному веществу: она складывается при взаимодействии организмов, горных пород, воды и воздуха. Различение этих категорий помогает определять происхождение вещества, а не судить о нём только по составу.

Как это устроено

Жизнь распределена по Земле неравномерно, потому что организмы могут существовать только при подходящих условиях: нужны вода, источники энергии и переносимые пределами вида температуры, давление и химический состав среды. Поэтому в одних местах жизнь разнообразна и многочисленна, а в других её почти нет или она отсутствует. Границы биосферы определяются не административными линиями, а возможностью организмов жить в разных оболочках планеты. Некоторые микроорганизмы выдерживают экстремальные условия, поэтому жизнь обнаруживается и там, где большинство видов существовать не может.

Организмы связаны между собой пищевыми отношениями: одни служат пищей другим, а остатки организмов используют разрушители и разлагатели. Одновременно каждое живое существо взаимодействует с водой, воздухом, почвой и другими компонентами среды, получая из них вещества и возвращая продукты обмена. Так перемещаются и преобразуются вещества, а энергия передаётся по цепям питания. Связи позволяют экосистемам функционировать как системам, хотя ни один организм не существует совершенно независимо от окружения.

За длительную историю Земли живое вещество изменило состав и свойства её оболочек. Фотосинтезирующие организмы поглощали углекислый газ и выделяли кислород, постепенно влияя на состав атмосферы; организмы также участвуют в образовании осадочных пород и почв. Вода и живые существа переносят вещества, а остатки организмов могут сохраняться в земной коре. Такие процессы показывают, что жизнь не просто приспосабливается к планете, но и сама преобразует её.

Круговорот веществ поддерживает жизнь, потому что необходимые элементы не исчезают после использования организмом, а переходят в новые формы. Растения и другие производители включают неорганические вещества в состав органических соединений; потребители получают их с пищей, а выделения и остатки разлагаются. В результате вещества возвращаются в воду, воздух или почву и снова становятся доступными организмам. Круговорот не означает, что всё возвращается мгновенно или в неизменном виде: разные его этапы могут занимать разное время.

Деятельность человека стала фактором планетарного масштаба, поскольку люди преобразуют большие территории и используют ресурсы быстрее, чем некоторые природные процессы успевают их восстановить. Сжигание топлива увеличивает поступление углекислого газа в атмосферу, а вырубка лесов уменьшает площадь, где углерод связывается при фотосинтезе. Изменения затрагивают круговороты веществ, климат и условия существования организмов, поэтому могут распространяться за пределы отдельных мест. Устойчивость биосферы зависит в том числе от того, насколько разумно человек пользуется её ресурсами и сохраняет природные связи.

Вещества биосферы и их происхождение

Чтобы определить вид вещества, сначала выясните, как оно возникло: при участии организмов, без них или при совместном действии живой и неживой природы. Современный состав объекта сам по себе не всегда раскрывает его происхождение. Если история образования неоднозначна, учитывайте конкретные условия и не распространяйте характеристику одного образца на все вещества этого типа.

Разбор задач

1. Классификация веществ биосферы

Условие: распределите известняк, живые организмы, почву и каменный уголь по видам вещества биосферы. Обоснуйте каждый выбор. Для решения важно классифицировать объекты по происхождению, а не только по их современному составу.

1. Живые организмы непосредственно составляют живое вещество: это сами представители жизни, а не продукт их деятельности.
2. Каменный уголь возник из остатков древних растений, поэтому его относят к биогенному веществу.
3. Многие известняки образовались при участии организмов, например из их скелетных остатков; такой известняк относят к биогенному веществу.
4. Почва формируется при взаимодействии организмов с минеральными частицами, водой и воздухом, поэтому она био- и косная.

Ответ: живые организмы — живое вещество; каменный уголь и известняк биологического происхождения — биогенное; почва — био- и косное. Основание классификации — путь образования объектов. Например, не любой известняк обязательно возник одинаково, поэтому для конкретного образца важно знать его происхождение.

2. Путь углерода из атмосферы к животному и обратно

Условие: объясните, как углерод атмосферного углекислого газа может попасть в организм животного, а затем вернуться в окружающую среду. Нужно проследить переходы вещества между средой и организмами. Удобно начать с организма, который способен усваивать углекислый газ.

1. Растение поглощает углекислый газ при фотосинтезе и включает углерод в органические вещества.
2. Животное получает этот углерод, поедая растение или другого животного, которое питалось растениями.
3. При дыхании часть углерода возвращается в воздух в составе углекислого газа; после смерти остатки организма разлагаются, и углерод также переходит в окружающую среду.
4. Некоторая часть углерода может надолго сохраниться в почве или осадочных отложениях, поэтому возвращение не всегда происходит быстро.

Ответ: углерод проходит путь «атмосферный углекислый газ — растение — животное — дыхание или разложение — окружающая среда». Растение связывает его, животное получает с пищей, а дыхание и деятельность разлагателей возвращают его в среду. Это пример круговорота: атомы переходят между разными формами и компонентами биосферы.

3. Последствия массовой вырубки леса

Условие: оцените, как массовая вырубка леса влияет на круговорот углерода, состав атмосферы и устойчивость экосистем. Необходимо связать воздействие с несколькими процессами и показать причинно-следственные связи. Последствия зависят от площади вырубки, способа использования древесины и восстановления леса.

1. После вырубки остаётся меньше растений, которые поглощают углекислый газ при фотосинтезе, поэтому связывание углерода на этой территории уменьшается.
2. Если древесину сжигают или оставляют разлагаться, содержащийся в ней углерод возвращается в атмосферу, в том числе в виде углекислого газа.
3. Уничтожение местообитаний сокращает доступные организму ресурсы и нарушает пищевые связи, из-за чего экосистемы могут стать менее устойчивыми.
4. При уменьшении лесного покрова меняются условия почвы и водный режим, что способно затруднить восстановление сообщества.

Ответ: массовая вырубка ослабляет поглощение углерода лесами и может увеличить его поступление в атмосферу; одновременно она нарушает условия жизни видов и работу экосистем. Это не означает, что каждый срубленный участок обязательно приведёт к одинаковому эффекту: важны масштабы и восстановление леса. Однако при широком распространении вырубки её последствия затрагивают круговороты и устойчивость биосферы.

Типичные ошибки

Ошибка 1 — считать биосферу только совокупностью организмов. Так думают, потому что слово связано с жизнью, но организмы существуют во взаимодействии со средой. Биосфера включает также области обитания и связанные с жизнью вещества. Проверьте себя: называя объект биосферы, учитывайте не только живые тела, но и их окружение.

Ошибка 2 — путать биогенное и био- и косное вещество. Оба понятия связаны с живыми организмами, поэтому их легко смешать. Биогенное вещество создаётся организмами или из их остатков, а био- и косное формируется совместно под действием живого и неживого. Проверочный вопрос: возник бы объект без совместного взаимодействия этих двух факторов?

Ошибка 3 — считать круговорот веществ замкнутым и неизменным. Слово «круговорот» создаёт образ точного круга, но вещества переходят между компонентами и могут задерживаться в отдельных запасах. При этом энергия проходит через экосистемы потоком и не возвращается по замкнутому циклу. Для проверки проследите отдельно путь вещества и путь энергии.

Ошибка 4 — сводить влияние человека к местным изменениям. Нагляднее всего последствия заметны рядом с дорогой, полем или вырубкой, поэтому кажется, что дальше они не распространяются. Однако изменение растительного покрова и выбросы влияют на крупные круговороты, а через них — на состояние биосферы. Проверяйте масштаб причин: затрагивают ли они обмен веществ или условия среды за пределами одного участка?

Связь с другими темами

Для понимания биосферного уровня нужно знать уровни организации живой природы, свойства организмов и основные оболочки Земли: без этого трудно определить, что объединяет биосфера и где возможна жизнь. Представления о биосфере помогают изучать экосистемы и круговороты веществ, потому что показывают связи организмов с окружающей средой в масштабе планеты. Они также нужны при обсуждении экологических проблем и охраны природы: чтобы оценивать последствия воздействия, приходится учитывать не только отдельные виды, но и процессы, от которых зависит устойчивость биосферы.

Что запомнить

• Биосфера — глобальная оболочка Земли, где существует жизнь.
• Живое вещество объединяет все организмы биосферы.
• Организмы взаимодействуют между собой и с неживой природой.
• Жизнь изменяет состав и свойства оболочек Земли.
• Круговороты обеспечивают многократное использование веществ.
• Деятельность человека способна менять процессы планетарного масштаба.