§ 8. Биосферный уровень организации жизни. Биосфера как глобальная экосистема

Определения и обозначения

Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразуемая ими. Она охватывает части атмосферы, гидросферы и литосферы, где возможно существование жизни. Это понятие нужно, чтобы рассматривать жизнь не по отдельным видам, а как планетарное явление.

Биосферный уровень организации жизни — уровень, на котором взаимодействуют все экосистемы Земли и всё живое вещество планеты. На этом уровне последствия процессов выходят за пределы отдельного леса, озера или материка. Так можно объяснить взаимосвязь природных систем.

Глобальная экосистема — целостная система, объединяющая живые организмы Земли и среду их обитания. Её частями являются экосистемы разных размеров, связанные обменом веществ и энергии. Термин подчёркивает единство биосферы.

Круговорот веществ — повторяющееся перемещение и преобразование веществ между организмами и компонентами неживой природы. Например, углерод переходит из воздуха в растения, затем в животных и снова возвращается в окружающую среду. Благодаря круговоротам экосистемы получают необходимые вещества.

Как это устроено

Биосфера охватывает не всю планету, а только те части её оболочек, где встречаются организмы. В атмосфере жизнь обнаруживается главным образом в нижних слоях, в гидросфере — от поверхности до глубин океана, а в литосфере — в верхних слоях почвы и горных пород. Границы определяются температурой, давлением, наличием воды, кислорода и других условий, необходимых клеткам.

Экосистемы образуют последовательность вложенных уровней: небольшое сообщество входит в более крупную природную систему, а множество таких систем составляет биосферу. У них различаются размеры и видовой состав, но в каждой есть организмы и среда, между которыми идёт обмен веществ и энергии. Поэтому биосфера сохраняет свойства единой системы, хотя состоит из очень разных частей.

Живое вещество — совокупность всех организмов биосферы — не только использует готовую среду, но и изменяет её. Корни растений разрушают породы, микроорганизмы участвуют в образовании почвы, а накопление остатков организмов может приводить к формированию известняка, угля и других пород. Фотосинтез и дыхание изменяют состав атмосферы, а деятельность организмов влияет на состав воды.

Круговороты связывают живую и неживую природу: вещество из воздуха, воды или почвы попадает в организм, преобразуется и возвращается обратно. Так сохраняются доступные запасы углерода, азота, воды и других элементов, хотя их формы и скорость перемещения меняются. Энергия устроена иначе: она поступает от Солнца, передаётся по пищевым цепям и частично рассеивается как тепло.

Человек стал мощным фактором биосферных изменений, потому что быстро преобразует большие территории и перемещает огромные массы веществ. Вырубка лесов, добыча полезных ископаемых, выбросы и загрязнение воды меняют условия жизни и природные круговороты. Если связи между компонентами нарушаются быстрее, чем экосистемы успевают восстановиться, устойчивость биосферы снижается.

Виды вещества биосферы и их происхождение

Таблицу удобно использовать, чтобы определить происхождение любого природного компонента. Если вещество создано организмами, оно относится к живому или биогенному; если образовалось без них — к косному. При совместном влиянии живых организмов и неживых процессов получается биокосное вещество.

Разбор задач

Границы биосферы

Условие. Определите, какие части атмосферы, гидросферы и литосферы входят в биосферу, если в них встречаются живые организмы. Нужно связать границы биосферы не с названием оболочки, а с условиями жизни. Ответ должен учитывать фактическое присутствие организмов.

1. Найдите в каждой оболочке участки, где есть живые организмы.
2. Исключите части оболочек, в которых нет подходящих условий: воды, приемлемой температуры, давления или источников веществ.
3. Сделайте вывод: в биосферу входят заселённые участки атмосферы и литосферы, а также заселённые воды гидросферы, включая глубины океана.

Ответ. Биосфера не совпадает с целыми оболочками Земли. Она включает только их части, где существует жизнь и проявляется влияние организмов.

Путь углерода

Условие. Проследите путь углерода от углекислого газа в атмосфере через растение и животное обратно в окружающую среду. Требуется показать переход вещества между неживой и живой природой. Один и тот же атом углерода может участвовать в нескольких таких циклах.

1. Растение поглощает углекислый газ и включает углерод в органические вещества при фотосинтезе.
2. Животное получает этот углерод, питаясь растением, и использует органические вещества для построения тела и получения энергии.
3. При дыхании углерод возвращается в атмосферу в составе углекислого газа, а после смерти организмов разложение также возвращает его почве, воде или воздуху.

Ответ. Путь можно записать так: углекислый газ → растение → животное → углекислый газ и другие компоненты среды. Это пример круговорота вещества.

Вырубка леса

Условие. Оцените, как массовая вырубка леса может повлиять на круговорот веществ и состояние биосферы. Нужно рассмотреть сначала изменения в лесной экосистеме, а затем их возможные последствия шире. Важно учитывать не только исчезновение деревьев, но и связанные с этим процессы.

1. Уменьшится поглощение углекислого газа и образование органического вещества, а после разложения древесных остатков может усилиться выделение углерода.
2. Снизится испарение воды растениями, разрушится почва, изменятся места обитания и численность многих организмов.
3. Если вырубка велика, изменения затронут водный и углеродный круговороты, климатические условия и устойчивость соседних экосистем.

Ответ. Массовая вырубка нарушает природные связи и может усилить глобальные изменения. Последствия зависят от площади вырубки, скорости восстановления леса и мер охраны.

Типичные ошибки

1. Биосфера — только совокупность организмов. Так думают, потому что слово связано с жизнью. Проверьте себя: назовите среду обитания и изменения, создаваемые организмами, — они тоже относятся к биосфере.

2. Биосфера совпадает с атмосферой или всей планетой. Ошибка возникает из-за слишком широкого понимания оболочки. Вспомните критерий границы: в биосферу входят только заселённые части атмосферы, гидросферы и литосферы.

3. Круговорот веществ неизменен и полностью замкнут. Природные процессы зависят от условий, а деятельность человека меняет их скорость и направление. Проверка простая: спросите, может ли загрязнение или вырубка изменить путь вещества.

4. Круговорот веществ равен потоку энергии. Вещества повторно используются, а энергия проходит через систему и рассеивается. Проверьте себя, разделив любой пример на возвращающийся компонент и источник энергии.

Связь с другими темами

Для понимания биосферы нужны знания об экосистеме, пищевых цепях, продуцентах, консументах и редуцентах. Круговороты углерода, воды и других веществ связывают экологию с биологией, географией и химией. Представление о биосфере помогает объяснить глобальные экологические проблемы и последствия хозяйственной деятельности человека.

Что запомнить

• Биосфера объединяет живые организмы и среды их обитания.
• В неё входят части атмосферы, гидросферы и литосферы.
• Биосферу рассматривают как глобальную экосистему.
• Живое вещество преобразует окружающую среду.
• Круговороты веществ связывают живую и неживую природу.
• Энергия проходит через экосистемы и постепенно рассеивается.
• Изменения отдельных экосистем могут иметь последствия для всей биосферы.