Сфера жизни - ОРГАНИЗМЫ В СРЕДЕ ИХ ОБИТАНИЯ

Постановка проблемы урока

Распространённое мнение:Биосфера - живая оболочка Земли, она состоит из живых организмов.

В. И. Верналский:Биосфера - не живая, а биокосная система, состоящая из живых и неживых компонентов.

• На какое противоречие вы обратили внимание? (Рассудите, кто прав, используя материал § 55.)

• Предложите вопрос для обсуждения. Сравните его с вариантом авторов на с. 397.

Необходимые базовые знания

• Что такое экосистема и какова в ней роль живого? (§ 62-63)

• Что такое биосфера? (9 класс)

Решение проблемы

Экология в геологическом масштабе

• Как изменяются результаты процессов в зависимости от масштаба анализа?

В природе одновременно происходят процессы, связанные с различныммасштабом времени и пространства.Их закономерности различаются так же сильно, как законы физики Ньютона и Эйнштейна или как законы геометрии Евклида и Лобачевского.

Так, родство организмов (в том числе человека и обезьяны) может показаться нереальным, пока мы не учтём, что речь идёт об эволюционном родстве, переданном через миллионы поколений. Изменчивость особей в популяции имеет вид случайных отклонений их признаков от среднего значения. Средние значения признаков лабораторных культур через сотни поколений обнаруживают явныенаправленные изменения.Тысячекратное повторение их в природе превращается в процесс эволюции, который невозможно заметить за короткое время.

То же относится и к экологическим процессам, если рассмотреть их результаты в “геологическом времени” ~ за периоды, сравнимые с продолжительностью существования нашей планеты. Замкнутый круговорот веществ в экосистеме — закон экологии, действующий в “экологическом времени”. Скорости накопления и разложения органического вещества в любой экосистеме в среднем уравновешивают друг друга. В засушливый год разложение органики может немного отставать от накопления, а в дождливый год — наоборот, обгонять. Но в среднем это не нарушает экологического равновесия. Если мы перенесёмся в “историческое время” и рассмотрим те же процессы за периоды, сравнимые с историей человечества, мы легко обнаружим сукцессионные изменения: накопление торфа на болотах, разрастание коралловых рифов, образование мощной почвы на вулканических островах. Если же мы увеличим масштаб времени до геологического, то снова обнаружим неожиданные результаты. Одни медленные процессы стабилизируются или превратятся в колебания вокруг среднего уровня. Другие будут продолжаться в том же направлении и приведут к колоссальным геологическим изменениям на планете.

То же можно сказать и о пространственных связях экосистем, которые незначимы для эколога, изучающего отдельные лесные, луговые или водные экосистемы. Листья с деревьев ветер заносит в пруд. Комар развивается в пруду, а погибает на берегу. С перелётными птицами значительная биомасса переносится из мест их рождения в места зимовки. Реки уносят в море миллиарды организмов, и так — миллиарды лет в масштабе всей планеты. Неудивительно, что в геологическом масштабе эти процессы превращаются в миграцию химических элементов, в первую очередь - биогенных элементов: углерода, кислорода, водорода и азота.

Биосфера - сфера влияния жизни

• С помощью текста определите, что такое биосфера, каковы её состав и границы.

Все экосистемы Земли в совокупности составляют биосферу. Как в экосистеме живое сообщество образует движущую силу круговорота веществ, так и в биосфере главная роль в организации глобального круговорота принадлежит живым организмам — “живому веществу”, по определению российского академика В.И. Вернадского (1863 — 1945). Он подчёркивал геологический масштаб этого явления и поэтому включал в состав биосферы не только ныне существующие экосистемы, но и среду обитания организмов в прошлом. Биосфера — это оболочка Земли, населённая живыми организмами и образовавшаяся при их активной деятельности.

Таким образом,биосфера— биокосная система: она состоит из живого и неживого (косного) вещества. Она включает почти всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы (рис. 64.1). Совокупность всех живых организмов составляет менее одной миллионной части биосферы по массе, но это наиболее химически активная и насыщенная энергией часть биосферы. В сущности, жизнь образует тонкую плёнку на границе гидросферы, литосферы и атмосферы. Однако её влияние распространяется до озонового экрана на высоте 12-20 км в атмосфере и до дна океанских впадин на глубине 11 км, а также проникает до 3 км вглубь по трещинам в литосфере.

64.1. Границы биосферы

• С помощью текста объясните, как жизнь изменила облик Земли.

Живое вещество с помощью энергии солнечного света активно перерабатывает химическое вещество нашей планеты в процессах своей жизнедеятельности. Деятельность автотрофных организмов привела к образованию кислородной атмосферы, а затем к формированию озонового экрана, без которого высшие формы жизни не смогли бы освоить сушу. Концентрация углекислого газа в атмосфере, напротив, резко сократилась путём связывания углерода в твёрдых карбонатных породах - известняках. В наше время эти породы образуют целые горные хребты.

Растения предпочитают использовать лёгкий, более подвижный в природной среде изотоп углерода. Поэтому изотопный анализ известняков позволяет точно установить их происхождение. В биогенных известняках (образованных, например, в морях мелового периода) повышена концентрация лёгкого изотопа углерода, а в минеральных - тяжёлого.

Деятельностью бактерий образованы крупнейшие залежи железных руд и серы. Накопление неполностью разложившейся органики и связанных с ней химических элементов (углерод, азот, фосфор и др.) привело к образованию залежей углеводородов: нефти, газа, угля, торфа и горючих сланцев.

Приведённые примеры лишь самые яркие проявления функций живого вещества биосферы по перемещению, концентрации и рассейванию веществ. Подобную работу, сравнимую по масштабу, но бесконтрольную по направлению, совершает современное человечество в процессе своей хозяйственной деятельности.

Глобальный биогеохимический круговорот

• В чём состоит специфическая функция биосферы?

Главной функцией биосферы в целом В.И. Вернадский считалглобальный биогеохимический круговорот,понимая под ним циркуляцию химических элементов в процессе обмена веществ между атмосферой, гидросферой, литосферой, почвой и живыми организмами (рис. 64.2). Иными словами, биосфера — это гигантская экосистема, компоненты которой связаны глобальным — и потому замкнутым — биогеохимическим круговоротом.

64.2. Глобальный биогеохимический круговорот

За историю существования Земли большинство атомов земной коры многократно проходило биогеохимические циклы, становясь частью организмов и снова возвращаясь во внешнюю среду. Так, вся гидросфера проходит через живое вещество каждые 2 млн лет, атмосферный кислород — каждые 2 тыс. лет, а углерод — 200 лет. Различные виды организмов способны аккумулировать определённые элементы: губки — йод, асцидии — ванадий и т.д. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота - в 30 раз выше, чем в земной коре. Тем самым они избирательно способствуют концентрации и миграции разных элементов и их соединений.

Эволюция организмов, а вместе с ними и биосферы привела к стабилизации глобального круговорота — увеличила его постоянство и замкнутость на относительно небольших отрезках геологического времени. В ходе развития жизни на Земле одни группы организмов сменялись другими, но при этом поддерживалось более или менее постоянное соотношение форм, выполняющих те или иные геохимические функции. Например, от палеозоя до нашего времени кальций накапливался в осадках разными организмами, но скорость накопления оставалась относительно постоянной.

Таким образом, совокупная деятельность живого вещества сформировала и поддерживает гомеостаз неорганической среды обитания, необходимый для существования всё более сложных форм жизни.

Биосферное разнообразие

• Кто больше всех заинтересован в разнообразии биосферы?

Только впределах биосферы вещество присутствует в твёрдом, жидком и газообразном состоянии одновременно. Только в ней есть облака, горы, реки, озёра, равнины, моря, острова и материки. Только в ней происходит смена времён года. Но главное — в ней происходит эволюция жизни, которая ныне включает 1,5—2 млн видов и превосходит все иные компоненты природы по разнообразию форм.

По В.И. Вернадскому, видовое разнообразие жизни - это прежде всего разнообразие специализаций к выполнению тех или иных функций в биосферном круговороте. Чем разнообразнее население экосистемы (биосфера в целом тоже экосистема), тем устойчивее при прочих равных условиях биогеохимический круговорот в ней и тем более вероятно, что на каждую функцию в круговороте найдётся исполнитель.

Этим объясняется беспокойство международного сообщества о сохранениибиоразнообразия.Каждый вымирающий вид уносит с собой свою “профессию”, которую другие исполнители могут заменить лишь отчасти или менее эффективно. Красная книга Международного союза по охране природы, государственные и региональные Красные книги обращают внимание общественности на те виды организмов, которым угрожает вымирание. Забота об их сохранении — это не просто выполнение морального долга перед соседями по планете, но прежде всего забота о поддержании устойчивости среды, необходимой для нашего собственного существования.

64.3. Виды из Красной книги России, подлежащие повсеместной охране

Обобщение новых знаний

В геологическом масштабе времени круговороты веществ в отдельных экосистемах не являются замкнутыми, их замыкание происходит на глобальном уровне. Биосфера - это биокосная оболочка Земли, населённая живыми организмами и образовавшаяся при их активной деятельности. Физико-химические условия на поверхности Земли подвергались значительным изменениям, но по мере развития биосферы и благодаря её участию пути и скорость оборота химических элементов постепенно стабилизировались. “Живое вещество” биосферы представляет собой мощную геологическую силу, которая сформировала современную среду обитания на планете и поддерживает её гомеостаз. Эта главная функция реализуется в форме замкнутых глобальных биогеохимических циклов. Их устойчивость обеспечивается биологическим разнообразием организмов.

Биосфера. Биогеохимический круговорот.Биоразнообразие

Применение знаний

1. Приведите примеры биологических процессов, имеющих различные масштабы во времени и пространстве. Что мешает оценивать результаты масштабных явлений?

2. Чем обусловлена исключительная роль живого вещества в биосфере?

3. Каковы пределы биосферы и чем они обусловлены?

4. Чем обусловлена плотность распределения жизни на вертикальном градиенте?

5. К каким последствиям ведёт незамкнутость биогеохимических круговоротов в биосфере и отдельных экосистемах? Какое значение имеет их замкнутость?

6. Чем обусловлено разнообразие природы в биосфере по сравнению с другими оболочками Земли?

7. Что важнее в биогеохимическом круговороте: валовое разнообразие видов в экосистеме или их взаимная приспособленность, возникшая в процессе эволюции?