Биосфера — оболочка Земли, населённая живыми организмами и преобразованная их деятельностью. Термин «биосфера» ввёл Э. Зюсс (1875), а целостное учение о биосфере создал В. И. Вернадский (1926). На экзамене спрашивают границы биосферы, типы вещества, функции живого вещества, круговороты веществ и экологические проблемы, в том числе трагедию Арала.
§1. Строение и границы биосферы
Биосфера охватывает соприкасающиеся части трёх геосфер:
Атмосфера — примерно до озонового слоя (20–25 км); выше жизни препятствует коротковолновое ультрафиолетовое излучение.
Гидросфера — целиком, до самых глубоких океанических впадин (около 11 км).
Литосфера — верхняя часть, до нескольких километров (бактерии найдены в водах нефтяных месторождений на глубине 3–4 км); ниже жизнь ограничивает высокая температура.
Наиболее густо заселённый слой — «плёнка жизни»: поверхность суши, почва и верхний освещённый слой воды.
Вернадский выделил типы вещества биосферы:
Живое вещество — совокупность всех живых организмов. Его масса — очень малая часть биосферы, но это её самая активная часть.
Биогенное вещество — образовано деятельностью живых организмов: каменный уголь, нефть, торф, известняк, природный газ.
Косное вещество — образовано без участия жизни: магматические горные породы, вулканическая лава.
Биокосное вещество — результат совместной деятельности живой и неживой природы: почва, природные воды, ил на дне водоёмов.
Пример
Распределите по типам вещества: гранит, торф, почва, голубь, нефть, базальт.
Голубь — живой организм → живое вещество.
Торф и нефть — из остатков организмов прошлого → биогенное вещество.
Почва — результат совместного действия горных пород, организмов и климата → биокосное вещество.
Гранит и базальт — магматические породы → косное вещество.
§2. Функции живого вещества
Энергетическая — при фотосинтезе солнечная энергия поглощается, запасается в химических связях органических веществ и передаётся по цепям питания.
Газовая — формирование состава атмосферы: при фотосинтезе выделяется кислород, при дыхании — CO₂; азот циркулирует при участии бактерий. Современная кислородная атмосфера — результат деятельности живых организмов.
Концентрационная — организмы накапливают определённые элементы из среды: хвощи — кремний, морские водоросли (ламинария) — йод, моллюски и кораллы — кальций (раковины и рифы).
Окислительно-восстановительная — окисление и восстановление веществ: например, деятельность железобактерий и серобактерий.
Деструктивная — редуценты разлагают органические остатки до минеральных веществ; организмы разрушают горные породы (лишайники).
§3. Биогеохимические круговороты
Вещества в биосфере многократно циркулируют, а энергия не циркулирует: она приходит от Солнца, проходит по цепям питания в одном направлении и в итоге рассеивается в виде тепла.
Существование биосферы основано на постоянном притоке энергии Солнца и почти замкнутом круговороте веществ.
Круговорот воды — испарение (в том числе транспирация растений), осадки, сток.
Круговорот углерода — растения при фотосинтезе поглощают CO₂ и превращают его в органические вещества; при дыхании, гниении и сжигании топлива CO₂ возвращается в атмосферу. Часть углерода надолго «выходит» из круговорота в составе каменного угля, нефти, известняка.
Круговорот азота — азот воздуха (N₂) недоступен большинству организмов. Его связывают азотфиксирующие бактерии (клубеньковые бактерии бобовых, свободноживущие бактерии, цианобактерии). Гнилостные бактерии разлагают белки до аммиака, нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в нитраты, растения усваивают нитраты. Денитрифицирующие бактерии возвращают азот в атмосферу в виде N₂.
Круговорот кислорода — выделяется при фотосинтезе, расходуется при дыхании и горении; из части кислорода образуется озон (O₃).
Пример
Каким путём атом азота из атмосферы попадает в белок организма человека?
Клубеньковые бактерии связывают N₂, переводя его в соединения.
Бобовое растение (например, горох) синтезирует из этого азота аминокислоты и белки.
Человек съедает горох; белки расщепляются до аминокислот.
Из этих аминокислот человек синтезирует собственные белки.
Ответ: N₂ → клубеньковые бактерии → белок растения → белок человека.
§4. Эволюция и продуктивность биосферы
Биосфера возникла не сразу — она миллиарды лет менялась под действием живых организмов. Возраст Земли около 4,6 млрд лет, древнейшие следы жизни — остатки бактерий возрастом около 3,5 млрд лет. В первичной атмосфере свободного кислорода почти не было. Благодаря фотосинтезу цианобактерий кислород постепенно накапливался; с ростом его количества сформировался озоновый слой, и когда он стал защищать от ультрафиолета, жизнь смогла выйти из воды на сушу. Таким образом, современные атмосфера и почва — результат многомиллионолетней деятельности живого вещества.
Уравнение фотосинтеза: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (за счёт энергии света, при участии хлорофилла).
Биомасса и продуктивность. Биомасса — общая масса организмов на определённой площади; первичная продуктивность — органическое вещество, создаваемое продуцентами за единицу времени. В биосфере:
биомасса суши намного больше биомассы океана и состоит в основном из растений (прежде всего лесов);
в океане продуценты — мелкие одноклеточные водоросли (фитопланктон); они быстро размножаются и быстро поедаются, поэтому при малой биомассе продуктивность океана заметна;
на суше самые продуктивные — влажные тропические леса, наименее — пустыни и тундра; в океане продуктивны мелководья у берегов, коралловые рифы и устья рек, а центр открытого океана малопродуктивен («океанская пустыня»).
Продуктивность биосферы ограничивают свет, вода, температура и минеральное питание (особенно азот и фосфор). Например, в пустыне не хватает воды, в тундре — тепла, в открытом океане — минеральных веществ. В Узбекистане орошаемое земледелие снимает водное ограничение в пустынных районах, но неправильный полив ведёт к засолению почв.
Пример
Дерево за сезон образовало при фотосинтезе 900 г глюкозы. Сколько CO₂ поглощено и сколько O₂ выделено? (M(C₆H₁₂O₆) = 180, M(CO₂) = 44, M(O₂) = 32 г/моль)
Глюкоза: 900 / 180 = 5 моль.
По уравнению CO₂ и O₂: по 5 × 6 = 30 моль.
CO₂: 30 × 44 = 1320 г; O₂: 30 × 32 = 960 г.
Ответ: поглощено около 1,32 кг CO₂ и выделено 0,96 кг O₂.
Пример
Почему большая часть открытого океана малопродуктивна, а прибрежные воды продуктивны?
Фитопланктону нужны свет и минеральные вещества (азот, фосфор).
В открытом океане в освещённом верхнем слое мало минеральных веществ — они оседают в глубину.
У берегов реки приносят минеральные вещества, поднимаются глубинные воды.
Ответ: лимитирующий фактор — минеральное питание; где его много, там продуктивность высока.
§5. Ноосфера и глобальные экологические проблемы
По Вернадскому, деятельность человека стала геологической силой, и биосфера переходит в ноосферу — сферу разума. В этом состоянии развитие биосферы должно определяться сознательной, разумной деятельностью человека.
Главные глобальные проблемы:
Парниковый эффект — накопление в атмосфере CO₂, метана и других газов нагревает климат; тают ледники, погода становится экстремальнее.
Разрушение озонового слоя — под действием фреонов (хлорфторуглеродов); в результате к Земле проходит больше ультрафиолета.
Кислотные дожди — оксиды серы и азота, растворяясь в воде, образуют кислоты; страдают леса и водоёмы.
Вырубка лесов, опустынивание, эрозия и засоление почв, загрязнение воды и воздуха, сокращение биоразнообразия.
Трагедия Арала — во второй половине XX века из-за чрезмерного забора воды Амударьи и Сырдарьи на орошение в море стало поступать мало воды. Уровень моря резко упал, площадь сократилась в несколько раз, солёность выросла, рыболовство исчезло. На высохшем дне возникла новая песчано-солончаковая пустыня — Аралкум; солепылевые бури вредят здоровью людей и сельскому хозяйству окружающих районов. Сейчас в Приаралье высаживают саксауловые леса и внедряют водосберегающее орошение.
Охрана природы:
Красная книга — список видов под угрозой исчезновения (международная и Красная книга Узбекистана).
Заповедники — территории полной охраны природы: Зааминский, Чаткальский, Гиссарский, Зарафшанский, Кызылкумский, Нуратинский и другие.
Национальные парки — охрана сочетается с отдыхом и туризмом (например, Зааминский, Угам-Чаткальский).
Центры разведения редких животных — экоцентр «Джейран» в Бухарской области.
Проверьте себя
Что определяет верхнюю границу биосферы в атмосфере?
К какому типу вещества по Вернадскому относится почва?
Какая функция живого вещества проявляется в накоплении йода ламинарией?
Почему энергия не совершает круговорот, как вещества?
Какие бактерии возвращают азот в атмосферу?
Какова главная причина высыхания Аральского моря?
Какие организмы первыми обогатили атмосферу кислородом?
Растение поглотило при фотосинтезе 264 г CO₂. Сколько граммов глюкозы образуется?
Типичные ошибки
Считать почву косным веществом — она биокосное вещество.
Утверждать, что энергия циркулирует, как вещества, — поток энергии однонаправлен.
Относить нефть и уголь к косному веществу — это биогенное вещество.
Путать азотфиксацию и денитрификацию: азотфиксаторы связывают N₂, денитрификаторы возвращают его в атмосферу.
Отождествлять разрушение озонового слоя с парниковым эффектом — причины и последствия у них разные.
Понимать ноосферу как «природу без человека» — это этап биосферы, управляемый разумом человека.