Биосфера: границы, состав, вещество и обратные связи
Разберём, где на Земле существует жизнь, как она взаимодействует с воздухом, водой и породами и почему «равновесие биосферы» не означает неизменность.
Федеральная программа · базовый уровень · 11 класс
Сообщества и экологические системы
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Биосфера как глобальная экологическая и геохимическая система
- Границы и критерии распространения жизни
- Воздух, вода и горные породы как части среды биосферы
- Живое, биогенное, биокосное и косное вещество в исторической схеме Вернадского
- Прямые и обратные связи между организмами и средой
- Положительная и отрицательная обратная связь
- Динамическое равновесие и пределы устойчивости
Как это устроено
Биосфера не представляет собой жёсткую оболочку одинаковой толщины. Жизнь распространена в водной среде, наземных экосистемах, почве и некоторых подземных местообитаниях; организмы и их следы также переносятся воздухом. Но границу надо задавать вопросом: ищем ли мы разовый след клетки, активно размножающуюся популяцию или длительное воздействие жизни на породы? Без этого разные числа «верхней» и «нижней» границы будут казаться противоречием, хотя относятся к разным критериям.
Атмосфера, гидросфера и литосфера — различающиеся части системы Земли, а биосфера пересекает их обитаемые области и влияет на обмен веществ. В лесу листья берут CO₂ из воздуха, корни поглощают воду и вещества из почвы, а разлагатели возвращают соединения в среду. Поэтому биосферу можно изучать как сеть экосистем и как геохимическую работу организмов. Эти подходы связаны, но классификация вещества Вернадского не заменяет современное описание популяций, пищевых сетей и биогеохимических потоков.
В историческом языке Вернадского живое вещество — сами организмы; биогенное — материал, возникший преимущественно из их деятельности, например торф; биокосное — результат совместного действия живых и неживых процессов, например почва; косное — образованное без прямого участия организмов, например магматическая порода. Не каждый карбонат можно автоматически назвать только биогенным: некоторые карбонаты образуются и небиологическими путями. Классифицируя образец, спрашивают о механизме его образования, а не только о цвете или о том, есть ли на нём живые клетки сейчас.
Обратные связи связывают изменение с его будущими последствиями. Отрицательная связь в простой модели может тормозить рост популяции через ограничение пищи. Положительная — усиливать изменение: потепление может способствовать оттаиванию углеродсодержащей мерзлоты, а микробное разложение части этого углерода — дополнительному выбросу парниковых газов. Величина эффекта зависит от влаги, температуры, растительности и времени; схема не позволяет предсказать конкретный год или объём выброса без данных. Биосфера не «решает» вернуться к прежнему состоянию: устойчивость и динамическое равновесие всегда относятся к выбранным показателям и условиям.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Биосфера
Часть системы Земли, охватывающая существующую жизнь, её сообщества и области взаимодействия организмов с водой, воздухом и горными породами; критерий границы нужно указывать.
Пример: Лес, океанский планктон и почвенные микробы принадлежат биосфере, но не образуют одну одинаковую среду.
- Атмосфера
Газовая оболочка Земли с изменяющимися по высоте и времени составом и условиями, которая обменивается веществами и энергией с живыми системами.
Пример: Растения поглощают CO₂ из приземного воздуха, а множество организмов выделяет CO₂ при дыхании.
- Гидросфера
Совокупность вод Земли в разных состояниях и резервуарах, включая океаны, поверхностные и подземные воды, участвующая во взаимосвязях экосистем.
Пример: Планктон живёт в водной части биосферы, а речная вода переносит растворённые вещества между участками.
- Литосфера
Твёрдая внешняя оболочка Земли, верхние участки которой взаимодействуют с почвой, подземной водой и организмами; вся её глубина не заселена жизнью.
Пример: Корни и почвенные микроорганизмы воздействуют на верхние минеральные горизонты пород.
- Почва
Сложная поверхностная система из минеральных частиц, органического вещества, воды, воздуха и организмов, формирующаяся при совместном действии живых и неживых процессов.
Пример: Опавшие листья, корни, микробы, минералы и вода вместе определяют свойства лесной почвы.
- Граница биосферы
Условный предел распространения жизни или устойчивой деятельности организмов по выбранному признаку; кратковременное занесение клетки не равно постоянной популяции.
Пример: Микроб, перенесённый ветром на большую высоту, не доказывает устойчивую воздушную экосистему на этой высоте.
- Живое вещество
В историческом учении Вернадского совокупность существующих организмов, рассматриваемая как участник потоков химических элементов и энергии.
Пример: Лесные деревья и почвенные бактерии вместе влияют на обмен углерода, хотя их функции различаются.
- Биогенное вещество
В исторической классификации вещество или отложение, возникшее преимущественно из продуктов и остатков жизнедеятельности организмов и затем изменявшееся физико-химически.
Пример: Торф формируется из растительных остатков при определённых условиях заболачивания; он уже не является живым организмом.
- Биокосное вещество
В историческом словаре Вернадского вещество или природное тело, складывающееся при совместном воздействии живых организмов и неживых процессов.
Пример: Почва — пример: порода выветривается, а корни, микробы и остатки организмов меняют её свойства.
- Косное вещество
В исторической схеме вещество, образовавшееся без непосредственного участия жизни, хотя позднее оно может взаимодействовать с организмами.
Пример: Магматическая порода образуется геологическими процессами, но после выхода на поверхность её могут заселять лишайники.
- Обратная связь
Связь, при которой результат изменения процесса возвращается и влияет на его дальнейшее течение через одну или несколько промежуточных стадий.
Пример: Рост популяции может уменьшить доступную пищу, а это снизит дальнейший темп её роста.
- Отрицательная обратная связь
Обратная связь, ослабляющая первоначальное отклонение в пределах конкретной модели и условий, но не гарантирующая полного восстановления системы.
Пример: При росте численности потребителей дефицит пищи может снизить последующее размножение.
- Положительная обратная связь
Обратная связь, усиливающая первоначальное изменение через последовательность связанных процессов; название не означает, что эффект полезен.
Пример: Потепление может ускорять оттаивание мерзлоты, а высвобождаемый из неё углерод способен дополнительно усиливать потепление.
- Динамическое равновесие
Приблизительная устойчивость некоторых показателей при продолжающихся потоках и изменениях; это состояние зависит от масштаба времени и не означает постоянства каждого вида.
Пример: Запас вещества в участке может временно мало меняться, хотя поступление и расходование не прекращаются.
Пример по шагам
На схеме почву подписали «косное вещество, потому что частицы неживые», а микроба в воздушной пробе сочли доказательством постоянно населённой атмосферы. Какие две ошибки?
- Почва содержит минеральные частицы, но её свойства создают также корни, микробы, органические остатки, вода и климат; в исторической схеме это биокосный пример.
- Одна обнаруженная в воздухе клетка могла быть перенесена ветром и не обязательно там размножается.
- Для устойчивой воздушной популяции нужны свидетельства длительного существования и размножения при данных условиях, а для почвы — сведения о механизмах формирования.
Вывод: Состав образца и история его формирования важнее грубого деления по внешнему виду; граница биосферы зависит от критерия.
Практическая работа
Границы и петли обратной связи на бумажной модели
- На готовой карте Земли или в схеме отметьте атмосферу, водные системы, верхние породы и три разных места существования организмов; не задавайте одной числовой толщины всем средам.
- Для образцов «живое растение», «торф», «почва», «магматическая порода» составьте таблицу исторических категорий и обоснуйте процесс образования каждого.
- Нарисуйте отдельную цепь численность потребителей → доступная пища → дальнейший рост численности и укажите знак каждого влияния.
- Для примера с мерзлотой выпишите, какие дополнительные данные потребовались бы для количественного прогноза, не выдавая стрелки за измеренный результат.
Что можно заключить: Состав и границы биосферы определяют по процессам и выбранным критериям, а тип обратной связи — по направлению влияний в полной петле.
Безопасность: Используйте готовые карты, карточки и изображения; не вскрывайте неизвестные грунты и не берите пробы на загрязнённых территориях.
Попробуйте сами
Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.
Открываем задания…
Сверка содержания
Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.