Биология. Учебник для 11 классов средних общеобразовательных
 Скачать 5.71 Mb.
|
|
ГЛАВА III. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ БИОСФЕРНОГО УРОВНЯ ЖИЗНИ Изучив материал III главы, вы сумеете охарактеризовать биосферу как особый структурный уровень органи- зации жизни; объяснить свойства биосферы как экосистемы; сравнивать этапы развития биосферы в истории Земли; описывать происхождение живого вещества и его роль в существова- нии биосферы; объяснить роль человека как фактора развития биосферы. раскрыть значение круговорота веществ в биосфере; объяснить причины устойчивости и неустойчивости глобальной эко- системы «биосфера». § 24. ОСОБЕННОСТИ БИОСФЕРНОГО УРОВНЯ. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ Вспомните основные структурные уровни организации живой материи. Назовите компоненты биосферы, обеспечивающие ее целостность как биосистемы. Понятие биосферы. Биосферный уровень составляет совокупность всех живых организмов на нашей планете и общей природной среды их обитания. Возникновение и развитие жизни на Земле привело к образова- нию биосферы (от греч. bios – жизнь и sphaire – шар) – оболочки земли, состав и структура которой определены деятельностью организмов. С экологической точки зрения биосфера представляет собой глобальную экосистему, которая объединяет все экосистемы нашей планеты и в которой постоянно происходит круговорот веществ и передача энергии. Первое представление о биосфере как «области жизни» связа- но с именем Ж.Б. Ламарка. Впервые термин биосфера был предло- жен в 1875 г. австрийским геологом Эдуардом Зюссом. С именем В.И. Вернадского связано и создание учения о биосфере (рис.36). Согласно 132 этому учению биосфера включает совокупность всех живых тел природы и их остатков, а также части атмосферы, гидросферы и литосферы, населенные организмами или несущие следы их жизнедеятель- ности. Его исследования привели к осознанию роли жизни и живого вещества в геологических процес- сах. Облик Земли, ее атмосфера, осадочные породы, ландшафты – все это результат жизнедеятельности живых организмов. В.И. Вернадский подчеркивал, что биосфера является результатом геологического и биологического развития и взаимодействия косного и биогенного вещества. С одной стороны, это среда жизни, а с другой – результат жизнедеятельности. Владимир Иванович Вернадский (1863–1945) – российский естество- испытатель, основоположник геохимии и биогеохимии, создатель учения о биосфере и ноосфере. Состояние планеты Земля в значительной мере определяется жизне- деятельностью обитающих на планете живых организмов. Круговорот веществ и энергии, осуществляемый с их участием является ведущим фактором, стабилизирующим состояние планеты. Особую роль в ста- новлении биосферы Вернадский отводил человеку. Особенности биосферного уровня. Каждый уровень организации жизни характеризуется особыми свойствами, законами, особой степе- нью сложности. В этом отношении биосферный структурный уровень живой материи является самым высоким и сложным, в него входят все нижележащие уровни. Основными структурными компонентами биосферы выступают биогеоценозы. Основными процессами данного уровня являются активное взаимо- действие живого и неживого вещества планеты, биологический круго- ворот веществ и поток энергии. Организация биосферы проявляется в устойчивости, которая дости- гается упорядоченностью процессов, обусловленных взаимным влияни- ем живой и неживой природы и в многообразии взаимосвязей различ- ных организмов, динамическом равновесии круговорота веществ. Главная роль биосферы заключается в обеспечении многообразия форм жизни на Земле и его сохранении в течение длительного времени. Рис.36. Владимир Иванович Вернадский 133 Сохранение многообразия форм живых организмов и обеспечение динамической устойчивости биосферы – основная стратегия биосфер- ного уровня. На биосферном уровне протекают важные глобальные процессы, обеспечивающие возможность длительного существования жизни на Земле. Глобальными процессами биосферного уровня, обе- спечивающими динамическую устойчивость биосферы, возможность существования в ней жизни являются: непрерывное поступление сол- нечной энергии, образование свободного кислорода растительным по- кровом планеты, сохранение озонового слоя, поддержание постоянства концентрации углекислого газа в атмосфере, обеспечение живого насе- ления нужными химическими веществами и необходимыми ареалами, наличие условий дальнейшего развития биологического разнообразия видов и экосистем. Для полноты представления о строении биосферы, как самого вы- сокого надорганизменного уровня живой материи, необходимо знание свойств ее компонентов (биогеоценозов) и специфики их взаимодей- ствия с окружающей средой. Нужно знать свойства популяций видов, входящих в эти биогеоценозы. Современная биология на биосферном уровне решает глобальные проблемы, например определение интенсивности образования свобод- ного кислорода растительным покровом Земли или изменения кон- центрации углекислого газа в атмосфере, связанные с деятельностью человека. Ключевые слова: биосферный уровень, биосфера, учение о биосфере. Вопросы и задания. 1. Что такое биосфера? 2. С именами каких ученых связано развитие представлений о биосфере? Какой вклад они внесли в учение о биосфере? 3. Объясните биосферу как биосистему, как особый структурный уровень организации жизни. 4. Объясните свойства биосферы как экосистемы. Задания для самостоятельной работы. Отобразите в таблице составляющие уровней организации жизни, их элементы и основные процессы. Уровни биосистем Компоненты Основные процессы 134 § 25. ГРАНИЦЫ БИОСФЕРЫ Вспомните из курса географии геологиические оболочки Земли. Дай- те характеристики геосфе рам Земли. Границы биосферы. Биосфера имеет границы, которые определяются условиями существования жизни. Условиями существования жизни явля- ются: благоприятный температурный режим, количество воды, кислорода, углекислого газа и других минеральных веществ, необходимое для жиз- недеятельности. Эти условия реализуются в местах соприкосновения трех оболочек планеты – атмосферы, литосферы и гидросферы. Живые орга- низмы неравномерно распространены в геологических оболочках Земли. Поэтому биосфера сейчас включает верхнюю часть литосферы, всю ги- дросферу и нижнюю часть атмосферы (рис.37). Атмосфера – это воздушная, газообразная оболочка Земли (таб.4). Она не вся заселена жизнью, ее распространению препятствует ультрафиолетовая радиация. Граница биосферы в атмосфере находит- ся на высоте примерно 25–27 км, где располагается озоновый слой, поглощающий около 99% ультрафиолетовых лучей. Таблица 4 Газовый состав атмосферы Газ Содержание, % Азот 78% Кислород 21% Аргон и другие газы менее 1% Углекислый газ около 0,04% Водяные пары, содержащиеся в атмосфере в большом количестве, вместе с углекислым газом, метаном, оксидами азота участвуют в наг- ревании нижнего слоя атмосферы, формируя парниковый эффект. Суть парникового эффекта состоит в способности атмосферы пропускать к поверхности Земли солнечные лучи и с помощью парниковых гaзов поглощать отраженное от нее тепловое излучение. В биосферу входят лишь самые нижние слои атмосферы. Жизнь существует в непосред- ственной связи с литосферой и гидросферой. Крупные древесные рас- тения достигают нескольких десятков метров в высоту. На сотни метров поднимаются летающие животные – насекомые, птицы, летучие мыши. Некоторые виды хищных птиц поднимаются на 2–3 км над поверхно- стью Земли, высматривая свою добычу. Наконец, восходящими воздуш- 135 ными потоками пассивно заносятся на десятки километров вверх бак- терии, споры растений, грибов. Однако все перечисленные летающие организмы лишь временно находятся в атмосфере. Распространение жизни в атмосфере ограничивается в основном ее нижним слоем – тропосферой. Высота тропосферы колеблется от 8–10 км на полюсах до 18–20 км на экваторе. В тропосфере содержится до 80% всей массы атмосферы и почти весь водяной пар. Температура воздуха в тропосфере с высотой пони- жается на 0,6°C через каждые 100 м и у верхней ее границы состав- ляет -45-55°C. Здесь наблюдаются туманы, дожди, снегопады, грозы, бури и другие погодные явления. Фотосинтезирующие растения не рас- тут в горах выше 6 км из-за низкого содержания углекислого газа и отсутствия воды. Выше тропосферы расположена стратосфера, которая простирается до высоты 50–55 км. Плотность воздуха и давление в стратосфере незначительна. В стратосфере располагается озоновый слой, который защищает Землю от ультрафиолетового излучения. Верхней границей биосферы принято считать озоновый слой, рас- полагающийся над поверхностью Земли. Концентрация озона (О 3 ), который образуется из кислорода под действием солнечной радиации, на высоте 20–22 км максимальна. Молекулы озона формируют вокруг планеты защитный экран, предохраняющий все живое на Земле от СТРАТОСФЕРА км 100 90 80 70 60 50 40 30 30 20 20 10 10 0 ОЗОНОВЫЙ СЛОЙ БИОСФЕРА MАНТИЯ ЛИТОСФЕРА ГИДРОСФЕРА Рис.37. Границы биосферы. 136 губительного действия ультрафиолетового излучения Солнца. Выше озонового слоя существование жизни невозможно. Следующие за стратосферой слои – мезосфера (до высоты 80 км), термосфера – ионосфера (от 80 до 800 км) и экзосфера(выше 800 км) – характеризуются чрезвычайно низким содержанием газов и разными температурами – в мезосфере самые низкие – до -90°С, в термосфере высокие – от +1000 до +2000°С. Гидросфера – водная оболочка Земли, включающая все водные за- пасы планеты, которая занимает более 70% земной поверхности. Объем Мирового океана составляет около 96,4% всех вод на Земле, более 3% – пресные надземные и подземные водоемы, в том числе 2/3 пресной воды находится в ледниковых покровах Арктики, Антарктики и горных вершин на разных континентах. Гидросфера полностью заселена жизнью. Границу биосферы в гидросфере Вернадский проводил ниже океанического дна, потому что дно – это продукт жизнедеятельности живых организмов. Благодаря комплексам живых организмов: планктонам, нектонам, и бентосам, жизнь в гидросфере распространена по всей ее толще, достигая глу- бин более 10 км. Максимальная глубина в Мировом океане – 11 км (Марианская впадина Тихого океана). Растения и связанные с ними растительноядные животные концен- трируются в верхних слоях океана на глубинах до 300 м. Это связано с тем, что лимитирующим фактором распространения жизни в гидросфе- ре для автотрофных организмов является недостаточное для фотосинте- за количество света, способного проникать в водную среду. В водной среде наблюдается преобладание видов животного населе- ния над растительным. Растения находятся лишь в той части водоемов, куда проникает свет. Роль гидросферы для биосферы велика: является основным источни- ком обеспечения жизни на Земле; участвует в поддержании благоприят- ных климатических условий на планете; обеспечивает круговорот воды. Литосфера – это твердая оболочка Земли. Она не полностью заселена живыми организмами. Подавляющее количество видов сосредоточено в верхнем слое, имеющем толщину в несколько десятков сантиметров. Некоторые виды проникают в глубину на несколько метров или десятков метров (роющие животные – кроты, черви; бактерии; корни растений). Наибольшая глубина, на которой были обнаружены некоторые виды бактерий, составляет 3–4 км 137 (в подземных водах и нефтеносных горизонтах). Распространение жизни в ней ограниченно и резко уменьшается с глубиной. Распространению жизни в глубь литосферы препятствуют различные факторы. Лими- тирующими факторами распространения жизни в литосфере являют- ся отсутствие света, плотность среды, высокая температура. В сред- нем температурный прирост составляет около 3°С на каждые 100 м. Температура постепенно возрастает с глубиной и при достижении 100°C вызывает переход воды из жидкого состояния в газообразное. Именно поэтому нижней границей распространения жизни в литосфере считают трехкилометровую глубину, где температура достигает около +100°С. Это и есть граница биосферы в литосфере. Поверхностный слой литосферы представлен почвой. Подавляющая часть живых орга- низмов литосферы обитает непосредственно в почве. Таким образом, основная часть видов живых организмов сосредото- чена на границах атмосферы и литосферы, атмосферы и гидросферы, образуя относительно «тонкую пленку жизни» на поверхности нашей планеты. Ключевые слова: границы биосферы, атмосфера, литосфера и гидросфе- ра, парниковые газы, тропосфера, стратосфера, озоновый слой, мезосфера термосфера, ионосфера, экзосфера. Вопросы и задания. 1. Каковы границы распространения живых организмов в атмосфере, гидросфере и литосфере? 2. Назовите факторы, которые влияют на распространение живого вещест- ва в геологических оболочках Земли. 3. Где наблюдается наибольшая концентрация живого вещества? Объясните причину. Какое значение это имеет для биосферы? 4. Объясните, чем обусловлена неравномерность распределения живых организмов в биосфере. Выскажите свое мнение. Составьте схему распределения живых организмов в биосфере с указани- ем границ и лимитирующих факторов. Задания для самостоятельной работы. Заполните таблицу. Геосферы Земли Характеристика Компоненты Роль в биосферы Литосфера Гидросфера Атмосфера 138 § 26. КОМПОНЕНТЫ БИОСФЕРЫ Вспомните закономерность распространения живых организмов в геологических оболочках Земли. Из каких компонентов состоят экосистемы? Классификация веществ, входящих в состав биосферы. Биосфера представляет собой гигантскую биологическую систему, включающую огромное разнообразие составляющих компонентов, охарактеризовать которые по отдельности крайне трудно. Вернадский предложил (все, что входит в состав биосферы, объединить в группы в зависимости от характера происхождения вещества). Он выделил семь разных, но взаимосвязанных групп веществ. Живое вещество. Этот термин введен в литературу В.И. Вернадским. Живое вещество – это совокупность всех живых организмов населяющих биосферу: продуцентов, консументов и редуцентов. «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действую- щей, а потому и более могущественной по своим конечным последстви- ям, чем живые организмы, взятые в целом», – писал В.И. Вернадский о живом веществе биосферы. Для живого вещества характерны рост, раз- множение, активное перемещение, распространение на планете, борьба за пищу и территорию, разнообразие форм, размеров и химического сос- тава, эволюция. По утверждению В.И. Вернадского, жизнь зародилась на Земле некоторое время спустя после ее появления и явилась одним из основных факторов, изменивших облик нашей планеты (рис.38). Косное вещество – это совокупность веществ, в образовании кото- рых живые организмы не участвовали, это вещество образовалось до появления жизни на Земле. Косное вещество представлено минерала- ми (алмаз, изумруд, кварц) и горными породами (гранит, мрамор). Их образование связаны с выветриванием горных пород, их механическим разрушением и извержениями вулканов (рис.39). Биогенное вещество – это совокупность веществ, которые образо- ваны из остатков отмерших организмов или являются продуктами их жизнедеятельности: каменный уголь, нефть, известняк, торф и другие полезные ископаемые (рис.40). Биокосное вещество – образовано одновременно организмами и абиогенными процессами. Данное вещество является результатом непрерывного взаимодействия живого вещества с косным: почва, грунт водоемов (рис.41). 139 Рис.38. Живое вещество. Рис.39. Косное вещество. Рис.40. Биогенное вещество. Рис.41. Биокосное вещество. Радиоактивное вещество – это радиоактивные руды и конечные продукты их распада. Рассеянные атомы – это отдельные атомы элементов, которые встречаются в природе в рассеянном состоянии. Космическое (космогенное) вещество – это совокупность веществ, попадающих в биосферу из космоса и имеющих космическое проис- хождение: метеориты, космическая пыль. Гранит Mрамор Графит Базальт Грибы Животные Растения Микроорганизмы Песчаная почва Почва Грунт Глинистая почва Уголь Мел Торф Известняк 140 Сегодня Биосферу определяют как древнюю, исключительно слож- ную, многокомпонентную, открытую саморегулирующуюся систему живого вещества и неживой материи, которая накапливает и перерас- пределяет огромные ресурсы энергии и определяет состав и динамику земной поверхности атмосферы и гидросферы. Ключевые слова: биосфера, вещество: живое, биогенное, косное, биокос- ное, радиоактивное, космогенное; рассеянные атомы элементов. Вопросы и задания. 1. Из каких компонентов состоит биосфера? 2. Охарактеризуйте типы вещества, входящего в состав биосферы. 3. Каким образом в биосфере возникает биогенное вещество? 4. Назовите области распространения живого вещества в геологических оболочках Земли. 5. Где наблюдается наибольшая концентрация живого вещества? Объясни- те почему. Какое значение это имеет для биосферы? Выскажите свое мнение. Как компоненты биосферы взаимосвязаны между собой? § 27. СВОЙСТВА И ФУНКЦИИ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА В БИОСФЕРЕ Вспомните особенности живых организмов. Живое вещество – вся совокупность тел живых организмов в биосфере, вне зависимости от их систематической принадлежности. В учении В.И. Вернадского понятие «живое вещество» и роль живого вещества занимает главное место. Свойства живого вещества. Живое вещество в отличие от косного вещества, имеет ряд свойств: 1. Живое вещество подвижно. Оно обеспечивает перенос вещества против сил неживой природы. Благодаря движению живое вещество за- полняет собой все доступные для жизни среды. Перемещаясь, живое вещество переносит органические вещества и накопленную в себе сол- нечную энергию с собой. Вернадский выделял две формы движения живого вещества. а) активное движение живого вещества биосферы – самостоятель- ное передвижение организмов, требующее затрат энергии: рыба может плыть против течения, птицы летают, преодолевая силу тяжести и т.д. 141 б) пассивное движение живого вещества биосферы – движение, не требующее затрат энергии – под действием естественных природных сил тяжести, гравитации и т.д. 2. В живых организмах химические реакции протекают намного быстрее, чем в неживом веществе. Большая скорость достигается за счет участия в реакциях ферментов. Химические реакции в живых организмах упорядочены. 3. Характерной особенностью живого вещества является способ- ность к эволюционному развитию. 4. Высокая степень адаптации живого вещества биосферы к окру- жающим условиям. 5. Химические связи, образующиеся в живом веществе, заключают в себе достаточно много энергии. Живое вещество трансформирует и накапливает солнечную энергию. Рис.42. Распространение организмов в биосфере. 22000 8000 4000 100 0 1 1000 Глубина, м ГИДРОСФЕРА АТМОСФЕРА Озоновый слой Наземные организмы Высота, м ЛИТОСФЕРА Обитатели пещер Микроорганизмы подземных вод Обитатели почв 100 10 142 6. Живое вещество характеризуется большим морфологическим и химическим разнообразием. Кроме того, оно постоянно обновляется с помощью размножения, предусматривающего смену поколений. 7. Живое вещество биосферы представлено в нем в виде отдельных живых организмов. Однако организмы не обособлены друг от друга. Особи одного вида живут в популяциях. Популяции разных видов совместно образуют биоценозы (рис.42). Функции живого вещества в биосфере. В. И. Вернадский считал, что главную преобразующую роль в биосфере играет живое вещество. Он в своей знаменитой книге «Биосфера» впервые рассмотрел функ- ции живого вещества. В настоящее время с учетом новых исследова- ний различают следующие функции: Энергетическая функция – это способность живых организмов поглощать солнечную энергию, превращать ее в энергию химических связей и передавать по пищевым цепям. Живое вещество, выполня- ет космическую функцию, связывая Землю с космосом и осуществляя процесс фотосинтеза. Благодаря этой функции постоянно идет воспол- нение потерь энергии в экосистемах и поддержание жизни в биосфе- ре. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле. Поглощенная энергия распределяется внутри эко- системы между живыми организмами в виде пищи. Частично энергия рассеивается в виде тепла, а частично накапливается в отмершем орга- ническом веществе и переходит в ископаемое состояние (торф, камен- ный уголь, нефть и др). Концентрационная функция. Так называется избирательное накоп- ление в ходе жизнедеятельности определенных видов веществ для построения тела организма. В результате концентрационной функции живые организмы извлекают и накапливают биогенные элементы окру- жающей среды. В составе живого вещества преобладают атомы эле- ментов: водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Среди металлов по концентрации первое место занимает кальций. Целые горные хребты сложены остатками животных с известковым скелетом. Концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, радиолярии и некоторые губки; йода – водоросли ламинарии, железа и марганца – особые бактерии. Позвоночными животными накапливается фосфор, сосредотачиваясь в их костях. 143 Деструктивная функция. Эта функция состоит в разложении, ми- нерализации мертвого органического вещества, химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот, то есть обусловливает превращение живого вещества в кос- ное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещества биосферы. Особо следует сказать о химическом разложении горных пород. Благодаря живому веществу биотический круговорот пополняется минералами, высвобождаемыми из литосферы. Бактерии, синезеленые водоросли, грибы и лишайники оказывают на горные породы сильней- шее химическое воздействие растворами кислот, разлагая с их помощью тех или иных минералов, организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие биогенные элементы – кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы. Средообразующая функция. Преобразование физико-химических свойств среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в результате про- цессов жизнедеятельности в условиях, благоприятных для существова- ния организмов. Эта функция является совместным результатом рас- смотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота; деструк- тивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для живых ор- ганизмов элементов. В результате средообразующей функции в геогра- фической оболочке произошли следующие важнейшие события: был преобразован газовый состав первичной атмосферы, изменился хими- ческий состав вод первичного океана, образовалась толща осадочных пород в литосфере, на поверхности суши возник плодородный почвен- ный покров. Газовая функция живого вещества проявляется в том, что, потреб - ляя и выделяя газообразные соединения, организмы поддерживают постоянство газового состава атмосферы. Так, кислород является побочным продуктом фотосинтеза, а углекислый газ – продуктом дыхания организмов. Подземный горючий газ метан образуется при разложении органических веществ и связан с деятельностью метано- образующих бактерий. Газовая функция является совокупностью двух основополагающих функций – деструктивной и средообразующей. Окислительновосстановительная функция живого вещества свя- зана с окислением и восстановлением в процессе жизнедеятельности 144 организмов ряда химических соединений. Так, при фотосинтезе угле- кислый газ восстанавливается до углеводов, а при дыхании углеводы окисляются до углекислого газа и воды. В результате жизнедеятельно- сти хемосинтезирующих железобактерий изменяется степень окисления атомов железа. Данная функция является одним из проявлений средо- образующей функции живого вещества; Транспортная функция – перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. Известно, что перемещение потоков вещества на нашей планете определяется силой земного тяготения. Не- живое вещество само по себе перемещается по наклонной плоскости исключительно сверху вниз. Только в этом направлении движутся реки, ледники, лавины, осыпи. Живое вещество – единственный фактор, обусловливающий обратное перемещение вещества – снизу вверх, из океана – на континенты. За счет активного передвижения живые организмы могут переме- щать различные вещества или атомы. Перемещение или миграцию, химических веществ живым веществом Вернадский назвал биогенной миграцией атомов или вещества. Таким образом, живое вещество является преобразователем среды и участником всех процессов биосферы. Ключевые слова: функции живого вещества: энергетическая, газовая, концентрационная, окислительно-восстановительная, транспортная, деструк - тивная, средообразующая. Вопросы и задания. 1. Каковы свойства живого вещества в биосфере? 2. Охарактеризуйте основные биосферные функции живого вещества. 3. В каких процессах проявляется энергетическая функция живого вещества? 4, Объясните примерами концентрационную функцию живого вещества. 5. Какие процессы связывают деструктивную и средообразующую функции жи- вого вещества? Выскажите свое мнение. 1. Можно ли среди функций живого вещества биосферы отдельно выделить биогеохимическую деятельность человека? В чем она проявляется? Ка- ково ее значение для биосферы? 2. Как известно, кислород имеет тенденцию к уменьшению растворимости при увеличении температуры воды. Тем не менее, в теплых поверхност- ных водах Мирового океана, вблизи экватора, наблюдается стабильно высокая концентрация кислорода. Как вы можете объяснить причины этого явления? 145 Задания для самостоятельной работы. Заполните таблицу «Живое вещество биосферы и его функции». Функции живого вещества Организмы Проявление функции Энергетическая Концентрационная Деструктивная Средообразующая Газовая Окислительно- восстановительная Транспортная функция |