Биология. Учебное пособие для 10 класса учреждений общего среднего образования с русским языком обучения (с электронным приложением для повышенного уровня)
 Скачать 6.77 Mb.
|
|
§ 51 . Компоненты биосферы Вспомните, чем отличаются живые объекты природы от неживых. Как вы думаете? Какую роль играют живые организмы в биосфере? Вы узнаете об основных компонентах биосферы и о функциях живого вещества в ней. Согласно учению В. И. Вернадского, биосфера состоит из нескольких компонентов: живое, косное, биокосное и биогенное вещества (рис. 84). Главное место в учении о биосфере занимает представление о живом веществе. Живое вещество — совокупность живых организмов, населяющих Землю. Масса живого вещества сравнительно мала и составляет менее Проверим знания Рис. 84. Компоненты биосферы Косное вещество Биогенное вещество КОМПОНЕНТЫ БИОСФЕРЫ Живое вещество Биокосное вещество §50-1 Правообладатель Народная асвета 232 Глава 6. Биосфера — живая оболочка Земли одной миллионной части биосферы, которая составляет менее одной ты- сячной массы Земли. Несмотря на это, живое вещество является «самой мощной геохимической силой нашей планеты», поскольку живые орга- низмы не просто населяют Землю, но и преобразуют ее. Биомасса — это общая масса всех живых организмов, присутствую- щих в биосфере. Как уже ранее отмечалось, живые организмы населяют земную поверхность неравномерно. Как вы думаете, почему процентное содержание растений, животных и микроорганизмов на суше и в океане отличается? Исходя из данных таблицы 21, видно, что основная роль на планете Земля принадлежит автотрофным растениям суши. Т а б л и ц а 21. Масса живого вещества на планете Земля Среда Группа организмов Масса, 10 12 т Соотношение, % Наземно- воздушная Зеленые растения 2,40 99,2 Животные и микроорга- низмы 0,02 0,8 Итого 2,42 100 Водная Фотосинтезирующие ор- ганизмы 0,0002 6,3 Животные и микроорга- низмы 0,0030 93,7 Итого 0,0032 100 Почвенная Животные и микроорга- низмы от 0,015 до 0,023 100 Итого Общая биомасса 2,4382 — Биомасса суши зависит от количества тепла, влаги и увеличивается от полюсов к экватору.Биомасса растений на суше значительно боль- ше биомассы животных, однако видовое разнообразие животных в 5 раз больше видового разнообразия растений (1,5—1,7 млн видов животных и примерно 300 тыс. видов растений). Ежегодно в биосфере в процессе фото- синтеза образуется около 150 млрд тонн сухого органического вещества. Наибольшая биомасса живого вещества суши сконцентрирована в тропи- ческих и субтропических лесах. Они являются наиболее продуктивными сообществами материковой части биосферы. Правообладатель Народная асвета 233 Биомасса океанической частибиосферы распределена неравномерно и представлена преимущественно в верхней части ф и т о п л а н к т о н о м. Несмотря на то что биомасса океанических живых организмов в 1000 раз меньше биомассы наземных растений, 80 % первичной продукции обра- зуется именно в океане. Мировой океан считается самой продуктивной средой по созданию биомассы. Это связано с высокой скоростью роста и размножения, короткой продолжительностью жизни представителей фито- и зоопланктона. Поэтому общий объем первичной годовой продук- ции, образуемой продуцентами Мирового океана, сопоставим с объемом продукции растений суши. Биомасса почвыпредставлена совокупностью живых организмов, плотно ее заселяющих и играющих важную роль в формировании поч- вы. В поверхностных слоях живут зеленые водоросли и цианобактерии, которые снабжают почву кислородом, образующимся в процессе фото- синтеза. Среди животных почвы многочисленны черви, муравьи, клещи, встречаются кроты, сурки, суслики. Биомасса только дождевых червей в суглинистых почвах достигает 1,2 т на 1 га. В почве также обитает большое количество бактерий, которое исчисляется сотнями миллионов. Все живые организмы, обитающие в почве, ведут большую почвообразо- вательную работу. Особая роль отводится бактериям, которые разлагают гумус до минеральных веществ, обеспечивая плодородие почвы. Косное вещество — это неорганические ресурсы биосферы, которые формируются без участия живых организмов. Они образуются в резуль- тате выветривания горных пород, извержения вулканов. По массе кос- ное вещество биосферы значительно превосходит массу живого вещества и представлено минералами (изумруд, алмаз, кварц) и горными породами (гранит, мрамор). Между живым и косным веществом существует нераз- рывная связь благодаря процессам дыхания, питания и размножения жи- вых организмов. Происходит миграция атомов из косных тел биосферы в живые и обратно. Взаимодействие живого и косного вещества характери- зуется, прежде всего, тем, что часть косного вещества усваивается и асси- милируется живым веществом. Биокосное вещество — результат взаимодействия живых и косных компонентов. К нему относят почву, современную атмосферу, природные воды. Их свойства зависят от деятельности живого вещества. Так древ- няя атмосфера Земли образовалась в результате мощной вулканической и горнообразовательной деятельности. Значительно позднее в ее составе появился кислород как продукт фотосинтеза и сформировалась совре- менная атмосфера. Ее газовый состав определяется соотношением био- логических (фотосинтез, дыхание) и геохимических процессов. В разных § 51. Компоненты биосферы §51-1 Правообладатель Народная асвета 234 Глава 6. Биосфера — живая оболочка Земли видах биокосного вещества соотношение живого и неживого компонентов различается. Например, почва содержит в среднем 93 % минеральных и 7 % органических веществ, образованных в процессе жизнедеятель- ности живых организмов. Биогенное вещество образуется в процессе жизнедеятельности живых организмов или в результате их отмирания. Оно представлено осадочными породами, образовавшимися при разложении остатков живых организмов или из продуктов их жизнедеятельности (известняков, ракушечных по- род, горючих сланцев, доломитов, каменного угля, мела, сапропеля, тор- фа, нефти). Биогенное вещество является запасом потенциальной энергии. Повторим главное. Основными компонентами биосферы являют- ся: живое, косное, биокосное и биогенное вещества. Живое вещество представлено живыми организмами, населяющими Землю и участву- ющими в ее преобразовании. Наибольшая масса живого вещества сосредоточена на материках. Однако по продуктивности первичного органического вещества океаническая часть не уступает суше. Кос- ное вещество — это неорганические ресурсы биосферы, образующие- ся без участия живых организмов. Биокосное вещество — результат взаимодействия живых и косных компонентов биосферы. Биогенное вещество создается в процессе жизнедеятельности живых организмов или в результате их отмирания. Ключевые вопросы. 1. Из каких основных компонентов состоит биосфера? 2. В ка- кой части биосферы самая большая биомасса живых организмов? С чем это связано? 3. Какие типы вещества образовались на Земле при участии живого вещества? При- ведите примеры. Сложные вопросы. 1. Почему биомасса биосферы увеличивается от полюсов к эквато- ру? С чем это связано? 2. Исходя из данных параграфа, рассчитайте, сколько тонн су- хого органического вещества образуется за год в ходе фотосинтеза в Мировом океане. § 52. Функции живого вещества Вспомните, какие функции на Земле выполняют живые организмы. Как вы думаете? Что произойдет, если на Земле исчезнут фотоавтотрофные организмы? Вы узнаете о функциях живого вещества и его значении в поддержании благоприятных условий для жизни на Земле. Проверим знания §51-2 Правообладатель Народная асвета 235 § 52. Функции живого вещества В. И. Вернадский в своем учении показал, что живые организмы в биосфере выполняют ряд важных биогеохимических функций: энергети- ческую, газовую, концентрационную и окислительно-восстановительную. Энергетическая функция — аккумулирование энергии в органическом веществе и перераспределение ее по пищевым цепям. Как вы уже знаете, живые организмы не просто зависят от постоянного поступления энергии Солнца, но и выступают как гигантский накопитель и уникальный пре- образователь этой энергии. Поэтому в основе этой функции лежит про- цесс фотосинтеза, осуществляемый фотоавтотрофными организмами. Это единственный на нашей планете процесс, обеспечивающий превращение энергии солнечного света в энергию химических связей органического ве- щества . С помощью фотосинтеза солнечная энергия, запасаемая зелеными растениями, обеспечивает жизнедеятельность всех гетеротрофов. Энерге- тическая функция живого вещества связана и с такими процессами жиз- недеятельности живых организмов, как питание, дыхание, выделение, размножение. В результате этих процессов идет превращение энергии. Это интересно. Обнаружены целые экосистемы, функционирование кото- рых основано на активности хемосинтезирующих бактерий. Они не зависят от продуктов фотосинтеза. Это глубоководные системы, где в абсолютной тем- ноте вблизи выходов горячей воды, богатой минеральными солями и серой, помимо бактерий, существуют и уникальные многоклеточные животные, на- поминающие двустворчатых моллюсков длиной около 30 см, и трехметровые черви, получающие энергию от хемосинтезирующих бактерий. Возможно, было время, когда солнечные лучи не могли проникнуть на Землю из-за интенсивной вулканической деятельности, и такие формы жизни были более разнообразными. Газовая функция — способность живого вещества изменять и под- держивать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное проис- хождение. Ведущая роль в осуществлении газовой функции принадлежит зеленым растениям. Для синтеза органических веществ они использу- ют углекислый газ и выделяют в атмосферу кислород. Все остальные организмы используют кислород в процессе дыхания и пополняют при этом запасы углекислого газа в атмосфере. В процессе функционирова- ния живого вещества, кроме кислорода и углекислого газа, образуются такие газы, как азот, сероводород, метан. Живое вещество поддерживает газовый состав современной атмосферы на определенном уровне. Концентрационная функция — способность организмов избирательно накапливать в своем теле химические элементы, рассеянные в окружающей Правообладатель Народная асвета 236 Глава 6. Биосфера — живая оболочка Земли среде, повышая их содержание в организме по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Любой живой организм в процессе своей жизнедеятельности поглощает из окружающей среды необходимые для него вещества и накапливает их в своем теле. Например, содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота — в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Диатомовые водоросли и кремниевые губки накапливают кремний (рис. 85),водоросль ламинария — йод.Скелеты позвоночных животных содержат до 60 %, а раковины некоторых моллюсков до 100 % фосфата кальция. Это интересно. Активными концентраторами являются микроорганизмы. Одни бактерии концентрируют железо, другие — марганец, третьи — се- ребро. Бактерии способны увеличивать содержание железа в 650 тыс. раз, марганца — в 120 тыс. раз, ванадия — в 420 тыс. раз. Эта удивительная способность позволила ученым предположить, что сообщества бактерий вно- сят существенный вклад в формирование месторождений металлов. Каж- дая тонна бурых водорослей содержит несколько килограммов йода. Золото «собирают» дуб, кукуруза, хвощ, бурые и красные водоросли, а в 1 т золы полыни может содержаться до 85 г этого драгоценного металла. Моллюски концентрируют никель, осьминоги — медь, медузы — цинк и алюминий. В условиях антропогенного загрязнения окружающей среды побочным след- ствием концентрационной функции может являться накопление пищевыми растениями токсичных веществ, вредных для человека. Часть энергии Солнца благодаря концентрационной функции живых организмов накапливается в земной коре в составе полезных ископаемых — Рис. 85. Диатомовые водоросли (1), кремниевые губки (2) 1 2 Правообладатель Народная асвета 237 нефти, каменного угля, торфа (рис. 86). Это связано с протеканием в бескислородной среде реакций восстановления с образова- нием и накоплением сероводорода и метана. Окислительно-восстановительная функ- ция — окисление и восста новление различ- ных веществ с участием живых организмов. В ее основе лежит обмен веществ и энергии организма с внешней средой. Так, в ходе синтеза органических веществ (процесс фо- тосинтеза) преобладают восстановительные реакции с поглощением энергии. А при рас- щеплении и окислении в присутствии кисло- рода (процесс дыхания) преобладают окис- лительные реакции, и выделяется энергия. Таким образом, жизнь в биосфере пред- ставляет собой непрерывный процесс син- теза и распада органических веществ, ко- торый объединяет все живые организмы на Земле в глобальную биологическую систе- му. Биосфера является сложной динами- ческой системой, осуществляющей фикса- цию, преобразование, накопление и пере- нос энергии путем обмена веществ между живым и косным веществом. Следовательно, живые организмы, выполняющие биогеохимические функции, являются важнейшей преобразующей силой на планете Земля. Подчеркивая активность живых организмов и их значимость в биосфере, И. В. Вернадский писал: «Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы. Организмы — самая мощная геологи- ческая сила». Повторим главное. Биосфера представляет собой сложную динами- ческую систему, осуществляющую обмен веществ благодаря постоян- ному притоку энергии. Живые организмы биосферы являются важ- нейшей биогеохимической силой, преобразующей планету. Они вы- полняют ряд функций: энергетическую, газовую, концентрационную и окислительно-восстановительную. За счет этих функций живого ве- щества поддерживаются благоприятные условия для жизни на Земле. Рис. 86. Добыча угля, торфа, нефти § 52. Функции живого вещества Правообладатель Народная асвета 238 Глава 6. Биосфера — живая оболочка Земли Ключевые вопросы. 1. Какие функции выполняет живое вещество в биосфере? 2. Благодаря какой функции живого вещества образовались залежи горючих полезных ископаемых, известняков, руд? 3. Каково значение газовой функции живого вещества для биосферы? Сложные вопросы. 1. Какие физиологические процессы лежат в основе энергетиче- ской и окислительно-восстановительной функций? Ответ обоснуйте. 2. Докажите, что биосфера является динамической системой. § 53. Круговорот веществ в биосфере Вспомните из курсов химии и физики основополагающий закон сохранения массы вещества и энергии. Как вы думаете? Как закон сохранения массы вещества может быть связан с биосферой? Вы узнаете о круговороте веществ и значении в биосфере воды, кислорода и углерода. Основой жизни на Земле являются круговороты веществ в биосфере и постоянный приток солнечной энергии. Круговорот веществ — цикличный, многократно повторяющийся про- цесс перемещения и перехода химических элементов из живых тел в соединения неживой природы и обратно. С использованием солнечной энергии на планете протекают два взаимосвязанных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биологический. Геологический (большой) круговорот веществ — процесс мигра- ции веществ и природных вод, происходящий в результате воздействия абиотических факторов (факторов неживой природы). При большом гео- логическом круговороте, протекающем миллионы лет, горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Ми- ровой океан. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования. Биологический (малый) круговорот веществ (рис. 87) — процесс циркуляции веществ между растениями, животными, грибами, микро- организмами, атмосферой и почвой. Все химические элементы, исполь- зуемые в процессе жизнедеятельности организмов, постоянно перемеща- ются, переходя из живых тел в соединения неживой природы и обратно. Так, в природе из неорганических веществ автотрофами синтезируются органические вещества. Выделенные в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, так и гетеротрофов) органи- Проверим знания Правообладатель Народная асвета 239 § 53. Круговорот веществ в биосфере ческие вещества подвергаются минерализации, то есть превращению в неорганические вещества. Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы автотрофами для синтеза органических веществ. Таким образом, сущность биологического круговорота заключается в образова- нии живого вещества из неорганических соединений и в превращении органического вещества при разложении в неорганические соединения. Возможность многократного использования веществ делает жизнь на Земле практически вечной при условии постоянного притока нужного количества энергии Солнца. Геологический и биологический круговороты в совокупности форми- руют общий биогеохимический круговорот веществ, основу которого со- ставляют циклы азота, воды, углерода и кислорода. Круговорот воды. Вода — самое распространенное вещество на Земле и основной компонент биосферы. Она является средой для растворения практически всех элементов. Большая часть биосферной воды представ- лена водами Мирового океана и водой вечных льдов. Более 99 % всех запасов воды в биосфере находится в твердом состоянии. Незначитель- ная часть воды находится в газообразном состоянии — это атмосферные водяные пары. На испарение воды с поверхности океанов и суши затра- чивается около половины всей поступающей на Землю солнечной энер- гии. После испарения вода потоками воздуха переносится на различные Рис. 87. Биологический круговорот веществ в природе Органические вещества Минеральные вещества Чистая вода Одноклеточные водоросли Бактерии Углекислый газ Кислород Правообладатель Народная асвета 240 Глава 6. Биосфера — живая оболочка Земли расстояния (рис. 88). Большая ее часть в виде осадков выпадает в океан, откуда интенсивно испаряется, меньшая — на сушу. Излишки стекаются в реки, озера, а из них — в Мировой океан. Выпавшая на поверхность суши вода способствует разрушению горных пород, размывает верхний слой почвы и возвращается вместе с растворенными и взвешенными в ней веществами в реки, моря и океаны. Таким образом, вода переносит огромное количество неорганических и органических соединений. В круговороте воды важную роль играют живые организмы, состоящие на 2 3 из воды. Растения извлекают воду из почвы и испаряют ее в атмо- сферу. Масса испаряемой при этом воды может быть весьма значительна. Так, с 1 га леса испаряется 20—50 т воды в сутки. В крупных лесных зонах основное количество осадков образуется из водяного пара, поступающего в атмосферу благодаря испарению с этих же зон. Это интересно. Чтобы произвести 10 кг биомассы, большинство расте- ний потребляют примерно 1000 л воды. Из этой, пропущенной через корни, воды примерно 991 л идет на испарение с поверхности листьев, что необхо- димо растению в первую очередь для охлаждения. Из оставшихся 9 л воды 7,5 л сохраняется в тканях растений в виде химически свободной воды и только 1,5 л используется в процессе фотосинтеза. Животные организмы также активно участвуют в круговороте воды. Они потребляют воду для поддержания процессов жизнедеятельности Рис. 88. Круговорот воды в природе Природные воды Атмосферная влага Испарение Транспирация Осадки Фильтрация Поток грунтовых вод Речной и поверхностный сток Испарение Правообладатель Народная асвета 241 и выделяют ее с продуктами обмена веществ. Вода как важнейший ком- понент среды обитания оказывает значительное влияние на организм жи- вотного начиная с периода эмбрионального развития. Недостаток воды животные ощущают чрезвычайно остро. Так, потеря 10 % воды сопрово- ждается ослаблением сердечной деятельности, повышением температуры тела, снижением аппетита и секреции желудочного сока, возбуждением нервной системы, мышечной дрожью, сухостью и желтушностью слизи- стых оболочек. При потере животным 20 % воды наступает смерть. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании при- родных условий на нашей планете. Круговорот кислорода. Превращение кислорода непосредственно свя- зано с круговоро том воды и других веществ. Практически весь атмосфер- ный кислород имеет биогенное происхождение и проходит через живое вещество за 2000 лет. В функционировании биосферы кислород играет исключительно важ- ную роль. Постоянная концентрация кислорода в атмосфере поддержи- вается благодаря процессу фотосинтеза. В ходе этого процесса зеленые растения под действием солнечного света превращают углекислый газ и воду в углеводы и кислород. Основная часть образовавшегося кислорода участвует в процессах дыхания аэробных организмов и в обмене веществ (рис. 89). Небольшая часть кислорода атмосферы участвует в процессах образования озонового экрана. Рис. 89. Круговорот кислорода в природе Окисление органических остатков О З О Н О В Ы Й Э К Р А Н Дыхание Сжигание топлива О 2 Фотосинтез Фотосинтез Окисление § 53. Круговорот веществ в биосфере Правообладатель Народная асвета 242 Глава 6. Биосфера — живая оболочка Земли Уменьшение количества кислорода происходит в атмосфере в резуль- тате процессов дыхания, окисления горных пород, горения при лесных пожарах, сжигания человеком топлива. Это компенсируется в процессе фотосинтеза. Таким образом, в природе непрерывно совершается кру- говорот кислорода и поддерживается постоянство состава атмосферного воздуха. Однако в последние десятилетия деятельность человека, связанная с вырубкой лесов, осушением болот, уменьшает продукцию фотосинтеза. А это, в свою очередь, нарушает естественный ход круговорота кислорода на значительных территориях Земли. Круговорот углерода. Углерод в атмосфере содержится в основном в составе углекислого газа. Первичный источник углекислого газа — вул- каническая деятельность. Биосферный цикл углерода (рис. 90) начинается с процесса фотосинте- за. Ежегодно в него вовлекается до 50 млрд т углерода. Растения поглоща- ют углерод в составе углекислого газа. Продуцируемые ими органические вещества содержат значительное количество углерода (более 50 % угле- рода биосферы заключено в целлюлозе растений). Эти вещества исполь- зуют сами растения и животные (консументы) для получения энергии. Кроме того, соединения углерода используются морскими организмами Рис. 90. Круговорот углерода в природе СО 2 Торф Уголь Газ, нефть Образование ископаемого топлива Образование осадочных пород Известняк Гумус Дыхание Мертвые остатки Фотосинтез Растворение в воде Сжигание топлива Разложение Выброс вулканов Правообладатель Народная асвета 243 для построения раковин и скелетных образований. Одновременно с этим происходит обратный процесс. Углерод возвращается в среду, замыкая цикл, двумя путями. Первый путь — в виде углекислого газа, который образуется в процессе дыхания живых организмов. Второй путь — раз- ложение (минерализация) экскрементов, отмерших растений и животных микроорганизмами (редуцентами). Живые организмы пропускают через себя весь углерод атмосферы в течение 6—8 лет. Один цикл круговорота углекислого газа проходит за 300 лет. Однако цикл круговорота углерода замкнут не полностью. Часть углерода, как уже отмечалось, на продолжительное время выводится из круговорота, концентрируясь в залежах торфа, каменного угля, нефти и горючих сланцев, образующихся при разложении мертвых организмов без доступа кислорода. Углерод также формирует мощные отложения из- вестняков на дне морей и океанов, образовавшиеся из остатков раковин и скелетов отмерших морских организмов. При сжигании ископаемого топлива, используемого человеком для получения энергии, образуется углекислый газ, который возвращается в атмосферу. За счет этого за последние сто лет его содержание в атмос- фере возросло на 25 %, что нарушает отрегулированный веками круго- ворот углерода. Это может привести к усилению парникового эффекта и, как результат, к затоплению обширных прибрежных территорий по все- му миру. Повторим главное. Главными условиями устойчивого существова- ния биосферы являются постоянно протекающий круговорот веществ и поток энергии. С использованием солнечной энергии на планете протекают два взаимосвязанных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биологический. В круговоротах углерода и кислорода основная роль принадлежит живым организмам. Основу же глобального круговорота воды в биосфере обеспечивают физиче- ские процессы. Ключевые вопросы. 1. Что представляет собой круговорот веществ в биосфере? 2. Каким образом живые организмы участвуют в круговороте веществ? 3. Какова роль фотосинтеза в круговороте веществ? Сложные вопросы. 1. Какие условия являются необходимыми для поддержания непре- рывности круговорота веществ? 2. Укажите возможные последствия чрезмерного посту- пления углекислого газа в атмосферу. Проверим знания § 53. Круговорот веществ в биосфере Правообладатель Народная асвета |