Какие функции выполняет живое вещество в биосфере

Проверим знания

    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? *4. Какая функция живого вещества осуществляется при поглощении бактериями молекулярного азота из воздуха?

    Сложные вопросы

1. Какие физиологические процессы лежат в основе энергетической и окислительно-восстановительной функций? Ответ обоснуйте. *2. Установите соответствие между функциями и характеристиками живого вещества в биосфере.Функции: 1) газовая; 2) окислительно-восстановительная; 3) концентрационная. Характеристики: а) выделение кислорода в процессе фотосинтеза фототрофами; б) высокое содержание солей кальция в раковинах моллюсков; в) окисление органических веществ в процессе дыхания; г) восстановление углекислого газа до углеводов в процессе фотосинтеза; д) накопление соединений кремния в клетках хвоща. *3. Выберите три предложения, в которых отражены функции живого вещества: 1. Живые организмы, выделяя и потребляя разные газы, поддерживают постоянство газового состава атмосферы. 2. Отношения волка и зайца — это отношения хищник—жертва. 3. В телах живых организмов накапливаются разные химические элементы. 4. В процессе жизнедеятельности организмов происходит окисление и восстановление химических соединений. 5. Возникновение и развитие жизни на Земле привело к формированию биосферы. 

Биосфера и ее границы

Биосфера — это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются прошлой и современной деятельностью живых организмов.

■ Термин «биосфера» ввел Э. Зюсс (Австрия, 1875 г.), учение о биосфере было создано В.И. Вернадским (Россия, 1926 г.).

■ Биосфера — наиболее крупная экосистема, объединяющая все биогеоценозы планеты и осуществляющая глобальный круговорот веществ.

Компоненты биосферы: живое вещество (см. ниже), биогенное вещество, биокосное вещество, косное вещество, радиоактивное вещество, космогенное вещество.

Биогенное вещество — соединения и полезные ископаемые, создаваемые и перерабатываемые живыми организмами в процессе их жизнедеятельности (нефть, газ, уголь, известняк и др.).

Биокосное вещество — вещество, образующееся в результате совместной деятельности живых организмов и абиогенных процессов (почва, грунт водоемов).

Косное вещество — соединения, образующиеся без участия живых организмов (горные породы, минералы и др.).

Радиоактивное вещество — радиоактивные руды и конечные продукты их распада.

Космогенное вещество — метеориты, космическая пыль.

Область жизни определяется наличием условий, необходимых для существования тех или иных живых организмов.

Жизнь на Земле распространена в трех геологических оболочках — атмосфере, гидросфере и литосфере. Эти оболочки объединены в единую целостную систему посредством непрерывного обмена друг с другом веществом и энергией, обусловленного не только абиогенными процессами, но и деятельностью живых организмов.

Атмосфера — воздушная оболочка Земли. Плотность воздуха быстро уменьшается с высотой: 75% массы атмосферы сосредоточено в слое ниже 10 км, 90% — ниже 15 км, 99% — ниже 30 км. Сухой воздух состоит из азота (78,08%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%), углекислого газа (0,03%) и примесей других газов.

Тропосфера — нижний слой атмосферы высотой от 8-10 км в полярных широтах до 16-18 км в экваториальной зоне. Выше тропосферы расположена стратосфера.

Озоновый слой — область с повышенным содержанием озона О₃ — находится в стратосфере на высотах 15-25 км. Он поглощает губительное для живых организмов коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца.

Водяной пар, присутствующий в атмосфере, участвует в природном круговороте воды;

■ конденсируясь, он выпадает в виде дождей, обеспечивая влажностный режим земных территорий;

■ вместе с СО₂ он вносит главный вклад в парниковый эффект: удерживает отраженные от поверхности планеты длинноволновые тепловые лучи, благодаря чему нижние слои атмосферы оказываются теплыми.

Гидросфера — это водная оболочка Земли, образованная водами ее океанов, морей, озер, рек, подземных и ледяных покровов.

■ Средняя глубина Мирового океана — 3,8 км, максимальная (Марианская впадина в Тихом океане) — 11,034 км. 97% массы гидросферы составляют соленые океанические воды, 2,2% — воды ледников, 0,8% — подземные, озерные и речные пресные воды.

Литосфера — внешняя твердая оболочка (кора) планеты. Состоит из трех слоев: верхнего — слоя осадочных пород, среднего -гранитного и нижнего, наиболее плотного — базальтового.

Границы биосферы проходят там, где начинают преобладать природные факторы, делающие существование живых организмов невозможным.

Верхняя граница биосферы определяется высокой интенсивностью ультрафиолетового солнечного излучения, низкой температурой среды, дефицитом кислорода и воды и проходит в атмосфере на высоте 25-27 км (у нижней границы озонового слоя).

■ Отдельные споры бактерий и грибов найдены в тропосфере на высоте до 40 км.

Нижняя граница биосферы в литосфере для большинства форм жизни определяется высокой плотностью, прочностью и высокой сопротивляемостью среды, отсутствием света, недостатком кислорода и проходит на глубине нескольких десятков метров.

■ Неактивные формы жизни (споры, цисты) и нефтебактерии зарегистрированы на глубинах до 4 км. Эта граница, помимо перечисленных выше факторов, определяется также высокими давлением и температурой горных пород и подземных вод (на глубине 3 км температура около +100 °С).

В гидросфере жизнь простирается на всю глубину Мирового океана. Здесь ограничивающими факторами являются давление толщи воды и отсутствие света (температура воды на дне океанических впадин — около 0 °С).

■ По В.И. Вернадскому, нижняя граница биосферы проходит на 1-2 км глубже дна Мирового океана, в постепенно накапливающейся в океане толще осадочных пород, происхождение которых связано с деятельностью живых организмов.

Животные

Самый насыщенный, с точки зрения количества переходов от одного организма к другому, является этап между тем, как растения произвели кислород и заканчивается тем, когда погибший организм попал «на стол» разрушителей.

Пища, богатая химическими элементами и энергией, начинает свое «путешествие по желудкам» потребителей со второго этапа трофической цепи. Животные поедают растения, их ткань и соки. Они называются фитофагами. К ним относят также фитонематодов. Это насекомые и моллюски, также питающиеся растительной пищей. Растительной пищи фитофаги усваивают немного, но этого хватает для роста и развития их организмов, а также для продолжения рода. На этом этапе часть энергии, выработанной ранее растениями и поглощенной фитофагами, теряется. Фитофагами питаются зоофаги. Это третий уровень пищевой цепи. К зоофагам относят хищников и паразитов. Этот этап передачи энергии и миграции органического вещества очень многослоен. Хищники есть на каждой его ступеньке или разряде. Хищник, которого никто не может съесть в живом виде, стоит на верхней ступени пищевой цепи. Количество потребляемой энергии от ступени к ступени расходуется весьма незначительно.

Следующий уровень использует не более 1% энергии предыдущего. С гибелью фитофагов и зоофагов, их тела попадают к сапрофагам и бактериям. Сапрофаги – это те же разрушители, редуценты или могильщики. На их «столе» завершает свое путешествие органическое вещество. Круг замкнулся. В процессе этого круговорота количество вещества или химических элементов осталось прежнее. Каким оно и было миллионы лет назад. Израсходовано только энергия. Считается, что роль животных в биосфере в том, что они способствуют перемещению химических веществ, участвуют в их распределении и в обмене энергией. Но их роль представляется несколько шире. Как живая самоорганизующаяся система биосфера стремиться к равновесию и поддержанию своего внутреннего баланса. Масса ее живого вещества должна поддерживаться в определенном объеме и эту функцию выполняют животные. Примером могут быть те биосистемы, где животный мир исчез или на грани того. Объем вещества в результате падает, что неукоснительно приводит к разрушению баланса и гибели системы.

Концентрационная функция

Если говорить о раскрытии понятия данной роли вещества, то следует указать на ее близкое родство с предыдущей. Проще говоря, концентрационная функция живого вещества заключается в накоплении внутри тела тех или иных элементов, атомов, соединений. В результате происходит формирование тех самых горных пород, полезных ископаемых и минералов, о которых упоминалось выше.

Накапливать в себе какие-то соединения способно каждое существо. Однако для всех степень выраженности этого разная. Например, все накапливают в себе углерод. Но далеко не каждый организм способен концентрировать около 20% железа, как это делают железобактерии.

Можно привести еще несколько примеров, четко иллюстрирующих данную функцию живого вещества.

1. Диатомовые водоросли, радиолярии — кремний.
2. Ржавчинные грибы — марганец.
3. Растение лобелия вздутая — хром.
4. Растение солянка — бор.

Помимо элементов, многие представители живых существ способны после отмирания формировать целые комплексы веществ.

Состав и границы биосферы

Земля, возникшая много миллиардов лет назад, в начале своего существования была горячей. Но с течением времени наша планета остыла и на ней образовались оболочки: литосфера, атмосфера, гидросфера, — которые непрерывно влияют друг на друга. Под воздействием воды происходят изменения рельефа суши. Теплые течения согревают атмосферу в тех местах, где они протекают; холодные наоборот — охлаждают. В виде пара и облаков вода постоянно находится в атмосфере. От рельефа местности зависит скорость и направление течения рек. В процессе извержении вулканов в атмосферу выбрасываются различные газы и вулканический пепел. От ветра зависит направление морских течений. Он также влияет на рельеф местности, особенно пустынь, покрытых песками. Количество осадков влияет на полноводность рек. Итак, между оболочками Земли существует постоянная связь. Они объединяются в целостную систему и создают условия, подходящие для живых организмов.

Живые организмы, в свою очередь, также оказывают влияние на оболочки Земли.

Первые живые существа возникли в воде и были гораздо проще по сравнению даже с простейшими существами, которые живут в настоящее время. Водоросли обогатили воду и воздух кислородом. Постепенно выходя на сушу, во влажных местах бактерии, одноклеточные животные и растения принимали участие в создании почвы. Таким образом создавались условия для жизни растений на суше. Растения обогатили воздух кислородом, способствовали созданию озонового экрана; используя солнечные лучи, создавали органические вещества, необходимые для животных. Постепенно живые организмы освоили все оболочки Земли. Они существенно изменили облик планеты: превратили верхнюю часть литосферы, создав почву; способствовали изменению состава атмосферы и гидросферы.

Живые организмы создают особую оболочку, которая проникает в другие сферы Земли и связывает все компоненты в крупнейшую экосистему — биосферу.

Биосфера — это оболочка Земли, которую образуют и на развитие которой влияют все живые организмы.

Верхняя граница биосферы находится в атмосфере, заселенной только до озонового экрана, так как низкие температуры и ультрафиолетовое излучение губительно действует на живых существ. Даже на высоте 20-25 км встречаются споры грибов, бактерии.

Гидросфера заселена полностью, но большее разнообразие организмов наблюдается в толще воды, куда проникает солнечный свет.

Нижняя граница биосферы проходит в литосфере. На глубинах 0,5 — 2 м от поверхности количество живых организмов быстро уменьшается. На глубине свыше 10 м. живые существа не встречаются, поскольку большая плотность среды и повышение температуры ограничивают возможность их существования. Но и здесь бывают исключения. В нефтяных месторождениях на глубине примерно 2-3 км были найдены бактерии.

Наибольшая плотность живых организмов на суше, поверхности воды океана и на его дне до глубины 200 м, куда еще поступают солнечные лучи. Именно на границе атмосферы, гидросферы и литосферы благоприятные условия для жизни.

Функции живого вещества в биосфере

Остановимся подробнее на функциях живого вещества в биосфере:

1. Энергетическая функция выражается в улавливании живым веществом энергии, а также передача ее внутри пищевой цепи.Примером этой функции живого вещества в биосфере может служить фотосинтетическая деятельность растений. Результатом является первичная продукция, составляющая 98%, которая потребляется животными.

1. Осуществление предыдущей функции живого вещества сопровождается трансформацией газов. В процессе деятельности организмов происходит выделение и поглощение кислорода, углекислого газа и некоторых других соединений. Благодаря газовой функции живого вещества сформировался современный состав атмосферы, сильно отличающийся от добиосферного периода.
2. Концентрационная функция проявляется в извлечении и избирательном накоплении организмами химических элементов окружающей среды. Примером этой функции живого вещества в биосфере могут служить накопления соединений кальция в раковинах моллюсков, минеральных включений в тканях растений, кремнезема в панцирях диатомовых одноклеточных существ.

Раковины моллюсков Источник

В результате трансформации органических веществ произошло накопление залежей полезных ископаемых. К примеру, известняк, торф, каменный уголь представляют собой концентрацию различных соединений в телах отмерших организмов. Доказательством этому служат находки окаменелостей в осадочных породах.

Окаменелости в известняке Источник

1. Окислительно-восстановительная функция тесно связана с биологическим круговоротом веществ. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях.Например, молекулярный азот – один из важнейших биогенных элементов. Усваивается он живыми организмами в виде различных соединений. В клетках расщепление соединений происходит очень быстро под влиянием ферментов, и молекулярный азот используется для процессов жизнедеятельности. В природе же образование свободного азота происходит очень медленно.

Если бы живые организмы не могли осуществлять данные процессы, то они ощутили бы нехватку многих элементов.

1. Одной из важнейших функций является средообразующая. Деятельность живых существ преобразует среду обитания. Живое вещество в биосфере способствовало формированию современного состава атмосферы, благодаря организмам создается почва и поддерживается ее плодородие.

Растительный покров определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности территории. Благодаря трансформации веществ и энергии происходит поддержание на постоянном уровне основных параметров окружающей среды, например, содержание газов в атмосфере.

1. Деструкционная функция обусловливает процессы разложения организмов после их смерти. Редуценты разрушают отмершее органическое вещество до минеральных соединений. Далее эти вещества вновь включаются в биологический круговорот.

Выполняя все эти функции, живые организмы являются важной составной частью в биологическом круговороте веществ

Наука

Данное понятие было впервые введено в науку Ж. Б. Ламарком в далеком 1803 году и означало совокупность всех живых организмов планеты Земля. В конце девятнадцатого века термин «биосфера» использовал Ж. Зюсе, который включил неживую материю осадочных пород в строение биосферы. Учение о биосфере появилось в 1926 году, когда В. И. Вернадский обобщил огромное количество научных сведений, так или иначе иллюстрирующих взаимосвязь между живым и неживым веществом. Ученый смог показать, что наша планета не только заселена живыми организмами, но и активно ими преобразуется. Кроме того, по мнению Вернадского, вмешательство людей в природные процессы настолько существенно, что возможно говорить о ноосфере – новой фазе развития биосферы. На сегодняшний день наука о биосфере объединяет в себя данные из разных областей знания. Среди них можно отметить биологию, химию, геологию, климатологию, океанологию, почвоведение и прочие.

Строение биосферы таково, что живые организмы могут самостоятельно поддерживать необходимый состав почвы, атмосферы и гидросферы. Они играют ключевую средообразующую роль. На основании этого ученые выдвинули гипотезу о том, что почва и воздух были созданы самими живыми организмами на протяжении сотен миллионов лет эволюции. Изучив сходство в строении геологических пород, залегающих глубже кембрийских, с более поздними породами, Вернадский предположил, что в виде простейших организмов жизнь на планете существовала едва ли не изначально. Позже геологи доказали ошибочность этой гипотезы.

Так как солнце является энергетической основой существования всего живого на Земле, биосферу можно рассматривать как оболочку, структура и состав которой формируются за счет совместной деятельности живых организмов и определяются притоком солнечной энергии. Теперь давайте познакомимся со строением биосферы Земли.

Средообразующая

Состоит в преобразовании физико-химических аспектов неорганической среды в благоприятном направлении для существования организмов. Эта функция служит совместным результатом всех предыдущих. В частности, результатом выполнения средообразующей функции были: изменение газового состава первичной атмосферы, химизма вод океана, формирование осадочных горных пород в литосфере, почвенного покрова.

Замечание 1

В.И. Вернадский характеризовал данную функцию живого вещества, как способность не только приспосабливаться к среде, но и приспосабливать саму среду к своим требованиям.

Охрана биосферы. Красная книга

Человек и биосфера неотделимы друг от друга. Функции биосферы обеспечивают человека необходимыми для жизни веществами и энергией. Человек заботится о биосфере: проявляет заботу о ее жителях, охраняет среду их обитания. Сейчас вопросы охраны биосферы волнует всех людей на Земле.

Международное сотрудничество по охране биосферы проявляется в создании таких организаций, как Гринпис, Общества по охране природы, Всемирного фонда охраны природы и других. Ученые обнаруживают виды и группировки организмов, которым угрожает опасность, выясняют, сколько их осталось в природе и где, разрабатывают мероприятия по охране окружающей среды. В 1948 при ООН была создана Комиссия по охране видов растений и животных, которые исчезают, а впоследствии — Международная Красная книга, в которую вошли данные о живых существах, которые оказались на грани вымирания.

В России первую Красную книгу выпустили в 1983 г. — это был том «Животные», а в 1988 г. к нему добавился том «Растения». Позже книга была переиздана в 2001 и в 2017 гг., каждый раз дополняясь. В Красную книгу занесено 8 видов земноводных, 21 вид пресмыкающихся, 128 видов птиц и 74 вида млекопитающих, всего вместе с беспозвоночными животными — 434 вида. Красная книга является государственным документом, который содержит сведения об исчезающих видах растений, животных, грибов и советы по приумножению их популяции.

Важный шаг на пути защиты и спасения природы — выделение территорий, где растения и животные сохраняются в неприкосновенности. Это создание заповедников, заказников, национальных парков. Сегодня в мире существует около 350 биосферных заповедников, 37 из которых расположены в России, крупнейшие это: Алтайский государственный природный биосферный заповедник, Кавказский государственный биосферный заповедник, Байкальский заповедник, Баргузинский заповедник, Брянский лес — государственный природный биосферный заповедник.

Заповедники — это территории, на которых запрещена любая хозяйственная деятельность человека; в них охраняются не только живые организмы, но и условия их существования.

Национальные природные парки — территории, которые охраняет государство, но здесь разрешен организованный туризм и учебные экскурсии.

Заказники — территории, на которых охраняются определенные виды животных и растений. Они создаются на определенный срок, пока не исчезнет угроза для организмов, взятых под охрану.

Образование в области окружающей среды рассматривается ныне педагогической общественностью как непрерывный процесс, охватывающий все возрастные, социальные и профессиональные группы населения. Однако ее центральным звеном является школа, так как именно в школьные годы формирования личности происходит наиболее интенсивно.

Характеристика и свойства

• Наличие огромной свободной энергии. Все живое накапливает и сохраняет солнечную энергию, перенаправляя её в неживую среду в виде различных химических соединений (уголь и пр.), при распаде которых энергия высвобождается.
• Давление жизни, характеризующееся неизбежным распространением живого вещества по всей поверхности Земли. Если на каком-то участке жизнь отсутствует, то это явление временное, вызванное разрушением или сдерживанием внешними силами. Такое свойство всего живого заполнять собой свободное пространство связано с размножением организмов и их умением увеличивать поверхность собственных тел или сообществ, которые они образуют.
• Способность к адаптации в самых различных условиях. Благодаря этому свойству живые существа “захватывают” почвенную, водную и наземно-воздушную среды. Кроме того, существуют организмы (экстремофилы), приспособившиеся к жизни в экстремальных условиях: при экстремально низких или крайне высоких показателях температуры, кислотности, давления, кислорода и т. д.
• Произвольное движение. Только живые существа обладают способностью и пассивного, и активного перемещения. Примером пассивного движения может служить падение с высоты вниз, однако, это может сделать и неживой предмет под влиянием посторонних факторов. Но активное произвольное перемещение – движение против ветра или течения реки, подъем на высоту и т. д. – доступно только живым организмам.
• Саморегуляция в период с рождения до смерти, а затем быстрое разложение органических остатков. Способность всего живого к саморегуляции обеспечивает его жизнеспособность в изменяющихся условиях внешней окружающей среды. Это происходит за счёт поддержания баланса внутренней среды организма. Когда организм умирает, он теряет это свойство, и происходит распад на органические и неорганические вещества, которые включаются в биологический круговорот.
• Высокая скорость превращения одних веществ в другие. Химические реакции в организмах происходят с огромной скоростью. К примеру, в мозге человека ежесекундно одновременно происходят около 100 000 химических реакций. Птица колибри ежедневно потребляет нектар массой, сопоставимой с её собственной массой, умноженной на 2.
• Постоянное обновление совокупности организмов. Средняя скорость обновления для биосферы равна 8 годам. При этом лишь небольшая часть остатков организмов (менее 1 %) уходит в геологию, основная же масса включается в биологический круговорот.
• Многообразие (морфологическое и химическое), нехарактерное для неживого. При этом все живое материализуется в биосфере в виде уникальных индивидуумов, существующих на Земле в единственном экземпляре.

Два круговорота

Существует два основных круговорота:

1. геологический, его также называют большим,
2. биологический, он же малый.

Геологический имеет глобальное значение, так как осуществляет циркуляцию веществ между водными ресурсами Земли и сушей на планете. Он обеспечивает всемирный оборот воды, известный каждому школьнику: выпадение осадков, испарение, выпадение осадков, то есть — определенную схему.

Системообразующим фактором здесь является вода во всех своих агрегатных состояниях. Полный цикл этого действия дает возможность осуществляться зарождению организмов, их развитию, размножению и эволюции. Алгоритм большого цикла оборота веществ, помимо насыщения участков суши влагой, предусматривает образование и других природных явлений: образования осадочных горных пород, полезных ископаемых, магматических лав и минералов.

Биологическим круговоротом называется постоянный обмен веществ между живыми организмами и компонентами природных компонентов. Происходит это таким образом: живые организмы получают энергетические потоки, а затем, проходя процесс разложения органики, энергия снова попадает в элементы окружающей среды.

Круговорот органического вещества напрямую отвечает за обмен веществ между представителями флоры, фауны, микроорганизмами, грунтовыми породами, и так далее. Биологический круговорот обеспечивается на различных уровнях экосистемы, образуя своеобразный оборот химических реакций и различные превращения энергии в биосфере. Такая схема была сформирована много тысячелетий назад и работает все это время в одном и том же режиме.

Окислительно-восстановительная функция живого вещества

Проявляется в многочисленных биохимических преобразованиях веществ внутри каждого живого организма. Ведь во всех, начиная с бактерий и заканчивая крупными млекопитающими, происходят ежесекундные реакции. В результате одни вещества превращаются в другие, какие-то распадаются на составные части.

Результатом таких процессов для биосферы является формирование биогенного вещества. Какие соединения можно привести в пример?

1. Карбонатные породы (мел, мрамор, известняки) — продукт жизнедеятельности моллюсков, многих других морских и наземных обитателей.
2. Залежи кремниевых пород — результат многовековых реакций, происходящих в панцирях и раковинах животных океанского дна.
3. Уголь и торф — результат биохимических преобразований, происходящих с растениями.
4. Нефть и другие.

Поэтому химические реакции — это основа создания многих полезных человеку и природе веществ. В этом заключаются функции живого вещества в биосфере.