Краткое содержание: Параграф § 65 / Биология 11 класс

Биосфера как глобальная иерархическая экосистема

Биосфера представляет собой самую крупную, иерархически организованную глобальную экосистему, которая образована взаимодействующими между собой живыми веществами. Она является открытой биологической системой, для которой характерен постоянный обмен энергией и веществом с космическим и планетарным окружением. В качестве источника энергии выступает солнечная энергия. Вещества, образовавшиеся в процессе жизнедеятельности организмов, а также привнесенные извне, участвуют в глобальном биогеохимическом круговороте.

Динамическое равновесие и механизмы обратной связи

Для биосферы свойственно нахождение в динамическом равновесии, которое постоянно поддерживается и восстанавливается благодаря действию отрицательной и положительной обратной связи.

• Отрицательная обратная связь: В случае возникновения изменений (избытка или недостатка какого-либо компонента) в системе, она стимулирует процессы, которые направлены на возвращение системы к исходному или близкому к нему состоянию. Пример: избыток энергетических соединений стимулирует их возврат в исходное неэнергетическое состояние.
• Положительная обратная связь: Способствует усилению и развитию уже существующего изменения, приводя систему к новому уровню равновесия. Пример: появление группы высокоорганизованных организмов в биосфере, которые затем меняют условия ее существования. Важную роль в этом сыграло появление человека, которое привело к изменению многих компонентов биосферы: растительного и животного мира, почвы, водоемов и других.

Круговороты веществ и биогеохимические циклы

Стабильность биосферы обеспечивается непрерывными круговоротами веществ, которые по своему масштабу и качеству делятся на большие (геологические) и малые (биологические).

• Геологический круговорот: Происходит на протяжении миллионов лет и охватывает всю планету (например, круговорот воды в природе).
• Биологический круговорот: Происходит относительно быстро, с участием живых организмов. Он представляет собой биологический круговорот, в ходе которого автотрофные организмы преобразуют неорганическое вещество в первичное органическое вещество, которое затем используется гетеротрофными организмами.

Ключевые биогеохимические циклы, возникшие на Земле с появлением живых организмов, включают круговороты таких элементов как углерод (C), азот (N), фосфор (P) и сера (S). Эти циклы существовали уже 370 млн лет назад (Кембрий).

• Цикл углерода: Включает ассимиляцию \( \text{CO}_{2} \) растениями, дыхание, брожение, разложение органики, образование карбонатов и ископаемого топлива, а также сжигание.
• Цикл азота: Включает атмосферную и биологическую фиксацию \( \text{N}_{2} \), образование нитритов \( \text{NO}_{2}^{-} \) и нитратов \( \text{NO}_{3}^{-} \) в процессе нитрификации, а также их восстановление до \( \text{N}_{2} \) или \( \text{N}_{2}\text{O} \) (дентитрификация).

Ритмичность явлений в биосфере

Для биосферы характерна ритмичность процессов во времени, которая связана как с тектоническими и вулканическими процессами, так и с гравитационными и корпускулярными воздействиями Солнца и Луны. Гравитационные воздействия обуславливают климатические циклы, имеющие периодичность в 0,4; 1,2; 2,5; 3,7 млн лет. Эти 400-тысячелетние циклы, названные «биосферными часами», приводят к неравномерности развития групп организмов (рис. 285). Например, увеличение содержания \( \text{CO}_{2} \) в атмосфере девона и карбона, вызванное вулканической деятельностью, привело к расцвету папоротников, плаунов и хвощей.

Роль А. Л. Чижевского

Отечественный ученый А. Л. Чижевский (1897–1964) в 1915 году опубликовал работу о «Периодическом влиянии Солнца на биосферу Земли», основанную на анализе мировых демографических и агрономических данных. Он связал ритмы на Земле с циклами солнечной активности и солнечными вспышками, заложив основы гелиобиологии (от греч. helios – солнце, bios – жизнь и logos – учение), что стало новым этапом в понимании космических факторов в процессах биосферы.