Естествознание. Базовый уровень. 11 класс - Сергей Титов

Деревья климаксовых хвойных лесов часто образуют такие плотные и тесно соприкасающиеся кроны, что под ними не остаётся освещения, достаточного для развития других видов растений. Так, по мере сукцессии елового леса образуется сначала ельник-черничник, затем ельник-зеленомошник, где под кронами способны выжить только неприхотливые мхи, и наконец, чистый ельник, почва которого покрыта толстым слоем осыпавшейся хвои, что в сочетании с низкой освещённостью не позволяет селиться там никаким растениям.

Полный процесс сукцессии от пионерных до климаксовых сообществ обычно занимает десятилетия и даже века, но иногда может протекать на протяжении жизни одного поколения.

1. Чем различаются первичные и вторичные сукцессии?

2. Какие особенности характеризуют сообщества, находящиеся на ранних стадиях сукцессии?

3. Почему в процессе сукцессии лиственные леса сменяются хвойными?

4. Приходилось ли вам наблюдать сукцессионные изменения? Чем они были вызваны и к какому типу относились?

1. Проведите исследование. Если у вас есть небольшое свободное место на дачном или приусадебном участке подальше от деревьев, разожгите на нём костёр площадью 0,5–1 м2, дайте ему хорошо прогореть. Огородите кострище и в течение возможно более длительного срока наблюдайте, какие растения будут прорастать на этом месте. Определите их видовую принадлежность. Сравните видовой состав этого участка с видовым составом растений окружающей территории.

2. Используя дополнительные источники информации, расскажите об этапах зарастания водоёма. Попробуйте объяснить, почему зарастание водоёма относят к первичной сукцессии.

§ 42 Биосфера

Освежив горячее телоБлаговонной ночною тьмой,Вновь берётся земля за дело,Непонятное ей самой.Наливает зелёным сокомДетски-нежные стебли травИ багряным, дивно-высоким,Благородное сердце льва.И, всегда желая иного,На голодный жаркий песокПроливает снова и сноваИ зелёный, и красный сок.С сотворения мира стократы,Умирая, менялся прах,Этот камень рычал когда-то,Этот плющ парил в облаках.Умирая и воскресая,Набухать вселенской душой,В этом воля земли святая,Непонятная ей самой.

В строении Земли можно выделить несколько оболочек. Наружную называют атмосферой, она состоит из смеси газов, в основном азота и кислорода. Две трети земного шара покрыто водой, которая составляет гидросферу, а остальная треть и всё, что находится под водой, является твёрдым веществом и называется литосферой. О происхождении этих оболочек в Библии сказано так: «И создал Бог твердь; и отделил воду, которая под твердью, от воды, которая над твердью. И стало так…И сказал Бог: да соберётся вода, которая под небом, в одно место, и да явится суша. И стало так».

Но творение на этом не закончилось: земля ещё не была настоящей Землёй. Поэтому: «И сказал Бог: да произрастит земля зелень, траву, сеющую семя, дерево плодовитое, приносящее по роду своему плод, в котором семя его на земле. И стало так…И сказал Бог: да произведёт земля душу живую по роду её, скотов, и гадов, и зверей земных по роду их. И стало так».

Так, согласно Библии, была создана ещё одна оболочка – биосфера. Впервые о наружной оболочке Земли, представляющей собой «область жизни», говорил ещё Ламарк.

Термин же «биосфера» ввёл Э. Зюсс в 1875 г. в книге «Лик Земли». Но главная заслуга в развитии целостного представления о биосфере принадлежит выдающемуся русскому учёному Владимиру Ивановичу Вернадскому (1863–1945) (рис. 132).

Рис. 132.В. И. Вернадский

Вернадский не был биологом по специальности, он был кристаллографом, минералогом и геохимиком. Его докторская диссертация называлась «Явления скольжения кристаллического вещества» и, как легко понять, не имела к биосфере никакого отношения. Но в 1926 г. появилась его книга «Биосфера». Вернадский рассуждал как химик: он не вдавался в вопросы строения живых организмов, их многообразия и вообще всего того, что интересует биологов. Он говорил о биосфере с точки зрения геохимика.

Верхняя граница биосферы находится на высоте примерно 20 км над земной поверхностью, а нижняя – на глубине 2–3 км под поверхностью суши и на 1–2 км под дном океана. В других частях земного шара жизнь отсутствует. Если учесть, что радиус Земли равен почти 6400 км, то можно убедиться в том, что биосфера, толщина которой не превышает 25 км, представляет собой очень тонкую плёнку на поверхности Земли. Вернадский обращал внимание на то, что биосфера – это не только область обитания живых существ, она своеобразна и по своему химическому составу. Биосфера состоит из семи разных типов веществ.

• Живое вещество, которое является совокупностью всех живых организмов.

• Биогенное вещество, образованное в результате жизнедеятельности организмов. К нему относятся нефть, природный газ, каменный уголь, торф, осадочные породы (рис. 133) и, самое главное, кислород атмосферы.

• Косное вещество, в образовании которого живые организмы участия не принимают (магматические породы).

• Биокосное вещество создаётся одновременно живыми организмами и процессами неживой природы.

Рис. 133. Раковины одноклеточных организмов под сканирующим электронным микроскопом (А). Скелеты мелких планктонных водорослей и раковинок морских простейших сложились в гигантские толщи известковых пород (Б)

К этому типу вещества относятся почти вся вода биосферы, а также почва и ил. Это сложные динамические системы, в которых живые организмы играют ведущую роль.

• Остальные три части представляют собой вещества, находящиеся в состоянии радиоактивного распада, рассеянные атомы и вещества космического происхождения, приходящие на Землю от Солнца и более далёких космических тел.

Биосферу можно рассматривать как огромную, охватывающую весь земной шар единую экосистему. В отличие от обычных экосистем, она обменивается с окружающей средой (внеземным пространством) только энергией, но не веществом. Отдельные метеориты и космическая пыль принципиальной роли в жизни биосферы не играют. Во всём остальном она вполне схожа с описанными выше экосистемами: в ней существуют продуценты, превращающие солнечную энергию в энергию химической связи органических веществ, консументы, использующие энергию этих связей для своей жизнедеятельности, и редуценты, вновь превращающие органические соединения в неорганические.

Живое вещество составляет ничтожную часть общей массы биосферы, примерно одну миллионную. Однако оно является мощнейшим геологическим фактором, ведущей силой развития нашей планеты. С его помощью происходит постоянный круговорот вещества и энергии, их биогеохимические циклы, в ходе которых большинство химических элементов множество раз проходит через живые организмы. Вернадский подчёркивал, что живое вещество выполняет планетную, т. е. космическую, функцию и является на Земле реальной геологической силой.

Живое вещество выполняет в биосфере несколько функций, в результате чего «лик Земли» претерпевает принципиальные изменения. Одной из таких функций является газовая. Почти все газы, присутствующие в свободном виде в атмосфере и в связанном – в литосфере и гидросфере, имеют биогенное происхождение. Достаточно вспомнить, что практически весь кислород в атмосфере был создан автотрофными растениями в процессе фотолиза воды. Другой главный газ атмосферы – азот выделяется в результате жизнедеятельности подземных живых организмов или бактерий, обитающих на поверхности океана.

Вторая функция живого вещества – окислительно-восстановительная. Ферменты, находящиеся в живых организмах, способны окислять и восстанавливать многие химические элементы. Такие окислительно-восстановительные реакции были бы невозможны без участия живого вещества.

Третьей функцией живого вещества в биосфере является концентрационная. Представьте себе, что на нашей планете появился наблюдатель, хорошо знающий физику и химию, но не имеющий понятия о существовании живых организмов (его разум развился на какой– то другой основе). Он обследует поверхность Земли и выяснит, что в одних её местах (каменноугольные бассейны) вдруг обнаруживаются огромные скопления углерода, в других – кальция (залежи известняка), в третьих – кремния и т. д. Он не сможет этого объяснить, потому что знает, что чем больше случайные отклонения от равномерного распределения любых веществ, тем они маловероятнее. Если такие отклонения, называемые флуктуациями, где-то по воле случая и возникнут, то довольно быстро должны сгладиться. Это произойдёт из-за того, что вещества должны двигаться по градиентам концентраций, т. е. перемещаться из того места, где их много, туда, где их меньше, и, значит, через какое-то время они распределятся по поверхности планеты равномерно. Этого требует второе начало термодинамики.