Закономерности существования биосферы

1. Закономерности существования биосферы

11 класс
(углубленный уровень)

2.

Биосфера
Биосфера (по В.И. Вернадскому) – область активной жизни,
охватывающая нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и
верхнюю часть литосферы.
В биосфере постоянно:
• осуществляются круговороты веществ,
• идут энергетические и информационные
потоки.
Важно! Биосфера – сложная термодинамическая открытая система,
обменивающаяся энергией и веществом с космосом и недрами Земли.

3.

Биосфера – открытая биологическая система
Вход
• Солнечная энергия
• Вода
• Минеральные
вещества
Выход
• Вещества, образовавшиеся в
процессе жизнедеятельности
организмов
• Вещества, вынесенные из
глобального
биогеохимического
круговорота
Открытость биосферы не противоречит замкнутости круговоротов веществ.

4.

Особенности биосферы как сверхсистемы
• Наличие живого, биогенного, биокосного и косного
вещества (классификация Вернадского).
• Функциональная гетерогенность – разные типы экосистем
выполняют различные биогеохимические функции.
• Глобальные циклы (углерода, азота, фосфора, серы, воды)
сопряжены во времени и пространстве.
• Информационные взаимодействия – это совокупность всех
сигналов (химических, физических, биологических), которые
передают информацию между организмами, популяциями и
экосистемами на глобальном уровне.

5.

Ключевые закономерности
Закономерность потока энергии и круговорота веществ
• Энергия проходит через биосферу линейно (однонаправленно), а
вещества совершают циклическое движение (круговороты).
Закономерность гомеостаза
• Способность биосферы поддерживать свое внутреннее
состояние в устойчивых пределах несмотря на изменения
внешних условий.
• Пример: при повышении концентрации углекислого газа в
атмосфере растения и океанский фитопланктон ускоряют
фотосинтез, поглощая избыток CO₂, что возвращает его
содержание к исходному уровню и стабилизирует климат.

6.

Ключевые закономерности
Закономерность биогенной миграции атомов
• Живое вещество осуществляет главную миграцию (перемещение)
химических элементов в биосфере.
• Пример: растения поглощают CO₂ и включают углерод в
органические вещества, микроорганизмы участвуют в круговороте
азота.
Закономерность коэволюции
• Совместная, взаимосогласованная эволюция двух или более видов
(или компонентов биосферы), при которой изменения в одном виде
приводят к изменениям в другом, и наоборот.
• Пример: эволюция цветковых растений и насекомых-опылителей.

7.

Динамическое равновесие в биосфере
Динамическое равновесие – состояние, при котором:
• состав и функции биосферы сохраняются, но компоненты
непрерывно обновляются;
• изменение любого компонента вызывает дисбаланс, который
влечет изменение других элементов биосферы.
Эти изменения действуют по принципу:
• отрицательной обратной связи – измененные компоненты
стремятся вернуть биосферу в исходное состояние.
• положительной обратной связи – изменения стимулируют
дальнейшее движение в том же направлении.

8.

Отрицательная обратная связь
Отрицательная обратная связь – механизм, при котором
изменение какого-либо компонента системы вызывает ответную
реакцию, противодействующую этому изменению и
возвращающую систему к исходному состоянию.
Классический пример – энергетические всплески в истории биосферы:
увеличение поступления энергии в системе → расцвет автотрофных
организмов → связывание избытка в органические соединения →
возврат системы в исходное энергетическое состояние
Отрицательные обратные связи – главный механизм, обеспечивающий
устойчивость биосферы.

9.

Примеры отрицательной обратной связи
Пример
Механизм
Результат
Рост CO₂
усиление фотосинтеза →
поглощение CO₂
стабилизация климата
Перенаселение
снижение рождаемости, рост
смертности
возврат численности к
норме
Эвтрофикация
«цветение» водорослей →
истощение ресурсов → отмирание
самоочищение водоема
Потепление
рост облачности → отражение
солнечных лучей
снижение температуры

10.

Положительная обратная связь
Положительная обратная связь – механизм, при котором
изменение какого-либо компонента системы вызывает ответную
реакцию, усиливающую это изменение и направляющую систему
в новое состояние равновесия (или к разрушению).
Важно: «положительная» не значит в сторону улучшения, это
математический термин, означающий усиление процесса.

11.

Антропогенез – пример положительной обратной связи
Развитие орудий труда, огня, земледелия
Изменение растительного и животного мира
Преобразование почв, рек, озер, морей
Добыча и использование полезных ископаемых
Дальнейшее развитие технологий (усиление эффекта)
Существенное преобразование всей биосферы

12.

Высвобождение CO₂ при потеплении океана –
примеры положительной обратной связи
Потепление климата
Нагрев Мирового океана
Снижение растворимости CO₂ в воде
Высвобождение CO₂ из океана в атмосферу
Усиление парникового эффекта
Дальнейшее потепление климата

13.

Сравнение типов обратных связей
Характеристика
Направление
Устойчивость
Траектория
Роль в эволюции
Опасность для
системы
Отрицательная
Положительная

14.

Сравнение типов обратных связей
Характеристика
Отрицательная
Положительная
Направление
Против отклонения
По направлению отклонения
Устойчивость
Поддерживает
стабильность
Разрушает стабильность
Траектория
Возврат к норме
Уход от нормы
Роль в эволюции
Сохраняет достигнутое
Создает новое
Опасность для
системы
Минимальная
Может привести к
разрушению

15.

Роль человека в нарушении равновесия
• Разрыв биогеохимических циклов (вынос фосфора из литосферы
без возврата).
• Накопление неразлагаемых ксенобиотиков – химических веществ,
которые не входят в естественный метаболизм биосферы
(синтезированных человеком).
• Упрощение структуры биосферы (снижение биоразнообразия).
• Антропогенное тепловое загрязнение.

16.

Выводы
Биосфера существует за счет непрерывного потока энергии и
циклического движения веществ.
Биосфера – глобальная экосистема с полным внутренним
круговоротом.
Динамическое равновесие поддерживается множеством обратных
связей на разных уровнях.
Антропогенный сдвиг может вывести биосферу из устойчивого
состояния в новое (неблагоприятное для человека).

17.

Задание 1. Сравнение типов обратных связей
Пример обратной связи
Тип обратной связи
А. При повышении концентрации CO₂ в атмосфере растения и
фитопланктон ускоряют фотосинтез, поглощая избыток
углекислого газа.
1. Положительная
обратная связь
Б. Таяние вечной мерзлоты высвобождает метан — мощный
парниковый газ, который усиливает потепление, вызывая
дальнейшее таяние мерзлоты.
2. Отрицательная
обратная связь
В. Увеличение численности зайцев приводит к росту численности
волков; волки сокращают популяцию зайцев, что затем ведет к
сокращению числа волков.
Г. Снижение площади белых льдов и снега обнажает темную
поверхность океана и суши, которая поглощает больше
солнечного тепла, усиливая дальнейшее таяние.
Ответ: 2121

18.

Задание 2.
Предположим, все растения на Земле
исчезли. Какие закономерности (поток
энергии, биогенная миграция,
гомеостаз) и в какой
последовательности нарушатся?
Опишите сценарий.

19.

Задание 2 (ответ)
Этап
Нарушенная закономерность
Конкретный сбой
1
Поток энергии
Фотосинтез остановлен, вход энергии заблокирован
2
Гомеостаз (O₂)
Кислород перестает производиться, начинает
падать
3
Биогенная миграция атомов
Звено «растения → травоядные» разрушено
4
Поток энергии (трофические уровни)
Хищники вымирают из-за отсутствия энергии
5
Гомеостаз (почва, вода)
Эрозия, разрушение водного баланса
6
Гомеостаз (климат)
Рост CO₂, парниковый эффект, потепление
7
Биогенная миграция атомов
Циклы C, N, P, H₂O разомкнуты или замедлены
8
Гомеостаз (новое равновесие)
Установление нового состояния (только
хемосинтез)

20.

Задание 3
Ксенобиотики (пластик, пестициды) – это «вещества,
вынесенные из круговорота». Почему они не
включаются в естественные биогеохимические циклы?
Что мешает бактериям их разлагать?
Ответ: Ксенобиотики не включаются в естественные
биогеохимические циклы, потому что они не имеют
природных аналогов. У бактерий и грибов за миллиарды лет
эволюции не выработалось ферментов, способных
расщеплять эти синтетические молекулы.