БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК

Биосфера (от греч. «биос» — жизнь, «сфера» —шар) как носитель жизни возникла с появлением живых существ в результате эволюционного развития планеты. Под биосферой подразумевается часть оболочки Земли, населенная живыми организмами. Учение о биосфере создано академиком Владимиром Ивановичем Вернадским (1863-1945). В. И. Вернадский — основоположник учения о биосфере и метода определения возраста Земли по периоду полураспада радиоактивных элементов. Он впервые раскрыл огромную роль растений, животных и микроорганизмов в перемещении химических элементов земной коры.

Биосфера имеет определенные границы. Верхняя граница биосферы находится на высоте 15— 20 км от поверхности Земли. Она проходит в стратосфере. Основная масса живых организмов находится в нижней воздушной оболочке — тропосфере. Наиболее населена самая нижняя часть тропосферы (50—70 м).

Нижняя граница жизни проходит по литосфере на глубине 2—3 км. Жизнь сосредоточена в основном в верхней части литосферы — в почве и на ее поверхности. Водная оболочка планеты (гидросфера) занимает до 71% поверхности Земли.

Если сравнить величину всех геосфер, то можно сказать, что наибольшая по массе литосфера, наименьшая — атмосфера. Биомасса живых существ по сравнению с величиной геосфер невелика (0,01%). В разных частях биосферы плотность жизни не одинакова. Наибольшее количество организмов находится у поверхности литосферы и гидросферы. Содержание биомассы изменяется также по зонам. Максимальную плотность имеют тропические леса, незначительную — льды Арктики, высокогорные области.

Биомасса. Организмы, составляющие биомассу, обладают громадной способностью размножения и распространения по планете (см. раздел «Борьба за существование»). Размножение обусловливает плотность жизни. Она зависит от размеров организмов и необходимой для жизни площади. Плотность жизни создает борьбу организмов за площадь, пищу, воздух, воду. В процессе естественного отбора и приспособленности на одной площади сосредоточивается большое количество организмов с наибольшей плотностью жизни.

Биомасса суши.

На суше Земли, начиная от полюсов к экватору, биомасса постепенно увеличивается. Наибольшее сгущение и многообразие растений имеет место во влажных тропических лесах. Количество и разнообразие видов животных зависит от растительной массы и тоже увеличивается к экватору. Цепи питания, переплетаясь, образуют сложную сеть передачи химических элементов и энергии. Между организмами идет жесточайшая борьба за обладание пространством, пищей, светом, кислородом.

Биомасса почвы. Как среда жизни почва имеет ряд специфических особенностей: большую плотность, малую амплитуду колебаний температуры; она непрозрачна, бедна кислородом, содержит воду, в которой растворены минеральные соли.

Обитатели почвы представляют своеобразный биоценотический комплекс. В почве много бактерий (до 500 т/га), разлагающих органическое вещество грибов, в поверхностных слоях живут зеленые и сине-зеленые водоросли, обогащающие почву кислородом в процессе фотосинтеза. Толща почвы пронизана корнями высших растений, богата простейшими — амебами, жгутиконосцами, инфузориями. Еще Ч. Дарвин обратил внимание на роль дождевых червей, которые рыхлят почву, проглатывают и пропитывают ее желудочным соком. В почве, кроме того, живут муравьи, клещи, кроты, сурки, суслики и другие животные. Все обитатели почвы производят большую почвообразовательную работу, участвуют в создании плодородия почвы. Многие почвенные организмы принимают участие в общем круговороте веществ, происходящем в биосфере.

Биомасса Мирового океана.

Гидросфера Земли, или Мировой океан, занимает более 2/3 поверхности планеты. Вода обладает особыми свойствами, важными для жизни организмов. Ее высокая теплоемкость делает более равномерной температуру океанов и морей, смягчая крайние изменения температуры зимой и летом. Физические свойства и химический состав вод океана весьма постоянны и создают среду, благоприятную для жизни. На океан приходится около 1/3 фотосинтеза, происходящего на всей планете.

Взвешенные в воде одноклеточные водоросли и мельчайшие животные образуют планктон. Планктон имеет преимущественное значение в питании животного мира океана.

В океане, кроме планктона и свободноплавающих животных, много организмов, прикрепленных ко дну и ползающих по нему. Обитателей дна называют бентосом.

В Мировом океане живой биомассы в 1000 раз меньше, чем на суше. Во всех частях Мирового океана имеются микроорганизмы, разлагающие органические вещества до минеральных.

Круговорот веществ и превращение энергии в биосфере. Растительные и животные организмы, находясь во взаимосвязи с неорганической средой, включаются в непрерывно происходящий в природе круговорот веществ и энергии.

Углерод в природе находится в горных породах в виде известняка и мрамора. Большая часть углерода находится в атмосфере в виде углекислого газа. Из воздуха углекислый газ поглощается зелеными растениями при фотосинтезе. Углерод включается в круговорот благодаря деятельности бактерий, разрушающих мертвые остатки растений и животных.

При разложении растений и животных азот выделяется в виде аммиака. Нитрофицирующие бактерии превращают аммиак в соли азотистой и азотной кислот, которые усваиваются растениями. Кроме того, некоторые азотфиксирующие бактерии способны усваивать атмосферный азот.

Большие запасы фосфора содержат горные породы. При разрушении эти породы отдают фосфор наземным экологическим системам, однако часть фосфатов вовлекается в круговорот воды и уносится в море. Вместе с отмершими остатками фосфаты погружаются на дно. Одна часть из них используется, а другая теряется в глубинных отложениях. Таким образом, наблюдается несоответствие между потреблением фосфора и его возвращением в круговорот.

В результате круговорота веществ в биосфере происходит непрерывная биогенная миграция элементов. Необходимые для жизни растений и животных химические элементы переходят из среды в организм. При разложении организмов эти элементы снова возвращаются в среду, откуда опять поступают в организм.

В биогенной миграции элементов принимают участие различные организмы, в том числе и человек.

Роль человека в биосфере. Человек — часть биомассы биосферы — долгое время находился в непосредственной зависимости от окружающей природы. С развитием мозга человек сам становится мощным фактором в дальнейшей эволюции на Земле. Овладение человеком различными формами энергии — механической, электрической и атомной — способствовало значительному изменению земной коры и биогенной миграции атомов. Наряду с пользой, вмешательство человека в природу нередко приносит ей вред. Деятельность людей часто приводит к нарушению природных закономерностей. Нарушение и изменение биосферы вызывают серьезное беспокойство. В связи с этим в 1971 г. ЮНЕСКО (Организация Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры), в состав которой входит и СССР, была принята Международная биологическая программа (МБП) «Человек и биосфера», изучающая изменение биосферы и ее ресурсов под воздействием человека.

В статье 18 Конституции СССР сказано: «В интересах настоящего и будущих поколений в СССР принимаются необходимые меры для охраны и научно обоснованного, рационального использования земли и ее недр, водных ресурсов, растительного и животного мира, для сохранения в чистоте воздуха и воды, обеспечения воспроизводства природных богатств и улучшения окружающей человека среды».

Цитологические задачи бывают нескольких типов.

1. В теме «Химическая организация клетки» решают задачи на построение второй спирали ДНК; определение процента содержания каждого нуклеотида и др., например задача № 1. На участке одной цепи ДНК расположены нуклеотиды: Т — Ц — Т—А — Г — Т — А — А — Т. Определить: 1) структуру второй цепи, 2) процент содержания в данном отрезке каждого нуклеотида.

Решение: 1) Структура второй цепи определяется по принципу комплементарности. Ответ: А —  Г — А — Т — Ц — А — Т —Т — А.

2) В двух цепочках данного отрезка ДНК 18 нуклеотидов (100%). Ответ: А = 7 нуклеотидов (38,9%) Т=7 — (38,9%); Г =2 — (11,1%) и Ц = 2 — (11,1%).

II. В теме «Обмен веществ и превращения энергии в клетке» решают задачи на определение первичной структуры белка по коду ДНК; структуры гена по первичной структуре белка, например задача № 2. Определить первичную структуру синтезируемого белка, если на участке одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в такой последовательности: ГАТАЦААТГГТТЦГТ.

Решение:

1. Не нарушая последовательность, сгруппировать нуклеотиды в триплеты: ГАТ — АЦА — АТГ — ГТТ — ЦГТ.
2. Построить комплементарную цепь и-РНК: ЦУА — УГУ —  УАЦ — ЦАА — ГЦ А.

3. По таблице генетического кода определить аминокислоты, кодируемые этими триплетами. Ответ: лей—цис—тир—глун— ала. Сходные типы задач решаются аналогично на основе соответствующих закономерностей и последовательности, происходящих в клетке процессов.

Генетические задачи решают в теме «Основные закономерности наследственности». Это задачи на моногибридное, дигибридное скрещивания и другие закономерности наследственности, например задача № 3. При скрещивании между собой черных кроликов в потомстве получено 3 черных кролика и 1 белый. Определить генотипы родителей и потомства.

Решение:

1. Руководствуясь законом расщепления признаков, обозначить гены, определяющие в этом скрещивании проявление доминантных и рецессивных признаков. Черная масть—А, белая — а;
2. Определить генотипы родителей (дающих расщепляющееся потомство в отношении 3:1). Ответ: Аа.
3. Используя гипотезу чистоты гамет и механизм мейоза, написать схему скрещивания и определить генотипы потомства.

Ответ: генотип белого кролика — аа, генотипы черных крольчат — 1 АА, 2Аа.

В такой же последовательности, используя соответствующие закономерности, решаются другие генетические задачи.