Поняття біосфери

Людина завжди стикалася з оточуючим її світом живої природи, з величезною різноманітністю рослин і тварин, здавна вивчили зовнішню і внутрішню будову живих організмів, дослідили особливості їх анатомії, фізіології, закономірності розвитку, взаємозв’язок з навколишнім середовищем. Було з’ясовано, що організми існують в найрізноманітніших умовах і життя є практично і на поверхні материків, і в товщі океанів та морів, і навіть в атмосфері. Ця цілком очевидна істина привернула увагу українського мінероглога-геохіміка В.І Вернадського. Базуючись на масштабних дослідженнях і розрахунках, він вперше показав глобальне значення всієї сукупності організмів нашої планети.

Виявилось, що живі організми є могутнім фактором, що перетворює Землю. Товща гірських порід, вод і атмосфери, що змінилися під впливом життя і було названо біосферою. Тепер це слово зустрічається на шпальтах газет, звучить у виступах політичних та суспільних діячів, стає зрозумілим не лише вченим, але й всім людям. Останнім часом все частіше і тривожніше виникає обґрунтована стурбованість долею довкілля, особливого значення набувають проблеми охорони і раціонального використання природних ресурсів. Це вимагає високого рівня наших знань про біосферу.

Життя на нашій планеті виникло мільярди років назад в процесі тривалої еволюції різноманітних фізико-хімічних систем, які включали й органічні речовини. Близько 400 млн. Років назад перші живі істоти почали заселяти сушу. Сьогодні ж скрізь поширені різноманітні нащадки перших організмів. Всі сучасні види рослин, тварин і мікроорганізмів тією чи іншою мірою споріднені між собою. Всі вони протягом мільярдів і мільйонів років живилися, розмножувались, відмирали і змінювались під впливом природного добору і завжди впливали на середовище свого існування, корінним чином обновився склад атмосфери, природних вод, осадових порід. Кисень, поклади вугілля, нафти, вапняків, ґрунтовий покрив – прямий результат діяльності живих організмів. Непрямих результатів впливу живого є ще більше і вони не менш важливі (наприклад – озоновий екран атмосфери, що затримує згубне для всіх наземних мешканців короткохвильове космічне випромінювання).

Сучасна діяльність людини багато в чому нанесла шкоду довкіллю, тому одне з завдань сучасної екології – це вивчення регуляторних процесів в біосфері, створення наукового раціонального її використання.

Термін «біосфера» з'явився у науковій літературі у 1875 році. Його автором був Едуард Зюсс (з яким B.I. Вернадський був знайомий особисто), де вчений у межах Земної Кулі виділив декілька структурних частин – оболонок, які назвав геосферами. Одна з геосфер отримала назву біосфера.

Струнке вчення про біосферу було розроблене у 1926 роціB.I. Вернадським і цим же роком датована його книга «Біосфера», яка вийшла у Ленінграді, де він дав таке визначення біосфери - це оболонка Землі, склад, структура і енергетика якої значною мірою обумовлені життєдіяльністю живих організмів. За теорією В.І.Вернадського біосфера - це глобальна єдина система Землі, де існує або коли-небудь існувало життя і весь основний хід геохімічних та енергетичних перетворень визначається життям.

В класичних дослідженнях академіка В.І Вернадського переосмислені, конкретизовані і збагачені новим змістом первинні уявлення про біосферу, ним розроблене цілісне і відносно довершене вчення про біосферу.

В.І.Вернадський показав все значення біосфери в геохімічних процесах Землі. В працях вченого визначені місце і роль біосфери відносно геосфер і виявлені її якісні особливості.

Біосфера займає особливе місце по відношенню до геосфер. Біосфера – це своєрідна оболонка Землі, або область поширення життя. Від геосфер вона відрізняється і тим, що в її межах проявляється геологічна діяльність живих істот рослин, тварин, мікроорганізмів і людини.

Подальший розвиток наука про біосферу одержала в працях С.І.Вавілова, А.П.Виноградова та Е.Н.Павловського.

Існує декілька визначень біосфери. Більшість сучасних екологів (Ю.Одум, В.Д.Федоров, Т.Г.Гільманов, М.Ф.Реймерс, К.М.Ситник) розуміють біосферу як об’єднання усіх живих організмів, що знаходяться у взаємозв’язку з фізичним середовищем Землі. З цього погляду біосфера є сукупністю екосистем нашої планети.

Принципові положення теорії В.І.Вернадського

І. Вернадський виділяв рівні (основні структурні компоненти) речовин біосфери. Кожна з цих складових характеризується специфічною, динамічною структурою та організацією.

1) жива речовина (сукупність організмів різних видів).

“Я називатиму живою речовиною сукупність живих організмів, виражену в вазі, хімічному складі, у мірах енергії та характері простору”(В.І.Вернадський).

Жива речовина характеризується також різноманітністю видів і їх чисельністю, а також тенденцією росту їх кількості в процесі еволюції живої природи.

Форми життя дуже різноманітні. Нараховується біля 500 тис видів рослин і біля 1.5млн видів тварин. При всій різноманітності видів, маса живої речовини на Землі відносно невелика 105-106 км3. якщо цю величину прийняти за 1, то маса атмосфери 10, гідросфери 10000, літосфери 100000, а маса всієї Землі 100 млн.

2) біогенна речовина - органо-мінеральні та органічні продукти, створені

організмами (всі форми дендриту, кам'яне вугілля, нафта, газ тощо);

3) нежива (косна, кістякова речовина) - неживі неорганічні сполуки, речовини, в утворенні яких живі організми участі не брали (гірські вивержені породи, мінерали, опади);

4) біокістякова речовина - неорганічні продукти, що утворюються в результаті взаємодії живої і кістякової речовин, (кисень, створений зеленими рослинами; основним видом біокістякової речовини є вода, а основним біокістяковим тілом - грунт; до суміші біогенних речовин з мінеральними породами небіогенного походження відносяться мул, природні води, газо- та нафтоносні сланці, частина осадових карбонатів, ландшафти); сама біосфера є біокістяковою системою.

5) радіоактивні речовини;

6) розсіяні атоми;

7) речовини космічного походження (метеорити).

II. Енергія Сонця - космічне джерело енергії в біосфері. Речовина біосфери приймає космічну енергію і стає активною. Організми трансформують променисту енергію Сонця в хімічну згідно із законами термодинаміки. Залежно від джерела енергії Вернадський говорив про живу речовину І-го і ІІ-го порядків,

III. "Тиск життя". В. І. Вернадський відзначав здатність живої речовини постійно зростати, розрахував швидкість можливого заселення поверхні Землі деякими організмами за умов безперешкодного існування. Так, для деяких бактерій достатньо 1,3 — 1,8 доби для заселення поверхні планети.

Ще одним проявом активності живих організмів є інтенсивність розмноження. За ідеальних умов (теоретично) вона може сягати швидкості звуку., так, одноклітинна водоросль діатомея теоретично здатна за 8 днів утворити масу речовини, що дорівнює масі Землі, а наступного дня подвоїти її.

IV. Роль живих організмів. В.І. Вернадський вперше відзначив геологічну роль живих організмів. Саме завдяки їх діяльності відновний характер давньої атмосфери, в якій переважали NН3, СН4, СО, СО2, змінився на окисний з переважанням N2, О2 та незначним вмістом СО2.

Значення живих організмів:

· акумулюють сонячну енергію, трансформує її в енергію земних процесів (хімічну, механічну, теплову, електричну) - поклади кам’яного вугілля – це сонячна енергія, накопичена зеленими рослинами минулих геологічних епох;

· багато мінералів і гірських порід мають біогенне походження (осадові родовища сірки, заліза, мангану та інших металів), осадові породи вапняків;

· накопичують хімічні елементи у тканинах свого тіла: Fe, Cu, Mn, N, S, P тощо, а також у середовищі життя: земні рослини збагачують атмосферу і воду киснем, накопичують азот у ґрунті;

· більшість хімічних елементів здійснюють кругообіг через біосферу.

· в кінцевому рахунку жива речовина породила склад атмосфери, гідросфери, ґрунту.

· живі організми змінили рельєф земної поверхні, посиливши процеси осадонакопичення, вивітрювання та ерозії;

· впливають на мікроклімат та геофізичні умови свого існування.

V. "Плівки життя". B.I. Вернадський підкреслював повсюдність життя, яке в біосфері поширене в трьох основних середовищах: літосфері, гідросфері та атмосфері.

Одна із основних особливостей живої речовини - це й неймовірно різноманітний розподіл у різних частинах біосфери. Життя слабо розвинене у пустелях, тундрах, на глибині океану, високо у горах, тоді як інших ділянках біосфери - дуже щільне і різноманітне.

Найбільш висока концентрація живої речовини знаходиться на межах розподілу головних середовищ - у ґрунті як граничному шарі між атмосферою та літосферою, у поверхневих шарах океану, на дні водойм і, особливо, у лиманах, на літоралі, де всі три середовища - грунт, вода та повітря знаходяться поряд.

Місця найбільшої концентрації організмів називають «плівками життя».

VI. "Ноосфера". В. І. Вернадський зазначав, що можливості людини з її розумом і технікою такі значні, що вона може втручатись в хід геолого-хімічних процесів Землі і навіть змінювати їх природний напрямок. Людство має усвідомити свою силу і роль у біосфері і тоді настане новий етап її розвитку.

Вернадський передбачав перехід біосфери в новий стан, так звану сферу розуму -”ноосферу” (noos - в перекладі з грецької : розум, дух ), в якій людина стане основною геологічною силою.

Ноосфера - це етап розвитку біосфери, на якому людина, свідомо використовуючи свої знання, буде підтримувати існування біосфери та сприяти її розвитку.

Вчення Вернадського про ноосферу включає 4 основні положення:

1. Ноосфера - історично останній стан геологічної оболонки біосфери, що перетворюється діяльністю людини.

2. Ноосфера - сфера розуму і праці.

3. Зміни біосфери обумовлені як свідомою, так підсвідомою діяльністю людини.

4. Розвиток ноосфери пов’язаний з розвитком соціально-економічних факторів.

Ноосфера відрізняється від біосфери величезною швидкістю в розвитку. За концепцією ноосфери, людство перетворилося на найпотужнішу геологічну силу на планеті. Вернадський підкреслював, що протягом останніх 500 років воно освоїло нові форми енергії - парову, електричну, атомну, й навчилося використовувати майже всі хімічні елементи. Людство освоїло всю біосферу й одержало набагато більшу, порівняно з іншими організмами, незалежність від навколишнього середовища. Наукова думка й діяльність людини змінили структуру біосфери, незаймана природа швидко зникає, з’являються нові екосистеми та ландшафти - міста, культурні землі, для яких характерні простіші угрупування організмів.

Склад, межі, властивості і функціонування біосфери

Біосфера утворилась у результаті виникнення життя (живих організмів) як прямий результат загального розвитку планети Земля. Тривалість існування життя на Землі визначається часом від 1.5-2 до 4-5 млрд. років.

Біосфера Землі являє собою складну термодинамічно відкриту систему, яка включає в себе, згідно визначенню В.І.Вернадського, верхні шари земної кори, всю гідросферу і нижню частину атмосфери – тропосферу з організмами, що їх населяють. Природнім чином біосфера розпадається на більш менш самостійні одиниці, які характеризуються великою замкнутістю кругообігу речовин.

Пристосовуваність живих організмів вражає. Живі бактерії виявлено в гарячих гейзерних джерелах з температурою води 980С, а також в тріщинах антарктичних льодовиків, де температура рідко коли піднімається вище 0°. Бактерії живуть у глибинних водах Чорного моря, насичених сірководнем, деякі бактерії виявлено навіть в атомних реакторах. Живу спору бактерії було виявлено в одній із трубок американської космічної станції, яка три роки перебувала на поверхні Місяця - вона потрапила туди з Землі й зберегла життєздатність, незважаючи на перебування в умовах космічного вакууму, різких коливань температури й високого рівня радіації.

Межі біосфери. Межі атмосфери визначаються наявністю умов, необхідних для життя різних організмів.

Нижня межа біосфери обмежена температурою підземних вод та гірських порід, яка поступово зростає і на глибині 1.5-15 км (гейзери-материнська порода) вже переви­щує 100°С. Найбільша глибина, на якій в шарах земної кори знайдені бактерії становить 4 км. У нафтових родовищах на глибині 2-2.5 км бактерії реєструються в значній кількості. У океані - життя розповсюд­жується до більш значних глибин і зустрічається навіть на дні океанських западин (10-11 км від поверхні), де температура близько 0 °С.

Верхня межа життя в атмосфері обмежена інтенсивною концентрацією ультрафіолетової радіації. Фізичною межею поширення життя в атмосфері є озоновий екран, який на висоті 25-30 км поглинає більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця, хоча основна частина живих істот концентрується на висоті 1-1.5 км.

На висоті 20-22 км, де ще спостерігається наявність живих організмів: бактерій, спор грибів, найпростіших. Під час запусків геофізичних ракет у стратосферу на висоті 85 км у пробах повітря було виявлено спори мікроорганізмів у латентному (сплячому) стані. У горах межарозповсюдження наземного життя сягає біля 6 км над рівнем моря.

Заселеними є найнеймовірніші місця існування: термальні джерела, температура у яких сягає до 100°С, вікові сніги Гімалаїв, де на висоті 8300 м існують дев'ять видів бактерій, безводні пустелі та надсолоні озера, де вирують ціанобактерії та один із видів креветок.

На поверхні Землі у наш час повністю відсутнє життя лише в областях значних зледенінь та у кратерах діючих вулканів.

Функції живої речовини в біосфері

У колообігу речовин жива речовина біосфери виконує ряд біогенних функцій:

Газова функція здійснюється зеленими рослинами у процесі фотосин­тезу - при цьому атмосфера поповнюється киснем, а також рослинами і тваринами, які виділяють вуглекислий газ у процесі дихання. Відбувається також колообіг азоту, який тісно пов'язаний з життєдіяльністю мікроорганізмів.

Концентраційна функція проявляється у здатності живих організмів акумулювати різноманітні хімічні елементи, у тому числі мікроелементи, із зовнішнього середовища (грунт, вода, атмосфера). Так, морські водорості концентрують йод, діатомові водорості і злаки - кремній, молюски та ракоподібні - мідь тощо.

Окислювально-відновна функція виражається у хімічних перетворення речовин у процесі життєдіяльності організмів У ґрунті, водному та повітря­ному середовищах утворюються солі, оксиди, різноманітні нові речовини як результат окислювально-відновних реакцій. З діяльністю мікроорганізмів пов'язане формування залізних та марганцевих руд. вапняків і т.п.

Геохімічна функція здійснюється у процесі обміну речовин у живих організмах (живлення, дихання, виділення), розкладу відмерлих організмів і продуктів їх життєдіяльності до простих вихідних речовин.

Колообіг речовин

Для постійного існування біосфери, для запобігання припинення розвитку життя на Землі у природі повинні постійно відбуватись безпе­рервні процеси перетворення її живої речовини.

Біологічний колообіг - це багаторазова участь хімічних елементів у процесах, які протікають у біосфері.

Причина колообігу - обмеженість елементів, з яких будується тіло організмів.

У біосфері відбувається постійний колообіг активних елементів, які переходять від організму до організму, у неживу природу і знову до організму. Елементи, які вивільняються мікроорганізмами при гнитті, надходять у грунт і атмосферу, знову включаються в колообіг речовин біосфери, поглинаючись живими організмами. Весь цей процес і буде біогенною міграцією атомів. Для біогенної міграції характерним є накопичення хімічних елементів у живих організмах, а також їх вивільнення у результаті розкладу мертвих організмів. Біогенна міграція викликається трьома процесами:

· обміном речовин в організмах;

· ростом;

· розмноженням.

Визначення біогенної міграції хімічних елементів, яка викликана сила­ми життя, дав B.I. Вернадський (Закон біогенної міграції атомів). Біогенна міграція є частиною загальної міграції хімічних елементів біосфери. Головною геохімічною особливістю живої речовини є те, що вона пропускаючи через себе атоми хімічних елементів земної кори, гідросфери та атмосфери, здійснює у процесі життєдіяльності їх закономірну диференціацію. Завершуючи свій життєвий цикл, організми повертають природі все, що взяли у неї протягом життя.

В.І.Вернадський підрахував, що за час існування на Землі біосфери було створено 3,5.1019 т біомаси, що майже в 2 рази перевищує масу всієї земної кори, яка становить 2.1019 т. Робота, що виконується живою речовиною, за Вернадським може бути оцінена за формулою Е = PV2 / 2, де

Р - маса організмів,

V - швидкість розтікання біомаси (розмноження організмів).

Жива речовина значно прискорила й змінила колообіги різних речовин - води, кисню, азоту, вуглекислого газу тощо. Сучасний склад атмосфери створений завдяки діяльності живої речовини. Обмін повітря між всіма широтами й півкулями Землі відбувається в середньому за 2 роки. Активно переміщується течіями океанічна вода. Вся прісна вода стікає в океан за 14 діб, у льодовиках вода оновлюється за 15 000 років.

Жива речовина активно регулює геохімічну міграцію атомів. Завдяки йому зберігається стабільність біосфери і здійснюється еволюція як живих організмів, так і всієї біосфери в цілому. Цей особливий вид стану рівноваги, що постійно змінюється, В.І Вернадський називав динамічною рівновагою. Динамічна рівновага характерна не лише для біосфери. В такому стані знаходяться атмосфера, земна кора та мантія.

Для геосфер, не охоплених життям, характерна стійка динамічна рівновага. В біосфері динамічна рівновага не стійка. Це означає, що біосфера розвивається в процесі діяльності, самовдосконалюється, все більш повно, активно і в більшому масштабі накопичує, трансформує енергію, ускладнює свою організацію, збагачується інформацією.

Розрізняють два типи біогенної міграції, перший з них здійснюється мікроорганізмами, а другий - багатоклітинними організмами. Величина міграції першого типу переважає над другим. Людство оволоділо мігра­цією третього типу, яка іде під впливом його діяльності.

Крім того, розрізняють великий (геологічний) та малий (біологічний) колообіги і колообіги різних природних ресурсів (ресурсні цикли).

Великий (геологічний) колообіг. Вивержені глибинні породи мантійного походження (базальти) тектонічними процесами виводяться з надр Землі в біосферу. Під впливом сонячної енергії й живої речовини вони вивітрюються, переносяться, відкладаються, перетворюючись різноманітні осадові породи, де запасається сонячна енергія (з вивержених мінералів утворюються глини, а вулканічні гази -СО, NH3 - переходять у вугілля та нафту).

Потім за рахунок тектонічних рухів осадові породи потрапляють у зони високих тисків та температур (а також радіоактивного розпаду й гравітаційної диференціації) і перетворюються в гранітні породи з більш високим рівнем енергії, ніж у осадових порід. Кристалізовані вивержені породи знову за рахунок висхідних тектонічних рухів потрапляють у біосферу. Таким чином цикл завершується, але вже на новому рівні, бо з вихідних базальтів утворилися вивержені породи гранітного складу.

Малий біологічний колообіг (трансформація) речовин в біосфері. В кожній екосистемі колообіг речовин відбувається в результаті взаємодії автотрофів та гетеротрофів.

Вуглець, водень, кисень, азот, сірка і фосфор та біля 30 простих речовин, що необхідні для утворення живої речовини, безперервно перетворюються в органічні речовини або поглинаються в вигляді неорганічних компонентів автотрофами, а автотрофи використовуються гетеротрофами (спочатку консументами, а потім деструкторами). Таким чином, біогенні елементи безперервно циркулюють: розчиняються в континентальних водах, виносяться в моря або потрапляють в атмосферу, а між цими середовищами відбувається постійний газообмін, тобто відбувається біологічний колообіг атомів. Суть колообігу в тому, що утворення живої речовини і розклад органічної речовини - два боки єдиного процесу. В процесі біологічного колообігу атоми поглинаються живою речовиною і заряджаються енергією, а потім залишають живу речовину, віддаючи енергію в оточуюче середовище. За рахунок біогенної енергії відбувається більшість хімічних реакцій. Біологічні колообіги можуть бути різних масштабів і різної тривалості - від швидкого колообігу в ґрунті, річці, озері до тривалого, який обіймає всю біосферу.

Біологічний колообіг зворотний не повністю, частина речовин постійно виходить з колообігу і осідає в товщині осадових порід у вигляді органогенних вапняків, гумусу, торфу і т.п. В результаті колообігу біосфера (чи інша екосистема) не повертається в початковий стан: для біосфери характерний поступальний рух, тому символом біологічного циклу є не коло, а циклоїд (спіраль) .

Отже, колообіг речовин у природі спрямовується спільною дією як біологічних, так і геохімічних та геофізичних сил.

Вплив антропогенного фактора на колообіг. В порівнянні з тривалістю існування біосфери людина існує надзвичайно короткий час. Проте, за цей короткий проміжок часу колообіг речовин в біосфері змінився радикально. В.І.Вернадський підрахував, що в античні часи люди використовували лише 18 хімічних елементів, у XVIII ст. - 29, у XIХ ст. - 62, а тепер використовуються 89 елементів, що є в земній корі, крім того одержані такі, яких у природі зовсім немає (плутоній, технецій тощо)

Людина небувало прискорила колообіг деяких речовин - родовища заліза, цинку, свинцю інших елементів, які природа накопичувала мільйони років, швидко вичерпуються. Людина швидкими темпами використовує сонячну енергію “минулих біосфер”, накопичену в вугіллі, нафті, природному газі, вона вивільняє енергію, що міститься в урані. Все це збільшує неврівноваженість біосфери. Створюючи водосховища, дістаючи воду з глибинних водоносних горизонтів, людина втручається в колообіг води в природі.

Людині слід чітко уявити, що вони намагаються побудувати для себе та своїх нащадків, бо нічого з того, що робиться з природою, виправити неможливо.

З екологічної точки зору найважливішими є колообіги речовин, які є основними компонентами живої речовини:

· колообіг кисню;

· колообіг вуглецю;

· колообіг води;

· колообіг азоту;

· колообіг сірки;

· колообіг фосфору.