Studentam.net.ua

Лекція 2. БІОСФЕРА

   Поняття про біосферу, її межі, особливості. Біосфера (гр. bios – життя, + sphaira– куля) – область поширення на Землі організмів та продуктів їх життєдіяльності.
   Біосфера оболонка Землі, склад, структура і енергетика якої в сучасних рисах зумовлені минулою або сучасною діяльністю живих організмів.
   Поняття про біосферу не раз змінювалось з часу появи цього слова. Початок вчення про біосферу пов’язують з іменем відомого французького натураліста Ж.Б. Ла-Марка (1802), який запропонував термін “біологія” для всіх живих організмів, що населяють Землю. Визначення біосфери як особливої оболонки Землі та її назва були запропоновані відомим австрійським геологом Е. Зюссом (1875) у його праці з геології Альп. Окремі факти і положення про біосферу знаходимо у працях А. Гумбольдта, В. Докучаєва, Я. Молешотта та інших дослідників.
   Детально розробив вчення про біосферу український вчений В.І. Вернадський – перший президент Української Академії наук.
   Біосфера, за Вернадським, це оболонка Землі, де жива речовина відіграє домінуючу роль, значно впливає на всі процеси, що в ній відбуваються. Вернадський дав таке визначення біосфери: “Біосфера являє собою оболонку життя – область існування живої речовини” [7].
   У численних своїх працях В.І. Вернадський виклав вчення про біосферу як особливу оболонку Землі, яка включає як область поширення живої речовини, так і саму речовину, в якій життєдіяльність організмів (утому числі людини) проявляється як могутній геохімічний фактор планетарного масштабу і значення.
   Біосфера включає нижню частину атмосфери (7 км на полюсах і 18 – 20 км на екваторі), всю гідросферу (11 км), і літосферу (до глибини 3 км на суші та 0,5…1 км під дном океану).
   За В.І. Вернадським, нижня межа життя в земній корі визначається температурою 100°С, яка спостерігається до глибини 2,5…3,5 км.
   Але в 70-х та 80-х роках в нафтогазоносних водах були знайдені мікроорганізми на глибині 4,5…6 км. Якщо включити в біосферу шари атмосфери, де спостерігається перенесення живих організмів, зачатків організмів, то межі по вертикалі будуть становити 25…40 км.
   Об’єм біосфери – 10·10⁹ км³ (0.4% об’єму Землі), маса біосфери 3·10¹⁸ т – близько 0,05% маси землі (5,96·10²⁷ г).
   Компонентами біосфери є жива речовина, гірські породи, вода, повітря, сонячна радіація. Для біосфери є характерним те, що вона включає речовину у твердому, рідкому і газоподібному станах, тобто вона трифазна. Основним джерелом всіх процесів, які в ній відбуваються є сонячна енергія. У зв’язку з цим для біосфери харак­терний постійний кругообіг речовини та енергії, в якому найактив­нішу роль відіграють живі організми. Область існування живої речо­вини охоплює атмосферу (до тропопаузи), літосферу (кору вивітрю­вання), всю гідросферу, тобто біосфера триярусна. Літосфера, гідро­сфера, атмосфера і жива речовина співвідносяться між собою так, як, наприклад, кам’яна чаша, масою 51,26 кг, вода, масою 45,36 г, копійка і поштова марка.
   У межах біосфери існують області, в межах яких активне життя неможливе. Так, у верхніх шарах тропосфери, а також в найбільш холодних і жарких районах земної кулі організми можуть існувати лише в стані спокою. Сукупність таких областей біосфери називають парабіосферою (Хатчінсон, 1972) [9].
   Але і в інших областях біосфери, де організми можуть існувати в активному стані, життя розподілене нерівномірно. Неперервний шар живої речовини, як його назвав В.І. Вернадський, займає водну товщу, і вузькою смугою простягається на межі літосфери, і тропо­сфери, де включає ґрунт з корінням рослин, грибами, мікроорга­нізмами і тваринами, а також включає приземну частину тропосфе­ри, в якій розміщені частини рослин і переноситься основна маса пилку, спор, насіння. Цей шар В.Б. Сочава (1944) назвав фітос­ферою, а Е.М. Лавренко (1949) – фітогеосферою. Потужність фіто­геосфери найбільша в океанічних областях, де вона досягає 11 км, по суші вона може досягати 100…150 м.
   Загальні закономірності розподілу живих організмів. Все живе в біосфері утворює живу речовину. Зараз нараховують 0,5 млн. видів рослин і 1,5 млн. (за іншими даними 2 млн.) видів тварин, у тому числі хребетних 42 тис, членистоногих – 1 млн. видів.
   Життя зародилось в океані, однак сьогодні більшість організмів живе на суші. У Світовому океані нині налічують 160 тис. видів тварин і рослин, за кількістю перше місце посідають молюски (60 тис. видів), друге – ракоподібні (20 тис. видів), третє – риби (16 тис. видів).
   Жива речовина нашої планети існує у вигляді великої кількості організмів із своїми індивідуальними ознаками різноманітністю форм і розмірів. Серед живих організмів зустрічаються дуже різні за розмірами мікроорганізми і багатоклітинні тварини і рослини великих розмірів.
   Органічний світ суші у видовому відношенні більш різноманітний, ніж органічний світ водного середовища. Якщо кількість видів сухопутних тварин складає 93%, то водних – лише 3%. Для рослин характерне аналогічне співвідношення. На наземні флори припадає 92% видів і 8% на водні. Наведені цифри свідчать про те, що можливості для видоутворення на суші були більш сприятливі, ніж у водному середовищі.
   Для порівняння кількості живих організмів використовують поняття “біомаса”, “продукція живих організмів” тощо.
   Біомаса (гр. bios – життя + massa - тісто) – загальна маса особин одного виду, груп або всього угруповання живих організмів на одиницю площі або об’єму. В середньому на 1 см² земної поверхні припадає 580 мг сухої органічної речовини. До складу цієї біомаси входить біомаса рослин, тварин, грибів, бактерій. У біосфері біомаса розподілена нерівномірно і змінюється від нуля (крига Антарктиди) до 60 кг/м² (тропічні ліси). Біомаса всієї біосфери – приблизно 1841…2440 млрд. т, що становить близько 0,00001% маси земної кори. Жива речовина, якої так небагато у біосфері, постійно виникаючи і руйнуючись, перетворюючи сонячну енергію в хімічну, виконує величезну геохімічну роботу (газову, концен­траційну, енергетичну, окислювально-відновну, деструктивну).
   Біологічна продукція – відтворення біомаси рослин, тварин, грибів і мікроорганізмів, які входять до складу екосистеми, за певний період часу. Найчастіше біопродукція виражається як маса сухої речовини за рік на одиницю площі, або об’єму (води, ґрунту). Розрізняють первинну і вторинну біопродукцію.
   Первинна або валова первинна, продукція – це маса органічної речовини та енергії, яка утворюється в процесі фотосинтезу рослин. Валова продукція частково (до 50%) витрачається на дихання самих рослин, решту становить чиста первинна продукція. Щорічно частину чистої продукції (7…10% у наземних і до 40% у морських екосистемах) поїдають гетеротрофи – рослиноїдні тварини та паразити рослин, частина використовується мінералізаторами, частина іде на приріст біомаси.
   Чиста продукція і біомаса не завжди перебувають у прямій залежності. Тільки в однорічників співвідношення їх 1:1. У багаторічників співвідношення біомаси і чистої продукції змінюється у широких межах: у лісах вона може досягти 50:1, у лугових і степових угрупованнях – 3:1. В молодих екосистемах біомаса невелика, а чиста продукція переважає. У зрілих екосистемах біомаса досягає максимуму, а чиста продукція – мінімуму У Світовому океані біомаса рослин невелика (3,9 млрд. т), а чиста продукція у 14 разів більша (55 млрд. т). Треба підкреслити, що “мета” у природи і мета людини різна: природа збільшує валову продукцію, а людина – чисту продукцію.
   Величина чистої первинної біопродукції біосфери оцінюється авторами по-різному: від 50 млрд. т сухої органічної речовини за рік. Причому, 2/3 її виробляється на суші, 1/3 – в океані. Майже 70% чистої продукції утворюється в лісах Землі. Проте людина інтен­сивно знищує ліси: 20 га за хвилину; 15 млн. га щороку вирубується. Це у 18 разів більше ніж приріст лісів за той самий час.
   Розподіляється чиста первинна продукція на Землі дуже нерівномірно і змінюється від 0 до 45 кг/м² у рік: в тундрі – 0,1…3,0 (в середньому – 0,6), в степах – 0,2…5,0 (1,6), напівпустинях – 0,10…4,0 (0,7) кг/м² у рік. Велика маса чистої первинної продукції спостерігається у певних районах Землі. На континентах – у тропіках, в океанах між 40° і 60° північної і південної широт. Саме у цих районах рослини одержують тепло, воду і поживні речовини в оптимальному співвідношенні. Але в загальному плані чиста первинна продукція на земній кулі зменшується із зниженням температури, тобто від екватора до полюсів. Майже 60% усієї продукції суші утворюється в тропіках, 20% - у субтропіках, і 20% на решті територій.
   Вторинна біопродукція – маса живої речовини, виробленої гетеротрофами.
   Загальна маса живої речовини на Землі була підрахована В.І. Вернадським, який в 1927 році представив наближену величину – 10²¹ г. Однак ця величина була дещо завищеною і з того часу різні дослідники наводять свої оцінки біомаси Землі. Найбільш точними вважають дані, одержані М.І. Базилевич та іншими.
   Незалежно від методів підрахунків існують зональні закономір­ності розподілу біомаси організмів на суші та в океані:
·                        в океані загальна біомаса організмів значно нижча, ніж на суші;
·                        основна біомаса рослин зосереджена на суші;
·                        біомаса тварин в океані більша ніж біомаса тварин на суші;
·                        на суші біомаса рослин перевищує біомасу тварин.
   Роль живих організмів у біосфері. Значення організмів у створенні і переробці органічних речовин дуже різноманітне. Виділяють три основні групи організмів: продуценти, консументи і редуценти.
   Продуценти – це автотрофні організми, які синтезують з неор­ганічних сполук органічні речовини з використанням сонячної енергії або енергії, що виділяється під час хімічних реакцій (хемотрофи), (зелені рослини – фотосинтез, бактерії – хемосинтез). Бактерії (водневі, нітрифікуючі, сіркобактерії, залізо…) внаслідок своєї діяль­ності синтезують органічні речовини з СО₂, використовуючи енергію, вивільнену при окисленні аміаку, сірководню, сірки.
   Консументи – організми, що живляться органічною речовиною (первинною чи вторинною) трансформуючи її в інші форми. Це всі тварини, частина мікроорганізмів, паразитичні та комахоїдні росли­ни. . Виділяють консументи першого порядку – фітофаги, рослино­їдні організми, другого порядку – хижаки і паразити, що споживають рослинні організми, третього порядку – хижаки і паразити, що споживають хижих тварин і паразитів.

Таблиця 1

Біомаса рослинних угруповань природних зон
(за А.Г. Вороновим)

 Таблиця 2

Біомаса організмів на Землі
(за М.І. Базилевич, Л.Є. Родіним, М.М.Розовим)

кругообігу живі організми тепер – через 4 млрд. років після своєї появи – не зазнають дефіциту основних біогенних елементів.
   Розрізняють два види кругообігу речовин та енергії у біосфері:
·                   геологічний (великий), який відбувається між сушею та океаном;
·               біологічний (малий), який відбувається або на суші, або в океані.
   Біологічний кругообіг включає як горизонтальну, так і верти­кальну міграцію та складається з двох протилежних процесів: синтез органічної речовини з неорганічної за допомогою сонячної енергії; мінералізація органічних решток і виділення енергії.
   Біологічний кругообіг – це багаторазова участь хімічних еле­ментів у процесах, які протікають у біосфері. В зв’язку з цим біосфе­ру визначають як область Землі, де протікають три основних про­цеси: кругообіг вуглецю, азоту, сірки, в яких беруть участь 5 елементів (H, O, C, N, S), що рухаються через атмосферу, гідро­сферу, літосферу. У природі кругообіг здійснюють не речовини, а хімічні елементи. Ці 5 елементів рухаються і окремо, і в таких сполу­ках, як вода, нітрати, двооксид вуглецю, двооксид сірки.
   Кругообіг вуглецю. У біосфері вуглецю багато – 12000 млрд. т. Це пояснюється тим, що еволюція життя на Землі – це еволюція сполук вуглецю, які безперервно виникають, змінюються і розкла­даються. Кругообіг вуглецю відбувається фактично між живою речо­виною та двооксидом вуглецю. У процесі фотосинтезу, здійснюва­ного рослинами, СО₂ і вода з допомогою енергії сонячного світла перетворюються на різні органічні сполуки. Щорічно вищі рослини і водорості поглинають при фотосинтезі 200 млрд. т вуглецю. Якби вуглець повертався в атмосферу, його запас (700 млрд. т) у ній швидко б вичерпався. Але він повертається в результаті процесу дихання рослин і тварин. Відмерлі рослинні і тваринні організми розкладаються грибами і мікроорганізмами до СО₂, який теж повер­тається в атмосферу. Повний цикл обміну атмосферного вуглецю здійснюється за 300 років. Але частина вуглецю вилучається у вигляді торфу, нафти, вугілля, вапняку, мармуру – викопних відкла­дів і осадових порід.
   Вважають, що на кругообіг вуглецю часом дуже впливає діяльність людини. Використання викопного палива і автомобілізація порушили динамічну рівновагу між кількістю виділеного і поглинутого вуглецю у бік його збільшення в атмосфері. У наш час людство виробляє стільки ж СО₂, як і всі організми фотосинтетики. Зараз в атмосфері СО₂ близько 0,03%. Вчені припускають, що до кінця 20 століття кількість його може збільшитися на 12…20%. Швидкість кругообігу азоту, фосфору і сірки при цьому різко зросте. Крім того, припускається, що збільшення СО₂ в атмосфері у 2 рази підвищить (внаслідок парникового ефекту) середню глобальну температуру на 3…6°С. А це має спричинити катастрофу – рівень морів і океанів може значно піднятися. Можуть бути затоплені найбільш родючі низинні землі. До того ж потепління високоширотних зон зменшить перепад температур – головного двигуна циркуляції повітряних мас атмосфери. Внаслідок цього вологі області Землі стануть ще більш вологими, а сухі – більш сухими. (Рис. 1).
   Кругообіг кисню. Щорічно лісові масиви виробляють 55 млрд. т кисню. Він використовується живими організмами для дихання і бере участь в окисних реакціях в атмосфері, літосфері, гідросфері. Циркулюючи через біосферу, кисень перетворюється то на органічну речовину, то на воду, то на молекулярний кисень. Весь кисень атмосфери (2,8·10¹⁴ – 1,2·10¹⁵ т) за кожні 2 тис. років проходить через живу речовину біосфери. За час свого існування людство без­поворотно втратило близько 273 млрд. т кисню. У наш час щорічно на спалення вугілля, нафтопродуктів і газу витрачається 13∙10⁹ т кисню. Інтенсивність цього процесу збільшується щороку на 6%. Майже 3 млрд. років рослини збагачували атмосферу киснем. Але при збереженні нинішніх темпів його споживання вже через два століття концентрація кисню можливо знизиться до критичного рівня. Основні поглиначі кисню – промисловість і автомашини. Кожній людині на добу потрібно 80 л. кисню, автомашині ж для згоряння 1 л. бензину – 200 л. А в світі налічується понад 300 млн. автомашин. (Рис 2).
   Кругообіг азоту, фосфору, сірки. Діяльність людини прискорює кругообіг цих елементів. Головна причина цього прискорення – використання фосфору в добривах, що призводить до еутрифікації – надудобрення. Еутрифікація в першу чергу діє на континентальні водойми. При еутрифікації відбувається бурхливе розмноження водоростей – цвітіння води. Це призводить до зменшення кількості розчиненого у воді кисню. Продукти обміну водоростей знищують рибу та інші організми. Сформовані екосистеми при цьому руйнують­ся. Процес еутрифікації змогла б зменшити нестача азоту і сірки. Але індустрія і вихлопи двигунів внутрішнього згоряння викидають щорічно багато нітратів і сульфатів. Потрапляючи на землю разом з дощами, вони засвоюються рослинами (Рис 3).
   Кругообіг води. На Землі води багато – гідросфера становить 1/4000 її маси. Вода покриває ¾ поверхні Землі. За 1 хвилину під дією сонячного тепла з поверхні водойм Землі випаровується до 1 млрд. т води. Після охолодження пари утворюються хмари, випадає дощ і сніг. Опади частково проникають у ґрунт. Ґрунтові води повертаються на поверхню землі через коріння рослин джерела, наноси, тощо. Швидкість циркуляції води досить велика: вода океанів поновлюється за 2 млн. років, ґрунтова вода – за рік, річкова за 12 діб, пара в атмосфері – за 9 діб. Двигуном кругообігу є енергія Сонця. (Рис. 4).
   Щорічно для створення первинної продукції рослини біосфери використовують при фотосинтезі 1% води, що потрапляє у вигляді опадів. Людина тільки для побутових і промислових потреб використовує 20 мм опадів – 2,5% загальної їх кількості за рік, Безповоротний щорічний водозабір тепер становить 5,5 тис. м³. Щорічно він збільшується на 4…5%. Якщо такий приріст збережеться, то до 2100 р. людство вичерпає запаси прісної води на Землі.
   Поняття про ноосферу. Поступовий розвиток живої речовини в межах біосфери Землі приводить до зміни якісного стану самої біосфери, до переходу її в ноосферу. Під ноосферою розуміють сферу взаємодії природи і суспільства, в якій розумова діяльність людей стає головним, визначальним фактором розвитку.
   Ноосфера (гр. noos – розум і sphaira - куля). Термін “ноосфера” вперше був введений французьким вченим-математиком Е. Леруа в 1927 році. Під ноосферою він розумів сучасну геологічну стадію розвитку біосфери. В подальшому власні уявлення про ноосферу розробив геолог П. Тейяр-де-Шарден і виклав їх у своїй книзі “Феномен людини”. Уявлення цього вченого щодо ноосфери мали дещо ідеалістичний характер. Розвиваючи своє вчення про біосферу В.І. Вернадський надав поняттю “ноосфера” матеріалістичного змісту. Він розглядав ноосферу як вищу стадію розвитку біосфери, пов’язану з виникненням і розвитком в ній людського суспільства, яке пізнаючи закони природи і розвиваючи техніку до найвищого рівня, стає могутньою планетарною силою, яка за своїми масштаба­ми перевищує всі відомі геологічні процеси.
   Для ноосфери як сучасного етапу розвитку біосфери характер­ні такі якісно нові форми впливу людини.
   1. Безперервне видобування матеріалів із земних глибин і насичення ними біосфери. Щороку із земних надр видобувається близько 100 млрд. т різних корисних копалин. Це майже в чотири рази перевищує кількість поверхневого (із завислими твердими частинками) стоку у Світовий океан.
   2. Використання продуктів фотосинтезу в енергетичних цілях. При цьому хімічна рівновага в біосфері зміщується в напрямі, проти­лежному фотосинтезу. На відміну від біосфери ноосфера сприяє розсіюванню енергії Землі, а не її акумуляції.
   3. Зміни біогеохімічних циклів і включення до них нових, раніше невідомих в біосфері речовин, у тому числі групи трансуранових елементів. Насичення ними біосфери може призвести до істотних змін у генопласті біосфери.