Лекція 2. Геохімічні аспекти вчення про Живу речовину.

Прийнято вважати, що ще 4,5 міліардів років назад формування різних сплук хімічних елементів на планеті Земля відбувалося повністю за рахунок фізичних та хімічних процесів. Геологічні події на Землі 3,8 - 4,2 млрд.років перешкоджали виживанню навідь прокаріотичних організмів.

В подальшому еволюція геологічних та геохімічних циклів привела до зародження життя. Результати досліджень вказують на появу перших ознак життя 3,4 - 3,8 міліардів років назад.

Початок життя і, відповідно, початок еволюції бгх циклів, можно співвіднести з віком самих ранніх осадових порід, утворених у водному середовищі. Вважається, що перші осадові породи збереглися в районах Лимпопо (Півд.Африка), Ісуа (Гренландія), Варавууна (Австралія), Алдан (Азія).

З тих часів постійно збільшувалась роль біологічних процесів у перерозподілі хімічних елементів та їх зєднань.

Жива речовина - сукупність всієї маси організмів, що населяють планету в той або інший момент.

Жива речовина є обовязковим і найголовнішим компонентом біосфери, наряду з біогенною та біокосною речовиною.

Біосфера - це геологічна земна оболонка, охоплена життям і структурно організована цим життям.

Межі біосфери.

Оболонки Землі: екзосфера

термосфера (іоносфера)

мезосфера

стратосфера

____________________________________

тропосфера

гідросфера біосфера педосфера (едафосфера = грунтровий покрив)

кора вивітрювання літосфери

_____________________­­­­­­­­­­­­­­­­­­­______________

стратисфера (частина літосфери, утворена шаром осадових порід)

метаморфічна оболонка

гранітна оболонка

основна базальтова оболонка

Верхня й нижня межі сучасної біосфери позначені поширенням живих істот або слідами їхньої діяльності.

На висотах 1 - 8 км низька температура й низький атмосферний тиск пояснюють межу існуванню в природних умовах вищих тваринних і рослинних організмів. Спори залітають в атмосферу на висоти до 22 км. Часто цією межею й визначається верхня границя біосфери (тропопауза).

Нижній шар атмосфери (20 км) - тропосфера - належить біосфері.

Гідросфера вся, включаючи придонні води глибоководних жолобів (до 11000км), містить життя, й входить у біосферу.

Менш чітко виявляється нижня границя біосфери на материках.

Гранітний шар, навіть якщо прийняти, що його утворення відбувалося при участі організмів, відноситься не до сучасних, а до «колишніх - біосфер» за Ковдою. Бактерії, здатні до розмноження, виявлені в нафтових водах на глибині до 3 км.

Саме на таких глибинах виявлені пурпурні тіоново-кислі бактерії, що використовують вільний кисень, що виділяється при розкладанні води нафтових родовищ під впливом випромінювання радію. А також термофільні сульфатвідновлюючі бактерії, що існують при t~104°C.

Для остаточного рішення питання про нижню границю біосфери поки ще мало фактичного матеріалу.

Зараз можна вважати, що біосфера простирається від 22 км в атмосфері до 11 км в океані й 3 км у літосфері; максимальна потужність її 33 км.

Біосфера Землі - відкрита, складна, багатокомпонентна, саморегулювальна, пов'язана з космосом система живої речовини й мінеральних сполук, що утворює зовнішню оболонку планети.

Структурною одиницею біосфери є екосистема.

Екосистема - це взаємообумовлений комплекс живих і косних (неживих) компонентів, пов'язаних між собою обміном речовини й енергії (грецк.: bios - життя, gi -гео - земля, koinos — загальний).

Екологічна система – будь-яка єдність, що включає всі організми на даній ділянці і взаємодіє з фізичним середовищем таким чином, що потік енергії створює чітко визначену трофічну структуру, видове різноманіття і кругообіг речовин (обмін речовинами і енергією між біотичної та абіотичної частинами) всередині системи (Одум).

В основі поняття лежить визначення академіка В. Н. Сукачьова- біогеоценоз - «сукупність на визначеному протязі земної поверхні однорідних природних явищ (атмосфери, гірської породи, рослинності, тваринного світу й світу мікроорганізмів, ґрунту й гідрологічних умов), що має свою особливу специфіку взаємодії цих складових її компонентів і певний тип обміну речовиною й енергією цих компонентів між собою й іншими явищами природи, що становить собою внутрішнє протиріччя, діалектичну єдність, що перебуває в постійному русі й розвитку».

У наш час терміни «біогеоценоз» і «екосистема» розглядаються як синоніми.

Але поняття «біогеоценоз», запропоноване В. Н. Сукачьовим і стосовно до наземних живих систем, має певні територіальні границі. («Біогеоценоз» - це екосистема в межах фітоценозу).

Поняття «екосистема» - безрозмірне й може включати простір будь-якої довжини — від краплі води з живучими в ній мікроорганізмами до всієї біосфери в цілому. Таким чином, поняття «біогеоценоз» стосовно поняття «екосистема» - більш часне.

Однак на симпозіумі ЮНЕСКО по питанню про функціонування земних екосистем на рівні первинної продукції, що проходив у Копенгагені в 1965 році, домовилися про однакове значення цих двох термінів.

Отже, біогеоценози є частинами земної або водної поверхні, однорідної з погляду топографічних, мікрокліматичних, ботанічних, зоологічних, ґрунтових, гідрологічних і геохімічних умов. У цій системі круговорот речовин і потік енергії характеризуються певною інтенсивністю й спрямованістю.

Реальні розміри біогеоценозів на планеті варіюють досить широко: від декількох метрів (мікрозападини в степах і напівпустелях, піщані дюни і т.д.) до кілометрів (біогеоценози солончаку, солонцю, такира, однорідні ділянки степів, лісів і т.д.).

Вертикальні розміри біогеоценозів варіюють також досить широко: від декількох сантиметрів на скелях до декількох десятків метрів у тайзі або в тропічних лісах.

Біогеоценоз відносно стійкий у часі й термодинамічно відкритий відносно притоку й відтоку речовини й енергії.

Він має вхід енергії й різних речовин: сонячна енергія, мінеральні елементи гірських порід, атмосферні випадання, ґрунтові води.

А також і вихід енергії й біогенних речовин в атмосферу (тепло, кисень, вуглекислий газ і т.д.), літосферу (гумусові сполуки, мінерали, осадові породи) і гідросферу (розчинені біогенні речовини ґрунтових, озерних, річкових вод).

Саморегулювальний характер біосфери й біогеоценозів є результатом автокаталітичної властивості живої речовини, її здатності поглинати й обмінюватися речовинами, рости й розмножуватися.

Відправною точкою круговороту речовин є фотосинтез і створення фітобіомаси рослинами.

Потік енергії й речовини в біогеоценозі йде від рослин до травоїдних тварин, від останніх - до хижаків, потім до нижчих організмів і бактерій у ґрунті. Саме травоїдні «відкривають» харчовий ланцюг організмів-споживачів і руйнівників органічної речовини, створеної в процесі фотосинтезу.

Звідси - первинним джерелом їжі й енергії для харчового ланцюга організмів є фітомаса, створена рослинами.

Зоомасса - вторинний продукт. Тому розрізняють первинну й вторинну продуктивність біогеоценозів і ландшафтів…

У харчовому ланцюзі організмів у біогеоценозі існує безперервний потік енергії. В процесі фотосинтеза засвоюється всього 2- 5 % сонячної енергій.

На кожній новій ланці трофічного ланцюга втрачається 50-90% енергії й біомаси, запасеної на попередньому етапі. Виникає так звана екологічна піраміда запасів енергії. Чим більше ланок у харчовому ланцюзі, тим вище екологічна піраміда й тим більше буде загублено енергії на кінцевій ланці.

Основним положенням енергетики екосистем є необоротність біоенергетичних процесів.

Тому по відношенню до екосистем не можна застосовувати вираз «кругообіг енергії», подібно тому як у біогеохімії й у ґрунтознавстві вираз про кругообіг речовин. Єдино правильний термін - «потік енергії», тому що енергія первинної біологічної продукції надалі тільки витрачається.

Для поповнення й поновлення біомаси в екосистемі необхідний постійний приток енергії ззовні, у той час як притоку атомів речовини може й не бути. Ті самі атоми можуть багаторазово циркулювати в біогеоценозі.