Еволюція біосфери.
Еволюція біосфери тісно пов’язана з еволюцією Землі й умовно поділяється на кілька фаз:
перша – формування ранньої земної кори, атмосфери і гідросфери, виникнення геологічного колообігу речовин (циркуляція атмосферних мас, води і розчинених в ній мінералів, переміщення продуктів гірських порід на поверхню планети і знову в її надра;)
друга – хімічна еволюція – розвиток процесу синтезу і накопичення простих органічних сполук, необхідних для існування життя (амінокислот, простих пептидів тощо);
третя – розвиток давньої біосфери, еволюція прокаріот, виникнення біологічного колообігу речовин, формування кисневої атмосфери;
четверта – виникнення еукаріотів, заселення суші, розвиток сучасного біорізноманіття світу.
Еволюційні гіпотези базуються на уявленні про розвиток живих організмів від простих форм до найскладніших.
Згідно другого принципу термодинаміки (при трансформаціях енергії вона з більш концентрованої переходить в менш концентровану, розсіюється) еволюція живих систем від простих до складних самостійно (довільно) відбуватися не може. Отже, еволюція живих організмів на Землі і еволюція біосфери може відбуватись тільки під керівництвом більш складної системи (космосу) і має бути програма такої еволюції. Це – генетичний код, однаковий для усіх живих істот Землі.
Кожна жива істота народжується, розвивається, виконує притаманну їй програму життя, як складова частина велетенського надорганізму біосфери, яка є породженням Галактики, яка є частиною надорганізму Космосу:
космос→галактика→біосфера→організм
Колообіг речовин.
За рахунок процесів міграції хімічних елементів усі геосфери Землі взаємопов’язані єдиним циклом колообігу цих елементів.
Колообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси та сонячна енергія, називається велетим (геологічним) коло обігом.
З виникненням життя утворився ланцюг живлення продуценти→консументи→редуценти, який через неживу речовину (мінеральні сполуки) замкнувся в коло. З потоку речовин у цьому колі утворився біологічний колообіг речовин (цикл синтезу і розпаду органічних речовин).
Сонячна → Продуценти → Консументи → Редуценти
е
нергія
(синтез
органічних (розклад
органічних
сполук) сполук)
Геологічний і біологічний колообіги разом складають біогеохімічний колообіг, в якому поєднуються величезна потужність геологічного і надзвичайна швидкість і активність біологічного.
Всього біля 80 хімічних елементів використовуються біотою для побудови живих організмів. З продуктами життєдіяльності або після смерті ці елементи знову потрапляють у довкілля і знову використовуються іншими організмами, завдяки чому впродовж існування біосфери вони не вичерпуються. В залежності від їх кількості, необхідної організмам, хімічні елементи поділяють на:
органогенні – оксиген, гідроген, карбон, нітроген – разом складають 98% хімічного вмісту клітини;
макроелементи – фосфор, калій, сульфур, хлор, кальцій, магній, натрій, феррум – сумарна частка в клітині становить до 1,9%;
мікроелементи – йод, кобальт, манган, купрум, цинк та інші (понад 50) – вміст кожного становить 10-3 % – 10-12 %;
ультрамікроелементи – плюмбум, бром, аргентум, аурум та інші – вміст кожного становить 10-6 % і менше.
Колообіг нітрогену. Нітроген у вигляді газоподібних сполук (N2, NH3, N2O, NO, NO2) знаходиться у повітрі, в живих організмах – у вигляді білків, нуклеїнових кислот, ферментів; у ґрунті – у вигляді солей амонію, нітратів і нитритів. Тут завдяки численним мікроорганізмам, азотфіксаторам, нітрифікаторам, денітрифікаторам відбуваються різноманітні біохімічні процеси. Нітроген вступає в колообіг через кореневу систему у вигляді нітратів чи солей амонію або за допомогою симбіотичного зв’язку через бактерії, гриби, синьо-зелені водорості, здатні фіксувати атмосферний азот.
Існує і промислова фіксація азоту: одержання аміаку і подальше його використання для добування нітратної кислоти та її солей.
Органічні сполуки, що містять нітроген, при розщепленні в організмі виділяються у вигляді аміаку чи солей амонію в природне середовище.
Колообіг карбону. В атмосфері міститься вуглекислий газ (0,03 % за об’ємом), оксид карбону (ІІ), в малій концентрації вуглеводні та інші органічні сполуки. Карбон – основний хімічний елемент живої речовини. При окисненні в процесі метаболізму органічних сполук утворюється СО2. Оксид карбону (IV) рослини поглинають листям і кореневою системою для синтезу органічних сполук з використанням енергії сонячного світла (фотосинтез).
Сполуки карбону у вигляді горючих корисних копалин і карбонатів, а також алмазу і графіту, знаходяться в літосфері. У воді – карбонати і гідрокарбонати кальцію та магнію, розчинений СО2, на дні – карбонатні мули, утворені внаслідок накопичення мертвих решток організмів, що будують своє тіло з карбонату кальцію. У ґрунті – це органічні речовини – рештки організмів, продукти їх метаболізму та СО2.
Людська діяльність дуже впливає на колообіг карбону. Оксиди карбону надходять до атмосфери при спалюванні горючих корисних копалин, вуглеводні – під час нафтовидобутку та нафтопереробки; численні органічні сполуки утворюються в процесах органічного синтезу.
Колообіг фосфору. Особливістю колообігу фосфору є те, що він має лише одну газоподібну сполуку – фосфін РН3, який утворюється під час гниття органічних решток. Більшість фосфатів нерозчинні в воді. Мінералами є апатит та фосфорит. У ґрунті фосфор входить до складу мертвих організмів та їхніх екскрементів. Поширеним фосфоровмісним добривом є гуано – послід морських птахів. Сполуки фосфору накопичуються на дні водойм і в прибережній зоні морів та океанів у вигляді решток організмів та фосфатів. На суходіл потрапляють з рибою та під час видобування корисних копалин. Кислотні дощі прискорюють міграцію фосфору завдяки розчиненню фосфатів.
Для підвищення родючості ґрунтів на поля вносять добрива, зокрема і фосфатні. Змивання їх у водойми спричинює евтрофікацію водойм – підвищення біологічної продуктивності екосистеми внаслідок нагромадження біогенних елементів, головним чином нітрогену і фосфору.
Колообіг сульфуру. Сульфур у складі органічних сполук міститься в живих організмах, горючих корисних копалинах. В ґрунті діють численні мікроорганізми, що перетворюють сульфіди на сульфати, сірку і навпаки. Під час гниття органічних решток виділяється токсичний гідрогенсульфур, що отруює водяні організми; з іншого боку Н2S осаджує катіони важких металів у вигляді малорозчинних сульфідів, сприяючи самоочищенню водойм.
Великі кількості оксидів сульфуру утворюються при спаленні сміття, виробництві та використанні сульфатної кислоти, добуванні металів і сульфідів. Значні кількості сульфат-іонів містяться в природних водах, а гідрогенсульфурові зони існують в морях і океанах – це мертві зони, хоча гідрогенсульфур є джерелом для хемосинтезуючих організмів. В літосфері існує самородна сірка, малорозчинні у воді сульфіди багатьох металів та розчинні сульфати.