1. Поняття про біосферу та біосферологію

ПОНЯТТЯ ПРО БІОСФЕРУ

Біосфера – грецьке bios – життя, sphaira – куля, сфера. Спочатку природознавці вкладали в це поняття такі назви: "простір життя", "картина природи", «жива оболонка Землі» та інші.

Ж.-Б. Ламарк на початку ХІХ століття у загальній формі увів у біологію поняття «біосфера».

Е. Зюсс у 1875 році надав перше визначення терміна «біосфера – це простір земної поверхні, що характеризується життям».

В. І. Вернадський у 1926 році глибоко обґрунтував цей термін у праці «Біосфера». Він був у числі перших, хто сприймав Землю як «єдиний живий організм». За В. І. Вернадським, "біосфера являє собою оболонку життя – сферу існування живої речовини». Це "стійка динамічна система, рівновага, що установилася в своїх головних рисах... з археозоя і незмінно діє протягом 1,5-2 млрд років".

5

Володимир Іванович Вернадський

• В. І. Вернадський народився 12 березня 1863 року у Петербурзі в сім’ї українського економіста, професора Івана Вернадського. Він навчався в Петербурзькому університеті, коли там викладали великі вчені В. В. Докучаєв, Д. І. Менделєєв, М. П. Вагнер та інші.

• В. І. Вернадський багато зробив для відродження України, її культури і науки. Зокрема, він був організатором і першим президентом Всеукраїнської академії наук, Національної книгозбірні України, Комісії з вивчення продуктивних сил України тощо.

6

ПОНЯТТЯ ПРО БІОСФЕРУ Вчення про біосферу В. І. Вернадський будував на ідеях М. В. Ломоносова та В. В. Докучаєва.

М. В. Ломоносов обґрунтував роль живих організмів в утворенні торфу, кам’яного вугілля, бурштину, нафти.

В. В. Докучаєв розробив вчення про ґрунтоутворення і визначальну роль живих організмів у цьому процесі.

В. І. Вернадський означив, що Земна оболонка має три фази функціонування: тверду – літосфера, рідинну – гідросфера і газову – атмосфера, які взаємно проникають одна в одну, тісно пов’язані між собою і утворюють географічну оболонку планети – геосферу, частина якої насичена життєдіяльністю організмів є біосферою.

«Біосфера – це квазістаціонарна, багатокомпонентна, багатозв’язкова, стійка у просторі і часі екосистема, яка здатна до саморегулювання і в якій, незалежно від людини, діють закони хімії, фізики, біології». 7

РЕЧОВИНИ БІОСФЕРИ

На думку В. І. Вернадського, біосфера складається із шести взаємопов’язаних речовин: Жива речовина представлена організмами всіх видів біорізноманіття. Біогенна речовина є продуктом життєдіяльності організмів (кам’яне вугілля, торф, бурштин). Біокосна речовина сформована за рахунок взаємодії живої та неживої речовин (ґрунт). Нежива (косна) речовина, в утворенні якої живі організми не брали участі (гірські породи та мінерали). Радіоактивна речовина. Космічна речовина (метеорити).

Жива речовина планети Близько: двох мільйонів видів тварин, 500 тисяч видів рослин. Запаси фітомаси складають 90 % запасів живої біомаси Землі. Біомаса суші в 1000 раз перевищує біомасу океану.

8

ЖИВА РЕЧОВИНА БІОСФЕРИ ВЛАСТИВОСТІ 1. Здатність організмів швидко освоювати весь вільний простір – інтенсивне розмноження, швидке збільшення поверхні свого тіла, утворення угруповань.

2. Здатність організмів рухатися – властивий пасивний і активний рух.

3. Стійкість організмів за час життя і швидке розкладання після смерті.

4. Висока пристосувальна спроможність організмів до різних екоумов – здатні існувати у вкрай важких абіотичних умовах.

5. Феноменально висока швидкість протікання реакцій – в сотні й тисячі разів значніша, ніж в неживій речовині (гусениці деяких комах споживають за день в 100-200 разів більше їжі, ніж вага їхніх тіл).

6. Висока швидкість оновлення живої речовини – у середньому для біосфери вона становить вісім років.

9

ЖИВА РЕЧОВИНА БІОСФЕРИ ФУНКЦІЇ

В. І. Вернадський виділив п’ять основоположних функцій живої речовини: газова, концентраційна, окислювально-відновлювальна, біохімічна і біогеохімічна.

сучасні функції 1. Енергетична. Поглинання, запасання і передача сонячної енергії по ланцюгах харчування і розкладання. 2. Геохімічна. Здатність залучати хімічні елементи Землі в живі організми і повертати їх шляхом біогенної міграції знову в середовище (створення осадових порід, вугілля, горючих сланців). 3. Концентраційна. Здатність організмів концентрувати в своєму тілі розсіяні хімічні елементи, підвищуючи їх ступінь утримання порівняно з довкіллям на кілька порядків. 4. Розсіююча. Проявляється через трофічну і транспортну діяльність організмів (розсіювання речовин при різних виділеннях, загибелі, переміщеннях, зміні покривів тощо).

10

ЖИВА РЕЧОВИНА БІОСФЕРИ

сучасні функції

5. Газова. Здатність живих організмів змінювати і підтримувати певний газовий склад середовища проживання і атмосфери в цілому через створення вільного кисню, виділення вільного азоту, вуглекислого газу. 6. Деструктивна. Руйнування організмами та продуктами їхньої життєдіяльності залишків органічної речовини (деструктори, редуценти). 7. Середовищеутворююча. Перетворення організмами фізико-хімічних умов і створення сприятливого для життя середовища (ґрунтоутворення, едифікатори). 8. Транспортна. Організми, активно рухаючись, здійснюють перенесення речовин і енергії. 9. Історична. Еволюційний розвиток життя організмів, екосистем і біосфери. 10. Окислювально-відновна. Здатність живої речовини інтенсифікувати процеси окислення і відновлення.

11

ЖИВА РЕЧОВИНА БІОСФЕРИ

сучасні функції

11. Інформаційна. Живі організми здатні накопичувати і закріплювати певну інформацію в спадкових структурах і потім передавати її наступним поколінням, що є одним із проявів адаптаційних механізмів.

12. Самовідновлювальна. Здатність живих організмів до відтворення собі подібних – живе тільки від живого.

13. Біогеохімічної діяльності людини. Здатність людини брати участь у біогенній міграції атомів через використання речовин земної кори (вугілля, газ, нафта, торф тощо), в результаті чого відбувається антропічне надходження в біосферу чужорідних речовин, кількість яких перевищує допустиме значення. Наприклад, світове господарство щорічно викидає в атмосферу більше 250 млн тонн аерозолів, 200 млн тонн оксиду вуглецю, 120 млн тонн золи, більше 50 млн тонн вуглеводнів та інших речовин.

12

ПОНЯТТЯ ПРО БІОСФЕРОЛОГІЮ

Біом – сукупність біогеоценозів у певній ландшафтно-географічній зоні. У вітчизняній географії біому відповідає природна зона. Біострома – найтяжчий горизонт біосфери, що представлений сукупністю біогеоценозів (біомів). Деякі зарубіжні вчені це поняття розуміють як біосферу.

Біосферологія – наука про виникнення, еволюцію, структуру та механізми функціонування біосфери. Вона досліджує підсистеми вищого ієрархічного рівня від біогеоценозу до біому й біостроми. Визначає, що жива речовина планети – це цілісна, організована система, що еволюціонує як єдине ціле.

Власне вчення про біосферу значно ускладнило завдання еволюційного природознавства. Еволюцію видів (Ч. Дарвін) та еволюцію (історію) біосфери В. І. Вернадський розглядав як взаємопов’язані процеси.

13

2. ВИНИКНЕННЯ ТА ЕВОЛЮЦІЯ БІОСФЕРИ

СТАДІЇ ЗАРОДЖЕННЯ ЖИТТЯ

1 – безкиснева газова Первинна атмосфера Землі містила: азот, аміак, водень, вуглекислий газ, метан, водяну пару, хлор, сірководень та інші отруйні вулканічні гази.

2 – утворення первинних органічних молекул і живих форм Згубне ультрафіолетове випромінювання породило хімічну еволюцію, яка зумовила утворення у водяній парі складних органічних молекул (амінокислот), з яких виникли примітивні живі форми. Під дією ультрафіолету водночас йшов розклад водяної пари і утворення озону, який дещо захищав первинні живі форми від цього ж випромінювання. Коли озону було достатньо, первинні живі форми вийшли із водного середовища.

3 – утворення первинних живих організмів Першими живими організмами були дріжджоподібні анаероби, які одержували енергію, необхідну для дихання шляхом бродіння. Примітивне життя почалося з одноклітинних організмів, які живилися органічними речовинами, що синтезувалися під впливом радіації у верхніх шарах води. Такі біоформи існували мільйони років.

15

СТАДІЇ ЗАРОДЖЕННЯ БІОСФЕРИ 4 – виникнення фотосинтезу Поступове збільшення у воді кисню за рахунок життєдіяльності організмів і його дифузія в атмосферу зумовили колосальні зміни в хімії Землі і зробили можливим швидке поширення життя і розвиток більших та складних живих систем.

5 – примітивних екосистем Перші екосистеми були населені надзвичайно дрібними анаеробними гетеротрофами, які живилися органічною речовиною, синтезованою в ході абіотичних процесів. Потім, на думку Ю. Одума, відбувся "популяційний вибух" автотрофних водоростей, який перетворив атмосферу з відновлювальної в кисневу.

6 – ускладнених екосистем Протягом тривалого геологічного часу організми еволюціонували і створили системи більш складні та різноманітні. Вони постійно поповнювалися більшими і високоорганізованішими видами багатоклітинних організмів. Еволюційні зміни головним чином відбувались шляхом природного відбору.

16

ГЕОЛОГІЧНІ ЕРИ ЕВОЛЮЦІЇ БІОСФЕРИ

Археозойська (грецьке архео – першопочатковий, початковий) – ера найдревнішого життя почалася близько 3,5 млрд років тому і продовжувалася близько 2 млрд років. У результаті хімічних реакцій (хімічної еволюції) виникли спочатку білкові молекули, а потім примітивні живі об’єкти: віруси, бактерії, синьо-зелені водорості. Наприкінці ери клітини диференціювалися на рослинні і тваринні, тобто почалися процеси дивергенції – розбіжності у властивостях і ознаках.

Протерозойська (грецьке протео – простий) ера сформувала умови для "виходу" рослин на сушу. В атмосфері з’явився кисень. Ці процеси тривали майже 900 млн років.

Палеозойська (грецьке палео – старий, древній) ера продовжувалася 350 млн років і почалася «біологічним вибухом», в результаті якого з’явилися панцирні риби, наземні рослини – псилофіти. Наприкінці ери з’явилися комахи, рептилії. Почали формуватися сучасні контури теперішніх материків.

17

ГЕОЛОГІЧНІ ЕРИ ЕВОЛЮЦІЇ БІОСФЕРИ Мезозойська (грецьке мезо – проміжний) ера тривала 160 млн років. Для неї характерно поширення гігантських форм життя: папоротей, голонасінних рослин. Наприкінці ери відбулося глобальне похолодання, через що голонасінні рослини поступилися місцем покритонасінним, з’явилися перші птахи.

Кайнозойська (грецьке кайнос – крайній, теперішній) ера почалася 90 млн років тому і нині продовжується. Для неї характерно широке поширення покритонасінних рослин, плацентарних тварин, зокрема людини.

В. І. Вернадський

«Еволюція організмів і поява кисневої атмосфери зробили біосферу Землі»

«Нині сама Людина, все суспільство стало рушійною силою еволюції. Людина повинна пам’ятати про своє значення для природи, свою участь в її розвитку, відповідальність за стан природи».

18

ЧИННИКИ ЕВОЛЮЦІЇ БІОСФЕРИ З приводу виникнення життя і біосфери існують різні гіпотези, але їх суть можна звести до двох основних точок зору: гіпотези панспермії і гіпотези земного походження життя.

Еволюція – це результат сукупної дії багатьох факторів і передусім хімічних, які складають основу всіх процесів у будь-якому організмі. Після хімічної еволюції 3,5 млрд років тому розпочалася біологічна еволюція, основу якої складають надскладні хімічні процеси в живих об’єктах.

Нині середовище насичується дуже активними сучасними хімічними речовинами, які включаються в біохімічні процеси на молекулярноклітинному рівні і викликають мутації в клітинах, тканинах, організмах. Тому виникла велика кількість різноманітних речовин – ксенобіотики, тератогени, мутагени, які негативно впливають на еволюційні процеси.

У цілому еволюція біосфери відбувалася під впливом алогенних (зовнішніх) сил (геологічні та кліматичні зміни) й автогенних (внутрішніх) процесів, зумовлених активністю живих компонентів екосистеми. 19