Підручники з Біології / Біологія 11 клас / Шаламов Біологія 11 клас 2019

Цікаве життя

Життя під ковпаком:

чи можливе виживання в штучній біосфері?

Зрозвитком космонавтики постало питання: чи може людина вижити в замкненій штучній екосистемі. Для дослідження цього питання у 1999 році в Аризоні було завершено будівництво матеріально замкненої моделі земної

біосфери — проекту «Біосфера–2». На площі у 1,27 га, ізольованій від довкілля скляними панелями, розмістили сім біомів, що були спрощеними моделями тропічного лісу, океану, савани, мангрових боліт, пустелі, агроекосистеми з рослинами й тваринами та населеного пункту. Уся штучна біосфера містила 3 тис. видів тварин і рослин та повинна була функціонувати за рахунок енергії сонячного світла й забезпечувати виживання учених-біонавтів. Додатково доводилось підігрівати й охолоджувати воду та повітря, а також підтримувати сталу вологість атмосфери. Утім обмін речовинами між штучною біосферою і довкіллям було обмежено.

Перший експеримент у «Біосфері–2» тривав два роки й у ньому взяли участь вісім людей. На жаль, він виявився невдалим. Через інтенсивний розвиток мікроорганізмів концентрація кисню в атмосфері впала з 21 % до 14 %, і час від часу до екосистеми закачували його додаткові порції. Продуктивність агроценозу була недостатньою, і люди голодували — у середньому всі схудли на 16 %, але при цьому деякі показники здоров’я біонавтів та біонавток покращились. Комахи-запилювачі й усі хребетні в природних біомах загинули, зате поширилися таргани й мурахи, яких не заселяли на початку. Дерева через відсутність вітру почали втрачати міцність і падати. Ба більше, біонавти розділилися на дві фракції, що мали неприязні взаємини між собою. Другий експеримент через саботаж зі сторони попередніх учасників і їх прихильників та відсутність фінансування припинили через півроку від початку, хоча й забезпечення людей їжею вдалося покращити.

Цікаво, що експеримент «Біосфера–2» знайшов відгомін у літературі: 2016 року американський письменник Том Корагессан Бойл описав процес дослідження в художній книзі «Терранавти» («The Terranauts»).

131

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

1. Визначте найнижчу межу біосфери відносно рівня моря.

А уранова шахта глибиною 3 км

Бокеанічне дно на глибині 2 км В верхня мантія на глибині 20 км

Г підводна печера глибиною близько 1 км 2. Централізованість біосфери забезпечується

А реалізацією функцій живої речовини Б значним видовим різноманіттям

В здатністю рослин акумулювати сонячну енергію Г сталістю умов неживої природи

3. Проаналізуйте рисунок 20.3, Б і визначте, які біоми найбільш характерні

4. Умовою існування тропічного лісу є швидкий колообіг речовин, оскільки А для цього біому характерна низька продуктивність Б у тропічному лісі швидко відбувається розкладання решток В сюди надходить дуже мало світла Г температура довкілля надзвичайно мінлива

5. Увідповідніть функцію живої речовини з її реалізацією.

У житті все просто

6. Порівняйте у вигляді таблиці температуру, вологість і різноманіття рослинного й тваринного світу різних біомів. Як біорізноманіття залежить від температури й вологості?

7. Поясніть, чому організми займають усі придатні для життя місця на Землі. 8. Доведіть, що деякі риси ноосфери характерні для сучасної біосфери.

У житті не все просто

9. Останнім часом для вивчення біосфери почали використовувати космічні апарати. Із якою метою і як їх застосовують? Що вдалося з’ясувати з їхньою допомогою?

10. Значна кількість наукової спільноти вважає концепцію ноосфери ненауковою й філософською. Чому вони так думають? Чи є екологам що відповісти на подібні закиди?

132

§ 21. Біогеохімічні цикли

Біогеохімічні цикли забезпечують тривале існування біосфери Землі

Як вам відомо з попереднього параграфа, однією з властивостей біосфери є наявність у ній колообігів хімічних елементів. Ці колообіги отримали наукову назву біогеохімічні цикли1. У них беруть участь як організми, так і неживі оболонки Землі — атмосфера, гідросфера та літосфера. Біотична частина циклів є рухомою — вона забезпечує швидкий перехід атомів з одних сполук до інших, а от абіотична — малорухомою, оскільки в ній елементи накопичуються й рідко переходять зі складу одних сполук до складу інших. А втім, саме в неживій частині циклів знаходиться найбільша кількість атомів хімічного елемента. Основним джерелом енергії для руху атомів біогеохімічним циклом є Сонце, енергію якого використовують організми для забезпечення власної життєдіяльності. Оскільки все живе на 98 % складається з чотирьох хімічних елементів — Карбону, Оксигену, Нітрогену й Гідрогену, то в цьому параграфі йтиметься саме про їхні колообіги.

Наявність біогеохімічних циклів дозволяє біосфері існувати протягом тривалого часу, оскільки забезпечує повернення необхідних елементів у неживе середовище, звідки вони можуть бути знову поглинені наступними поколіннями організмів. Завдяки цьому підтримується сталість хімічних умов середовища мешкання. За відсутності колообігів життя на Землі припинилося б після вичерпання ресурсів довкілля, бо нові порції речовини майже не надходять на нашу планету з космосу. На це варто зважати й людству: ми живемо на «острові» посеред Всесвіту, і коли все корисне, що є на Землі, буде використано, то нам не залишиться ніякого матеріалу для виробництва. Тому цивілізація повинна максимально економити ресурси, забезпечувати їхнє багаторазове повторне використання й переробку задля відновлення планетарних запасів.

У колообігу Карбону беруть участь усі організми на планеті

Карбон є основою органічних сполук і входить до складу всіх без винятку організмів. У природі атоми Карбону наявні в складі різноманітних сполук: викопних вуглеводнів (нафта, природний газ), простих неорганічних сполук (вуглекислий газ, карбонати) і, звісно, органічних сполук. В атмосфері Карбон наявний переважно в складі вуглекислого газу й метану, у літосфері — у вигляді вугілля, нафти, карбонатів, графіту та інших сполук.

Колообіг Карбону (рис. 21.1) в екосистемах пов’язаний із двома основними процесами — фіксацією вуглекислого газу в процесі фотосинтезу (чи зрідка хемосинтезу) та його поверненням до атмосфери під час дихання. Автотрофні організми (продуценти) здатні відновлювати неорганічний вуглекислий газ і включати Карбон до складу вуглеводів та інших органічних речовин. Далі у складі цих сполук Карбон передається трофічним ланцюгом до консументів і, зрештою, потрапляє до відмерлих решток. Під час дихання рослин і тва-

1 Від грец. bios — живе та geo — Земля.

133

Не варто забувати, що так було не завжди. Оксиген у формі кисню з’явився в атмосфері близько 2,5 млрд років тому завдяки діяльності фотосинтетичних бактерій. Це докорінно змінило всю біосферу, спричинивши кисневу катастрофу, у якій загинула більшість анаеробних організмів. І з того часу хімічні сполуки, що контактують із повітрям, окиснюються (наприклад, залізо іржавіє), бо через наявність у нашій атмосфері кисню вона має окисний характер. Але кисень в атмосфері сприяв і активізації життя: навчившись ним дихати, живі істоти почали видобувати набагато більше енергії з поживних речовин, ніж окиснюючи їжу без нього. Як і вогонь перед предками людей, «спалювання» поживних речовин у кисні відкрило перед живим світом нові можливості й сприяло появі багатоклітинних організмів та освоєнню життям суходолу.

Колообіг Нітрогену неможливий без бактерій

Нітроген — один із найважливіших хімічних елементів, що входять до складу організмів. Він є необхідним компонентом як носіїв спадковості — нуклеїнових кислот, так і білкових каталізаторів — ферментів, а також багатьох інших сполук, наприклад хлорофілу чи гему в гемоглобіні. Повітря, яким ми дихаємо, на 78 % складається з азоту. Але він не може бути використаний організмами тому, що хімічний зв’язок у молекулі N2 дуже міцний, і щоб розірвати його, необхідна велика кількість енергії.

У промисловості для того, щоб розірвати зв’язки в цій молекулі, наприклад, для виробництва амоніаку, потрібні висока температура, тиск і каталізатор. У природі з цим завданням можуть упоратися лише деякі ґрунтові мікроорганізми — азотфіксувальні бактерії. Вони переводять атмосферний азот (N2) у доступну для засвоєння рослинами форму амоніаку (NH3). Багато азотфіксувальних бактерій існують у симбіозі з рослинами. Деякі, наприклад, формують бульбочки на корінні представників родини Бобові (гороху, квасолі та інших рослин), але є й азотфіксатори, що вільно живуть у ґрунті (рис. 21.3).

Загалом більшість ключових етапів колообігу Нітрогену (рис. 21.4) у природі пов’язані з діяльністю бактерій. Нітрифікувальні бактерії трансформують амоніак, що утворюється азотфіксувальними бактеріями, на нітрити (NO2-) та нітрати (NO3-), які рослини можуть використовувати для синтезу нітрогеновмісних органічних сполук. Тварини отримують сполуки Нітрогену, поїдаючи рослини чи інших тварин. Таким чином Нітроген транспортується екосистемою в складі органічних речовин завдяки трофічним ланцюгам.

Рис. 21.3. Бульбочки азотфіксувальних бактерій на корінні сої

136

Життєві запитання — обійти не варто!

У житті все просто

6. Проаналізуйте біогеохімічний цикл Карбону в природі. Схарактеризуйте можливі дії з боку людства, що сприятимуть зменшенню кількості вуглекисло-

го газу в атмосфері.

7. Як зміниться колообіг Оксигену у разі припинення кисневого фотосинтезу?

8. Загальна швидкість якого процесу в природі більша — нітрифікації чи денітрифікації? Обґрунтуйте причину різниці у швидкостях.

У житті не все просто

9. Дуже часто цикли Карбону й Оксигену об’єднують у єдиний цикл. Створіть такий цикл і продемонструйте його на уроці. Чому таке об’єднання є можливим?

10. Проблемою азотфіксації є наявність кисню в середовищі, що може пригнічувати перетворення азоту на амоніак. Як азотфіксувальні бактерії вирішують проблему кисню?

138

§ 22. Екологічні проблеми сучасності

Питання відносин людства й природи набули актуальності всього півстоліття тому

Цим параграфом ми починаємо новий розділ, що буде присвячений взаємодії людини й навколишнього середовища. Усі аспекти цього питання вивчає прикладна екологія, або наука про довкілля. Вона надзвичайно молода: її зародження відбулося у 1960-х роках у США. Поштовхом до об’єднання екологів-ен- вайронменталістів1 стала книга американської біологині Рейчел Карсон «Мовчазна весна» (рис. 22.1), у якій авторка в стилі, доступному для широкого загалу, описувала наслідки впливу пестицидів на довкілля й здоров’я людини. Основна ідея книги про значний негативний вплив людини на навколишнє середовище стала єднальною для багатьох екоактивістів та екоактивісток. Також суспільний ажіотаж підштовхнув екологічні дослідження до всебічного вивчення впливу людської діяльності на природу, а згодом і дослідження гармонійної взаємодії суспільства й живого світу.

екосистем погіршується, хоча благополуччя людства пов’язане зі станом навколишнього середовища. На їхню думку, пояснення парадоксу полягає в тому, що, по-перше, завдяки використанню досконаліших технологій, людство легше виробляє потрібні йому товари із природних ресурсів. Другим чинником є те, що між змінами екосистем і їхнім впливом на цивілізацію повинен пройти певний час, тож найгірше для нас іще попереду. Але численні екологічні проблеми, зумовлені діяльністю людини, уже відбиваються на нашому побуті.

Сутність більшості проблем довкілля полягає в нестримному зростанні чисельності населення планети — демографічному вибухові (рис. 22.2). Протягом останніх 200 років кількість людей на Землі збільшилась у понад 7 разів, а лише за останні 50 років — удвічі.

Нині щороку чисельність населення в світі збільшується на понад 80 млн, що складає близько 1 % від усіх людей планети. Згідно з прогнозами, якщо темпи росту не зміняться, до 2050 року загальна кількість людей, що прожи-

1 Від англ. environment — довкілля.

140