Untitled_FR10_002
.pdfБез підтримки енергетичних потоків з боку людини в штучних системах з тією чи іншою швидкістю відновлюються природні процеси і формується природна структура компонентів екосистеми і матеріальноенергетичних потоків між ними.
Завдання для самостійної роботи студентів:
1.Функції лісу в біосфері.
2.Масштаби вирубування лісів у світі та Україні.
3.Наслідки вирубування лісів.
4.Охарактеризуйте екосистему Чорного моря.
5.Опишіть екосистему Азовського моря.
6.Встановіть, яка з морських екосистем є стійкішою до зовнішніх впливів і чому.
7.Функції екосистем в біосфері.
8.Біопродукція екосистем.
9.Роль екосистем різних рівнів у стійкості
біосфери. •••!.
Лекція 6 БІОСФЕРА ЯК ЖИВА ОБОЛОНКА ЗЕМЛІ
Основні питання:
1.Поняття про біосферу. Структура біосфери.
2.Властивості та функції біосфери.
3.Кругообіг важливих хімічних елементів у біосфері.
4.Класифікація природних ресурсів біосфери.
5.Стабільність біосфери.
1.Поняття про біосферу. Структура біосфери
Еволюція біосфери тривала понад 3 млрд. років і
відбувалася під впливом зовнішніх сил, таких як геологічні і кліматичні зміни, й внутрішніх процесів, зумовлених активністю живих компонентів екосистеми.
122
Перші екосистеми, які існували на початкових етапах розвитку біосфери, були населені дрібними анаеробними гетеротрофами, які живилися органічною речовиною,, синтезованою в ході абіотичних процесів. Потім відбувався, за образним висловом Ю. Одума, "популяційний вибух" автотрофних водоростей, який перетворив атмосферу із відновлюваної & кисневу.
Вперше термін "біосфера" - "сфера життя" - був використаний австрійським вченим Едуардом Зюссом ще в XIX столітті (1875). Однак він не дав визначення цього , поняття. Сучасне його тлумачення, яке прийняте у всьому світі, належить українському вченому В. І. Вернадскому - першому Президенту Української Академії наук. Наукові. уявлення про біосферу як "живу оболонку" Землі вчений виклав у своїх лекціях, прочитаних , у , :Карло»рму; університеті в Празі та Сорбоні в Парижі протягом 19231924 pp. Згодом ці положення були .узагальнені та зведені;
в книзі "Біосфера" (1926). |
|
^ |
, |
, |
. ; ; > |
|
Біосфера |
- це оболонка Земліі ;яка іВьслючае частини |
|||||
атмосфери, |
гідросфери і літосфери, |
заселені |
живими |
|||
організмами. |
|
... |
•• ; |
|
-. |
. .;-'. |
Можна |
із впевненістю |
сказати, |
|
- що |
глобальна |
|
екосистема в її основних рисах є саморегульованою, самоорганізованою. Екологи пояснюють-самоорганізацію системи інформацією, яка пронизує екосистему, Вона міститься в живих організмах, в їхньому генетичному коді і здатності адаптуватися до змін умов,середовищу Отже,
саморегулювання |
екосистеми забезпечується живими, |
організмами. |
•.. |
Такий підхід дає підстави вважати біосферу централізованою кібернетичною системою^оскідьки, 6 ній один елемент (підсистема) - живі організми, - відіграє домінуючу, центральну роль у функціонуванні системи в і цілому.
123
Ю.Одум (1986) наводить витяг із однієї з американських програм (програма збереження генетичних ресурсів, керівник Девід Кофтой, Каліфорнія), в якій викладена точка зору вчених з приводу глобальної загрози
втрати |
видового |
різноманіття: |
"Біологічне |
різноманіття |
тварин, |
рослин |
і мікроорганізмів являє собою фактор |
||
фундаментальної |
важливості для виживання |
людства". |
||
Структура |
біосфери. |
Важливою |
особливістю |
|
біосфери є її злитість з іншими геосферами Землі.
Біосфера розміщена в межах атмосфери, гідросфери та частини літосфери.
Загальна протяжність біосфери за радіусом Землі складає близько 40 км. Вона простягається від нижньої частини озонового екрану атмосфери, що розташований на висоті 20-25 км над рівнем моря, до верхньої частини гірських порід суші та дна Світового океану. Нижня межа простягання біосфери лежить на 23 км вглиб суші та на 1 - 2 км нижче дна океану.
Основна маса живої речовини, наявність якої відрізняє біосферу від інших геосфер, зосереджена в порівняно невеликому прошарку - біостромі. Біострома лежить на поверхні суходолу та охоплює верхні шари водойм. У цій зоні знаходиться 98 % усієї живої речовини планети.
Біосфера " сформована |
з різних речовин. |
За |
В. І. Вернадським, виділяють |
шість головних речовин |
|
біосфери: |
|
|
1.Жива речовина, що представлена організмами різних видів.
2.Біогенна речовина, ідо є продуктом життєдіяльності організмів (наприклад, кам'яне вугілля, торф).
3.Нежива (косна) речовина, в утворенні якої живі організми не брали участі. Це, наприклад, гірські породи та мінерали.
124
4.чБіокосна речовина, що сформована за рахунок взаємодії живої > та косної речовин. Основним видом біокосної речовини є ґрунт.
5.Радіоактивна5 речовина.
6:Космічна речовина (наприклад, метеорити). Розглянемо основний компонент біосфери більш
детально.
Жива рёчовина. Унікальна роль живої речовини в біосфері полягає в ії високій біогеохімічній активності.
Жива речовина автотрофних Організмів поглинає сонячну енергію та перетворює в енергію хімічних зв'язків. Сукупна біогеохімічна активність живої речовини призвела до значної зміни газового складу атмосфери, в результаті чого атмосфера відновного типу перетворилася в атмосферу окислювального типу зі значним вмістом
КИСНЮ.
Жива речовина планети є ініціатором та рушієм біогеохімічних циклів речовин. Велике значення в цьому має розмноження Організмів, яке В.І. Вернадський назвав "розтіканням" живої матерії "прагненням до повсюдності"
В 1931 р. була видана стаття |
В. І. Вернадського "Про |
|
межі біоєферіі". |
• |
- 5 |
Отже, 1 біосфера - це шар активного 'життя, глибина якого на суші становить близько 12 км, а в межах океану - 17 км. Ця відстань значно менша, ніж передбачалося (2022 і цавіті, більше);1ІВ середньому шар планетарного життя сягає всього блйзько 20 км
3. Властивості та функції живої речовини.
1; Жива: 'речОвййа • біосфери |
характеризується |
величезною вільнбкуенергією. |
|
125
У живій речовині, завдяки присутності ферментів, хімічні реакції відбуваються в тисячі, а деколи і в мільйони разів швидше, ніж у неживій. Для життєвих процесів характерне те, що одержані організмом речовина та енергія переробляються і віддаються ним у значно більших кількостях. Наприклад, маса комах, яких з'їдає синиця за день, дорівнює її власній масі.
3.Індивідуальні хімічні елементи (білки, ферменти, а деколи й окремі мінеральні сполуки тощо) синтезуються лише в живих організмах.
4.Жива речовина намагається заповнити собою весь можливий простір.
5.Жива речовина проявляє значно більшу морфологічну і хімічну різноманітність, ніж нежива. В природі відомо понад 2 млн. органічних сполук, які входять до складу живої речовини, тоді як кількість мінералів, неживої речовини становить близько 2 тис., тобто на три порядки нижче.
6.Жива речовина представлена дисперсними тілами - індивідуальними організмами, кожний з яких має свій власний генезис, свій генетичний склад. Розміри
індивідуальних організмів коливаються від 20 нм у найдрібніших до 100 м (діапазон понад 109). Найбільшими
зрослин вважаються секвої, а з тварин - кити.
7.Будучи дисперсною, жива речовина ніколи не трапляється на Землі в морфологічно чистій формі, наприклад у вигляді популяційного виду. Вона може існувати лише у вигляді біоценозу: "...навіть простенький біоценоз якогось сухого соснячка на пісочку є угрупованням, яке складається приблизно із тисячі видів живих організмів" (Тимофєєв-Рисовський).
Основні функції біосфери Землі наступні:
Сучасна біосфера у природній системі, якою є наша Земля, здійснює надзвичайно важливі функції, котрі при
126
всій технічній могутності людина не в змозі взяти на1 себе. Зокрема: закріплення рухомих елементів верхньої > частини літосфери (піску, іглини, лесу, гравію); регуляція кругообігу води; регуляція місцевого клімату й тюгоди; - підтримання сформованого складу атмосфери (особливо, концентрації 02, С02); трансформування в'прості хімічні речовини й елементи виділень і трупів оргнізмів; участь в утворенні і відновленні грунтів; самоочищення води від природних і антропогенних забруднень.
Також, функції біосфери можна умовно звести до таких трьох груп:
1.Зв'язування діоксиду вуглецю, котрий ввділяється живими організмами і утворюється в ході різних перетворень в неживій природі (наприклад, спалювання палива), і вш)ілення кисню в процесі фотосинтезу наземними і водними рослинами та утворення вуглеводів, які є необхідними для біохімічних процесів. Тому фотосинтез вважають первинним джерелом всієї' біомаси планети, в тому числі формування надр Землі.
2.Акумуляція і трансформація сонячної енергії Наземна і водна рослинність планети акумулює протягом одного року життя 31021 калорій енергії Сонця, зв'язуючи 35 млрд тонн вуглецю, фіксуючи, тобто перетворюючи в доступну форму 44 млрд тонн азоту.
Одночасно, виділяється декілька десятків млрд тонн кисню і виробляються інші хімічні сполуки, які обумовлюють сучасний екологічний стан біосфери.
3. Забезпечення речовинами і енергією тварин і людини.
Біосфера завжди була й залишається життєвим середовищем проживання людини. Її основними компонентами є клімат, грунт, вода, мінеральні речовини, рослинний покрив, тваринний світ, котрі стали тими ресурсами, які людина використовує для життєдіяльності. ;і <
Наслідком часткового порушення наведених функцій біосфери є: розвиток вітрової і водної ерозії грунтів усьої
127
Зейної кулі; опустелювання значних тёритбрш і виникнення каТастрофіЧнйх повеней (США; Китай/ Індія); зростання Вмісту кількості вуглекислоти в атмосфері спричиняє парниковий ефект:
3; Кругообіг речовин у біосфері
Життя - це кругообіг елементів між організмами і середовищем. Біологічний кругообіг - це багаторазова участь хімічних елементів у процесах, які протікають у біосфері. У зв'язку з цим її визнають як частину Землі, де протікають три основні процеси: кругообіг вуглецю, азоту, сірки, в яких беруть участь п'ять хімічних елементів (Н, 02 , С, N, S), що мігрують в атмосфері, гідросфері, літосфері. У природі кругообіг здійснюють не лише хімічні елементи, а й їхні сполуки, зокрема: вода, нітрати, С()2, S02. »
Кругообіг вуглецю, якого у біосфері міститься понад 12000 млрд т відбувається фактично між живою речовиною та С02. Його сполуки безперервно виникають, змінюються і розкладаються. Рослина, використовуючи вуглець у процесі фотосинтезу трансформує його в органічну форму, яка є однією зі складових рослини. Травоїдні споживають рослини й формують атом вуглецю; далі тварину поїдає хижак, переносячи його до свого тіла, де входить до складу тканин доти, поки вона не загине, а пізніше в процесі розкладу мікроорганізмами С©2 виділяється в атмосферу (рис. 6.1'.).
Промислова діяльність порушує рівновагу циклу вуглецю, Оскільки спалювання нафтопродуктів призводить до значних викидів С02 в атмосферу. Повний цикл обміну атмосферного вуглецю здійснюється за 300 років.
128
Рис. 6.1. Кругообіг вуглецю.
Кругообіг кисню. Природний цикл цього елемента протилежний циклові вуглецю. У результаті фотосинтезу в середовище вивільняється кисень. Дихаючи, тварини сполучають кисень і вуглець і виділяють вироблений ними С02. Він використовується живими організмами для дихання і бере участь в окисних реакціях в атмосфері, літосфері й гідросфері. Циркулюючи через біосферу, кисень перетворюється то на органічну речовину, то на воду, то на молекулярний кисень. Весь кисень атмосфери кожні 2 тис. років проходить через живу речовину біосфери. Нині щорічно на спалювання вугілля, нафтопродуктів і газу витрачається величезна кількість кисню. Інтенсивність цього процесу збільшується щороку.
129
Кругообіг азоту, фосфору, сірки. До складу земної атмосфери входить велика кількість азоту, що має формулу N2 (78 %). Але азотом, який перебуває в цій формі, не можуть скористатися ані рослини, ані тварини; він придатний лише для деяких бактерій і морських водоростей, що перетворюють його на амоніак (NH3). Останнім рослини теж не можуть послуговуватися, і тоді бактерії іншої групи перетворюють його на нітрати (N03)
— єдину форму азоту, яку можуть споживати рослини для свого розвитку. Вони інкорпорують його у свої тканини, й у цьому вигляді азот може перейти до тіла травоїдних тварин, які живляться рослинами, а потім — до хижаків і так далі. Продукти розпаду тваринних або рослинних решток, а також сеча тварин вивільняють сполуки азоту, переводячи їх у довкілля. Певні види бактерій перетворюють ці сполуки на нітрати, аби рослини могли знову вйкористати їх для свого розвитку (рис. 6.2.).
xftptrm NO, |
І • |
І |
нітрифікація: |
Рис. 6.2. Кругообіг азоту.
130
Фосфор — це елемент, який у природному середовищі накопичується в мінеральній формі. Він вивільняється, коли слабко окислена вода започатковує низку хімічних реакцій із гірськими породами й утворює певні сполуки. Останні можуть увійти до складу ґрунту (і будуть використані рослинами) або досягти моря, де стануть частиною тіла водоростей, передусім фітопланктону. Опинившись у складі матерії живих організмів, Фосфор переходить з одного рівня на інший завдяки ланцюгам живлення і не вивільняється в середовище доти, доки трупи цих істот не розкладуться. Діяльність людини прискорює кругообіг цього елемента - це використання фосфору в добривах, що призводить до еутрифікації - надудобрення При еутрифікації відбувається бурхливе розмноження водоростей - "цвітіння" води.
Кругообіг сірки - це зв'язок між повітрям, водою і земною корою, так як сірка активно циркулює в кожному з цих резервуарів і між ними.
Основною доступною формою сірки, яка відновлюється автотрофами і включається в амінокислоти і, відповідно, в білки, є сульфат (S042-). Первинна продукція забезпечує включення сульфату в органічну речовину, а переробка тваринами служить шляхом повернення сульфатів у кругообіг. Обмін сірки між фондом доступного сульфату та фондом сульфідів заліза, що знаходяться глибоко в ґрунті і
вопадах відбувається завдяки процесам окислення і відновлення. Екосистемі потрібно небагато сірки. Вона рідко буває фактором, що лімітує ріст рослин і тварин. Тим не менше кругообіг сірки є ключовим у загальному процесі продукції і розкладання біомаси, бо він здатний регулювати інші кругообіги біогенних речовин, зокрема фосфору. Коли
вопадах утворюються сульфіди заліза, фосфор з нерозчинної переводиться в розчинну форму і стає
131