Іі. Біосфера – середовище життя людини
2.1. Поняття біосфери. Межі, структура та компоненти біосфери
Біосфера (грец. bіоs − життя, sрhаіrа − куля) − оболонка Землі, в якій існує життя. Цей термін вперше запропонував австрійський геолог Едвард Зюсс у 1873 році. Цілісне вчення про біосферу було створене видатним вітчизняним ученим В.І.Вернадським. До складу біосфери входять такі частини геосфери (рис. 2.1):
нижня частина атмосфери − від поверхні Землі до озонової оболонки, тобто до висоти близько 25…30 км. Атмосфера складається із суміші газів (азот − 78%, кисень − 21%, аргон − 0,93%, діоксид вуглецю − 0,03%, інші гази − менше 0,005% за об’ємом) та колоїдних домішок (пил, краплі води, кристали тощо);
вся гідросфера − водна оболонка, яка покриває 2/3 поверхні планети (її найбільша глибина − у Маріанській впадині в Тихому океані – 11030 м). Більше 40% води міститься в земних надрах (у літосфері). Об’єм гідросфери складає близько 137∙107 км3, а хімічний склад наближається в середньому до складу морської води. Із загальної маси води близько 98% знаходиться в океанах і морях, 2% її загальної кількості складають прісні води;
верхня частина літосфери − верхня “тверда” оболонка Землі, яку складають земна кора та верхня частина мантії Землі. Товща літосфери становить 50...200 км, у тому числі земної кори − до 75 км на континентах і 10 км під дном океану. Між літосферою, гідросферою і атмосферою постійно відбувається речовинний і енергетичний взаємообмін, проявом якого є, зокрема, землетруси і виверження вулканів.
Усі ці сфери є складовими середовища, у якому існують всі живі організми планети. Ці організми, у свою чергу, не лише існують у біосфері, а й є її творцями. За В.І.Вернадським, жива речовина − це біогеохімічний фактор планетарного масштабу, під дією якого відбуваються перерозподіл, міграція і розсіювання хімічних елементів.
Біосфера сформована з різних речовин. В.І.Вернадський вирізняв шість типів речовин біосфери:
Жива речовина – сукупність усіх існуючих на Землі рослин, тварин, мікрооганізмів, грибів;
Біогенна речовина – продукт життєдіяльності організмів (торф, крейда, горючі, апатит);
Нежива (косна) речовина – в утворенні якої організми не брали участі (гірські породи абіогенного походження);
Біокосна речовина – продукт взаємодії живої речовини і неживої матерії (ґрунт);
Радіоактивна речовина – радіонукліди, які зумовлюють існування радіогенної теплоти, та продукти їх розпаду;
Космічна речовина – космічний пил та метеорити.
Рис. 2.1. Склад біосфери та її межі
Між живим і неживим непереборної межі не існує. Живою називають динамічну систему, яка активно сприймає і перетворює молекулярну інформацію з метою самозбереження.
Основна функція живої системи − самозбереження шляхом випереджального реагування. Для відновлення і збереження енергії в системі необхідне надходження енергії ззовні, з навколишнього середовища, та обмін речовин і енергії − метаболізм. У метаболізмі поєднані процеси асиміляції і дисиміляції (синтезу і розпаду) речовин. Наявність програми відтворення у вигляді дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) та її висока стабільність порівняно з іншими структурами біологічної системи зумовлюють спадковість. Під впливом змін екологічних чинників спадковість може змінюватися, відбуваються мутації − індуковані зміни в генетичному апараті.
Успадковані зміни та їх відбір під впливом екологічних чинників зумовлюють видоутворення і збільшення біологічного різноманіття. Різноманіття видів забезпечує більшу ймовірність збереження життя завдяки існуванню найкраще пристосованих до змін довкілля форм, тобто відбувається біологічна еволюція.
Нині виділяють шість основних рівнів організації живої матерії:
молекулярно-генетичний − редуплікація генів, формування ідентичних молекул на основі матеріалів, що забезпечують спадковість і мінливість;
клітинний;
організмений − цілісність функцій, ріст, онтогенетичний розвиток;
популяційно-видовий − еволюція, тривале існування, таксономічні характеристики;
біоценотичний − трофічні, хімічні, енергетичні зв’язки, кругообіг хімічних елементів, перетворення енергії;
біосферний − форма життя, яка поза біосферою не існує.
Кожний з цих рівнів має особливості, але всі вони тісно пов’язані між собою, взаємно впливають один на одного, створюючи єдине ціле − живу речовину. На всіх структурних рівнях організації матерії реалізована лише дуже незначна частка можливих комбінацій молекул. Це означає, що кожен біологічний вид, кожна жива істота є унікальними, оскільки вони мають набір властивостей, за допомогою яких ефективно адаптуються до навколишнього середовища та його змін.
Біосфера є відкритою термодинамічною системою. Енергію вона одержує від Сонця і з надр Землі. Отримана ззовні енергія трансформується і розсіюється, підпорядковуючись двом фундаментальним законам термодинаміки. Перший закон термодинаміки − це закон збереження енергії (енергія не може ні з’явитися, ні зникнути, вона лише трансформується з однієї форми в іншу). Другий закон термодинаміки вивчає напрямок якісних змін енергії в процесі її трансформації з однієї форми в іншу (закон описує співвідношення корисної та марної роботи під час трансформацій форм енергії). За другим законом термодинаміки будь-яка робота супроводжується трансформацією високоякісної енергії в енергію нижчої та найнижчої якості − теплоту − і призводить до зростання ентропії (збільшення енергії найнижчої якості, не придатної до корисної роботи, тобто розсіювання енергії).
Вважають, що еволюція біосфери відбувалась у напрямку зменшення ентропії. Чим довшими є ланцюги живлення, тим вони енергетично досконаліші. Саме завдяки ланцюгам живлення в біосфері постійно відбувається не лише кругообіг води та обмін енергії, а й кругообіг речовин, які живі організми використовують для побудови і підтримання життєдіяльності своїх тіл та забезпечення процесів розмноження.
Отже, біосфера − це частина земної кори, атмосфери і гідросфери, склад, структура та енергетика в істотних рисах зумовлені минулою і сучасною діяльністю живих організмів. Біосфера існує з часу виникнення життя на Землі. Її структура неоднорідна в біогеохімічному плані, що є наслідком різноманітних речовинно-енергетичних кругообігів, спричинених діяльністю живих істот. В біосфері відбувається перетворення сонячної енергії та нагромадження її в органічній речовині.