Лекція 2. Поняття про біосферу як об'єкт вивчення біогеографії.

ЗМІСТ ЛЕКЦІЇ

1. Поняття про біосферу. Внесок В.І. Вернадського у вчення про біосферу. Поняття про ноосферу (самостійно). Еволюція біосфери (оглядово).

2. Межі біосфери, її структрура, властивості.

3. “Жива речовина”, її хімічний склад, маса, функції, властивості.

4. Кругообіг речовин у біосфері (оглядово, самостійно)

1. Поняття про біосферу. Вчення в.І. Вернадського про біосферу.

Біосфера (від грец. Bios - життя, sphaira - куля) - область системної взаємодії живої і кісткової речовини планети.

Вперше термін "біосфера" зустрічається в роботах найвидатнішого французького натураліста і мислителя Жака Батіста Ламарка (1744—1829), що вивчав ботаніку, зоологію і геологію. У його наукових працях термін "біосфера" позначав область життя і впливу живих організмів на процеси, що відбуваються на Землі. Проте диференціація наук про природу, яка відбувалася швидкими темпами у XVIII ст., призвела до того, що на довгі роки було забуто про дослідження важливих для наук питань про природу процесів взаємодії співтовариств живих організмів і неживих оболонок Землі. Лише в 1875 р. австрійський геолог і палеонтолог Едуард Зюсс (1831—1914) знову ввів у наукову літературу термін «біосфера», розуміючи під ним область взаємодії основних оболонок Землі: атмо-, гідро-і літосфери, де зустрічаються живі організми. Потім знову на декілька десятиліть цей термін було забуто. Окремі факти і положення про біосферу знаходимо у працях А. Гумбольдта, В. Докучаєва, Я. Молешотта та інших дослідників.

У 20-х роках XX ст. сучасне вчення про біосферу створює видатний український вчений Володимир Іванович Вернадський (1863—1945), перший Президент Української Академії наук. Наукові уявлення про біосферу як "живу оболонку" Землі вчений виклав у своїх лекціях, прочитаних у Карловому університеті в Празі та Сорбоні в Парижі протягом 1923-1924 pp. Згодом ці положення були узагальнені та зведені в книзі "Біосфера" (1926). За В. І. Вернадським біосфера розглядається як особлива частина Землі, населена живими організмами; як термодинамічна оболонка з температурами +50…-50°С і тиском приблизно 10000 Па, що відповідає межам життя для більшості організмів.

В.І. Вернадський відвів живим організмам роль найголовнішої перетворюючої сили планети Земля, враховуючи діяльність організмів не тільки в даний час, але і в минулому. Життя - вища форма розвитку матерії на Землі. Живі організми перетворюють космічну сонячну енергію у земну, хімічну і створюють нескінченну різноманітність нашого світу. Ці живі організми своїм диханням, своїм живленням, своїм метаболізмом, своєю смертю і своїм розмноженням, постійним використанням своєї речовини, а головне - триваючою сотні мільйонів років безперервною зміною поколінь, своїм народженням і розмноженням продовжують одне з найграндіозніших планетарних явищ, що не існує ніде, крім біосфери. (В.І. Вернадський )

Сьогодні біосфера розуміється також як сукупність усіх біогеоценозів землі, єдина глобальна екосистема вищого порядку.

Біоценози – сукупність рослин, тварин та мікроорганізмів у локальному середовищі існування. У сукупності із оточуючим середовищем існування, обмінюючись з нею речовиною та енергією, біоценози утворюють нові системи – біогеоценози. Біогеоценоз є природною моделлю біосфери в мініатюрі, включаючи в себе всі ланки біотичного кругообігу: від зелених рослин, які створюють органічну речовину, до їх споживачів, які перетворюють її знову на мінеральні елементи. Інакше кажучи, біогеоценоз є елементарною складовою біосфери. Таким чином, у сукупності всі живі організми та їх сукупності утворюють суперсистему – біосферу.

Додаткова інформація

З позицій кібернетики, в сучасному розумінні біосфера також розглядається як глобальна відкрита система зі своїм "входом" (потік сонячної енергії, який надходить з космосу) і "виходом" (утворені в процесі життєдіяльності організмів речовини, які з різних причин "випали" із біологічного кругообігу, так званий вихід "в геологію" - кам'яне вугілля, нафта, осадові породи тощо). Ця велетенська система, як і її складові - біогеоценози, описується як "чорний ящик". Процеси, що відбуваються всередині нього, закодовані природою. Можна із впевненістю сказати, що система в її основних рисах є саморегульованою, самоорганізованою. Екологи пояснюють самоорганізацію системи – інформацією, яка пронизує екосистему. Вона міститься в живих організмах, в їх генетичному коді і здатності адаптуватися до змін умов середовища. Отже, саморегулювання екосистеми забезпечується живими організмами. Такий підхід дає підстави вважати біосферу централізованою кібернетичною системою, оскільки в ній один елемент (підсистема) - живі організми - відіграє домінуючу, центральну роль у функціонуванні системи в цілому.

Згідно із законом необхідної різноманітності Віннера - Шеннона -Ешбі, який вважають основним кібернетичним законом, кібернетична система лише тоді володіє стійкістю для блокування зовнішніх і внутрішніх збурень, коли вона має достатнє внутрішнє різноманіття. Це різноманіття, в основному і створюється живими організмами. Досить сказати, що сьогодні на Землі існує близько 2 млн. видів організмів, з них частка рослин становить 500 тис. видів, а тварин - 1,5 млн. видів (табл. 1.).

Виходячи із екосистемних уявлень, видове різноманіття - це не просто якась арифметична величина, нижче якої не мав би опускатися живий світ, а реальна потреба буквально кожного сущого на планеті виду в трофічних ланках біогеоценозів і біосфери в цілому. Ці види необхідно зберегти заради нормального функціонування сучасної біосфери, яка й сьогодні еволюціонує, збагачуючи видове різноманіття.

За даними українського палеоботаніка О.П. Фесуненка, кількість родів вищих рослин становила: в силурі (близько 400 млн. років тому) - 1 рід, в девоні (350 млн.) - 36, в інтервалі від карбону до тріасу (200 млн.) - 150-200, від юри до неогену (150 млн. до нинішніх днів) - 250-330. Отже, збагачення видового різноманіття, що добре ілюструють наведені факти, - це загальна тенденція сучасного розвитку біосфери, яка сприяє усуненню зовнішніх і внутрішніх перешкод і підтримці системи в стані гомеостазу.

Еволюція біосфери тривала понад 3 млрд. років і відбувалася під впливом алогенних (зовнішніх) сил, таких як геологічні і кліматичні зміни й автогенних (внутрішніх) процесів, зумовлених активністю живих компонентів екосистеми.

Перші екосистеми, які існували на початкових етапах розвитку біосфери, були населені надзвичайно дрібними анаеробними гегеротрофами, 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 в кисневу. ….

Таблиця 1.

Чисельність різних груп організмів в біосфері

Група	Кількість видів (приблизно)	Група	Кількість видів (приблизно)
Всього	500000	Всього	1500000
В тому числі		В тому числі
Водорості	25000	Найпростіші	15000
Бактерії	100000	Губки	5000
Гриби		Кишковопорожнинні	9000
Лишайники	18000	Черв'яки	19000
Вищі		Молюски	105000
Мохоподібні	20000	Членистоногі	50000
Плавунові	800	(без комах)
Хвощеві	30	Комахи	1000000
Папоротеподібні	6000	Голкошкірі	5000
		Хордові	48000
Голонасінні	600	(включаючи хребетних)
Покритонасінні	200000	з них
		Птахи	10000
		Ссавці	6000

Для самостійного ознайомлення…

Вчення В.І. Вернадського про ноосферу.

Людина, як частина природи повинна підпорядковуватись її законам, а не намагатись їх змінити (ойкуменічний світогляд).

В.І. Вернадський ще в першій половині ХХ сторіччя передбачав, що біосфера розвинеться в ноосферу (термін запропонував у 1927 році французький вчений Е. Леруа та П.Т. де Шерден). Спочатку В.І. Вернадський розглядав ноосферу (від грецького ноос - розум) як особливу “розумову” оболонку Землі, яка розвивається поза біосферою. Але згодом він дійшов до висновку, що ноосфера – це стан біосфери, за якою розумова діяльність людини стає визначальним фактором її розвитку. Зокрема він зазначав, що біосфера переходить в новий етап – ноосферу під впливом наукової думки і людської праці. Людство все більше відрізняється від інших компонентів біосфери, як нова небувала біогенна сила. Завдяки своїй науковій думці втілений у технічних досягненнях, людина освоює ті частини біосфери, куди вона раніше не проникала.

Для ноосфери, як нового якісного етапів розвитку біосфери, характерний тісний зв‘язок законів природи і соціально-економічних чинників суспільства, оснований на науково обґрунтованому раціональному використанні природних ресурсів, яке передбачає відновлюваність кругообігу речовин та потоку енергії. Характерною рисою ноосфери є екологізація всіх сфер людського життя. До вирішення будь-яких проблем людина повинна підходити з позиції екологічного мислення, тобто збереження і поліпшення стану природного середовища.

Отже, ноосфера – це якісно нова форма організації біосфери, яка формується в наслідок її взаємодії із людським суспільством і передбачає гармонійне співіснування природи і людини.

Термін «ноосфера» був запропонований у1927 році французьким математиком і філософом Э.Леруа. «Noos» - давньогрецька назва людського розуму.

Перша створена людиною культура-палеоліт (кам'яний вік) - продовжувалася приблизно 20-30 тисяч років. Вона збігалася з тривалим періодом зледеніння. Економічною основою життя людського суспільства було полювання на великих тварин: шляхетного і північного оленя, шерстистого носорога, осла, коня, мамонта, туру. На стоянках людини кам'яного віку знаходять численні кісти диких тварин - свідчення успішного полювання. Інтенсивне винищування великих травоїдних тварин привело до порівняно швидкого скорочення їхньої чисельності і зникнення багатьох видів. Якщо дрібні травоїдні могли заповнити втрати від переслідування мисливцями високою народжуваністю, то великі тварини в силу еволюційної історії були позбавлені цієї можливості. Додаткові труднощі виникли внаслідок зміни природних умов наприкінці палеоліту. 10-12 тисяч років тому наступило різке потеплення, відступив льодовик, ліси поширилися в Європі, вимерли великі тварини. Це створило нові умови життя, зруйнувало сформовану економічну базу людського суспільства. Закінчився період його розвитку, що характеризувався тільки використанням їжі, тобто чисто споживчим відношенням до навколишнього середовища.

У наступну епоху - епоху неоліту (новий кам'яний вік) - поряд з полюванням, рибним ловом і збиранням усе більшого значення набуває процес виробництва їжі. Робляться перші спроби одомашнювання тварин і розведення рослин, зароджується виробництво кераміки. Уже 9-10 тисяч років тому існували поселення, серед залишків яких виявляють пшеницю, ячмінь, сочевицю, кістки домашніх тварин - кіз, свиней, овець. Розвиваються зачатки землеробського і скотарського господарства. Широко використовується вогонь і для знищення рослинності в умовах підсобного землеробства, і як засіб полювання. Починається освоєння мінеральних ресурсів, зароджується металургія.

Виникнення антропоценозів.

Ріст населення, якісний стрибок у розвитку науки і техніки за останні два сторіччя, і особливо в наші дні, привели до того, що діяльність людини стала фактором планетарного масштабу, що направляє силою подальшої еволюції біосфери. Виникли антропоценози (від грецького anthropos - людина, koinos - загальний, спільність) - співтовариства організмів, у яких людина є домінуючим видом, а його діяльність - визначальний стан усієї системи. В.И.Вернадський вважав, що вплив наукової думки і людської праці обумовили перехід біосфери в новий стан - ноосферу (сферу розуму). Зараз людство використовує для своїх нестатків дуже велику частину території планети і усі великі кількості мінеральних ресурсів.

Останніми роками життя Вернадський писав у щоденнику: "Людство, взяте в цілому, постає могутньою геологічною силою. Перед ним, перед його думкою і працею постає питання про перебудову біосфери на користь вільно мислячого людства як єдиного цілого. Цей новий стан біосфери, до якого ми, не помічаючи цього, наближаємося, і є ноосферою".

Поняття ноосфери (від грец. пооз — розум) також має свою історію. Вважається, що його ввів у XIX ст. французький учений Е. Леруа (1870—1954), розвивав далі Тейяр де Шарден (1881— 1955). Вони розуміли під цим терміном особливу оболонку Землі, що розглядається як певний "мислячий шар" над біосферою, в який включається індустріальне суспільство з атрибутами цивілізації (мовою, релігією та ін.). Проте В.І. Вернадський розглядав ноосферу як нове геологічне явище на Землі, і людина в ній вперше стає могутньою геологічною силою. Як і все живе на Землі, вона може мислити і діяти тільки в області розповсюдження життя, тобто в біосфері, з якою нерозривно пов'язана і з якої піти не може. Вернадський вважав, що на сучасному етапі еволюції біосфери людина буде вимушена не тільки виправляти виниклі в результаті її діяльності порушення в стані природи, а й запобігати подібним порушенням у майбутньому.

Нині вельми відчутні наслідки науково-технічного прогресу, що поставили під загрозу існування людства на Землі, привели до необхідності передбачення наслідків людської діяльності у всіх країнах з метою збереження біосфери, тобто життя на Землі. Тому охорона біосфери має бути турботою всього людства, що живе на Землі, як керівників держав, так і окремих людей. Для цього кожному треба знати будову біосфери, взаємозв'язки процесів, що відбуваються в ній, і вплив діяльності людського суспільства на зміни, які виникають у біосфері. Видатний учений і мислитель В.І. Вернадський був упевнений, що знання процесів, які відбуваються в біосфері, і розумна організація життя і всієї діяльності людства приведуть до створення на нашій планеті ноосфери.

Для ноосфери як сучасного етапу розвитку біосфери характерні такі якісно нові форми впливу людини.

1. Безперервне видобування матеріалів із земних глибин і насичення ними біосфери. Щороку із земних надр видобувається близько 100 млрд. т різних корисних копалин. Це майже в чотири рази перевищує кількість поверхневого (із завислими твердими частинками) стоку у Світовий океан.

2. Використання продуктів фотосинтезу в енергетичних цілях. При цьому хімічна рівновага в біосфері зміщується в напрямі, проти¬лежному фотосинтезу. На відміну від біосфери ноосфера сприяє розсіюванню енергії Землі, а не її акумуляції.

3. Зміни біогеохімічних циклів і включення до них нових, раніше невідомих в біосфері речовин, у тому числі групи трансуранових елементів. Насичення ними біосфери може призвести до істотних змін у генопласті біосфери.

Проте необхідно зазначити, що, крім уявлень про неминучість переходу біосфери в ноосферу, викладених у вченні В.І. Вернадського про біосферу, в науковому світі є й інші погляди на перспективи розвитку біосфери.

• Еволюція біосфери (оглядово)

Усі компоненти біосфери тісно взаємодіють між собою, складаючи цілісну, складно організовану систему, що розвивається по своїх внутрішніх законах і під дією зовнішніх сил, у тому числі космічних (сонячного випромінювання, гравітаційних сил, магнітних полів Сонця, Місяця й ін. небесних тіл). За сучасними уявленнямих, розвиток безжиттєвої геосфери, тобто оболонки, утвореної речовиною Землі, відбувалося на ранніх стадіях існування нашої планети, мільярди років тому. Зміни вигляду Землі були зв'язані з геологічними процесами, що відбувалися в земній корі, на поверхні й у глибинних кулях планети і знаходили прояв у виверженнях вулканів, землетрусах, переміщеннях земної кори, гороутворенні. Такі процеси відбуваються і зараз на безжиттєвих планетах сонячної системи і їхніх супутників - Марсі, Венері, Місяці.

З виникненням життя ( стійких форм, які самі розвиваються), спочатку повільно і слабко, потім в русі швидше і значніше стало виявлятися вплив живої матерії на геологічні процеси Землі.

Діяльність живої речовини, що проникнули в усі куточки планети, привела до виникнення нового утворення - біосфери - тісно взаємозалежної єдиної системи геологічних і біологічних тіл і процесів перетворення енергії і речовини. Розміри перетворень, здійснюваних живою матерією, досягли планетарних масштабів, істотно видозмінивши вигляд і еволюцію Землі.

Так, наприклад, у результаті процесу фотосинтезу - діяльності зелених рослин, утворився сучасний газовий склад атмосфери, у ній з'явився кисень. У свою чергу на активність фотосинтезу істотно впливає концентрація вуглекислого газу в атмосфері, наявність вологи і тепла.

Ґрунт є цілком результатом діяльності живої речовини у відсталому (неживому) середовищі. Вирішальна роль у цьому процесі належить клімату, топографії, діяльності мікроорганізмів, рослин і материнських порід. Біосфера, виникнувши і сформувавшись 1-2 млрд. років тому (до цього часу відносяться перші виявлені залишки живих організмів), знаходиться в постійній динамічній рівновазі і розвитку.

У біосфері, як і у будь-який екосистемі, відбувається кругообіг води, планетарні переміщення повітряних мас, а також біологічний кругообіг, що характеризується ємністю - кількістю хімічних елементів, розміщених одночасно в складі живої речовини в даній екосистемі, і швидкістю - кількістю живої речовини, що утворюється і розкладається в одиниці часу. У результаті на Землі підтримується великий геологічний кругообіг речовин, де для кожного елементу характерна своя швидкість міграції у великих і малих циклах. Швидкості всіх циклів окремих елементів у біосфері найтіснішим чином пов’язані між собою.

Сталі за багато мільйонів років кругообіг енергії і речовини в біосфері самопідтримуються в глобальних масштабах, хоча локальні (місцеві) зміни структури й особливостей окремих екосистем (біогеоценозів), що складають біосферу, можуть бути значними.

Ще на ранніх етапах еволюції жива речовина поширилася по безжиттєвих просторах планети, займаючи всі потенційно доступні для життя місця, змінюючи їх і перетворюючи в місця проживання. І вже в древні часи різні життєві форми і види рослин, тварин, мікроорганізмів, грибів зайняли всю планету. Живу органічну речовину можна знайти й у глибинах океану, і на вершинах найвищих гір, і у вічних снігах Приполяр'я, і в гарячих водах джерел вулканічних районів. Таку здатність до поширення живої речовини В.І. Вернадський назвав «повсюдністю життя».

Еволюція біосфери йшла по шляху ускладнення структури біологічних співтовариств, збільшення числа видів і удосконалювання їхньої пристосованості. Еволюційний процес супроводжувався збільшенням ефективності перетворення енергії і речовини біологічними системами: організмами, популяціями, співтовариствами.

Вершиною еволюції живого на Землі є поява людини, що як біологічний вид на основі численних змін придбав не тільки свідомість (особливу форму відображення навколишнього світу), але і здатність виготовляти і використовувати у своєму житті знаряддя праці.

За допомогою знарядь праці людство стало створювати фактично штучне середовище свого проживання (поселення, житла, одяг, продукти харчування, машини і багато чого іншого). З цього часу еволюція біосфери вступила в нову фазу, де людський фактор ставши могутньою природною рушійною силою.