19. Поняття про біосферу

3,5 млрд років тому в первісному океані Землі під впливом ультрафіолетового та проникаючого випромінювань, а також електричних грозових розрядів почалося утворення перших органічних з'єднань — "органічного бульйону", за виразом академіка А.І. Опаріна. Зі зростанням його концентрації деякі органічні молекули, об'єднуючись, стали утворювати коацерватні краплі, ізольовані від оточуючого середовища, котрі використовували елементи цього розчину для збільшення свого розміру. Так виникли молекули, здатні самовідтворюватися, — це означало народження Життя.

До поняття "біосфера** (від грець, bios — життя + sphairo — сфера, куля) близько підійшов французький біолог Ж.Б. Ламарк (1802). Але сам термін "біосфера** вперше застосував австрійський геолог Е. Зюсс (1875). Він же виділив біосферу як окрему оболонку Землі, охоплену життям, яка включає частини атмосфери, гідросфери і літосфери. Живі істоти (рослини, тварини, мікроорганізми) існують на поверхні Землі, в її атмосфері, гідросфері та верхній частині літосфери, в цілому складаючи плівку життя (сферу) на нашій планеті. Верхня межа біосфери сягає 85 км над поверхнею Землі. На таких висотах (у стратосфері) під час запусків геофізичних ракет у пробах повітря виявлено спори мікроорганізмів. Нижня межа біосфери сягає глибин літосфери, де температура становить 100 °С (у молодих складчастих ділянках — це приблизно 1,5—2 км і на кристалічних щитах — 7—8 км).

Отже, середовище існування живих організмів на Землі називають біосферою (сферою життя).

Верхня межа біосфери, за В.І. Вернадським, є променевою, а нижня — термічною. Променева межа зумовлена наявністю жорсткого короткохвильового випромінювання, від якого життя на Землі захищає озоновий шар, термічна — наявністю високих температур і знаходиться на суші в середньому на глибині 3—3,5 км від земної поверхні. Таким чином, загальна товщина цієї земної

Процеси, які відбуваються у біосфері та в оточуючому її планетному середовищі, породжуються і підтримуються, з одного боку, космічними, а з другого — земними факторами, пов'язаними з особливостями Землі як планети (напруженість гравітаційного і магнітного полів, особливості її речовини, випромінювання тощо). Взаємодія цих двох факторів створює єдине утворення — систему Землі (Шипунов). Біосфера є структурною частиною цієї складної планетної системи. І якщо її жива речовина формує для себе найсприятливіше середовище існування і розвитку — біосферу, то остання перетворює своє планетне середовище таким чином і в таких розмірах, щоб мати максимальну стійкість своєї структурної організації. Тому біосферу треба розглядати не лише як область розвитку живої речовини на Землі, але й як сферу, що трансформує своє близьке оточення в невід'ємне від неї екологічне планетне середовище.

20. Роль в.І. Вернадського у вивченні біосфери та ноосфери

В.І. Вернадський одним із перших усвідомив величезний перетворюючий вплив живих організмів на усі три зовнішні оболонки Землі в планетарному масштабі, тісну взаємодію і взаємозалежність усіх форм життя. Це дало йому поштовх до створення всеохоплюючої теорії біосфери, тобто тієї частини зовнішніх оболонок нашої планети, яка безпосередньо пов'язана з існуванням життя на Землі. В.І. Вернадський (1934) дав таке визначення біосфери: "Біосфера являє собою оболонку життя — область існування живої речовини".

Вернадський особливо виділяє перетворюючий вплив на Землю однієї з форм життя — людини — через її розумну діяльність і передбачає швидке зростання глибини і масштабів цього впливу. Природні об'єкти, які вже зазнали впливу людської діяльності, він відносить до "ноосфери" тобто до "сфери розуму" і передбачає, що ноосфера буде швидко розширюватись, охоплюючи все більшу частину Землі — від глибоких її надр до найвищих шарів атмосфери.

В.І. Вернадський вважав, що ноосфера — це такий стан біосфери, в якому мають виявитися розум і спрямована ним праця людини як нова, небувала на планеті, геологічна сила.

Очевидно, що ноосфера в просторі значною мірою перекривається з біосферою, але не тотожна їй. Темпи розвитку ноосфери незрівнянно вищі від темпів змін біосфери.

Але життя на Землі безпосередньо залежить також від низки космічних факторів, найголовнішим (але далеко не єдиним) з яких завжди вважалось випромінювання Сонця. Усвідомлення перетворюючого впливу життя на одне з космічних тіл — планету Земля і безпосередній зв'язок земного життя з космічними факторами дозволили В.І. Вернадському висловити свою всесвітньовідому тезу: життя на Землі — явище космічне. На його думку, зародки життя заносяться з космосу на всі планети, які виникають у Всесвіті, а далі, за сприятливих умов, різні форми життя можуть еволюціонувати, урізноманітнюватись і вдосконалюватись — залежно від конкретних умов даної планети, посилаючи в свою чергу зародки життя у космос на усі інші планети Всесвіту.

21-22

(((V. "Плівки життя". B.I. Вернадський підкреслював повсюдність життя, яке в біосфері поширене в трьох основних середовищах: літосфері, гідросфері та атмосфері.

Одна із основних особливостей живої речовини - це й неймовірно різноманітний розподіл у різних частинах біосфери. Життя слабо розвинене у пустелях, тундрах, на глибині океану, високо у горах, тоді як інших ділянках біосфери - дуже щільне і різноманітне.

Найбільш висока концентрація живої речовини знаходиться на межах розподілу головних середовищ - у ґрунті як граничному шарі між атмосферою та літосферою, у поверхневих шарах океану, на дні водойм і, особливо, у лиманах, на літоралі, де всі три середовища - грунт, вода та повітря знаходяться поряд.

Місця найбільшої концентрації організмів називають «плівками життя».

23. "Ноосфера". В. І. Вернадський зазначав, що можливості людини з її розумом і технікою такі значні, що вона може втручатись в хід геолого-хімічних процесів Землі і навіть змінювати їх природний напрямок. Людство має усвідомити свою силу і роль у біосфері і тоді настане новий етап її розвитку.

Вернадський передбачав перехід біосфери в новий стан, так звану сферу розуму -”ноосферу” (noos - в перекладі з грецької : розум, дух ), в якій людина стане основною геологічною силою.

Ноосфера - це етап розвитку біосфери, на якому людина, свідомо використовуючи свої знання, буде підтримувати існування біосфери та сприяти її розвитку.)))

24 Принцип Реді "все живе з живого" — є відмінною особливістю живої речовини, яка існує на Землі у формі безперервного чергування поколінь і характеризується генетичним зв'язком з живою речовиною всіх минулих геологічних епох. Неживі абіогенні речовини, як відомо, надходять до біосфери або з космосу, або ж виносяться порціями з оболонки Земної кулі. Вони можуть бути аналогічні за складом, але генетичного зв'язку у них немає.

Закон незамінності біосфери (В.И.Вернадский, Д.П.Марш, Э.Реклю): " Немає жодних підстав щодо надій на побудова штучних співтовариств, які забезпечують стабілізацію довкілля з тією ж ступенем точності, як і природні співтовариства. Тому скорочення природною біоти обсягом, перевищує граничне значення, позбавляє стійкості довкілля, вона може бути відновлено з допомогою створення очисних споруд й початку безотходному виробництву. "

Закон мінімуму. В 1840 році Ю. Лібіх встановив, що врожай зерна часто лімітується не тими поживними речовинами, котрі вимагаються у великих кількостях, а тими, котрих потрібно небагато, однак їх мало в ґрунті. Він сформулював закон, за яким "речовиною, що є в мінімумі,регулюється врожай і визначається величина та стійкість його в часі". Дію цього закону обмежують два принципи. Згідно з першим закон Лібіха застосовується лише за умов стаціонарного стану. Його більш точне формулювання: "При стаціонарному стані лімітуючою буде та речовина, доступна кількість котрої найбільш близька до необхідного мінімуму*'. Другий принцип стосується взаємодії факторів. Висока концентрація та доступність певної речовини може змінити споживання мінімальної поживної речовини. Організм тоді заміняє одну, дефіцитну, речовину іншою, що є в надлишку.

Закон біогенної міграції атомів (закон В.І. Вернадского): міграція хімічних елементів на земній поверхні та в біосфері в цілому здійснюється під переважаючим впливом живої речовини, організмів.

Жива речовина або бере участь у біохімічних процесах безпосередньо, або створює відповідне, збагачене киснем, вуглекислим газом, воднем, азотом, фосфором та іншими речовинами, середовище. Закон внутрішньої динамічної рівноваги: речовина, енергія, інформація та динамічні якості окремих природних систем та їхні ієрархії дуже тісно пов'язані між собою, тому зміна одного з показників неминуче призводить до функціонально-структурних змін інших, але при цьому зберігаються загальні якості системи —речовинно-енергетичні, інформаційні та динамічні.

Закон Сент-Ілера (1772-1824) - життя на Землі - природна таксономічна система, яка складається з ієрархічних груп- таксонів різноманітного рангу і є результатом поступового, еволюційного розвитку. Розмаїтість форм живого є історичною, еволюційною послідовністю їх виникнення і розвитку - від простого до складного, носить дивергентний (розгалужений) і адаптивний характери.

Закон Долло (1893) - про незворотність еволюційних процесів. Види, популяції, що зникли, вже ніколи не зможуть з'явитися у тому ж стані, вигляді. Про це писав ще у 1859 р. Ч. Дарвін.

Закон М. Кренке (1892-1939) - існування будь-якого організму обмежене в часі. Тимчасові характеристики організмів вивчає хроноекологія. У сучасній біології поняття часу має таке ж фундаментальне значення, як і у фізиці. Про це, виступаючи в 1931 р. на загальних зборах Академії Наук СРСР, говорив В. І. Вернадський у доповіді "Проблеми часу в сучасній науці".

Закон Уоддінгтона - закон інформаційної обумовленості біологічних явищ. Системно-регуляторні чинники, що впливають на розвиток і життя організму, контролюють процеси обміну речовин, а отже, енергії, інформації - генетичної (внутрішня) і екологічної (зовнішня). В результаті генетичних і біохімічних досліджень виявлені речовини, близькі до нуклеїнових кислот, що є носіями біологічної інформації - інформатиди або семантиди.

Закон оптимальності - ніяка система не може звужуватися або розширюватися нескінченно. Цей закон обумовлює оптимальні розміри сільськогосподарських ланів, кількість вирощуваних тварин, рослин. Ігнорування цього закону призвело до створення величезних площ монокультур, змін ландшафтів і викликало порушення у функціонуванні екосистем, виникнення екологічної кризи. Людство своїм експансивним розвитком порушило цей і багато інших законів біосфери.

Закон екологічної кореляції - в будь-якій екосистемі всі біотичні, абіотичні компоненти функціонально пов'язані.Зникнення будь-якої частини системи неминуче веде до зникнення з нею пов'язаних інших її компонентів, до появи функціональних змін, її руйнації як єдиного цілого.

Закон максимізації енергії, інформації - виживає, стабільно існує, еволюціонує та система, яка максимально ефективно накопичує і використовує, речовину, енергію та інформацію. Цей закон сформулювали екологи - брати Герберт і Юджин Одуми, а доповнив його М. Реймерс. Він відображає хід круговоротів речовин, механізми регулювання, підтримки стійкості системи, її спроможності пристосовуватися до змін.

Закон зменшення енерговіддачі в природокористуванні - при одержанні з екосистем продукції витрати енергії зростають у часі. Наприклад, витрати енергії на одну людину за добу тепер приблизно у 60 разів більші, ніж у часи далеких предків. Збільшення енергетичних витрат не може відбуватися нескінченно, що важливо знати при плануванні взаємовідносин із природою.

Закон Ліндемана (1942), або закон піраміди енергій - з більш низького трофічного рівня екологічної піраміди на більш високий передається в середньому 10% енергії, накопиченої в органічній речовині. Закон встановлює трофічні співвідношення між різноманітними групами організмів.

Закон однонаправленості потоків енергії. Він характеризує її розподіл між консументами (споживачами) першого, другого, третього та інших порядків і редуцентами. Зворотний потік енергії - від редуцентів до продуцентів складає тільки 0,25% від початкової кількості.

Закон обмеженості природних ресурсів. Всі природні ресурси, як речовинні концентратори енергії, в умовах Землі вичерпні, тому що сама планета є природно обмеженим тілом і тому на ній не можуть існувати безкінечні складові - ресурси.

Закон Шелфорда - кожен організм має еволюційно-успадковані верхню та нижню межі стійкості або толерантності до будь-якого екологічного фактора.

Закон Берталанфі (1969) - будь-який організм, як і біосфера, відкрита система, яка здатна саморегулюватися, самовідновлюватися та вдосконалюватися. Відкритість живої системи виявляється в її обміні речовинами, енергією та інформацією з навколишнім середовищем.

25. Біологічний колообіг - це багаторазова участь хімічних елементів у процесах, які протікають у біосфері.

Причина колообігу - обмеженість елементів, з яких будується тіло організмів.

Великий (геологічний) колообіг. Вивержені глибинні породи мантійного походження (базальти) тектонічними процесами виводяться з надр Землі в біосферу. Під впливом сонячної енергії й живої речовини вони вивітрюються, переносяться, відкладаються, перетворюючись різноманітні осадові породи, де запасається сонячна енергія (з вивержених мінералів утворюються глини, а вулканічні гази -СО, NH3 - переходять у вугілля та нафту).

Потім за рахунок тектонічних рухів осадові породи потрапляють у зони високих тисків та температур (а також радіоактивного розпаду й гравітаційної диференціації) і перетворюються в гранітні породи з більш високим рівнем енергії, ніж у осадових порід. Кристалізовані вивержені породи знову за рахунок висхідних тектонічних рухів потрапляють у біосферу. Таким чином цикл завершується, але вже на новому рівні, бо з вихідних базальтів утворилися вивержені породи гранітного складу.

Малий біологічний колообіг (трансформація) речовин в біосфері. В кожній екосистемі колообіг речовин відбувається в результаті взаємодії автотрофів та гетеротрофів.

Вуглець, водень, кисень, азот, сірка і фосфор та біля 30 простих речовин, що необхідні для утворення живої речовини, безперервно перетворюються в органічні речовини або поглинаються в вигляді неорганічних компонентів автотрофами, а автотрофи використовуються гетеротрофами (спочатку консументами, а потім деструкторами). Таким чином, біогенні елементи безперервно циркулюють: розчиняються в континентальних водах, виносяться в моря або потрапляють в атмосферу, а між цими середовищами відбувається постійний газообмін, тобто відбувається біологічний колообіг атомів. Суть колообігу в тому, що утворення живої речовини і розклад органічної речовини - два боки єдиного процесу. В процесі біологічного колообігу атоми поглинаються живою речовиною і заряджаються енергією, а потім залишають живу речовину, віддаючи енергію в оточуюче середовище. За рахунок біогенної енергії відбувається більшість хімічних реакцій. Біологічні колообіги можуть бути різних масштабів і різної тривалості - від швидкого колообігу в ґрунті, річці, озері до тривалого, який обіймає всю біосферу.

Біологічний колообіг зворотний не повністю, частина речовин постійно виходить з колообігу і осідає в товщині осадових порід у вигляді органогенних вапняків, гумусу, торфу і т.п. В результаті колообігу біосфера (чи інша екосистема) не повертається в початковий стан: для біосфери характерний поступальний рух, тому символом біологічного циклу є не коло, а циклоїд (спіраль) .

Отже, колообіг речовин у природі спрямовується спільною дією як біологічних, так і геохімічних та геофізичних сил.