3.2. 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 становить близько 40 км. Вона простягається від нижньої частини озонового екрану атмосфери, розташованого 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 типів речовин біосфери:

1. Жива речовина, що представлена організмами різних видів.

2. Біогенна речовина, що 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.

4. Біокосна речовина, що сформована внаслідок взаємодії живої та косної речовин. Основним видом біокосної речовини є ґрунт.

5. Радіоактивна речовина.

6. Космічна речовина (наприклад, метеорити). Описаний підхід до структурування біосфери не єдиний. В

наш час більшість спеціалістів поділяють її>на сукупність жи-

вих організмів – біоту планети – і комплекс абіогенних екологічних компонентів: атмосферу, гідросферу і літосферу. Радіоактивна речовина в основному входить до літосфери – тверді планети, а речовина метеорів – частково в атмосферу при їхньому згоранні, частково – в літосферу.

Біосфера складається з окремих екосистем, але слід мати на увазі, що біосфера як глобальна система вищого рангу якісно відрізняється від регіональних екосистем більшою цілісністю і більшою замкненістю біогеохімічних циклів. Так, цикл живої речовини у біосфері повністю замкнений, чого немає в жодній екосистемі, і цикли азоту, вуглецю і води в біосфері маловідходні.

Замкненість і стійкість біосфери такі, що англійський учений Дж. Ловлок (1979) висунув концепцію «Геї» (за іменем богині Землі Геї), головним у якій є визнання наявності в біосфері високого гомеостазу, завдяки чому зрушена зі свого постійного стану тими чи іншими впливами, вона самостійно знову повертається у цей стан. Це справді так, але стійкість біосфери є відносною, і поріг її нам не відомий. Певні грубі порушення цілком можуть безповоротно вивести біосферу з нинішнього стану.

Г. Вальтер розділяв біосферу на біогеосферу (суходіл) та біо-гідросферу (усі види водойм). Такий поділ виправдовується тим, що в цих двох зонах зосереджена основна маса живої речовини.

Розглянемо основні компоненти біосфери більш детально.

Жива речовина

За останніми оцінками, жива речовина складає 24 • 10¹¹ тонн. K.M. Ситник та СП. Вассер (1992) вважають, що на Землі існують 1 447 609 видів живих організмів. На думку інших дослідників, їх набагато більше – можливо, 80 млн. видів. Повнота виявлення живих організмів неоднакова в різних царствах. Види судинних рослин виявлені на 80 %, мохів – на 70%, водоростей -на 50%, грибів – тільки на 1-10%, членистоногих – на 3-20%, монер – на 15-20% та вірусів – усього на 5%.

Порівняно з масою інших речовин планети на долю живої речовини припадає мізерна частини (табл. 3.1). Вона становить 1/ 11 000 000 маси земної кори. Жива матерія подібна до тонкої шкірки яблука, якщо порівняти розмір земної кулі з яблуком.

Унікальна роль живої речовини в біосфері полягає в її високій біогеохімічній активності. Жива речовина автотрофних організмів здійснює поглинання сонячної енергії та її перетворення на 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. У результаті діяльності біосфери на земній кулі сформувався озоновий екран, який перехоплює більшу частину жорсткого космічного випромінювання та створює сприятливі умови життя на поверхні планети. Жива речовина змінила гірські породи та сприяла появі нових видів (вапняки та ін.). Життєдіяльність рослин, тварин та мікроорганізмів спричинила появу ґрунту.

Жива речовина планети є ініціатором та рушієм біогеохімічних циклів речовин. Велике значення в цьому має розмноження організмів, яке В.І. Вернадський називав «розтіканням» живої матерії, її «прагненням до всюдності». Робота (Е), що виконується живою матерією, за BJ. Вернадським, може бути оцінена за формулою:

де Р – вага організмів; V – швидкість розтікання.

Для всієї живої речовини біосфери характерна майже абсолютна кіральна чистота. Кіральність – це особлива властивість органічних молекул існувати в двох оптично ізомерних формах: D (правих) та L (лівих). Ізомерія була відкрита ще в 1848 році французьким ученим Л. Пастером. При синтезі органічних речовин у лабораторних умовах D- та L-форми утворюються в рівних кількостях: 50% на 50%. Якщо, наприклад, штучно отриману 1,-форму амінокислоти зберігати протягом деякого часу, тоді частина її молекул самовільно перейде у D-форму, і таким чином виникне зрівноважена суміш лівого та правого полімерів.

Сучасні дослідники довели, що всі органічні молекули, що входять до складу живої речовини, зокрема, цукру та амінокислот, належать виключно до і-форм. D-цукри знаходяться тільки

в молекулах нуклеїнових кислот. Така кіральна чистота органічної речовини в живих організмах свідчить, що її механізм сформувався на певному й досить ранньому етапі виникнення життя на Землі і відтоді підтримується при біогенезі живої матерії.

Матеріали, отримані В.І. Гольданським (1986), показали, що кіральна чистота живих істот є необхідною умовою для редуплікації ДНК при передачі спадкової інформації від одного організму до іншого. Глобальний антропогенез та забруднення біосфери сторонніми для неї оптичними ізомерами ксенобіотиків створюють певну загрозу для вихідної кіральної чистоти живої матерії. Наслідки можливих порушень кіральної чистоти поки що важко передбачити.

Атмосфера

Газова частина біосфери представлена атмосферою. її загальна маса дорівнює 5,2 • 10¹⁵ т. Основу атмосфери складає азот -78% за об’ємом. У значній кількості представлений кисень (20,95%), є вуглекислий та інші гази. В атмосфері завжди присутня водяна пара, основна частина якої (86%) утворюється при випаровуванні з поверхні океанів та суходолу. З висотою газовий склад атмосфери змінюється мало, тільки помітно зменшується кількість водяної пари.

Постійним компонентом атмосфери є аерозолі. Це молекулярні агрегати розміром від кількох нанометрів до десятків мікрометрів. Основу аерозолів складають молекули води, але до них входять й інші речовини – тверді частки, сірчаний газ тощо. Загальна маса аерозолів в атмосфері не менше 20 млн. т.

Важливою властивістю атмосфери є її рухливість. Циркуляція повітря під впливом різниці температур і обертання земної кулі універсальні. Унаслідок утворення вітру відбувається переміщення великих мас повітря, водяна пара переноситься з місць підвищеного випаровування в більш прохолодні місця, де випадає у вигляді дощу чи снігу. Вітер є важливим агентом переносу зачатків життя – спор, насіння тощо. Для багатьох рослин вітер служить агентом переносу пилку. З вітром переносяться і різні газоподібні та пиловидні речовини, що потрапляють в атмосферу в результаті господарської діяльності.

Газовий склад атмосфери не є постійним. За час існування нашої планети він різко змінився приблизно 2 млрд. років тому, коли зелені рослини в процесі фотосинтезу почали виділяти вільний кисень. До цього часу атмосфера складалася тільки з азоту, окислів вуглецю і водяної пари. Ця важлива зміна мала наслідком появу тварин, які дихають киснем, а також зробило можливим горіння речовин в атмосферному повітрі.

В екваторіальних широтах атмосфера поглинає більше сонячної енергії, ніж у високих широтах. Енергія, що поглинається атмосферою, є джерелом глобального переміщення повітряних мас, які, у свою чергу, визначають клімат.

Життєво важливим є озоновий шар атмосфери, розташований на висоті 20-25 км. Озон – це особлива форма кисню 0₃. Шар озону у верхній частині атмосфери порівняно малопотужний (при нормальному тиску його товщина була б рівною 3 мм), але він виконує найважливішу для життя функцію – перехоплення ультрафіолетових променів сонячного випромінювання, яке дуже небезпечне для живих організмів, зокрема тим, що викликає порушення ДНК та призводить до появи небажаних генетичних мутацій. Сучасне активне вивчення озонового шару атмосфери є наслідком реалізації програми дослідження впливу вихлопних газів надзвукових літаків типу «Конкорд» на стратосферу. Було встановлено, що вихлопні гази безпечні, але з’ясувалося, що озон активно руйнується молекулярним хлором, який є у фреонах, які широко застосовуються в промислових та побутових холодильних установках. Фреони, підіймаючись у верхні шари атмосфери, розкладаються, виділяючи хлор, який руйнує озон.

Озонометрія, яка здійснюється впродовж останніх 25 років, показала, що за період спостережень втрати озону склали 3% від його початкової кількості. Начебто це й небагато, але такої втрати виявилося достатньо, щоб на певних ділянках озоновий шар втратив цілісність і утворилися «озонові дірки». У 1987 році в Монреалі на міжнародній конференції 36 країн світу підписали протокол зобов’язань щодо скорочення на 50% виробництва речовин, що руйнують озон. Це тимчасові заходи, оскільки механізми формування та збереження озонового шару атмосфери до кінця ще не вивчені.

Важливість атмосферних параметрів для клімату та погоди широко відома. Практична необхідність прогнозування погоди та оцінки вікових тенденцій зміни клімату призвели до організації спеціальної метеорологічної служби.

За високої розрідженості атмосфери живі організми не можуть знаходитися в ній постійно. Утримання в атмосфері під час польоту вимагає значних затрат енергії. Здатність до тривалого ширяння в атмосферному повітрі мають тільки одноклітинні мікроорганізми та деякі види птахів. Для наземних організмів корисними властивостями атмосфери є її прозорість для сонячного випромінювання.

Гідросфера

Гідросфера сформована в основному з води. Вона з’явилася на планеті приблизно 4 млрд. років тому за рахунок процесу диференціації речовин. До початку фанерозоя утворився Світовий океан. В еволюції гідросфери відбулися два великі переломні моменти. Перший був пов’язаний з виходом рослин на суходіл. Оскільки поверхня випаровування листя суходільних рослин швидко збільшувалася і привезла до зростання втрат води (що прирівнювалося до випаровування з поверхні океану), то живі організми в результаті цього суттєво трансформували кругообіг води.

Другий переломний етап у розвитку гідросфери був викликаний вирубкою лісів та розорюванням ґрунтів для організації агроекосистем. Ліси витрачають на випаровування 90% поглиненої сонячної енергії, а рілля – тільки 40%. Вирубування лісу та розширення орних земель зменшили випаровування на континентах приблизно у 2 рази, що дало поштовх процесам запустелювання. Швидкість запусте-лювання в наш час складає, за В.Г. Горшковим та К.С. Лосевим (1992), 20 га за 1 хвилину.

Вода надзвичайно важлива для живих організмів. У загальній кількості води планети, що дорівнює 1 млрд. 7 млн. тонн (або м³), 96,5% припадає на морську. На материках зосереджено тільки 3,5% загальних запасів води. Прісної води у світі нараховується 35 млн. км³, з них ЗО млн. км³ води утримується в льодовиках.

Площа Світового океану становить 361,3 млн. км², що перевищує 70% поверхні планети. Вода океанів та морів солона. Середня солоність сягає 35 г/л. Солоність залежить від випаровування та кількості опадів. На солоність невеликих морів впливає приток прісної води з рік. Тому вона, наприклад, висока в Червоному морі та низька в Балтійському.

Вода океанів та морів постійно перемішується внаслідок вертикальних та горизонтальних течій. У морській воді мало біогенних мінеральних речовин (особливо фосфору), і цей фактор є основним в обмеженні біопродукції автотрофних водяних рослин. Кількість розчиненого у воді вуглекислого газу лімітує фотосинтез менше.

Між океанами і сушею відбувається переміщення речовин. Зокрема, при хвилюванні води і в зоні прибою формуються аерозолі, що містять карбонати і сульфати. Вони переносяться вітром на материки і тут потрапляють на сушу разом з опадами. З іншого боку, ріки постійно вносять в океани велику кількість органічних і неорганічних речовин.

Води Світового океану мають високу теплоємність. Світовий океан поглинає 80% усієї сонячної радіації, яка досягає поверхні планети. Поглинальна здатність океанів складає 90 ккал/см² на рік, а суходолу – тільки 50 ккал/см² на рік. Природно, що основна частина тепла поглинається океанами в тропіках. У помірних та крайніх північних і південних широтах, навпаки, йде віддача тепла в атмосферу. Океан – це важлива «фабрика» погоди на планеті та основний стабілізатор середньої температури Землі. За відсутності Світового океану на континентах при зміні сезонів виникали б досить різкі коливання температур, мало сумісні з існуванням живих організмів.

Світовий океан виконує й іншу роботу в біосфері. У холодних областях вода поглинає вуглекислий газ з атмосфери, а в теплих відбувається його виділення. У цілому Світовий океан дуже важливий для планетарного обміну речовин та обміну енергією.

Моря та прісні води є середовищем життя багатьох видів організмів. Вода – щільне середовище, і живі організми знаходяться в ній або в завислому стані, або підтримують себе в потрібному їм шарі води шляхом активного плавання. Життям пронизана практично вся товща гідросфери. У Світовому океані синтезується 21 млрд. тонн органічних речовин. Це в основному біомаса фітопланктону. Завдяки автотрофним морським організмам океани продукують вільний кисень. Його вихід з океанів оцінюється в 61 млрд. тонн на рік.

Континентальні води переважно прісні, їхня солоність не перевищує в середньому 1-2 г/л солей. На континентах гідросфера представлена річками та озерами. У ріки суходолу стікає приблизно половина тієї кількості води, що випадає на суходіл у вигляді опадів. В Україні загальний стік води в ріках становить 87 млрд. тонн на рік.

Для гідросфери досить важливе співвідношення рідкої та замерзлої (лід) води. Воно визначається температурними умовами. Нині під льодом знаходиться до 10% поверхні суходолу. Сукупність усього льоду планети В.І. Вернадський називав кріо-сферою. Потужність кріосфери не стабільна. Упродовж довгих періодів при змінах клімату в тих чи інших регіонах планети може переважати утворення льоду. Він починає вкривати поверхню ґрунту та формувати цілорічний льодовиковий щит. Такі періоди в історії Землі отримали назву льодовикових.

В останню льодовикову епоху площа льодовиків у Європі збільшилася в 2 рази, а в епоху максимального зледеніння – у 4 рази. При цьому південна межа льодовика проходила на 48° п.ш.

Літосфера

Літосфера утворена гірськими породами. На виходах гірських порід безпосередньо можуть жити тільки деякі організми -лишайники, водорості. Для життя необхідний ґрунт, що утворюється як суміш мінеральних речовин, які виникають при руйнуванні гірської породи та органічних речовин – продуктів життєдіяльності організмів. Для формування ґрунту особливо важливі мікроорганізми та коріння рослин.

Поняття про ґрунт як біокосне тіло природи було вперше сформульоване В.В. Докучаевым. Ще наприкінці XIX століття він підкреслював, що ґрунти виникають у результаті тісної взаємодії між водою, повітрям, гірськими породами та живими організмами. Ґрунт – головне середовище життя наземних рослин і важлива структурна частина біосфери. Родючість ґрунтів визначається сполученням багатьох фізичних та хімічних властивостей. Вона залежить від кількості в ґрунтах гумусу, від наявності біогенних макро- та мікроелементів, від вологості ґрунту, від її кислотності тощо.

Серед інших параметрів ґрунту не останнє місце посідає його вологість. Вона визначається співвідношенням кількості опадів та випаровування. Вважають, що при кількості опадів менш ніж 250 мм на рік формуються пустелі, при 250-750 – савани, степи, лісостепи та ліси, а при кількості, більшій за 1250 мм -вологі ліси та болота. В Україні основні опади надходять від Атлантичного океану, Середземного та Чорного морів. Найбільш зволожені ґрунти в Західній Україні.

У цілому треба зазначити, що всі оболонки земної кулі (геосфери) активно взаємодіють між собою, обмінюючись речовиною та енергією.