1. Поняття біосфери
Поняття «біосфера», на думку В.І. Вернадського, було сформульовано (без вживання самого терміна) ж.б. Ламарком на початку XIX ст. А. Гумбольдт виділяв сферу життя як невід'ємну частину географічної оболонки. Нарешті, Е. Зюсс у 1875 р . при розгляді основних оболонок Землі: літо-, атмо-і гідросфери, - вважав, що в області взаємодії верхніх сфер і літосфери можна виділяти самостійну оболонку - біосферу. Е. Зюсс вперше ввів цей термін в науку.
Визначаючи біосферу, Вернадський вводить поняття «жива речовина» - сукупність всіх живих організмів. Область поширення живої речовини включає нижню частину повітряної оболонки (атмосфери), всю водну оболонку (гідросферу) і верхню частину твердої оболонки (літосфери).
Вернадський чітко позначає верхній і нижній межі поширення життя. Верхній - обумовлюється променистою енергією, що приходить з космосу, згубної для живих істот. Мова йде про жорсткий ультрафіолетовому випромінюванні; воно затримується озоновим екраном, нижня межа якого проходить на висоті близько 15 км: це верхня межа біосфери. Нижня межа життя пов'язаний з підвищенням температури в земних надрах. На глибині 3 - 3,5 км температура досягає 100 ° С. Найбільшу потужність біосфера має в океані: від поверхні до максимальних глибин в ньому мешкають живі істоти.
Для біосфери характерно не тільки присутність живої речовини. Вона має також наступними трьома особливостями: по-перше, в ній у значній кількості міститься рідка вода, по-друге, на неї падає потужний потік сонячної енергії, по-третє, у біосфері проходять поверхні розділу між речовинами, які перебувають у трьох фазах - твердої , рідкої і газоподібної. Все це служить передумовою для активного обміну речовиною та енергією, в якому велику роль відіграють організми. Біосфера - головна арена життя і господарської діяльності людини.
Щоб наочно уявити біосферу як систему, в якій живі організми виконують роль сістемобразующего елемента, розглянемо основні функції живої речовини: енергетичну, деструктивну, концентраційну і средообразующую.
Енергетична функція виконується перш за все рослинами, які в процесі фотосинтезу акумулюють сонячну енергію у вигляді різноманітних органічних сполук. За словами Вернадського, зелені хлорофілльних організми, зелені рослини, є головним механізмом біосфери, який уловлює сонячне проміння і створює фотосинтезом хімічні тіла - своєрідні сонячні консерви, енергія яких надалі є джерелом дієвої хімічної енергії біосфери, а значною мірою - всієї земної кори.
За розрахунками Вернадського, на Землі щорічно акумулюється рослинами близько 19 жовтень кілокалорій енергії. Усередині екосистеми ця енергія у вигляді їжі розподіляється між тваринами. Частково енергія розсіюється, а частково накопичується в відмерлої органічному речовині і переходить в викопне стан. Так утворилися поклади торфу, кам'яного вугілля, нафти та інших горючих корисних копалин, службовці в даний час енергетичної базою для життя і роботи людей. Рослини - головне джерело їжі для людей і сільськогосподарських тварин.
Деструктивна функція полягає в розкладанні, мінералізації мертвої органічної речовини, хімічному розкладанні гірських порід, залученні утворилися мінералів у біотичний кругообіг. Мертве органічна речовина розкладається до простих неорганічних сполук (вуглекислого газу, води, сірководню, метану, аміаку і т. д.), які знову використовуються в початковій ланці кругообігу. Цим займається спеціальна група організмів - редуценти (деструктори).
Особливо слід сказати про хімічний розкладанні гірських порід. Завдяки живому речовини біотичний кругообіг поповнюється мінералами, що вивільняються, з літосфери. Наприклад, за свідченням А.В. Лапо, пліснявий грибок в лабораторних умовах за тиждень вивільняв з базальту 3% міститься в ньому кремнію, 11% алюмінію, 59% магнію, 64% заліза. Піонери життя на скелях - бактерії, синьо-зелені водорості, гриби і лишайники - надають на гірські породи сильне хімічний вплив розчинами цілого комплексу кислот - вугільної, азотної, сірчаної та різноманітних органічних. Розкладаючи з їх допомогою ті чи інші мінерали, організми вибірково витягають і включають в біотичний кругообіг найважливіші поживні елементи - кальцій, калій, натрій, фосфор, кремній, мікроелементи.
Загальна маса зольних елементів, залучається щорічно в біотичний кругообіг тільки на суші, становить близько 8 млрд. т. Це в кілька разів перевищує масу продуктів виверження всіх вулканів світу протягом року. Завдяки життєдіяльності організмів-деструкторів створюється унікальна властивість грунтів - їх родючість.
Концентраційна функція полягає у виборчому накопиченні при життєдіяльності організмів атомів речовин, розсіяних у природі. Здатність концентрувати елементи з розбавлених розчинів - це характерна особливість живого речовини. Найбільш активними концентраторами багатьох елементів є мікроорганізми. Наприклад, у продуктах життєдіяльності деяких з них у порівнянні з природним середовищем вміст марганцю збільшено в 1 200000 разів, заліза - в 65000, ванадію - в 420000, срібла - у 240000 разів і т.д.
Морські організми активно концентрують розсіяні мінерали для побудови своїх скелетів або покривів. Існують, наприклад, кальцієві організми (молюски, корали, моховинки, голкошкірі, вапняні водорості і т. п.) і кремнієві (діатомові водорості, кремнієві губки, радіолярії). Особливо слід звернути увагу на здатність морських організмів накопичувати мікроелементи, важкі метали, в тому числі отруйні (ртуть, свинець, миш'як), радіоактивні елементи. Їх концентрація в тілі безхребетних і риб може в сотні тисяч разів перевершувати зміст у морській воді. Завдяки цьому морські організми корисні як джерело мікроелементів, але разом з тим вживання їх в їжу може загрожувати отруєнням важкими металами або бути небезпечним у зв'язку з підвищеною радіоактивністю.
Средообразующая функція полягає у трансформації фізико-хімічних параметрів середовища (літосфери, гідросфери, атмосфери) в умови, сприятливі для існування організмів. Можна сказати, що вона є спільним результатом усіх розглянутих вище функцій живої речовини: енергетична функція забезпечує енергією всі ланки біологічного кругообігу; деструктивна і концентраційна сприяють вилученню з природного середовища і накопичення розсіяних, але життєво важливих для організмів елементів.
Средообразующее функції живої речовини створили і підтримують у рівновазі речовини і енергії в біосфері, забезпечуючи стабільність умов існування організмів, в тому числі людини. Разом з тим живе речовина здатна відновлювати умови проживання, порушені в результаті природних катастроф або антропогенного впливу. Цю здатність живої речовини до регенерації екологічних умов висловлює принцип Ле Шательє, запозичений з області термодинамічних рівноваг. Він полягає в тому, що зміна будь-яких змінних в системі у відповідь на зовнішні збурення відбувається в напрямі компенсації вироблених збурень. У теорії управління аналогічне явище носить назву негативних зворотних зв'язків. Завдяки цим зв'язкам система повертається в початковий стан, якщо вироблені обурення не перевищують порогових значень. Таким чином, гомеостаз, стійкість екосистеми, виявляється явищем не статичним, а динамічним.
У результаті средообразующей функції в географічній оболонці відбулися наступні найважливіші події: був перетворений газовий склад первинної атмосфери; змінився хімічний склад вод первинного океану; утворилася товща осадових порід у літосфері; на поверхні суші виник родючий грунтовий покрив (також родючі води океану, річок і озер) .
Вернадський пояснює парадокс: чому, незважаючи на те, що загальна маса живої речовини - плівка життя, що покриває Землю, - мізерно мала, результати життєдіяльності організмів позначаються на складі і літосфери, гідросфери і, і атмосфери? Якщо жива речовина розподілити на поверхні Землі рівним шаром, його товщина складе всього 2 см . При такій незначній масі організми здійснюють свою планетарну роль за рахунок досить швидкого розмноження, тобто досить енергійного кругообігу речовин, пов'язаного з цим розмноженням.
Маса живої речовини, яка відповідає даному моменту часу, насилу зіставляється з тим грандіозним її кількістю, яку виробляло свою роботу протягом сотень мільйонів років існування організмів. Якщо розрахувати всю масу живої речовини, відтвореного за цей час біосферою, вона виявиться рівною 2,4 Ч10 20 т. Це в 12 разів перевищує масу земної кори.
На земній поверхні немає хімічної сили, більш постійно діючої, а тому і більш могутньою по своїм кінцевим наслідків, ніж живі організми, взяті в цілому. Глини, вапняки, доломіт, бурі залізняки, боксити - це все породи органогенного походження. Нарешті, властивості природних вод, солоність Світового океану і газовий склад атмосфери визначаються життєдіяльністю населяють планету істот.
Розглянемо вплив средообразующей функції організмів на вміст кисню і вуглекислого газу в атмосфері. Нагадаємо, що підвищення концентрації СО 2 в атмосфері викликає «парниковий ефект» і сприяє потеплінню клімату. Вільний кисень виділяється при фотосинтезі. Вперше на Землі масовий розвиток фотосинтезуючих організмів - синьо-зелених водоростей - мало місце 2,5 млрд років тому. Завдяки цьому в атмосфері з'явився кисень, що дало імпульс швидкому розвитку тварин. Однак інтенсивний фотосинтез супроводжувався посиленим споживанням СО 2 і зменшенням його вмісту в атмосфері. Це призвело до послаблення «парникового ефекту», різкого похолодання і першій в історії планети (гуронскому) заледенінню.
У наші дні накопичення в атмосфері вуглекислого газу від спалювання вуглеводневого палива розглядається як тривожна тенденція, що веде до потепління клімату, танення льодовиків і загрожує підвищенням рівня Світового океану більш ніж на 100 м . У зв'язку з цим слід відзначити функцію захоплення і поховання надлишкової вуглекислоти морськими організмами шляхом переведення її в з'єднання вуглекислого кальцію, а також шляхом утворення біомаси живої речовини на суші і в океані.
Чистота морських вод - багато в чому результат фільтрації, здійснюваної різноманітними організмами, але особливо зоопланктоном. Більшість з цих організмів добуває їжу, отцежівая з води дрібні частинки. Робота їх настільки інтенсивна, що весь океан очищається від суспензії за 4 роки. Байкал винятковою чистотою своїх вод багато в чому зобов'язаний весільного рачки епішури, який за рік тричі проціджує його воду.
Основу функціонування живої речовини складає біотичний кругообіг речовин. Біотичний кругообіг забезпечується взаємодією трьох основних груп організмів: 1) продуцентів - зелених рослин, здійснюють фотосинтез, і бактерій, здатних до хемосинтезу, - вони створюють первинне органічна речовина, 2) консументів, які споживають органічну речовину, - це рослиноїдні і хижі тварини, 3) редуцентов (деструкторів), що розкладають мертве органічна речовина до мінерального, - це в основному бактерії, гриби і найпростіші тварини.
На висхідній гілки біотичного кругообігу, заснованого на виконанні енергетичної функції зеленими рослинами, відбувається акумуляція сонячної енергії у вигляді органічних речовин, синтезованих рослинами з неорганічних сполук - вуглекислого газу, води, азоту, зольних елементів живлення. Низхідна гілка біотичного кругообігу пов'язана з втратами органічної речовини. Найважливіший процес - дихання рослин, при якому до половини асимільованого при фотосинтезі органічної речовини окислюється до СО 2 і повертається в атмосферу. Другий істотний процес витрачання органічної речовини і накопиченої в ньому енергії - це споживання рослин консументами першого порядку - рослиноїдних тваринами. Накопичувана фітофагами з їжею енергія також значною мірою витрачається на дихання, життєдіяльність, розмноження, виділяється з екскрементами.
Рослиноїдні тварини є їжею для м'ясоїдних тварин - консументів більш високого трофічного рівня. Консументи другого порядку витрачають накопичену з їжею енергію по тих же каналах, що і консументи першого порядку (травоїдні тварини). Число трофічних рівнів, утворених хижими тваринами, зазвичай не перевищує трьох-чотирьох, тому що в зв'язку з великими витратами енергії чисельність і біомаса тварин на більш високих трофічних рівнях стають все менше.
Кожна ланка екосистеми поставляє в навколишнє середовище органічні залишки (детрит), які служать джерелом їжі та енергії для тварин-сапрофагів, а головним чином для мікроорганізмів - бактерій, грибів, актиноміцетів і т.ін. Завершальним етапом перетворення органічної речовини є процеси гуміфікації і далі окислення гумусу до СО 2 і мінералізації зольних елементів, які знову повертаються в грунт і атмосферу, забезпечуючи рослину їжею.
Таким чином, біотичний кругообіг являє собою безперервний процес створення та деструкції органічної речовини. Він реалізується за участю представників всіх трьох груп організмів: без продуцентів неможливе життя, оскільки лише вони виробляють основу життя - первинне органічна речовина; консументи різних порядків, споживаючи первинну і вторинну продукцію і переводячи органічну речовину з однієї форми в іншу, сприяють зростанню різноманіття форм життя на Землі; нарешті, редуценти, розкладаючи органічна речовина до мінерального, повертають його до початку кругообігу. Глобальні цикли міграції хімічних елементів не тільки зв'язують три зовнішні оболонки нашої планети в єдине ціле, але і обумовлюють безперервну еволюцію її складу.