Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Курсова робота
Вплив живих організмів на географічну оболонку
Зміст
Вступ
1. Загальні відомості про біосферу
1.1 Поняття про біосферу
1.2 Вчення В. І. Вернадського про біосферу
1.3 Гіпотези походження та еволюція біосфери
1.4 Будова біосфери
2. Роль живої речовини у географічній оболонці
2.1 Жива речовина планети
2.2 Функції живої речовини
2.3 Біологічний кругообіг речовин
Висновок
Список використаних джерел
Вступ
В епоху науково-технічного прогресу особливого значення набувають знання про життєві процеси на Землі в цілому. Важливу роль у цих процесах відіграють живі організми. За мільярди років, які пройшли з моменту виникнення нашої планети, вони наповнили атмосферу киснем й азотом, очистили її від вуглекислого газу, сформували відклади вапняку, нафти, природного газу. В процесі еволюції на планеті утворилась особлива оболонка – біосфера.
Актуальність. Роль живої речовини у географічній оболонці надзвичайно важлива. Більшість оболонок, що входять до складу географічної оболонки більшою або меншою мірою видозмінені життям, а окремі її елементи (грунт, органогенні осадові породи, окремі види корисних копалин та ін.) могли виникнути тільки завдяки живій речовині. Біосфера хоча й є найлегшою оболонкою геосфери, однак її роль постійно збільшується протягом геологічної історії, відповідно, збільшується зростає і її роль у глобальних процесах, що відбуваються на планеті. На земної поверхні немає хімічної сили, що більш постійно діє, а тому й більше могутньої по своїх кінцевих наслідках, ніж живі організми, узяті в цілому.
Вивчення біосфери стає усе більш важливим й актуальним завданням. Це викликано безупинно зростаючим впливом людини на навколишнє середовище. Уже зараз ми повинні вміти ясно передбачати всі можливі наслідки нашого впливу на природу. Можливість і правильність такого прогнозу залежать від глибини наших знань про будову й функціонування біосфери в цілому і її різних ділянок і компонентів. Особливо важливо мати уявлення про роль живих організмів - основної рушійної сили в біосфері. Цим і визначається актуальність нашої теми.
Мета дослідження. Поглибити знання про роль живої речовини на планеті.
Завдання дослідження:
1. Зібрати та опрацювати літературу з даної теми.
2. Ознайомлення з поняттям "біосфера" та її будовою.
3. Проаналізувати вчення В. І. Вернадського про біосферу.
4. Розглянути основні гіпотези походження та еволюції біосфери.
5. Дослідження функцій живої речовини на планеті.
Об’єкт дослідження. Біосфера - область системної взаємодії живої та косної речовини.
Предмет дослідження. Функції живої речовини та їх вплив на географічну оболонку.
Методи дослідження. Аналіз наукової літератури з даної теми.
1. Загальні відомості про біосферу
1.1 Поняття про біосферу
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., привела до того, що на довгі роки було забуто про дослідження важливих для наук про природу процесів взаємодії співтовариств живих організмів і неживих оболонок Землі. Жива речовина — сукупність всіх організмів, що населяють Землю. Лише в 1875 р. австрійський геолог і палеонтолог Едуард Зюсс (1831—1914) звернув увагу на місце живого в будові та розвитку земної кори і вдруге після Ламарка ввів у науковий обіг термін "біосфера", міркуючи про оболонку Землі в книзі про походження Альп. Потім знову на декілька десятиліть цей термін було забуто.
Нове (вже третє) життя терміну "біосфера" дав видатний український (радянський) вчений-геохімік Володимир Іванович Вернадський (1863—1945), що створив у 20-х роках XX ст. сучасне вчення про біосферу, викладене в монографіях "Біосфера" (1926) і "Декілька слів про ноосферу" (1944). Можливо, тому введення терміна "біосфера" в науковий ужиток часто приписується саме Вернадському. [5]
Біосфера – область активного життя оболонки Землі, яка включає частини атмосфери, гідросфери і літосфери, заселені живими організмами.
В. І. Вернадський визначив біосферу як термодинамічну оболонку з температурами +50…-50°С і тиском приблизно 10000 Па, що відповідає межам життя для більшості організмів. [4]
Вивчаючи історію мінералів і міграцію хімічних елементів у земній корі, В.І. Вернадський виявляє величезну роль живої речовини в геохімічних процесах на нашій планеті. Для вивчення ролі живої речовини в еволюції біосфери йому було потрібно знання біології, геології, хімії, на основі яких сформувалася нова наука — біогеохімія. Про виняткову роль живої речовини в біосфері В.І. Вернадський пише в "Нарисах геохімії", опублікованих у 1924 р. в Парижі і в 1927 р. в Ленінграді. У 1926 р. вийшла його книга "Біосфера", в якій представлення біосфери як "тонкої плівки життя", "живої оболонки" Землі виявилося дуже своєчасним, хоч і дещо випереджало час. Вченню В.І. Вернадського про біосферу спочатку не було приділено належної уваги. Проте вивчення наслідків радіоактивного і хімічного забруднення атмосфери, гідросфери і ґрунтів після Другої світової війни примусило учених і політиків звернутися до вчення Вернадського про біосферу, яке набуло великого поширення в західних країнах, а потім і у всьому світі.
На відміну від сучасників-натуралістів початку XX ст., які вважали, що вічна доля організмів — пристосування до умов, створюваних могутніми силами природи, В.І. Вернадський довів, що жива речовина планети виступає як щонайпотужніший геологічний чинник, здатний змінювати поверхню планети і формувати екосистеми, сприятливі для його розвитку. За В.І. Вернадський, жива речовина має здатність захоплювати енергію Сонця і створювати хімічні сполуки, розпад яких супроводжується виділенням енергії, що здійснює хімічну і фізичну роботу.
Грандіозну роботу на Землі здійснено молекулою хлорофілу, за допомогою якої за наявності сонячної енергії зелені рослини синтезують вуглеводи та інші органічні сполуки. В результаті розкладання Н2О виділяється вільний О2, Щороку рослини виробляють 320 млрд. т 02; за 3700 років була вироблена вся кількість 02, що знаходиться в атмосфері Землі — 1,2 ∙ 1055 т. Жива речовина має здатність швидко розповсюджуватися в просторі, займаючи всі придатні для життя ділянки. Це явище Вернадський назвав "тиском життя", порівнявши його з тиском газу. Швидкість "розтікання" життя дуже велика.
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. 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. [5]
Межі біосфери. Біосфера охоплює три геологічні сфери – частини атмосфери, літосфери та всю гідросферу. Межі біосфери визначаються межами поширення й активної роботи живої речовини.
Верхня межа біосфери в атмосфері, на думку одних учених, проходить по висоті Гімалаїв (10 км над рівнем моря), на думку інших, - досягає нижніх шарів стратосфери (30 км), де ще трапляються у досить великій кількості спори й навіть клітини бактерій, грибів і деяких водоростей, що активно вегетують. Іноді верхньою межею біосфери вважають озоновий шар (25—30 км над поверхнею планети), вище від якого живе зазвичай гине під дією космічних випромінювань.
Межа біосфери в літосфері також чітко не окреслена. Починаючи з глибин 0,5—2 м від земної поверхні кількість живої речовини зменшується в логарифмічній послідовності. На глибинах понад 10 м породи, як правило, вже стерильні. Та навіть у товщі стерильної породи іноді трапляються острівці життя. Найбільші глибини, де знайдено живу речовину, — 2—3 км. У нафтових родовищах на цих глибинах виявлено свою, "нафтову", мікрофлору. Нафта залягає також і на значно більших глибинах — до 5—7 км. Припускають, що й у таких глибинних родовищах можна знайти "нафтові" бактерії. Деякі дослідники нижньою межею біосфери вважають глибини, на яких температура літосфери починає перевищувати 100 °С: близько 10 км на рівнинах і 7—8 км у горах.
Межі біосфери в гідросфері окреслені чітко: біосфера охоплює всю гідросферу, в тому числі найбільші океанічні западини до 11 км, де існує значна кількість глибоководних видів.
У цілому екологічний діапазон поширення живої речовини досить великий.
♦ У 1977 р. в океані на глибині кількох кілометрів було знайдено гарячі вулканічні зони, в яких за температури 350°С існують численні термофільні бактерії (вода там не кипить через високий тиск і велику концентрацію солей).
♦ В експериментах американського дослідника Р. Камерона синьо-зелені водорості протягом кількох місяців не втрачали життєздатності в умовах, що відповідали марсіанським.
♦ Жива речовина не гине в рідкому азоті (на цій властивості ґрунтуються методи кріоконсервації всіляких живих організмів).
♦ Деякі види, наприклад ті ж таки синьо-зелені водорості, не гинуть під дією потужного іонізуючого випромінювання й оселяються в епіцентрі ядерного вибуху вже через кілька днів після його здійснення.
♦ Жива речовина здатна зберігатися навіть в умовах відкритого Космосу. Так, третя експедиція американських астронавтів забула на Місяці телекамеру. Коли через півроку її повернули на Землю, на внутрішньому боці кришки було виявлено земні бактерії, котрі без будь-яких шкідливих наслідків пережили тривале перебування за межами рідної планети. [10]
За В. І. Вернадським, верхня межа біосфери знаходиться на висоті 15-22 км, охоплюючи тропосферу і нижню частину стратосфери. Знизу біосфера обмежена глибиною 11 км і глибиною проникнення у надра Землі організмів і води у рідкому стані (2-3 км).
Нижня межа в рамках літосфери обумовлена тепловим бар’єром і, як правило, не опускається нижче 5 км. Загальна протяжність біосфери – 40 км.
В. І. Вернадський розглядав біосферу як царину життя, яка включає поряд з організмами і середовище їх існування. Горизонти біосфери, які найбільш інтенсивно заселені живими організмами, називають "плівкою життя" або плетобіосферою. [4]
Отже, біосфера (за В.І. Вернадський) — оболонка Землі, що включає як область розповсюдження живої речовини, так і саму цю речовину. Тут під живою речовиною розуміється сукупність всіх організмів, що населяють Землю. Поняття біосфери дещо умовне, оскільки крім природних місць існування органічного життя створюються і штучні (космічні кораблі, підводні човни) "острівці життя". Органічне життя зосереджене в трьох неживих географічних оболонках — геосферах Землі (літосфера, гідросфера і атмосфера). До біосфери належать і людське співтовариство з його виробництвом.
Ще з часів Ж. Б. Ламарка було відомо, що процеси, які відбуваються в геосферах Землі, мають значний вплив на структуру і властивості живої речовини біосфери. Але і сама жива речовина, як показав В.І. Вернадський, істотно перетворює геосфери. Причому з появою людства на Землі ця перетворювальна дія багатократно зросла і, за деякими оцінками, нині досягла критичного рівня.
Загальна сукупність живих організмів, виражена в масі на одиницю площі (суші, акваторії, дна водоймища) або об'єму (води, ґрунту, опадів), прийнято називати біомасою. Отже, поняття "жива речовина" біосфери еквівалентно біомасі всієї Землі. За сучасними оцінками, суха маса живої речовини біосфери становить всього 2—3 трлн т, у тисячу разів менше за масу тропосфери, в десять мільйонів разів — маси земної кори і в мільярд разів — маси Землі. Саме її дуже малі розміри тривалий час заважали геологам зрозуміти виняткову роль життя на Землі в геологічних процесах, на що і звернув увагу В.І. Вернадський.
Розподіл маси живої речовини (біомаси) в біосфері украй нерівномірний. У живій речовині абсолютно переважає фітомаса; набагато менша роль зоомаси і мікроорганізмів. Загальна вага живої речовини на Землі оцінюється в трильйон тонн. Переважна частина фітомаси зосереджена на материках, де вона розподілена вкрай нерівномірно: її багато в тропічних лісах (650 т/га), в тайзі (300 т/га), менше в чорноземних степах (10 т/га), мало в пустелях (2,5 т/га). Велика частина живої речовини представлена лісами (82 % ).
В океані переважають зоомаса і мікробіомаса — 30 млрд. т; фітомаса становить лише 1,1 млрд. т. За кількістю живої речовини океан близький до пустель (3 т/га), але в ньому спостерігаються зони різкого згущування життя — в Саргасовому морі, на мілинах шельфу, у коралових рифах і т. ін. Щорічна продукція живої речовини на Землі — 230 млрд. т, з них на материках — 170 млрд., в океані — 60 млрд. т. На материках щорічна середня продукція біомаси — 11,5 т/га, в океані — 1,7 т/га. Сумарна біомаса суші становить 97 % всієї біомаси Землі. На океан припадає лише 3 % біомаси Землі, але інтенсивність життєвих циклів в океані значно вища, ніж на суші. Незважаючи на дивно малу величину біомаси, яка щорічно виробляється на Землі, накопичена за мільйони років в осадових товщах земної кори похована органічна речовина привела до утворення таких корисних копалини, як кам'яне вугілля, нафта, газ, фосфорити та ін.
Фотосинтез і кругообіг речовин — основні чинники існування біосфери. Фотосинтез є єдиним на Землі процесом, в якому зеленими рослинами з бідних енергією неорганічних речовин (вуглекислого газу, води, мінеральних солей) за допомогою сонячної енергії у величезних масштабах утворюються складні, багаті енергією органічні сполуки. Ці сполуки, здатні до різноманітних хімічних перетворень, — основа життя всіх інших організмів біосфери. Всі види живих істот, що мешкають на Землі, використовують урешті-решт одну форму енергії хімічних зв'язків. Будь-який прояв життя на нашій планеті пов'язаний з утворенням і споживанням цієї біохімічної енергії.
Джерело енергії для фотосинтезу (сонячна радіація) і головний інструмент фотосинтезу (живий організм) перетворюють вуглекислий газ, воду і мінеральні солі на біохімічну енергію. Організми, що фотосинтезують та використовують сонячну енергію для утворення органічних речовин з неорганічних сполук і вуглекислого газу називають автотрофами (такими, що самохарчуються). Вони перетворюють енергію сонячного світла в біохімічну енергію, запасаючи її у вигляді енергії хімічних зв'язків у складних органічних молекулах. Інші організми біосфери (більшість бактерій, гриби, тварини), яким потрібні для зростання і розвитку готові органічні сполуки, — гетеротрофи, тобто ті, що харчуються іншими організмами.
Окрім фотосинтезу, іншим найважливішим для існування життя процесом у біосфері є кругообіг речовин, що відбувається завдяки наявності в біосфері автотрофів, які створюють органічні речовини з неорганічних, і гетеротрофів, які використовують ці органічні речовини і знову перетворюють їх на неорганічні сполуки, поповнюючи запас останніх у біосфері. Отже, фотосинтез і кругообіг речовин — це два основні чинники існування біосфери Землі.
1.2 Вчення Вернадського про біосферу
Одним з видатних натуралістів, що присвятив себе вивченню процесів, що протікають у біосфері, був академік В. І. Вернадський. Він став основоположником наукового напрямку, названого ним біогеохімією, яка лягла в основу сучасного вчення про біосферу.
До появи робіт В. І. Вернадського роль живих організмів на Землі представлялася вченим дуже скромною. Дійсно, здавалося б, яке може бути порівняння наслідків їхньої життєдіяльності з міццю внутрішніх сил планети, що здіймають найвищі гори, розділяючи океанські безодні, що переміщають цілі континенти.
В. І. Вернадський довів, що, який би слабкий не був кожен організм окремо, всі вони, разом узяті, протягом тривалого відрізка часу виступають як потужний геологічний фактор, що грає істотну роль у житті нашої планети. Геологічна діяльність живих організмів проявляється як наслідок наступних їхніх особливостей: вони найтіснішим образом пов'язані з навколишнім середовищем і взаємодіють із ним в процесі обміну речовиною й енергією; обмін речовин організмів із середовищем здійснюється в процесі біологічного кругообігу; сумарний ефект результатів діяльності організмів проявляється протягом дуже тривалих (у сотні мільйонів років) відрізків часу. Таким чином, пріоритет у розробці теоретичних основ навчання про біосферу належить вітчизняним ученим.
За визначеннями учених, вік Землі дорівнює приблизно 5 млрд. років. Найбільш древні сліди живих організмів знайдені в Південній Африці (Східний Трансвааль), у товщі гірських порід, вік яких дорівнює 3,2 млрд. років. Ці організми нагадували сучасних ниткоподібних бактерій. Учені навіть дали їм назва - еобактеріум ізолятум. Таким чином, можна вважати, що біосфера Землі виникла біля трьох мільярдів років тому.
Наземні організми з'явилися близько 400 млн. років тому. Це були перші примітивні рослини. З появою на суші живих організмів і виникненням рослин починається найважливіший етап в історії розвитку біосфери. Із цього періоду почалося їхнє швидке поширення по планеті, і в цей час Землю населяє величезна кількість різноманітних рослинних і тваринних організмів.
В XIX столітті в Росії поступово складалося уявлення про єдність людини й природи, про ті проблеми, з якими неминуче зіштовхнеться людство при неприборканому прагненні цілком підкорити собі природу. Взагалі ідея цільного знання, заснованого на органічній повноті життя, належить російської філософії. Вона лягла в основу напрямку громадського життя, що одержало назву "російський космізм". Саме тоді в науковому середовищі заблищали імена психолога й фізіолога І. М. Сєченова, хіміка Д. І. Менделєєва, ґрунтознавця В. В. Докучаєва, основоположника космонавтики К. Е. Ціолковського. До плеяди цих видатних учених належить і В. І. Вернадський.
В 1926 році Вернадський опублікував у Санкт-Петербурзі книгу за назвою "Біосфера", що ознаменувала народження нової науки про природу, про взаємозв'язок з нею людини. У цій роботі біосфера вперше показана як єдина динамічна система, населена й керована життям, живою речовиною планети. "Біосфера - організована, певна оболонка земної кори, сполучена з життям". У роботах по біосфері вчений показав, що взаємодія живої речовини з речовиною косною є частина великого механізму земної кори, завдяки якому відбуваються різноманітні геохімічні й біогенні процеси, міграції атомів, здійснюється їхня участь у геологічних і біологічних циклах.
В. І. Вернадський уперше показав, що хімічний стан зовнішньої кори нашої планети цілком перебуває під впливом життя й визначається живими організмами, з діяльністю яких пов'язаний великий планетарний процес – міграція хімічних елементів у біосфері. Еволюція видів, відзначав учений, що приводить до створення форм життя, стійка в біосфер і повинна йти в напрямку збільшення біогенної міграції атомів.
Біосфера являє собою надскладну планетарну оболонку життя, населену організмами, що становлять у сукупності живу речовину. Це найбільша (глобальна) екосистема Землі - область системної взаємодії живої й косної речовини на планеті.
Сукупна діяльність живих організмів у біосфері проявляється як геохімічний фактор планетарного масштабу.
Біосфера по вертикалі розділяється на дві чітко відособлені області: верхню, освітлену світлом, - фотобіосферу (у якій відбувається фотосинтез), і нижню, "темну", - меланобіосферу (у якій фотосинтез неможливий). На суші границя між ними проходить по поверхні Землі.
Біосфера охоплює нижню частину атмосфери до висоти озонового екрана (20-25 км), верхню частину літосфери (кора вивітрювання) і всю гідросферу до глибинних шарів океану. В. І. Вернадський відзначав, що "межі біосфери обумовлені, насамперед, полем існування життя". На розвиток життя, а, отже, і на границі біосфери впливають багато факторів і насамперед наявність кисню, вуглекислого газу, води в рідкій фазі. Обмежують область поширення життя й занадто високі або низькі температури. Елементи мінерального харчування також впливають на розвиток життя. До обмежуючого фактора можна віднести й над солоне середовище (перевищення концентрації солей у морській воді приблизно в 10 разів). Позбавлені життя підземні води з концентрацією солей понад 270 г/л.
У планетарній біосфері виділяють континентальну й океанічну біосфери, які відрізняються геологічними, географічними, біологічними, фізичними й іншими умовами. Нижня межа поширення живого обмежується дном океану (глибина близько 11 км) або ізотермою в 100C0 у літосфері (за даними надглибокого буріння на Кольському півострові ця цифра становить близько 6 км). Фактично життя в літосфері простежується до глибини 3-4 км. Таким чином, вертикальна потужність океанічної біосфери становить 17 км, сухопутної до 12 км. Нагору, в атмосферу, біосфера простирається не вище озонового екрана, що становить 22-24 км. Отже, межа протяжності біосфери на Землі виражається цифрою 33-35км, хоча теоретично вона може бути більш ширшою.
На основі робіт В. І. Вернадського й інших дослідників, які зробили великий внесок у вивчення біосфери планети, пропонується розрізняти три основні її форми:
· форми біологічної систематики, що включають популяції, види, роди, сімейства й ін., прийняті в ботаніці й зоології;
· біогеографічні форми - території, що характеризують географічне поширення й розподіл рослин і тварин, специфіку флори й фауни. Це біогеографічні зони, області й т. д. Окремо виділяються ботаніко-географічні й зоогеографічні території, що дають уявлення про склад і характер флори й фауни;
· екологічні форми, відомі за назвою екосистем (біогеоценозів), екотопів, біотопів й ін. Нагадаємо, що біотоп - це ділянка з однорідними екологічними умовами, зайнятий певними біоценозами, екотоп - це місце перебування співтовариства. На відміну від біотопу, поняття "екотоп" включає зовнішні стосовно співтовариства фактори середовища. Це сукупність абіотичних умов неорганічного середовища даної ділянки, що представляє собою місцеперебування конкретного співтовариства. Екологічні форми визначають специфіку вивчення біосфери в екологічних аспектах.
Речовинний склад біосфери також різноманітний. В. І. Вернадський включає в нього сім глибоко різнорідних, але геологічно не випадкових частин:
q жива речовина;
q біогенна речовина - народжуване й перетворене живими організмами (горючі копалини, вапняки й т.д.);
q косна речовина, утворена без участі живих організмів (тверде, рідке й газоподібне);
q біокосна речовина – косна речовина, перетворена живими організмами (вода, ґрунт, кора вивітрювання, мули);
q речовина радіоактивного розпаду (елементи й ізотопи уранового, торієвого й актиноуранового ряду);
q розсіяні атоми земної речовини й космічних випромінювань;
q речовина космічного походження у формі метеоритів, космічного пилу й ін.
У будові й морфології біосфери винятково важливе значення для розвитку живої речовини мають наступні її елементи (зверху вниз):
- шар живої речовини, так звана "плівка життя";
- педосфера, або ґрунтовий покрив;
- ландшафтно-екологічні системи - функціональні системи, що включають живі організми й середовище їхнього перебування;
- кора вивітрювання, тобто зона руйнування й перетворення гірських порід, їхніх мінерально-геохімічних змін у верхній частині земної кори під впливом різних факторів;
- давня біосфера (палеобіосфера) - комплекс гірських порід, рельєфу й інших ландшафтних компонентів, що залягають нижче сучасної біосфери й похованих під її новітніми утвореннями. Це гірські породи, рудні й нерудні мінерали, хімічні елементи, широко використовувані в промисловості;
- численні мінерали верхньої частини земної кори й біосфери: глини, вапняки, боксити й т.д.;
- природні води осадової оболонки;
- мільйони органічних й органо-мінеральних з'єднань: вугілля, графіт, гумусові речовини, нафта, природні гази;
- мінеральні ресурси біосфери й земної кори, розповсюджені у формі вільних елементів: міді, срібла, золота, вісмуту, платини й т.д. Всі вони - головне джерело сировини для металургії, хімічної промисловості й багатьох інших галузей. Їхній видобуток і використання в економіці ростуть рік у рік.
Зі сказаного випливає, що біосфера є результатом складного механізму геологічного й біологічного розвитку косної й біогенної речовини. З одного боку, це середовище життя, а з іншого боку - результат життєдіяльності. Головна специфіка сучасної біосфери - це чітко спрямовані потоки енергії й біогенний (пов'язаний з діяльністю живих істот) круговорот речовин.
Розробляючи вчення про біосферу, В. І. Вернадський прийшов до висновку, що головним трансформатором космічної енергії є зелена речовина рослин. Тільки вони здатні поглинати енергію сонячного випромінювання й синтезувати первинні органічні сполуки . Для пояснення великої сумарної енергії біосфери вчений зробив розрахунки, які дійсно показали величезне значення фотосинтезуючих рослин у створенні загальної органічної маси. Учений підрахував, що поверхня Землі становить менше однієї десятитисячної поверхні Сонця. Загальна ж площа трансформаційного апарата зелених рослин залежно від пори року становить уже від 0,86 до 4,2% площі поверхні Сонця. Різниця колосальна. Цей зелений енергетичний потенціал і лежить в основі збереження й підтримки всього живого на нашій планеті.
В. І. Вернадський так само, як і Ламарк 140 років тому спробував дати головні вичерпні ознаки кожного царства живого. І чим більше він вникав у проблему, тим більше ясно ставало, що вимальовується новий розріз світу. В. І. Вернадський склав таблицю з 16-ти пунктів, де розглянув відмінність живого й неживого у фізичному, хімічному й термодинамічному змісті.
Аналіз таблиці показував, що в природі немає ніяких переходів від неживого до живого: вони настільки суперечливі, що живе ні при яких умовах не може походити від неживого. Організм і косну матерію розділяє непрохідна стіна. Принцип італійського натураліста й лікаря Франческо Реді говорить, що живе походить тільки від живого, між живою й неживою речовиною проходить різка границя, хоча і є постійна взаємодія, - одержав своє підтвердження .
1.3 Гіпотези виникнення біосфери та етапи її еволюції
Біосфера має довгу історію, тісно пов'язану з еволюцією Землі. Еволюцію Землі можна умовно поділити на кілька фаз.
- Перша фаза. Формування ранньої земної кори, атмосфери та гідросфери. Виникнення геологічного кругообігу речовин.
Згідно з найпоширенішою серед астрономів і астрофізиків гіпотезою, Всесвіт виник близько 20 млрд років тому внаслідок Великого вибуху. Потім утворилася наша Галактика (8 млрд років тому).
Близько 6 млрд років тому у віддаленій частині одного з рукавів Галактики розтягнута на трильйони кілометрів газопилова хмара під дією гравітаційних сил поступово ущільнилася й перетворилася на водневий диск, що повільно обертався. З його центральної частини утворилося Сонце, де за надзвичайно високих температури й тиску початися реакції ядерного синтезу, в ході яких водень перетворювався на гелій і виділялася величезна кількість енергії. Периферичні залишки диска також зближувалися під дією сил взаємного притягання, поступово ущільнювалися, доки не перетворилися на суцільні сфери — планети Сонця. Потім поверхні таких сфер тверднули, утворюючи первинну планетарну кору.
Первинна кора нашої планети — Землі — утворилася приблизно 4,6 млрд років тому. Відтоді на її поверхні осідали метеорити й космічний пил. Завдяки ізотопному аналізові таких метеоритних залишків (метеоритного свинцю) вдалося визначити час виникнення земної кори, тобто дату народження нашої планети. З тріщин тонкої кори неперервно вивергалася розжарена лава, а разом із нею — гази. Утримувані гравітаційними силами, ці гази утворили первинну атмосферу планети. Вона складалася з метану, аміаку, водяної пари, вуглекислого газу, сірководню, ціанистого водню й практично не містила кисню та озону.
Коли поверхня планети охолола, водяна пара почала конденсуватися в атмосфері й випадати першими дощами, розчинюючи численні мінерали земної кори. Поступово вода накопичувалася, утворюючи океани. На планеті сформувалася гідросфера. Циркуляція атмосферних мас, води й розчинених у ній мінералів, переміщення магматичних продуктів на поверхню планети й знову в її надра породили великий, або геологічний, кругообіг речовин. Закінчувалася перша фаза еволюції нашої планети.
- Друга фаза. Передбіологічна (хімічна) еволюція.
Протягом цієї фази (4,6—3,8 млрд років тому) на Землі відбувалися процеси синтезу й накопичення простих органічних сполук, необхідних для існування життя: амінокислот і простих пептидів, азотистих основ, простих вуглеводів. Ці сполуки, "цеглинки життя", виникли внаслідок процесів абіотичного синтезу.
Гіпотезу про можливість виникнення таких сполук абіотичним шляхом, тобто без участі живої речовини, висловив у 1923 р. російський біохімік, академік О. І. Опарін, а вперше експериментально перевірив у 1953 р. американський аспірант С. Міллер. У своїх дослідах С. Міллер зімітував умови давньої Землі: в стерильний реактор він помістив водень, метан, аміак та воду, і крізь цю суміш пропускав електричні розряди, імітуючи блискавки в первинній атмосфері. За тиждень у реакторі було виявлено кілька амінокислот, деякі прості вуглеводи, інші органічні сполуки, які входять до складу живої речовини. Експерименти С. Міллера, повторені й підтверджені в багатьох інших лабораторіях, довели: майже всі мономери біополімерів могли синтезуватись абіотичним шляхом. Цікаво, що в зразках місячного реголіту (поверхневої породи, яка не має аналогів на Землі) також знайдено "цеглинки життя": деякі амінокислоти й прості вуглеводи, пурини й піримідини — одні з основних компонентів нуклеїнових кислот. Органічні речовини нагромаджувалися в океані, утворюючи так званий "первинний бульйон".
Релігія розглядає виникнення життя на Землі як акт творіння Господа, даючи часом досить витончені тлумачення опису цього акту Книгою Буття й різко критикуючи наукові гіпотези природного походження життя.
"Одні вірять у біблійну історію створення, інші — в доводи сучасного природознавства, але всі згодні, що життя зародилося в океані. Ні Бог, ні природа не могли б створити людину з безживної вулканічної породи. Довгий і складний розвиток, вінцем якого стала людина, починався в товщі океану, коли енергія Сонця вперше перетворила гази й продукти вивітрювання гірських порід на протоплазму й живі клітини."
Т. Хейєрдал,
норвезький етнограф,
географ, археолог, мандрівник
Релігія розглядає виникнення життя на Землі як акт творіння Господа, даючи часом досить витончені тлумачення опису цього акту Книгою Буття й різко критикуючи наукові гіпотези природного походження життя.
Деякі вчені (в тому числі видатні — В. І. Вернадський, Ф. Крик) вважають, що живі організми були занесені на Землю з Космосу або з метеоритами й космічним пилом (гіпотеза панспермії), або "зародки життя" розсилатися на зорі геологічної історії Землі якоюсь космічною надцивілізацією для запліднення безживних, але потенційно придатних для життя планет (спрямована панспермія). [2]
Проте більшість біологів та еволюціоністів вважають, що життя на Землі виникло природним шляхом, у результаті процесів абіогенного синтезу. Сьогодні на основі цього припущення висунуто цілу низку наукових гіпотез, які, конкуруючи між собою, все ж мають спільні принципові позиції:
а) виникненню життя передувало нагромадження в Світовому океані органічних речовин, синтезованих абіогенним шляхом;
б) у зонах концентрації цих речовин виникли молекули, здатні до самокопіювання (стосовно живого цей процес називають реплікацією, отже Р. Докінз запропонував називати такі молекули реплікаторами);
в) на основі реплікаторів сформувалися реакції й механізми матричного синтезу (в тому числі біосинтез білків), генетичний код, що й зумовило виникнення на планеті клітин живої речовини. Перше твердження вже доведено експериментально, а для другого й третього — фізиками, математиками, біологами й хіміками запропоновано низку моделей, кілька з яких мають непрямі експериментальні підтвердження.
Слід зазначити, що жодну з гіпотез (ні створення, ні панспермії, ні абіогенного походження) прямими експериментами не доведено, хоч апріорі деякі з них здаються переконливими. Яку з гіпотез прийняти — це питання свободи совісті, ерудиції й навіть (за висловом американської вченої-еволюціоністки Л. Маргеліс) — справа смаку.
Незалежно від того, яким шляхом з'явилося життя на нашій планеті, жива речовина докорінно змінила її зовнішній вигляд: на Землі виникла біосфера.
- Третя фаза. Давня біосфера. Еволюція ирокаріотичного світу. Виникнення біологічного кругообігу речовин. Формування кисневої атмосфери.
Ця фаза еволюції нашої планети почалася приблизно 3,8—4 млрд років тому. Рештки перших живих організмів (їхній вік становить 3,8 млрд років) дійшли до нас у вигляді так званих строматолітів — вапнякових решток синьо-зелених водоростей і актиноміцетів, а також у вигляді осадових порід, у котрих шари двовалентного заліза чергуються з шарами окисненого тривалентного, подібно до того, як це нині спостерігається в "мікробних матах" на узбережжях багатьох субтропічних морів.
Перші живі організми мали примітивну — прокаріотичну — будову, були анаеробами, тобто організмами, які існують у безкисневому середовищі. Вони жили в морях, "ховаючись" на глибині від згубного ультрафіолетового випромінювання Сонця, оскільки на планеті ще не існувало захисного озонового шару. Необхідні для життя енергію й речовини перші мешканці Землі діставали, використовуючи готові органічні сполуки первинного бульйону, тобто були гетеротрофами. Така "споживацька" стратегія життя, що ґрунтувалася на використанні обмежених запасів органічних речовин, нагромаджених протягом тривалої передбіологічної історії, могла б призвести до цілковитої переробки всього низькоентропійного й енергетично цінного матеріалу у відходи й урешті-решт — до загибелі всього живого.
Проте криза не настала, бо серед величезної різноманітності способів добування енергії й поживних речовин, які "випробовувалися" в давньому світі прокаріот, швидко з'явився принципово новий тип живлення — автотрофний. Організми-автотрофи для побудови своїх клітин не використовували готові органічні речовини, а самі синтезували їх з неорганічних — вуглекислого газу, води, азотовмісних і фосфоровмісних сполук. Такі процеси потребували значних енергетичних затрат. Необхідну енергію автотрофи діставали або за рахунок окисних реакцій — у процесі хемосинтезу, або в результаті прямого вловлювання й перетворення променистої енергії Сонця — фотосинтезу.
Перші автотрофні організми, мабуть, були хемосинтезуючими й діставали потрібну енергію, окислюючи або сірку в сірководні до молекулярної сірки, або двовалентне залізо до тривалентного й т. п. Але справжня революція в юній біосфері почалася з появою фотосинтезуючих бактерій — ціанобактерій (синьо-зелених водоростей), які "навчилися" використовувати найпотужніше й найстабільніше в планетарному масштабі джерело енергії — сонячне світло.
З появою автотрофів на планеті замкнувся цикл біологічного кругообігу речовин, і на мільярди років відступила загроза енергетичного й харчового голоду. Автотрофи, що здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних, дістали загальну назву — продуценти, а гетеротрофи, які розкладають органічні сполуки до неорганічних, — редуценти. Водночас виникла ще одна група організмів, котрі використовували готові органічні речовини, не розкладаючи їх до мінеральних, а трансформуючи в інші органічні речовини. Цю групу споживачів-трансформаторів готової органіки називають консументами. Першими консументами були бактерії, що живились органікою загиблих продуцентів (так званий сапротрофний тип живлення) або вели паразитичний спосіб життя всередині клітин продуцентів чи консументів-сапротрофів.
Відтоді естафету життя розпочинали автотрофи-продуценти, які з вуглекислого газу й води за допомогою сонячного світла чи то енергії окисно-відновних реакцій створювали молекули простих цукрів. Далі цукри полімеризувалися в полісахариди або трансформувалися в амінокислоти, нуклеотиди, жирні кислоти, гліцерин тощо, з яких утворювалися білки, нуклеїнові кислоти, жири та інші необхідні для клітини компоненти. З погляду другого закону термодинаміки, продуценти створювали низькоентропійні сполуки, використовуючи для цього поглинуту променисту енергію.
Ці низькоентропійні, а отже, високоенергетичні сполуки — органічні речовини — в подальшому споживалися консументами. Зазвичай консументи спочатку поглинали складні органічні речовини, а потім частково розкладали їх на простіші, наприклад, полісахариди — на прості цукри, звільняючи енергію, потрібну для підтримання своєї життєдіяльності. Добута енергія витрачалася на трансформацію залишків використаних складних органічних речовин в інші необхідні речовини й на підтримання процесів метаболізму організмів-споживачів.
І нарешті, органічна речовина відмерлих продуцентів і консументів споживалася редуцентами. Давні редуценти, на відміну від консументів, виділяли в зовнішнє середовище ферменти (так звані екзоферменти), що розкладали складні органічні сполуки на простіші, а потім поглинали ці прості сполуки. Всередині клітин більшу частину поглинутих простих органічних сполук редуценти окиснювали до мінеральних речовин, одержуючи необхідну енергію, а із залишків створювали потрібні для себе складніші органічні речовини.
Отже, жива речовина (біота) — продуценти, консументи й редуценти — утворила ланцюг живлення (трофічний ланцюг), який через неживу речовину — мінеральні сполуки — замкнувся в коло. Відтоді продуценти синтезували органічні речовини з неорганічних, консументи їх трансформували, а редуценти розкладали до мінеральних сполук, які потім знову споживалися продуцентами для процесів синтезу. З потоку речовин у цьому колі утворився біологічний кругообіг речовин.
Геологічний і біологічний кругообіги речовин разом склали біогеохімічний кругообіг, з'єднавши в ньому водночас величезну потужність першого й надзвичайні швидкість та активність другого. Біогеохімічний кругообіг "налагоджувався" приблизно 1,5-2 млрд років, потім стабілізувався, суттєво не змінюючись протягом більш як 2 млрд років — дотепер.
Поява фотосинтезуючих продуцентів, окрім усього іншого, мала один важливий наслідок — на Землі сформувалася киснева атмосфера, яка визначила подальші етапи еволюції планети й біосфери.
Майже всі первинні прокаріотичні організми були анаеробами. Кисень, життєво необхідний переважній більшості видів, що існують нині, для давніх організмів був однією з найсильніших отрут. Надзвичайно активний окиснювач, вільний кисень, руйнував, дезактивував, "спалював" більшість ферментів давніх бактерій-анаеробів, тому вони діставали енергію лише за рахунок безкисневих і низькоефективних процесів бродіння й розщеплення простих цукрів — шляхом гліколізу. Однак саме кисень виділяли в процесі фотосинтезу первинні продуценти-фотоавтотрофи — синьо-зелені водорості. Оскільки через високу вулканічну активність планети давні моря були дуже теплими, то лише незначна кількість цього кисню розчинялась у воді Світового океану. Основна маса кисню нагромаджувалася в атмосфері, де зрештою окиснювала метан і аміак у вуглекислий газ, вільний азот та його оксиди. З дощами вуглекислий азот і азотні сполуки потрапляли в океан і там споживалися продуцентами. Поступово кисень замістив у атмосфері метан і аміак. Частина кисню під впливом сонячного світла й електричних розрядів у атмосфері перетворювалася на озон. Молекули озону, концентруючись у верхніх шарах атмосфери, прикрили поверхню планети від згубної дії ультрафіолетового випромінювання, що йшло від Сонця. У цей час у Світовому океані серед бактерій виникли види, здатні спочатку тільки захищатися від розчиненого у воді кисню, а в подальшому "навчилися" використовувати його для окиснення глюкози й одержання додаткової енергії, На зміну низькоефективним процесам бродіння й гліколізу прийшов енергетично набагато вигідніший процес кисневого розщеплення простих цукрів. Організми, що діставали енергію цим шляхом, не лише не отруювалися киснем, а навпаки, мали від нього користь. Такі організми названо аеробними. Оскільки шар озону захищав тепер клітини від ультрафіолетового випромінювання, аероби почали колонізацію багатих на кисень поверхневих шарів Світового океану та його мілководь — шельфу. Жива речовина заселила всю гідросферу.
- Четверта фаза. Виникнення еукаріот. Заселення суші. Сучасна біорізноманітність органічного світу.
Ця важлива фаза в розвитку нашої планети та її біосфери ознаменувалася виникненням істот принципово нового типу — побудованих з еукаріотичних клітин. Еукаріотичні клітини значно складніші за прокаріотичні. Вони диференційовані на системи певних органоїдів (ядро, мітохондрії, ендоплазматична сітка, комплекс Гольджі, лізосоми, хлоропласти тощо), здатні до мітозу, мейозу й статевого процесу, можуть живитися шляхом фагоцитозу й пінозитозу і т. д. Завдяки здатності до статевого процесу еукаріоти еволюціонують набагато швидше за прокаріот і мають більший адаптивний потенціал, а отже, краще пристосовуються до змін умов існування. Вважають, що еукаріотична клітина виникла приблизно 1,2 млрд років тому в результаті серії симбіозів різних прокаріотичних клітин, одні з яких дали початок клітині-хазяїну, інші — трансформувалися в мітохондрії та хлоропласти. Перші еукаріоти були гетеротрофними одноклітинними організмами. Вони, шляхом залучення до своєї клітини прокаріотичних фото-автотрофів, поклали початок еукаріотичним одноклітинним водоростям. У подальшому від автотрофних і гетеротрофних еукаріот відокремилося кілька груп грибів. Окрім того, одноклітинні гетеротрофні прокаріоти є родоначальниками багатоклітинних безхребетних тварин.
За порівняно короткий час — кілька десятків мільйонів років — еукаріоти "перевідкрили" багатоклітинність, "відкрили" тканинну будову, і близько 430—415 млн років тому перші рослини — нащадки водоростей, а слідом за ними й різноманітні тварини та гриби вийшли на сушу, завершуючи колонізацію всієї поверхні нашої планети.
З виходом живої речовини на сушу прискорилися процеси вивітрювання гірських порід. Відтоді не лише коливання температури, дощі та вітри руйнували гірські масиви, а й величезна армія рослин, бактерій, грибів і лишайників подрібнювала, розпушувала, розчиняла мінерали. Консументи-тварини, споживаючи продуцентів, швидко переносили вміщені в органічній речовині елементи на значні відстані, редуценти вивільняли, розкладали, перевідкладали органіку консументів. Частина вивільнених мінеральних і напівперероблених органічних речовин трансформувалася в гумус, утворюючи родючі біокосні системи — ґрунти. Те, що не поверталося в біологічний кругообіг або не запасалося в ґрунті, змивалося дощами в річки й виносилося в Світовий океан, де споживалося, концентрувалось або перевідкладалось у вигляді осадових порід мешканцями гідросфери. Тектонічні переміщення земної кори повільно виносили осадові породи на поверхню, роблячи нагромаджені в них речовини знову доступними для живої речовини літосфери. [10]
Більшість авторів гіпотез про походження життя на Землі припускали, що протягом величезного проміжку часу наша планета була інертною і на її поверхні, в атмосфері і океані відбувався повільний абіогенний синтез органічних сполук, який привів до утворення перших примітивних організмів. Встановилося майже традиційне уявлення про те, що на Землі відбувалася тривала хімічна еволюція, яка передувала біологічній і охоплювала інтервал часу не менше 1 млрд. років.
Фосилізовані (такі, що скам'яніли) залишки організмів зустрічаються у відкладеннях етапів геологічної історії, що охоплюють 570 млн. років. За ініціативою американського геолога Ч. Шухерта цей період названий фанерозойським еоном, або фанерозоєм (від грец. phaneros— очевидний, чіткий і zое — життя). До фанерозою належать три останні ери в історії земної кори: палеозойська, мезозойська і кайнозойська.
Стародавня і найтриваліша частина геологічної історії названа криптозоєм (від грец. kriptos — прихований), що охоплює величезний проміжок часу — 570—4500 млн. років тому. Вона позначається як докембрій. Цей первинний етап геологічної історії біосфери прийнято поділяти на два послідовні періоди:
а) архейська ера тривалістю близько 1900 млн. років,
б)протерозойська ера тривалістю близько 2000 млн. років. Геохронологічна шкала викликає інтерес в аспекті розгляду послідовності етапів розвитку біосфери, оскільки дає змогу датувати історію виникнення видів організмів. Так, архей — це час примітивних одноклітинних бактерій, протерозой — час різноманітних бактерій і водоростей. З початком палеозою пов'язують першу появу численних безхребетних, що мають мушлю, окам'янілі останки яких знаходять у гірських породах повсюди. У палеозої з'явилися перші хребетні близько 450 млн. років тому (ордовицький період), перші комахи — 350 млн. років тому (девон), перші рептилії — 300 млн. років тому (кам'яновугільний період), перші хвойні — 220 млн. років тому (пермський період). З мезозоєм пов'язана поява перших динозаврів і перших ссавців (200 млн. років тому в тріасі) і перших птахів, і соснових дерев (160 млн. років тому в юрському періоді).
Кисень в атмосфері. У розвитку біосфери найважливішу роль відіграло поступове зростання концентрації кисню в атмосфері, яке створило умови для формування озонового шару в атмосфері, переходу на сушу життя, що зародилося в океані, і появи надалі вищих тварин. Первинна атмосфера була майже без кисню (0,1 % від сучасного рівня). Зміна складу атмосфери почалася приблизно 2 млрд. років тому, коли з'явилися перші фотосинтезуючі організми. Цей процес розвивався до появи 1,5 млрд. років тому сучасних хлорофілових "кліток", які стали виділяти велику кількість кисню і поглинати вуглекислий газ. Їх попередники — прокаріоти (клітина без ядра) були першими фотосинтезуючими організмами (ймовірно, це були синьо-зелені водорості, виявлені в докембрійських відкладеннях в Онтаріо).
Приблизно 1 млрд. років тому кількість кисню становила 1% від сучасного рівня. У цю епоху важливою була роль фотосинтезуючої активності фітопланктону, з'явився озоновий шар, який затримує згубні для організмів ультрафіолетові промені, що сприяло подальшому розвитку органічного життя в поверхневому шарі води.
Близько 600 млн. років тому почався важливий біосферний процес: заселення материків живими істотами — з'явилися нижчі автотрофні рослини, потім складніші види рослин, що супроводжувалося різким збільшенням вмісту кисню в атмосфері (від 3 % від сучасного рівня 700 млн. років тому до 50 % до початку крейдяного періоду 140 млн. років тому).
Основні етапи розвитку біосфери. Можна умовно виокремити такі послідовні етапи еволюції біосфери: синтез простих органічних сполук, біогенез, антропогенез, техногенез і ноогенез.
1. Синтез простих органічних сполук (хімічна еволюція) в геосферах Землі здійснювався під дією ультрафіолетової радіації: метану, аміаку, водню, пари води. Початок етапу — 3,5—4,5 млрд. років тому.
2. Біогенез — перетворення речовини геосфери Землі в живу речовину біосфери (утворення високомолекулярних органічних сполук з простих сполук під дією геофізичних чинників). Початок етапу — 2,5—3,5 млрд. років тому (поява живої речовини біосфери).
3. Антропогенез — поява людини і перетворення її на соціальну істоту, формування суспільної організації людських співтовариств у процесі виробничої трудової діяльності. Початок етапу — 1,5—3 млн. років тому (поява людини).
4. Техногенез — перетворення природних комплексів біосфери в процесі виробничої діяльності людини і формування техногенних і природно-технічних комплексів, тобто техносфери, як складової біосфери. Початок етапу — 10—15 тис. років тому (поява міських поселень).
5. Ноогенез — процес перетворення біосфери в стан розумово керованої соціально-природної системи (ноосфери). Її можна схарактеризувати як стан біосфери, за якого здійснюються:
а) раціональне використання природи, тобто раціональне природокористування;
б) стійкий розвиток світової людської спільноти.
Слід зазначити, що важливий вплив на еволюцію біосфери справив дрейф континентів, у результаті якого еволюція різних груп організмів пішла різними шляхами. Згідно з теорією дрейфу континентів, висунутою Альфредом Вегенером у 20-х роках XX ст., сучасні континенти виникли з єдиного масиву сущі, що одержав назву Пангея, який існував на нашій планеті ще в палеозої як острів у Світовому океані. Приблизно 200—250 млн. років тому наприкінці палеозою — на початку мезозою Пангея "розкололася" на два великі масиви суші, які стали "розходитися", що зумовило формування нових океанів. Індія і континенти, що знаходяться зараз у Південній півкулі (Південна Америка, Африка, Антарктида, Австралія), утворювали разом єдиний материк Гондвана. Нинішня Північна Америка, Європа і Азія утворили материк Лавразія.
В юрський період Гондвана і Лавразія відокремилися одна від одної. На той час еволюція динозаврів досягла досить високого ступеня, хвойні ліси існували вже впродовж мільйонів років, з'явилися перші птахи і ссавці. Ще до того як почався поділ Гондвани на південні континенти й Індію, що існують нині, динозаври і хвойні ліси зайняли панівне становище серед живих організмів. Після поділу Гондвани еволюція видів на різних континентах пішла різними шляхами. Так, сумчасті ссавці досягли великої різноманітності в Австралії і Південній Америці, тоді як плацентарні ссавці зайняли домінуюче становище на інших континентах.
Приблизно в цей же час відбувся поділ Лавразії, де вже існували хижі, копитні гризуни, примати і багато інших ссавців. Тому не дивно, що північноамериканські, азіатські і європейські види ссавців пов'язані між собою ближчою спорідненістю, ніж із ссавцями Австралії і Південної Америки. Нинішні континенти сформувалися в основному наприкінці мезозою, близько 110 млн. років тому, хоч Індія, переміщаючись на північ, з'єдналася з Азією тільки 20—30 млн. років тому. [5]
1.4 Будова біосфери
Планета Земля унікальна. На ній серед інших планет Сонячної системи в тонкому шарі, де взаємодіють вода (гідросфера), земля (літосфера) і повітря (атмосфера), мешкають живі організми. Цей шар називається біосферою (від грец. bios— життя, sphaira— куля).
Біосфера (за В.І. Вернадським) — область планети, в якій існує або коли-небудь існувало життя і яка постійно піддається або піддавалася дії живих організмів.
Погляди видатного вченого про провідну роль живої речовини в утворенні сучасного хімічного складу атмосфери, гідросфери і частини літосфери отримали різностороннє підтвердження.
Біосфера є єдиним місцем існування людини та інших живих організмів. З побудов В. І. Вернадського та інших учених випливає закон незамінності біосфери.
За цим законом, кінцеве завдання охорони природи — це збереження біосфери як єдиного місця існування людського суспільства. Сучасні філософські концепції зводяться до того, що процес взаємодії суспільства і біосфери має бути керованим і не повинен призвести до деградації біосфери як середовища існування суспільства. На відміну від біогенезу цей етап еволюції біосфери розглядають як етап розумного розвитку, тобто ноогенезу. Відповідно відбувається поступове перетворення біосфери в ноосферу. Під цим терміном мається на увазі особлива оболонка Землі, що включає суспільство з індустрією, мовою, господарською діяльністю, релігією. Ноосфера розглядалась як "мислячий пласт", що розгортається над біосферою, зовні її.
Біосфера неминуче перетвориться на ноосферу, тобто сферу, де розум людини відіграватиме домінуючу роль у розвитку системи "людина — природа". Цей закон справедливий, хоча деякі сучасні учені розглядають його як соціальну утопію. Водночас очевидно, що якщо людство не почне регулювати свою чисельність, управляти власними діями на природу, спираючись на її закони, то воно приречене на загибель. Тому значення закону ноосфери бачиться в тому, що люди управлятимуть не природою, а перш за все собою.
В. І. Вернадський вважав, що ноосфера — це нове геологічне явище на Землі. В ній вперше людина стає могутньою геологічною силою. Але мислити і діяти людина, як і все живе, може тільки в області розповсюдження життя, тобто в біосфері, з якою вона нерозривно пов'язана і з якої не може піти.
Біосфера — це геологічна земна оболонка, яка не тільки охоплена життям, а й структурно ним організована. При цьому біосфера як планетна система входить у більшу надсистему Землі, якій властива єдність взаємодії земних і космічних процесів.
Таким чином, найважливішими особливостями біосфери є її організованість і стійка динамічна рівновага. Організованість означає, що біосфера — не хаос розрізнених складових, а деяке єдине і пов'язане ціле.
Наприклад, термодинамічний рівень організованості біосфери виражається в наявності двох взаємопов'язаних шарів: верхнього, освітленого (фотобіосфера), де існують фотосинтезуючі організми, і нижнього, ґрунтового (афотобіосфера), де розміщена зона підземного життя.
Сучасна біосфера разом із живою речовиною включає повністю гідросферу, верхню частину літосфери і нижню частину атмосфери.
Гідросфера. Ця геосфера є сукупністю океанів, морів, озер, річок, боліт, підземних вод і льодовиків. Вона утворює переривисту водну оболонку Землі, що займає більше 70% її поверхні. Маса гідросфери розподілена вкрай нерівномірно: 98,3% її становить Світовий океан, 1,6% зв'язано в материкових льодах і лише 0,1% припадає на води материків.
Вода — один із найважливіших, незамінних природних ресурсів, хімічна сполука водню і кисню. Найпростішу формулу — Н2О — має водяна пара. Молекула рідкої води складається головним чином зі сполуки двох простих молекул (Н2О)2. Лід — сполука трьох простих молекул – (Н2О)3. Вода — це єдина речовина на Землі, що існує в природі в усіх трьох агрегатних станах: рідкому, твердому, газоподібному.
Гідросфера — компонент неживої матерії, але з нею пов'язано життя на Землі. Там, де є вода, є і життя. Вода — найважливіша складова будь-якої живої клітини. Біохімічні реакції протікають у воді, оскільки більшість органічних сполук із біологічної підмножини водорозчинні. На зорі виникнення життя летючі органічні сполуки розсіювалися в атмосфері й розпадалися. Ті, що не розчинялися у воді, занурювалися на дно, а у воді залишалися переважно водорозчинні речовини, які й брали участь у подальшій еволюції життя.
Функції води дуже різноманітні. Вода порівняно з рештою речовин земного походження має унікальні й аномальні властивості, наприклад, термодинамічні (теплоємність, константи паротворення і кристалізації) і фізико-хімічні (в'язкість, досягнення максимальної щільності при 4°С, нестисливість, високий коефіцієнт поверхневого натягу, плавучість льоду, розчинювальна здатність, можливість формування лужного, нейтрального і кислого середовища).
Різноманітність скупчень і рухів води в різних її фазових станах — це хмари, водоспади, річки, озера, засніжений ліс, льодовики, морський прибій, тобто естетичний ресурс планети Земля.
Світовий океан, що є основною частиною гідросфери, — це середовище існування величезної кількості найрізноманітніших представників рослинного і тваринного світу і світу мікроорганізмів. Всі морські організми поділяють на три великі групи: планктон, нектон і бентос. Планктон (від грец. planktos — ширяючий, блукаючий та оп — живе) — найбільша за числом видів група організмів, що включає рослини і тварин, які не здатні самостійно пересуватися, "ширяючих" у товщі води і переміщуваних течіями. Планктон поділяють на фіто- і зоопланктон. Основна маса фітопланктону зосереджена в поверхневому (60 – 80-метровому) шарі води океанів, де для фотосинтезу достатньо сонячного світла. До нектону (від грец. nektos — плавний) належать тварини, здатні самостійно пересуватися у воді (риби, водні ссавці, кальмари та ін.). Організми, прикріплені до дна водоймищ, що повзають по ньому і зариваються в нього, відносять до бентосу (від грец. benthos— глибина), який поділяється на фітобентос (різноманітні багатоклітинні водорості) і зообентос (губки, хробаки, молюски та інші безхребетні).
Маса живої речовини в гідросфері розподілена вкрай нерівномірно. Найбільшу біомасу має фітопланктон, області концентрації якого займають близько 10% площі Світового океану і в основному розташовані на шельфах. Оскільки для більшості представників нектону і зообентосу фітопланктон є основним або єдиним джерелом їжі, розподіл областей їх концентрації приурочений до ареалів фітопланктону.
Літосфера. У сучасному розумінні літосфера (від грец. litos — камінь та sphaira — куля) — верхня тверда оболонка Землі, товщина якої коливається в межах 50—200 км. Верхня частина літосфери утворює земну кору, а нижня — верхню частину мантії Землі. Земна кора, що є, на відміну від гідросфери, суцільною оболонкою планети, складається із трьох шарів: осадового, гранітного і базальтового. Осадовий шар в основному складений осадовими породами (глинами, пісковиками, вапняками, доломітом, гіпсом та ін.), що утворилися на поверхні Землі в основному в результаті відкладення продуктів вивітрювання і руйнування стародавніх порід, хімічного і механічного випадання осаду з води, а також продуктів життєдіяльності організмів. Потужність осадового шару вкрай мінлива: в одних місцях його немає, в інших він досягає товщини 20—26 км. Загальний об'єм цього шару становить близько 10 % від обсягу всієї земної кори, причому основна частина порід, що його складають, припадає на материки і шельфи океанів.
Нижня межа біосфери проходить у верхній частині земної кори. Виразне розповсюдження життя простежується тут лише до глибини в декілька десятків метрів, проте з підземними водами мікроорганізми розповсюджуються до глибин 2-3 км, хоча відомі випадки виявлення мікроорганізмів у нафтових водах і нафті, видобутих при бурінні свердловин з глибин більше 4 км.
З погляду концентрації живої речовини в біосфері особливий інтерес становить ґрунтовий шар, товщина якого в різних ландшафтних і кліматичних зонах змінюється в широких межах (від декількох сантиметрів до 1—1,5 м). Практично вся рослинність суші, а отже, і весь її тваринний світ пов'язані з ґрунтом як необхідним джерелом їжі.
Ґрунт. Тверда земна кора, на якій ми мешкаємо (літосфера), має складну будову. Верхні шари літосфери (до 2—4 км) називають літобіосферою, а поверхневий шар — ґрунтом. У глибину Землі живі організми проникають на невелику відстань. Найбільша глибина, на якій у породах земної кори були знайдені бактерії, становить 4 км, на дні океанів — до 11 км.
Ґрунт є найважливішою ланкою, що зв'язує біотичні й абіотичні компоненти наземних екосистем. У цьому полягає особлива роль ґрунту в біосфері. Процес утворення ґрунту отримав назву ґрунтоутворення. Наука про ґрунти називається ґрунтознавством. Ґрунтоутворення — результат фізичного, хімічного і біологічного перетворення гірських порід. Воно є трифазним середовищем, що містить тверді, рідкі й газоподібні компоненти. Найважливішою властивістю ґрунту є його родючість.
Василь Васильович Докучаєв (1846—1903) — видатний російський учений — вперше представив ґрунт як динамічне, а не інертне середовище в класичній роботі "Російський чорнозем", де розглянув ґрунти Росії і їх утворення. В. В. Докучаєв виявив головні ґрунтотвірні чинники — клімат, геологічну основу (материнська порода), топографію (рельєф), живі організми і час. Всі ці чинники належать до екологічних (чинників середовища існування).
Родючість ґрунту визначається як здатність ґрунту забезпечити органічне і мінеральне живлення рослин. Надлишок або нестача гумусу, а також едафічні чинники визначають родючість ґрунту.
Едафічні чинники (від грец. edaphos— ґрунт) — сукупність фізичних і хімічних властивостей ґрунту.
Гумус, або перегній, — це складний комплекс органо-мінеральних сполук, що утворилися з органічних залишків рослин і тварин шляхом розкладання останніх за допомогою мікроорганізмів.
Ріст рослин залежить від вмісту потрібних поживних речовин у ґрунті і від його структури.
До складу ґрунту входять чотири важливі структурні компоненти: мінеральна основа (зазвичай 50—60 % загального складу ґрунту), органічна речовина (до 10 %), повітря (15—22 %) і вода (25—35 %). Мінеральний кістяк ґрунту — це неорганічний компонент, який утворився з материнської породи внаслідок її вивітрювання.
Структура ґрунту. Мінеральні фрагменти, що утворюють речовину ґрунтового кістяка, різні — від валунів і каміння до піщаних крупинок і найдрібніших частинок глини. Матеріал кістяка зазвичай довільно розділяють на дрібний ґрунт (частинки < 2 мм) і більші фрагменти. Частинки менше 1 мкм у діаметрі називають колоїдними. Механічні й хімічні властивості ґрунту в основному визначаються тими речовинами, які належать до дрібного ґрунту. Співвідношення частинок різних розмірів у дрібному ґрунті досліджують шляхом механічного аналізу в лабораторії або за наявності досвіду на дотик у полі.
Структура ґрунту має велике значення для сільського господарства. Середньо-дрібноструктурні ґрунти, такі як глина, суглинки й алеврити, містять достатньо поживних речовин і здатні утримувати воду. Піскуваті ґрунти швидше дренуються і втрачають поживні речовини через вилуговування, але їх вигідно використовувати для отримання ранніх урожаїв: їх поверхня висихає ранньою весною швидше, ніж у глинистих ґрунтів, що сприяє кращому прогріванню. Ступінь каменистості ґрунту теж має значення, оскільки впливає на швидкість зносу сільськогосподарських знарядь, а також на дренаж. Зі збільшенням вмісту каміння в ґрунті зменшується його здатність утримувати воду.
Ідеальний ґрунт має містити приблизно рівні кількості глини і піску в поєднанні з частинками проміжних розмірів. У цьому випадку утворюється пориста, крупчаста структура, і ґрунти називаються суглинками. Вони зазвичай мають переваги двох крайніх типів ґрунтів і не мають їх недоліків. Таким чином, легко здійснюваний механічний аналіз ґрунту дає корисне уявлення про його вірогідні властивості.
Земля необхідна людині для різних цілей, які інколи несумісні. Зростає зневага до істинної цінності землі. Це нерідко призводить до того, що в ролі "годувальниці" вона цінується нижче, ніж як "основа для бетонного фундаменту". Земля — слово особливе. Так називається наша планета. Йдучи на чужину, наші предки брали із собою жменю рідної землі і берегли її як святиню.
Світ ґрунтів — "душі ландшафту", за висловом В. В. Докучаєва, мінливий, ранимий. Створений рослинами і тваринами, він управляє біогеоценозом, відновлюючи його зональний тип. Динамічність ґрунтів цілком пов'язана з динамічністю біосфери, і цей зв'язок може зіграти з людьми злий жарт, якщо ми не враховуватимемо ті численні процеси, які протікають у "четвертій стихії" — ґрунті.
Атмосфера. Третя геосфера Землі, з якою пов'язана біосфера, — це атмосфера, що є газовою оболонкою Землі, яка складається з азоту (78,08 % об'єму), кисню (20,95 %), аргону (0,93 %) і вуглекислого газу (0,03 %). На частку решти газів припадає близько 0,01 % загального об'єму атмосфери. З віддаленням від поверхні Землі щільність атмосфери поступово зменшується до висоти близько 3 тис. км, де стає рівною щільності міжпланетного простору. Звичайно атмосферу представляють у вигляді сукупності шарів — тропосфери, стратосфери та іоносфери. Тропосфера, що містить у собі близько 80 % маси всієї атмосфери і практично всю водяну пару, сягає висоти приблизно 9 км (на полюсах) — 17 км (на екваторі). У нижній частині стратосфери, що простягається від верхньої межі тропосфери до висоти близько 50 км, розташовується озоновий шар, для якого характерний підвищений вміст озону. Концентрація озону на висотах розміщення озонового шару 15—26 км більш ніж у 100 разів перевищує його концентрацію біля поверхні Землі.
Озон О3 утворився в результаті реакції між атомарним (О) і молекулярним (О2) киснем під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця.
Ультрафіолетове випромінювання Сонця — це електромагнітні хвилі сонячного випромінювання з довжиною хвилі менше 400 нм, а видиму частину сонячного спектра становить проміння з довжиною хвилі 400—760 нм. Вище озоносфери існування життя неможливе без спеціального захисту через жорстке ультрафіолетове випромінювання Сонця.
Вплив атмосферних чинників на біологічні процеси величезний — це саме життя. Атмосфера — один із продуктів процесу виникнення і розвитку Землі. Кисень і дихання — синоніми життя. "Поки дихаю — сподіваюся" (Овідій). У міру переходу до більш високоорганізованих форм життя залежність від кисню збільшується: анаероби (мікроорганізми) можуть жити без нього завжди, жаби — кілька днів, люди — кілька хвилин.
В атмосфері знаходиться приблизно 1 % від загальної кількості води на планеті, але цього достатньо, щоб дощі підтримували життя на Землі.
Горизонтальні й вертикальні переміщення повітряних мас відіграють провідну роль у формуванні погоди і клімату. Основними силами, що визначають горизонтальний рух повітря, є перепади тиску, сили Коріоліса і тертя. Нерівномірний нагрів атмосфери Сонцем створює перепади тиску. [5]
2. Роль живої речовини
2.1 Жива речовина планети
Одним із центральних ланок концепції біосфери є вчення про живу речовину. Досліджуючи процеси міграції атомів у біосфері, В.І.Вернадський підійшов до питання про генезис (походження, виникнення) хімічних елементів у земній корі, а після цього й до необхідності пояснити стійкість з'єднань, з яких складаються організми. Аналізуючи проблему міграції атомів, він прийшов до висновку, що "ніде не існують органічні сполуки, незалежні від живої речовини". Пізніше він формулює поняття "живої речовини": "Жива речовина біосфери є сукупність її живих організмів... Я буду називати сукупність організмів, зведених до їхньої ваги, хімічному складу й енергії, живою речовиною". Головне призначення живої речовини і його невід'ємний атрибут - нагромадження вільної енергії в біосфері. Звичайна геохімічна енергія живої речовини виробляється насамперед шляхом розмноження.
Наукові ідеї В. І. Вернадського про живу речовину, про космічність життя, про біосферу й перехід її в нову якість - ноосферу своїми коріннями йдуть в XIX - початок XX ст., коли філософи й натуралісти робили перші спроби осмислити роль і завдання людини в загальній еволюції Землі. Саме їхніми зусиллями людина почала своє просування до вершин природної еволюції живого, поступово займаючи екологічну нішу, відведену йому природою.
В 30-і роки В.І.Вернадський із загальної маси живої речовини виділяє людство як його особливу частину. Таке відокремлення людини від усього живого стало можливим по трьох причинах. По-перше, людство є не виробником, а споживачем біогеохімічної енергії. Така теза вимагала перегляду геохімічних функцій живої речовини в біосфері. По-друге, маса людства, виходячи з даних демографії, не є постійною кількістю живої речовини. І по-третє, його геохімічні функції характеризуються не масою, а виробничою діяльністю. Характер засвоєння людством біогеохімічної енергії визначається розумом людини. З одного боку, людина - це кульмінація несвідомої еволюції, "продукт" спонтанної діяльності природи, а з іншого боку - зачинатель нового, розумно спрямованого етапу самої еволюції.
Які ж характерні риси властиві живій речовині? Насамперед, це величезна вільна енергія. У процесі еволюції видів біогенна міграція атомів, тобто енергія живої речовини біосфери, збільшилася в багато разів і продовжує рости, тому що жива речовина переробляє енергію сонячних випромінювань, атомну енергію радіоактивного розпаду й космічну енергію розсіяних елементів, що приходять із нашої Галактики. Живій речовині властива також висока швидкість протікання хімічних реакцій у порівнянні з речовиною неживою, де схожі процеси йдуть у тисячі й мільйони разів повільніше. Приміром, деякі гусениці за добу можуть переробити їжі в 200 разів більше, ніж важать самі, а одна синиця за день з'їдає стільки гусениць, скільки важить сама.
Для живої речовини характерно те, що її хімічні з'єднання, складають, найважливіші з них білки, стійкі тільки в живих організмах. Після завершення процесу життєдіяльності вихідні живі органічні речовини розкладаються до хімічних складових частин.
Жива речовина існує на планеті у формі безперервного чергування поколінь, завдяки чому знову утворене генетично пов'язане з живою речовиною минулих епох. Це головна структурна одиниця біосфери, що визначає всі інші процеси поверхні земної кори. Для живої речовини характерна наявність еволюційного процесу. Генетична інформація будь-якого організму зашифрована в кожній його клітині. В. І. Вернадський класифікував живу речовину на однорідну й неоднорідну. Перша в його уявленні - це родова, видова речовина й т.п., а друга представлена закономірними сумішами живих речовин. Це ліс, болото, степ, тобто біоценоз. Характеризувати живу речовину вчений пропонувала на основі таких кількісних показників, як хімічний склад, середня вага організмів і середня швидкість заселення ними поверхні земної кулі..
В.І.Вернадський приводить середні цифри швидкості "передачі життя в біосфері". Час захоплення даним видом всієї поверхні нашої планети різними організмів може бути виражено наступними цифрами (кількість діб):
ü Бактерія холери 1,25
ü Інфузорія 10,6 (максимум)
ü Діатомові 16,8 (максимум)
ü Зелений планктон 166-183 (середнє)
ü Комахи 366
ü Риби 2159 (максимум)
ü Квіткові рослини 4076
ü Птахи (кури) 5600-6100
Ссавці:
ü пацюк 2800
ü дика свиня 37600
ü слон індійський 376000 [3]
Уся жива маса біосфери оновлюється за 33 доби, а фітомаса (тобто маса рослин) – щодня.
В. І. Вернадський говорив, що, концентруючи сонячну космічну енергію і трансформуючи її в активну (вільну) енергію земних процесів, живі організми виявляють прагнення до максимального прояву цієї діючої енергії в процесах обміну, у кругообігах і біохімічних циклах.
Жива та нежива речовина на Землі становлять гармонійне ціле, що, власне, й називається біосферою. Крім тих живих істот, що живуть сьогодні на Землі, В. І. Вернадський включав у біосферу істоти минулих епох, від яких до нашого часу дійшли товщі гірських порід органічного походження (такі, як вапняки чи вугілля), їх вчений називав "палео-біосферами".
Узагальнюючи результати досліджень у галузі геології, палеонтології, біології та інших природничих наук, В. І. Вернадський дійшов висновку, що біосфера - це "стійка динамічна система, рівновага в якій встановилася в основних своїх рисах... з археозою й незмінно діє протягом 1,5-2 млрд. років". Стійкість біосфери, за Вернадським, виявляється в сталості її загальної маси (1019 т), маси живої речовини (1015 т), енергії, пов'язаної з живою речовиною (1018 ккал) і середнього хімічного складу всього живого.
Оскільки всі функції живих організмів у біосфері не можуть виконуватись організмами якогось одного виду, а лише їх комплексом (подібно до того, як якась клітина в організмі не може діяти сама по собі, а лише в складі всього організму), то звідси випливає важливе положення, розроблене Вернадським: біосфера Землі від самого початку сформувалася як складна система з великою кількістю видів організмів, кожен з яких виконував свою роль у загальній системі. Без цього біосфера взагалі не могла б існувати, тобто стійкість біосфери була з самого початку обумовлена її складністю.
Величезна кількість живих істот (2 млн. видів) знаходиться в надзвичайно складних взаємовідносинах між собою й неживою речовиною.
Біосферні зв'язки складалися протягом тривалого часу, у природі немає видів небажаних, непотрібних. Система зв'язків у біосфері поки розшифрована лише в загальних рисах. Найголовнішою ланкою управління біосферою є енергія Сонця, другорядною – енергія Землі, енергія радіоактивного розпаду елементів. Неживою речовиною біосфери керують продуценти, ними - консументи, діяльність яких визначають зворотні зв'язки, що йдуть від продуцентів, і т.д. У цілому біосфера схожа на єдиний гігантський супер-організм, в якому автоматично підтримується гомеостаз - динамічна сталість фізико-хімічних та біологічних властивостей внутрішнього середовища та стійкість основних його функцій,
В. І. Вернадському належить відкриття й такого основного закону біосфери: "Кількість живої речовини є планетною константою з часів архейської ери, тобто за весь геологічний час". За цей час живий світ Землі морфологічно змінився невпізнанно, але ці зміни не впливали ні на загальну кількість живої речовини, ні на її валовий склад.
Однією з найважливіших особливостей біосфери є різноманітність живих організмів, яка утворилась протягом тривалої еволюції і привела біосферу до стабільності в часі. У природі живі організми перебувають у постійній взаємодії як всередині одного роду, так і в біоценозі. Другою особливістю біосфери є нерівномірність, мозаїчність її структури, так би мовити, її абсолютна асиметрія. Асиметричним є розподіл і співвідношення материків та океанів, гірських хребтів, великих водо акумулятивних рівнин і гідрографічної системи; розподіл життя і живої речовини на суходолі та в океані також нерівномірний. Найбільша концентрація живої речовини характерна для мілководних зон і поверхневих шарів води, які включають нашарування планктону в морях і океанах, а також вологі, помірні субтропічні і тропічні пояси на суші. Найменшою концентрація живої речовини є в полярних і субполярних та посушливих районах і в пустелях, високо в горах і в океанських глибинах. Життя в атмосфері, як правило, зустрічається дуже рідко. На континентах жива і біогенна речовина в основному сконцентрована в низинах та рівнинах, у заплавах і гирлах річок, у мілких озерах, вологих лісах, преріях, степах та ін.
Розрізняють кілька рівнів організації живої речовини на Землі. Рівень - це сфера дії специфічних законів, що виражаються у вигляді різних біосистем, що якісно відрізняються одна від одної. В усьому різноманітті живої матерії виділяють шість основних рівнів її організації: молекулярний, клітинний, організменний, популяційно-видовий, біогеоценотичний (екосистемний) і біосферний. Деякі автори називають основними тільки три структурні підрозділи: клітинні, організменні і популяційно-біоценотичні. Інші вважають за необхідне виділити не шість, а більше рівнів, додавши до них ще такі, як тканинний, органний, популяційний окремо від видового і біоценотичний окремо від біогеоценотичного. Рівнева ієрархія, яка склалася в результаті тривалої еволюції біосфери, обумовлює стійкість і цілісність органічного світу.
Крім того, життя на нашій планеті існує в неклітинній і клітинній формах.
Неклітинна форма живої речовини представлена вірусами, які позбавлені подразливості й власного синтезу білка. Найпростіші віруси складаються лише з білкової оболонки й молекули ДНК або РНК, що становить серцевину вірусу. Іноді віруси виділяють в особливе царство живої природи – Vira. Вони можуть розмножуватися тільки усередині певних живих клітин. Віруси повсюдно поширені в природі і є загрозою для всього живого. Поселяючись у клітинах живих організмів, вони викликають їхню смерть. Описано близько 500 вірусів, що вражають теплокровних хребетних, і близько 300 вірусів, що знищують вищі рослини. Більше половини хвороб людини зобов'язані своїм розвитком дрібним вірусам (вони в 100 разів менше бактерій). Це поліомієліт, віспа, грип, інфекційний гепатит, жовта лихоманка й ін.
Клітинні форми життя представлені прокаріотами й еукаріотами. До прокаріотів відносять різні бактерії. Еукаріоти - це всі вищі тварини й рослини, а також одноклітинні й багатоклітинні водорості, гриби й найпростіші. [3]
Зазначимо головні особливості основних шести рівнів організації життя.
1. Молекулярний рівень життя. Елементарні структурні одиниці цього рівня – хімічні речовини. Серед них ті, що несуть спадкову інформацію молекули ДНК, РНК, ферменти, амінокислоти, високоенергетичні речовини (АТФ, цукри) та ін. Основні явища молекулярного рівня життя - біосинтез, реплікації, мутації, передача інформації, фізико-хімічні реакції, акумуляція в хімічних зв'язках енергії. Виявлення суті процесів, що відбуваються на цьому рівні, допомагає зрозуміти деякі явища на наступних рівнях організації живого. Основна стратегія життя на молекулярному рівні – здатність створювати живу речовину і кодувати інформацію, набуту в умовах навколишнього середовища, що змінюються.
2. Клітинний рівень життя. Структурними елементами тут виступають різні органоїди. Здатність до самовідтворення собі подібних, включення різних хімічних елементів Землі у вміст клітини, регуляція хімічних реакцій, запасання і витрачання енергії - основні процеси даного рівня. Функціональна спеціалізація клітини (нервової, видільної, провідної, покривної чи іншої тканини) є регулятором функціонування даної біосистеми. Основна стратегія життя клітинного рівня - залучення хімічних елементів Землі і енергії сонячного випромінювання до живих біосистем.
Клітина є цілісною системою, яка має специфічні властивості даного рівня. Разом з тим, вона в усьому розмаїтті форм і функцій є частиною багатоклітинного організму і виступає основним структурним елементом організменного рівня організації живого.
3. Організменний рівень організації життя притаманний багатоклітинним біосистемам. Тут життя представлене у вигляді рослин, тварин, у тому числі людини, грибів і різноманітних мікроорганізмів. Всі вони є структурними одиницями цього рівня.
У будь-якого представника організменного рівня виявляються такі "нові" властивості порівняно з попереднім рівнем, які завжди ототожнювалися з поняттям живої матерії. До цих властивостей належать живлення, дихання, подразнення, рухомість, виділення, розмноження, ріст, розвиток, поведінка, тривалість життя, плодючість, спосіб життя, взаємовідносини з навколишнім середовищем. Всі названі процеси характеризують організм як цілісну саморегульовану біосистему. В основі процесів управління (регулювання) організмів лежить біологічна (вірніше, генетична) інформація, яка визначає тенденцію функціонування і розвитку в онтогенезі, забезпечуючи гармонійну відповідність особини і середовища існування.
Всі процеси управління в організмі мають подвійну спрямованість: стратегічну (еволюційну) і оперативну (адаптаційну). Це зумовлює подвійність основної стратегії життя: 1) орієнтація організму (особини) на виживання в умовах навколишнього середовища, що постійно змінюються; 2) орієнтація на забезпечення тривалого існування його популяції, виду.
4. Популяційно-видовий рівень організації життя. Об'єднання споріднених особин у популяції, а популяцій у види приводить до виникнення нових властивостей системи, які відрізняються від попередніх рівнів організації живого. На цьому рівні властивості індивідів лише пояснюють, ілюструють картину групової форми життя популяції та виду. Основні ознаки виражаються в "надорганізменних" характеристиках: народжуваність, смертність, структура (статева, етологічна, вікова, просторова та ін.), щільність, чисельність, функціонування в природі.
Основна стратегія життя популяційно-видового рівня виявляється:
1) у більш повному використанні можливостей середовища існування і накопиченні у зв'язку з цим "досвіду" в інформаційній системі;
2) у прагненні до якнайдовшого (до нескінченності) існування у світі;
3) у збереженні властивостей виду і самостійного розвитку з урахуванням "досвіду".
5. Біогеоценотичний рівень організації життя. Популяції та види - цілісні природні утворення. Але вони як частини, як структурні одиниці органічно включаються в біосистеми більш високого рангу - біогеоценози. Даний рівень характеризується багатьма надорганізменними властивостями. До них належать структура екосистеми, видовий і кількісний склад населення, типи біотичних зв'язків, харчові ланцюги, біомаса, трофічні рівні, продуктивність, енергетика, стійкість та багато іншого. Організуючі властивості виявляються в кругообігу речовин і потоці енергії, саморегулюванні й динамічній стійкості, автономності, відкритості (замкненості) системи, сезонних змінах, історичності. Основними функціональними одиницями тут виступають популяції (види), харчові зв'язки і піраміди енергії.
Основна стратегія життя біогеоценотичного рівня - активне використання всього різноманіття можливостей навколишнього середовища і створення сприятливих умов розвитку і процвітання життя в усьому його розмаїтті.
6. Біосферний рівень організації життя. Основними структурними елементами тут виступають біогеоценози, оточуюче їх середовище, тобто географічна оболонка Землі (атмосфера, ґрунт, гідросфера, сонячна радіація, космічне випромінювання та ін.), антропогенний вплив. У загальному вигляді В. І. Вернадський основними структурними компонентами біосфери назвав живу, косну і біокосну речовину з їх унікальними життєво важливими функціями. Для цього рівня організації характерні: активна взаємодія живої і неживої речовин планети; біологічний кругообіг речовин і потоки енергії з геохімічними циклами, що входять до нього; активна матеріально-енергетична і біогеохімічна участь живої речовини в усіх ланках кругообігу; господарська і етнокультурна діяльність людини.
Основна стратегія життя біосферного рівня - прагнення забезпечити динамічну стійкість біосфери як найбільшої екосистеми на планеті Земля.
Різноманіття форм і рівнів організації життя виявляється не тільки в їх різному складі, будові і функціональних зв'язках. Головна відмінність між рівнями організації живої матерії полягає в їх основних стратегічних властивостях. У них відбивається, з одного боку, принципова відмінність істотних якостей окремих рівнів, з іншого - глибоке взаємопроникнення структурних рівнів. [4]
2.2 Функції живої речовини
Поняття "жива речовина", як уже говорилося вище, введене В. І. Вернадським. У порівнянні з іншими речовинами біосфери (біогенною, косною, біокосною, радіоактивним, розсіяними атомами й речовиною космічного походження) жива речовина відіграє найбільшу роль і виконує ряд найважливіших функцій. В. І. Вернадський відзначав, що між косною, безжиттєвою частиною біосфери, косними природними тілами й живими організмами, що її населяють, іде безперервний обмін енергією й речовиною. Біосфера на нашій планеті виконує ряд важливих функцій, які обумовлюють властивості й відносну стабільність природи Землі:
- закріплення рухомих елементів поверхні літосфери (пісок, глина, гравій, дрібна галька, ґрунти різних типів);
- регуляція кругообігу води шляхом сповільнення поверхневого стоку і переведення його в підземний, зволоження повітря, зниження випаровуваності з поверхні внаслідок затемнення і зменшення швидкості вітру;
- зв'язування вуглекислоти, що виділяється тваринами та в ході хімічних перетворень у неживій природі;
- виділення кисню в процесі фотосинтезу наземними і водними рослинами;
- переведення в прості хімічні речовини величезної маси відмерлих організмів і їх виділень;
- участь в утворенні і відновленні ґрунтів, в очищенні атмосфери і води від різноманітних забруднень, в утворенні місцевого клімату і погоди;
- переміщення по планеті (суша, річки, моря і океани) маси різноманітних, хімічних елементів і речовин;
- участь в утворенні багатьох гірських порід, частина яких є корисними копалинами (кам'яне вугілля, крейда, вапняки та ін.);
- акумуляція і трансформація сонячної енергії, яка в трансформованому вигляді включається в кругообіг енергії Землі. [4]
Проте виділяють чотири основні функції живої речовини: енергетичну, руйнівну, накопичувальну й середовищеутворюючу (Лапо, 1987).
Енергетична функція виконується насамперед рослинами, які в процесі фотосинтезу акумулюють сонячну енергію у вигляді різноманітних органічних сполук. За словами Вернадського, зелені хлорофільні організми, зелені рослини, є головним механізмом біосфери, що вловлює сонячний промінь і створює фотосинтезом хімічні тіла - своєрідні сонячні консерви, енергія яких надалі стає джерелом діючої хімічної енергії біосфери, а значною мірою - всієї земної кори.
Всередині екосистеми ця енергія у вигляді їжі розподіляється між тваринами. Частково енергія розсіюється, а частково накопичується у відмерлій органічній речовині й переходить у викопний стан. Так утворилися поклади торфу, кам'яного вугілля, нафти й інших горючих корисних копалин, які слугують в наш час енергетичною базою для життя й роботи людей. Рослини - головне джерело їжі для людей і тварин.
Руйнівна (деструктивна) функція полягає в розкладанні, мінералізації мертвої органічної речовини, хімічному розкладанні гірських порід, залученні мінералів, що утворилися, у біотичний кругообіг.
Мертва органічна речовина розкладається до простих неорганічних з'єднань (вуглекислого газу, води, сірководню, метану, аміаку й т.д.), які знову використаються в початковій ланці кругообігу. Цим займається спеціальна група організмів – редуценти (деструктори).
Особливо слід звернути увагу на хімічне розкладання гірських порід. Завдяки живій речовині біотичний кругообіг поповнюється мінералами, що вивільняють із літосфери. Наприклад, пліснявий грибок у лабораторних умовах за тиждень вивільняв з вулканічної гірської породи 3 % кремнію, що втримується в ній, 11 % алюмінію, 59 % магнію, 64 % заліза.
Піонери життя на скелях - бактерії, синьо-зелені водорості, гриби й лишайники – мають на гірські породи найсильніший хімічний вплив розчинами цілого комплексу кислот - вугільною, азотної, сірчаною й різноманітних органічних. Розкладаючи з їхньою допомогою ті або інші мінерали, організми вибірково витягають і включають у біотичний кругообіг найважливіші живильні елементи - кальцій, калій, натрій, фосфор, кремній, мікроелементи.
Загальна маса зольних елементів, що утягує щорічно в біотичний круговорот 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 ґрунтів - їхня родючість.
Накопичувальна (концентраційна) функція полягає у вибірковому нагромадженні при життєдіяльності організмів атомів речовин, розсіяних у природі. Здатність концентрувати елементи з розведених розчинів - це характерна риса живої речовини. Найбільш активними концентраторами багатьох елементів є мікроорганізми. Наприклад, у продуктах життєдіяльності деяких з них у порівнянні із природним середовищем зміст марганцю збільшений в 1 200 000 разів, заліза - в 65 000, ванадію - в 420 000, срібла - в 240 000 разів.
Морські організми активно концентрують розсіяні мінерали для побудови своїх кістяків або покривів. Існують, наприклад, кальцієві організми (вапняні водорості, молюски, корали, моховатки, голкошкірі, і т. д.) і кремнієві (діатомові водорості, кремнієві губки, радіолярії). Особливу увагу варто звернути на здатність морських організмів накопичувати мікроелементи, важкі метали, у тому числі отруйні (ртуть, свинець, миш'як), радіоактивні елементи. Їхня концентрація в тілі безхребетних і риб може в сотні тисяч разів перевершувати зміст у морській воді.
Внаслідок цього морські організми корисні як джерело мікроелементів, але разом з тим уживання їх у їжу може загрожувати отруєнням важкими металами або бути небезпечним у зв'язку з підвищеною радіоактивністю.
Середовищеутворююча функція полягає в трансформації фізико-хімічних умов середовища (літосфери, гідросфери, атмосфери) в умови, сприятливі для існування організмів.
Можна сказати, що середовищеутворююча функція є спільний результат всіх розглянутих вище функцій живої речовини: енергетична функція забезпечує енергією всі ланки біотичного кругообігу (у ході фотосинтезу рослини виконують газову функцію: поглинають вуглекислий газ і виділяють кисень); деструктивна і концентраційна сприяють витягу із природного середовища й нагромадженню розсіяних, але життєво важливих для організмів елементів.
Середовищеутворюючі функції живої речовини створили й підтримують баланс речовини й енергії в біосфері, забезпечуючи стабільність умов існування організмів, у тому числі людини. Разом з тим жива речовина здатна відновлювати умови перебування, порушені в результаті природних катастроф або антропогенного впливу.
Цю здатність живої речовини до відновлення сприятливих умов існування виражає принцип Лє Шательє, запозичений з області термодинамічної рівноваги. Він полягає в тому, що перебудова будь-яких змінних у системі у відповідь на зовнішні впливи відбувається в напрямку компенсації вироблених впливів. У теорії керування аналогічне явище зветься негативні зворотні зв'язки. Завдяки цим зв'язкам система повертається в первісний стан, якщо вироблені впливи не перевищують граничних значень. Наприклад, на підвищення змісту вуглекислого газу в атмосфері біосфера відповідає посиленням фотосинтезу, що знижує концентрацію СО. Таким чином, стійкість біосфери виявляється явищем не статичним, а динамічним.
У результаті середовищеутворюючої 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 ґрунтовий покрив (також родючі води океану, рік й озер).
Чистота морських вод - результат фільтрації, здійснюваної різноманітними організмами, але особливо зоопланктоном. Більшість із цих організмів добуває їжу, відціджуючи з води дрібні частки. Робота їх настільки інтенсивна, що весь океан очищається від суспензії за 4 роки. Озеро Байкал винятковою чистотою своїх вод багато в чому зобов'язано веслоногому рачкові епішурі, що за рік тричі проціджує його воду.
Вернадський пояснює парадокс: чому, незважаючи на те, що загальна маса живої речовини - плівка життя, що покриває Землю, мізерно мале, результати життєдіяльності організмів позначаються на складі й літосфери, і гідросфери, і атмосфери? Якщо жива речовина розподілити на поверхні Землі рівним шаром, її товщина складе всього 2 см. При такій незначній масі організми здійснюють свою планетарну роль завдяки досить швидкому розмноженню, тобто досить енергійному круговороту речовин, пов'язаному із цим розмноженням.
Маса живої речовини, що відповідає даному моменту часу, із труднощами зіставляється з грандіозною її кількістю, що робила свою роботу протягом сотень мільйонів років існування організмів. Якщо розрахувати всю масу живої речовини, відтвореного за цей час біосферою, вона виявиться рівної 2,4 ∙ 1020т. Це в 12 разів перевищує масу земної кори.
На земної поверхні немає хімічної сили, що більш постійно діє, а тому й більше могутньої по своїх кінцевих наслідках, чим живі організми, узяті в цілому. Глини, вапняки, доломіти, бурі залізняки, боксити - це все породи органогенного походження. Нарешті, властивості природних вод, солоність Світового океану й газовий склад атмосфери визначаються життєдіяльністю істот, що населяють планету.
Розглянемо вплив середовищеутворюючої функції організмів на вміст кисню й вуглекислого газу в атмосфері. Нагадаємо, що підвищення концентрації СО2 в атмосфері викликає "парниковий ефект" і сприяє потеплінню клімату. Вільний кисень виділяється при фотосинтезі. Уперше 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 СО2 і зменшенням його змісту в атмосфері. Це привело до ослаблення "парникового ефекту", різкому похолоданню й першому в історії планети (гуронському) заледенінню. У наші дні нагромадження в атмосфері вуглекислого газу від спалювання палива розглядається як тривожна тенденція, що веде до потепління клімату, таненню льодовиків і загрожую чого підвищенням рівня Світового океану більш ніж на 100 м. У зв'язку із цим слід зазначити функцію захоплення й поховання надлишкової вуглекислоти морськими організмами шляхом переводу її в з'єднання вуглекислого кальцію, а також шляхом утворення біомаси живої речовини.[9]
Існує й інший підхід до виділення функцій живої речовини. У 1928-1930 рр. В. І. Вернадський дав уявлення про 5 основних біогеохімічних функцій біосфери.
Перша – газова. Більшість газів верхніх шарів планети породжені життям. Підземні горючі гази – продукти розпаду органічних речовин рослинного походження, раніше похованих в осадових товщах.
Друга – концентраційна.
Третя – окиснювально-відновна. Вона грає важливу роль в історії багатьох хімічних елементів з перемінною валентністю. В процесі життєдіяльності і після смерті організми, що живуть у водоймах, регулюють кисневий режим і цим самим створюють умови, сприятливі для розчинення і осідання ряду хімічних елементів з перемінною валентністю (V, Mn, Fe).
Четверта – біохімічна. Ця функція пов’язана із ростом, розмноженням и переміщенням живих організмів у просторі. Розмноження призводить до швидкого поширення живих організмів, "розповзанню" їх в різні географічні області.
П’ята – біогеохімічна діяльність людини. Вона охоплює все більшу кількість речовини земної кулі для потреб промисловості, транспорту, сільського господарства. Ця функція посідає особливе місце в історії планети і потребує окремого вивчення. [3]
Отже можна відмітити, що багато функцій за Вернадським співпадають з функціями, виділеними Лапо.
Крім зазначених, до функцій живої речовини в біосфері варто віднести також водну, котра пов'язана з біогенним круговоротом води, що має важливе значення в круговороті води на планеті.
Виконуючи перераховані функції, жива речовина адаптується до навколишнього середовища й пристосовує її до своїх біологічних потреб. При цьому жива речовина й середовище її перебування розвиваються як єдине ціле, однак контроль над станом середовища здійснюють живі організми. [8]
2.3 Біологічний кругообіг речовин
З життєдіяльністю живої речовини тісно пов’язаний біологічний кругообіг.
Вивчення екосистем полягає, перш за все у дослідженні великих біогеохімічних циклів (кругообігів). Мова йде про циркуляцію хімічних елементів абіотичного походження, які потрапляють із навколишнього середовища в живі організми і з організмів у навколишнє середовище. Неорганічні елементи вносяться в тканини рослин і тварин у процесі їх росту і розвитку і там входять до складу органічних речовин. Після смерті організму ці елементи зазнають складних перетворень, після чого потрапляють у нові організми. В. І. Вернадський зазначав, що біогенна міграція атомів зумовлюється трьома різними процесами життя:
1) метаболізмом живого організму - його диханням, живленням, різними відходами;
2) ростом організмів;
3) розмноженням, збільшенням кількості організмів. Усі три процеси взаємопов'язані, проте кожен із них вносить у біосферу різний для кожного виду організмів запас геохімічної енергії.
Розрізняють біогенні міграції атомів: 1-го роду - для мікроорганізмів і 2-го роду - для багатоклітинних організмів. Біогенна міграція одноклітинних незрівнянно більша за міграцію атомів багатоклітинних організмів. Із появою людини на Землі виникла міграція атомів 3-го роду, яка відбувається внаслідок її діяльності.
До головних циклів, що мають місце в біогеоценозах (екосистемах), відносять біогеохімічні цикли кисню, вуглецю, води, азоту, фосфору, сірки, біогенних катіонів. Розглянемо детальніше ці цикли.
Генезис і кругообіг кисню. Приблизно четверта частина атомів усієї живої матерії припадає на частку кисню. Він не завжди входив до складу живої атмосфери. Кисень з'явився одночасно з першими хлорофіловими організмами. По мірі утворення під дією ультрафіолетової радіації кисень трансформувався в озон. Шар озону швидко став достатнім, щоб хлорофілові організми (головним чином, фітопланктон) могли рости і вивільнювати кисень.
На наявність кисню на земній поверхні вже приблизно два мільярди років тому вказує присутність залізистих окислів у відповідних геологічних відкладеннях. Але лише в останні двадцять мільйонів років вміст його в атмосфері Землі досяг приблизно 20%.
Вільний кисень у великих кількостях поглинається при диханні, використовується для підтримання горіння та застосовується в різних технологічних процесах. Вільний кисень регенерується в процесі фотосинтезу зелених рослин. Джерелом кисню є вода і вуглекислий газ, його утворення відбувається за допомогою сонячної енергії.
Існує відносна рівновага між киснем, що утворюється, і киснем, який витрачається для забезпечення життєдіяльності і виробництва.
Кругообіг вуглецю. Джерела вуглецю в природі численні й різноманітні. Між тим, тільки вуглекислота, яка знаходиться в газоподібному стані та у воді, є тим джерелом, яке служить основою для переробки вуглецю в органічну речовину живих істот. Захоплена рослинами вуглекислота в процесі фотосинтезу перетворюється на вуглеводи. Під час інших процесів біосинтезу вона перетворюється на протеїни, ліпіди і т.д.
З іншого боку, всі організми дихають і виділяють в атмосферу вуглець у формі вуглекислоти. Коли ж настає смерть, то сапрофаги і редуценти розкладають і мінералізують трупи, утворюючи ланцюги живлення, у кінці яких вуглець знову надходить у кругообіг у формі вуглекислоти. Мертві рослинні і тваринні залишки, що накопичуються, сповільнюють кругообіг вуглецю. Тварини-сапрофаги і мікроорганізми, які живуть у ґрунті, перетворюють накопичені на його поверхні залишки в нове утворення органічної матерії - гумус. Швидкість впливу організмів на гумус зовсім не однакова. Іноді ланцюг буває коротким і неповним: ланцюг сапрофагів позбавляється можливості функціонувати через нестачу кисню або внаслідок дуже високої кислотності; органічні залишки накопичуються у формі торфу і утворюють торф'яні болота. Тут призупиняється кругообіг вуглецю. Скупчення викопних органічних сполук у вигляді кам'яного вугілля і нафти свідчить про те саме, оскільки вуглекислота накопичується у вигляді карбонату кальцію (крейда, вапняки) хімічного чи біогенного походження. Часто ці маси вуглецю залишалися поза кругообігом упродовж цілих геологічних періодів, поки карбонат кальцію у вигляді гірських хребтів не піднімався над поверхнею моря. З цього моменту починалося надходження вуглецю і кальцію в кругообіг. Воно здійснювалося внаслідок вилуговування вапняку атмосферними опадами чи під впливом лишайників, а також коренів квіткових рослин. Вуглець, який накопичився в ґрунті чи гірських породах, може бути звільнений і в процесі горіння, викликаного людською діяльністю - опалення, промисловість та ін.
Кругообіг азоту. Повітря містить більше 80% азоту, воно безперервно і в різних формах забезпечує його кругообіг. Електричні розряди, які супроводжують грози, синтезують (з атмосферного азоту і кисню) оксиди азоту; ці оксиди потрапляють у ґрунт разом з дощовою водою. Таким шляхом в екосистемі у формі селітри чи азотної кислоти накопичується від 4 до 10 кг азоту на 1 га за рік. Відбувається і фотохімічна фіксація азоту. Але найбільша кількість цього елементу надходить в екосистему в результаті діяльності мікроорганізмів - азотфіксаторів, які здатні використовувати енергію свого дихання для прямого засвоєння атмосферного азоту і синтезування протеїдів. Таким чином у ґрунт вноситься ще близько 25 кг азоту на 1 га. Найбільш ефективними в цьому відношенні є азотфіксуючі бактерії, які живуть у симбіозі з бобовими рослинами в бульбочках на коренях цих рослин.
Азот із різноманітних джерел надходить до коренів у формі нітратів, які абсорбуються і транспортуються в листя, де використовуються для синтезування протеїнів. Ці протеїни є основою азотного живлення тварин. Протеїни рослинного і тваринного походження також є продуктом харчування й різних мікроорганізмів. Трупи організмів розкладаються редуцентами. Кожна група редуцентів спеціалізується на якійсь одній ланці цього процесу. Ланцюг закінчується діяльністю амоніфікуючих організмів, що утворюють аміак, який далі може ввійти в цикл нітрифікації - одні бактерії його окислюють у нітрити, а інші - нітрити в нітрати,
З іншого боку, бактерії-денітрифікатори постійно віддають азот в атмосферу: вони розкладають нітрати до азоту. Але вони активні лише в ґрунтах, які багаті азотом і вуглецем, і розкладають щонайбільше 20% загального азоту (щорічно в атмосферу його надходить до 50-60 кг з 1 га).
Азот може вийти з кругообігу, якщо досягне океану, де він акумулюється в глибоководних відкладеннях. Перш ніж азот потрапляє в абісальні відкладення, частина його захоплюється організмами морського фітопланктону, після чого він, як і фосфор, входить у цикл живлення м'ясоїдних, який закінчується рибами, що є кормом для птахів і ссавців. Ця частина азоту потрапляє з їхніми екскрементами на поверхню материка.
Втрати азоту, який залишається в абісальних відкладеннях, компенсуються азотом із вулканічних газів.
Кругообіг води. Вода не тільки джерело кисню, але й найбільш значна складова частина тіла живих організмів. Великий кругообіг води на поверхні земної кулі добре відомий – випаровування, створюване сонячною енергією, дає атмосферну воду. Ця вода конденсується у формі хмар. Охолодження хмар викликає опади, які поглинаються ґрунтом або стікають по його поверхні. Таким шляхом вода повертається в моря і океани. У межах екосистем можна виділити такі фази кругообігу води: перехоплення, евакотранспірацію, інфільтрацію і стікання.
Рослинність виконує важливу екрануючу функцію, перехоплюючи частину опадів до того, як волога досягне ґрунту, і випаровуючи її в атмосферу. Це перехоплення, яке буває максимальним при слабких дощах, може в помірних широтах сягати до 25% від загальної суми опадів. Вода, яка проникає крізь крони у формі крапель з листя, або стікає по стеблах і стовбурах, сягає ґрунту, просочується в нього, або приєднується до поверхневого стоку. Частина інфільтраційної води затримується в ґрунті, причому тим сильніше, чим значнішим є ґрунтовий колоїдний комплекс. Та частина води, яка промиває ґрунт на глибину 20-30 см, може знову піднятися на його поверхню по капілярах і випаруватися. Корені рослин здатні всмоктувати ґрунтову воду зі значно більшої глибини, ніж 20-30 см; ця вода доставляється в листя і транспортується в атмосферу.
Евакотранспірацією називають віддавання екосистемою води в атмосферу; вона включає і фізично випарувану воду, і воду, яка біологічно транспірується.
Кількість води, що транспірується рослинами, є досить великою. Одна береза випаровує за день 75 л води, бук - 100 л, липа -200 л, а 1 га лісу - від 20 до 50 тис. л. Транспірація посилюється з покращанням водопостачання. Пшениця за період вегетації використовує з 1 га 3 750 т води, що відповідає 375 мм опадів, а продукує 12,5 тонн (сухої маси) рослинної речовини.
Величина евакотранспірації, яка складається з сумарної кількості води, що транспортується рослинами і випаровується ґрунтом, для Середньої Європи становить приблизно 1 тис. тонн на 1 га за рік.
Рослинність адаптується до місцевого кругообігу води. Якщо кількість дощової води, яка просочується в ґрунт, перевищує його максимальну вологоємкість, то вона досягає рівня ґрунтових вод. Об'єм води, що просочується, пропорційний вологості клімату і водопроникності ґрунту, тобто збільшується в більш легких піщаних ґрунтах і зменшується в ґрунті, який сильно переплетений коренями рослин з підвищеною транспіраційною здатністю. Просочування атмосферних опадів до рівня ґрунтових вод сприяє вилуговуванню біогенних елементів і колоїдів ґрунту. Втрати, викликані поверхневим стоком, підвищуються при збільшенні крутизни схилу і при зменшенні щільності рослинного покриву.
Кругообіг фосфору. Кругообіг фосфору являє собою дуже простий незамкнений цикл. Фосфор здійснює кругообіг у наземних екосистемах як важлива і необхідна складова частина цитоплазми клітини. Редуценти мінералізують органічні сполуки фосфору з відмерлих організмів у фосфати, які знову споживаються коренями рослин. Величезні запаси фосфору, накопичені за минулі геологічні епохи, містять гірські породи. У процесі руйнування ці породи віддають фосфати наземним екосистемам, але значні кількості фосфатів виявляються залученими в кругообіг води, вилуговуються і потрапляють у море. Тут вони збагачують солоні води, живлять фітопланктон і організми, які пов'язані з ними харчовими ланцюгами. Частина фосфатів використовується морськими екосистемами, інша частина накопичується в океанічних відкладеннях. Часткове повернення фосфатів на землю забезпечують морські птахи.
Вважається, що кожного року повертається в кругообіг 60 тис. т фосфору, що зовсім не компенсує тих 2 млн. т фосфатів, які щорічно добуваються з покладів і швидко вилуговуються при використанні у вигляді добрив.
Кругообіг сірки. Сірка, яка знаходиться в ґрунті, є продуктом розкладання материнських гірських порід, що містять пірити і халькопірити, а також продукт розкладання органічних речовин рослинного походження. Органічні речовини тваринного походження містять мало сірки. Корені адсорбують ґрунтову сірку, яка входить у створювані рослиною сірчані амінокислоти (цистин, цистеїн, метіонін).
Після відмирання рослин сірка повертається в ґрунт. Це здійснюється численними організмами. Деякі з них відновлюють сірку органічних сполук у сірководень і сірку, а інші організми окисляють ці продукти в сульфати, які поглинаються коренями рослин. Таким чином підтримується кругообіг сірки в природі. Крім сірки органічного походження, рослини можуть вводити в цикл значну кількість сірки, яка переноситься повітряними масами і дощовою водою з промислових районів (дими). Це джерело забезпечує від 2,7 до 260 кг сірки на 1 га за рік. [4]
Висновок
Вивчення біосфери стає все більш важливим й актуальним завданням. Це викликано безупинно зростаючим впливом людини на навколишнє середовище. Уже зараз ми повинні вміти ясно передбачати всі можливі наслідки нашого впливу на природу. Можливість і правильність такого прогнозу залежать від глибини наших знань про будову й функціонування біосфери в цілому і її різних ділянок і компонентів. Особливо важливо мати уявлення про роль живих організмів - основної рушійної сили в біосфері.
Доля біосфери - проблема, що стосується не тільки всіх без винятку вчених, незалежно від їхньої спеціальності, але практично й кожного з нас.
У першому розділі роботі було висвітлено різні підходи до тлумачення поняття "біосфера", наведені її межі та будова. Особлива увага була приділена працям засновника вчення про біосферу В. І. Вернадського. Саме Вернадський вперше показав, що область системної взаємодії живої й косної речовини являє собою найбільшу екосистему, надскладну оболонку Землі, а сукупна діяльність живих організмів у біосфері проявляється як геохімічний фактор планетарного масштабу.
На основі робіт В. І. Вернадського й інших дослідників, які зробили великий внесок у вивчення біосфери планети, пропонується розрізняти три основні її форми: біологічної систематики, біогеографічні, екологічні. Речовинний склад біосфери включає сім глибоко різнорідних, але геологічно не випадкових частин: живу речовину; біогенну речовину - народжуване й перетворене живими організмами (горючі копалини, вапняки й т.д.); косну речовину (утворену без участі живих організмів); біокосну речовину – косну речовину, перетворену живими організмами (вода, ґрунт, кора вивітрювання, мули); речовину радіоактивного розпаду (елементи й ізотопи уранового, торієвого й актиноуранового ряду); розсіяні атоми земної речовини й космічних випромінювань; речовину космічного походження у формі метеоритів, космічного пилу й ін.
У будові й морфології біосфери винятково важливе значення для розвитку живої речовини мають наступні її елементи (зверху вниз): шар живої речовини, так звана "плівка життя"; педосфера, або ґрунтовий покрив; ландшафтно-екологічні системи - функціональні системи, що включають живі організми й середовище їхнього перебування; кора вивітрювання, тобто зона руйнування й перетворення гірських порід, їхніх мінерально-геохімічних змін у верхній частині земної кори під впливом різних факторів; давня біосфера (палеобіосфера) - комплекс гірських порід, рельєфу й інших ландшафтних компонентів, що залягають нижче сучасної біосфери й похованих під її новітніми утвореннями; численні мінерали верхньої частини земної кори й біосфери: глини, вапняки, боксити й т.д.; природні води осадової оболонки; мільйони органічних й органо-мінеральних з'єднань: вугілля, графіт, гумусові речовини, нафта, природні гази; мінеральні ресурси біосфери й земної кори, розповсюджені у формі вільних елементів: міді, срібла, золота, вісмуту, платини й т.д. Останні - головне джерело сировини для металургії, хімічної промисловості й багатьох інших галузей. Їхній видобуток і використання в економіці ростуть рік у рік.
Отже, зі сказаного випливає, що біосфера є результатом складного механізму геологічного й біологічного розвитку косної й біогенної речовини. З одного боку, це середовище життя, а з іншого боку - результат життєдіяльності. Головна специфіка сучасної біосфери - це чітко спрямовані потоки енергії й біогенний (пов'язаний з діяльністю живих істот) круговорот речовин.
Крім того, у розділі були розглянуті гіпотези виникнення біосфери та етапи її еволюції.
Другий розділ роботи присвячений ролі живої речовини на планеті. Спочатку вводиться поняття про живу речовину, як одну із центральних ланок концепції біосфери, розглядаються наукові ідеї В. І. Вернадського про живу речовину. Далі наводиться коротка характеристика шести рівнів організації живої матерії.
Найбільше уваги приділено функціям живої речовини, головними з яких за В. І. Вернадським є газова, концентраційна, окислювально-відновна, біохімічна та біогеохімічна діяльність людини. А. В. Лапо пізніше за свого колегу (1987) використав інший підхід і виділив не 5, а 4 функції біострома: енергетичну, деструктивну, концентраційну та середовищеутворюючу. Але можна відмітити, що багато функцій за Вернадським співпадають з функціями, виділеними Лапо.
Роль живої речовини у географічній оболонці надзвичайно важлива. Більшість оболонок, що входять до складу географічної оболонки більшою або меншою мірою видозмінені життям, а окремі її елементи (грунт, органогенні осадові породи, окремі види корисних копалин та ін.) могли виникнути тільки завдяки живій речовині. Біосфера хоча й є найлегшою оболонкою геосфери, однак її роль постійно збільшується протягом геологічної історії, відповідно, збільшується зростає і її роль у глобальних процесах, що відбуваються на планеті. На земної поверхні немає хімічної сили, що більш постійно діє, а тому й більш могутньої по своїх кінцевих наслідках, ніж живі організми, узяті в цілому. Цим і визначалася актуальність нашої теми.
Мета дослідження полягала в з’ясуванні характерних властивостей живої речовини, рівнів організації, функцій, що їх виконує жива речовина у географічній оболонці.
При написанні курсової роботи поставлені завдання були виконані, головна мета дослідження досягнута.
Список використаних джерел
1. Баландин Р. К. "Вернадский: жизнь, мысль, бессмертие", - М.: Знание, 1988.
2. Білявський Г. О. та ін. Основи екології: Підручник / Г. О. Білявський, Р. С. Фурдуй, І. Ю. Костіков. – К.: Либідь, 2004.- 408.
3. Г. В. Войткевич, В. А. Вронский. Основы учения о биосфере: Кн. для учителя. – М.: Просвещение, 1989.-160 с.: ил., карт.
4. Лапо А. В. "Следы былых биосфер", М.: Знание, 1979
5. Николайкин Н. И. Экология: Учеб. для вузов / Н. И. Николайкин, Н. Е. Николайкина, О. П. Мелехова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Дрофа, 2003. – 624с.: ил.
6. О. І. Федоренко, О. І. Бондар, А. в, Кудін. Основи екології: Підручник. – К.: Знання, 2006. – 543с.
7. Петров. К. Н. Биогеография с основами охраны биосферы.
8. Р. П. Федорищак. Загальне землезнавство: Навч. посібник. – К.: Вища шк.., 1995. – 223с.
9. Чебышев Н. В., Гринева Г. Г., Козарь М. В., Гуленков С. И. Биология: Учебник. – М.: ВУНМЙ, 2000. – 592с.
10. Ю. Д. Бойчук, Е. М. Солошенко, О. В. Бугай. Екологія і охорона навколишнього середовища: Навчальний посібник. – Суми: ВТД "Університетська книга", 2002. – 284 с.