Основні концепції екології. Поняття про біосферу

План

1. Коло життя

2. Роль В.І. Вернадського у вивченні біосфери та ноосфери

3. Загальні властивості біосфери

4. Кругообіг речовин у біосфері

5. Трансформація енергії у біосфері

6. Література

Коло життя

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

Перші організми живилися оточуючим їх органічним розчином, однак настав час, коли його запаси почали вичерпуватися, а вільного кисню — найкращого окислювача — практично не було, і перші організми змушені були отримувати енергію через процес бродіння. Однак цей малоефективний процес вимагав великої кількості їжі, і життя було приречене на голодну смерть. Єдина можливість перетворення скінченної речовини в нескінченну — включення її в кругообіг. Тому внаслідок природного відбору утворилися фотосинтезуючі організми, котрі не живилися готовою органічною речовиною, а створювали її самі, використовуючи сонячне світло для перетворення вуглекислого газу, мінеральних солей та води. У процесі цього способу живлення вивільнявся кисень, котрий, по-перше, сприяв появі багатоклітинних представників тваринного світу, які потребують енергії з готових органічних речовин шляхом їх окислення, і, по-друге, створив захист від згубного для білкових з'єднань впливу ультрафіолетового випромінювання, оскільки деяка частина вільного кисню перетворилася в озон, що є потужним його поглиначем. Таким чином живі істоти отримали можливість вийти з води, котра захищала їх від впливу випромінювання, на суходіл і поступово поширились по всій планеті.

Так утворилося замкнене коло взаємозалежних та взаємо-пристосованих організмів і процесів, серед котрих немає жодного зайвого, оскільки кожен виконує свою функцію: відходи життєдіяльності одного є умовою життя іншого.

Тварини не могли б харчуватися та дихати без допомоги рослин. Однак і рослини без тварин дуже швидко загинули б, оскільки нікому було б переробляти та розкладати утворену органіку на воду, вуглекислий газ та мінеральні солі, запобігаючи засміченню планети відмерлими залишками та відтворюючи запаси поживних речовин для нових поколінь рослин. Живі організми також беруть участь у загальному круговороті речовин в природі та формуванні планети.

Отже, тварини та рослинні організми своєю діяльністю за життя та біомасою після смерті мільярди років створювали та вдосконалювали умови, сприятливі для існування, тобто біосферу, перш ніж з'явилася людина, котра через кілька сотень тисяч років стала руйнувати її своєю нерозумною діяльністю.

На підставі праць В.І. Вернадського та його послідовників використовується визначення біосфери як загальнопланетної оболонки, до складу якої належать нижні шари атмосфери, гідросфера та верхні шари літосфери. її склад і будова зумовлені сучасною і минулою життєдіяльністю всієї сукупності живих організмів. Вона є наслідком взаємодії живих і неживих компонентів, акумуляції і перерозподілу в ній величезної кількості енергії. Це термодинамічно відкрита, самоорганізована, саморегульована, динамічно зрівноважена, стійка, мозаїчна (досиметрична), глобальна система.

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

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

Верхня межа біосфери, за В.І. Вернадським, є променевою, а нижня — термічною. Променева межа зумовлена наявністю жорсткого короткохвильового випромінювання, від якого життя на Землі захищає озоновий шар, термічна — наявністю високих температур і знаходиться на суші в середньому на глибині 3—3,5 км від земної поверхні. Таким чином, загальна товщина цієї земної оболонки повинна була б становити кілька десятків кілометрів (рис. 1.4).

Цікаві узагальнення з приводу параметрів біосфери наводить Ф.Я. Шипунов (1980). За його даними, найбільшу товщину біосфера має на тропічних широтах — 22 км, найменшу — на полярних — 12 км. Приблизна маса біосфери становить 8 * 1024 г, а об'єм — 10 * 1024 см3, в тому числі літосфери —

Рис. 1.4. Схема розташування біосфери серед інших геосфер (за Шипу новим, 1080)

0,6 * 1024 см3, гідросфери —1,4 * 1024 см3 і тропосфери — 8 * 1024 см8. Приблизна маса біосфери становить 0,05 % маси Землі, а об'єм — 0,4 % об'єму Землі, включаючи до останнього атмосферу товщиною 2000 км від рівня геоїда. Структуру біосфери та її оточення наведено на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Структура біосфери та її оточення (за Назаровим, 1074)

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

Роль В.І. Вернадського у вивченні біосфери та ноосфери

Наш геніальний співвітчизник — перший президент Академії наук України Володимир Іванович Вернадський був у числі перших, хто сприймав Землю як єдиний живий організм, в якому зовсім різні, на перший погляд, процеси у трьох зовнішніх сферах Землі — літосфері, гідросфері й атмосфері — тісно пов'язані між собою.

Володимир Вернадський — великий український натураліст і філософ XX сторіччя. Народився 12 березня 1863 року у Петербурзі в сім'ї українського економіста професора Івана Вернадського, помер 6 січня 1945 року. І за походженням, і за національною самовідданістю Вернадський був українцем, багато зробив для відродження України, її культури і науки* Зокрема, він був організатором і першим президентом Всеукраїнської Академії Наук, Національної книгозбірні України, Комісії з вивчення продуктивних сил України тощо. Всесвітню славу вченому принесли створені ним вчення про біосферу та ноосферу.

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

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

У золотий фонд світової науки увійшла робота В.І. Вернадського "Декілька слів про ноосферу", яка з'явилася у 1944 році. Тут у концентрованому вигляді викладено його бачення еволюційно-історичного процесу, перспектив майбуття людства як космічного феномену. Стверджується, що під впливом розвитку науки і пізнання біосфера має стати ноосферою, тобто цариною розуму, де панують закони мудрості й гармонії.

Він писав: "Людство, взяте в цілому, стає могутньою геологічною силою. Й перед ним, перед його думкою та працею, постає питання про перебудову біосфери в інтересах вільно мислячого людства як єдиного цілого".

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

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

Але життя на Землі безпосередньо залежить також від низки космічних факторів, найголовнішим (але далеко не єдиним) з яких завжди