Біосфера. Походження, еволюція, властивості. Кругообіги речовини та енергії в біосфері

План

1 В.Вернадський – засновник і творець сучасного вчення про біосферу.

2 Біосфера, її межі.

3 Властивості біосфери.

4 Кругообіги речовини та енергії в біосфері.

5 Кругообіги кисню, водню, вуглецю, азоту, фосфору, сірки тощо.

1 Вчення про біосферу базується на знаннях 2 наук – географії і біології. Основоположником і творцем науки про біосферу був великий російський вчений, філософ Володимир Іванович Вернадський (1863-1945), перший президент Академії наук України. Цього високообдарова-ного чоловіка можна назвати натуралістом у самому широкому розумінні слова. За освітою він не був ані біологом, ані географом. Проте біологи ставлять його в один ряд з Ч.Дарвіном і Павловим, а географи вважають його одним із творців сучасної географії. Праці Вернадсько-го є дуже важливими в 4 областях: радіогеології, біогеохімії, науковведенні і вченні про біо-сферу. А ще його називають Ломоносовим ХХ століття!

2 Однією з найважливіших рис планети Земля є існування на ній життя. Цим вона відрізня-ється від усіх планет Сонячної системи.

Біосфера (б.), по визначенню Вернадського, - зовнішня оболонка (сфера), область існу-вання живих організмів на Землі; «плівка життя»; глобальна екосистема Землі. Б – оболонка планети, заселена живими організмами і перетворювана ними.

Термін б. утворено від 2 грецьких слів: bios – життя,

logos – сфера, куля.

До поняття б. близько підійшов французськийй біолог Ж.-Б.Ламарк (1802 р.), а сам термін вперше застосував австрійський геолог Е.Зюсс у 1875 р. Систематично він став вико-ристовуватися після видання в 1926 р. праці Вернадського «Біосфера». В 20-ті р. ХХ ст. вчення про б. було розвинено і перетворено даним вченим. Він вперше підкреслив виняткову роль живих організмів в утворенні б. Б. – це і середовище життя, і результат життєдіяльності організмів.

Б. сформувалася в процесі еволюції 500 млн. років назад, коли на нашій планеті стали зароджуватися перші організми. Міліарди років геологічної історії збільшувалася різноманіт-ність живих організмів, ускладнялася їх організація, зростала загальна маса і вплив на всі оболонки. Рослини змінили склад атмосфери: збагатили її киснем і зменшили вміст вуглекис-лого газу. Хімічний склад океанських вод сформований і в значній степені при фільтрації во-ди живими організмами. Великий вплив оказали живі організми на літосферу. Вони прийма-ють активну участь у процесах вивітрювання, в створенні гірських порід (вапняків, кам’яного вугілля, торфу, нафти тощо), деяких форм рельєфу, наприклад коралових островів (атолів), термітників. Велика роль живих організмів у створенні особливого природного утворення – грунту.

Розвиток життя йшов нерівномірно. Деякі види (наприклад, синьозелені водорості) зберіглися з архею до наших днів, інші дали початок виникненню складних форм живого, аж до людини; багато загинуло, не зумівши пристосуватися до умов середовища, які змінювали-ся. За всю історію б. існувало приблизно 500 млн. видів, а зараз трішки більше 3 млн. видів рослин, тварин, грибів, бактерій і комах. Людина також є частиною б., її діяльність пере-вищує багато природних поцесів.

Межі б. визначаються межами поширення й активної роботи живої речовини. Б. вклю-чає в себе:

1) нижню частину атмосфери до висоти 25-30 км, тобто до озонового шару, який затримує короткохвильове УФ-випромінювання, згубне для всього живого. Зараз деякі вчені полага-ють, що її потрібно збільшити до висоти десь 85 км. На цих висотах (у стратосфері) під час запусків геофізичних ракет у пробах повітря були виявлені спори мікроорганізмів у латент-ному (сонному) стані через несприятливі умови існування;

2) практично всю гідросферу, аж до максимальних глибин (11 км);

3) верхню частину літосфери (до глибин, де температура становить біля 100 ) – до 3-8 км, одначе в основному поширення живих організмів обмежується вглиб декількома метрами. Найбільш примитивні організми - бактерії були виявлені на цій глибині, в зоні залягання наф-ти, а також інших гірських порід, створених за рахунок життєдіяльності організмів.

Загальна товщина б. становить 40-50 км.

3 Властивості б.:

а) б. є цілісною і густо населеною життям оболонкою.

Завдяки живій речовині підтримуються взаємозв’язок і взаємообумовленість всіх компонен-тів у б. Це багатосторонній і різноманітний зв’язок визначає б. як гігантську екосистему, в якій людина з одного боку є біологічною часткою, з іншого – активним її перетворювачем;

б) б. характеризується безперервністю розвитку органічного світу Землі;

в) б. характеризується мозаїчністю будови (складається з окремих екосистем);

г) б. характеризується пристосованістю живих організмів. Вона вражає. Так, живі бактерії виявлені в гарячих гейзерних джерелах із температурою 93 , активне і досить різноманітне життя вирує в тріщинах антарктичних льодовиків і на найбільших глибинах Світового океа-ну. У жаби з настанням сезонного похолодання температура тіла знижується до 3-5 , вона впадає в зимову сплячку; у верблюда – горб та ін.;

д) живі організми відіграють дуже важливу роль у геологічних процесах, які формують обличчя планети;

е) живі організми не тільки пристосовуються до умов довкілля, але й активно їх змінюють. «Якби на Землі не було життя, - писав Вернадський, - обличчя її було б таким незмінним і хі-мічно інертним, як нерухоме обличчя Місяця, як інертні уламки небесних світил»;

ж) б. характеризується біологічною активністю організмів. Одним із його проявів є швид-кість розмноження. Так, біолог К Лінней підрахував, що 3 мухи можуть з’їсти антилопу з та-кою ж швидкістю, як це робить лев (враховуючи швидкість розмноження мух);

з) б. характеризується оновлюваністю живої речовини. Вся жива речовина б. оновлюється в середньому за 8 днів. Біомаса Світового океану оновлюється за 3 дні, його фітомаса – щодня, фітомаса суші – приблизно за 14 років через більшу тривалість життя наземних рослин;

к) живі організми відіграють величезну роль в акумуляції сонячної енергії. Наприклад, покла-ди кам’яного вугілля – це ніщо не інше, як сонячна енергія, накопичена зеленими рослинами минулих геологічних епох.

4 Єдиним джерелом енергії майже для всіх природних процесів, що відбуваються в б., є со-нячна енергія. Сонячна радіація на Землі викликає 2 кругообіги речовин:

- геологічний (або великий). Найбільш яскраво він проявляється на прикладах кругообігу води в природі і циркуляції повітря;

- біологічний (або малий).

Обидва кругообіги тісно пов’язані між собою та уявляють спільний природний процес.

Кругообіг речовин – їх багаторазова участь у природних процесах, що споконвічно від-буваються в геосферах.

Геологічний кругообіг здійснюється в результаті циркуляції між Світовим океаном і континентами, тобто в межах планети. Вода з океанів із хімічними речовинами, які містяться в ній, випаровується і повітряними масами розноситься на великі відстані. Випадаючи у ви-гляді опадів, вона сприяє процесам вивітрювання і зруйнування гірських порід, розмиває грунт, насичує його вологою, необхідною для рослин і мікроорганізмів. Вода приносить розчинені в грунті хімічні сполуки і зважені частки у моря, річки, океани. Тут вони осідають на дно, накопичуються у вигляді осадових порід.

Циркуляція води між сушею і Світовим океаном – найважливіша ланка в підтриманні життя на Землі та основна вимога взаємодії рослин і тварин із неживою природою.

Біологічний кругообіг має місце в межах малих екосистем. Забезпечує відтворення жи-вої речовини і чинить активний вплив на вигляд б. А під час кругообігу відбуваються колопо-дібна циркуляція речовин між повітрям, грунтом, водою, рослинами, тваринами і мікроорга-нізмами. Внаслідок чого мінеральні речовини, потрібні для життя, поглинаються, трансфор-муються, надходять з навколишнього середовища до складу рослинних організмів, від них через ланцюги живлення у вигляді органічних речовин – до тварин, далі через ланку редуцен-тів – знову в довкілля (в грунти, воду, повітря) у вигляді неорганічних речовин.

Існують також кругообіги води, азоту, вуглекислого газу, сірки, фосфору, вуглецю тощо.

5 Кругообіги кисню і водню

Кисень і водень входять до складу всіх органічних сполук. Поглинаються продуцента-ми в складі води і вуглекислого газу в процесі фотосинтезу, всіма іншими організмами - з органічною речовиною, створеною продуцентами, під час дихання (з атмосфери чи з водного розчину) й уживання питної води. Як кінцеві продукти біологічного кругообігу, водень і час-тина кисню повертаються в неживе середовище також у вигляді води, а кисень, окрім того, виділяється в молекулярній формі в атмосферу рослинами як один із кінцевих продуктів фотосинтезу.

Кругообіг вуглецю

Вуглець - основа органічних речовин. Входить до складу білків, жирів, вуглеводів, нуклеїнових кислот, інших речовин, необхідних для існування живої речовини. До джерел вуглецю в б. належить вуглекислий газ, який знаходить в атмосфері і розчинений у воді Сві-тового океану. Неорганічний вуглець доступний лише для рослин і невеликої групи бактерій. Унаслідок процесів фото- і хемосинтезу він зв’язується в молекули цукрів, які поттому вико-ристовуються для створення інших органічних сполук. У такому вигляді вуглець стає доступ-ним для консументів і редуцентів. У результаті процесів дихання і бродіння органічні речови-ни в клітинах окиснюються з виділенням енергії і вуглекислого газу, який знову чи потрапляє в атмосферу, чи розчиняється у воді. Органічна речовина загиблих особин також розпада-ється з утворенням вуглекислого газу. Цей процес здійснюється редуцентами. Якщо з яки-хось причин відмерлі рештки не були використані редуцентами, вони нагромаджуються в лі-тосфері і з часом трансформуються у вуглецевмісні копалини - торф, вугілля, нафту.

Кругообіг азоту

Атмосферний азот доступний тільки для нечисленної групи азотфіксувальних бактерій і синьозелених водоростей. Азотфіксатори, засвоюючи молекулярний азот, залучають його до складу органічної речовини свого тіла, тобто переводять в органічну форму. Після відмиран-ня органічний азот трансформується в мінеральну форму (амоній, нітрати чи нітрити) амоні-фікуючими і нітрифікуючими бактеріями. Мінеральний азот доступний лише для рослин, які засвоюють його і переводять в органічну форму (зокрема в білки і нуклеїнові кислоти), і в та-кому вигляді стає доступним для консументів - тварин і грибів. Після їх відмирання азот зно-ву використовується бактеріями амоніфікаторами і нітрифікаторами. Мінеральний азот вико-ристовують також бактерії денітрифікатори, які, врешті-решт, переводять його в молекуляр-ну форму і повертають в атмосферу. Цикл замикається.

Кругообіг фосфору

Джерелом фосфору є земна кора. В процесі вивітрювання гірських порід фосфор пере-ходить у ґрунтовий розчин і стає доступним для рослин. Входить передусім до складу нуклеї-нових кислот, аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ), фосфоліпідів. Із ними фосфор переда-ється ланцюгами живлення від продуцентів до консументів і повертається в ґрунт у вигляді органічних решток і продуктів життєдіяльності. В результаті процесів мінералізації, що здійснюються бактеріями, фосфор знову переходить у неорганічні форми і стає доступним для рослин. В природі найчастіше нестача фосфору стримує розвиток біоти. З одного боку, фосфорні сполуки швидко вимиваються в Світовий океан. Цьому сприяють процеси ерозії ґрунту. Багато фосфору виноситься в океан і з неочищеними стічними водами. В океані він частково використовується мікро- і макроскопічними водоростями, потім споживається морськими консументами і редуцентами. Деяка частина фосфору може перевідкладатися на суші. Наприклад, послід морських рибоїдних птахів, який містить багато фосфору, нагромад-жується в пташиних колоніях і на пташиних базарах, утворюючи так зване гуано - корисну копалину, що інтенсивно добувається в деяких країнах і використовується для виробництва фосфатних мінеральних добрив (наприклад, у Чилі). Але більша частина фосфору нагромад-жується на дні з відмерлими рештками морської біоти. Цей фосфор може знову стати доступ-ним для біоти тільки з часом у геологічному вимірі, наприклад після підняття певних ділянок морського дна (сьогодні людина вже почала розробляти і морські родовища фосфоритів). З іншого боку, на суші значна частина мінерального фосфору утворює нерозчинні комплекси з ґрунтовими частинками і стає недоступною для продуцентів, отже, й для інших ланок трофічних ланцюгів. Лише деякі ґрунтові гриби здатні вилучати фосфорні сполуки з цих комплексів.

Кругообіг сірки

Сірка - необхідний компонент багатьох органічних речовин, серед яких передусім слід зазначити амінокислоту цистеїн. Головним джерелом є розчинені в воді продукти вивітрю-вання гірських порід (найчастіше сульфіди заліза) або сірководень і сірчистий газ, які виділя-ються в атмосферу вулканами, гейзерами, гарячими джерелами. Сірководень, окиснений атмосферним киснем до сірчистого газу, розчиняється у водяній парі атмосфери і випадає з дощем на поверхню планети. До складу живої речовини сірка потрапляє шляхом поглинання розчинених у воді йонів сульфатів рослинами. Потім вона в складі рослинних білків ланцюга-ми живлення потрапляє до консументів і редуцентів. У анаеробних умовах (наприклад, у бо-лотах) редуценти розкладають білки з виділенням сірки у вигляді сірководню, який може бути окиснений до молекулярної сірки чи до розчинних сульфатів і сульфідів. У такій формі сірка знову стає доступною для продуцентів.

Сьогодні кругообіг сірки під впливом людини зазнає суттєвих змін: майже її третина, що циркулює в біосфері, потрапляє в атмосферу з димогазовими викидами заводів, фабрик, ТЕС. Ця «зайва» сірка, розчиняючись в атмосфері з утворенням сірчаної і сірчистої кислот, випадає у вигляді кислотних дощів, які призводять до швидкої деградації багатьох екосистем.

Кругообіги калію, магнію і кальцію

Ці елементи у вигляді йонів потрапляють у живу речовину в процесі поглинання води рослинами і під час уживання питної води. Виконують різноманітні функції. Наприклад, ка-лій необхідний для роботи калій-натрієвого насоса клітин; магній – обов’язкова складова хлорофілу; кальцій потрібний для підтримання постійного рН цитоплазми, головний компо-нент панцирів, будиночків, скелетів багатьох тварин. Мігрують трофічними ланцюгами від продуцентів через консументи до редуцентів. Після загибелі організму швидко переходять у водні розчини і знову стають придатними для подальшого використання.

У морях кальцій і магній частково вилучаються з біологічного кругообігу і консерву-ються в осадових породах.

Лекція 4