Основи глобальної екології.

Тема 6.

Біосфера – глобальна екосистема Землі.

Параграф 6.1.

Роль В.І.Вернадського в формуванні сучасного уявлення про біосферу. Біосфера та її структура. Атмосфера, гідросфера, літосфера. Почвовий шар. Живі організми. Біосфера – область існування живої речовини. Біосфера в енергетичному відношенні. Стійкість біосфери. Саморегуляція біосфери. Механізми саморегуляції та приклади.

Всі екосистеми суші та океану в своїй сукупності складають живу оболонку Землі – біосферу. Слово “Біосфера” походить від грецьких слів “bios” – життя та “spheros” – сфера, куля.Вперше термін “біосфера” був застосований в 1803 році французьким вченим-природознавцем Ж.Б.Ламарком в своїй праці з питань гідрогеології Франції для визначення сукупності організмів, що існують на Земній кулі. Потім цей термін на довгі роки був забутий і лише в 1875 році австрійський професор геолог Е.Зюсс знов використав слово “біосфера” для визначення живої оболонки Землі. Проте, засновником сучасних уявлень про біосферу, про “сферу життя” вважається академік В.І. Вернадський.

Вчення про біосферу, сформульоване В.І. Вернадським, є одним з головних постулатів екології, тому що В.І. Вернадський поряд з організмами розглядав і середовище їх мешкання. Він вважав, що розвиток біосфери в значній мірі визначається життєдіяльністю організмів і що існує безперервна взаємодія всього живого з неорганічними умовами середовища. Отже, жива речовина виступає в ролі геологічної сили, яка формує обличчя планети. Згідно з концепцією В.І. Вернадського вся відома з геологічних відкладень історія Землі має сліди діяльності живих організмів, тобто фактично є історією біосфери. Особлива роль в біосфері належить “живій речовині” під якою розуміється сукупність всіх живих організмів нашої планети. Жива речовина складає дуже малу частку біосфери, але відрізняється дуже високою активністю, що виявляється у споживанні, вивільненні та нагромадженні в тілах живих організмів тих чи інших елементів у великих кількостях. Безумовно, вислів “жива речовина” – це метафора, тому що живим може бути тільки організм, а не речовина. В.І. Вернадський був глибоко переконаний в тому, що життя вічне, а питания про виникнення життя – антинаукове, тому що поки не існує раціонального способу його вирішення. Він підкреслював невипадковий, закономірний характер біосфери як земного явища і при цьому розглядав людину як природну частину біосфери, а діяльність її – як найважливіший геологічний фактор.

Біосфера – це область розповсюдження життя на Землі, верхня межа якої простягається до висоти 10-12км, а нижня межа проходить по донним відкладенням океанів на глибині , що іноді досягає 10км (рис.6.1)

Рисунок 6.1 – Межі життя та кордони біосфери

Енергетичне джерело біосфери – Сонце. Безсумнівно, енергія, яка надає біосфері її звичайного вигляду, має космічне походження. Її випромінює Сонце – енергетичне джерело біосфери – у формі променистої енергії. Проте саме живі організми, тобто, сукупність життя, перетворюють цю космічну енергію в земну, хімічну і утворюють всю різноманітність світу. Це живі організми, які своїм диханням, харчуванням, своєю смертю та своїм розмноженням, постійним використанням своєї речовини, а також обміном поколінь породжують це планетарне явище – біосферу.

Вчений розглядає біосферу не як просту сукупність живих організмів, а як єдину термодинамічну систему, в якій сконцентровано життя і проходить постійна взаємодія живого з неорганічними умовами середовища.

Основними компонентами біосфери за В.І. Вернадським є:

1.Жива речовина – рослини, тварини, мікроорганізми.

2.Біогенна речовина – органічні і органомінеральні продукти, що утворені живими організмами на протязі геологічної історії – кам’яне вугілля, нафта, горючи сланці, торф.

3.Косна речовина – гірські породи неорганічного походження і вода, які є субстратом або середовищем для проживання організмів.

4.Біокосна речовина – наслідок синтеза живої і неживої речовини – опадові породи, грунт, ілові донні відкладення. Співвідношення живої і неживої компоненти в біокосній речовині різноманітне. Наприклад, грунт складається з 93% (в середньому по планеті) неорганіки і 7% органіки.

Межі біосфери обумовлені полем можливого існування життя, яке може виявлятися лише в певних енергетичних, фізичних та хімічних умовах. Отже, життя охоплює не всі оболонки планети. Звичайно, біосферу розділяють на три геосфери залежно від їх фазового складу: газову оболонку, тобто атмосферу, водну, тобто гідросферу і тверду – літосферу.

Атмосфера або нижня її межа тропосфера. Товщина її складає приблизно 15км. Вона складається в основному з азоту та кисню (78% та 21%). З малих кількостей газів слід виділити СО₂ 0,03% та Ar (аргон) 0,93%. Досить важливе значення в атмосфері відіграє озон (О₃), який розташований у вигляді шару на висоті приблизно 25 км над поверхнею Землі. Атмосфера оказує великий вплив на фізичні, хімічні, біологічні процеси на земній поверхні і в гідросфері. Найбільше значення для біологічних процесів мають: кисень, який використовується в процесах дихання організмів і при мінералізації органічної речовини, вуглекислий газ, який витрачається в ході фотосинтезу автотрофними рослинами, а також озон, який екранує шкідливу для організмів ультрафіолетову радиацію Сонця. Без атмосфери неможливо існування більш або менш складних живих організмів, що ми добре бачимо на прикладі Місяця, у якого немає атмосфери.

Дослідники минулого Землі вважають, що спочатку Земля теж не мала атмосфери, яка пізніше була вивільнена літосферою в процесі еволюції нашої планети. Розвиток атмосфери тісно зв’язаний з геологічними та геохімічними процесами, а також з діяльністю живих організмів. Коли значна частина газів, що складають сучасну атмосферу (N₂, СО₂, Н₂О) виникла в ході вулканічної діяльності, що винесла їх з глибин нашої планети, то атмосферний кисень з’явився скоріше за всього на пізнішій стадії.

Гідросфера. Вода у її різних станах є найважливішою складовою частиною біосфери і одним з головних чинників існування життя. Головна маса біосферної води міститься в Світовому океані, який займає 71% поверхні планети Загальна маса океанічних вод складає 1300 млн км³. 24 млн км³ складають льодовики, стільки ж підземні води на глибині 2 км, в озерах вміщено 0,18 млн км³, в атмосфері – 0,013 млн км³, в річках – 0,002 млн км³ і юіологічна вода займає 0,001 млн км³. Живі організми , носії біологічної води, мають її в своєму складі в кількості 80-90%.

Літосфера (грунт). Якщо в атмосфері та гідросфері організми займають шари більш або менш значної товщини, організми літосфери(088) перебувають в шарі грунту, який рідко коли перевищує 1м. Грунт утворений з мінеральних компонентів, що виникли внаслідок руйнування гірських порід, і органічних речовин – продуктів життєдіяльності живих організмів, головним чином, рослин. Ці продукти нагромаджуються в верхніх шарах грунту – листя, гілки, трохи глибше – мертве коріння. Важливу роль в утворенні грунту відіграють процеси розкладення органічної речовини, що здійснюються бактеріями, грибами нижчими грунтовими тваринами. Внаслідок цієї діяльності в грунті утворюються запаси вуглеуцю, азоту, фосфору, калію, тощо. Інший важливий наслідок процесу розкладення в грунті органіки – виділення СО₂, який поповнює запаси його в атмосфері і гідросфері і компенсує витрати його на фотосинтез. Грунт є як би живим організмом, всередині якого проходять процеси синтеза, біосинтеза, здійснюються різноманітні хімічні реакції. Велика кількість живих організмів живе у грунті – на 1 га грунту живе біля 1000кг бактерій та 350 кг дощових хробаків.

Поряд із трьома геосферами, що складають біосферу найважливішою частиною біосфери є живі організми. У розвитку біосфери вирішальна роль належить саме біологічному факторові,виникненню живих організмів, що здатні здійснювати фотосинтез органіки з мінеральних речовин. Виникнення хлорофілоносних рослин на суші відіграло вирішальну роль в зміненні вмісту кисню в атмосфері Землі і формуванні грунтового шару. Отже, в біосфері мають місце процеси регуляції розвитку живої матерії і один з основних – обмін речовин з навколишнім середовищем. Елементи, що необхідні для розвитку і існування, беруться організмами з навколишнього середовища, а потім після використання, вертаються, тим самим замикаючи кругообіг, що півторюється багаторазово. З моменту зародження життя на землі (приблизно 4 млрд років тому) всі зовнішні шари земної кори на 99% були перероблені живими організмами, хоч рослинна маса складає 10000млрд т, а тваринна – 10 млрд т, що відповідає приблизно 0,01% маси всієї біосфери загалом.

Продуктивність біосфери оцінюється в 83 млрд т сухої речовини на рік (30 млрд т постачає вода і 53 млрд т – суша). Рослинність вивільнює при цьому 350 млрд т кисню.Циклічність процесів в біосфері призводить до того, що для кисня, СО₂ і води період обертання крізь живу компоненту біосфери складає 2000, 300, 2000000 років відповідно. За сучасною оцінкою на Землі нараховується 1,265 млн видів організмів ( 1 млн рослинних та 0,265 тваринних).

Розташування живих організмів в межах біосфери дуже нерівномірно. Вони сконцентровані біля земної поверхні, в верхньому шарі води в океанах, куди досягає сонячне проміння. Кількість біомаси на одиницю об’єма в атмосфері вище рівня рослинного покрову дуже мала. Також мала ця величина в глибинах океану. В сучасну епоху практично уся первинна продуктивність живих організмів здійснюється за рахунок фотосинтеза.

Біосфера в енергетичному відношенні – це величезний аккумулятор і трансформатор енергії. Акумуляція енергії Сонця здійснюється в органічній речовині, кисні, корисних копалинах, в деяких хімічних сполуках. Цю енергію використовує людина, при цьому дуже неекономно – то , що природа нагромаджувала 1 млн років, людина витрачає на 1 рік. Характерною енергетичною особливістю біосфери є наявність впорядкованих систем переміщення енергії – географічних “теплових машин”, які складаються з “холодильника” та “нагрівника”, з’єднаних потоком теплоносія – води або повітря. В “теплових машинах” здійснюється перехід теплової енергії в механічну. Завдяки цьому утворюється система циркуляції води і повітря, які розподіляють енергію і речовину і формують погоду і клімат. Коли б не цей процес, температура в Харкові була б на 20-30^о С нижче. Іноді в антициклональних умовах така ситуація й виникає , але триває недовго. Як і в технічних системах перенесення тепла в “теплових машинах” залежить від різниці температур “холодильника” і “нагрівника”. Планетарно ця різниця утворюється полярними льодами (перенесення від екватору до полярних ширіт) або контрасністю температур суші й океану. Звідси витікає, що будь-які порушення цієї контрасності (наприклад, розтаювання льодовиків) дуже небезпечне.

Біосфера – найбільш складна система з усіх, що доступні для вивчення. Зараз розроблені лише найпростіші її моделі. Складна система характеризується поперед усього складністю зв’язків в ній і відношень. В біосфері зовсім недавно були відкриті зв’язки, які раніше були відомі в технологічних, біологічних або соціальних системах. Це відкриття зробило революцію в природознавстві. Поперед усього це природні механізми гомеостазу – підтримання параметрів системи в певних межах мінливості: температури. вологості, температури випаровування, рівня води у водоймищах.

Це дає змогу розглядати біосферу як систему, що саморегулюється. Саморегулювання в природних системах здійснюється завдяки досить простим механізмам. Це механізми негативного та позитивного зворотнього зв’язків, які широко використовуються в техниці. Простіша система негативного зворотнього зв’язку – це безстічне озеро (наприклад, Арал, Каспій):

З цієї схеми безстічного озера можна побачити, що умовою стабілізації є рівність стоку та випаровування, яка регулюється крізь рівень озера, який в свою чергу , залежить від об’єма води. Від рівня озера залежить площа, вона виступає елементом, який керує в цій системі за схемою:

зростання стоку зростання рівня зростання площі

зростання випаровування зменшення рівня

Тому в такій системі рівень озер а прямує до стабілізації. Це явище ми спостерігаємо у вигляді коливань, осцилляцій озера. Стратегією такої системи є збереження рівноваги, тобто, вона є своєрідним вартовим, яких в природі багато.

Наприклад, радиаційний баланс складається з падаючого проміння (приходний баланс) та зворотнього теплового випромінювання, яке залежить від фізичних властивостей поверхні, що випромінює:

i = σT⁴

де і – зворотнє випромінювання

Регулятором випромінювання слугує температура поверхні, що випромінює і малі змінення температури потужно впливають на зворотнє випромінювання. Регулювання за таким принципом має місце в багатьох циклах (вологообіг, геохімічні потоки) і особливо в живих системах. Наприклад, регулювання чисельності популяції кількістю харчу:

Зростання популяції зменшення кількості харчу зменшення популяції

Але коли б все було тільки так, то природні рівноваги були б стабільними і їх ніщо не спроможно було б зруйнувати. Проте, в природі існують ще зв’язки іншого характеру, прямо протилежного.

Наприклад, в річну систему починають скидати побутові стічні води.Спочатку це викликає деяке підвищення активності мікроорганізмів-редуцентів, які одержали додаткове джерело харчування. Рівновага зберігається, доки можливості угрупування не будуть вичерпані. Потім настає стан пригнічення редуцентів, який призведе до уповільнення очищення, нагромадженню стоків і наступне погіршання середовища мешкання організмів, подібно до сніжної кулі, що була скинута з гори. Це приклад позитивного зворотнього зв’язку.

Другий приклад позитивного зворотнього зв’язку – утворення пустель. Зараз на планеті загальна площа пустель складає 1 млрд га і з кожним роком ця цифра зростає – пустелі розширюються на всі боки із швидкістю 1-2 км на рік шляхом наступу на родючи грунти. Цей складний процес можна спостувати до схеми:

Наближення пустелі змінення структури теплового балансу у бік зниження втрат на випаровування і підвищення температури змінення вологобігу пригнічення рослинності погуршення стану середовища.

В цьому процесі можна знайти і антропогенну ланку:

Наступ пустелі переміщення населення вглиб родючої теріторії зростання навантаження на середовище деградація середовища.

Це один приклад позитивного зворотнього зв’язку – це ерозія грунту. Зараз на планеті 2 млрд практично повністю зруйнованих грунтів, схема цього процесу подібна до утворення пустель:

Початок ерозії змив грунту погіршання стану рослин

посилення ерозії.

Проте, усі наведені приклади яе негативних, так і позитивних зворотніх зв’язків зустрічаються в чистому вигляді в природі рідко – вони утворюють складні багаторівневі системи.

Якщо узагальнити, то можна зробити висновок: Система, яка перебуває в стані рівноваги, під зовнішнім впливом так перебудовує свої параметри, щоб ефект зовнішньої дії був мінімальним (принцип Ле-Шательє).

Питання для самоконтроля

Питання 6.1. Чи можна сказати, що дія живих організмів співставима з дією геологічних сил на планеті?

Так.

Ні.

Питання 6.2. Чи можна відірвати поняття “біосфера” від поняття “жива речовина”?

Так.

Ні.

Питання 6.3. Чи можна вважати біосферу простою сукупністю живих організмів?

Так.

Ні.

Питання 6.4. Чи можна біосферу порівняти з технічним приладом, який має певні деталі?

Так.