Склад, межі, властивості і функціонування біосфери

 

Біосфера утворилась у результаті виникнення життя, як прямий результат загального розвитку планети Земля. Тривалість існування життя на Землі визначається часом від 1.5-2 до 4-5 млрд років. Біосфера Землі являє собою складну термодинамічно відкриту систему, яка включає в себе, згідно з визначенням В.І. Вернадського, верхні шари земної кори, всю гідросферу і нижню частину атмосфери – тропосферу з організмами, що їх населяють. Природним чином біосфера розпадається на більш-менш самостійні одиниці, які характеризуються великою замкнутістю кругообігу речовин. Пристосовуваність живих організмів вражає. Живі бактерії виявлено в гарячих гейзерних джерелах з температурою води 98°С, а також у тріщинах антарктичних льодовиків, де температура рідко коли піднімається вище 0°С. Бактерії живуть у глибинних водах Чорного моря, насичених сірководнем, деякі бактерії виявлено навіть в атомних реакторах. Живу спору бактерії було виявлено в одній із трубок американської космічної станції, яка три роки перебувала на поверхні Місяця – вона потрапила туди з Землі й зберегла життєздатність, незважаючи на перебування в умовах космічного вакууму, різких коливань температури та високого рівня радіації.

Межі біосфери визначаються межами існування живих організмів в її складових, або наявністю умов, необхідних для життя живих організмів. Живі істоти (рослини, тварини, мікроорганізми) живуть на поверхні Землі, в її атмосфері, гідросфері, верхніх шарах літосфери, утворюючи оболонку або сферу життя – біосферу.

Людина, як біологічна істота, також є складовою біосфери. Вона не може існувати в іншому середовищі, ніж те, що склалось на планеті за її довгу історію – не може дихати повітрям іншого складу, не може не пити води, не може жити при іншому, ніж сьогоднішнє, напруженні планетного магнітного поля і т. д.

Нижня межа біосфери обмежена температурою підземних вод та гірських порід, яка поступово зростає, і на глибині 1.5-15 км (гейзери-материнська порода) вже перевищує 100°С. Найбільша глибина, на якій в шарах земної кори знайдені бактерії, становить 4 км. У нафтових родовищах на глибині 2-2.5 км бактерії реєструються в значній кількості. В океані життя розповсюд­жується до більш значних глибин і зустрічається навіть на дні океанських западин (10-11 км від поверхні), де температура близько0°С. Верхня межа життя в атмосфері обмежена інтенсивною концентрацією ультрафіолетової радіації. Фізичною межею поширення життя в атмосфері є озоновий екран, який на висоті 25-30 км поглинає більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця, хоча основна частина живих істот концентрується на висоті 1-1,5 км. Проте на висоті 20-22 км ще спос­терігається наявність живих організмів: бактерій, спор грибів, найпростіших. Під час запусків геофізичних ракет у стратосферу на висоті 85 км у пробах повітря було виявлено спори мікроорганізмів у латентному (сплячому) стані. У горах межа розповсюдження наземного життя сягає біля 6 км над рівнем моря. Заселеними є найнеймовірніші місця існування: термальні джерела, температура яких піднімається до 100°С, вікові сніги Гімалаїв, де на висоті 8300 м існують дев'ять видів бактерій, безводні пустелі та надсолоні озера, де вирують ціанобактерії та один із видів креветок. На поверхні Землі у наш час повністю відсутнє життя лише в областях значних зледенінь та у кратерах діючих вулканів.

Функції живої речовини у біосфері. У кругообігу біогенних елементів та сполук жива речовина біосфери виконує ряд біогенних функцій:

- газова функція здійснюється зеленими рослинами у процесі фотосин­тезу – при цьому атмосфера поповнюється киснем, а також рослинами і тваринами, які виділяють вуглекислий газ у процесі дихання. Відбувається також кругообіг азоту, який тісно пов'язаний з життєдіяльністю мікроорганізмів.

- концентраційна функція проявляється у здатності живих організмів акумулювати різноманітні хімічні елементи, у тому числі мікроелементи із зовнішнього середовища (грунт, вода, атмо­сфера). Так морські водорості концентрують йод, діатомові водорості і злаки – кремній, молюски та ракоподібні – мідь тощо.

- окислювально-відновна функція виражається у хімічних перетворення речовин у процесі життєдіяльності організмів. У ґрунті, водному та повітряному середовищах утворюються солі, оксиди, різноманітні нові речовини, як результат окислювально-відновних реакцій. З діяльністю мікроорганізмів пов'язане формування залізних та марганцевих руд, вапняків і т.п.

- геохімічна функція здійснюється в процесі обміну речовин у живих організмах (живлення, дихання, виділення), розкладу відмерлих організмів і продуктів їх життєдіяльності до простих вихідних речовин.

Для постійного існування біосфери, для запобігання припинення розвитку життя на Землі, у природі повинні постійно відбуватись безперервні процеси перетворення живої речовини, тобто кругообіг речовин.

Біологічний кругообіг – це багаторазова участь хімічних елементів у процесах, які протікають у біосфері. У біосфері відбувається постійний кругообіг активних елементів, які переходять від організму до організму, у неживу природу і знову до організму. Елементи, які вивільняються мікроорганізмами при гнитті, надхо надходять у грунт і атмосферу, тоді знову включаються в кругообіг речовин біосфери, поглинаючись живими організмами. Весь цей процес і буде біогенною міграцією атомів. Для біогенної міграції характерним є накопичення хімічних елементів у живих організмах, а також їх вивільнення у результаті розкладу мертвих організмів. Біогенна міграція викликається трьома процесами: обміном речовин в організмах; ростом; розмноженням. Визначення біогенної міграції хімічних елементів, яка викликана силами життя, дав B.I. Вернадський (Закон біогенної міграції атомів). Біогенна міграція є частиною загальної міграції хімічних елементів біосфери. Головною геохімічною особливістю живої речовини є те, що вона, пропускаючи через себе атоми хімічних елементів земної кори, гідросфери та атмосфери, здійснює у процесі життєдіяльності їх закономірну диференціацію. Завершуючи свій життєвий цикл, організми повертають природі все, що взяли у неї протягом життя. В.І. Вернадський підрахував, що за час існування на Землі біосфери було створено 3,5^.10¹⁹ тонн біомаси, що майже в 2 рази перевищує масу всієї земної кори, яка становить 2^.10¹⁹ тонн. Робота, що виконується живою речовиною, за Вернадським, може бути оцінена за формулою:

Е = PV² / 2,

де: Р – маса організмів; V – швидкість розтікання біомаси (розмноження організмів).

Розрізняють два типи біогенної міграції, перший з них здійснюється мікроорганізмами, а другий – багатоклітинними організмами. Величина міграції першого типу переважає над другим. Людство оволоділо мігра­цією третього типу, яка іде під впливом його діяльності. З екологічної точки зору найважливішими є кругообіги речовин, які є основними компонентами живої речовини: кругообіг кисню; кругообіг вуглецю; кругообіг води; кругообіг азоту; кругообіг сірки; кругообіг фосфору.

Ноосфера. В.І. Вернадський зазначав, що можливості людини з її розумом і технікою такі значні, що вона може втручатись в хід геолого-хімічних процесів Землі і навіть змінювати їх природний напрямок. Людство має усвідомити свою силу і роль у біосфері, і тоді настане новий етап її розвитку. Вернадський передбачав перехід біосфери в новий стан, так звану сферу розуму – «ноосферу» (noos в перекладі з грецької розум, дух), в якій людина стане основною геологічною силою. Ноосфера – це етап розвитку біосфери, на якому людина, свідомо використовуючи свої знання, буде підтримувати існування біосфери та сприяти її розвитку. Вчення Вернадського про ноосферу включає 4 основні положення:

1. Ноосфера - історично останній стан геологічної оболонки біосфери, що перетворюється діяльністю людини.

2. Ноосфера - сфера розуму і праці.

3. Зміни біосфери обумовлені як свідомою, так підсвідомою діяльністю людини.

4. Розвиток ноосфери пов’язаний із розвитком соціально-економічних факторів.