Тема 1. 2 біосфера її структура, властивості і закони

Функціонування

Теоретична частина

Поняття «Біосфера». Навчання Вернадського В.І. про біосферу

Основоположниками вчення про біосферу є В. І. Вернадський та Тейяр де Шарден. Існує декілька визначень біосфери. Більшість сучасних екологів (Ю.Одум, В. Д. Федоров, Т. Г. Гільманов, М. Ф. Реймерс, К. М.Ситник) розуміють біосферу як об’єднання усіх живих організмів, що знаходяться у взаємозв’язку з фізичним середовищем Землі. З цього погляду біосфера становить собою сукупність екосистем нашої планети.

Вернадський назвав біосферою ту область нашої планети, в якій існує або будь коли існувало життя і котра постійно піддається або піддавалася впливу живих організмів. Або:

Біосфера - сфера життя або область існування живих організмів на Землі. Основні положення навчання Вернадського В.І. про біосферу такі:

1. Біосфера - планетарне явище космічного характеру, тобто

.Вернадський В.І пов’язував її утворення та еволюцію з організованістю Космосу. «Для нас є зрозумілим,- писав він,- що життя є явище космічне, а не суто земне». Цю думку Вернадський В. І. повторював багаторазово: «початку життя в тому Космосі, який ми спостерігаємо, не було, оскільки не було початку цього Космосу. Життя вічне, оскільки вічний Космос».

2. Вернадським В.І. було розроблено уявлення про біосферу як глобальну єдину систему Землі, де основний хід геохімічних перетворень визначається життям. В. І. Вернадський довів, що живі організми, відіграють дуже важливу роль у формуванні образу Землі. Хімічний склад атмосфери,гідросфери й літосфери обумовлений життєдіяльністю організмів. «Якби на Землі не було живих організмів, писав Вернадський В. І., її образ був би таким само незмінним і хімічно інертним, як незмінний образ Місяця». Мінеральні інертні речовини переробляються живими організмами й одержують нові якості.

Вернадський В. І. першим указав на існування біокосних тіл, які є продуктом взаємодії неживої та живої матерії. Живі організми, володіючи величезною спроможністю пристосовуватися до умов існування, самі активно їх змінюють. Таким чином, жива й нежива матерія на Землі складають єдине ціле, що власне і зветься біосферою.

3. Вернадський В.І. показав, що стабільність біосфери виявляється в сталості її загальної маси (), енергії пов’язаної з живими речовинами () і середнього хімічного складу всього живого. Стабільність біосфери Вернадський В. І. зв’язував із тим, що функції життя в біосфері - біохімічні функції незмінні протягом геологічного часу, і жодна з них не з’явилася знову.

Усі функції живих організмів (створення газового середовища, окисні процеси, концентрація хімічних елементів і т. д.) не можуть виконуватися організмами будь-якого одного виду, а тільки їх комплексом. Звідси Вернадський В. І. робить важливий висновок: біосфера Землі сформувалася із самого початку як складна система з величезною кількістю видів, кожний з яких виконує свою роль у загальній системі.

Основні типи речовини у біосфері

 

Загальна протяжність біосфери за радіусом Землі складає близько 40 км. Вона простягається від нижньої частини озонового екрана атмосфери, що розташований на висоті 20-25 км над рівнем моря до верхньої частини гірських порід та дна Світового океану. Нижня межа простягання біосфери лежить на 23 км углиб суші та на 1-2 км нижче дна океану. Основна маса живої речовини, наявність якої відрізняє біосферу від інших геосфер, зосереджена у порівняно невеликому прошарку - біострумі. Біострема лежить на поверхні суходолу та охоплює верхні шари водоймищ. У цій зоні знаходиться 98% всієї живої речовини планети. Біосфера сформована з різних видів речовини.

За В. І. Вернадським виділяють шість головних типів речовини у біосфері.

1. Жива речовина, що представлена організмами різних видів.

2. Біогенна речовина, що є продуктом життєдіяльності організмів (наприклад, кам’яне вугілля, торф).

3. Нежива речовина (кісна), в утворенні якої живі організми не брали участі.

4. Біокосна речовина, що сформована за рахунок взаємодії живої та кісної речовин. Основним видом біокосної речовини є ґрунт.

5. Радіоактивна речовина.

6. Космічна речовина (наприклад, метеорит).

Склад абіотичної частини нашої планети приблизно такий:

Fe ≈36%, O₂ ≈ 25%, Si ≈ 23%, Mg ≈ 10%, S ≈ 3%, Ni ≈ 2%, інші ≈ 15%;

склад біотичної частини нашої планети приблизно такий:

O₂ ≈ 70%, C ≈ 15%, H ≈ 11%, інші ≈ 4%;

У структурному плані, основними складовими компонентами біосфери Землі є живі організми й середовище їхнього існування – атмосфера, гідросфера, і літосфера.

 

Живі організми у біосфері

 

Живий світ Землі, її біосфера, складається з організмів трьох основних типів. 1. Продуценти або автотрофи (які харчуються самостійно) – це зелені (хлорофілові) рослини, що створюють біомасу за рахунок фотосинтезу.

Кількість видів цієї групи становить близько 350000, а їхня сумарна маса становить близько 2,4 · 10¹² т.

2. Консументи або гетеротрофи – це всі тварини, організми, що одержують енергію за рахунок харчування продуцентами або іншими консументами. Консументи поділяють на макро - і мікроконсументи.

Макроконсументи – це макротварини. До них належать рослиноїсні тварини, хижаки й паразити, а також хижі рослини та гриби. Кількість видів цієї групи найбільша – понад 1,5 млн., а їхня маса становить близько 2,3·10¹⁰ т.

3. Мікроконсументи або редуценти – це мікроорганізми (мікроби, бактерії,грибки), які розкладають органічну речовину (залишки продуцентів і консументів) до простих хімічних сполук – води, вуглекислого газу, мінеральних солей. Їхня маса приблизно т., 75 тисяч видів.

Уся ця величезна кількість живих істот знаходиться в надзвичайно складних взаємовідносинах між собою й з неживою речовиною.

Атмосфера

 

Атмосфера – газова оболонка Землі, що простирається у космічний простір приблизно на 3000 км. Майже 50% усієї маси атмосфери зосереджено в нижньому 5 км прошарку, 75% - у 10 км, а 90% - у 16 км. Живі організми зосереджені в прошарку нижче 12-18 км, тобто нижче озонового прошарку, хоча космонавтами були виявлені спори мікроорганізмів на висоті приблизно 85 км, причому вони знаходились в латентному (сплячому) стані. Атмосфера Землі формувалася впродовж тривалого періоду (» 3-4 млрд. років), але за останні 50 млн. років її склад стабілізувався. Сучасна атмосфера Землі складається, в основному, (на рівні моря) із: азоту – 78,09%; кисню – 20,94%; аргону – 0,93%; СО₂- 0,03%; водню – 0,01%. З числа малих по кількості газів слід зазначити вуглекислий газ (СО₂) і озон, які роблять вирішальний вплив на життя. Крім того, в атмосфері завжди присутні водяні пари, а в нижній її частині присутні зважені частки – результат природної або антропогенної діяльності. Так як СО₂ добре поглинає теплове випромінювання, що йде від Землі, то підвищення утримання СО₂ в атмосфері може призвести до так названого “парникового ефекту ” і перегріву біосфери. Важливою складовою атмосфери, що впливає на життя, є озоновий прошарок, максимальна щільність якого на висоті 16-12 км. Цей прошарок захищає все живе від ультрафіолетового випромінювання сонця. Руйнація озонового прошарку в результаті техногенного впливу, виникнення озонових дір – одна з глобальних проблем сучасності. З ультрафіолетовою радіацією вчені зв’язують збільшення онкологічних захворювань, виникнення мутацій (ультрафіолет руйнує молекули ДНК, а це вже генетичні зміни). Варто зауважити, що атмосфера має дуже важливе екологічне значення. Вона регулює клімат планети, відвертає її від надмірного нагрівання й охолодження, підтримуючи середню температуру Землі порядку 14°С. Атмосфера захищає всі живі організми Землі від пагубного впливу космічних променів, ударів метеоритів, через неї здійснюється фотосинтез і обмін енергії – головні процеси біосфери. Атмосфера впливає на характер і динаміку всіх екзогенних процесів, що здійснюється в літосфері. Розвиток гідросфери також у значній мірі залежить від атмосфери. Сучасне промислове виробництво є джерелом усе більш зростаючого забруднення атмосфери, яке переноситься повітряними потоками на величезні відстані і завдає величезної шкоди природному середовищу

 

Гідросфера

Гідросфера – водяна сфера нашої планети: сукупність океанів, морів, річок, озер, підземні води, льодовики. Вода покриває 71% поверхні Землі. Основна маса води (» 96,5%) зосереджена у Світовому океані, причому - це солона вода. Середня солоність цих вод – 35 г/л. Хімічний склад океанічних вод, як вважають спеціалісти, схожий на склад людської крові – у них утримуються майже усі відомі хімічні елементи, але в різних пропорціях (хлористого натрію - 27,2 г/л, хлористого магнію – 3,4 г/л, великій відсоток фосфатів). З розчинених газів найбільш важливі для життя – кисень та вуглекислий газ, якого у воді в 60 разів більше ніж в атмосфері. Величезне значення для формування клімату та інших екологічних факторів має динаміка величезної маси океанічних вод, що постійно рухаються під впливом неоднакової інтенсивності сонячного прогрівання поверхні на різних широтах. Океанічні води відіграють основну роль у кругообігу води на планеті. Океан – важлива “фабрика ” погоди на планеті ще й основний стабілізатор середньої температури Земної Кулі. Світовий океан виконує й іншу роботу в біосфері. У холодних областях вода поглинає вуглекислий газ з атмосфери, а в теплих – йде його виділення. У цілому Світовий океан дуже важливий для планетарного обміну речовин та обміну енергією.

Континентальні води в основному прісні. Їхня солоність не перевищує в середньому 1-2 г/л. На континентах гідросфера представлена річками, озерами, підземними водами. Хімічний склад підземних вод дуже різноманітний, у залежності від гірських порід, у яких вони залягають і глибини. За мінералізацією – від прісних до концентрованих розчинів солей. З прісних вод, основна маса (86%) зосереджена у льодовиках.

Вода виконує чотири дуже важливі функції:

а) є найважливішим мінеральним ресурсом споживання;

б) є основою механізмів здійснення взаємозв’язків усіх процесів в екосистемах (обмін речовин, тепла, зростання біомаси);

в) є основним агентом переносником глобальних екологічних циклів;

г) є основною складовою частиною усіх живих організмів.

Величезну роль вода грає у формуванні поверхні Землі, її ландшафтів, клімату, переносі хімічних речовин із глибин Землі на її поверхню, транспортуванні забруднювачів довкілля. Пари води, що є в атмосфері, відіграють роль фільтра сонячної радіації, нейтралізатора екстремальних температур, регулятора клімату. Саме у воді зародилось життя на Землі

 

Літосфера

 

Літосфера – верхня тверда оболонка Землі, що включає всю земну кору з частиною верхньої мантії Землі і складається з осадових, вивержених і метаморфозних порід. Товщина літосфери на континентах» 25-100 км, а під океанами» 5-50 км.Основна частина літосфери складається з відомих магматичних порід (95%), серед яких на континентах це граніти, а в океані – базальти.

У верхній частині континентальної земної кори розташовані ґрунти, значення яких для життя важко переоцінити. Ґрунти виникли одночасно з виникненням живих організмів і розви­валися під впливом рослин, тварин і мікроорганізмів. Сучасні ґрунти є трифазною системою, яка складається із суміші мінеральних часток (продукти руйнування гірських порід), органічних ре­човин (продукти життєдіяльності біоти) та мікроорганізмів і грибів. Ґрунти - самостійне природно-історичне, органомінералогічне тіло природи, що виникло у гравітаційному полі Землі в результаті впливу живих і мертвих організмів, природних вод на поверхневі прошарки гірських порід у різноманітних умовах клімату й рельєфу

Основна маса живих організмів літосфери зосереджена в ґрунтах, на глибині не більш декілька метрів. Ґрунти – придатний для життя рослин, багатьох тварин і мікроорганізмів прошарок земної кори. Ґрунту характерна закономірна будова вертикального профілю, хімічний склад, фізичні й біологічні властивості, а також специфічний ха­рактер перетворення речовини й енергії. Характерна властивість ґрунтів – родючість. Родючість ґрунтів визначається сполученням багатьох фізичних та хімічних властивостей. Вона залежить від кількості в ґрунтах гумусу, від наявності біогенних макро- та мікроелементів, від вологості ґрунту, від його кислотності і т. п. Ґрунти відіграють величезну роль у кругообігу води, ре­човин і вуглекислого газу. Актуальність екологічного вивчення літосфери обумовлена тим, що вона є зосередженням усіх мінеральних ресурсів, необхідних для життя й господарчої діяльності. У межах літосфери періодично відбуваються грізні екологічні про­цеси (землетруси, виверження вулканів, оповзні), які мають величезне значення для формування екологічної ситуації у певному регіоні планети, а іноді призводять до глобальних екологічних катастроф.