refik.in.ua 1 2
ІІ. БІОСФЕРА – СЕРЕДОВИЩЕ ЖИТТЯ ЛЮДИНИ


2.1. Поняття біосфери. Межі, структура та компоненти біосфери

2.2. Біологічний та геологічний кругообіг речовин у біосфері

2.3. Класифікація екологічних факторів

2.4. Природні компоненти біосфери (біоценози, біогеоценози, агроценози)
2.1. Поняття біосфери. Межі, структура та компоненти біосфери

Біосфера (грец. bіоs − життя, sрhаіrа − куля) − оболонка Землі, в якій існує життя. Цей термін вперше запропонував австрійський геолог Едвард Зюсс у 1873 році. Цілісне вчення про біосферу було створене видатним вітчизняним ученим В.І.Вернадським. До складу біосфери входять такі частини геосфери (рис. 2.1):


  • нижня частина атмосфери − від поверхні Землі до озонової оболонки, тобто до висоти близько 25…30 км. Атмосфера складається із суміші газів (азот − 78%, кисень − 21%, аргон − 0,93%, діоксид вуглецю − 0,03%, інші гази − менше 0,005% за об’ємом) та колоїдних домішок (пил, краплі води, кристали тощо);

  • вся гідросфера − водна оболонка, яка покриває 2/3 поверхні планети (її найбільша глибина − у Маріанській западині в Тихому океані – 11030 м). Більше 40% води міститься в земних надрах (у літосфері). Об’єм гідросфери складає близько 137∙107 км3, а хімічний склад наближається в середньому до складу морської води. Із загальної маси води близько 98% знаходиться в океанах і морях, 2% її загальної кількості складають прісні води;
  • верхня частина літосфери − верхня “тверда” оболонка Землі, яку складають земна кора та верхня частина мантії Землі. Товща літосфери становить 50...200 км, у тому числі земної кори − до 75 км на континентах і 10 км під дном океану. Між літосферою, гідросферою і атмосферою постійно відбувається речовинний і енергетичний взаємообмін, проявом якого є, зокрема, землетруси і виверження вулканів.


Усі ці сфери є складовими середовища, у якому існують всі живі організми планети. Ці організми, у свою чергу, не лише існують у біосфері, а й є її творцями. За В.І.Вернадським, жива речовина − це біогеохімічний фактор планетарного масштабу, під дією якого відбуваються перерозподіл, міграція і розсіювання хімічних елементів.

Біосфера сформована з різних речовин. В.І.Вернадський вирізняв шість типів речовин біосфери:

  • Жива речовина – сукупність усіх існуючих на Землі рослин, тварин, мікрооганізмів, грибів;

  • Біогенна речовина – продукт життєдіяльності організмів (торф, крейда, горючі корисні копалини, апатит);

  • Нежива (косна) речовина – в утворенні якої організми не брали участі (гірські породи абіогенного походження);

  • Біокосна речовина – продукт взаємодії живої речовини і неживої матерії (ґрунт, повітря);

  • Радіоактивна речовина – радіонукліди, які зумовлюють існування радіогенної теплоти, та продукти їх розпаду;

  • Космічна речовина – космічний пил та метеорити.



Рис. 2.1. Склад біосфери та її межі
Між живим і неживим непереборної межі не існує. Живою називають динамічну систему, яка активно сприймає і перетворює молекулярну інформацію з метою самозбереження.

Основна функція живої системи − самозбереження шляхом випереджального реагування. Для відновлення і збереження енергії в системі необхідне надходження енергії ззовні, з навколишнього середовища, та обмін речовин і енергії − метаболізм. У метаболізмі поєднані процеси асиміляції і дисиміляції (синтезу і розпаду) речовин. Наявність програми відтворення у вигляді дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) та її висока стабільність порівняно з іншими структурами біологічної системи зумовлюють спадковість. Під впливом змін екологічних чинників спадковість може змінюватися, відбуваються мутації − індуковані зміни в генетичному апараті.


Успадковані зміни та їх відбір під впливом екологічних чинників зумовлюють видоутворення і збільшення біологічного різноманіття. Різноманіття видів забезпечує більшу ймовірність збереження життя завдяки існуванню найкраще пристосованих до змін довкілля форм, тобто відбувається біологічна еволюція.

Нині виділяють шість основних рівнів організації живої матерії:


  • молекулярно-генетичний − редуплікація генів, формування ідентичних молекул на основі матеріалів, що забезпечують спадковість і мінливість;

  • клітинний;

  • організмений − цілісність функцій, ріст, онтогенетичний розвиток;

  • популяційно-видовий − еволюція, тривалість існування,структура та динамічні процеси, таксономічні характеристики;

  • біоценотичний − трофічні, хімічні, енергетичні зв’язки, кругообіг хімічних елементів, перетворення енергії;

  • біосферний − форма життя, яка поза біосферою не існує.

Кожний з цих рівнів має особливості, але всі вони тісно пов’язані між собою, взаємно впливають один на одного, створюючи єдине ціле − живу речовину. На всіх структурних рівнях організації матерії реалізована лише дуже незначна частка можливих комбінацій молекул. Це означає, що кожен біологічний вид, кожна жива істота є унікальними, оскільки вони мають набір властивостей, за допомогою яких ефективно адаптуються до навколишнього середовища та його змін.

Біосфера є відкритою термодинамічною системою. Енергію вона одержує від Сонця і з надр Землі. Отримана ззовні енергія трансформується і розсіюється, підпорядковуючись двом фундаментальним законам термодинаміки. Перший закон термодинаміки − це закон збереження енергії (енергія не може ні з’явитися, ні зникнути, вона лише трансформується з однієї форми в іншу). Другий закон термодинаміки вивчає напрямок якісних змін енергії в процесі її трансформації з однієї форми в іншу (закон описує співвідношення корисної та марної роботи під час трансформацій форм енергії). За другим законом термодинаміки будь-яка робота супроводжується трансформацією високоякісної енергії в енергію нижчої та найнижчої якості − теплоту − і призводить до зростання ентропії (збільшення енергії найнижчої якості, не придатної до корисної роботи, тобто розсіювання енергії).


Вважають, що еволюція біосфери відбувалась у напрямку зменшення ентропії. Чим довшими є ланцюги живлення, тим вони енергетично досконаліші. Саме завдяки ланцюгам живлення в біосфері постійно відбувається не лише кругообіг води та обмін енергії, а й кругообіг речовин, які живі організми використовують для побудови і підтримання життєдіяльності своїх тіл та забезпечення процесів розмноження.

Отже, біосфера − це частина земної кори, атмосфери і гідросфери, склад, структура та енергетика в істотних рисах зумовлені минулою і сучасною діяльністю живих організмів. Біосфера існує з часу виникнення життя на Землі. Її структура неоднорідна в біогеохімічному плані, що є наслідком різноманітних речовинно-енергетичних кругообігів, спричинених діяльністю живих істот. В біосфері відбувається перетворення сонячної енергії та нагромадження її в органічній речовині.
2.2. Біологічний та геологічний кругообіг речовин у біосфері

Біогеохімічний цикл − кругообіг хімічних речовин, який бере початок з неорганічної природи через рослинний і тваринний організми і переходить знову в неорганічну природу. Здійснюється з використанням сонячної енергії та енергії хімічних реакцій.

За рахунок процесів міграції хімічних елементів усі геосфери Землі зв’язані єдиним циклом кругообігу цих елементів. Такий кругообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси та сонячна енергія, отримав назву великого (геологічного) кругообігу. Цей кругообіг має абіотичний характер. Тривалість його існування − близько 4 млрд. років. Потужність великого (геологічного) кругообігу речовин в атмосфері, гідросфері та літосфері оцінюється в 2∙1016 тонн/рік.

Виникнення життя на Землі спричинило появу нової форми міграції хімічних елементів − біогенної. За рахунок біологічної міграції на великий кругообіг наклався малий (біогенний) кругообіг речовин. У малому біологічному кругообігу переміщуються в основному вуглець (1011 тонн у рік), кисень (2∙1011 тонн у рік), азот (2∙1011 тонн у рік) та фосфор (108 тонн у рік).


Натепер обидва кругообіги протікають одночасно та тісно пов’язані між собою.

Живі організми в біосфері ініціюють кругообіг речовин та призводять до виникнення біогеохімічних циклів. Пріоритетні дослідження біогеохімічних циклів були розпочаті В.І.Вернадським ще на початку 20-х років XX ст. Біогеохімічні цикли становлять собою циклічні переміщення біогенних елементів: вуглецю, кисню, водню, азоту, сірки, фосфору, кальцію, калію та ін. від одного компоненту біосфери до інших. На певних етапах цього кругообігу вони входять до складу живої речовини.

Просторове переміщення речовин у межах геосфер або, інакше кажучи, їхня міграція підрозділяється на п’ять основних типів:

1. Механічне перенесення (йде без зміни хімічного складу речовин).

2. Водне (міграція здійснюється за рахунок розчинення речовин та їх наступного переміщення у формі іонів або колоїдів). Це один із найбільш важливих видів переміщення речовин у біосфері.

3. Повітряне (перенесення речовин у формі газів, пилу або аерозолів із потоками повітря).

4. Біогенне (перенесення здійснюється за активної участі живих організмів).

5. Техногенне, що проявляється як результат господарської діяльності людини.

Центральне місце в біосфері посідають біогеохімічні цикли: кисню, водню, вуглецю, азоту та фосфору, як основних органогенних елементів.

Кругообіги кисню й водню. Кисень і водень входять до складу всіх органічних сполук. Вони поглинаються продуцентами в складі води й 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 частина кисню повертаються в неживе середовище також у вигляді води, а кисень, окрім того, виділяється в молекулярній формі в атмосферу рослинами-продуцентами як один із кінцевих продуктів фотосинтезу.


Кругообіг вуглецю. Вуглець − це основа органічних речовин. Він входить до складу білків, жирів, вуглеводів, нуклеїнових кислот та інших речовин, необхідних для існування живої речовини. До первинних джерел вуглецю в біосфері належать атмосферний вуглекислий газ, що становить 0,036% загального об’єму тропосфери, й вуглекислий газ, розчинений у воді Світового океану, де його кількість у 50 разів вища, ніж в атмосфері.

Неорганічний вуглець доступний лише для продуцентів − рослин і невеликої групи хемотрофних бактерій. Унаслідок процесів фото- й хемосинтезу вуглець зв’язується в молекули сахарів, які в подальшому використовуються для створення інших органічних сполук. У такому вигляді вуглець стає доступним для консументів і редуцентів. У результаті процесів дихання й бродіння органічні речовини в клітинах окислюються з виділенням енергії й вуглекислого газу, який знову або потрапляє в атмосферу, або розчиняється у воді, а також утворює іони карбонатів. Органічна речовина загиблих особин також розпадається з утворенням вуглекислого газу. Цей процес здійснюється редуцентами. Якщо з якихось причин відмерлі рештки не були використані редуцентами, вони нагромаджуються в літосфері і з часом трансформуються у вуглецевмісні копалини − торф, вугілля, нафту.

Кругообіг азоту. Атмосферний азот, що перебуває у молекулярній формі, доступний тільки для нечисленної групи азотфіксуючих бактерій і синьозелених водоростей. Азотфіксатори, засвоюючи молекулярний азот, залучають його до складу органічної речовини свого тіла, тобто переводять в органічну форму. Після відмирання органічний азот трансформується в мінеральну форму (амоній, нітрати або нітрити) амоніфікуючими й нітрифікуючими бактеріями. Мінеральний азот доступний лише для рослин, які засвоюють його й переводять в органічну форму (зокрема в білки й нуклеїнові кислоти), й у такому вигляді азот стає доступним для консументів − тварин і грибів. Після їх відмирання азот знову використовується бактеріями амоніфікаторами й нітрифікаторами. Мінеральний азот використовують також бактерії денітрифікатори, які, врешті-решт, переводять його в молекулярну форму й повертають в атмосферу. Цикл замикається.


Кругообіг фосфору. На відміну від азоту, джерелом фосфору є не атмосфера, а земна кора. В процесі вивітрювання гірських порід фосфор переходить у ґрунтовий розчин і стає доступним для рослин. Він входить передусім до складу нуклеїнових кислот, аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ), фосфоліпідів. Із цими органічними речовинами фосфор передається ланцюгами живлення від продуцентів до консументів і повертається в ґрунт у вигляді органічних решток і продуктів життєдіяльності. В результаті процесів мінералізації, які здійснюються бактеріями-редуцентами, фосфор знову переходить у неорганічні форми й стає доступним для рослин.

Проте в природі найчастіше саме 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 цей фосфор частково використовується мікро- й макроскопічними водоростями, а потім споживається морськими консументами та редуцентами. Деяка частина фосфору може перевідкладатися на суші. Наприклад, послід морських рибоїдних птахів, який містить багато фосфору, нагромаджується 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 нагромаджується на дні з відмерлими рештками морської біоти. Цей фосфор може знову стати доступним для біоти тільки з часом у геологічному вимірі, наприклад після підняття певних ділянок морського дна (щоправда, сьогодні людина вже почала розробляти й морські родовища фосфоритів). З іншого боку, на суші значна частина мінерального фосфору утворює нерозчинні комплекси з ґрунтовими частинками й стає недоступною для продуцентів, отже, й для інших ланок трофічних ланцюгів. Лише деякі ґрунтові гриби здатні вилучати фосфорні сполуки з цих комплексів.

Ці цикли в найбільшій мірі зазнали трансформації при формуванні техносфери та агросфери, і вивчення їх стало важливим завданням екології. Розглянемо головні причини порушення кругообігу речовин у біосфері.


По-перше, це досить сильне штучне прискорення процесів вивітрювання осадових і гранітних порід, пов’язане з видобуванням і переробкою корисних копалин, спалюванням вугілля, нафти, торфу, природного газу. В результаті в атмосфері збільшується вміст вуглекислого газу, оксидів сірки, через кислотні дощі зменшується рН ґрунту, що призводить до переходу багатьох елементів у розчинений стан. Деякі з них у великих концентраціях токсичні й небезпечні для живих організмів (наприклад, важкі метали − мідь, цинк, свинець). Процеси кругообігу речовин у біологічному циклі вповільнюються − адже гинуть носії живої речовини. Та чим більше елементів переходить у розчин, тим більше їх вимивається у Світовий океан. Прискорені темпи загибелі біоти, вповільнені темпи повторного використання доступних мінеральних речовин, зростання швидкості їх вимивання спричиняють перезбагачення Світового океану біогенними елементами. Внаслідок цього частішають спалахи “цвітіння” океану мікроскопічними водоростями, які нерідко бувають токсичними й пригнічують розвиток консументів, котрі їх споживають. Так, порівняно з минулими століттями частота спалахів “цвітіння” в Світовому океані зросла в 50…130 разів! Усе це прискорює процеси вилучення з біосфери доступних біогенних речовин і їх консервації в донних відкладеннях.

По-друге, людина в процесі своєї господарської діяльності створює численні речовини (наприклад, пластмаси), які надалі не можуть бути ні використані продуцентами, ні розкладені до доступних мінеральних речовин редуцентами. Вони утворюють особливу групу антропогенних “осадових” порід — відходи нашої цивілізації, які археологи чомусь назвали “культурним шаром”. Ці відходи зрештою будуть трансформовані в літосфері в граніти й потім у процесі вивітрювання знову стануть доступними для живої речовини, але відбудеться це в геологічних вимірах часу − через мільйони років. Тому є реальна загроза того, що доступні ресурси біосфери можуть бути перероблені на відходи швидше, ніж завершиться цикл геологічного кругообігу. Що в цьому разі станеться з біосферою (в тому числі й з людиною), передбачити нескладно.

следующая страница >>