Будова, властивості, функціонування біосфери як гігантської екологічної системи
Світ багатоликий і різноманітний, прекрасний і неповторний. Однак життя таке швидкоплинне, що людина далеко не завжди замислюється про наслідки скоєного. Так вже влаштована людина – піщинка у системі світобудови.
За час існування цивілізації на Землі проживали мільярди людей, що, безумовно, змінило лик Землі. Вплив людини на довкілля почався з її появи в біосфері. Тому, перш ніж розкрити особливості такого впливу, необхідно мати чітке уявлення про тлумачення терміна “біосфера”.
У 1809 р. французький вчений Ж.Б.П.А. Ламарк у праці “Філософія зоології” виклав основні засади еволюційного становлення світу, започаткувавши тим самим початок діалектико-матеріалістичного тлумачення біологічної науки. У 1875 р. австрійський геолог Е. Зюсс ввів у наукову термінологію нове поняття - "біосфера", а дещо пізніше учень і послідовник Ч. Дарвіна німецький біолог Е. Геккель, вивчаючи основні закономірності походження живої природи, дав їй визначення, відповідне за ним. думки кінця ХІХ століття
Проте основна заслуга у розвитку та формуванні вчення про біосферу належить В.І. Вернадському, який уперше підійшов до її вивчення з геохімічних та геологічних позицій. Дослівно термін “біосфера” означає сферу життя, тобто. оболонку Землі, населену живими організмами, але це лише одна особливість біосфери. Друга, на думку Вернадського, у тому, що біосферу можна як область земної кори, зайняту трансформаторами, переводящими космічні випромінювання в дієву земну енергію - електричну, хімічну, механічну, теплову тощо.
Біосфера Землі, заВ.І. Вернадському, це загальнопланетарна оболонка, склад, структура та енергетика якої у суттєвих рисах обумовлені минулою чи сучасною діяльністю сукупностей живих організмів (живою речовиною) протягом геологічного часу. Вона складається із семи глибоко різних частин:
1) живої речовини (рослини, тварини, мікроорганізми);
2) біогенної речовини (продукти життєдіяльності живих організмів – осадові породи органічного походження);
3) відсталої речовини (гірські породи магматичного, неорганічного походження; вода);
4) біокосної речовини (продукт розпаду та переробки гірських порід живими істотами);
5) радіоактивної речовини;
6) розсіяних атомів;
7) речовини космічного походження.
В основі біосфери як планетарного явища лежить організованість, що є функцією від трансформації живою речовиною речовинно-енергетичних та інформаційних потоків за час тривалої еволюції Землі.
На відміну від біології, що вивчає живі істоти та їх співтовариства у всій їхній різноманітності складу та життєдіяльності на всіх рівнях організації життя (макромолекулярному, клітинному, організмовому та ін.), вчення про біосферу в трактуванні В.І. Вернадського розглядає живі організми як ціле і єдине, як живе речовина, тобто. сукупність всіх живих організмів на даний момент існуючих, чисельно виражених в елементарному хімічному складі, у вазі та енергії.
Біосфера – оболонка Землі, в межах якої існує життя. Вона складається з кількох геосфер, у тому числі зовнішньої твердої оболонки земної кулі – літосфери, гідросфери (Світового океану) та тропосфери – нижнього шару атмосфери.
Тропосфера становить 80% маси атмосфери, а її межі знаходятьсяв межах 16-18 км в екваторіальному поясі та 8-10 км у полярних широтах. З усієї маси атмосфери 20% посідає атмосферу висотою до 50 км. Між тропосферою та стратосферою розташований перехідний шар – тропопауза. У глибинах стратосфери під впливом сонячного світла утворюється озоновий екран, що надійно захищає живі організми від космічного випромінювання та ультрафіолетового сонячного проміння. Вище стратосфери розташовані безмежні шари мезо-, термо- та екзосфери.
Гідросфера є водною оболонкою Землі. Загальна кількість води планети становить 1386 млн.км3, частку Світового океану припадає 1338 млн.км3, (96,5%), частку прісних вод - 35 млн.км3, у тому числі 69,6% становлять льодовики і сніговий покрив. Другим за обсягом джерелом прісних водних ресурсів є підземні води - 30% від загальної їх кількості, які більш ніж у 40 разів перевищують обсяг води в річкових стоках.
Крім водних, Світовий океан містить рослинні, тваринні та мінеральні ресурси.
Літосфера являє собою верхню тверду оболонку земної кулі. Важливим її елементом є надра - поклади мінеральних ресурсів, які у Землі до її ядра.
Поверхнева частина літосфери, що виступає над рівнем Світового океану, ототожнюється з поняттям "земля", умовний характер якого проявляється в тому, що ним характеризується поверхня незалежно від того, покрита вона шаром ґрунту або, навпаки, позбавлена його (гори, пустелі, льодовики) ), покрита лісами, прихована під водою або є сухопутним простором. Загальна площа світових земельних ресурсів становить 13 393 млн. га.
Біосфера охоплює частину атмосфери до висоти озонового екрану (20 – 30 км), частину літосфери, особливо кору вивітрювання, та всю гідросферу (близько 11 км). Нижнякордон опускається в середньому на 2 - 3 км на суші та на 1 - 2 км нижче дна океану. Вернадський розглядав біосферу як область життя, що включає поряд з організмами та середовище їх проживання.
Основним елементом біосфери є жива речовина – сукупність її живих організмів. «Живі організми, - писав Вернадський, - є функцією біосфери і тісно матеріально і енергетично з нею пов'язані, є величезної геологічної силою, її визначальною. Для того, щоб у цьому переконатися, ми маємо виразити живі організми як щось ціле та єдине. Так виражені організми представляють живе речовина, тобто. сукупність всіх живих організмів, що нині існують, чисельно виражене в елементарному хімічному складі, у вазі, в енергії. Воно пов'язане з навколишнім середовищем біогенним струмом атомів: своїм диханням, живленням та розмноженням».
Жива речовина поширена у біосфері вкрай нерівномірно. Максимум його припадає на приповерхневі ділянки суші (особливо велика біомаса тропічних лісів) і гідросфери, де в масі розвиваються зелені рослини і гетеротрофні організми, що живуть за їх рахунок. Більше 90% всього живого речовини біосфери, утвореного головним чином вуглецем, киснем, азотом і воднем, посідає наземну рослинність (97 - 98% біомаси суші). Загальна маса живої речовини в біосфері оцінюється в 1,8 – 2,5. 1018 г (у перерахунку на суху речовину) і становить лише незначну частину маси біосфери (3.1024 г). Проте Вернадський, спираючись на численні дані, вважав живу речовину найпотужнішим геохімічним та енергетичним чинником, провідною силою планетарного розвитку.
Основне джерело біохімічної активності організмів – сонячна енергія, яка використовується в процесі фотосинтезу зеленими рослинамита деякими фотосинтезуючими мікроорганізмами. Існування біосфери визначається багатоступінчастим процесом фотосинтезу, в результаті чого промениста сонячна енергія перетворюється через рослини, водорості та деякі бактерії у складні, багаті на енергію органічні сполуки, що є основою життя. Сумарна інтенсивність фотосинтезу земних рослин утворює так звану первинну продукцію.
Окрім первинної, існує вторинна продукція фотосинтезу. Вона утворюється в процесі передачі енергії від рослинних організмів до рослиноїдних тварин та біоредуцентів - споживачів мертвої органічної речовини.
Завдяки діяльності фотосинтезуючих організмів близько 2 млрд років тому почалося накопичення в атмосфері вільного кисню, потім утворився озоновий екран, що захищає живі організми від жорсткого космічного випромінювання; фотосинтез та дихання зелених рослин підтримують сучасний газовий склад атмосфери. Поява кисню у первинній безкисневій атмосфері Землі сприймається як найважливіший етап еволюції біосфери.
Біосфера має мозаїчну будову, з окремих відносно самостійних елементів. Ці частини, що отримали назву біоценозу та екосистем, являють собою своєрідну зменшену модель біосфери (рис. 2.1). Тому, вивчаючи біоценози та екосистеми, ми пізнаємо закономірності існування біосфери загалом.
Мал. 1.Зменшена модель біосфери (структура біогеоценозу)
Термін "біогеоценоз" запропонував український вчений В.М. Сукачов 1948 р. це поняття близьке до поняття «екосистема». Нині дедалі частіше застосовується термін «екосистема», хоча у нашій країні та інших країнах користуються і терміном «біогеоценоз». Оскільки біогеоценоз = екосистема, тоінакше можна сказати, що біосфера – це сукупність окремих біогеоценозів, які перебувають у постійній взаємодії один з одним.
Структурною одиницею біосфери є екосистема, що характеризує сукупність на певній ділянці земної поверхні однорідних природних явищ (атмосфери, гірської породи, рослинності, тваринного світу та світу мікроорганізмів, ґрунту та гідрологічних умов).
У структурі екосистеми виділяють такі чотири комплекси (ланки):
- неживу природу, з якої екосистема черпає кошти до життя та куди виділяє продукти обміну;
- живі рослини, що забезпечують органічною речовиною та енергією все живе (первинні продуценти);
- організми, що живуть за рахунок поживних речовин, створених продуцентами; - консументи (споживачі), що утворюють вторинну продукцію;
- організми, що розкладають органічні сполуки до вихідних продуктів; - редуценти (бактерії, гриби, найпростіші).
Екосистеми є основними робочими одиницями біосфери, її матеріально-енергетичними осередками, проте їхня автономність відносна, оскільки властивості біосфери зумовлюють властивості екосистеми і навпаки. Подібні організми, що мешкають у різних умовах середовища, утворюють різні екосистеми. Наприклад, ялиновий ліс у Московській області та в горах Кавказу – різні екосистеми. Вивчення екосистем нині перебуває у центрі уваги сучасної екології і найтіснішим чином пов'язані з проблемами охорони навколишнього середовища.
Структура (будова) біоценозів - це певне розташування та взаємозв'язок елементів, що входять до їх складу. Біоценози як системи складаються з окремих елементів, різноманітні ознаки яких можна розглядати у великій кількості аспектів - трофічному, видовому, просторовому, розмірному.і т. д. Відповідно до цього говорять про трофічну, видову, просторову, розмірну та інші структури біоценозів.
У всіх екосистемах між їх окремими компонентами постійно відбувається обмін енергією (підтримується через екосистему вздовж ланцюга живлення, починаючи зі зв'язування енергії сонячних променів і закінчуючись повним розкладанням органічних сполук, причому на кожному щаблі частина енергії втрачається) та обмін різних речовин (азоту, фосфору, кисню і т. д.), циркуляція яких відбувається по замкнутому шляху.
Кругообіг речовин у біоценозі, як відомо, складається з певних ланцюгів живлення (рис.2). Іноді розрізняють короткий кругообіг, тобто мінералізацію первинної продукції за допомогою редуцентів (деструкторів), і більший кругообіг, що йде за наступною схемою:
рослинний субстрат фітофаги (включаючи сапрофагів) хижаки І порядку хижаки ІІ порядку мікроорганізми мінералізація.
Характер харчових кіл залежить від типу взаємозв'язків між окремими організмами (рис. 3).
Слід пам'ятати, що взаємини між окремими елементами біоценозу можуть бути обумовлені не лише трофічними зв'язками (рис. 4).
Взаємодія між компонентами біоценозу здійснюється через певні елементи середовища, тобто за допомогою певних факторів, що діють на біологічні об'єкти.
Окремі властивості або елементи середовища, що впливають на організми та викликають у них пристосувальні реакції, називають екологічними факторами. Чинники середовища різноманітні. Вони можуть бути необхідні або, навпаки, шкідливі для живих істот, сприяють або перешкоджають їх виживанню та розмноженню. Екологічні чинники мають різну природу та специфіку дії. Їх найчастіше ділять на три великі групи: абіотичніфактори (чинники неживого середовища - кліматичні, едафічні, топографічні, гідрофізичні та гідрохімічні), біотичні (пов'язані з впливом живих істот - топічні взаємини, трофічні поглинання, генеративні відносини; нейтралізм, конкуренція, симбіоз, паразитизм, хижацтво) та людини).
З вище сказаного можна зробити висновок, що біосфера - це сукупність всіх екосистем (біогеоценозів), поширених межах геосфер, із якими взаємодіє жива оболонка Землі.
Мал. 2.Трофічні рівні в екосистемі
Мал. 3.Типи взаємозв'язків між організмами
Мал. 4.Взаємозв'язки у біоценозі між продуцентами та консументами
Основними властивостями біосфери є:
безперервність розвитку органічного світу Землі;
мозаїчність будови біосфери (складається з окремих екосистем);
біосферний кругообіг елементів, що входять до складу живих організмів;
швидке оновлення живої речовини біосфери.