Характеристика та склад біосфери
Біосфера (у сучасному розумінні) – своєрідна оболонка Землі, що містить всю сукупність живих організмів і частину речовини планети, що у безперервному обміні з цими організмами.
Біосфера охоплює нижню частину атмосфери, гідросферу та верхню частину літосфери.
Атмосфера – найлегша оболонка Землі, яка межує із космічним простором; через атмосферу здійснюється обмін речовини та енергії з космосом.
Атмосфера має кілька шарів:
* тропосфера – нижній шар, що примикає до Землі (висота 9 – 17 км). У ньому зосереджено близько 80% газового складу атмосфери та всю водяну пару;
* Ноносфера - там "жива речовина" відсутня.
Переважаючі елементи хімічного складу атмосфери (78%), (21%), (0.03%).
Гідросфера – водяна оболонка Землі. Внаслідок високої рухливості вода проникає повсюдно у різні природні утворення, навіть найчистіші атмосферні води містять від 10 до 50 мгр/л розчинних речовин.
Переважаючі елементи хімічного складу гідросфери: , , , , , . Концентрація того чи іншого елемента у воді ще нічого не говорить про те, наскільки він важливий для рослинних та тваринних організмів, що мешкають у ній. У цьому плані провідна роль належить N, P, Si, які засвоюються живими організмами. Головною особливістю океанічної води є те, що основні іони характеризуються постійним співвідношенням у всьому обсязі світового океану.
Літосфера - зовнішня тверда оболонка Землі, що складається з осадових та магматичних порід. В даний час земною корою прийнято вважати верхній шар твердого тіла планети, розташований вище сейсмічного кордону Мохоровичіча. Поверхневий шар літосфери, в якому здійснюється взаємодіяживої матерії з мінеральною (неорганічною), є ґрунт. Залишки організмів після розкладання переходять у гумус (родючу частину ґрунту). Складовими частинами ґрунту служать мінерали, органічні речовини, живі організми, вода, гази.
Переважаючі елементи хімічного складу літосфери O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.
Провідну роль виконує кисень, частку якого припадає половина маси земної кори та 92% її обсягу, проте кисень міцно пов'язаний з іншими елементами в головних породоутворюючих мінералах. Т.о. у кількісному відношенні земна кора – це “царство” кисню, хімічно пов'язаного під час геологічного розвитку земної кори.
Поступово ідея про тісний взаємозв'язок між живою і неживою природою, про зворотний вплив живих організмів та їх систем на навколишні фізичні, хімічні та геологічні чинники все наполегливіше проникала у свідомість вчених і знаходила реалізацію в їх конкретних дослідженнях. Цьому сприяли зміни, що відбулися загалом, підході дослідників природи до вивчення природи. Вони все більше переконувалися в тому, що відокремлене дослідження явищ та процесів природи з позицій окремих наукових дисциплін виявляється неадекватним. Тому межі XIX – XX ст. у науку дедалі ширше проникають ідеї холістичного, чи цілісного, підходи до вивчення природи, які у час сформувалися в системний метод вивчення.
Результати такого підходу негайно позначилися щодо загальних проблем впливу біотичних, чи живих, чинників на абіотичні, чи фізичні, умови. Так, виявилося, наприклад, що склад морської води багато в чому визначається активністю морських організмів. Рослини, що живуть на піщаному ґрунті, значно змінюють її структуру. Живі організми контролюютьнавіть склад нашої атмосфери. Число подібних прикладів легко збільшити, і всі вони свідчать про зворотний зв'язок між живою і неживою природою, в результаті якої жива речовина значною мірою змінює обличчя нашої Землі. Таким чином, біосферу не можна розглядати у відриві від неживої природи, від якої вона, з одного боку, залежить, а з іншого – сама впливає на неї. Тому перед дослідниками виникає завдання – безпосередньо дослідити, яким чином і якою мірою жива речовина впливає на фізико-хімічні та геологічні процеси, що відбуваються на поверхні Землі та в земній корі. Тільки такий підхід може дати ясне та глибоке уявлення про концепцію біосфери. Таке завдання таки поставив перед собою видатний український учений Володимир Іванович Вернадський (1863 – 1945).
5.2. В. І. Вернадський про біосферу та “живу речовину”
Центральним у цій концепції є поняття про живу речовину, яку В. І. Вернадський визначає як сукупність живих організмів. Крім рослин та тварин, В.І. Вернадський включає сюди і людство, вплив якого на геохімічні процеси відрізняється від впливу інших живих істот, по-перше, своєю інтенсивністю, що збільшується з перебігом геологічного часу; по-друге, тим впливом, яке діяльність людей надає інше живе речовина.
Цей вплив позначається насамперед у створенні численних нових видів культурних рослин та свійських тварин. Такі види не існували раніше і без допомоги людини або гинуть, або перетворюються на дикі породи. Тому Вернадський розглядає геохімічну роботу живої речовини у нерозривному зв'язку тваринного, рослинного царства та культурного людства як роботу єдиного цілого.
На думкуВ.І. Вернадського, у минулому не надавали значення двом важливим факторам, які характеризують живі тіла та продукти їхньої життєдіяльності:
* Відкриття Пастера про переважання оптично активних сполук, пов'язаних з дисиметричністю просторової структури молекул, як відмінність живих тіл;
* Недооцінювався внесок живих організмів в енергетику біосфери та їх вплив на неживі тіла. Адже до складу біосфери входить як жива речовина, а й різноманітні неживі тіла, які В.І. Вернадський називає відсталими (атмосфера, гірські породи, мінерали тощо), і навіть біокісні тіла, утворені з різнорідних живих і відсталих тіл (ґрунти, поверхневі води тощо.). Хоча жива речовина за обсягом та вагою становить незначну частину біосфери, але вона відіграє основну роль у геологічних процесах, пов'язаних із зміною вигляду нашої планети.
Оскільки жива речовина є визначальним компонентом біосфери, так можна стверджувати, що вона може існувати і розвиватися тільки в рамках цілісної системи біосфери. Невипадково, тому В.І. Вернадський вважає, що живі організми є функцією біосфери і тісно матеріально і енергетично з нею пов'язані, є величезною геологічною силою, її визначальною.
Вирішальна відмінність живої речовини від косної полягає в наступному:
* Зміни та процеси в живій речовині відбуваються значно швидше, ніж у відсталих тілах. Тому для характеристики змін у живій речовині використовується поняття історичного, а в оточуючих тілах – геологічного часу. Для порівняння зазначимо, що секунда геологічного часу відповідає приблизно 100 тисяч років історичного;
* під час геологічного часу зростають міць живої речовини та її впливна косну речовину біосфери. Це вплив, зазначає В.І. Вернадський, проявляється, передусім “в безперервному біогенному струмі атомів з живої речовини у відсталу речовину біосфери і назад”;
* Тільки живому речовині відбуваються якісні зміни організмів під час геологічного часу. Процес і механізми цих змін вперше знайшли пояснення теорії походження видів шляхом природного відбору Ч. Дарвіна (1859г.);
* живі організми змінюються залежно від зміни навколишнього середовища, адаптуються до нього і, згідно з теорією Дарвіна, саме поступове накопичення таких змін є джерелом еволюції.
В.І. Вернадський висловлює припущення, що жива речовина, можливо, має і свій процес еволюції, що проявляється у зміні з перебігом геологічного часу, незалежно від зміни середовища.
На думку В.І. Вернадського, жива речовина акумулює енергію космосу і трансформує її в енергію земних процесів (хімічну, механічну, теплову, електричну), забезпечує утворення нової живої речовини, яка не тільки заміщає маси, що відмирають, а й привносить нові якості, визначаючи тим самим еволюцію органічного світу.
Розрізняють п'ять основних функцій живої речовини на планеті - енергетичну, газову, концентраційну, окислювально-відновну та деструкційну.
Енергетичнафункція полягає у здійсненні зв'язку біосферно-планітарних явищ з космічним випромінюванням, переважно із сонячною радіацією. В її основі лежить фотосинтетична діяльність зелених рослин, завдяки якій відбувається акумуляція сонячної енергії та її перерозподіл між компонентами біосфери. За рахунок енергії Сонця, накопиченої земними рослинами, протікають усі життєві процесиЗемлі.
Газовафункція забезпечує газовий склад біосфери, зумовлює міграцію та перетворення газів. У процесі життєдіяльності живої речовини утворюються азот, кисень, вуглекислий газ, метан та інші гази.
Концентраційнафункція проявляється у вилученні живими організмами біогенних елементів із довкілля та його накопичення,т.к. Склад живої речовини значно відрізняється від середнього складу планети. У ньому переважають легкі атоми водню, кисню, вуглецю, азоту, кремнію, сірки, хлору, калію, кальцію. Концентрація цих елементів в організмах набагато вища, ніж у зовнішньому середовищі.
Окислювально-відновнафункція полягає в хімічному перетворенні атомів, головним чином, зі змінною валентністю (сполуки заліза, алюмінію, марганцю), що призводить до перетворення більшості хімічних сполук. На поверхні Землі переважають біогенні процеси окиснення та відновлення.
Деструктивнафункція зумовлює процеси, пов'язані з розкладанням організмів після їхньої смерті. Відбувається мінералізація органічної речовини або перетворення живої речовини на кісткове, що призводить до утворення біогенної та біокісткової речовини біосфери.