Структура та функції біосфери

Біосфера є планетарною екосистемою, адже кожен живий ор­ганізм на планеті взаємодіє з будь-яким іншим безпосередньо, дистанційно або через продукти життєдіяльності; одномоментно або впродовж певного терміну; синхронно чи асинхронно. Термін "біосфера" запропонував австрійський геолог Е. Зюсс у 1875 р. Саме поняття він визначив у 1909 р. як "сукупність організмів, обмежену в просторі і часі, яка мешкає на поверхні Землі". По­няття "жива речовина" вперше вжив у 1909 р. польський учений І. Лукашевич, і відтоді термін "біосфера" є передусім поняттям геологічним. З точки зору екології, біосфера — це частина оболо­нок планети в межах поширення живих організмів та продуктів їх життєдіяльності. Маса живої речовини в біосфері, за деякими оцінками, становить 1/2100 маси атмосфери, а загальна товщина "живої оболонки" досягає 1/320 радіуса планети.

Значний внесок у розвиток вчення про біосферу зробив видат­ний вітчизняний вчений, геолог В.І. Вернадський. У своїх працях учений наголошує на тому, що біосфера власне є однією з геоло­гічних оболонок нашої планети, до якої крім косної речовини вхо­дять біокосні речовини (нафта, води Світового океану) та біогенні речовини (поклади кам'яного вугілля, вапняки). Він вважав, що земна кора є рештками біосфер минулих епох.

З фізичної точки зору, планету оточують чотири оболонки: літосфера (тверда), гідросфера (рідка), атмосфера (газоподібна) і магнітосфера (складається з магнітних частинок різної енергети­ки). Лише гідросфера повністю заселена, інші оболонки заселе­ні або трансформовані в результаті діяльності живих організмів частково. Літосферу нашої планети зазвичай називають земною корою. Товщина її коливається від 8 км у північній частині Тихо­го океану до 84 км у районі гір Тянь-Шаню.

Нижню межу біосфери визначає верхній край базальтового шару літосфери, а верхню — озоновий шар (максимальна концен­трація озону — на висоті 20—30 км). Поза цими межами немож­ливе автономне існування живих організмів і не відбувається на­копичення продуктів їхньої життєдіяльності.

Максимальна висота, на якій зафіксовано існування вищих рослин, — 7000 м над рівнем моря; це один з видів зірочника (роду гвоздикові). Максимальна висота, на якій зареєстровано польоти птахів, — 12 500 м (на цій висоті зафіксовано зіткнення білоголо­вого сипа, хижого птаха, з літаком). Окремі види комах живуть на висоті близько 6000 м, а їхні польоти зареєстровані на висоті понад 11 км. Вище можуть проникати лише бактерії. Описано на­явність життєздатних бактерій на висоті 77 км.

У межах літосфери в результаті діяльності наземних живих організмів виник ґрунт. Це найщільніше заселена верхня части­на літосфери. Ґрунт містить мінеральні та органічні речовини, до­ступні для використання ї* живими організмами. Це ланка, що поєднує між собою біологічний та геологічний кругообіги.

Шар ґрунту, товщина якого дорівнює глибині поширення ко­ренів рослин, називається ризосферою. Ґрунт підстилають оса­дові породи — глини, вапняки, мергелі. Він має власну систему циркуляції води. Існують підземні потоки і водні резервуари (на­приклад, гігантський підземний резервуар, заповнений водою, знаходиться під Сахарою). Нижче розміщуються шари материн­ських, або кристалічних, порід, підстелені базальтовим шаром. Він розміщений у середньому на 2—3 км нижче поверхні суші і на 1—2 км нижче дна океану. Проте в місцях тектонічних розломів земної кори, де проявляється вулканічна активність, базальтовий шар виходить на поверхню суші. Можна вважати, що в кратерах вулканів товщина літосфери нульова, адже через них відбувають­ся викиди магми — розпеченої рідкої суміші хімічних елементів, якою заповнена мантія Землі.

Гідросфера не є суцільною оболонкою планети. Частина суші повністю позбавлена водного покриву і зволожується періодично. Найбільша товщина гідросфери — у межах Маріанської западини поблизу Філіппін (близько 11 км). У гідросфері прослідковується нерівномірний розподіл живого. Найщільніше заселені поверх­неві шари і прибережна зона Світового океану в зоні тропіків, а також деякі континентальні водойми. Разом з тим гідросфера — єдина оболонка, яка повністю заселена живими організмами. Так, деякі види риб живуть на глибині понад 7500 м, безхребетні — на глибині до 10 500 м, ще глибше проникають мікроорганізми.

Атмосфера — це єдина оболонка, товщина якої над усією зем­лею майже однакова (біля 100 км). Життя можливе лише в її при­земному шарі — тропосфері (до 15 км над поверхнею), вище мож­на зустріти лише спори, пилок вищих рослин та окремі продукти життєдіяльності живих організмів. У нижньому шарі тропосфери відбувається випаровування і конденсація води, формуються по­вітряні потоки, клімат і погода. Саме тут зосереджена найбільша кількість живих організмів, що пов'язано передусім з парціаль­ним тиском кисню і вуглекислого газу. Хімічний склад чистого повітря приблизно такий: 78,08 % азоту, 20,94 % кисню, 0,93 % аргону, 0,03 % вуглекислого газу, менше ніж 0,00005 % озону. У незначних кількостях наявні також неон, гелій, метан, криптон і водень. Уміст біогенних газів зі збільшенням висоти над рівнем моря швидко знижується, і вже на висоті 4000—5000 м біома­са зменшується у десятки разів порівняно з її кількістю на рів­ні моря. Найважливішими для живих організмів компонентами атмосфери є кисень, вуглекислий газ, озон і водяна пара. Уміст останньої коливається від 0 до 4 %.

Цікаво, що походження атмосфери і гідросфери нашої плане­ти до цих пір не з'ясоване остаточно. Існує гіпотеза, згідно з якою атмосферу складають рештки газової туманності, з котрої утвори­лася Сонячна система. Більшість учених вважає, що гідро- та ат­мосфера утворилися в результаті міграції летких речовин із надр планети на її поверхню.

Магнітосфера — зовнішня оболонка планети, що складається з протонів та інших ядерних частинок, які утримуються в електро­магнітному полі Землі. Як і будь-яке фізичне тіло, наша планета має надзвичайно потужне власне електромагнітне поле, силові лі­нії якого орієнтовані відносно магнітних полюсів. Магнітосфера складається з кількох радіаційних поясів, що відрізняються один від одного складом частинок, захоплених магнітним полем Землі. Цю оболонку планети лише недавно почали вивчати з точки зору її ролі в життєдіяльності організмів, адже досліджувати її можна тільки за допомогою спеціальної складної апаратури. Уперше іс­нування радіаційних поясів нашої планети було доведено під час польоту американського супутника "Піонер-1" у 1958 р. Склад і стан магнітного поля планети впливає на перебіг біохімічних про­цесів живих систем, а тому останнім часом актуальним стало ви­вчення впливу змін у магнітному полі на здоров'я людини.

Основні положення вчення В.І. Вернадського про організацію біосфери

Живі організми заселяють нижній шар атмосфери — тропо­сферу. Кисень на висоті близько 20 км під впливом сонячних про­менів перетворюється в озон і розташовується у вигляді озонового екрану, що не пропускає більшу частину космічних і ультрафіо­летових променів, які у великих дозах згубно діють на живі орга­нізми. Найбільш стійкі в несприятливих умовах спори бактерій і грибів рухом повітряних потоків можуть заноситися на висоту приблизно 20 км, зберігаючи при цьому життєздатність. Вище вони гинуть у результаті інтенсивного ультрафіолетового випро­мінювання Сонця. Води океанів, морів, річок і озер, що займають близько 70 % поверхні земної кулі і утворюють гідросферу, прак­тично повсюди заселені різноманітними рослинами і тваринами до максимальних глибин — 11 км. Життя присутнє також і у верхніх шарах літосфери^— твердої оболонки Землі. Найпримі-тивніші організми — бактерії — знайдено в товщі Землі завглиб­шки до 3 км, у зонах прилягання нафти.

Таким чином, межі біосфери визначаються межами умов іс­нування, сумісних із життям. Верхня межа життя розташова­на на висоті близько 20 км, нижня — відповідає максимальним глибинам океанів та ділянкам літосфери, де зустрічаються вкра­плення нафти — органічних речовин, що є продуктами живлен­ня для деяких анаеробних бактерій, які розвиваються за відсут­ності кисню. Максимальна концентрація життя спостерігається у ґрунті — поверхневому шарі літосфери, у надґрунтовому шарі атмосфери, не вище декількох метрів, і у верхніх шарах гідросфе­ри, достатньо освітлених і прогрітих Сонцем. У цих місцях умови життя найбільш сприятливі, відповідно різноманітність життя у цій зоні біосфери особливо поширена. Тут зосереджені найви-сокоорганізованіші тварини і рослини. Меж біосфери досягають найпримітивніші живі організми, процеси життєдіяльності яких в цих умовах зазвичай низькі. В активному стані меж біосфери досягає і навіть переходить їх тільки людина як соціальна істота, використовуючи для цього космічні літальні апарати, пристосу­вання для бурення свердловин, апарати, що плавають на поверхні і в товщі води, та ін.

До складу біосфери входять такі компоненти. По-перше, жива речовина, тобто самі живі організми. По-друге, біогенна речови­на, яка створюється в процесі життєдіяльності організмів: кисень і вуглекислий газ атмосфери, утворені за рахунок фотосинтезу, дихання та розпаду загиблих рослин і тварин; кам'яне вугілля і торф — результат неповної мінералізації древніх чи сучасних рослин; вапняки, утворені з раковин та скелетів вимерлих вод­них тварин, та ін. По-третє, речовина, утворена без участі живих організмів: базальт, граніти, метеорити та ін. По-четверте, біоре-човина — результат взаємодії живих організмів з речовиною лі­тосфери (ґрунт).

Основні положення теорії В.І. Вернадського:

— життя є неминучий наслідок світового еволюційного про­цесу, будь-які теорії випадкового зародження життя не ви­тримують критики;

— Земля як космічне тіло і життя на ній виникли практично одночасно, життя виявлено в найглибших геологічних ша­рах;

— наша планета і Космос є єдиною системою, в якій життя зв'язує всі процеси в єдине ціле;

— кількість живої речовини на Землі є постійною величиною, тобто в усі часи від початку виникнення Землі в кругообіг життя було введено ту саму кількість речовини, що і нині;

— життя — це головна геологічна сила на планеті (не вулка­нізм і не процеси вивітрення визначають обличчя планети; її ландшафти, хімізм океана, структура атмосфери та ін. — це породження життя);

— людина є неминучим результатом еволюції планети, на яку покладено визначну роль в її житті;

— у наш час лише людина є головною геологічною силою на планеті;

— колись розвиток біосфери і суспільства стане нерозривним, і біосфера перейде у нове становище — ноосферу (сфера ро­зуму).

Сучасні концепції біосфери

Ми живемо на початку нового тисячоліття і переступили не лише календарний рубіж. Цей рубіж називають переходом до постіндустріальної епохи, переходом від "силової" взаємодії з природою, екстенсивного розвитку енергетики, добувної і пере-роблювальної промисловсті до "тонкого" виробництва, розвитку енерго- і ресурсозбережних результатів тонких і важких дослі­джень. Змінюються методи управління не лише технологічними процесами, а й методи управління господарською і соціальною ді­яльністю, що стало можливим завдяки бурхливому розвитку ін­формаційної техніки і техніки зв'язку.

Постіндустріальну епоху називають також інформаційною, ці дві назви стали синонімами. Час потребує глибшого, грамотні­шого, науково обґрунтованішого підходу до найрізноманітніших сфер людської діяльності, уміння використовувати весь арсенал людського досвіду, сконцентрований на багатьох науках.

Масштаби створення людством матеріальної культури великі. І темпи її розвитку постійно збільшуються. У наші дні так зва­на техномаса (усе створене людиною за рік) уже на порядок пе­ревищує біомасу (масу диких живих організмів). Це тривожний сигнал, він потребує розумового відношення до балансу системи "природа—біосфера—людина".

Таким чином, сучасна ецоха поставила проблему взаємозв'яз­ку людського суспільства з природою. Дія людини на біосферу збільшилась і продовжує стрімко рости. Аналіз глобального еколо­гічного становища призводить до безпрецедентної за своїми масш­табами проблеми — вивчення всього комплексу взаємозв'язаних динамічних процесів, що відбуваються в біосфері. Ця обставина спричинила створення нового напрямку досліджень, що отримав назву глобального моделювання. Методологічною базою комп­лексного вивчення найважливіших сторін розвитку людського суспільства є системний аналіз. Рішення проблеми охорони на­вколишнього середовища потребує врахування гетерогенного її характеру, зумовленого антропогенною дією.

На думку деяких зарубіжних учених, обмеженість ресурсів порушує ще одну важливу проблему — диференційний розвиток різних частин світової системи з метою збалансованого розвитку всього людства.

Нині спостерігається глибокий розрив між потребою розуміння складності структури і взаємозв'язків реального світу, що зростає, і труднощами сприйняття цього, зумовленими традиційною фор­мою освіти. Варто застосовувати "інноваційне навчання", заснова­не на активній участі людей у створенні свого майбутнього, але з умінням одночасно прогнозувати результати дії на біосферу.

Таким чином, вирішальною в цьому розмаїтті проблем є кон­цепція біосфери, що віддзеркалює реальне положення речей.

Відомо, що надра планети і космічні процеси активно вплива­ють на процеси в біосфері. Тобто сфера життя щільно вплетена в єдину тканину всесвіту, тому її межі умовні.

Основні властивості біосфери:

1. Біосфера — централізована система. Центральною ланкою її виступають усі живі організми (жива речовина), у тому числі і людина.

2. Біосфера — це відкрита система. її існування неможливе без постачання енергії, головним чином від Сонця.

3. Біосфера — саморегулівна система. Цю властивість назива­ють гомеостазом, розуміючи під ним здатність гасити протиріч­чя, що змінюють початковий стан системи.

Ноосфера

Термін "ноосфера" запропонували ще в 1927 р. французькі учений і філософ Е. Леруа і П. Тейяр де Шарден. У це поняття вони вклали особливий зміст, протлумачивши його як деякий надбіосферний "мислительський пласт", як єдиний покрив, що огортає планету.

Деякі вчені пропонують використовувати замість поняття "ноосфера" інші: "техносфера", "антропосфера", "психосфера", "соціосфера" або використовувати їх як синоніми. Подібний під­хід є суперечливим, оскільки між перерахованими дефініціями і поняттям "ноосфера" є відмінність. Друге тлумачення терміна "ноосфера" дав В.І. Вернадський, розуміючи під ним ту частину нашої планети і навколопланетного простору, яка несе на собі печатку розумової діяльності людини: також, як і біосфера, но­осфера стає геологічною силою, що впливає на всі сфери Землі. Таким чином, Вернадський розширив вчення про взаємний вплив живих організмів і середовища, тобто представлення про предмет екології, додав проблеми впливу ноосфери на біосферу. У резуль­таті екологія із суто біологічної перетворилась на міждисциплі­нарну царину не лише наукового, але і філософського знання.

У роботах Вернадського можна зустріти різні уявлення про ноосферу, які до того ж змінювалися впродовж життя вченого. Вернадський почав розвивати цю концецію з початку 30-х років XX ст. після детальної розробки вчення про біосферу. Розуміючи велику роль і значення людини в житті і у формуванні планети, Вернадський використовує поняття "ноосфера" в різних варіаці­ях: 1) як стан планети, коли людина стає найбільшою формуючою геологічною силою; 2) як сферу активного проявлення наукової думки; 3) як головний фактор перебудування і зміни біосфери.

Дуже важливим у вченні Вернадського про ноосферу є те, що він уперше усвідомив і спробував здійснити синтез природних і суспільних наук під час вивчення проблем глобальної діяльності людини. На його думку, ноосфера — це якісно інша, вища ступінь біосфери, зв'язана з корінною перебудовою не лише природи, а і самої людини.

Нині під ноосферою розуміють сферу взаємодії людини і при­роди, у межах якої розумова діяльність людини стає головним визначальним фактором розвитку. У структурі ноосфери можна виділити такі складники: людство, суспільні системи, сукупність наукових знань, сукупність техніки і технологій, що існують з біо­сферою як єдине ціле. Гармонійний взаємозв'язок усіх складників структури є основою стійкості існування і розвитку ноосфери.

Говорячи про еволюційний розвиток світу, його перехід у но­осферу, основоположники цього вчення розходились у розумінні суті цього процесу. Тейяр &е Шарден говорив про поступовий пе­рехід біосфери в ноосферу, тобто "у сферу розуму, еволюція якого підкоряється розуму і волі людини", шляхом поступового згла­джування протиріч між людиною і природою.

У Вернадського ми зустрічаємо інший підхід. У його вченні про біосферу жива речовина перетворює верхню оболонку Землі. Поступово втручання людини збільшується, людство стає осно­вною планетарною геологотвірною силою.

У цьому і полягає непростий характер еволюції природи, біо­сфери, а також складності появи ноосфери, визначення ролі й місця в ній людини. Вернадський неодноразово підкреслював, що людство лише вступає у цей стан. А нині, через декілька десяти­літь піля смерті вченого, говорити про стійку розумову діяльність людини (тобто про те, що ми вже досягнули стану ноосфери) не­має достатніх підстав. І так буде доти, доки людство не вирішить глобальні проблеми планети, у тому числі екологічну. Про ноос­феру правильніше говорити як про той ідеал, до якого потрібно рухатися людині.