Біосфера

Біосфера (грец. «біос» – життя, «сфера» – сфера, куля) – уявна оболонка Землі, яка включає частини атмосфери, гідросфери і літосфери, заселені живими організмами. З усіх сфер Землі літосфера і гідросфера найтісніше пов’язані з життям. Так, осадові породи Світового океану і ґрунти літосфери є сумішшю живої й неорганічної речовин. Ця суміш спостерігається в усіх сферах Землі і утворює найактивнішу плівку життя, яку називають біосферою. Остання охоплює верхню частину літосфери, всю гідросферу і нижню частину атмосфери – тропосферу (див. рис. 2.1). Нижня межа життя проходить по літосфері на глибині 2-3 км, верхня – на верхній частині тропосфери – 20-22 км. Межі біосфери зумовлюються цілою низкою факторів. Важливою причиною нерівномірного розміщення живих організмів в атмосфері є наявність сил гравітації та космічне випромінювання. Існуванню живих організмів на великих глибинах літосфери заважає висока температура земних надр. У гідросфері живі організми зустрічаються і на максимальних глибинах.

Центральною ланкою біосфери виступають живі організми, включаючи людину. Перші уявлення про біосферу як «зону життя» належать французькому натуралісту Ж. Б. Ламарку (1802). Термін «біосфера» вперше запропонував у 1875 р. австрійський геолог Е. Зюсс. Науково обґрунтував учення про біосферу в 1926 р. видатний український учений, засновник і перший президент Академії наук України В. І. Вернадський. Він довів, що живі організми мають вирішальний вплив на всі геологічні процеси, які формують обличчя Землі. Саме життєдіяльністю живих організмів зумовлюється хімічний склад атмосфери, концентрація солей у гідросфері, утворення й руйнування гірських порід, утворення ґрунтів тощо. Живі організми не тільки пристосовуються до умов зовнішнього середовища, а й активно їх змінюють.

Усю сукупність живих організмів у біосфері В. І. Вернадський назвав «живою речовиною», яка складає єдину термодинамічну систему (оболонку, простір) та в якій зосереджується життя і відбувається постійна взаємодія всього живого з абіотичними умовами середовища. Як основні характеристики живої речовини він розглядав масу (біомасу), хімічний склад і енергію.

Основними компонентами біосфери є:

1) жива речовина – рослини, тварини та мікроорганізми;

2) біогенна речовина – органічні та органомінеральні продукти, створені живими організмами впродовж геологічної історії: кам’яне вугілля, горючі сланці, торф, нафта та ін.;

3) нежива (косна) речовина – гірські породи неорганічного походження і вода, які являють собою субстрат або середовище для проживання живих організмів;

4) біокосна речовина – результат синтезу живої та неживої речовин: осадові породи, кора вивітрювання, ґрунти, мули (підводні ґрунти);

5) радіоактивне, електромагнітне та інші види випромінювання; космічна речовина (метеорити та ін.).

Згідно із законом фізико-хімічної єдності живої речовини (сформульованим В. І. Вернадським), уся жива речовина має єдину фізико-хімічну природу.

На основі узагальнення досліджень у геології, палеонтології, біології 1а інших природничих науках В. І. Вернадський дійшов висновку, що в біосфері «встановилася рівновага в основних своїх рисах ... з археозою і не імінно діє впродовж 1,5-2 млрд років.» Стійкість біосфери за цей час виявляється в сталості загальної маси (10¹⁹ т), енергії, зв’язаної живою речовиною (4,21 ∙ 10¹⁸ кДж), і середнього хімічного складу всього живого. Дії унікальних особливостей живої речовини, які зумовлюють високу перетворювальну діяльність, належать такі:

1. Здатність швидко освоювати весь вільний простір. Це пов’язано як з інтенсивним розмноженням, так і зі здатністю організмів інтенсивно збільшувати поверхню свого тіла або утворюваних ними співтовариств.

2. Рух не тільки пасивний (під дією гравітаційних сил тощо), а й активний. Наприклад, проти течії води, сили гравітації, руху повітряних потоків тощо.

3. Стійкість за життя і швидке розкладання після смерті (включення в колообіги).

4. Висока здатність пристосовуватися (адаптація) до різних умов і в зв’язку з цим освоєння не лише всіх середовищ життя (водного, наземно-повітряного, ґрунтового і організменого), а й надзвичайно важких за фізико-хімічними параметрами умов.

5. Надзвичайно велика швидкість перебігу реакцій. Вона на кілька порядків (у сотні, тисячі разів) більша, ніж у неживій речовині. Наприклад, гусінь деяких комах переробляє за день поживи в 100-200 разів більше за масу їхнього тіла. Дощові черв’яки за 100-200 років пропускають через свої організми весь однометровий шар ґрунту. За уявленнями В. І. Вернадського, практично всі осадові породи завтовшки до 3 км на 95-99 % перероблені живими організмами. Навіть такі колосальні запаси води, що містяться в біосфері, розкладаються в процесі фотосинтезу за 5-6 млн років, карбонатна кислота проходить через живі організми в процесі фотосинтезу кожні 6-7 років.

6. Висока швидкість оновлення живої речовини. Підраховано, що в середньому для біосфери оновлення живої речовини становить 8 років, тоді як для суші – 14 років, а для океану, де переважають організми з коротким періодом життя (наприклад, планктон), -33 дні. В результаті високої швидкості оновлення живої речовини за всю історію існування життя загальна маса живої речовини, яка пройшла через біосферу, приблизно в 12 разів перевищує масу Землі. Тільки незначна її частина (частки відсотка) законсервовані у вигляді органічних решток (за В. І. Вернадським, «пішла в геологію»), решта ж включилась у процеси колообігу.

Усі перелічені та інші властивості живої речовини зумовлюються концентрацією в ній значних запасів енергії.

Уся діяльність живої речовини в біосфері зводиться до кількох основоположних функцій. Це насамперед енергетична, яка пов’язана з накопиченням енергії в процесі фотосинтезу, передавання її по ланцюгу живлення та розсіюванням. Газова функція – це здатність змінювати й підтримувати певний газовий склад середовища проживання. Так, включення вуглецю в процеси фотосинтезу, а потім у ланцюги живлення зумовлюють акумуляцію його в біогенній речовині (органічні рештки, вапняки тощо). В результаті цього відбувається поступове зменшення вмісту вуглецю та його сполук, передусім оксиду карбону (IV) в атмосфері з десятків відсотків до 0,03 %. Це саме стосується й накопичення в атмосфері кисню, синтезу озону та інших процесів.

Окисно-відновна функція пов’язана з інтенсифікацією під впливом живої речовини процесів як окиснення, завдяки збагаченню середовища киснем, так і відновлення, насамперед у тих випадках, коли відбувається розкладання живих речовин за дефіциту кисню. Відновлювальний процес зазвичай супроводжується утворенням і накопиченням гідрогенсульфіду, а також метану. Це робить нежиттєпридатними глибинні прошарки боліт, а також значні природні товщі вод (наприклад, у Чорному морі).

Концентраційна функція пов’язана зі здатністю організмів концентрувати в своєму тілі розсіяні хімічні елементи. Це сприяє підвищенню їх вмісту порівняно з навколишнім середовищем на кілька порядків. Наприклад, у тілі окремих організмів вміст мангану збільшується в мільйони разів. Наслідком концентраційної діяльності організмів є утворення покладів горючих копалин, вапняків, рудних родовищ тощо.

Деструктивна функція – це руйнування організмами та продуктами їх життєдіяльності, в тому числі й після їх смерті, як власне решток органічної речовини, так і косної речовини. Основний механізм цієї функції пов’язаний з колообігом речовин. Найістотнішу роль тут виконують редуценти – деструктори (гриби, бактерії).

Транспортна функція пов’язана з перенесенням речовини та енергії в результаті активного руху організмів. Такі перенесення можуть здійснюватися на великі відстані, наприклад під час міграцій тварин.

Середовищеутворювальна функція значною мірою є інтегративною (результат спільної дії інших функцій). З нею пов’язана зміна фізико-хімічних параметрів середовища. В широкому розумінні результатом цієї функції є все природне середовище, яке створене живими організмами і підтримується ними у відносно стабільному стані в усіх геосферах. У вужчому плані ця функція виявляється в утворенні ґрунтів, очищенні повітря від забруднень тощо. Серед інтегративних функцій автори виділяють ще одну – споживально-відтворювапьну, яка визначає швидкість (інтенсивність) процесів життя живої речовини біосфери. Дія цієї функції визначає динаміку споживання та відтворення відновних природних ресурсів, а також стійкість екосистем зокрема та біосфери в цілому. На оптимальних значеннях цієї функції базується раціональне природокористування, за якого споживання природних ресурсів має прагнути до мінімуму, а відтворення їх – до максимуму.

Розсіювальна функція виявляється через трофічну і транспортну діяльність організмів та в процесі здійснення антропогенних ресурсних циклів. Наприклад, розсіювання речовини при виділенні організмами екскрементів, загибелі організмів під час переміщень у просторі, зміна покривів, перероблення первинної сировини на продукти та їх споживання тощо.

Важливою є також інформаційна функція живої речовини, яка виражається в тому, що живі організми та їх співтовариства накопичують певну інформацію, закріплюють її в спадкових структурах і потім передають наступним поколінням. Це один з проявів адаптаційних механізмів.

Біосфера належить до відкритих систем, існування якої не уявляється без надходження енергії ззовні. Вона зазнає дії космічних сил, передусім сонячної активності. А. Л. Чижевський уперше довів, що багато явищ на Землі та в біосфері пов’язані з активністю Сонця. Існує також думка, що сонячна активність діє на різні геологічні процеси (катаклізми, катастрофи), а також на соціальну активність людського суспільства.

Біосфера є саморегулювальною системою, для якої, як зазначав В. І. Вернадський, характерна організованість. Цю властивість на сучасному етапі називають гомеостазом, маючи на увазі здатність повертатися у вихідний стан, гасити збурення, що виникають, включенням ряду механізмів. Біосфера за свою історію пережила чимало таких збурень, багато з яких були значними за масштабами (виверження вулканів, зустрічі з астероїдами, землетруси, гороутворення тощо). Проте вона справлялася з ними за допомогою гомеостатичних механізмів. Згідно з законом історичної необоротності, розвиток біосфери й людства як цілого не може відбуватися під пізніших фаз до початкових, загальний процес розвитку однонапрямлений.

Біосфера характеризується великим різноманіттям, що зумовлюється річними середовищами життя (водне, наземне – повітряне, ґрунтове, організмене), різноманіттям природних зон з їх різними кліматичними, гідрологічними, ґрунтовими, біотичними та іншими властивостями, а також наявністю регіонів, які різняться за хімічним складом. Головне ж полягає в тому, що в біосфері поєднується величезна кількість елементарних екосистем з властивим їм видовим різноманіттям. На сьогодні описано близько 2 млн видів (приблизно 1,5 млн видів тварин і 0,5 млн – рослин). Гадають, що їх число на Землі в 2-3 рази більше, ніж описано. Не враховано багато комах і мікроорганізмів, що проживають у тропічних лісах, глибинних частинах океанів та інших малодоступних місцях.

Усі функції живих організмів у біосфері можуть виконуватися тільки завдяки їх величезному різноманіттю, яке є основною умовою стійкості будь-якої екосистеми та біосфери загалом (закон Ешбі).

Важливою властивістю біосфери є наявність у ній механізмів, які забезпечують колообіг речовин і пов’язану з ним невичерпність окремих хімічних елементів та їхніх сполук. Якби не було колообігу, за короткий проміжок часу був би вичерпаний основний «будівельний матеріал» – вуглець, який практично один здатний утворювати міжелементні (карбон-карбонові) зв’язки і створювати величезну кількість органічних сполук. Тільки завдяки колообігам та постійному притоку сонячної енергії забезпечується безперервність процесів у біосфері.

В. І. Вернадський сформулював основний закон константності біосфери: «Кількість живої речовини є планетною константою з часів архейської ери, тобто за весь геологічний час». Упродовж цього часу живий світ морфологічно безперервно змінювався, але такі зміни помітно не вплинули ні на кількість живої речовини, ні на її середній валовий склад, що пояснюється надходженням сталої кількості сонячної енергії на планету Земля.