Главная | Обратная связь

Біосфера як глобальна екосистема. Структура біосфери. Еволюція біосфери. Жива речовина і її енергія; геохімічні кругообіги.

Вчення про біосферу у 1926 році заснував професор Володимир Вернадський. Термін біосфера трактується як “жива оболонка Землі”, або більш академічно – це вся сукупність екосистем Землі (інші нам, поки, невідомі), які об’єднані глобальними геохімічними циклами потоків енергії і матерії, що включають частини літосфери, атмосфери та гідросфери, населені живими організмами.

Еволюція біосфери тривала понад 3 млрд років і відбувалася під впливом алогенних (зовнішніх) сил, таких, як геологічні і кліматичні зміни, й автогенних (внутрішніх) процесів, зумовлених активністю живих компонентів екосистеми.

Перші екосистеми, які існували на початкових етапах розвитку біосфери, були населені надзвичайно дрібними анаеробними гетеротрофами, які живилися органічною речовиною, синтезованою в ході абіотичних процесів. Потім відбувся, за образним висловом Ю.Одума, "популяційний вибух" автотрофних водоростей, який перетворив атмосферу із відновлювальної в кисневу.

Біосфера – це єдина планетарна система. У ній підтримується необхідне для життєдіяльності організмів середовище, та й самі організми суттєво змінюють параметри інших сфер земної кулі в межах біосфери. Біосфера не тільки охоплена життям, але й певним чином організована внаслідок діяльності живих організмів. У межах біосфери здійснюється біогенний кругообіг речовин та спрямований потік енергії.

Сучасна біосфера характеризується стабільністю та високою надійністю функціонування. Вона досить успішно гасить більшість внесених у неї збурень. Стабільність біосфери є наслідком високого рівня організованості, цілісності й структурованості.

Цілісність біосфери забезпечується багатьма механізмами, її структуру підтримує наявність різноманітних живих організмів, що постійно взаємодіють між собою. Прямі та зворотні зв’язки між продуцентами, консументами та редуцентами є потужною об’єднуючою силою біосфери.Структура біосфери

Біосфера охоплює нижні шари атмосфери до висоти близько 11 км, всю гідросферу і верхній шар літосфери до глибини 3-11 км на суші й 0,5-1,0 км під дном океану. Товщина біосфери на полюсах Землі близько 10 км, на екваторі — 28 км

СТРУКТУРА БІОСФЕРИ

Важливою особливістю біосфери є її злитість з іншими геосферами Землі. Біосфера розміщена в межах атмосфери, гідросфери та частини літосфери. Загальна протяжність біосфери за радіусом Землі становить близько 40 км. Вона простягається від нижньої частини озонового екрану атмосфери, розташованого на висоті 20-25 км над рівнем моря, до верхньої частини гірських порід суші та дна Світового океану. Нижня межа простягання біосфери лежить на 23 км вглиб суші та на 1-2 км нижче дна океану.

Основна маса живої речовини, наявність якої відрізняє біосферу від інших геосфер, зосереджена в порівняно невеликому прошарку – біостромі. Біострома лежить на поверхні суходолу та охоплює верхні шари водойм. У цій зоні знаходиться 98% усієї живої речовини планети.

Біосфера сформована з різних речовин. За В.І. Вернадським, виділяють шість головних типів речовин біосфери:

1.Жива речовина, що представлена організмами різних видів.

2.Біогенна речовина, що є продуктом життєдіяльності організмів (наприклад, кам’яне вугілля, торф).

3.Нежива (косна) речовина, в утворенні якої живі організми не брали участі. Це, наприклад, гірські породи та мінерали.

4.Біокосна речовина, що сформована внаслідок взаємодії живої та косної речовин. Основним видом біокосної речовини є ґрунт.

5.Радіоактивна речовина.

6.Космічна речовина (наприклад, метеорити). Описаний підхід до структурування біосфери не єдиний. В

наш час більшість спеціалістів поділяють її>на сукупність живих організмів – біоту планети – і комплекс абіогенних екологічних компонентів: атмосферу, гідросферу і літосферу. Радіоактивна речовина в основному входить до літосфери – тверді планети, а речовина метеорів – частково в атмосферу при їхньому згоранні, частково – в літосферу.

Біосфера складається з окремих екосистем, але слід мати на увазі, що біосфера як глобальна система вищого рангу якісно відрізняється від регіональних екосистем більшою цілісністю і більшою замкненістю біогеохімічних циклів. Так, цикл живої речовини у біосфері повністю замкнений, чого немає в жодній екосистемі, і цикли азоту, вуглецю і води в біосфері маловідходні.

Замкненість і стійкість біосфери такі, що англійський учений Дж. Ловлок (1979) висунув концепцію «Геї» (за іменем богині Землі Геї), головним у якій є визнання наявності в біосфері високого гомеостазу, завдяки чому зрушена зі свого постійного стану тими чи іншими впливами, вона самостійно знову повертається у цей стан. Це справді так, але стійкість біосфери є відносною, і поріг її нам не відомий. Певні грубі порушення цілком можуть безповоротно вивести біосферу з нинішнього стану.

Г. Вальтер розділяв біосферу на біогеосферу (суходіл) та біо-гідросферу (усі види водойм). Такий поділ виправдовується тим, що в цих двох зонах зосереджена основна маса живої речовини.Унікальна роль живої речовини в біосфері полягає в її високій біогеохімічній активності. Жива речовина автотрофних організмів здійснює поглинання сонячної енергії та її перетворення на енергію хімічних зв’язків. Сукупна біогеохімічна активність живої речовини призвела до значної зміни газового складу атмосфери, в результаті чого атмосфера відновного типу перетворилася в атмосферу окислювального типу зі значним вмістом кисню. У результаті діяльності біосфери на земній кулі сформувався озоновий екран, який перехоплює більшу частину жорсткого космічного випромінювання та створює сприятливі умови життя на поверхні планети. Жива речовина змінила гірські породи та сприяла появі нових видів (вапняки та ін.). Життєдіяльність рослин, тварин та мікроорганізмів спричинила появу ґрунту.

Жива речовина планети є ініціатором та рушієм біогеохімічних циклів речовин. Велике значення в цьому має розмноження організмів. Усю біосферу можна розцінювати як єдине природне утворення, що поглинає енергію з космічного простору та направляє її на внутрішню роботу. У біосфері енергія тільки переходить з однієї форми до іншої та розсіюється у вигляді тепла. Основними перетворювачами енергії в біосфері є живі організми. Вони перетворюють вільну променисту енергію в хімічно зв’язану, яка потім переходить від одних біосферних структур до інших.

Унаслідок 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.

Біогеохімічний цикл можна визначити як циклічне поетапне перетворення речовин та зміну потоків енергії з просторовим масоперенесенням, яке здійснюється за рахунок сумісної дії біотичної та абіотичної трасформації речовин. Біогеохімічні цикли становлять циклічні переміщення біогенних елементів: вуглецю, кисню, водню, азоту, сірки, фосфору, кальцію, калію та ін. – від одного компоненту біосфери до інших так, що на певних етапах цьоґо кругообігу вони входять до складу живої речовини.

Рушійною силою переміщень усіх речовин в біогеохімічних циклах є потік сонячної енергії або частково енергії геологічних процесів Землі. Витрати енергії необхідні й для переміщення речовин у біогеохімічних циклах, і для подолання біогеохімічних бар’єрів. Такими бар’єрами на різних рівнях виступають мембрани клітин, самі особини рослин і тварин та інші матеріальні структури. Переміщення речовин у біогеохімічних циклах одночасно забезпечує життєдіяльність живих організмів. Головними оцінки параметрами ефективності та напрямку роботи біогеохімічного циклу є кількість біомаси, її елементарний склад та активне функціонування живих організмів

Біогеохімічні цикли змінюються в процесі еволюції біосфери. Реалізація окремих біогеохімічних циклів та накопичення відходів є основою виникнення біогеохімічних циклів нового типу або ускладнення існуючих. Так, накопичення в атмосфері вільного кисню створило передумову виникнення великої групи організмів, які використовують вільний кисень для дихання. Процеси хімічного біогенного окислення стали складовою частиною біогеохімічних циклів.