Главная | Обратная связь

Структура біосфери.

ПОНЯТТЯ БІОСФЕРИ

(слайд 4)

Німецький учений Е. Зюсс у 1875 році виділив у масштабах планети Земля кілька структурних частин — оболонок. Він назвав їх геосферами.

(слайд 5)

Основні геосфери - це літосфера (шар гірських порід, що скла­дають основу земної кулі), гідросфера (сукупність вод планети, океанічних і прісних) та атмосфера (повітряний океан Землі, що поділяється залежно від особливостей на тропосферу, стратосферу та іоносферу).

(слайд 6)

Одна з геосфер отримала назву біосфери. Існує кілька визна­чень біосфери. Більшість сучасних екологів (Ю. Одум, В. Федоров, Т. Гільманов, М. Реймерс, К. Ситник) розуміють біосферу як об'єднання усіх живих організмів, що знаходяться у взаємозв'язку з фізичним середовищем Землі.

(слайд 7)

З цього погля­ду біосфера становить сукупність екосистем нашої планети.

Фактично поняття біосфери охоплює не лише сукупність живих організмів, а й усі елементи неорганічної природи, залу­чені у потік життя.

Основоположниками вчення про біосферу є В.І. Вернадський (1967) та Тейяр де Шарден (1987). Вони обґрунтували високу хімічну та геологічну активність живої речовини біосфери, під­креслюючи, що розвиток життя на планеті забезпечується особ­ливими фізичними властивостями біосфери. В.І. Вернадський першим вказав на існування біокосних тіл, які є продуктом вза­ємодії неживої та живої матерії.

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.

(слайд 8)

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.

У межах біосфери розвивається жива матерія, тут сформува­лося людство. Якщо земна куля - колиска людства, то біосфера -лоно, що породило його. Необхідність цілісного розуміння біосфе­ри та вивчення закономірностей її існування є актуальною про­блемою сучасної науки. Ю.Р. Шеляг-Сосонко, В.С. Крисаченко та Я.І. Мовчан (1991)цілком обґрунтовано підкреслювали необхід­ність виділення окремої науки про біосферу - біосферології.

У методологічному плані біосферологія поєднана з іншою інтегральною наукою — геобіологією, формування якої почалося наприкінці XIX століття. Детальний аналіз, проведений україн­ським філософом В.С. Крисаченко (1988), показав, що існує чотири головні підходи до розуміння об'єкту геобіології. З них екологі­чний інтерес становлять два. У межах першого підходу геобіологія виступає як частина біосферології та концентрує свою увагу на дослідженнях біосфери як геологічного утворення. Цей підхід синтезує в собі аутекологію та синекологію. При іншому підході геобіологію розуміють як науку про біосферу, зорієнто­вану перш за все на вивчення загальних процесів розвитку ма­терії. На основі цього аналізу можна побачити, що виділення геобіології як окремої науки на противагу біосферології не має ніяких переваг. Біосфера — це досить складне природне явище, і може існувати багато різних підходів до її вивчення. Кожний такий підхід може бути зародком нової науки.

Структура біосфери.

(слайд 9)

Важливою особливістю біосфери є її злитість з іншими гео­сферами Землі.

Біосфера розміщена в межах атмосфери, гідро­сфери та частини літосфери. (слайд 10)

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.

(слайд 11)

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.

(слайд 12)

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).

(слайд 13)

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 біогідросферу (усі види водойм). Такий поділ виправдовується тим, що в цих двох зонах зосереджена основна маса живої речовини.

Розглянемо основні компоненти біосфери більш детально.

Жива речовина. За останніми оцінками, жива речовина складає 24 ^. 10¹¹ тонн. К.М. Ситник та С.П. Вассер (1992) вважають, що на Землі існу­ють 1 447 609 видів живих організмів. На думку інших дослід­ників, їх набагато більше — можливо, 80 млн. видів.

(слайд 14)

Повнота виявлення живих організмів неоднакова в різних царствах. Види судинних рослин виявлені на 80 %, мохів — на 70%, водоростей -на 50%, грибів - тільки на 1-10%, членистоногих - на 3-20% , монер - на 15-20% та вірусів - усього на 5%.

Порівняно з масою інших речовин планети на долю живої речовини припадає мізерна частина. Вона становить 1/11 000 000 маси земної кори. Жива матерія подібна до тонкої шкірки яблука, якщо порівняти розмір земної кулі з яблуком.

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, яке В.Вернадський називав «розтіканням» жи­вої матерії, її «прагненням до всюдності».

(слайд 15)

Атмосфера. Газова частина біосфери представлена атмосферою. її зага­льна маса дорівнює 5,2 ^. 10¹⁵ т. Основу атмосфери складає азот -78% за об'ємом. У значній кількості представлений кисень (20,95%), є вуглекислий та інші гази.

(слайд 16)

В атмосфері завжди присут­ня водяна пара, основна частина якої (86%) утворюється при випаровуванні з поверхні океанів та суходолу. З висотою газо­вий склад атмосфери змінюється мало, тільки помітно зменшу­ється кількість водяної пари.

Постійним компонентом атмосфери є аерозолі. Це молеку­лярні агрегати розміром від кількох нанометрів до десятків мі­крометрів. Основу аерозолів складають молекули води, але до них входять й інші речовини - тверді частки, сірчаний газ тощо. Загальна маса аерозолів в атмосфері не менше 20 млн. т. Важливою властивістю атмосфери є її рухливість. Циркуля­ція повітря під впливом різниці температур і обертання земної кулі універсальні. Унаслідок утворення вітру відбувається пе­реміщення великих мас повітря, водяна пара переноситься з місць підвищеного випаровування в більш прохолодні місця, де випа­дає у вигляді дощу чи снігу. Вітер є важливим агентом переносу зачатків життя — спор, насіння тощо. Для багатьох рослин вітер служить агентом переносу пилку. З вітром переносяться і різні газоподібні та пиловидні речовини, що потрапляють в атмосфе­ру в результаті господарської діяльності.

Газовий склад атмосфери не є постійним. За час існування нашої планети він різко змінився приблизно 2 млрд. років тому, коли зелені рослини в процесі фотосинтезу почали виділяти ві­льний кисень. До цього часу атмосфера складалася тільки з азо­ту, окислів вуглецю і водяної пари. Ця важлива зміна мала на­слідком появу тварин, які дихають киснем, а також зробило мо­жливим горіння речовин в атмосферному повітрі.

В екваторіальних широтах атмосфера поглинає більше соняч­ної енергії, ніж у високих широтах. Енергія, що поглинається атмосферою, є джерелом глобального переміщення повітряних мас, які, у свою чергу, визначають клімат.

Життєво важливим є озоновий шар атмосфери, розташова­ний на висоті 20-25 км. Озон - це особлива форма кисню. Шар озону у верхній частині атмосфери порівняно малопотуж­ний (при нормальному тиску його товщина була б рівною 3 мм), але він виконує найважливішу для життя функцію - перехоп­лення ультрафіолетових променів сонячного випромінювання, яке дуже небезпечне для живих організмів, зокрема тим, що викликає порушення ДНК та призводить до появи небажаних генетичних мутацій.

(слайд 17)

Сучасне активне вивчення озонового шару атмосфери є наслідком реалізації програми дослідження впли­ву вихлопних газів надзвукових літаків типу «Конкорд» на стратосферу. Було встановлено, що вихлопні гази безпечні, але з'ясувалося, що озон активно руйнується молекулярним хло­ром, який є у фреонах, які широко застосовуються в промисло­вих та побутових холодильних установках. Фреони, підіймаю­чись у верхні шари атмосфери, розкладаються, виділяючи хлор, який руйнує озон.

Озонометрія, яка здійснюється впродовж останніх 25 років, показала, що за період спостережень втрати озону склали 3% від його початкової кількості. Начебто це й небагато, але такої втрати виявилося достатньо, щоб на певних ділянках озоновий шар втратив цілісність і утворилися «озонові дірки». У 1987 році в Монреалі на міжнародній конференції 36 країн світу під­писали протокол зобов'язань щодо скорочення на 50% виробни­цтва речовин, що руйнують озон. Це тимчасові заходи, оскільки механізми формування та збереження озонового шару атмосфе­ри до кінця ще не вивчені.

Важливість атмосферних параметрів для клімату та погоди широко відома. Практична необхідність прогнозування погоди та оцінки вікових тенденцій зміни клімату призвели до органі­зації спеціальної метеорологічної служби.

За високої розрідженості атмосфери живі організми не мо­жуть знаходитися в ній постійно. Утримання в атмосфері під час польоту вимагає значних затрат енергії. Здатність до трива­лого ширяння в атмосферному повітрі мають тільки одноклі­тинні мікроорганізми та деякі види птахів. Для наземних орга­нізмів корисними властивостями атмосфери є її прозорість для сонячного випромінювання.

Гідросфера сформована в основному з води. Вона з'явилася на планеті приблизно 4 млрд. років тому за рахунок процесу диференціації речовин.

(слайд 18)

До початку фанерозоя утворився Світовий океан. В еволюції гідросфери відбулися два великі переломні моменти. Перший був пов'язаний з виходом рослин на суходіл. Оскільки поверхня випаровування листя сухо­дільних рослин швидко збільшувалася і привезла до зростання втрат води (що прирівнювалося до випаровування з поверхні океану), то живі організми в результаті цього суттєво трансформували кругообіг води.

Другий переломний етап у розвитку гідросфери був ви­кликаний вирубкою лісів та розорюванням ґрунтів для орга­нізації агроекосистем. Ліси витрачають на випаровування 90% поглиненої сонячної енергії, а рілля - тільки 40% . Ви­рубування лісу та розширення орних земель зменшили випаровування на континентах приблизно у 2 рази, що дало поштовх процесам запустелювання. Швидкість запустелювання в наш час складає, за В.Г. Горшковим та К.С. Лосевим (1992), 20 га за 1 хвилину.

Вода надзвичайно важлива для живих організмів. У загаль­ній кількості води планети, що дорівнює 1 млрд. 7 млн. тонн (або м³), 96,5% припадає на морську. На материках зосереджено тільки 3,5% загальних запасів води. Прісної води у світі нара­ховується 35 млн. км³, з них 30 млн. км³ води утримується в льодовиках.

Площа Світового океану становить 361,3 млн. км², що пере­вищує 70% поверхні планети. Вода океанів та морів солона. Се­редня солоність сягає 35 г/л. Солоність залежить від випарову­вання та кількості опадів. На солоність невеликих морів впли­ває приток прісної води з рік. Тому вона, наприклад, висока в Червоному морі та низька в Балтійському.

Вода океанів та морів постійно перемішується внаслідок вер­тикальних та горизонтальних течій. У морській воді мало біо­генних мінеральних речовин (особливо фосфору), і цей фактор є основним в обмеженні біопродукції автотрофних водяних рос­лин. Кількість розчиненого у воді вуглекислого газу лімітує фо­тосинтез менше.

Між океанами і сушею відбувається переміщення речовин. Зокрема, при хвилюванні води і в зоні прибою формуються аеро­золі, що містять карбонати і сульфати. Вони переносяться віт­ром на материки і тут потрапляють на сушу разом з опадами. З іншого боку, ріки постійно вносять в океани велику кількість органічних і неорганічних речовин.

Води Світового океану мають високу теплоємність. Світо­вий океан поглинає 80% усієї сонячної радіації, яка досягає поверхні планети. Поглинальна здатність океанів складає 90 ккал/см² на рік, а суходолу - тільки 50 ккал/см² на рік. Природно, що основна частина тепла поглинається океанами в тропіках. У помірних та крайніх північних і південних широтах, навпаки, йде віддача тепла в атмосферу.

Океан - це важлива «фабрика» погоди на планеті та основний стабіліза­тор середньої температури Землі.

(слайд 19)

За відсутності Світового океану на континентах при зміні сезонів виникали б досить різкі коливання температур, мало сумісні з існуванням жи­вих організмів.

Світовий океан виконує й іншу роботу в біосфері. У холод­них областях вода поглинає вуглекислий газ з атмосфери, а в теплих відбувається його виділення.

(слайд 20)

У цілому Світовий океан дуже важливий для планетарного обміну речовин та обміну енергією.

Моря та прісні води є середовищем життя багатьох видів організмів. Вода - щільне середовище, і живі організми знахо­дяться в ній або в завислому стані, або підтримують себе в потрі­бному їм шарі води шляхом активного плавання. Життям про­низана практично вся товща гідросфери. У Світовому океані синтезується 21 млрд. тонн органічних речовин. Це в основному біомаса фітопланктону. Завдяки автотрофним морським орга­нізмам океани продукують вільний кисень. Його вихід з океа­нів оцінюється в 61 млрд. тонн на рік.

Континентальні води переважно прісні, їхня солоність не перевищує в середньому 1-2 г/л солей. На континентах гідро­сфера представлена річками та озерами. У ріки суходолу стікає приблизно половина тієї кількості води, що випадає на суходіл у вигляді опадів. В Україні загальний стік води в ріках становить 87 млрд. тонн на рік.

Для гідросфери досить важливе співвідношення рідкої та замерзлої (лід) води. Воно визначається температурними умова­ми. Нині під льодом знаходиться до 10% поверхні суходолу. Сукупність усього льоду планети В.І. Вернадський називав кріосферою.

(слайд 21)

Потужність кріосфери не стабільна. Упродовж довгих періодів при змінах клімату в тих чи інших регіонах планети може переважати утворення льоду. Він починає вкривати по­верхню ґрунту та формувати цілорічний льодовиковий щит. Такі періоди в історії Землі отримали назву льодовикових.

В останню льодовикову епоху площа льодовиків у Європі збільшилася в 2 рази, а в епоху максимального зледеніння - у 4 рази. При цьому південна межа льодовика проходила на 48° п.ш.

Літосфера Літосфера утворена гірськими породами.

(слайд 22)

На виходах гірсь­ких порід безпосередньо можуть жити тільки деякі організми -лишайники, водорості.

Для життя необхідний ґрунт, що утворю­ється як суміш мінеральних речовин, які виникають при руйну­ванні гірської породи та органічних речовин - продуктів життє­діяльності організмів. Для формування ґрунту особливо важли­ві мікроорганізми та коріння рослин.

(слайд 23)

Поняття про ґрунт як біокосне тіло природи було вперше сформульоване В.В. Докучаєвим.

(слайд 24)

Ще наприкінці XIX століття він підкреслював, що ґрунти виникають у результаті тісної вза­ємодії між водою, повітрям, гірськими породами та живими ор­ганізмами. Ґрунт - головне середовище життя наземних рос­лин і важлива структурна частина біосфери. Родючість ґрунтів визначається сполученням багатьох фізичних та хімічних вла­стивостей. Вона залежить від кількості в ґрунтах гумусу, від наявності біогенних макро- та мікроелементів, від вологості ґру­нту, від її кислотності тощо.

Серед інших параметрів ґрунту не останнє місце посідає його вологість. Вона визначається співвідношенням кількості опа­дів та випаровування. Вважають, що при кількості опадів менш ніж 250 мм на рік формуються пустелі, при 250-750 - савани, степи, лісостепи та ліси, а при кількості, більшій за 1250 мм - вологі ліси та болота. В Україні основні опади надходять від Атлантичного океану, Середземного та Чорного морів. Найбільш зволожені ґрунти в Західній Україні.

У цілому треба зазначити, що всі оболонки земної кулі (гео­сфери) активно взаємодіють між собою, обмінюючись речовиною та енергією.