Учебное пособие: Угруповання та екосистеми
Сукупність усіх водойм (океанів, морів, річок тощо) утворює водну оболонку Землі - гідросферу, яка займає майже 71% поверхні планети. Ця оболонка може бути завтовшки понад 11 км.
Газову оболонку, розташовану над поверхнею літосфери і гідросфери, називають атмосферою (від грец. атмос - пара). її нижню частину заввишки до 15-18 км (у помірних широтах - до 8-12 км) називають тропосферою (від грец. тропос - зміна). Тут міститься зважена в повітрі водяна пара. Внаслідок нерівномірного нагрівання поверхні Землі вона формує хмари, здатні пересуватись на значні відстані. Температура тропосфери, особливо її нижніх шарів, непостійна.
Над тропосферою розташована стратосфера (від лат. стратус - шар) заввишки 80 км. Біля верхньої межі цього шару виникає північне сяйво (свічення газів, спричинене потоком електрично заряджених частинок, які випромінює Сонце).
В атмосфері на висотах між 7-8 км (над полюсами), 17 - 18 км (над екватором) і 50 км сформувався особливий озоновий екран (від грец. озон - пахучий). До його складу входить озон (03 ), який утворився під дією сонячної радіації з кисню (02 ). Озоновий екран має виняткове значення для існування наземних біогеоценозів і біосфери в цілому, оскільки відбиває короткохвильове ультрафіолетове сонячне випромінювання, яке згубно діє на живу матерію.
Що таке біосфера? Поняття "біосфера" (від грец. біос - життя) запропонував 1875 року австрійський учений Едуард Зюсс. Вчення про біосферу створив видатний український учений В.І. Вернадський. На його думку, біосфера не є окремою єдиною оболонкою Землі, це лише частина її геологічних оболонок, населених живими організмами. Живі організми поширені у верхніх шарах літосфери, нижніх атмосфери і по всій глибині гідросфери. У глиб літосфери живі організми можуть проникати на відносно незначні відстані (наприклад, на глибині 2-4 км переважно в нафтоносних пластах можуть мешкати лише деякі групи бактерій). Проникнення живих істот у глиб літосфери обмежене високою температурою (понад +100° С) гірських порід і підземних вод на глибинах 1,5-15 км. Поширення організмів в атмосфері (переважно спор і цист мікроорганізмів) обмежене озоновим екраном, оскільки вище нього майже все живе гине під дією космічного випромінювання.
Тож найбільшу концентрацію живих організмів спостерігають там, де умови їхнього існування найсприятливіші: на межі окремих геологічних оболонок Землі: літосфери і атмосфери, атмосфери і гідросфери, літосфери і гідросфери.
Отже, біосфера - це сукупність усіх біогеоценозів Землі, єдина глобальна екосистема вищого порядку.
В.І. Вернадський заклав основи нової науки - біогеохімії - вчення про геохімічну діяльність живих організмів. Біогеохімія вивчає роль живих організмів у перетворенні зовнішніх оболонок нашої планети: руйнуванні гірських порід, процесах ґрунтоутворення, формуванні осадочних порід, колообігу, перерозподілі та концентрації хімічних елементів у біосфері.
Що таке ноосфера? Ще в першій половині XX століття В.І. Вернадський передбачав, що біосфера поступово розвиватиметься у ноосферу. Спочатку він розглядав ноосферу як особливу оболонку Землі, яка розвивається поза біосферою. Але згодом він дійшов висновку, що ноосфера (від грец. ноос - розум) - це новий стан біосфери, за якого визначальним фактором стає розумова діяльність людини.
За В.І. Вернадським, під впливом наукової думки і людської праці біосфера поступово переходить у свій новий стан - ноосферу. Людство все більше відрізняється від інших компонентів біосфери як нова надпотужна геологічна сила. Завдяки науковій думці, втіленій у технічних досягненнях, людина опановує ті частини біосфери, куди раніше не проникала.
Ноосфері як якісно новому етапу в розвитку біосфери властивий тісний зв'язок законів природи і факторів, які визначають розвиток людського суспільства. Цей зв'язок опирається на науково обґрунтоване раціональне використання природних ресурсів, яке передбачає відновлюваність колообігу речовин і потоків енергії в окремих біогеоценозах і біосфері загалом. Характерною особливістю розвитку ноосфери є екологізація всіх сфер життя людини. Тому до розв'язання будь-яких проблем людина має підходити з позицій екологічного мислення.
Отже, ноосфера - це якісно нова форма організації біосфери, яка формується внаслідок її взаємодії із людським суспільством і передбачає гармонійне співіснування природи і людини.
Колообіги речовин у біосфері. (вуглецю, води, кисню, азоту, фосфору, сірки)
Що таке колообіг речовин? Як відбувається процес фотосинтезу? Що таке реакції гідролізу?
Здійснення живою речовиною нашої планети своїх функцій пов'язане з міграцією атомів у процесі колообігу речовин у біосфері. В ній постійно відбувається колообіг усіх хімічних елементів, які входять до складу живих істот.
Міграцію хімічних елементів з участю організмів називають біогенною (від грец. біос - життя), а ту, що відбувається поза ними - абіогенною (від грец. а - частинка, що означає заперечення, та біос).
Як відбувається колообіг води в біосфері? Вода - найпоширеніша хімічна сполука в біосфері. Сумарні запаси води нашої планети становлять приблизно 1,5 млрд км3 . Ви пам'ятаєте, що вода може перебувати не лише в рідкому, а й у твердому (лід) чи газоподібному станах. Водяна пара надходить в атмосферу внаслідок випаровування з поверхні водойм, живими організмами тощо. З атмосфери вода випадає у вигляді дощу або снігу. Це може відбуватись поблизу місця випаровування або ж за тисячі кілометрів від нього. Перебування молекул води в атмосфері триває від кількох годин до тижнів.
У морях і океанах запас води поповнюється завдяки стокам річок, які в них впадають, і опадам. Морські течії переносять теплу або холодну воду на значні відстані, впливаючи на клімат певних ділянок суходолу; вода переміщується і завдяки течії річок. З нею пов'язані такі геологічні явища, як вимивання певних сполук, їхнє перенесення і відкладення.
Вода поглинається живими організмами і включається в їхній обмін речовин: реакції синтезу, гідролізу тощо. Організми виділяють воду в довкілля з продуктами обміну речовин, у процесі дихання, випаровування.
Як відбувається колообіг Оксигену в біосфері? Ви вже знаєте, що Оксиген відіграє в біосфері виняткову роль. Споживаючи кисень у процесі дихання, організми забезпечують свої енергетичні потреби. Але молекулярний кисень у надлишковій кількості небезпечний для живої матерії, оскільки здатний окиснювати органічні сполуки клітини. Тому живі організми мають захисні системи, здатні зв'язувати вільний кисень. Атмосферний і розчинений у воді кисень здатний окиснювати і неорганічні сполуки Землі.
Слід зазначити, що майже весь атмосферний кисень біогенного походження: він утворився внаслідок фотосинтезу, який здійснюють зелені рослини і ціанобактерії. Вміст кисню в нижніх шарах атмосфери становить приблизно 21% і знижується зі збільшенням висоти над рівнем моря. Частина молекулярного кисню атмосфери під дією ультрафіолетових сонячних променів і електричних розрядів перетворилася на озон, з якого сформувався озоновий екран.
Що характерно для колообігу Карбону?
Карбон, як відомо, входить до складу органічних сполук, що постійно синтезуються, перетворюються і розщеплюються всіма організмами. Автотрофи здатні засвоювати вуглекислий газ з атмосфери і синтезувати різноманітні органічні речовини, які згодом ланцюгами живлення передаються гетеротрофним організмам.
Карбон накопичується в живих організмах у вигляді синтезованих органічних сполук, а також солей карбонатної кислоти (переважно в скелетах або черепашках), а поза живими організмами - в органічних речовинах ґрунту, вуглекислому газі та різноманітних осадочних породах (мармур, вапняк, крейда тощо). На певний час Карбон, який міститься в цих сполуках, вилучається з біогенної міграції. Але внаслідок процесів життєдіяльності організмів (дихання, виділення тощо), біогенного розкладання мертвої органіки (процеси мінералізації, бродіння), хімічних перетворень осадочних порід (розчинення, вивітрювання) він знову включається в біогеохімічні процеси.
На колообіг Карбону впливає господарська діяльність людини. Розвиток промисловості, інтенсивне споживання енергоносіїв зумовлюють зростання концентрації вуглекислого газу в атмосфері. Масове вирубування лісів призводить до того, що рослинність Землі зв'язує меншу кількість атмосферного вуглекислого газу. Це порушує рівновагу в обміні сполуками карбону між живою речовиною нашої планети і оболонками Землі.
Як відбувається колообіг Нітрогену? Вміст вільного газоподібного азоту в атмосфері становить приблизно 79%. З атмосфери азот надходить у ґрунт і водойми у вигляді оксидів і у складі інших сполук (аміаку тощо), які утворюються під впливом космічних променів, грозових розрядів та ін. Проте основна частина сполук нітрогену надходить у воду і ґрунт завдяки фіксації атмосферного азоту прокаріотами (азотфіксуючі бактерії, деякі ціанобактерії).
Нітроген у складі хімічних сполук, які можуть бути використані живими організмами, називають фіксованим. Фіксований нітроген з ґрунту зелені рослини можуть засвоювати або безпосередньо, або завдяки симбіозу з бульбочковими бактеріями. Зі сполук нітрогену рослини синтезують амінокислоти, з яких складаються білки. Далі нітрогенвмісні органічні сполуки передаються ланцюгами живлення. В організмах складні сполуки нітрогену розщеплюються до простих (аміак, сечовина, сечова кислота, гуанін тощо) і виділяються в довкілля з видихуваними газами, потом, сечею, екскрементами.
Складні органічні сполуки нітрогену (білки, нуклеїнові кислоти) надходять у навколишнє середовище із рештками організмів. Вони розкладаються редуцентами, які здійснюють денітрифікацію - процес відновлення нітритів або нітратів до газоподібних сполук - молекулярного азоту (И2 ) чи двооксиду нітрогену (N0^). Інші мікроорганізми забезпечують процеси нітрифікації, завдяки яким іони амонію (гШ4 ) окиснюються до нітритів (гТО2 ~), а останні - до нітратів (гТО3 ~~). Так, завдяки діяльності редуцентів нітрогенвмісні органічні сполуки розкладаються до простих, і колообіг Нітрогену в біосфері поновлюється.
Еволюція біосфери. Роль людини в біосфері
У процесі свого історичного розвитку вид Людина розумна поступово втрачав свою залежність від природи. На певному етапі розвитку цивілізації людина почала активно перетворювати природу і її вплив на довкілля зростав з кожним століттям, доки не став провідним екологічним фактором.
Але діяльність людини, яка визначає нині обличчя нашої планети, поставила її перед складним вибором: або і далі жити за принципом "після нас хоч потоп", нехтуючи законами природи, або ж розвивати те, що американський еколог Ольдо Леопольд називав "екологічною совістю", тобто відповідальність перед наступними поколіннями людей за стан нашої планети.