Як людина впливає на літосферу

Вплив людської діяльності на літосферу, особливо у ХХ-ХХІ століттях, величезний, його можна порівняти із геологічними змінами. За тридцять – сорок століть до наших часів заліза видобули приблизно у два, міді у п’ять разів менше, ніж за останні 8–10 років. Нині щорічно у результаті гірського видобутку на поверхню потрапляє близько 100 мільярдів тон гірських порід. Замість них, звісно ж, залишаються глибокі ями, порожнечі, провалля, розміри яких можна порівняти із гірськими ущелинами. У країнах, де гірський видобуток ведеться вже декілька століть, шахти досягли глибини 1,5 кілометри. У Німеччині, Бельгії є шахти глибиною 1300 метрів. В Індії та Південній Африці золоті рудники проникли у надра Землі на глибину 4 (!) кілометрів. У Донбасі шахтарі подолали кілометровий рубіж.

Рис. 1.3 Терикони

Поряд із цими ямами, шахтами і проваллями, які іноді займають площу у декілька гектарів, виросли відвали викинутої породи, терикони висотою у 100 й більше метрів (рис. 1.3). В одному Донецькому басейні таких гір більше тисячі. Проблема навіть не у тому, що кар’єри, відвали і терикони займають сотні тисяч гектарів, як правило, плодючих земель – таких, як чорноземи у Донбасі, а ще й у тому, що порушується рівноважний стан поверхневих шарів літосфери – починається її опускання або, навпаки, спучення не тільки у районі гірського видобутку, але і на гігантських площах у тисячі квадратних кілометрів навколо. Ці вертикальні переміщення порушують встановлений режим стоку підземних вод, вони прориваються назовні й заливають великі площі.

Наприкінці ХІХ століття це було відмічено в Англії, у місцях старих розробок соляних шахт, глибина яких досягала ста метрів. Тут несподівано просіла поверхня діаметром у декілька кілометрів, потім ще і ще раз, а через просідання ґрунту зруйнувалися будинки і гідротехнічні споруди на каналах й підземні води вийшли на поверхню, перетворивши на болото усю навколишню місцевість. Нині такі просідання спостерігаються у багатьох місцях, зокрема у нас у Донбасі.

Гірські роботи – один із головних забруднювачів повітря, води, ґрунту. У терикони шахт разом із породою потрапляє чимало вугілля, він загоряється, і терикони димлять, як маленькі вулкани. Оскільки їх тисячі й тисячі та димлять вони упродовж десятиліть, то навіть найбільший вулкан не дасть стільки шкідливих викидів, які містять сірчистий та інші отруйні гази, скільки дають терикони усі разом. Сірчистий газ викликає захворювання органів дихання і крові.

Породи, що потрапляють у відвали – то не нейтральний ґрунт. Вони містять велику кількість різноманітних мінералів і металів, часто надзвичайно небезпечних для живих організмів. Тому у деяких країнах люди спромоглися здійснювати переробку породи або повертати її під землю.

«Золотими» землі Каліфорнії зробила вода. Ще у середині
ХІХ століття, за часів знаменитої «золотої лихоманки», один із американських вчених відвідав штат, що у ті часи нагадував пустелю, і сказав, що найголовніше багатство Каліфорнії не у золоті, а у землі. Американські фермери-переселенці перетворили цю напівпустелю у справжній райський куточок, який забезпечував практично усі північні штати сотнями видів найрізноманітніших – від полуниці до ананасів – свіжих фруктів і овочів цілий рік. І все за допомогою води, яку викачували із підземних надр. Внаслідок інтенсивної експлуатації водоносних горизонтів поверхня долин почала опускатися. Одна з них, де впродовж останніх сімдесяти років проводять спостереження, опустилася вже на 24 метри і продовжує опускатися зі швидкістю
30 сантиметрів на рік.

Зі ще більшою швидкістю відбувається опускання великих площ земної поверхні під містами. Це опускання зумовлено тим, що міста інтенсивно відкачують підземні водоносні пласти для потреб виробництва і побуту й у той самий час своєю величезною масою – будинків, інженерних споруд і комунікацій – тиснуть на поверхню території, яку вони займають. А розміри і кількість міст продовжують зростати! Майже половина усього людства мешкають у містах, у 2050 році цей показник становитиме 70 %. Міста дають 80 % усіх викидів до атмосфери і ¾ від усього об’єму забруднень; всі міста світу щорічно викидають до атмосфери до 3 мільярдів твердих відходів, понад 500 мільярдів кубічних метрів промислових і побутових стоків, 1 мільярд тон аерозолів.

Щорічні збитки у США від пошкоджень доріг, фундаментів, каналів й водосховищ на ґрунтах, які просідають, досягають 2 мільярдів доларів і перевищують збитки від землетрусів, ураганів і повеней. Не менше проблем створює видобуток нафти і газу. Апшеронський півострів, наприклад, опустився на 2,5 метри і продовжує опускатися зі зростаючою швидкістю. Одна з гаваней Сан-Франциско, де здавна ведеться видобуток нафти й газу, опустилася на 8 метрів.

 

Гідросфера

Гідросфера – це водна оболонка Землі. Назва її походить від грецьких слів Yδωρ – вода и σφαῖρα – куля. Вода займає 3/4 поверхні Землі і є найпоширенішим мінералом. Гідросфера складається з трьох складових: Світового Океану, вода суходолу, вода атмосфери. Всі ці частини пов’язані між собою процесом, який має назву колообіг води у природі.

Розповідають, що бедуїни, які прилетіли до США, на всі дива сучасної техніки і цивілізації дивились зверхньо, як і личить мешканцям великої пустелі Сахари. І тільки коли привезли бедуїнів на берег Ніагарського водоспаду, вдалося американцям досягнути того, чого вони даремно намагалися зробити за допомогою сучасних чудес електроніки. Гості були збентежені цим нескінченним потоком чистої прохолодної води, вони не хотіли йти від нього, дивились і дивились у захваті й говорили, що коли повернуться додому, ніхто не повірить, що на світі існує таке неймовірне диво. Вони добре знали ціну води!

Вода є найпоширенішою речовиною на Землі, без неї не обійтися, її не замінити. Вода входить до складу усіх без виключення живих організмів. У води багато дивовижних властивостей. Три атоми, з яких складається молекула води, можуть з’єднуватися у 42 різні способи, стабільними, щоправда, є лише 9. Всі ці різноманітні молекули води постійно взаємодіють між собою, змінюють власну структуру й, відповідно, склад. Вода легко дробиться на краплі, але володіє дуже великою силою зчеплення молекул. Спробуйте поставити до склянки із водою тонку скляну трубку, рідина одразу ж підніметься по трубці вище рівня води у склянці. Ця властивість – результат подолання атмосферного тиску силою зчеплення молекул води. Бачили, як на поверхню води вільно сідають оси та інші комахи? Навіть металева голка може триматися на поверхні води. Все це можливо завдяки великому поверхневому натягу вільного шару води. Поверхневий натяг тим більше, чим чистіше вода. Вчені стверджують, що якби було можливо повністю позбавити воду від домішок, то по озеру такої води можна було би влітку кататися на ковзанах.

Але абсолютно чистої води у природних умовах не існує. Річкова й морська вода, вода в криницях і та, що тече з крана, – усе це суміші, які містять розчинені речовини.

При нагріванні тіла розширюються, при охолодженні – стискаються. Але вода поводить себе по-іншому. До 4^оС вище нуля вона ще поводить себе, як усі інші земні тіла, але при температурі нижче за це рівень, вона починає розширюватися й, перетворившись на кригу, збільшується в об’ємі приблизно на 11 % – нечувано великий коефіцієнт розширення для природніх тіл, навіть якщо не зважати на те, що це відбувається при охолодженні. Сила розширення при цьому просто колосальна – дві з половиною тони на квадратний сантиметр. Такого удару не витримає жодна порода і сталь. Але до зовнішнього тиску вода невразлива. Спробувати її стиснути – тільки даремно витрачати час і сили. При збільшенні тиску вода починає замерзати при нижчій температурі – мінус 3^о і нижче. Завдяки цьому не промерзають глибини океанів до дна (щоправда, тут ще допомагає підвищений вміст солей в океанській воді).

Вода відноситься до земних мінералів. Потужне джерело води – підземні та ґрунтові води. Причиною його утворення є те, що не вся вода, яка потрапляє на землю з дощем та снігом, випаровується. Частина її потрапляє в глибші шари ґрунту й утворює там запаси води.

Найголовніша для живих істот властивість води полягає у тому, що вода «товаришує» з усіма мінералами на Землі. Вона розчиняє усі мінерали земної кори.

Вчені вважають, що життя виникло у воді. Багато води також входить до складу живих істот. Так, тіло людини на 3/4 складається з води, а огірків та медузи – на 9/10. Підраховано, що у середньому людина за добу приймає з їжею 2,5 літри води (точніше – 2,2, а ще
0,3 літри утворюється в ході обмінних процесів із жирів організму).

Понад 96 % води планети належить Світовому океанові. Материки поділяють його на окремі океани: Тихий, Атлантичний, Індійський, Північний Льодовитий. Найбільший з них – Тихий океан, найменший – Північний Льодовитий. Найглибше місце знаходиться у районі Маріанських островів Тихого океану – Маріанський жолоб. Вона має глибину 11 022 метри.

Частини океану поблизу суходолу – моря. Найбільші моря – Філіппінське, Аравійське, найвідоміше – Середземне, яке знаходиться між Африкою та Євразією. Морська вода містить багато солі, тому її неможливо пити та використовувати у сільському господарстві й промисловості. У природі взагалі немає абсолютно чистої води. Потрапляючи до будь-якого середовища, вода розчиняє його. Тому будь-яка вода – морська, річна, дощова – це розчин.

Вже у 60-х роках ХХ століття виникла у світі нестача чистої природної води. Виявилося, що її надзвичайно мало для людства, кількість якого зростала неймовірними темпами. Сьогодні більше чверті населення земної кулі потерпає від нестачі питної води. У багатьох районах її цінність значно перевищувала ціну корисних копалин. Наприклад, у країнах Персидського заливу літр прісної води коштує як три літра нафти. Мабуть, настане той час, коли замість газопроводів і нафтопроводів люди будуть будувати міжконтинентальні водогони і торгувати питною водою, прибуток від торгівлі якою буде більшим, ніж від будь-яких інших природних ресурсів. Тому що без нафти, газу, вугілля, металевої руди та інших корисних копалин ще можна якось прожити, а без питної води жити неможливо.

 

Води суходолу

Це річки, озера, болота, льодовики й підземні води. Більша частина цієї води прісна, хоча озера й підземні води інколи бувають солоними. У річках, озерах, болотах зосереджено набагато менше – від 1 % усієї води. У льодовиках води більше – близько 2 %. Льодовики утворюються зі снігу там, де його випадає більше, ніж тане. Поступово снігу стає усе більше й більше, він ущільнюється і перетворюється на кригу. Особливо багато льодовиків у горах – Памір, Тянь-Шань, Гімалаї. Льодовики складаються з прісного льоду, але для потреб людства він не використовується, а слугує своєрідним запасом прісної води.

Льодовики покривають 1/10 частину суходолу. Більша їх частина знаходиться в Антарктиді й на острові Гренландія, оскільки вони покриті товстезним шаром криги. Глиби льоду, які відколюються від основної маси, утворюють величезні плаваючи гори – айсберги. Це надзвичайно небезпечні уламки льодовиків, за якими потрібно постійно спостерігати. Всі добре пам’ятають трагічну подію з кораблем «Титанік». Півтори тисячі людей загинуло внаслідок зіткнення корабля з айсбергом. Можна, звичайно, стверджувати, що ця подія відбулася давно, на початку ери великого кораблебудування, що зараз океанські судна та прилади навігації значно удосконалені. Але це було не так вже й давно – у 1912 році. Айсберги й досі є джерелом значної небезпеки. 26 листопада 2007 року поблизу узбережжя Антарктиди з айсбергом зіткнувся корабель, який виконував туристичний маршрут. На щастя, ніхто не постраждав.

В Арктиці щорічно з’являється 18 тисяч айсбергів. В Антарктиці у шість разів більше. Найбільший айсберг, який відколовся поблизу узбережжя Антарктиди у квітні 1995 року, мав площу, що дорівнювала площі держави Люксембург.

Зустрічаються не тільки білі, а й кольорові айсберги – чорні, зелені, руді. Вважають, що саме чорний айсберг був причиною загибелі «Титаніка». Через повний штиль та нічну темряву його, який зливався за кольором з нічним морем, помітили запізно. Вчені вважають що у різні кольори айсберги «фарбує» вулканічний попіл.

Підземні води становлять близько 2 % від усієї води на планеті. Вони розміщені у верхній частині земної кори і суттєво відрізняються за складом солі, температурою, хімічним складом. Іноді ці води насичені корисними для здоров’я людини речовинами і тому мають лікувальні властивості, наприклад, мінеральні води. У деяких місцях підземні води виходять на поверхню і утворюють джерела. Запаси таких вод поповнюються за рахунок опадів, які проходять крізь деякі породи. Так підземні води приймають участь у колообігу води у природі.

Найгірше те, що у районах інтенсивних промислових і сільськогосподарських забруднень шкідливі хімічні речовини, отрутохімікати і мінеральні добрива потрапляють у підземні води. Високий вміст хімікатів знаходять навіть на глибині понад 50 метрів углиб землі. Ґрунт, насичений цією отрутою, вже не здатен фільтрувати, робити чистою підземну воду. Якщо забруднення не припиняться, на черзі – тотальне забруднення усіх вод Землі.

Вода атмосфери

Вода атмосфери – це туман, водяна пара, краплинки води і маленькі кристали льоду. Та це лише частка від одного відсотка усієї води на Землі. Але без них був би неможливий колообіг води у природі.

Рис. 1.4 Колообіг води у природі, тис. км³

Вода знаходиться у безперервному природньому колообігу, змінюючи свій положення фізичний стан (твердий, рідкий, газовитий). Окрім того, існує певний колообіг води між природою і суспільством. Обидва ці колообіги здійснюються безперервно й упродовж коротких проміжків часу (рис. 1.4).

Щосекунди мільйони тон води переходять у стан водяної пари, випаровуючись з поверхні води під дією температури. У повітрі вони утворюють хмари, які вітер розносить на сотні кілометрів у різні частини Землі.

Завдяки трьом станам – рідкому, твердому, газоподібному – та легкості переходу з одного стану в другий у води, у порівнянні з іншими речовинами, більші можливості щодо поширення. Водяна пара проходить крізь земну кору, підіймається до самого її краю, випаровується та знову повертається.

Вода бере активну участь у поширенні тепла на планеті, охоплюючи великі ділянки земної кори, тобто, створює ерозію (розмивання), а потім - поклади. Вода відіграє захисну роль. У процесі переходу з рідкого стану у твердий вода втрачає щільність – лід легше за воду і через невелику теплопровідність захищає воду від подальшого замерзання, а життя, яке в ній знаходиться – від загибелі. У середніх широтах вода захищає ґрунт від промерзання.

Атмосфера і вода землі тісно пов’язані між собою. Повітря насичує воду киснем, вуглекислим газом та іншими необхідними для розвитку водних рослин і тварин газами і речовинами. На жаль, у наш час атмосфера забезпечує річки, озера, моря і океани не тільки цими необхідними речовинами, а ще й усіма отруйними з’єднаннями, що їх викидає в атмосферу промисловість і транспорт. Більша частина їх – тих, що не встигли затриматися у наших легенях й взагалі у організмі, у листі рослин – випадають на поверхню водоймищ і на землю разом із дощами, росою, іншими опадами й взагалі самі по собі. З поверхні ґрунту вони змиваються дощовою і сніговою водою й по струмкам і маленьким річкам стікають до великих річок, накопичуються в озерах і морях, отруюючи у них життя.

Величезну масу отруйних речовин несуть до водоймищ Землі промислові, транспортні і побутові стічні води, які змивають із сільськогосподарських угідь тисячі тон хімікатів – пестицидів. Морський флот, особливо нафтоналивні судна, забруднюють моря і океани нафтопродуктами. Все це становить небезпеку для життя не тільки рослин і тварин, а й самої людини.

Атмосфера

Атмосфера, або повітряний шар Землі – це остання, найлегша і непомітна оболонка Землі. Незважаючи на те, що її не можна «торкнутися руками» і що ми не помічаємо її, життя на планеті без неї було б неможливе. Не випадково говорять: «Потрібне, як повітря».

Що ж таке атмосфера? Кожний згадає, що це – кисень і вуглекислий газ. Але насправді у чистому і сухому повітрі частка кисню складає 21 %, а вуглекислого газу взагалі надзвичайно мало – 0,03 %. Повітря містить 78 % азоту, 0,93 % аргону. Окрім зазначених газів у повітрі також міститься мізерна частка інертних газів і водню – на них припадає 4 %. Звичайно, у повітрі знаходяться домішки – крихітні частинки води і кристали льоду, частинки пилу, попелу, морської солі. Багато домішок у повітря щоденно додає людина – автомобільні гази, труби підприємств тощо. Без повітря людина не може прожити навіть п’яти хвилин, через три хвилини після того, як кров припиняє постачання кисню до організму, вмирають клітини головного мозку.

Атмосфера завдячує своєму існуванню у теперішньому її складі живій речовині. Нині добре відомо, що перше життя виникло на Землі, коли атмосфера на ній була зовсім іншою. Перші живі істоти – анаеробні бактерії – розвивалися у безкисневих умовах і переробляли метан, вуглекислий газ та інші отруйні гази, з яких складалася повітря на нашій планеті. До того ж, вуглекислотна атмосфера була зовсім прозорою для жорсткого ультрафіолетового випромінювання Сонця і космічних частинок величезних енергій, які руйнують білкові з’єднання – основу живого організму. У таких умовах розпочала свою діяльність синьо-зелена водорість.

Вона мала величезний потенціал розмноження. Пам’ятаєте старовинну притчу про шахи, коли винахідник гри вимагав від володаря, який прийшов у захват від гри, покласти усього лише одне зернятко рису на одну клітинку шахівниці, на другу – два, на третю – чотири, й так, увесь час подвоюючи, заповнити усю шахову дошку? Володар із радістю погодився. Але коли порахували, то виявилося, що не тільки усього врожаю рису на Землі, але й ваги самої Землі не вистачить, щоб задовольнити прохання винахідника шахів. Ось такий, щоправда не обмежений 64 клітинками шахівниці, потенціал розмноження мала і синьо-зелена водорість, яка зробила найдивовижніший і найвеличніший винахід від дня створення Всесвіту: фотосинтез.

Надзвичайно складний (й донині таємничий, даремно що над розгадкою його б’ються вчені вже понад 200 років!) цей процес неймовірно просто вирішує проблему існування й розвитку не тільки організму окремої рослини, але й усіх мешканців Землі. У зелених рослинах за рахунок дармової сонячної енергії у процесі фотосинтезу вода (Н₂О) розділяється на два атоми Гідрогену (Н) і один атом Оксигену (О) (молекула кисню складається із двох атомів Оксигену – О₂). Кисень відлітає у атмосферу, а водень вступає у з’єднання із захопленою із атмосфери вуглекислотою, утворюючи вуглеводи – акумулятори енергії, які забезпечують існування самої рослини а рослини слугують живленням, отже, забезпечують існування для тварин. Цей процес дуже вигідний енергетично, але для життя на Землі важливий не тільки прямий продукт фотосинтезу – енергія, а і його побічний продукт – вільний кисень. Тільки завдяки кисню став можливим розвиток життя на Землі до її вищих видів, тобто до нас із вами.

На Землі існує дві форми життя: анаеробна, якій вільний кисень в атмосфері й взагалі у середовищі існування ні до чого, та аеробна, для якої його відсутність означає смерть. Здавалося б, що у першій формі організмам існувати значно вигідніше – немає кисневої залежності, отже і свободи більше. Але насправді все навпаки. Наукові дослідження показали, що анаеробне існування (наприклад, бродіння дріжджів) при окисненні глюкози виробляє майже у 14 разів менше енергії, ніж аеробне (кисневе).

Рис. 1.5 Синьо-зелена водорість – окремі організми-клітини зростаються у нитки. Саме ця бактерія у свій час наповнила атмосферу Землі киснем

 

Отже, з’являється надлишкова енергія, яку аеробна клітина використовує для руху, отже, для міграції, контактів з навколишнім середовищем, що не є однорідним і тому навчає, вдосконалює організм, який своїм нащадкам передає спадкову інформацію. Нащадки, у свою чергу, також удосконалюються використовуючи вільні запаси енергії. Так відбувається розвиток, еволюція усього живого на Землі.

Як вже відзначалося, атмосфера у ті давні часи складалася майже повністю із вуглекислого газу. Води Світового океану займали значно більшу, ніж зараз, площу. Це означає, що для розвитку і розмноження синьо-зелених на основі фотосинтезу існували майже ідеальні умови. Вони інтенсивно жили і розмножувалися, поглинаючи вуглекислий газ із атмосфери, споживали з нього карбон і виділяли кисень. Якщо врахувати швидкості розмноження, про які ми говорили раніше, то неважко уявити, що перетворення синьо-зеленими водоростями атмосфери із вуглекислотної до переважно кисневої відбулося досить швидко (звісно, у геологічному розумінні), отже, йдеться про сотні мільйонів років, але й об’єм земної атмосфери величезний, а клітина синьо-зеленої – мікроскопічна.

За своїми властивостями кисень – надзвичайно активна речовина. У своєму вільному стані він намагається вступати у з’єднання практично з усіма іншими речовинами. Тому й «обрала» його жива речовина у якості головного помічника для виділення енергії із поживних речовин. Як тут не подякувати синьо-зеленій водорості за те, що вона з такою точністю обрала найактивніший із газів і здійснила насичення їм атмосфери саме у тій кількості, яка необхідна для найповнішого розвитку з найменшими енергетичними витратами!

Уявити собі, що могло трапитися, якби уся атмосфера Землі складалася із кисню, цілком можливо. Якщо внести залізну пластинку до чисто кисневого середовища і підпалити її, то вона спалахне й згорить, як бенгальський вогник. Така ж доля чекала б не тільки усе живе, але й гірські породи Землі, які знаходились у безпосередньому контакті із чисто кисневою атмосферою. Але природа встановила мудру квоту кисню в атмосфері: одну п’яту (точніше, 21 %) від загального об’єму повітря. А щоб кисень де-небудь раптово не виділився і не наробив шкоди, до кожного атому Оксигену приставлена охорона із чотирьох (78 % об’єму) атомів малоактивного азоту й не чисельна, але надійна «гвардія» із атомів інертного аргону. З усіх інертних газів розчинність аргону у воді відповідає розчинності кисню, тому аргон здатний супроводжувати і стримувати свого вихованця від недобрих вчинків практично усюди.

Дивовижно, що киснева квота у земній атмосфері відповідає оптимальному рівневі. Якби було більше – неприємностей не уникнути, навіть чаю не змогли би ми нагріти (хиба що у вогнетривкому чайнику), було б менше – розвиток життя значно ускладнився би. Більшість хордових тварин не можуть жити на висоті понад 2000 метрів тому, що кількість кисню там на 25 % менше, ніж над рівнем моря.

Ще більш дивовижним є те, що атмосфера Землі зберігає упродовж мільйонів років постійний баланс: скільки споживається живими істотами, стільки ж і відновлюється, поступає до атмосфери від рослинності Землі.

Можна впевнено стверджувати, що жива речовина з перших моментів свого існування почала активно перетворювати навколишнє середовище, щоб забезпечити безмежний простір для свого не тільки розмноження, але й розвитку, удосконалення. У результаті утворився унікальний, саме той єдиний, необхідний для розвитку життя у найрізноманітніших варіантах, склад повітря. Він постійно споживається і відновлюється живими організмами.

Синьо-зелені водорості були першими організмами, які розпочали перетворення планети, пристосування земної атмосфери до появи істот більш складних і досконалих на шкалі еволюції. Але вони здійснювали зміну атмосферу не тільки у вигляді розкладання вуглекислоти, фіксації карбону у своїх тканинах і виділення кисню. Надзвичайно важливим є той факт, що синьо-зелені здатні споживати і накопичувати азот – один із найважливіших елементів для побудови білків нуклеїнових кислот, відповідальних за збереження і передачу спадкової інформації живого організму.

Ви знаєте, що із газоподібних речовин у повітрі найбільше азоту (майже 4/5). Атмосферний азот знаходиться у так званому зв’язаному стані і споживати його безпосередньо із повітря практично усі, за виключенням синьо-зелених і деяких, досить нечисленних видів бактерій, рослини і тварини не вміють. Отже, хоч ми, як і усі інші рослини і тварини, плаваємо в азоті – його у повітрі міститься 78 %, майже у чотири рази більше, ніж кисню, – без бактерій, які фіксують азот і синьо-зелених, що поставляють живим організмам Землі 90 % азоту (остачу азоту нам дають розряди блискавок), наше існування і існування інших живих організмів було би неможливим.

Синьо-зелені водорості фіксують азот у будь-якому місці, при будь-яких обставинах. Ми про це знаємо тому, що синьо-зелені дожили до наших часів у практично незмінному стані. Випалений ядерними вибухами атол Бікіні першими заселили саме синьо-зелені, вони ж заселили першими голі скелі острова Суртсей, який виник внаслідок виверження вулкану неподалік Ісландії. Така неймовірна життєздатність (синьо-зелені процвітають навіть у ядерних реакторах) свідчить про те, що синьо-зелені існували мільярди років назад, коли уся Земля була схожа на голі скелі острова Суртсей. Від синьо-зелених водоростей утворилася вся різноманітна рослинність нашої планети.

Третя важлива для живих організмів складова повітря – вуглекислий газ (СО₂). Кількість його у складі атмосфери мізерна – усього лише 0,03 %. Але значення атмосферного карбону величезне. Для рослин – це основа живлення і синтезу білків, інших важливих процесів. В організмі людини карбону міститься 15-20 кілограмів у залежності від маси людини (23 %). Карбон у складі вуглеводів є наймобільнішим енергетичним ресурсом. Разом із азотом карбон є основою білків. Взагалі, для створення амінокислот (основи білків) тільки й потрібно, що нітроген, карбон, вода.

Карбон і вуглекислота, до складу якої він входить, є важливим продуктом природи, але його надлишок у атмосфері більш ніж небажаний. З 1900 року донині внаслідок бурхливого розвитку промисловості і транспорту кількість вуглекислого газу у складі повітря зросла на три тисячних процента. Здається, що це так мало, що й говорити про це не варто. Але вчені усього світу стурбовані: від цього температура атмосфери збільшилась на півтори градуси, оскільки підвищений вміст вуглекислого газу зменшив проникну здатність атмосфери, отже, і тепловіддачу Землі у космічний простір. Внаслідок цього розпочалося танення гірський льодовиків і крижаних шапок планети на полюсах. Якщо рівень концентрації вуглекислого газу буде й надалі зростати такими темпами – а перспективи розвитку промисловості і транспорту не дозволяють нам сподіватися на зниження цих темпів, – то внаслідок підвищення температури вже у середині нашого століття почнеться бурхливе і необоротне танення льодових полів Гренландії, Північного Льодовитого океану, Антарктики. За підрахунками вчених, рівень Світового океану у цьому випадку підніметься на 80 метрів і не тільки прибережні міста і села, а й континентальні низовини будуть вкриті 10-20 метровим, а подекуди і висотою у десятиповерховий будинок, шаром води. Окрім цього, збільшення концентрації вуглекислого газу в атмосфері робить її прозорою для ультрафіолетового випромінювання Сонця у рентгенівському діапазоні. І сховатися від нього живі істоти не зможуть. Від цього нас поки що рятує озоновий екран – шар відносно (у порівнянні із звичайним) стійкого молекулярного кисню О₃, який не пропускає ультрафіолетову радіацію Сонця.

Повітряна оболонка нашої планети обертається разом з нею у Всесвіті. Сила земного тяжіння утримує повітря навколо поверхні земної кори, тому воно не розлітається у космосі. Але, незважаючи на це, атмосфера чітких меж не має. З висотою атмосфера поступово стає більш розрідженою і, нарешті, розсіюється у безповітряному космічному просторі. Вважається, що залишки повітряного шару Землі втрачаються повністю на висоті 2000 кілометрів, але основна частина його зосереджена у межа 1000 кілометрів над поверхнею Землі.

Атмосфера неоднорідна за складом, температурою, густиною. Тиск і густина зменшуються з висотою, відповідно, знижується і температура. З цим пов’язаний поділ атмосфери на шари. Основних шарів п’ять: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера і екзосфера. Від рівня моря до висоти 10-15 кілометрів йде тропосфера. Після неї, від висоти 10 до 50-80 кілометрів йде стратосфера; від 50 до 160 кілометрів – мезосфера. Потім до рівня 800 кілометрів розміщується термосфера, нарешті, від 800 до 1000 кілометрів – екзосфера. Далі повітря настільки розріджене, що воно не має майже ніякого значення.

Окрім цих шарів, існують й інші. На висоті 10-15 кілометрів проходить надзвичайно важливий шар – озоносфера. В ній відбувається утворення озону, найбільша кількість якого знаходиться на висоті від
20 до 25 кілометрів. Озоносфера поглинає більшу частину сонячної радіації – ультрафіолетові промені і захищає усе живе на Землі.

Тропосфера – найщільніший і найважчий шар. Половина усього повітря атмосфери зосереджена у тропосфері – у перших 5 кілометрах. У шарі 10 кілометрів його 3/4. Якщо брати масу повітря висотою 15 кілометрів, вона становитиме 90 % від усієї маси повітря. Таким чином, на останні сотні кілометрів залишиться лише 10 % від усієї маси атмосфери.

У тропосфері розміщуються хмари. З поверхні Землі постійно випаровується волога. Водяна пара насичує повітря і підіймається разом з ним. Далі вона охолоджується у холодних шарах атмосфери і накопичується у вигляді дрібних краплинок або кристалів льоду, утворюючи хмари. Коли хмара стає занадто важкою, тобто, пересиченою вологою, вона не може втримати воду і тоді випадає дощ або сніг.

Хмари бувають клубчасті, шаруваті, пір’їсті. Клубчасті і шаруваті хмари – дощові, або, відповідно до пори року, снігові. Поява клубчастих хмар передує блискавкам і зливам. Клубчасті хмари виглядають об’ємними і щільними. Вони важкі і формуються на висоті 2-4 кілометрів над рівнем моря. Шаруваті хмари виправдовують свою назву. Зазвичай вони довгі й ніби розмазані по площині у декілька шарів, які напливають один на одній. Вони легкі і розміщуються на висоті від 3 до 7 кілометрів. Найлегші хмари – пір’їсті. Вони розміщуються на висоті 6-10 кілометрів, не випадають опадами, на вигляд легенькі й прозорі, ніби пір’я, розсипане на небі.

Іноді, коли на небі багато великих дощових хмар, повітря наелектризоване й між хмарами й Землею виникають численні електричні розряди - блискавки. Блискавки супроводжує грім. Блискавка – це величезна іскра, яка пробиває повітря й миттєво нагріває його так, що він ніби вибухає. Грім, який ми чуємо – це звук від цього вибуху, звук, джерелом якого є повітря, яке швидко розширюється.

Але грім ми чуємо через декілька секунд після того, яка спалахнула блискавка. Це відбувається тому, що звук долає відстань значно повільніше, ніж світло. Блискавку ми бачимо майже миттєво, тому що світло поширюється з величезною швидкістю – 330 000 кілометрів за секунду, а звуку потрібний певний час, щоб «наздогнати» світло, оскільки звукові хвилі поширюються у повітрі зі швидкістю
340 кілометрів за секунду. Спробуйте підрахувати, скільки секунд проходить від удару блискавки до гуркоту грому: чим більше часу минуло, тим далі знаходилась блискавка. Цю відстань можна легко підрахувати.

Блискавки часто супроводжуються потужним вітром, зливою, іноді й градом. Ви, мабуть, звертали увагу на специфічний свіжий запах після негоди. Це – озон, який виникає у процесі спалювання кисню блискавками, або, як іноді ще його називають – вільний кисень.

А веселка? У давнину існувала легенда, що у місці, де кінець веселки «впаде» на Землю, захований скарб. Іноді після дощу у небі з’являється це різнокольорове коромисло, буває й декілька. Природа райдуги достатньо проста. Вона виникає завдяки особливому заломленню світла на мікроскопічних краплинах. Це трапляється, тому що після дощу вологість надзвичайно велика і у повітрі зависає багато дрібненьких краплинок води. У сонячний день райдугу можна побачити не тільки на небі, а також у струмені фонтанів, у водяних бризках.

Існують ще «сріблясті» хмари. Їхня природа ще не з’ясована остаточно. Це атмосферне явище спостерігається у середніх широтах вночі упродовж декількох тижнів до й опісля сонячного сонцестояння. Саме у цей період Сонце, навіть із-за горизонту, освітлює хмари. За зовнішнім виглядом сріблясті хмари схожі на пір’їсті. Вони нагадують гребінці, хвилі, вихорі, які швидко змінюють одне одного, сріблястого або блакитного кольору. Але сріблясті, на відміну від пір’їстих, утворюються на висоті близько 80 кілометрів, з’являються близько до опівночі й витягнуті у напрямі до полюсу. Існує припущення, що вони складаються з маленьких частинок, вкритих льодом, тому вони відбивають сонячне світло. Але незрозуміло, звідки беруться ці частинки на такій величезній висоті. Можливо, це іони (заряджені частинки) або частинки метеорного пилу. Існує версія, що це можуть бути частинки вулканічного пилу, які потрапили на цю висоту внаслідок потужних вивержень.

Полярне сяйво – явище більш відоме й добре вивчене. Іноді його ще називають північним сяйвом, але назва полярне сяйво – більш точна, оскільки саме з полярністю Землі пов’язане це явище. З тим самим успіхом можна його назвати південним сяйвом. У більшості випадків полярне сяйво виникає на висоті 100-115 кілометрів над рівнем моря, але загальний діапазон їхнього виникнення лежить у межах від 60 до 1000 кілометрів. Це явище відбувається завдяки проникненню у верхні шари атмосфери потоку заряджених частинок високої енергії. Під дією швидких коливань магнітного поля ці частинки стикаються з різноманітними атомами земної атмосфери, зокрема, атомами розріджених газів і збуджують їх. Збуджені атоми випромінюють світло.

Найчастіше полярне сяйво виникає у високих широтах, у зонах, які близько розміщені до полюсів Землі. Вчені вважають, що це зумовлено дією магнітного поля, яке відхиляє потік заряджених частинок з високою енергією у напрямі до полюсів. Але полярне сяйво може з’явитися, в принципі, у будь-якому місці Землі, щоправда, ймовірність такої події невелика. Полярні явища спостерігали навіть одного разу у Сінгапурі, який знаходиться поблизу магнітного екватора. Іноді люди можуть побачити слабке сяйво й навіть не впізнати його, тому що інтенсивність й форми цього явища суттєво відрізняються. Це може бути ледве помітне слабке світіння, хаотичні або впорядковано розкидані промені, смуги, плями.

Надзвичайно ефектне явище – сяйво драпрі. Воно має вигляд суцільного різнокольорового сяйва, яке коливається, змінює кольори й утворює візерунки. Кольорова гама сяйва надзвичайно різноманітна – від блідо-білого й зеленуватого до яскравих відтінків червоного, жовтого, фіолетового й зеленого. Найпоширеніші сяйва блідо-зеленого й червоного кольорів. Необхідно зазначити, що тут багато чого залежить від зору спостерігача, оскільки сприйняття кольорів у різних людей неоднакове. Людині, у якої знижене сприйняття кольорів навіть яскраве сяйво може здатися тьмяним і блідим. Слабкі сяяння можуть здаватися хмарами або туманом, та на відміну від них полярні сяйва прозорі і зірок не затуляють.

Але повернемося до атмосфери. Поняття атмосферного тиску пов’язане з густиною повітря. Хоча повітря – найлегша земна оболонка, маса якої менша за одну мільярдну частину маси Землі, вона має вагу і тому прагне до Землі під дією сили земного тяжіння. Тому повітря тисне на поверхню Землі. Найнижчою межею тиску є рівень моря. Ви неодноразово чули вислів: «стільки-то кілометрів над рівнем моря». Рівень моря – це наближена до ідеальної точка відліку. Поверхня суходолу також порівнюється з цим рівнем. Вона може бути вище, а іноді – нижче його.

Чим вище від поверхні Землі, тим нижче густина і температура. На рівні моря тиск атмосфери складає приблизно у середньому 1,033 кг на квадратний сантиметр. Це означає, що якщо взяти стовпчик повітря над цим квадратним сантиметром від поверхні до найвищої точки, де починається безповітряний простір, то маса цього стовпчика буде 1 кілограм і 33 грами (1,033 кг). Досить дивно застосовувати поняття «вага» до повітря. Але якщо згадати, що воно складається газів, то не побачимо нічого дивного в цьому. Існують поняття «важкі гази», «легкі гази».

Доцільно згадати, що гаряче повітря завжди підіймається вгору, тому що воно легше за холодне. Тут виникає уявне протиріччя. Якщо гаряче повітря легше, а холодне завжди опускається вниз, чому ж повітря охолоджується з висотою? Це пояснюється досить просто. Справа у тому, що шари Землі неоднорідні за складом, відповідно, відрізняються і їхні властивості. Так, море прогрівається досить повільно і також повільно теплоту віддає. Після спекотного дня купатися у морі – саме задоволення. Якщо, звичайно, це не крижане північне море, яке не нагріється за один сонячний день. Земля, навпаки, нагрівається дуже швидко і так само швидко стигне. Повітря і стигне, і нагрівається також дуже швидко, але не надовго. Йому постійно потрібне нагрівання, щоб не охолонути. Космічний безповітряний простір проникнутий крижаним холодом. Це пов’язане з тим, що у вакуумі теплопровідність майже відсутня. Тому повітря від такого «сусіди» стигне дуже швидко, й лише внизу, біля Землі, нагрівається від неї і зберігає теплоту. Із віддаленням від Землі температура зменшується приблизно на 6⁰C кожного кілометру. Відбувається наступне: повітря нагрівається біля води чи землі, підіймається вгору, де рівень температури стабільно нижчий, й там швидко стигне. У той самий час його місце внизу займає холодне повітря, яке опускається згори. Воно нагрівається і також підіймається вгору.

На простому досліді можна переконатися, що повітря переміщується. Якщо запаленою свічкою провести уздовж трохи відкритої двері, то внизу полум’я буде відхилятися у середину кімнати, у середині горіти рівно, а вгорі – назовні. Це відбувається через те, що у кімнаті зазвичай тепліше, ніж у коридорі. Коли ми відчиняємо двері, то тепле повітря з кімнати, яке зосередилося вгорі, виходить назовні. Знизу у кімнату заходить холодне повітря, яке зібралося поблизу підлоги.

Таким чином, ми бачимо, що повітря постійно знаходиться в русі. Рух повітря створює вітер, сила й швидкість якого прямо залежні одне від одного. Чим більше швидкість вітру, тим більша його сила. Але якщо вітер – поняття часткове, то загальні тенденції руху повітряних мас мають назву циклонів і антициклонів. Справа в тому, що тиск повітря неоднорідний. Ми вже розглянули частковий випадок зміни температури. Але ці зміни мають найрізноманітніший характер, зокрема, сезонний, погодний, пов’язаний зі зміною температури повітря упродовж доби. Коли повітря стигне при тимчасовому похолоданні (вночі, взимку), він стає більш щільним й від того більш важким, а при нагріванні – навпаки,стає легшим. Відповідно змінюється й тиск, як наслідок – напрям руху повітря.

Повітря завжди рухається із області з високим тиском до області з низьким тиском. Також потрібно пам’ятати, що планета сама постійно рухається, а атмосферний шар рухається разом із нею, тому повітря постійно відхилюється від своєї природньої траєкторії. Таким чином, навколо області з низьким тиском утворюється кругове обертання повітря, спрямоване всередину, до центру, де тиск найнижчий. У північній півкулі це обертання відбувається проти годинникової стрілки. Центри низького тиску називаються циклонами, високого – антициклони, у яких круговий рух повітря спрямований від центру й проти годинникової стрілки. У південній півкулі напрям обертання протилежний.

Тропічні циклони – особливе явище. Це гігантські вихори, які утворюються над тропічними морями. Вони виникають внаслідок різких перепадів тисків, коли нагріте повітря швидко підіймається вгору й захоплює великі області. Діаметр циклонних вихорів досягає 500, а у деяких випадках навіть 1000 кілометрів. Швидкість вітру з країв циклону може перевищувати 400 кілометрів за годину. Тропічний циклон виникає над морем й захоплює колосальні об’єми води, тому на всьому своєму шляху він супроводжується потужними зливами, які викликають катастрофічні повені. Вода падає з неба гігантськими хвилями, накриває цілі міста й нищить усе на своєму шляху.

Тропічні циклони відомі як тайфуни (від китайського «тай фин» – великий вітер), або урагани. На Філіппінах їх ще звуть «багіо», в Океанії – «віллі вау», в Астралії – «віллі-віллі». На різних мовах це означає одне й теж саме – великий вітер. Окрім цього ураганам дають назви або імена. Найчастіше тропічні циклони бувають на Філіппінах, Китаї, Японії, на півдні Північної Америки й на півночі Австралії.

Найнищівнішим лихом за усю історію людства був руйнівний тайфун, який прийшов з Індійського океану і вдарив по східному узбережжю Пакистану у листопаді 1970 року. Гігантська хвиля висотою 8 метрів змила архіпелаг заселених островів і на декілька годин затопила велику область материка, завдавши невиправної шкоди, повністю знищила цілі міста й села. Від циклону постраждали понад
10 мільйонів людей, а загинуло близько 1 мільйону. На щастя, не усі урагани такі нищівні, але практично немає жодного, який би не призвів до людських жертв.

Інше стихійне лихо – смерч, або торнадо, не таке руйнівне за масштабами, але для конкретної людини є таким же небезпечним. Смерч – це вихор у вигляді спіралі, який розширюється догори. Він швидко обертається. З іспанської tornados – той, що обертається. Смерч виникає у повітрі і опускається до Землі, вище або нижче. Якщо смерч йде вище Землі, знизу до нього дзеркально підіймається інша воронка, яка складається з пилу, уламків, сміття, водяних бризок. Ширина смерчу може досягати 500 метрів, а швидкість обертання – 170 кілометрів за годину. Смерч обертається проти годинникової стрілки відносно вертикальної вісі й може рухатися зі швидкістю 50-60 кілометрів за годину, а після проходження смерчу залишається зруйнована смуга шириною у декілька сотень метрів і довжиною декілька кілометрів, іноді десятки кілометрів.

Проходячи над Землею, смерч діє, як насос. Він всмоктує в себе усе, що трапляється йому на шляху. За декілька десятків кілометрів смерч згасає, кидаючи на землю усе, що раніше підхопив. Тиск усередині вихору дуже низьке. Навіть для відносно невеликого смерчу радіусом
30 метрів критична лінійна швидкість обертання складає близько
300 метрів за секунду. Але вона може досягати й 400 м/с. При такій швидкості доцентрова сила настільки велика, що повітря усередині смерчу сильно розріджене, завдяки чому виникає ефект, близький до ефекту вакууму. Предмети, які потрапляють до воронки різко втрачають вагу, тому смерч може підняти навіть дуже важкі предмети: кам’яні глиби, уламки будинків, вантажні автомобілі, залізничні вагони. Одного разу ураган підняв літак вагою десять тонн! Бувають і дивні випадки. Одного разу у смугу проходження урагану потрапили кури, миттєво стали обскублені до останнього пір’ячка, хоча й залишились живими.

Самий руйнівний ефект смерчу пов’язаний з тим, що під час його наближення виникають сильні стрибки атмосферного тиску. Тиск іноді сильно падає і знову раптово підстрибує до великих значень. Це призводить до того, що предмети вибухають, лопаються. Якщо смерч проходить над закритою будівлею, повітря у середині її вибухне і розкидає стіни у різні боки. Це – найголовніша небезпека смерчу.

Енергія смерчів величезна. Вони можуть руйнувати мости, будинки, виривати з коренем величезні дерева, повністю висмоктати воду на окремій ділянці річки. Таке трапилося у Москві у 1904 році. Проходячи річку або болото, смерч може випасти «дощем» з риби або жаб. До речі, смерчі виникають іноді над водою, хоча водяне торнадо досить рідке явище. Якщо це трапляється, тоді смерч спочатку набирає велику кількість води, що значно збільшує його небезпеку. На щастя, смерчі виливають більшу частину води на шляху до берега.

Близьке «знайомство» зі смерчем може призвести до загибелі. Але взагалі вгадати поведінку смерчу неможливо. Бували випадки, коли смерчі підіймали людей і далеко відносили їх, але люди залишалися живими й навіть неушкодженими. Одного разу у Швеції смерч підняв воротаря хокейної команди разом з воротами, проніс недалеко й поставив на землю неушкодженими. При потраплянні людини у смерч найбільшу небезпеку для неї становлять предмети, що обертаються у середині смерчу і з якими вона може зіштовхнутися.

Вчені багато років працюють над загадкою виникнення смерчів, але точної відповіді на це питання ще не отримане. Поки що тільки встановлений зв’язок із порушенням рівноваги атмосфери на перегрітій поверхні при наближенні холодного фронту – широкого потоку повітря. Саме такі умови сприятливі для виникнення смерчів. Всі спроби пояснити виникнення смерчу й навіть хоча б передбачити його появу залишаються невдалими. Але вчені не втрачають надії. У всьому світі існують команди «ловців торнадо» – вчених, які спеціально вивчають це явище. У процесі вивчення атмосферних явищ, спостережень за їх проявами метеорологи навчилися складати більш-менш довгострокові прогнози погоди й іноді передбачати багато стихійних лих. Але поки що їхні методи ще дуже далекі до досконалості.

Визначати ж погоду люди навчилися достатньо точно за виключенням явищ, закономірності яких вивчені ще недостатньо. Погода залежить від кількості усіх змін, що відбуваються у атмосфері. Слово «погода» означає стан нижнього шару атмосфери у певному місці в певний час. Цей стан визначається показниками температури, вологості, атмосферного тиску, опадами, напрямом і швидкістю вітру. Багаторічний режим погоди, який характерний для даної місцевості, називається кліматом.

Отже, ми вивчили поняття літосфери, гідросфери і атмосфери, основні їх особливості і характеристики, а також пов’язані з ними явища. Ми побачили складність і багаторівневість функціонування єдиної системи – Землі.

У кожній науці чим глибше вивчається предмет, тим більше ускладнюється й одночасно стає більш зрозумілою загальна картина світобудови. На початку ХХ століття вчені виділили, окрім означених вище сфер, ще хіеносферу – уривчасту оболонку, яку утворює льодяний покрив; біосферу – область Землі, в якій розвивається життя; ноосферу – сферу розуму. Але ми невипадково неодноразово підкреслювали нерозривність і постійну взаємодію різних оболонок, процесів й окремих організмів. Після тривалих дискусій вченими була виділене як окреме поняття й навіть окремий предмет вивчення загальна оболонка, в якій взаємодіють всі інші, – географічна оболонка Землі.

 

Історія нашої планети

Ідея можливості життя й особливо життя розумного на інших планетах захопила думки людей одразу ж після того, як люди усвідомили, що їхня планета та їхнє сонце – не єдині, а лише одні з багатьох.

Наприкінці ХVІ століття Джордано Бруно першій на всій планеті дійшов висновку, що існує ймовірність існування життя на інших планетах. Роздумам над можливими формами цього гіпотетичного життя, над різновидами інопланетного розуму присвячено багато літературних творів. Хто знає, чи не буде якась цивілізація чи життя знайдені через декілька років, століть, тисячоліть? Адже упродовж історії людства фантастика була пророчим голосом. Чимало казкових, фантастичних мотивів були з часом втілені у життя, стали звичайними, невід’ємними деталями сучасного життя. Найяскравіший приклад – літак. Варто згадати письменника Жуля Верна з його неймовірними літературними передбаченнями, фантастичними знахідками більша частина яких перейшла з області фантастики до області науки. І зовсім неймовірними здавалися мрії письменника про польоти у космос, але нині цим вже важко когось здивувати. Хоча інопланетний розум є предметом запеклих дискусій, сподівань і фантазій, поки що Земля – єдина відома нам планета, на якій існує не тільки розум, але й просто – життя.

Що відрізняє Землю від інших планет? Що ж таке особливе існує на нашій Землі, що дозволило їй пройти величезний, у мільярди років шлях від розпеченої кулі щільної речовини до густозаселеної живої планети, єдиної такої у Сонячній системі? Щоб відповісти на це запитання, необхідно перерахувати чимало факторів, які у сукупності створили сприятливі умови для виникнення й існування життя. До речі, всі вони нам вже відомі. Спробуйте самостійно перерахувати умови, які дозволили Землі стати колискою життя, а потім ми перерахуємо їх разом і ви зможете перевірити себе. Почнемо!

У першу чергу необхідно відмітити зовнішні умови. Земля знаходиться на оптимальній відстані від Сонця. Воно зігріває її, але не опалює і не дає змерзнути. Порівняйте земні умови з умовами, наприклад, на Меркурії, який знаходиться найближче до Сонця з усіх планет і температура на якому досягає +400⁰С. Або з віддаленим від Сонця Марсом, середня температура якого досягає -70⁰С.

Сприяє розвиткові життя й період обертання планети навколо своєї вісі – 24 години. Це дозволяє планеті рівномірно нагріватися. Венера має період обертання навколо власної вісі тривалістю у 243 земних діб. До речі, період її обертання навколо Сонця дорівнює 225 земних діб. Отже, обернутися навколо Сонця Венера встигає швидше, ніж навколо самої себе, тому рік на Венері коротший за добу. Якби Земля так повільно оберталася навколо своєї вісі, то один її бік постійно б «заморожувався», а інший – «підгоряв» і життя було б неможливе.

Унікальними є також і власні, внутрішні властивості планети. Якщо говорити про температуру, то необхідно згадати про атмосферу Землі. Звичайно, вона не завжди була такою, як нині, а «розвивалася» разом із планетою. Шар нашої атмосфери достатньо товстий і щільний, тому він захищає планету від нічного переохолодження, коли Сонце не зігріває її. Давайте ще раз згадаємо про Венеру. Незважаючи на те, що Меркурій ближчий до Сонця, на Венері температура вища на 100⁰С завдяки вуглекислому газу, з якого переважно складається атмосфера Венери. Земна повітряна оболонка підтримує баланс (рівновагу) і не дозволяє планеті занадто перегріватися. В атмосфері згоряє більша частина метеоритів, а озоновий шар захищає Землю від шкідливих і небезпечних космічних променів. Нарешті, склад атмосфери дає можливість для дихання тваринам і людині, надає можливість для живлення рослин. До речі, від шкідливої дії космосу мешканців Землі захищає також її електромагнітне поле, що відхиляє потоки заряджених радіоактивних частинок.

Поверхня Землі різноманітна й надає живим істотам простір для варіативності форм існування. Плодючий шар ґрунту є унікальним середовищем існування і джерелом життя для величезної кількості живих істот. Треба зазначити, що ґрунт, як і атмосфера, з’явився не одразу. Сучасний ґрунт – це продукт життєдіяльності організмів й одночасно необхідна умова їхнього існування.

Назвемо, нарешті, одну з найважливіших умов існування життя – наявність запасів води. Вода – джерело життя. Без неї неможливе існування рослин і тварин. Всі ми складаємося з води. Більша частина процесів на планеті відбувалася й відбувається з участю води – від атмосферних явищ до виникнення життя.

Вчені висунули припущення, що поверхня Юпітера рідка або газоподібна. Ми не можемо стверджувати з впевненістю, чи може існувати життя на цій крижаній планеті, яка складається переважно з газів. Або на розпеченій – як Венера. Невідомо, які форми життя можуть виникнути на таких планетах. Але безумовно те, що ті форми життя, які виникли на планеті Земля не змогли б існувати на жодній планеті Сонячної системи. Звісно, не можна вважати, що життя у тому вигляді, в якому воно розвивалося, було ідеально пристосоване до умов цієї планети чи Земля ідеально підходила для існування життя. Життя «підлаштовувалося» під умови планети, ставало максимально відповідним до умов, або гинуло, якщо не могло пристосуватися, а умови Землі лише сприяли цьому. Життя поступово набиралося сили й багато у чому саме змінювало ці умови. Але про це – у наступній розповіді.

В історії розвитку Землі виділяють два етапи: розвиток неорганічної природи і розвиток органічного життя. Неорганічний етап розвитку охоплює відрізок часу від 3,5 мільярдів років назад до часу виникнення Землі, точно визначити який не має можливості, умовно можна рахувати – близько 6 мільярдів років назад. Неорганічний розвиток поділяється на дві основні стадії: зіркову і планетарну. Зіркова стадія включає період формування планети від зародження до деякої точки стабілізації. Упродовж цього періоду своєї історії Земля була розпеченою, температура її поверхні становила близько 1000⁰С. Елементи знаходилися у вигляді атомів. Поступово Земля охолоджувалася, оберталася й відбувалося розшарування матерії за густиною. Атоми важких елементів опускалися вниз, у середину планети, а на поверхні залишалися атоми легких елементів: нітрогену, карбону, гідрогену, озону. Ці атоми взаємодіяли й утворювали гази, які підіймалися вгору.

Зірковий період закінчився приблизно 6 мільярдів років назад. Ця подія була пов’язана з відносною стабілізацією стану речовини на Землі. Завершилися процеси розшарування матерії; остигання планети перейшло в іншу стадію. Із завершенням зіркового періоду розпочався планетарний період, тобто період формування Землі як планети, що завершився приблизно 3,5 мільярда років назад. Гази, які утворювалися у процесі взаємодії легких елементів, підіймалися на поверхню Землі й утворювали первинну атмосферу. З’явилися перші хімічні сполуки: вода у вигляді водяної пари, нітратна та нітритна кислота, вуглекислий та угарний газ, водень.

Коли планета остигла до 100⁰С, почалася конденсація водяної пари і утворення первинного океану. Виділена у процесі конденсації вода спадала на Землю у вигляді гарячих дощів й збиралася у низовинах, утворюючі водойми. Розпочалися численні грози. Земні надра вивергали назовні карбіди – сполуки металів з карбоном. Ці з’єднання падали у гарячу воду, розчинялися і утворювали нові сполуки – вуглеводи. У воді розчинялися також гази й солі. Всі ці елементи взаємодіяли у процесі хімічних реакцій.

Приблизно 3,5 мільярди років назад в історії Землі розпочалася зовсім нова фаза – на планеті виникло органічне життя. Виникають питання: що є життя? У чому полягає відмінність між живою і неживою природою?

Життя – лише одна з форм існування матерії. Це спосіб існування білкових тіл, який характеризується постійним обміном речовин з навколишньою природою. Припинення такого обміну означає припинення життя і, як наслідок, розпадом білка.

Білки – це органічні речовини. Слово «органічний» і «організм» походить від латинського organizo, що означає – надаю впорядкований вигляд, тобто організую. Живі істоти (організми) мають складну впорядковану структуру і ряд характерних тільки для них властивостей, які називаються обміном речовин: подразливістю, рухливістю, здатністю до росту, розвитку, розмноженню, саморегуляції, пристосуванню до навколишнього середовища та інші.

Від того часу періоди розвитку Землі і життя на ній прийнято називати ерами. Найперша ера називається архейською. Це ера виникнення життя. Вона тривала близько одного мільярда років й утворила найпростіші організми. Архейську еру умовно поділяють на три етапи виникнення життя.

На першому етапі у водах океану під впливом ультрафіолетової радіації, хімічних реакцій і грозової електрики із неорганічних речовин почали утворюватися органічні.

На другому етапі білки, ліпіди, вуглеводи і нуклеїнові кислоти утворюють особливі сполуки – коацервати, що діють як відкриті системи, здатні до росту.

На третьому етапі ці системи почали взаємодіяти з нуклеїновою кислотою і з’єднуватися з нею, внаслідок чого почали з’являтися перші живі істоти – пробіонти або протоклітини, здатні до самовідтворення.

На четвертому етапі ці прості організми прогресивно ускладнюються, виникають доядерні організми, виділяється вільний кисень. Розвиваються різні види живлення, у першу чергу – автотрофне, при якому всі необхідні для життя органічні речовини організм синтезує із неорганічних шляхом фотосинтезу, тобто за допомогою сонячного світла. Процес фотосинтезу донині використовують усі фототрофи – рослини. Надалі розвивається гетеротрофне живлення, коли усе необхідне організм використовує у вже готовому вигляді. До гетеротрофів відносяться усі тварини й людина.

На цьому 2,5 мільярди років назад закінчилася архейська ера й починається протерозойська – ера виникнення безхребетних, що тривала 2 000 000 000 років. У цій ері інтенсивно удосконалювалась жива матерія, відбувалося її невпинне ускладнення. Зрозуміло, усі організми спочатку булі одноклітинні, тобто повністю складалися з однієї клітини, у якої не було спочатку навіть ядра – їх називають прокаріотами. Але поступово сформувалися спочатку еукаріоти – ядерні організми, клітини яких вже мали ядро. Це найпростіші бактерії та синьо-зелені водорості.

Нагадаємо ще раз: зародження і розвиток життя відбувалося у воді. Приблизно у цей час відбулося перше велике заледеніння планети. Але найпростіші організми не загинули і продовжили розвиток.

Потім виникли організми багатоклітинні, що складалися з декількох клітин. Це були різні види водоростей і безхребетні тварини: черви, молюски. Нарешті у тварин сформувалися окремі органи, спочатку дуже прості за будовою. Так виникли безчерепні хордові організми. Опорою тіла у них є внутрішній осьовий скелет, або хорда. Хорда – це далекий «родич» хребта, пружна поздовжня струна. Навіть зараз на зародкових етапах розвитку тварин спочатку виникає хорда, а потім вона видозмінюється у хребет.

І ось 570 000 000 років назад починається палеозойська ера – час земноводних, риб, безхребетних. Вона включає шість періодів, які ми зараз розглянемо оглядово.

У кембрійському та ордовицькому періоді поряд з найпростішими (губками, голкошкірими) починають з’являтися перші панцирні риби і молюски і триває розквіт домінуючих тварин палеозойської ери – трилобітів. Трилобіти – це панцирні істоти, що нагадують гігантську мокрицю у панцирі; вони мешкали на дні й повзали по ньому повільно за допомогою багатьох коротких ніжок. У довжину трилобіти були від 2 до 70 см. Розмножилися вони у неймовірній кількості.

У силурійському періоді сформувалися павукоподібні скорпіони, безкрилі комахи, розвивалися риби. У девонському періоді з’явилися щелепні панцирні риби, а також дводихальних та кистеперих риб. Відбувається дуже важлива подія – з’являються перші стегоцефали – земноводні. Суходіл поступово займають рослини. Тоді ж почалося вимирання деяких молюсків корененіжок і коралових поліпів. Починаючи з девонського періоду види почали змінювати один одного – одні вимирають, їх місце займають інші.

Кам’яновугільний період – це час появи крилатих комах, перших плазунів (змій, ящірок, жаб) та акул. Вимирають кистепері та панцирні риби, почалося вимирання трилобітів. Окрім цього, у кам’яновугільному періоді відбувався розквіт лісів, де зростали гігантські папороті, хвощі, плауни. Після вимирання цих лісів утворився шар, який під низкою атмосферних впливів упродовж часу перетворився на кам’яне вугілля.

Останній період палеозойської ери – пермський – створив звірозубих та травоїдних плазунів. У пермський період вимерли останні трилобіти й стегоцефали.

240 000 000 років назад почалася мезозойська ера – ера плазунів, відома як епоха динозаврів. Вона поділяється на три періоди. У першому – тріасовому – розпочалося царювання динозаврів. З’являються перші ссавці – сумчасті та яйцекладні, а також кісткові риби. Розмножилися хижі й травоїдні плазуни, земноводні і головоногі молюски, стародавні риби вимерли.

Юрський період відомий як час найбільшого розквіту динозаврів. На грецькій мові слово «динозавр» означає «жахливий ящір». Динозаври – це гігантські плазуни, ящери. Вони були надзвичайно різноманітні. Перші динозаври були хижаками, пізніше з’явилися динозаври, які харчувалися рослинною їжею. До речі, не можна плутати динозаврів з іншими ящерами, наприклад, птерозавром – літаючим ящером або іхтіозавром – морським ящером. Усі динозаври мешкали виключно на суходолі.

У юрському періоді з’явилися зубаті птахи, більшість сучасних земноводних і плазунів, вимерли стародавні хрящові риби.

Останній період – крейдяний – став часом занепаду динозаврів, які повністю вимерли. Але в цей період з’явилися сучасні птахи і дрібні плацентарні ссавці. На цьому мезозойська ера закінчилася.

Кайнозойська ера кінцева геологічна ера на теперішній час. Вона триває останні 65 000 000 років. Її називають також ерою ссавців. Вона поділяється на три періоди.

Перший – палеоцен, у якому володарювали птахи, риби, комахи, черви й ссавці; виникли морські ссавці, копитні, комахо їди, нижні мавпи. Одночасно вимирали останні мезозойські плазуни, стародавні ссавці й головоногі молюски.

Другий – еоцен. З’явилися перші людиноподібні мавпи й гігантські ссавці: мамонт, безрогий носоріг, шаблезубий тигр, печерні ведмеді, леви. Вимирали сумчасті та яйцекладні ссавці.

Антропоген – останній період, у часі займає останні 2 000 000 років й триває донині. Ανθρωπος — людина, грец. γενεσις — виникнення. У цьому періоді відбувалося виникнення й розвиток людини. Гігантські ссавці вимирали, а взагалі тваринний світ був таким, як нині. Іноді кайнозойську еру поділяють на третинну й четвертинну епохи, при цьому палеоген і неоген відносять до третинної, а антропоген – до четвертинної, розглядаючи його як еру людини.

А тепер давайте спробуємо з іншого боку подивитися на розвиток життя на Землі.

 

Організм як жива система

 

У загальних рисах ми розглянули розвиток організмів, величезний шлях, який вони пройшли за понад 3 мільярди років. Уся неймовірна різноманітність живих організмів, що оточує нас нині, виросла з мікроскопічних пробіонтів. Як у це не важко повірити – у всіх сучасних організмів були спільні предки, але шляхи, якими рослини і тварини прийшли до сучасного стану, в якийсь момент розходилися.

Наука, що вивчала світ, не могла залишити повз увагою рослини й тварини. На Землі нині нараховується понад 500 000 видів рослин і більше 1 000 000 видів тварин. Здається, світ природи занадто великий, але наука для того й існує, щоб можна було розібратися навіть у дуже складних речах. Коли предмет дуже великий, найкращий спосіб оволодіти ним – це розділити на частини, які відрізняються за певними ознаками. Спочатку можна вивчати окремо кожну частину, а потім – у сукупності та взаємодії. Такий поділ називається класифікацією; він формується за принципом від загального до часткового, від маленького до великого.

Система класифікації живої природи виглядає таким чином: царства, типи, класи, ряди, сімейства, роди, види. Детально ви будете ознайомлюватися з ними на уроках біології, а зараз поговоримо про найзагальніші відмінності.

Розглянемо спочатку царства і типи, частково розглянемо класи. Царства поділяються на два над царства: еукаріоти і прокаріоти (які мають ядро й які ядра не мають); усього ж царств п’ять. Доядерні царства – це доклітинні й доядерні. До доклітинних відноситься один тип – віруси. Слово «вірус» означає «отрута». Це перехідна група між живою й неживою природою. Вірус не досяг стану клітини – це всього лише молекула, вкрита білковою оболонкою. Віруси поза клітинами являють собою кристали, але, потрапляючи до клітини, «оживають». Віруси відтворюють себе лише всередині живих клітин. Учені, аналізуючи будову вірусів, дотепер не вирішили, вважати їх об’єктом живої або неживої природи. З одного боку, віруси здатні до розмноження, а з іншого – у них не відбувається обмін речовин. Вірус розмножується у клітині, доки вона не гине, перевантажена вірусами. Віруси «розривають» оболонку клітини і потрапляють до інших клітин. Ви неодноразово з ними зустрічалися: грип, кір, віспа, ГРЗ (гостре респіраторне захворювання) – це все віруси. Заходи профілактики вірусних захворювань: щеплення, здоровий спосіб життя, підвищення імунітету.

Царство Доядерних (Прокаріоти) – це вже клітинні організми, які складаються з однієї клітини, що не має ядра. До них відносяться Типи Бактерії та синьо-зелених, або Ціанобактерій. Бактерії також знайомі кожному. Це й шкідливі для людини збудники ангіни, й корисні молочнокислі бактерії, які харчуються цукром, розчиненим у молоці, перетворюючи її на ряжанку.

2,5-3 мільярди років назад на Землі виникло життя. Приблизно стільки часу синьо-зелені водорос