Тема 2. Кругообіг речовин, роль і місце людини у біосфері.
Після вивчення матеріалу Ви повинні:
Знати: склад біосферних середовищ, що таке «жива речовина біосфери» як відбуваються біологічний кругообіг «основних» речовин в біосфері.
Вміти: пояснити кругообіг речовин у природі та місце людини в біосфері.
Ключові поняття та терміни
кругообіг речовин кругообіг кисню біосферне середовище
ефект Пастера кларк кругообіг азоту
біогеохімічний кругообіг денітрифікація біологічний кругообіг атомів
нітрифікація кругообіг води кругообіг сірки
Світовий океан кругообіг фосфору малий кругообіг води
автотрофи гетеротрофи великий кругообіг води
кругообіг вуглецю амоніфікація екосистеми
жива речовина косна речовина енергетичний баланс
План (логіка) викладу і засвоєння матеріалу:
2.1. Структура біосфери. Жива речовина. Розподіл життя у біосфері.
2.2. Властивості живої речовини. Загальні відомості про склад біосферних середовищ.
2.3. Біологічний кругообіг атомів у природі.
2.4. Кругообіг води.
2.5. Кругообіг вуглецю.
2.6. Кругообіг кисню.
2.7. Кругообіг азоту.
2.8. Кругообіг сірки і фосфору.
2.9. Роль і місце людини у біосфері.
Структура біосфери. Жива речовина. Розподіл життя у біосфері.
Важливою особливістю біосфери є її злитість з іншими геосферами Землі. Біосфера розміщена в межах атмосфери, гідросфери та частини літосфери. Загальна протяжність біосфери за радіусом Землі складає близько 40 км. Вона простягається від нижньої частини озонового екрану атмосфери, що розташований 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 (рис. 1.).
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% всієї живої речовини планети.
Біосфера сформована з різних речовин. За В.І.Вернадським, виділяють шість головних речовин біосфери:
/. 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 за рахунок взаємодії живої та косної речовин. Основним видом біокосної речовини є ґрунт.
5. Радіоактивна речовина.
6. Космічна речовина (наприклад, метеорити).
Розглянемо основні компоненти біосфери більш детально.
Жива речовина. За останніми оцінками, жива речовина складає 18∙10" тонн. КМ. 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. 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 всього на 5%.
Унікальна роль живої речовини в біосфері полягає в її високій біогеохімічній активності. Жива речовина автотрофних організмів здоіснює поглинання сонячної енергії' та її перетворення в 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. За рахунок діяльності біосфери на Земній кулі сформувався озоновий екран, який перехоплює більшу частішу 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.І. Вернадський називав «розтіканням» живої матерії, її «прагненням до всюдності».
В 1931 р. вийшла стаття В.І.Вернадського "Про межі біосфери". Проте, слід нагадати, що вчений до цієї проблеми звернувся ще в 1926 р.
Однак, тоді наука ще не нагромадила достатньої кількості інформації, яка б дала повну відповідь на питання: де проходять межі біосфери? Наприклад, не підтвердилося передбачення вченого про заселення усієї осадної оболонки Землі бактеріальним життям. Відомо, що розподіл мікроорганізмів у підземних водах, а, значить, і нижня межа біосфери на континентах визначається двома факторами: температурою води і концентрацією в ній мінеральних солей. Живі бактерії можуть існувати у водах із температурою до 100°С, тоді як активна їхня життєдіяльність проявляється на межі близько 80°С. Крайня межа соляного розчину - 270 г/л, що в 10 разів перевищує концентрацію води океану.
Передбачення В.І. Вернадського про повсюдне поширення життя в океані до самого його дна збулося. Однак це підтвердилося через декілька десятків років - у 1960 р., коли батискаф "Трієст" із Жаком Піккаром і Доном Уолшем торкнувся дна Маріанської западини на глибині 10919 м від точки занурення. Акванавти на великій глибині побачили життя, про яке В.І. Вернадський тільки догадувався. Сьогодні можна стверджувати, що океанічна межа біосфери перебуває на глибині близько 11 км. Повітряні потоки піднімають і переносять міріади мікроорганізмів, вірусів, які живуть головним чином, в краплях вологи. Тут можна зустріти пилок, спори і насіння рослин, тут є звичними біогенні речовини - біоліни і фітонциди. Тут вирує життя, особливо в його товщі від декількох метрів від поверхні суші чи води до приблизно 50-300 м. Цю частину атмосфери М.Ф.Реймерс (1994) вважає екотоном між террабіосферою і гідробіосферою, з одного боку, і тропосферою - з іншого. Ту частину тропосфери, куди лише спорадично піднімаються перелітні птахи, зграї сарани чи якісь скупчення комах, автор відносить до гропобіосфери. Над останньою поза шаром позитивних температур лежить відносно тонкий шар альтобіосфери (лат. альтус - високий). Тут, де температура середовища не піднімається вище 0°С, життя можливе лише завдяки прямій сонячній інсоляції.
Аналізуючи наведені дані про нижню і верхню межі біосфери, а також фізико-хімічні умови, що їх визначають, вчені виділяють три групи житгєзабезпечуючих факторів.
По-перше, це достатня кількість вуглекислого газу і кисню. На Гімалаях, наприклад, зелений покрив обмежений висотою 6200 м. де парціальний тиск вуглекислого газу нижчий, ніж на поверхні моря. Однак і там життя не припиняється: його підтримують деякі види павуків і комах, які живляться органічними рештками, занесеними сюди вітром.
По-друге, достатня кількість вологи, яка забезпечує нормальний хід ферментативних процесів.
По-третє, сприятливий термічний режим, який виключає або надто високі температури (зумовлюють звертання білка), або надто низькі (припиняють роботу ферментів). Найживучішими є прокаріоти бактерії і ціанобактерії, їх можна зустріти в льодовиках Арктики, в скельних і юродах Антарктики, в гарячих джерелах з температурою до 98°С, а в підземних водах-і при 100°С.
Отже, потужність біосфери за вертикаллю в океанах охоплює всю товщу води і незначну донну плівку життя, а на континентах - тонкий надомний і потужний підземний шар. Уся земна поверхня нашої планети належить до біосфери, виключаючи, можливо, окремі високогірні ділянки, вкриті льодовиками та безводні пустелі.
Найпродуктивнішим шаром суші є літосфера, яка разом із водними біоценозами утворює активну плівку життя. До літосфери належать не лише біоценози, утворені на поверхні суші. Життя не обмежується лише поверхнею суші. Воно існує і в нижніх шарах літосфери, особливо в підземних водах.
Гідробіосфера розподіляється на два системних утворення - океанічне і континентальних водоймищ океанобіосфери, або мариносферу та аквабіосферу. Кожне з цих утворень має свою характерну структуру і свій набір гідробіонтів.
Особливо слід відзначити озоносферу, яку ще називають озоновим екраном. Незважаючи на низький вміст озону в атмосфері, цей газ відіїрає суттєву еколого-біологічну роль, активно поглинаючи короткохвильове ультрафіолетове (УФ) випромінювання Сонця. Озоновий шар, розташований в стратосфері на висоті приблизно 15-20 км (верхня межа його поширення - 45 км), не лише визначає температурний режим стратосфери, але є і захисним щитом земних організмів, відхиляючи від них смертоносне ультрафіолетове випромішовання.
В останні десятиліття увага світової громадськості прикута до руйнування озонового шару, яке відбувається головним чином під впливом хлорфторвуглеводів (фреонів), які широко використовуються в побуті (холодильні установки, газове наповнення аерозольних балончиків). Ці сполуки (95% їх, як правило, попадає в повітряне середовище) під дією ультрафіолетового випромінення виділяють хлор, який і руйнує стратосферний озон. Цьому негативному процесу сприяють також і викиди реактивних літаків, ядерні викиди, розклад мінеральних добрив, які супроводжуються виділенням азоту і його окислів, також здатних руйнувати озоновий екран.
* Отже, власне біосфера це шар активного життя, глибина якого на суші становить близько 12 км, а в межах океану - 17 км. Ця відстань значно менша, ніж передбачаюся (20 - 22 і навіть більше). В середньому шар планетарного життя сягає всього близько 20 км. Якщо зіставити розміри космосу і земної антропосфери, це нагадує целофанову плівку, яку так легко пошкодити.
