Заняття 41.

1. Роз­виток Землі, як й інших планет Сонячної системи, має свою тривалу геологічну історію. За цей час сформувалися її зовнішні оболонки: тверда (літо­сфера), рідка (гідросфера) і газоподібна (атмосфера).

Літосфера (від грец. літос - камінь і сфера - куля) - зовнішня тверда оболонка планети завтовш­ки 50-200 км. Вона складається з поверхневого шару осадочних порід (крейда, вапняк, кремнезем тощо), сформованого за участі живих істот, а також граніту (середній шар) і базальту (нижній шар).

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 електричне 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 (О₃), який утворився під дією сонячної радіації з кисню (О₂). 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.

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.

2. 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 мас 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.

Сукупність усіх організмів нашої планети В.І. Вернадський на­звав живою речовиною. Основними її характерис­тиками є сумарна біомаса, хімічний склад і енергія. Енергія живої речовини насамперед проявляється в здатності організмів до розмноження і поширен­ня. Життя на нашій планеті відрізняється значною стійкістю до змін інтенсивності дії різних екологіч­них факторів. Так, у стані анабіозу організми здатні витримувати значні коливання температури (від аб­солютного нуля до +100° С й вище), тиску (від сотих часток атмосфери до 1 000 атмосфер і більше на ве­ликих океанічних глибинах). Фактично живі організ­ми відсутні лише в товщі льодовиків і в кратерах діючих вулканів.

Однією з властивостей живої речовини є її постійний обмін з довкіллям, під час якого через організми про­ходять різні хімічні елементи. Для здійснення про­цесів життєдіяльності живим істотам необхідні певні речовини і енергія, які вони дістають з довкілля, значно його змінюючи. Внаслідок постійного обміну речовин з навколишнім середовищем різні хімічні елементи надходять у живі організми, можуть у них накопичуватись і виходити у довкілля лише через деякий час або лише після їхньої загибелі.

Ви також пам'ятаєте, що зелені рослини викону­ють у біосфері космічну роль, вловлюючи енергію сонячного світла і перетворюючи її в енергію хіміч­них зв'язків, синтезованих ними органічних сполук. Сумарна первинна продукція автотрофних орга­нізмів у кінцевому підсумку визначає і біомасу біо­сфери в цілому.

Учені підрахували, що завдяки фотосинтезу про­дуценти щорічно створюють приблизно 160 млрд. т сухої органічної речовини, з якої ¹/₃ припадає на еко­системи Світового океану, а ²/₃ — суходолу.

Відомо, що енергія далі разом з їжею над­ходить від рослин до рослиноїдних організмів, від них — до хижаків і т.д. Таким чином постійний коло-обіг речовин і потоки енергії забезпечують функціо­нування біосфери як єдиної цілісної екосистеми.

Жива речовина біосфери виконує різноманітні функції, пов'язані з процесами обміну речовин у живих орга­нізмах: газову, окиснювально-відновну, концентра­ційну.

Газова функція живої речовини полягає в тому, що живі істоти в процесі своєї життєдіяльності впли­вають на газовий склад атмосфери, Світового океану і ґрунту. Аеробні організми в процесі дихання по­глинають із довкілля кисень і виділяють туди вуг­лекислий газ. Рослини і ціанобактерії в процесі фотосинтезу, навпаки, поглинають вуглекислий газ і виділяють кисень. Деякі організми (наприклад, певні групи бактерій) можуть впливати на концент­рацію в довкіллі й інших газів (метану, сірководню, азоту тощо).

Окиснювально-відновна функція живої ре­човини полягає в тому, що за допомогою живих організмів у атмосферному повітрі, воді та ґрунті окислюються чи відновлюються певні хімічні сполу­ки. Наприклад, залізобактерії здатні окислювати сполуки заліза, денітрифікуючі — відновлювати нітрати і нітрити до молекулярного азоту чи його оксидів.

Концентраційна функція полягає у поглинанні живими істотами з довкілля і накопиченні у своєму організмі певних хімічних елементів. Так, молюски, форамініфери, десятиногі раки, хребетні тварини на­копичують у своїх організмах сполуки кальцію; радіо­лярії і діатомові водорості — сполуки силіцію тощо.

3. 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).

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.

Відомо, 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 окислювати органічні сполуки клітини. Тому живі організми мають захисні системи, здатні зв'я­зувати вільний кисень. Атмосферний і розчинений у воді кисень здатний окислювати 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.

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.

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 (N₂) чи двооксиду нітрогену (NO₂). Інші мікроорганізми забезпечують процеси нітрифікації, завдяки яким іони амонію (NH₄ ) окиснюються до нітритів (NO₂), а останні — до нітратів (N0₃). Так, завдяки діяль­ності редуцентів нітрогеновмісні органічні сполуки розкладаються до простих, і колообіг Нітрогену в біо­сфері поновлюється.

4. Живі організми беруть участь у процесах відкла­дання осадочних порід, ґрунтоутворенні, формуванні атмосфери. Таким чином, вони активно впливають на формування оболонок Землі.

Осадочні породи формуються на дні водойм внаслідок нашарувань різних нерозчинних сполук переважно біогенного походження. У ство­ренні осадочних порід беруть участь ті живі істоти, які накопичують протягом усього життя в своїх ске­летах, черепашках, панцирах тощо сполуки кальцію, кремнію, фосфору та інші. Із залишків цих організмів (діатомових водоростей, форамініфер, радіолярій, молюсків, коралових поліпів та ін.) виникають різ­номанітні осадочні породи (вапняк, крейда, крем­незем, діатоміти, радіолярити) значної товщини.

Поклади крейди і вапняків утворювалися протя­гом усього періоду історичного розвитку біосфери. Внаслідок накопичення на дні морів черепашок і скелетів відмерлих організмів утворюється вапня­ковий мул. У його товщі відбуваються хімічні про­цеси, які в умовах підвищеного тиску зумовлюють утворення крейди чи вапняку. Геологічні процеси, що відбувалися на нашій планеті, приводили до того, що ті або інші частини материків опускалися, а певні ділянки морського дна піднімалися. Внаслідок цьо­го відбувався перерозподіл площі суходолу й гідро­сфери, а також виникали гірські хребти з вапняку (Піренеї, Альпи, Гімалаї, Кавказькі гори тощо).

У накопиченні кремнеземових осадочних порід брали участь радіолярії і діатомові водорості. Радіо­лярити (осадочні породи, утворені переважно з внут­рішньоклітинних скелетів радіолярій) представлені крем'яними глинами, родовищами напівкоштовних каменів (яшми, опала, халцедона). Переважно з ра­діоляритів утворений острів Барбадос у Карибському морі. Поклади фосфоритів і апатитів (солі фосфатних кислот, які використовують як добрива і сировину для промисловості) утворені рештками особливих груп морських тварин, що мали черепашки з фосфа­ту кальцію.

Кам'яне (з решток викопних вищих спорових рос­лин), буре (викопних голонасінних) вугілля і торф (з решток мохоподібних) утворилися за особливих умов відповідного періоду. Поклади залізної руди форму­валися протягом усього існування біосфери внаслі­док життєдіяльності хемотрофних залізобактерій. Є гіпотези щодо біогенного походження нафти, природ­ного газу та інших корисних копалин.

Живі організми беруть участь і в процесах руйну­вання гірських порід. Наприклад, лишайники, осе­ляючись на скелях, виділяють органічні кислоти, які руйнують мінерали. Лишайники та інші організми можуть руйнувати гірські породи і механічним впли­вом. Наприклад, гіфи грибів, які входять до складу лишайника, корені та ризоїди рослин проникають у тріщини скель, розширюючи їх. Це, у свою чергу, сприяє проникненню в ці тріщини води, що призво­дить до розчинення гірських порід, які стають крих­кими і руйнуються.

Без різнома­нітного світу живих істот, які населяють ґрунт, його формування було б неможливе. А відсутність ґрунту унеможливила б формування і функціонування на­земних біогеоценозів.

Вплив мешканців ґрунту, а також вітру, води, по­вітря і кліматичних факторів забезпечує перебіг процесів ґрунтоутворення. Під час цих процесів відбуваються складні перетворення і переміщення різноманітних сполук у верхньому шарі літосфери. Процеси ґрунтоутворення сприяють збереженню і підвищенню родючості ґрунтів — здатності забезпе­чувати потреби рослин в елементах живлення, воді, а також кисні, необхідному для дихання їхніх підзем­них частин.

Мешканці ґрунту впливають на його фізичні, хімічні й біологічні властивості. Так, кореневі си­стеми рослин поліпшують його шпаристість, що впли­ває на надходження в ґрунт кисню, розчинів солей. Живі та відмерлі підземні частини рослин збагачу­ють ґрунт органікою, слугують кормовою базою для ґрунтових тварин, грибів, бактерій. Деякі з мікроор­ганізмів, які мешкають у ґрунті у вільному стані або вступають у симбіоз з вищими рослинами (азотфік­суючі бактерії, ціанобактерії, деякі водорості), як вам вже відомо, здатні фіксувати атмосферний азот і зба­гачувати ним ґрунт, підвищуючи його родючість. На структуру і родючість ґрунтів впливає і діяльність певних груп тварин (дощові черв'яки, комахи, кроти, сліпаки): прокладаючи ходи в ґрунті, вони поліпшу­ють його шпаристість. Тварини також збагачують ґрунт органікою і разом з грибами і бактеріями за­безпечують процеси мінералізації (тобто розкла­дають органіку до неорганічних сполук, які здатні засвоювати рослини).

Рештки організмів (насамперед рослин), потрап­ляючи на поверхню ґрунту, утворюють шар підстил­ки. У підстилці за активної участі живих організмів одночасно відбуваються як процеси мінералізації, так і синтезу органічних речовин, що входять до скла­ду гумусу. В утворенні гумусу беруть участь різні організми: безхребетні тварини, гриби, бактерії. Отже, запаси гумусу в ґрунті — це резуль­тат різноманітних процесів синтезу, розкладання і накопичення органічних речовин, переважно рос­линного походження.

На початку утворення біосфе­ри газовий склад атмосфери значно відрізнявся від сучасного: в ній було багато водяної пари, вуглекис­лого газу, аміаку, сірководню, метану, проте не було вільного кисню та озонового екрана. Тому сонячні ультрафіолетові промені легко сягали поверхні Землі. Внаслідок цього життя тривалий час могло існувати лише у водному середовищі, оскільки вода поглинає ці промені. Але завдяки діяльності фото-синтезуючих ціанобактерій газовий склад атмосфе­ри поступово змінювався: знижувалася концентрація аміаку, вуглекислого газу, метану тощо; з'явився вільний кисень. Приблизно 2—3 млрд. років тому його концентрація в атмосфері досягла сучасної, завдя­ки чому сформувався озоновий екран. Це створило передумови виходу життя на суходіл.

Атмосферний кисень має фото­синтетичне походження. Рослинність Землі щоріч­но поглинає приблизно 1,7*10⁸ тонн вуглекислого газу і виділяє майже 1,2*10⁸ тонн кисню, який вико­ристовують у процесі дихання аеробні організми. Проте на співвідношення вмісту в атмосфері кисню і вуглекислого газу негативно впливає господарська діяльність людини (забруднення атмосфери промис­ловими викидами, інтенсивне спалювання енерго­носіїв тощо), яка призводить до зниження в атмосфері концентрації кисню і підвищення вуглекислого газу. Внаслідок цього виникає так званий тепличний ефект: висока теплоємність вуглекислого газу змен­шує випромінювання тепла поверхнею Землі, що зу­мовлює глобальне потепління клімату. Вуглекислий газ виділяється і в процесі дихання організмів, а та­кож внаслідок розкладання органічної речовини жи­вими істотами.

Організми впливають і на концентрацію в атмо­сфері азоту. Він зв'язується азотфіксуючими бакте­ріями, ціанобактеріями, а повертається в атмосферу в результаті процесів розщеплення органічних спо­лук або денітрифікації переважно у вигляді аміа­ку. Діяльність організмів сприяє надходженню в атмосферу сірководню, метану та деяких інших газів.