Основи екології - Олійник Я.Б. - 4.1. Загальна характеристика біосфери

Як уже зазначалося, головним компонентом біосфери є її жива речовина (сукупність організмів, зведена до їх ваги, хімічного складу й енергії). Для того, щоб життя підтримувало себе як стійке явище, воно має бути представлено у різних формах. За часів існування життя на Землі у біосфері налічувалося більш ніж мільярд видів. Серед живих істот переважають комахи (їх близько мільйона видів), а серед комах - жуки. Хребетні становлять лише 2 % відомих видів, і щорічно вчені відкривають у середньому 3 нових види птахів та 15 видів ссавців. Відомий нам світ життя більш ніж на 70 % - це тварини, 22 % - це рослини і гриби, 5 % - одноклітинні організми. Просторовий розподіл живої речовини у межах біосфери є дуже нерівномірним: вона утворює "згущення" на межах стику літосфери, гідросфер і атмосфери, тобто у водоймах біля поверхні, на дні морів та океанів, на поверхні суші, у приповерхневому шарі ґрунту. На суші переважають рослини, а в океані - тварини.

Оскільки біосфера є дуже складною за генезисом, історією та будовою глобальною системою, її сутність важко повністю розкрити одним коротким визначенням. Якщо порівняти усі наявні на сьогодні визначення біосфери, то можна зробити висновок, що майже у всіх них відображено погляд В.І. Вернадського. Отже, біосфера - це особлива, охоплена життям оболонка Землі; це поверхня нашої планети, її зовнішня сфера, яка відмежовує її від космічного середовища; це область земної кори, зайнята трансформаторами, котрі перетворюють космічне випромінювання у діяльну земну енергію - електричну, хімічну, механічну, теплову тощо; це верхня оболонка однієї з найбільших концентричних частин планети - земної кори.

Біосфера - це загальнопланетна оболонка, до складу якої входять нижні шари атмосфери, вся гідросфера і верхні шари літосфери, її склад і будова зумовлені нинішньою та попередньою життєдіяльністю всієї сукупності живих організмів (живої речовини). Вона сформувалася внаслідок взаємодії живих і неживих компонентів, акумуляції та перерозподілу в ній величезної кількості енергії, і тому є відкритою, самоорганізованою, саморегульованою, динамічно зрівноваженою, стійкою, мозаїчною глобальною екосистемою.

Відомий еколог Ю. Одум у 1986 р. охарактеризував біосферу як найбільшу і за ознаками "самозабезпечення" найближчу до ідеалу екологічну систему, яка охоплює всі живі організми Землі у взаємодії з фізичним середовищем, що забезпечує її цілісність та єдність. Пізніше Ю. Одум і М. Реймерс ототожнювали біосферу з екосферою, підкреслюючи цим її сучасну екологічну сутність і теперішні екологічні параметри.

В.І. Вернадський виділяв у складі біосфери пласт живої речовини - зону найбільшої концентрації життя, де переважають рослини як головні накопичувачі енергії на планеті. Цей пласт живої речовини охоплює нижній шар тропосфери (10-ЗО м) над рослинним покривом, освітлений шар води у водоймах, верхні шари ґрунту з коріннями рослин, мікроорганізмами і ґрунтовими тваринами. Найбільша концентрація життя у біосфері спостерігається на межах зіткнення земних оболонок: атмосфери і літосфери (поверхня суші), атмосфери і гідросфери (поверхня океану), гідросфери і літосфери (дно океану), і особливо на стику трьох оболонок - атмосфери, літосфери і гідросфери (прибережні зони). Ці місця найбільшої концентрації життя В.І. Вернадський ще називав "плівками життя". Вгору і вниз від цих зон концентрація живої матерії зменшується. На сьогодні за видовим складом на Землі тварини (більше 2 млн видів) переважають над рослинами (0,5 млн), водночас запаси фітомаси становлять 99 % запасів живої біомаси Землі. Біомаса суші в 1000 разів перевищує біомасу океану. На суші біомаса і кількість видів організмів у цілому збільшується у напрямку від полюсів до екватора.

Межі біосфери як глобальної екосистеми (верхня та нижня) визначаються наявністю сприятливих для організмів абіотичних факторів: температури, води, складу газів, елементів мінерального живлення.

Верхню межу біосфери В.І. Вернадський назвав променевою. Тобто верхня межа життя в атмосфері обмежена інтенсивною концентрацією ультрафіолетової радіації, а фізичною межею поширення життя в атмосфері є озоновий екран, який поглинає більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця, хоча основна частина живих істот концентрується на висоті 1- 1,5 км. Отже, верхню межу біосфери проводять на висоті приблизно 20-25 км від поверхні Землі - саме там вільний кисень під впливом сонячної радіації перетворюється на озон 03, який утворює екран і відображає згубні для живих організмів космічні випромінювання і частково ультрафіолетове випромінювання. На таких висотах ще спостерігається наявність живих організмів: бактерій, спор грибів, найпростіших. Під час запусків геофізичних ракет у стратосферу на висоті 85 км у пробах повітря було виявлено спори мікроорганізмів у латентному (сплячому) стані через надто несприятливі умови існування.

Нижню межу біосфери називають термічною, оскільки вона зумовлена наявністю високих температур. її проводять на суші у середньому на глибині 3-3,5 км від земної поверхні, тобто там, де температура підземних вод та гірських порід у літосфері перевищує 100 °С. Слід зауважити, що деякі автори наводять дещо інші дані щодо глибини проведення нижньої межі біосфери. У цьому підручнику ми користуємося значеннями В.І. Вернадського. Найбільша глибина, на якій у земній корі знайдені бактерії, становить 4 км. У нафтових родовищах на глибині 2-2,5 км бактерії спостерігаються у досить значних кількостях. Нижня межа на суші пов'язана із зонами "минулої біосфери" - так В.І. Вернадський називав залишки біосфери минулих геологічних епох, що збереглися до наших днів (накопичення осадових порід, вугілля, горючих сланців та ін.). "Минула біосфера" слугує доказом тривалої еволюції біосфери Землі.

У гідросфері нижня межа існування активного життя обмежується дном Світового океану - понад 11 км, де температура становить близько 0 °С (рис. 4.1). Більше поширення живих організмів (за наведені межі) обмежено лімітуючими чинниками: проникненню вгору перешкоджає космічне випромінювання, а проникненню углиб - висока температура земних надр.

У межах біосфери немає абсолютно неживих просторів. Навіть у найсуворіших умовах можна знайти бактерії та інші мікроорганізми. В.І. Вернадський висловлював ідею "повсюдності життя". На його думку, жива речовина здатна "розтікатися" поверхнею планети та з величезною швидкістю захоплювати усі незайняті ділянки біосфери, що формує "тиск життя" на неживу природу. Заселеними є найнеймовірніші місця: термальні джерела, температура у яких сягає 100 °С, вікові сніги Гімалаїв, де на висоті 8300 м існують дев'ять видів бактерій, безводні пустелі та надсолоні озера, де вирують ціанобактерії та один із видів креветок. На поверхні Землі у наш час повністю відсутнє життя лише на території значних зледенінь та у кратерах діючих вулканів.

По вертикалі біосфера розділяється на дві чітко відокремлені області: верхню, освітлену, - фотобіосферу, у якій відбувається фотосинтез, і нижню, "темну", - меланобіосферу, у якій фотосинтез неможливий. На суші межа між ними проходить поверхнею Землі. На розвиток життя, а, отже, і на межі біосфери впливають наявність кисню, вуглекислого газу, води у її рідкій фазі тощо. Обмежують зону поширення життя дуже високі або низькі температури, наявність елементів мінерального живлення. Лімітуючим чинником можна вважати і надмірно солоне середовище, наприклад, перевищення концентрації солей у морській воді приблизно у 10 разів. Позбавлені життя також підземні води з концентрацією солей понад 270 г/л.

Рис. 4.1. Біосфера та її оточення (за Назаровим, 1974)

Найбільшу товщину біосфера має у тропічних широтах (приблизно 22-25 км), найменшу - у полярних (приблизно 12- 15 км) (табл. 4.1). Приблизна маса усієї біосфери становить 3 o 10а4 г (0,05 % від маси Землі), а об'єм - 10 o 1024 см3 (0,04 % від об'єму Землі).

Живу речовину біосфери В.І. Вернадський розглядав не просто як сукупність живих істот, що заповнюють простір середовища життя, а як цілісний, дуже значущий для біосфери компо

Таблиця 4.1. Середня потужність біосфери у різних широтних смугах Землі

нент, який реалізує безперервний зв'язок різноманітних геологічних та біологічних процесів. Отже, жива речовина - головний, але не єдиний компонент біосфери. Також В.І. Вернадський виділяв у складі біосфери й інші геологічно взаємопов'язані типи речовин: біокосну, біогенну і косну.

Біокосна речовина - те, що створюється і переробляється живими організмами, тобто продукт синтезу живого та неживого (осадові породи, вапняки, крейда, ґрунти та ін.). Біогенна речовина - це органічні й органо-мінеральні продукти, створені живими організмами протягом геологічної історії (кам'яне вугілля, нафта, торф, горючі сланці). І, нарешті, косна речовина - це уся нежива речовина, яка може бути твердою, рідкою і газоподібною. Це сукупність планетарних і геологічних властивостей Землі, у створенні котрих живі організми участі не беруть, наприклад, сонячна радіація, атмосферний тиск, температура, гірські породи неорганічного походження, вода).

На завершення загальної характеристики біосфери як глобальної екосистеми наведемо її головні характерні риси, які відрізняють її від будь-яких екосистем, що територіально входять до біосфери. Отже, порівняно з екосистемами менших розмірів, біосфера має такі специфічні риси:

o Біосфера є унікальною, незамінною і неповторною біотичною системою. Дрібніших екосистем є безліч, але майже усі вони взаємозамінні.

o Біосфера відрізняється від інших екосистем практично безмежною тривалістю існування. Час існування менших екосистем обмежений: він визначається тривалістю від кількох місяців до сотень і кількох тисяч і навіть десятків мільйонів років.

o Біосфера зберігає безмежно великий запас генетичної інформації, який накопичувався мільярди років, внаслідок чого ця інформація є практично невичерпною. Запаси інформації підпорядкованих їй екосистем, звичайно, менші хоча б тому, що пам'ять біосфери - інтегральна пам'ять усіх екосистем планети.

o Біосфера є найдосконалішою саморегульованою системою з найповнішими механізмами самозахисту від руйнівного впливу зовнішніх космічних та внутрішньопланетних збурень. У процесі еволюції живої речовини в ній сформувався не лише механізм синтезу органічної речовини за рахунок використання сонячної енергії, а й накопичення в атмосфері вільного кисню, формування озонового шару як засобу захисту всього живого. А менші екосистеми, на відміну від біосфери, існують не у ентропійному абіотичному середовищі, а в організованому біотичному середовищі біосфери і захищені від зовнішніх впливів не лише своїми внутрішніми механізмами, а й біосферними.

o На відміну від малих екосистем, біосфера характеризується величезними запасами вільної енергії, не лише тієї, що накопичена у сучасних підпорядкованих їй екосистемах, а й вільної енергії, накопиченої системами минулих епох.

o Біосфера відрізняється величезним різноманіттям життєвих форм, видів, внутрішньовидових структур, просторовою і функціональною асиметрією, потужними механізмами самозбереження, постійним зростанням організованості, внаслідок чого її можна вважати практично незнищуваною. Припустімо, що жива речовина має один біологічний вид. Але в основі життя, як відомо, лежить обмін речовин, а якщо є лише один вид, то через деякий час він вилучить із середовища все, що йому потрібно, виділить відходи своєї діяльності, і на цьому все закінчиться. Можна припустити, що ґрунт або дно моря буде усіяне трупами істот цього єдиного виду, котрі не розкладаються, бо зробити це нікому. Отже, життя як стійке планетарне явище можливе лише у тому випадку, коли воно різноякісне.

Можна оцінити роль живої речовини у формуванні довколишнього світу, розглянувши її функції.