Концепції сучасного природознавства - Карпов Я. С. - 6.1.13 Вологообіг

Вологообіг охоплює такі процеси: випаровування вологи з поверхні суші (особливо з поверхні океану), конденсацію водяної пари і її перетворення на опади внаслідок неупорядкованого й упорядкованого вертикального переміщення в атмосфері, випадання вологи і її повернення в океан через ріки та підземний стік. Цей кругообіг води в природі відбувається неперервно.

Під дією сонячної енергії щорічно з поверхні Світового океану випаровується близько 453 тис. км3 води. Із цієї кількості приблизно 412 тис. км3 потрапляє назад в океан у вигляді опадів. Решта — 41 тис. км3 — переноситься в системі циркуляції атмосфери на суходіл. Крім того, з поверхні суходолу, а також озер, річок, із рослинного покриву випаровується близько 73 тис. км3 води. У цілому у вигляді опадів над суходолом випадає близько 114 тис. км3 води, а перевищення кількості опадів над випаровуванням — приблизно 41 тис. км3 — повертається назад у Світовий океан через річковий стік* Цей цикл вологообігу (випаровування — опади — стік) є замкнутим. Ймовірні відхилення балансу вологи в цьому циклі можуть бути пов'язані з нагромадженням вологи, яка випадає в Антарктиді й Гренландії у вигляді снігу та льоду. Однак у найближчому часовому проміжку відтік води з Антарктиди й Гренландії у вигляді айсбергів і нагромадження опадів, очевидно, будуть компенсувати один одного.

Решта — близько 40 тис. км3 прісної води — це той резерв, яким людство володіло, володіє і буде володіти в майбутньому. Якщо водні ресурси використовувати раціонально, їх вистачить людству (за середніх масштабів споживання 1 тис. м3 іводи на рік) приблизно для 20 млрд чол.

6.1.14 Жива речовина

У своїх роботах Вернадський не обмежився загальним описом біосфери і з'ясуванням її загальних закономірностей. У 1920 р. у Ялті, у найтяжких умовах громадянської війни, ледь одужавши після страшного висипного тифу, Володимир Іванович записує в щоденнику "... Мені стало зрозуміло, що я усвідомлюю власне призначення — сказати людству нове в тому вченні про живу речовину, яке створюю, і що це є моє покликання, мій обов'язок".

Уявлення про живу речовину кардинально змінило науковий світогляд Вернадського. З 1916 року він почав переглядати всі основні уявлення науки. Якщо раніше вважалося, що живе є продуктом ускладнення інертної матерії Землі, то пізніше вчений визнав, що це твердження не обгрунтоване. Осмисливши весь гігантський досвід природознавства на новому витку, він створив нову картину розвитку Землі.

В основу цієї картини розвитку Землі як космічного тіла необхідно було покласти якусь вихідну гіпотезу, яка б фіксувала факт становлення життя на нашій планеті. В. Вернадський не працював спеціально над проблемою виникнення життя, обмежуючись констатацією факту, який він називав емпіричним узагальненням: життя на Землі виникло — і це є емпіричний факт. Його він і поклав в основу своєї реконструкції. Більше того, В. Вернадський був упевнений, що життя на Землі має дуже давнє походження. Відповідно до його припущень, виникнення Землі як комічного тіла, що відбулося близько 4-4,5 мільярдів років тому, і поява на ній життя відбулося за космічними масштабами майже одночасно. Ще одна цікава думка — "кількість життя" є величиною постійною. Відповідно до такої установки живий стан матерії визнавався головним, визначальним її станом.

Узявши за основу той факт, що життя, так чи інакше, на Землі виникло, Вернадський приходить до визначення поняття живої речовини. У книзі "Жива речовина" Володимир Іванович писав: "Я називатиму живою речовиною сукупність організмів, які беруть участь у геохімічних процесах. Організми, що утворюють сукупність, є елементами живої речовини. При цьому ми звертатимемо увагу не на всі властивості живої речовини, а тільки на ті, котрі пов'язані з її масою (вагою), хімічним складом й енергією. У такому вживанні "жива речовина" є новим поняттям у науці. Я свідомо не вишукую новий термін, а вживаю старий - "жива речовина", надаючи йому не зовсім звичного строго визначеного змісту".

На той час не існувало і не існує донині жодного доказу походження живої речовини з неживої. Між цими двома станами матерії не виявлено ніяких переходів, які вели б від інертного стану до одухотвореного. Збільшується, навпаки, кількість доказів оберненої спрямованості — утворення структур земної кори від речовин, які є рештками живих організмів. Не тільки гірські породи й копалини, але й атмосфера планети (а є думка, що і гідросфера) є повністю продуктом біосфери, результатом життєдіяльності тварин, рослин, бактерій. Через так звані біогеохімічні цикли — кругообіг хімічних елементів у земній корі, що пришвидшується завдяки живим організмам, запускається в дію весь механізм геологічних полій у земній корі. Зв'язок цей найчастіше не явний, а завуальований, але, виявивши достатню наполегливість, дослідники завжди можуть виявити першопричину — найчастіше хімічний вплив одного чи декількох організмів протягом тривалого проміжку часу. У земній корі неможливо відшукати шари, вільні від впливу живої речовини. Сьогоднішній стан біосфери свідчить про її минуле. Земля була живою завжди. Жива речовина минулого нерозривно пов'язана в часі з нами самими.

Який же зміст вкладав В. І. Вернадський у поняття "жива речовина"? Під "живою речовиною" він розумів насамперед сукупність організмів — рослин тварин, мікроорганізмів, людей.

Усі організми поділяються на автотрофні н гетеротрофні. Автотрофні організми незалежні від зовнішніх джерел органічної речовини; вони можуть створювати необхідні органічні речовини з неорганічних елементів. Енергію, необхідну для синтезу, автотрофні організми одержують завдяки сонячному випромінюванню (фотоснитезий автотрофія) або в процесі хімічних реакцій.

Гетеротрофні організми залежать від наявності зовнішнього джерела органічної речовини, споживаючи його із середовища існування. Вони не можуть синтезувати органічну речовину з неорганічних компонентів.

Розглядаючи живу речовину як цілісність, учений запропонував виражати ЇЇ показники кількісно, тобто визначити вагу компонентів, баланс енергії, характер простору, який їй відповідає, в атомному (елементному) складі. Інакше кажучи. Вернадський вважав за потрібне визначити кількісні критерії, величини, числа, які б описували якісну сукупність живих організмів. Кожен організм та угрупованим організмів можна уявити як певні ^поля атомів", які взаємно переплітаються і проникають одне в одного, пов'язані біогенною міграцією з атомними полями природних систем більш високих порядків: біогеоценозів, еколого-біосферних регіонів, біосфери в цілому.

У результаті всіх цих складних взаємодій формується неоднорідна геохімічна структура біосфери. У сфері життя — "живої речовини", у розумінні В. і. Вернадського, — постійно, з найдавніших геологічних часів, задіяно атоми (хімічні елементи), пов'язані з нею Життя "не випускає" їх далеко за свої межі: тимчасово втишаючії з кругообігу одних речовин, вони захоплюються іншими організмами, утягуються в нові цикли, нові угруповання атомів. Ми не знаємо ні початку, ні кінця цьому вічному руху, пов'язаного із життям потоку речовини іі енергії. І сама жива речовина в цілому виступає в геологічній історії планети як невпинний єдиний інтегральний потік живих організмів, як могутня геологічна сила, що докорінно змінює саму Землю. Енергетичним джерелом цього потужного потоку життя за всіх часів була сонячна енергія. В. І. Вернадський запропонував принципово нову наукову методологію — "атомного зрізу" живої речовини, вивчення біогеохімічних закономірностей "поля Життя". Це відразу ж поставило біогеохімію — науку про вивчення живої речовини, творцем якої був В. І. Вернадський, -у ряд точних наук про біосферу, де набули розвитку кількісні методи досліджень. Але жива речовина потребувала середовища для свого розвитку. Необхідно було науково визначити його розміри, властивості, структуру й функції. Таким "середовищем життя", що включало саме життя, і стала біосфера, яку відкрив для своїх сучасників В. І. Вернадський.

Жива речовина існує тільки у формі біосфери великого тіла, окремі частини якого виконують функції щодо взаємної підтримки й взаємного доповненння, немовби надаючи один одному послуги з метою підтримки життя. Якщо є організми, що накопичують деякі речовини, повинні бути для підтримання рівноваги організми з протилежною біогеохімічною функцією, тобто такі, які розкладають дану речовину на прості мінеральні складові, запускаючи їх знову в кругообіг. Якщо є бактерії, які окислюють, значить, повинні бути — і вони завжди є — бактерії, що відновлюють. Один чи кілька організмів вижити на Землі протягом навіть нетривалого проміжку часу не зможуть. На великому космічному кораблі, який зветься Земля, якщо і є щось незмінне, то це функція живого. І Вернадський цілком природно вважав константною величиною кількість атомів, захоплених у життєвий кругообіг, точніше кажучи, ту кількість, яка коливається біля якоїсь середньої величини. І так було завжди. За розрахунками Вернадського, швидкість захоплення організмами простору за геологічними мірками миттєва: для бактерій її можна порівняти зі швидкістю звуку в повітряному середовищі. І навіть найбільша з істот, яка найповільніше розмножується порівняно з іншими тваринами(а це слон), здатна зробити це лише за 1300 років, тобто в геологічних масштабах теж миттєво.

Яскравим прикладом незмінності організмів протягом всієї історії біосфери є так звані прокаріоти, або дроб'янки, які затято не бажають еволюціонувати.

На відміну від усього іншого живого світу, у їхніх клітинах немає ядра. Незважаючи на таку примітивність, а може завдяки їй, прокаріоти настільки всюдисущі, що "вбудовані" майже в кожну хімічну реакцію, що відбувається на поверхні. Вони скрізь: у так званій корі вивітрювання, у надрах, у гарячих джерелах, у воді, у вулканічних викидах. На якій-небудь ділянці реакції міститься жива речовина, яка перетворює геохімічну картину на біогеохімічну, продукуючи деяку необоротність цих реакцій і приводячи їх до якого-небудь результату. А оскільки швидкість поділу цих прокаріотів величезна, то й плоди їхньої біогеохімічної діяльності вражаючі. Розглянемо, наприклад, запаси руд Курської магнітної аномалії. Скрізь, де спостерігається підвищений вміст якого-небудь хімічного елемента порівняно із середнім його вмістом у земній корі, серед причин, як правило, слід шукати живу речовину, найчастіше прокаріот, або, інакше кажучи, літотрофні бактерії. Літотрофи (російською мовою — каменеїди) мають інший основний спосіб живлення — мінеральний, або хемосинтетичний, на відміну від фотосинтетичного. Переводячи мінеральні сполуки з однієї форми в іншу, вони видобувають при цьому енергію, і тому і не потребують ні сонячної енергії, як рослини, ні іншої органічної речовини, як тварини.

Літотрофи за своїми морфологічними особливостями й екологією настільки несхожі на інший живий світ, що утворили окреме надцарство живої природи. Між ним та іншим (евкаріотичним) живим світом така ж бездонна прірва без усіляких переходів і проміжних форм, як і між живою та неживою матерією. У той же час прокаріоти — цілком самостійні організми. їх угруповання здатні виконувати в біосфері всі необхідні функції. Таким чином, фактично можлива біосфера, яка складається з одних лише прокаріотів. І, цілком можливо, що такою вона й була в минулих, колишніх біосферах.

Самі літотрофи й синьо-зелені, які теж належать до надцарства прокаріотів, є речовиною безсмертною і такою, яка не еволюціонує. їх точне штампування без змін протягом усієї прірви часу існування біосфери — загадка для еволюціоністів. Як зауважує Г. П. Аксьонов, прокаріоти символізують собою деякий особливий тип еволюції, де організм не можна розглядати окремо від середовища, адже самі організми не змінюються, а змінюють унаслідок своєї життєдіяльності навколишнє середовище. До речі, такою може бути й еволюція людини: морфологічно вона залишається незмінною, а котить попереду себе громаддя цивілізації, що постійно зростає. Людство змінило вигляд Землі рішуче й безповоротно. Існування "прокаріотичної біосфери" доводить насамперед її вічність у розумінні Геттона й Вернадського. Геологія і палеонтологія разом з іншими дисциплінами на наших очах підтверджують тезу Вернадського про вічність і космічність життя, про повсякчасну живу сутність планети. Швидкість передавання життя не є простим вираженням властивостей атомних організмів або їх сукупностей — живих речовин; вона виражає їх розмноження як планетне явище відповідно до законів біосфери. У вираження цієї швидкості неминуче входять елементи планети — величина її поверхні і її екватори. Далі Вернадський в "серед явищ розмноження" виділяє три головні емпіричні узагальнення:

1) розмноження всіх організмів виражається геометричними прогресіями: процес видається нескінченним, як нескінченна сама прогресія;

2) розтікання живої речовини підпорядковується правилу інерції. Можна вважати емпірично доведеним, що процес розмноження затримується у своєму прояві тільки під дією зовнішніх чинників: він завмирає при низьких температурах, припиняється або послаблюється, коли не вистачає їжі і повітря для дихання, коли не вистачає життєвого простору для існування новоутворених організмів;

3) кожному організму властивий свій власний темп розмноження, який залежить, від його розмірів. Дрібні організми, тобто організми, які мають найменшу вагу, розмножуються набагато швидше, ніж великі організми, тобто організми, що мають більшу вагу.

У "Біосфері" Вернадський обчислив розміри поверхні біосфери, тобто поверхні листя, трави, організмів. Вона грандіозно перевищує всю геометричну земельну площу. Земна поверхня планети коливається залежно від сезону в межах 5-10,0-2,5510п кв.км. На перший погляд, здається, що обчислена в такий спосіб поверхня — щось слабке, ефемерне, адже листя дерев сьогодні живе, а завтра опало, облетіло. Але доводиться визнати, що ці "ефемерні поверхні" виконують у біосфері гігантську роботу. За рік жива речовина біосфери пропускає через свої тіла масу атомів близько 1025 грамів, що перевищує за масою вагу земної кори до глибини приблизно 16 кілометрів від поверхні геоїда. Речовина поверхні планети, як стверджує автор "Біосфери", не просто перелопачується, а, насичена енергією сонячного проміння, іде в надра, і відтіля надходить метаморфізованою, такою, що пройшла горнило тисків і температур.

Загальну масу живої речовини на Землі Вернадський підрахував у 1927 році. Він писав: "Жива речовина за вагою становить незначну частину планети. Очевидно, таке співвідношення спостерігається протягом усього геологічного часу,тобто є геологічно вічним. Вона зосереджується в тонкій, більш-менш суцільній плівці на поверхні суші іі у тропосфері — у полях і лісах — і пронизує всю товщу океану. Кількість її обчислюється частками, що не перевищують десятих долей відсотка біосфери за вагою, близько 0,25 %. На суходолі вона проникає у вигляді великих скупчень на глибину в середньому, імовірно, менше 3 км. Поза біосферою її немає". Однак ця величина виявилася завищеною. Із того часу різні дослідники кожен по-своєму оцінювали біомасу на Землі іі одержували різні величини.

Розподіл біомаси у висотному й горизонтальному діапазонах істотно неоднорідний. Дуже характерним є розподіл у просторі самої біомаси органічної речовини планети. Насамперед, відзначимо невідповідність між загальною біомасою рослин і тварин: фітомаса становить 98 (за деякими підрахунками — до 99) відсотків органічної речовини, а зоомаса — решту. У широколистяних лісах помірної зони на один гектар припадає в середньому 100 тонн сухої речовини рослин, не враховуючи ваги їх підземних частин; хребетних же тварин — трохи більше 10 кілограмів. Приблизно ж таке співвідношення і в тайзі. У степу і пустелях біомаса рослин перевищує біомасу хребетних тварин у 100 разів. Основна зоомаса зосереджена в ґрунті. Підраховано, що загальна вага ґрунтових бактерій сягає 10 мільярдів тонн. У кожному грамі лісового ґрунту, крім 100 тисяч водоростей, одного мільйона цвільових грибів, актиноміцет, є кілька мільярдів бактерій. І всі вони живуть, розмножуються, гинуть, впливають один на одного, залежать один від одного, від абіотичних чинників, у свою чергу, самі впливаючи на чинники середовища, створюючи їх.

В екваторіальних розкішних дощових лісах Африки дерева ростуть кількома ярусами. Під ними — густі зарості бамбука, папоротей, недоступні для тварин. Навіть змії не ризикують селитися в цих хащах. Безсумнівно, такий ліс має величезну біомасу. 500 тонн сухої речовини на гектар — це не межа. Для Бразилії називають цифри 1500 і навіть 1700 тонн (для порівняння: у тундрах — 12, а в широколистяних лісах помірної зони — до 400 тонн). 150-170 кілограмів фітомаси на кожен квадратний метр. В африканських посушливих саванах (розріджений трав'яний покрив, пригнічені чагарники), у пампасах, на гірських луках вага фітомаси рослин на гектар становить 120-150 тонн.

Найбільш вражаючими ж, мабуть, показники продуктивності будуть в деяких водно-болотних біоценозах, розташованих у південних районах нашої півкулі. Родючі ґрунти, значна сума річних температур, достатня кількість вологи спричинюють дуже високу продуктивність фітоценозів у дельтах південних річок, у лагунах та естуаріях. Вона становить 20-25 тони сухої речовини з гектара на рік. А богатир — цукрова тростина — за рік встигає нагромадити до 78 тонн фітомаси на гектар, явно змагаючись із тропічними лісами.

Рекордсмени продуктивності на Землі — зарості долинного тину з дерев і трав, які ще збереглися в дельтах Міссісіпі, Парани, Гангу, навколо озера Чад і в деяких інших районах. Тут за рік на гектарі утворюється до 300 тонн органічної речовини. Нема сенсу заглиблюватися в екологічну статистику. Загальна тенденція є зрозумілою: про-дуктивність біоценозів збільшується з півночі на південь у напрямку до екватора, що пов'язано із зростанням температур, ускладненням фітоценозів і т.д. Велику роль у всіх вищенаведених прикладах відіграють якість ґрунтів і забезпеченість водою.

Зони життя в океані класифікуються за глибинами і середовищем існування. Найбільш мілководною є припливна зона, яка розташовується вздовж узбережжя в межах припливних змін рівня океану. Мілководна частина океану, яка знаходиться на шельфі, тобто в межах глибин до 200 м, відома як неритова зона. Океанічна зона охоплює простір від краю шельфу до найглибших западин. Крім того, океан поділяється на освітлювану сонячним світлом фотнчну (світлову) зону й афотичну (неосвітлювану) зону, де панує вічний морок. Глибина фалічної зони залежить від прозорості вод і може коливатися від 100 м на відстані'від берегів до декількох метрів у прибережних районах.

На дні або в донних відкладах живуть організми, які називаються бентосними. Організми, що'живуть у товщі вод, називають пелагічними. Пелагічні організми залежно від їх здатності переміщуватися поділяються на планктон (дрейфує разом із потоком води) і нектон (активні плавці). Оскільки пелагічні організми можуть переміщуватися в трьох вимірах, проблеми розсіювання для них не існує. У той же час організми, які живуть на дні або в донних відкладах, мають дуже обмежені можливості для переміщення. Звичайно, в припливній зоні, на скелястому узбережжі, усі придатні для існування місця щільно заселені. Там, де існує боротьба за простір, усі можливі для заселення поверхні якнайшвидше захоплюють угруповання організмів.

Різноманітність життя в океані надзвичайно велика. Організми класифікують на види, роди, ряди, класи й типи. Багато організмів мають мінералізовані кістяки, які складаються з карбонату кальцію, кремнію або фосфату кальцію. Ці сполуки, що входять до складу водоростей, становлять значну частину відкладів карбонату кальцію в тропічній неритовій зоні.

Усе живе в океані, безумовно, залежить від фотосинтезуючих автотрофів — морської рослинності. Використовуючи сонячне світло для фотосинтезу, рослини перетворюють неорганічні компоненти морської води на органічні сполуки. Морські рослини є першоджерелом усіх живильних речовин в океані. Оскільки їх існування обмежене світловою зоною, донні рослини можуть існувати тільки в мілководних районах. Тому більшість морських рослин входять до складу планктону, точніше, фітопланктону. Наявність біогенних елементів, таких як нітрати й фосфати, лімітує швидкість росту рослин Оскільки у воді, яка оточує рослинні клітини, біогсни швидко виснажуються, рослини повинні переміщуватися у воді або за допомогою джгутиків, або занурюючись углиб. Фітопланктон складається з діатомових, коколітофорид і перидиней, а фітобентос представлений водоростями, що належать до різних типів.

Велику частину клітин рослинного планктону становить вода. Висушування 100 м вологого фітопланктону дає від 8 до 20 м сухої рослинної речовини. Цей сухий залишок являє собою суміш органічної речовини й мінеральних скелетиків із кремнію і вапняку. Кількість мінеральних речовин залежить від типу водоростей і стадії їх розвитку.

Органічна речовина фітопланктону містить у собі 25-65% протеїну, 2-10% жирів і 0-35% вуглецю. Отже, фітопланктон складається в основному з вуглецю, кисню й водню. Крім того, органічна речовина фітопланктону містить значну кількість азоту й фосфору. Близько 8% сухої органічної речовини припадає на азот і 1% — на фосфор. Таким чином, на кожний атом фосфору припадає 15 атомів азоту і 100 атомів вуглецю.

Серед морських тварин налічується більш як 15 тилів представників, їх розміри коливаються від мікроскопічних одноклітинних до китів — найбільших серед існуючих тварин. Поширення морських тварин обмежується лише достатньою кількістю їжі й кисню, тому тварини живуть на всіх глибинах від поверхневого шару до дна найглибших океанічних западин, а також населяють дно або верхні шари донних відкладів.

Багато планктонних тварин мають вапняні й кремнієві скелетики, які, потрапляючи на океанічне дно, утворюють м'які відклади, так званий мул. Серед планктонних організмів найбільше представників членистоногих, тоді як у бентосі переважають молюски й голкошкірі. Найбільш активні плавці належать до типу хордових. До цього тину належать також безщелепні, хрящові й костисті риби, а також морські ссавці;

Більшість морських тварин дихають киснем, розчиненим у воді. Більш високоорганізовані тварини мають зябра, що забезпечують обмін киснем і вуглекислим газом між циркулюючою в тілі тварин рідиною і морською водою. Так як ссавці дихають атмосферним повітрям, то вони повинні спливати на поверхню, щоб видихнути вуглекислий газ і вдихнути кисень.