Організменний рівень організації життя притаманний багатоклітинним біосистемам. Тут життя представлене у вигляді рослин, тварин, в тому числі людини, грибів і різноманітних мікроорганізмів. Всі вони є структурними одиницями цього рівня.
У будь-якого представника організменного рівня виявляються такі «нові» властивості в порівнянні з попереднім рівнем, які завжди ототожнювалися з поняттям живої матерії. До цих властивостей належать живлення, дихання, подразнення, рухомість, виділення, розмноження, ріст, розвиток, поведінка, тривалість життя, плодючість, спосіб життя, взаємовідношення з навколишнім середовищем.
3.1.Основні положення вчення про біосферу В.І.Вернадського
Біосфера (від гр. bios-життя і sfere-куля) – область активного життя оболонки Землі, яка включає частини атмосфери, гідросфери і літосфери, заселені живими організмами.
Вперше термін «біосфера» вжив австрійский вчений Е.Зюсс у 1875 році, але поширившися він після праць нашого вченого, засновника та першого президента АН України, академіка В.І. Вернадського (1864-1945). Основи його вчення викладені в книзі “Біосфера” (1926 р.). Він довів, що живі організми відіграють дуже важливу роль у процесах, котрі відбуваються у всіх сферах Землі. “Якби на Землі було відсутнє життя,-писав учений-, обличчя її було б таким же незмінним і хімічно інертним, як нерухоме обличчя Місяця, як інертні уламки небесних світил. ” За мільярди років існування Землі живі істоти рішуче змінили склад її атмосфери, гідросфери й літосфери, створивши, по суті, зовсім нове середовище життя.
В.І. Вернадський визначив біосферу, як термодинамічну оболонку з температурами +50…-50 0С і тиском приблизно 10000 Па, що відповідає межам життя для більшості організмів.
За В.І. Вернадським, верхня межа біосфери проходить на висоті 15-22 км, охоплюючи тропосферу і нижню частину стратосфери. Знизу біосфера обмежена відкладами на дні океанів (до глибини 11 км) і глибиною проникнення в надра Землі організмів і води в рідкому стані (2-3 км) (схема 5).
Нижня межа біосфери в межах літосфери обумовлена тепловим бар`єром і, як правило, не опускається нижче 5 км. Загальна протяжність біосфери – 40 км. Від усіх геосфер вона відрізняється енергійним ходом хімічних перетворень.
В.І. Вернадський розглядав біосферу як область життя, яка включає поряд з організмами і середовище їх існування. Горизонти біосфери, які найбільш інтенсивно заселені живими організмами називаються «плівкою життя» або плетобіосферою.
Біосфера на нашій планеті виконує ряд важливих функцій, які обумовлюють властивості і відносну стабільність природи Землі:
- закріплення рухомих елементів поверхні літосфери (пісок, глина, гравій, дрібна галька, лісс, грунти різних типів);
- регуляція кругообігу води щляхом сповільнення поверхневого стоку і переведення його в підземний, зволоження повітря, зниження випаровуваності з поверхні внаслідок затемнення і зменшення швидкості вітру;
- зв`язування вуглекислоти, що виділяється тваринами та в ході хімічних перетворень в неживій природі;
- виділення кисню в процесі фотосинтезу наземними і водними рослинами;
- переведення в прості хімічні речовини величезної маси відмерлих організмів і їх виділень;
- участь в утворенні і відновленні грунтів, в очищенні атмосфери і води від різноманітних забруднень, в утворенні місцевого клімату і погоди;
- переміщення по планеті (суша, річки, моря і океани) маси різноманітних хімічних елементів і речовин;
- участь в утворенні багатьох гірських порід, частина яких є корисними копалинами ( кам`яне вугілля, крейда, вапняки та ін.);
- акумуляція і трансформація сонячної енергії, яка в трансформованому вигляді включається в кругообіг енергії Землі.
Основними поняттями біосфери В.І. Вернадський вважає живу речовину (організми, біогенну речовину (створені живими організмами органо-мінеральні або органічні продукти і кам`яне вугілля, сапропель, торф, лісова підстилка, гумус грунту тощо), біокосну речовину, створену живими організмами при участі неживої природи (приземна атмосфера, осадочні породи, глинні мінерали, вода та інше) і косну речовину – гірські породи магматичного, неорганічного походження, вода, а також в значній мірі перероблені і видозмінені живими організмами речовини космічного походження (космічний пил, метеорити і т.п.). Крім того, до складу біосфери входять радіоактивні речовини, які отримуються в результаті розпаду радіоактивних елементів, і розсіяні атоми, не зв`язані хімічними реакціями.
В.І. Вернадський називає живу речовину основною рухомою силою біосфери. Бути живим – значить бути організованим, відмічав В.І. Вернадський, і в цьому полягає суть поняття біосфери як організованої оболонки Землі. Протягом мільярдів років існування біосфери організованість створюється і зберігається діяльністю живої речовини - сукупності всіх живих організмів. “живі організми, – писав В.І. Вернадський, – є функцією біосфери і найтіснішим чином матеріально і енергетично з нею пов`язані, є величезною геологічною силою, її визначаючою. Для того, щоб в цьому переконатися, ми повинні виразити живі організми як щось ціле і єдине. Так виражені живі організми являють живу речовину, тобто сукупність всіх живих організмів, існуючих в даний момент, чисельно виражену в елементарному хімічному складі, у вазі, в енергії. Вона пов`язана з навколишнім середовищем біогенним потоком атомів: своїм диханням, живленням і розмноженням.”
Жива речовина розподілена в біосфері досить нерівномірно. Найбільше її знаходиться в приповерхневих ділянках суші (особливо велика біомаса тропічних лісів) і гідросфери, де в масі розвиваються зелені рослини та гетеротрофні тварини, що живуть за їх рахунок. Більше 90% всієї живої речовини, утвореної, головним чином, вуглецем, киснем, азотом і воднем, припадає на наземну рослинність (97-98% біомаси суші). За підрахунками В.І. Вернадського, біомаса всіх організмів Землі досягає 1015 тонн, що складає лише 0,25% маси всієї біосфери. Але незважаючи на це, В.І. Вернадський, спираючись на багаточисельні дані, вважав живу речовину найбільш потужним геохімічним і енергетичним фактором, провідною силою планетарного розвитку.
Форма діяльності живого, його біохімічна робота в біосфері (нове поняття, введенне В.І. Вернадським), заключається в здійсненні незворотних і незамкнених кругообігів речовин і потоків енергії між основними структурними компонентами біосферної цілісності: гірськими породами і природними водами, горами і грунтами, рослинністю, тваринами і мікроорганізмами. Цей безперервний процес руху кругообігу складає одне із спірних питань і носить назву біогеохімічної циклічності.
Основне джерело біогеохімічної активності живих організмів – сонячна енергія, яка використовується в процесі фотосинтезу зеленими рослинами і деякими мікроорганізмами для створення органічної речовини, яка забезпечує їжею і енергією всі інші організми. Завдяки діяльності фотосинтезуючих організмів біля 2 млрд. років тому почалося накопичення в атмосфері вільного кисню, потім утворився озоновий екран, який захищає живі організми від жорсткого космічного випромінювання, фотосинтез і дихання зелених рослин підтримують сучасний газовий склад атмосфери.
Саме надзвичайно високою активністю, зокрема дуже швидким кругообігом речовин, жива речовина відрізняється від неживої.
Уся жива маса біосфери основлюється за 33 доби, а фітомаса (тобто маса рослин) – щодня.
В.І. Вернадський говорив, що концентруючи сонячну космічну енергію і трансформуючи її в активну (вільну) енергію земних процесів, живі організми намагаються спрямуватись до максимального прояву цієї діючої енергії в процесах обміну, в кругообігах і біохімічних циклах.
Жива та нежива речовина на Землі становлять гармонійне ціле, що, власне, й називається біосферою. Крім тих живих істот, що живуть сьогодні на Землі, В.І. Вернадський включав у біосферу істоти минулих епох, від яких до нашого часу дійшли товщі гірських порід органічного походження (такі, як вапняки чи вугілля), їх вчений називав “палео-біосферами”.
Узагальнюючи результати досліджень у галузі геології, палеонтології, біології та інших природничих наук, В.І. Вернадський дійшов висновку, що біосфера – це “стійка динамічна система, рівновага в якій встановилася в основних своїх рисах…з археозою й незмінно діє протягом 1,5-2 млрд. років.” Стійкість біосфери, за Вернадським, виявляється в сталості її загальної маси (1019 тонн), маси живої речовини (1015 тонн), енергії, зв`язаної з живою речовиною (1018 ккал) і середнього хімічного складу всього живого.
Оскільки всі функції живих організмів у біосфері не можуть виконуватись організмами якогось одного виду, а лише їх комплексом (подібно до того, як якась клітина в організмі не може діяти сама по собі, а лише в складі всього організму ), то звідси випливає важливе положення, розроблене Вернадським: біосфера Землі з самого початку сформувалася як складна система з великою кількістю видів організмів, кожен з яких виконував свою роль у загальній системі. Без цього біосфера взагалі не могла б існувати, тобто стійкість біосфери була з самого початку обумовлена її складністю.
Величезна кількість живих істот ( 2 млн видів) знаходиться в надзвичайно складних взаємовідносинах між собою й неживою речовиною.
Біосферні зв`язки складалися протягом тривалого часу, в природі немає видів небажаних, непотрібних. Система зв`язків в біосфері поки розшифрована лише в загальних рисах. Найголовнішою ланкою управління біосферою є енергія Сонця, другорядною – енергія Землі, енергія радіоактивного розпаду елементів. Неживою речовиною біосфери керують продуценти, ними – консументи, діяльність яких визначають зворотні зв`язки, що йдуть від продуцентів і т. ін. В цілому, біосфера схожа на єдиний гігантський суперорганізм, у якому автоматично підтримується гомеостаз – динамічна сталість физико-хімічних та біологічних властивостей внутрішнього середовища та стійкість основних його функцій.
В.І. Вернадському належить відкриття й такого основного закону біосфери: “Кількість живої речовини є планетною константою з часів архейської ери, тобто за весь геологічний час”. За цей час живий світ Землі морфологічно змінився невпізнанно, але ці зміни не впливали ні на загальну кількість живої речовини, ні на її валовий склад.
Однією з найважливіших особливостей біосфери є різноманітність живих організмів, яка утворилась протягом тривалої еволюції і привела її до стабільності в часі. В природі живі організми перебувають у постійній взаємодії як всередині одного роду, так і в біоценозі. Другою особливістю біосфери є нерівномірність, мозаїчність структури і. Так би мовити, її асолютна асиметрія. Асиметричним є розподіл і співвідношення материків та океанів, розподіл гірських хребтів, великих водоакумуляторних рівнин і гідрографічної системи; розподіл життя і живої речовини на суші і в океані також нерівномірний. Найбільша концентрація живої речовини характерна для мілководних зон і поверхневих шарів води, які включають нашарування планктона в морях і океанах, а також вологі, помірні субтропічні і тропічні пояси на суші. Найменша концентрація живої речовини в полярних і субполярних та засушливих районах і в пустелях, високо в горах і в океанських глибинах. Життя в атмосфері, як правило, зустрічається дуже рідко. На континентах жива і біогенна речовина в основному сконцентрована в низинах та рівнинах, у заплавах і гирлах річок, у мілких озерах, вологих лісах, преріях, степах та ін.
Розрізняють кілька рівнів організації живої речовини на Землі. Рівень – це сфера дії специфічних законів, що виражаються у вигляді різних біосистем, які якісно відрізняються одна від одної. В усьому різноманітті живої матерії виділяють шість основних рівней її організації: молекулярний, клітинний, організменний, популяційно-видовий, біогеоценотичний (екосистемний) і біосферний. Деякі автори називають основними тільки три структурних підрозділи: клітинні, організменні і популяційно-біоценотичні. Інші вважають необхідним виділити не шість, а більше рівней, додавши до них ще такі, як тканинний, органний, популяційний окремо від видового і біоценотичний окремо від біогеоценотичного. Рівнева ієрархія, яка склалася в результаті тривалої еволюції біосфери, обумовлює стійкість і цілісність органічного світу.
Відмітимо головні особливості основних шести рівней організації життя.
Молекулярний рівень життя. Елементарні структурні одиниці цього рівня – хімічні речовини. Серед них, ті що несуть спадкову інформацію молекули ДНК, РНК, ферменти, амінокислоти, високоенергетичні речовини (АТФ, цукри) та ін. Основні явища молекулярного рівня життя – біосинтез, реплікації, мутації, передача інформації, фізико-хімічні реакції, кумулювання в хімічних зв’язках енергії. Виявлення суті процесів, що відбуваються на цьому рівні, допомагає зрозуміти деякі явища, що відбуваються на послідуючих рівнях організації живого. Основна стратегія життя на молекулярному рівні – здатність створювати живу речовину і кодувати інформацію, набуту в у мовах навколишнього середовища, що змінюються.
Клітинний рівень життя. Структурними елементами тут виступають різні органоїди. Здатність до самовідтворення собі подібних, включення різних хімічних елементів Землі у вміст клітини, регуляція хімічних реакцій, запасання і витрачення енергії – основні процеси даного рівня. Функціональна сецифікація клітини (нервової, видільної, провідної, покривної чи іншой тканини) є регулятором функціонування даної біосистеми. Основна стратегія життя клітинного рівня – втягнення хімічних елементів Землі і енергії сонячного випромінювання в живі біосистеми.
Клітина являє собою цілісну систему, яка має специфічні властивості даного рівня. Разом з тим вона в усьому розмаїтті форм і функцій – частина багатоклітинного організма і виступає як основний структурний елемент організменного рівня організації живого.
Організменний рівень організації життя притаманний багатоклітинним біосистемам. Тут життя представлене у вигляді рослин, тварин, в тому числі людини, грибів і різноманітних мікроорганізмів. Всі вони є структурними одиницями цього рівня.
У будь-якого представника організменного рівня виявляються такі «нові» властивості в порівнянні з попереднім рівнем, які завжди ототожнювалися з поняттям живої матерії. До цих властивостей належать живлення, дихання, подразнення, рухомість, виділення, розмноження, ріст, розвиток, поведінка, тривалість життя, плодючість, спосіб життя, взаємовідношення з навколишнім середовищем. Всі разом названі процеси характеризують організм як цілісну саморегульовану біосистему. В основі процесів управління (регулювання) організмів лежить біологічна (вірніше, генетична) інформація, яка задає тенденцію функціонування і розвитку в онтогенезі, забезпечуючи гармонійну відповідність особини і середовища існування.
Всі процеси управління в організмі носять подвійну напрямленість: стратегічну (еволюційну) і оперативну (адаптаційну). Це зумовлює двонапрямленість основної стратегії життя: 1) орієнтація організма (особини) на виживання в умовах навколишнього середовища, що постійно змінюються; 2) орієнтація на забезпечення тривалого існування його популяції, виду.
Популяційно-видовий рівень організації життя. Об’єднання споріднених особин в популяції, а популяцій в види приводить до виникнення нових властивостей у системи, які відрізняються від попередніх рівнів організації живого. На цьому рівні властивості індивідуумів лише пояснюють, ілюструють картину групової форми життя популяції і виду. Основні ознаки виражаються в «надорганізменних» характеристиках: народжуваність, смертність, структура (статева, етологічна, вікова, територіальна та ін.), щільність, чисельність, функціонування в природі.
Основна стратегія життя популяційно-видового рівня виявляється: 1) в більш повному використанні можливостей середовища існування і накопиченні в зв’язку з цим «досвіду» в інформаційній системі; 2) в прагенні як можна довшого (до нескінченості) існування в світі; 3) в збереженні властивостей іиду і самостійного розвитку з урахуванням «досвіду».
Біогеоценотичний рівень організації життя. Популяції і види – цілісні природні утворення. Але вони як частини, як структурні одиниці органічно включаються в біосистеми більш високого рангу – в біогеоценози. Даний рівень характеризується багатьма надорганізменними властивостями. До них належать структура екосистеми, видовий і кількісний склад населення, типи біотичних зв’язків, харчові ланцюги, біомаса, трофічні рівні, продуктивність, енергетика, стійкість та багато іншого. Організуючі властивості виявляються в кругообігу речовин і потоку енергії, саморегулюванні і динамічній стійкості, автономності, відкритості (замкненості) системи, сезонних змінах, історичності. Основними функціональними одиницями тут виступають популяції (види), харчові зв’язки і піраміди енергії.
Основна стратегія життя біогеоценотичного рівня – активне використання всього різноманіття можливостей навколишнього середовища і створення сприятливих умов розвитку і процвітання життя в усьому його ромаїтті.
Біосферний рівень організації життя. Основними структурними елементами тут виступають біогеоценози, оточуюче їх середовище, тобто географічна оболонка Землі (атмосфера, грунт, гідросфера, сонячна радіація, космічне випромінювання та ін.), антропогенний вплив. В загальному вигляді В.І.Вернадський основними структурними компонентами біосфери назвав живу, косну і біокосну речовину з їх унікальними життєво важливими функціями. Для цього рівня організації характерні: активна взаємодія живої і неживої речовин планети; біологічний кругообіг речовин і потоки енергії з входячими в нього геохімічними циклами; активна матеріально-енергетична і біогеохімічна участь живої речовини в усіх ланках кругообігу; господарська і етнокультурна діяльність людини.
Основна стратегія життя біосферного рівня – прагнення забезпечити динамічну стійкість біосфери як найбільшої екосистеми на планеті Земля.
Різноманіття форм і рівнів організації життя виявляється не тільки в їх різному складі, будові і функціональних зв’язках. Головна різниця рівнів організації живої матерії полягає в їх основних стратегічних властивостях. В них відбивається, з одного боку, принципіальна різниця істотних якостей окремих рівнів, з другої – глибоке взаємопроникнення структурних рівнів.
3.2. Біологічний кругообіг речовин і енергії в біосфері
Пізнання екосистем полягає, перш за все, в дослідженні великих біогеохімічних циклів (кругообігів). Мова йде про циркуляцію хімічних елементів абіотичного походження, які потрапляють з навколишнього середовища в живі організми і з організмів в навколишнє середовище. Неорганічні елементи вносяться в тканини рослин і тварин в процесі їх росту і розвитку і там входять до складу органічних речовин. Після смерті організму ці елементи піддаються складним реакціям, після чого потрапляють в нові організми. В.І. Вернадський зазначав, що біогенна міграція атомів зумовлюється трьома різними процесами життя: 1) метаболізмом живого організму – його диханням, живленням, різними відходами; 2) ростом організмів; 3) розмноженням, збільшенням кількості організмів. Усі три процеси взаїмопов'язані, проте кожен із них вносить в біосферу різний для кожного виду організмів запас геохімічної енергії.
Розрізняють біогенні міграції атомів: 1-го роду – для мікроорганізмів і 2-го роду – для багатоклітинних організмів. Біогенна міграція одноклітинних незрівнянно більша за міграцію атомів багатоклітинних організмів. З появою людини на Землі виникла міграція атомів 3-го роду, що відбувається внаслідок її діяльності.
До головних циклів, що мають місце в біогеоценозах (екосистемах), відносять біогеохімічні цикли кисню, вуглецю, води, азоту, фосфору, сірки, біогенних катіонів. Розглянемо детальніше ці цикли.
Генезис і кругообіг кисню. Приблизно четверта частина атомів всієї живої матерії припадає на частку кисню. Він не завжди входив до складу живої атмосфери. Кисень з'явився одночасно з першими хлорофіловими організмами. По мірі появи під дією ультрафіолетової радіації кисень трансформувався в озон. Шар озону швидко став достатнім, щоб хлорофілові організми (головним чином, фітопланктон) могли рости і вивільнювати кисень.
На наявність кисню на земній поверхні вже приблизно два мільярдів років тому вказує присутність залізистих окислів у відповідних геологічних відкладах. Але лише в останні двадцять мільйонів років вміст його в атмосфері Землі досягнув приблизно 20%.
Вільний кисень у великих кількостях поглинається при диханні, використовується для підтримання горіння та застосовується в різних технологічних процесах. Вільний кисень регенерується за рахунок фотосинтезу зелених рослин. Джерелом кисню є вода і вуглекислий газ, його утворення відбувається за допомогою сонячної енергії.
Існує відносна рівновага між киснем, що утворюється і киснем, який витрачається для забезпечення життєдіяльності і виробництва.
Кругообіг вуглецю. Джерела вуглецю в природі багаточисельні і різноманітні. Між тим тільки вуглекислота, яка знаходиться в газоподібному стані та у воді, є тим джерелом, яке служить основою для переробки його в органічну речовину живих істот. Захоплена рослинами вуглекислота в процесі фотосинтеза перетворюється у вуглеводи. Іншими процесами біосинтеза вона перетворюється в протеїди, ліпіди і т.д.
З іншого боку, всі організми дихають і виділяють в атмосферу вуглець у формі вуглекислоти. Коли ж наступає смерть, то сапрофаги і редуценти розкладають і мінералізують трупи, утворюючи ланцюги живлення, в кінці яких вуглець знову поступає в кругообіг у формі вуглекислоти (рис. ). Мертві рослинні і тваринні залишки, що накопичуються, сповільнюють кругообіг вуглецю. Тварини – сапрофаги і сапрофагічні мікроорганізми, які мешкають у грунті, перетворюють накопичені на її поверхні залишки в нове утворення органічної матерії – гумус. Швидкість впливу організмів на гумус далеко не однакова. Іноді ланцюг буває коротким і неповним: ланцюг сапрофагів лишається можливості функціонувати через нестачу кисню або внаслідок дуже високої кислотності; органічні залишки накопичуються у формі торфу і утворюють торф¢яні болота. Тут призупинюється кругообіг вуглецю. Скопичення викопних органічних сполук у вигляді кам¢яного вугілля і нафти свідчать про теж саме, так як вуглекислота накопичується у вигляді карбонату кальцію (крейда, вапняки) хімічного чи біогенного походждення. Часто ці маси вуглецю залишалися поза кругообігом впродовж цілих геологічних періодів, поки карбонат кальцію у вигляді гірських ланцюгів не підіймався над поверхнею моря. З цього моменту починалося поступання вуглецю і кальцію в кругообіг. Воно здійснювалося внаслідок вилужування вапняку атмосферними опадами чи під впливом лишайників, а також коренів квіткових рослин. Вуглець, який накопився в грунті чи гірських породах, може бути звільнений і в процесах людської діяльності: горіння (опалення, промисловість та ін.).
Кругообіг азоту. Повітря містить більше 80% азоту, він безперервно і в різних формах забезпечує кругообіг азоту. Електричні розряди, які супроводжують грози, синтезують (з атмосферного азоту і кисню) окисли азоту; ці окисли потрапляють в грунт разом з дощовою водою. Таким шляхом в екосистемі у формі селітри чи азотної кислоти накопичується від 4 до 10 кг азоту на 1 га в рік. Відбувається і фотохімічна фіксація азоту. Але найбільша кількість цього елементу поступає в екосистему в результаті діяльності мікроорганізмів – азотфіксаторів, які здатні використовувати енергію свого дихання для прямого засвоєння атмосферного азоту і синтезування протеїдів. Таким чином в грунт вноситься ще біля 25 кг азоту на 1 га. Найбільш ефективними в цьому відношенні є азотфіксуючі бактерії, які живуть в симбіозі з бобовими рослинами в бульбочках на коріннях цих рослин.
Азот з різноманітних джерел поступає до коренів в формі нітратів, які абсорбуються і транспортуються в листя, де використовуються для синтезування протеїнів. Ці протеїни є основою азотного живлення тварин. Протеїни рослинного і тваринного походження служать їжею також і деяким бактеріям – паразитам. Трупи організмів розкладаються редуцентами. Кожна група редуцентів спеціалізується на якійсь одній ланці цього процесу. Ланцюг закінчується діяльністю амоніфікуючих організмів, що утворюють аміак, який далі може ввійти в цикл нітрифікації – одні бактерії його окислюють в нітрит, а інші - нітрити в нітрати.
З іншого боку, бактерії-денітрифікатори постійно віддають азот в атмосферу: вони розкладають нітрати до азоту. Але вони активні лише в грунтах, які багаті азотом і вуглецем, і розкладають максимум лише 20% загального азоту (щорічно в атмосферу його виходить до 50-60 кг з 1 га).
Азот може вийти з кругообігу, якщо, досягнувши океану, де він акумулюється в глибоководних відкладах. Перш ніж азот потрапляє в абіссальні відкладення, частина його захоплюється організмами морського фітопланктона, після чого він, як і фосфор, входить в цикл живлення плотоядних, який закінчується рибами, які є кормом для птахів і ссавців. Ця частина азоту потрапляє з їхніми екскрементами на поверхню материка.
Втрати азоту, який потрапляє в абіссальні відклади, компенсуються азотом з вулканічних газів.
Кругообіг води. Вода не тільки джерело кисню, але і найбільш значна складова частина тіла живих организмів.
Великий кругообіг води на поверхні земної кулі добре відомий – випаровування, створюване сонячною енергією, дає атмосферну воду. Ця вода конденсується у формі хмар. Охолодження хмар викликає опади, які поглинаються грунтом або стікають по його поверхні. Таким чином вода повертається в моря і океани. В межах екосистем можна виділити слідуючі фази кругообігу води: перехвачування, евакотранспірацію, інфільтрацію і стікання.
Рослинність виконує важливу екрануючу функцію, перехоплюючи частину випадаючої опадами води до того, як вона досягне грунту, і випаровуючи її в атмосферу. Це перехоплення, яке буває максимальним при слабких дощах, може в помірних широтах досягати до 25% від загальної суми опадів. Вода, яка проникає скрізь крони у формі крапель з листя або стікає по стеблам і стовбурам, досягає грунту, просочується в нього або приєднується до поверхневого стоку. Частина інфільтраційної води затримується в грунті, причому тим сильніше, чим значніший грунтовий колоїдальний комплекс. Та частина води, яка промиває грунт на глибину 20-30 см, може знову піднятися на його поверхню по капілярам і випаруватися. Корені рослин здатні всмоктувати грунтову воду зі значно більшої глибини, ніж 20-30 см; ця вода доставляється в листя і транспортується в атмосферу.
Евакотранспірацією називають віддавання екосистемою води в атмосферу; вона включає і фізично випаровувану воду, і воду, яка біологічно транспірується.
Кількість води, що транспірується рослинами, звичайно велика. Одна береза випаровує за день 75 л води, бук – 100 л, липа – 200 л, а 1 га лісу – від 20 до 50 тис. л. Транспірація підсилюється з покращенням водопостачання. Пшениця за період вегетації використовує з 1 га 3750 т води, що відповідає 375 мм опадів, а продукує 12,5 тонн (сухої маси) рослинної речовини.
Величину евакотранспірації, яка являє сумарну кількість води, що транспортується рослинами і випаровується грунтом, можна вважати для Середньої Європи в 1 тис. тонн на 1 га за рік.
Рослинність адаптується до місцевого кругообігу води. Якщо кількість дощової води, яка просочується в грунт, перевищує його максимальну вологоємкість, то вона досягає рівня грунтових вод. Об¢єм води, що просочується, пропорційний вологості клімату і водопроникненості грунту, тобто збільшується в більш легких піщаних грунтах і зменшується в грунті, який сильно переплетений коренями рослин з підвищеною транспіраційною здатністю. Просочування атмосферних опадів до рівня грунтових вод сприяє вилужуванню біогенних елементів і колоїдів грунту. Втрати, які викликані поверхневим стоком, підвищуються при збільшенні крутизни схилу і при зменшенні щільності рослинного покриву.
Відмінність циклів вуглецю і азоту від кругообігу води полягає в тому, що вказані елементи в екосистемі накопичуються і зв¢язуються, вода ж проходить через неї майже без втрат. Крім того, екосистема на формування біомаси щорічно використовує лише біля 1% води, яка випадає у вигляді атмосферних опадів.
Кругообіг фосфору. Кругообіг фосфору являє собою дуже простий незамкнений цикл. Фосфор здійснює кругообіг в наземних екосистемах як важлива і необхідна складова частина цитоплазми клітини. Редуценти мінералізують органічні сполуки фосфору з відмерлих організмів у фосфати, які знову споживаються коренями рослин. Величезні запаси фосфору, які накопилися за минулі геологічні епохи, містять гірські породи. В процесі руйнування ці породи віддають фосфати наземним екосистемам, але значні кількості фосфатів виявляються залученими в кругообіг води, вилужуються і потрапляють в море. Тут вони збагачують солоні води, живлять фітопланктон і організми, які пов¢язані з ними харчовими ланцюгами. Частина фосфатів використовується морськими екосистемами, інша частина губиться в океанічних відкладах. Часткове повернення фосфатів на землю забезпечують морські птахи.
Вважається, що кожний рік повертається в кругообіг 60 тис. тонн фосфору, що далеко не компенсує тих 2 млн. тонн фосфатів, які щорічно добуваються з покладів і швидко вилужуються при використанні як добрив.
Кругообіг сірки. Сірка, яка знаходиться в грунті, являє собою продукт розкладання материнських гірських порід, що містять пірити і халькопірити, а також продукт розкладання органічних речовин рослинного походження. Органічні речовини тваринного походження містять мало сірки. Корні адсорбують грунтову сірку, яка входить в створювані рослини сірчані амінокіслоти (цистин, цистеїн, метионін).
Після відмирання сірка повертається в грунт. Це здійснюється багаточисельними організмами. Деякі з них відновлюють сірку органічних сполук в сірководень і сірку, а інші організми окисляють ці продукти в сульфати, які поглинаються коренями рослин. Таким чином підтримується кругообіг сірки в природі. Крім сірки органічного походження, рослини можуть вводити в цикл значну кількість сірки, яка переноситься повітряними масами і дощовою водою з промислових районів (дими). Це джерело забезпечує від 2,7 до 260 кг сірки на 1 га за рік.
Перетворення енергії в біосфері. З кругообігом речовин тісно пов’язане перетворення енергії в біосфері. Як було вже згадано, первинним джерелом енергії будь-якої екосистеми є Сонце. Кількість сонячної енергії, яка досягає поверхні Землі, в районах з помірним або помірно жарким кліматом дорівнює в середньому 10 млрд ккал на 1 га за рік. Але лише 1% поступаючої на поверхню Землі сонячної енергії використовується рослинами на фотосинтез, тобто на побудову органічних речовин. З цієї відносно невеликої кількості значна частина енергії (більше 50%) йде на процеси життєдіяльності рослин (дихання та ін.) і неминуче розсіюється.
Відповідно через екосистеми проходить безперервний потік енергії, який на відміну від кругообігу речовин, не є замкненим. В загальному вигляді його можна уявити так, як це показано на рис. .
Кількість розсіюваної енергії може дорівнювати отримуваній, і тоді система існує з нульовим балансом. Але звичайно частина її накопичується у вигляді приросту біомаси або відкладень органічних решток в грунті чи на дні водойомів.
Установлено, що при переході від однієї ланки харчового ланцюга до іншої розсіюється до 90 % енергії, яка заключена в біомасі тих чи інших організмів. Наприклад, трофічний ланцюг водної системи може бути представлений так: фітопланктон (мікроскопічні водорості) ® зоопланктон (дрібні рачки) ® молодь риб ® дорослі хижі риби (наприклад, окунь). Відповідно, для отримання 1 кг окунів повинно бути витрачено приблизно 10кг риб¢ячої молоді, 100 кг зоопланктона і 1000 кг фітопланктона. Тому з цього можна зробити важливий практичний висновок – економічно більш вигідно використовувути господарсько цінні види, які мають короткі трофічні ланцюги.
Графічно трансформацію енергії на кожному рівні зображують у вигляді пірамід біомас.
Таким чином, основа біосфери – кругообіг органічної речовини, який здійснюється при участі всіх організмів, що населяють біосферу, отримав назву біологічного кругообігу.
В закономірностях біологічного кругообігу полягає основа тривалого існування і розвитку життя. Запаси доступних мінеральних елементів, необхідних для здійснення життєвих функцій, не можуть бути безкінцевими. Якби вони тільки споживалися, то життя б рано чи пізно припинилося.
Зелені рослини створюють органічну речовину, незелені рослини і тварини руйнують її. З мінеральних сполук, отриманих від розпаду органічної речовини, нові зелені рослини будують нову органічну речовину, і так без кінця. З цієї точки зору, кожний вид організмів являє собою важливу ланку в кругових процесах елементів, у міграціях атомів. Використовуючи як засоби існування тіла чи продукти розпаду одних організмів, кожний вид повинен віддавати в середовище те, що можуть використовувати інші.
Особливо велика роль в кругообігу речовин мікроорганізмів. Мінералізуючи органічні рештки тварин і рослин, мікроорганізми перетворюють їх в мінеральні солі і найпростіші органічні сполуки типу біогенних стимуляторів, які знову використовуються зеленими рослинами при синтезі нової органічної речовини.
Один з головних парадоксів життя полягає в тому, що його безперервність забезпечується процесами розпаду, деструкцією. Руйнуються складні органічні сполуки, вивільнюється енергія, втрачається запас інформації, який властивий сладно організованим живим типам. В результаті діяльності деструкторів, переважно мікроорганізмів, будь-яка форма життя неминуче буде включатися в біологічний кругообіг. Тому з їх допомогою здійснюється саморегуляція біосфери. Дві властивості дозволяють мікроорганізмам відігравати таку важливу роль: здатність швидко пристосовуватися до різних умов і здатність використовувати як джерело вуглецю і енергії будь-які субстрати. Вищі організми не мають таких здатностей, тому вони можуть існувати лише як своєрідна надбудова на міцному фундаменті мікроорганізмів.
3.3. Природні ресурси біосфери та їх класифікація
Природні ресурси – найважливіший компонент оточуючого людину природного середовища, які використовуються для створення матеріальних і духовних потреб суспільства. До природних ресурсів відносять: атмосферне повітря, воду, грунт, сонячну і космічну радіацію, корисні копалини, клімат, рослинний і тваринний світ. Багато природних ресурсів складаються з ряду компонентів.
Природні ресурси виступають не тільки як компоненти природи, але і як економічна категорія. Для тривалого використання і охорони природних ресурсів необхідно знати їх класифікацію.
За походженням виділяють ресурси природних компонентів і ресурси природно-територіальних комплексів.
Ресурси природних компонентів. Кожний вид природних ресурсів формується в одному з компонентів ландшафтної оболонки. За належністю до компонентів ландшафтної оболонки виділяють такі ресурси: а) мінеральні; б) кліматичні; в) водні; г) рослинні; д) земельні; е) грунтові; є) тваринного походження.
Ресурси природно-територіальних комплексів: а) гірничо-промислові; б) сільськогосподарські; в) водогосподарчі; г) лісогосподарчі; д) селітебні; е) рекреаційні та ін.
Основний критерій класифікації природних ресурсів за видами господарчого використання – це віднесення їх до різних секторів матеріального виробництва. За цією ознакою природні ресурси поділяють на ресурси промислового і сільськогосподарського виробництва.
Природні ресурси промислового виробництва. Сюди належать всі види природної сировини, яка використовується в промисловості:
а) енергетичні – горючі корисні копалини, гідронергоресурси, джерела біоконверсійної енергії, ядерна сировина;
б) неенергетичні – корисні копалини, вода, землі, лісові ресурси, рибні ресурси (добування носить промисловий характер).
Природні ресурси сільськогосподарського виробництва:
а) агрокліматичні – ресурси тепла і вологи, які неохідні для росту сільськогосподарських рослин та розвитку худоби;
б) грунтово-земельні – земля і її верхній шар з унікальними властивостями родючості;
в) водні ресурси – води, які використовуються в рослинництві для орошення, а тваринництві для напування і утримання худоби.
За ознакою вичерпності природні ресурси поділяють на дві категорії: вичерпні та невичерпні.
Вичерпні ресурси, в свою чергу, поділяються на невідновні і відновні.
До невідновних природних ресурсів належать ті з них, які абсолютно не відновлюються (кам’яне вугілля, нафта, більшість корисних копалин) або відновлюються в сотні тисяч і мільйони разів повільніше, ніж відбувається їх використання (торф’яники, багато осадочних порід). Використання цих ресурсів неминуче призводить до їх виснаження.
До відновних природних ресурсів належать грунт, рослинний і тваринний світ (біологічні ресурси) та деякі мінеральні ресурси (напрклад, морська сіль). При раціональному використанні вони постійно відновлюються. Процес самовідновлення протікає при певних природних умовах, що необхідно враховувати при їх використанні. Темпи витрачання цих ресурсів повинні відповідати темпам їх відновлення. Порушення цієї відповідності приводить до виснаження ресурсів. Відновні природні ресурси внаслідок антропогенного впливу можуть стати невідновними (це стосується винищених видів тварин і рослин, втрачених внаслідок ерозії грунтів та ін.).
Невичерпні природні ресурси включають водні, кліматичні та космічні ресурси.
Водні ресурси є незмінними та невичерпними. Проте у зв’язку з різноманітною діяльністю людини кількість та якість води в окремих частинах Землі можуть дуже змінюватися і тому вона потребує охорони.
Кліматичні ресурси включають атмосферне повітря, енергію вітру. Атмосферне повітря невичерпне, але під дією забруднення може суттєво змінюватися його склад і тому воно потребує охорони.
До космічних ресурсів відносять сонячну радіацію, енергію морських припливів.
Як видно, дана класифікація природних ресурсів має умовний характер, але незважаючи на це, вона орієнтує на організацію правильної їх експлуатації і охорони.
Кожна з груп природних ресурсів вимагає відповідного ставлення до них на практиці. В основі охорони одних повинен бути ресурсооборот за принципом розширеного відтворення, других – економне використання, третіх – боротьба із забрудненням, втратами в процесі добування, перевезення, оброблення та використання, пошук відповідних замінників.
Раціональне використання та охорона природних ресурсів потребують кількісного обліку. Ретельний і систематичний облік ресурсів дозволяє помітити наближення критичної межі їхньої кількісної зміни та прийняти відповідні заходи щодо їх збереження.
3.4. Поняття про біорізноманіття і генофонд живих організмів
Історія Землі і різноманіття умов на планеті визначили унікальну властивість матерії – життя, створили величезне за розмахом різноманіття життя.
Біорізноманіття – це варіабельність живих організмів на всіх рівнях організації: генетичному, видовому і більш високих таксономічних, включаючи різноманіття місцеіснувань і екосистем (ландшафтів).
Поняття “біологічне різноманіття” включає характеристики структури, організації і функцій живої речовини на всіх рівнях її організації (як суборганізменних, так і надорганізменних), всіх рівней її хронологічної організації і просторової ієрархії (від парцелл і біогеоценозів до біосфери в цілому).
Високе біологічне різноманіття зумовлене, перш за все великою кількістю видів живих організмів. Іноді саме цей показник розглядається як головна характеристика біорізноманіття.
Форми біорізноманіття:
1.Таксономічне, або видове.
2.Екологічне (життєвих форм, екологічних і функціонально-трофічних груп, екологічних ніш та ін.).
3.Структурне (рівні організації життя).
4.Генетичне (генофонд диких живих організмів і культурних, створених людиною).
5.Інтенсивність і збалансованість біологічного кругообігу, тобото різноманітні характеристики структурно-функціональної.
Біорізноманіття є результатом тривалої еволюції біосфери. Не дивлячись на 4 млрд років еволюції, таксономічний склад систем ще не стабілізувався. Біорізноманіття біосфери продовжує удосконалюватися за рахунок великого резерва в еволюції угруповань. На цьому рівні провідна роль належить коеволюції і груповому добору.
Історія розвитку біосфери показує, що людина абсолютно залежна від інших живих організмів, які населяють середовище, в якому вона живе. Тільки від їх життєдіяльності і від їх різноманіття залежить стійкість біосфери як глобальної екосистеми.
Генофонд живих організмів– сукупність спадкових властивостей всіх існуючих на Землі організмів. Охорона генофонда необхідна по господарським, науковим, етичним і естетичним мотивам. Кожний біологічний вид неповторний, в ньому міститься інформація про філогенетичний розвиток рослинного і тваринного світу, яка має величезне наукове і прикладне значення. Це пов’язано з тим, що на майбутнє не можна передбачити всі можливості використання того чи іншого організма. Весь генофонд нашої планети, за виключенням деяких особливо небезпечних патогенних мікроорганізмів підлягає охороні.
Охорони потребує не тільки генофонд окремих видів, але також підвидів і навіть окремих популяцій. Як свідчить генетика, внаслідок рекомбінації генів жодна популяція не може складатися з повністю ідентичних особин. До с кладу екосистем входить значна кількість видів, що складаються з таких різноманітних особин.
3.5. Народонаселення планети Земля
Кількість людей на Землі почала зростати на початку нашої ери. Цьому сприяли науково-технічний прогрес і розвиток медицини. Згідно з переписом 1920 року, населення земної кулі нараховувало 1 млрд 800 млн чоловік. Таким чином, менше ніж за три століття людська популяція збільшилася в 4 рази, бо в 1650 році вона нараховувала 500 млн. За переписом, проведеним в 1960 році, кількість людей на земній кулі досягла 3 млрд чоловік, а в 1970 році збільшилася до 3,5 млрд. Це говорить про те, що тільки за 40 чи 50 років людська популяція збільшилася в 2 рази (схема 12).
В нове тисячоліття планета Земля вступила з населенням в 6,11 млрд чоловік. Прискорено зростає число міських жителів, в основному за рахунок країн, що розвиваються, а індустріально розвинених країнах воно практично вийшло на постійний рівень.
Планета людей асиметрична і контрастна: дев’ять з десяти землян живуть в Пвнічній і лише один – в Південній Півкулі; 85% живе в Старому світі (Євразія плюс Африка) і лише 15% - в Новому (Америка плюс Австралія). Контрастною є і щільність населення: від менше ніж одна жива душа на квадратний кілометр в Західній Сахарі, Фолклендських островах, Гренландій і Шпіцбергені до 4,5-5,5 тис. – в Гібралтарі, Сингапурі і Гонгонгі і навіть до 20-21 тис. (!) – в Монако і Макао.
Серед аграрних країн найбільш щільно заселені такі островні держави, як Маврикій, Барбадос і Мальдиви (500-700 чол/кв.км), але все ж вони відстають від Бангладеш (764 чол/кв.км) і, особливо, від сектора Газа в Індії (1659 чол/кв.км).
Структура і нерівномірність розподілення населення по планеті Земля не пояснюються тільки природними чи тільки історичними факторами.
Три найбільших за концентрацією світового населення макрорегіони – Китай, Індокитай і Європа (без СНД) – вібрали більше 51% людських ресурсів світу.
В 1998 році Інститут спостережень за світом опублікував доповідь “По шляху стійкого розвитку суспільства”, де дається, зокрема, прогноз зростання народонаселення на найближчі 50 років в різних країнах.
В 2050 році найбільш населеною країною, як видно з таблиці, буде Індія, випередивши Китай. Приріст населення в розвинених країнах буде помірним, а Німеччині і Японії його чисельність навіть зменшиться. Це пов’язано через високу щільність населення. Аналогічна тенденція буде спостерігатися і Росії в зв’язку з економічними труднощами. Вперед вирвуться деякі країни третього світу, населення яких вже зараз збільшується із загрожуючою швидкістю.
Найбільша динаміка росту – в три-чотири рази – очікується в деяких африканських країнах. Припускається, що п’яте місце в 2050 році займе Нігерія (339 млн), дев’яте – Ефіопія (213 млн), а наодинадцятому виявиться Конго (165 млн).
У випадку глобальної економічної кризи чи пандемії якогось захворювання, чисельність народонаселення з великою ймовірністю стане знижуватися (наприклад, в Росії і Україні).
В найближче десятиліття основною причиною смертності в сітовому масштабі може стати СНІД. Число ВІЛ-інфікованих вже досягло 50 млн чоловік, а померлих від СНІДу в 1999 році первищило 16 млн, що вже порівнюється з річним приростом населення. Екстраполяція сьогоднішньої динаміки цього захворювання приводить до висновку, що приріст чисельності може стати негативним вже через 20-30 років. В принципі ця обставина може і не відмінити довгострокових прогнозів, бо рано чи пізно ефективний засіб проти СНІДу буде знайдено. Сумна альтернатива – вимирання всіх, хто не має генетичного імунітетету до ВІЛ-інфекції.
Зростання народонаселення – не тільки соціальна, але і глобальна екологічна проблема. Демографічні вибухи загрожують тотальним забрудненням навколишнього середовища і виснаженням природних ресурсів в планетарному масштабі.
Основне завдання сучасної демографічної політики – зниження кількісних параметрів у процесі відтворення населення. Основні шляхи її реалізації – покращання рівня життя населення, забезпечення продовольчої безпеки людства, регулювання народжуваності за рахунок здійснення програм планування сім’ї, підвищення рівня і якості медичного обслуговування.
Контрольні питання
1. Що таке біосфера і чим вона відрізняється від інших оболонок Землі ?
2. З чого складаються абіотична і біотична частини біосфери як глобальної екосистеми ?
3. Що розумів В.І.Вернадський під живою речовиною і які біохімічні принципи лежать в основі біогенної міграції ?
4. Як відбувається кругообіг речовин і води в природі 7
5. Чим характерні біогеохімічні цикли основних біогенних елементів ?
6. Назвіть рівні організації живої речовини в біосфері.
7. Дайте харатеристику основних груп природних ресурсів біосфери.
8. Що таке біорізноманіття і чому воно потребує охорони ?
9. Охарактеризуйте сучасну демогрфічну ситуаціїю в світі та її прогноз на майбутнє.
10. В чому полягає концепція В.І.Вернадського про ноосферу і який розвиток вона отримала в нинішній час ?
Comentarios