Тема 4. Біосфера

Біосфера або «сфера життя» — не просто одна із оболонок Землі, зайнята сукупністю живих організмів, це — організована їх життєдіяльністю земна оболонка. Вперше поняття про біосферу введено австрійським вченим Е. Зюссом в 1875 р. Вчення про біосферу розвинуте нашим співвітчизником академіком В. І. Вернадський

Біосфера включає:

— нижню частину повітряної оболонки (атмосфери), так звану тропосферу, до висот 10—15 км, в якій існує активне життя;

— всю водну оболонку (гідросферу), в якій життя проникає на глибини більше 11 км.;

— верхню частину твердої оболонки (літосфери) — кору вивіт­рювання, потужністю 30—60, інколи 100—200 м і більше.

Для біосфери характерно не тільки присутність в ній живих організмів. Вона наділена трьома важливими особливостями:

— наявністю в достатній кількості води в рідкому стані;

— поступанню потужного потоку енергії сонячних променів;

— наявністю речовин в трьох агрегатних станах — твердому, рідкому і газоподібному.

У зв'язку з цим для біосфери характерний безперервний процес кругообігу речовин і потоків енергії за участю в ньому живих організмів.

Біосфера — скарбниця пам'яті геологічної історії Землі. В проце­сі розвитку Землі відбувалась еволюція її біосфери — від зароджен­ня життя в водному середовищі мілліарди років тому до виходу живих організмів на сушу, формування складних біогеоценозів і їх еволюційного розвитку. Залишки минулих біосфер Землі простежують в осадовому шарі, максимальна потужність якого складає інколи 5—6 км. Головними агентами осадконагромадження виступа­ють живі організми, вода і вітер, після підняття осадових порід над поверхнею води.

Основним енергетичним джерелом біосфери вистукає енергія Сонця. Потік сонячної енергії на верхній межі атмосфери складає близько 700 ккал/см² на добу. Тільки 55 ккал/см² в рік енергії видимої частини спектра досягає земної поверхні і використовуєть­ся організмами. Властивість нагромаджувати енергію сонячного світла в органічних речовинах називають продуктивністю живих організмів. Основний процес формування органічних речовин із неорганічних хлорофілоносними рослинами носить назву фотосинтезу.

В залежності від функціональної ролі живих організмів в біосфері їх поділяють на три основні групи:

— продуценти — зелені рослини, які здійснюють фотосинтез (конструктори) і бактерії, здійснюючі хемосинтез, тобто організ­ми, що виробляють первинну продукцію;

— консументи — організми — споживачі первинної або вторинної продукції, тобто готових органічних речо­вин, які переводять їх інші форми (тварини, паразитичні рослини);

— редуценти — організми, які живуть за рахунок мертвих органічних рештків, розкладаючи їх до мінеральних

речовин (бактерії, гриби, найпростіші тварини).

Обмін речовин, який відбувається в біосфері, стає можливим тільки за участі представників всіх трьох груп організмів: без продуцентів неможливе життя, так як тільки вони виробляють основу життя — первинну продукцію органічних речовин; консументи різних порядків, споживаючи цю продукцію, переводять її в різні форми, чим сприяють різноманітності форм життя на Землі і зміні поколінь; редуценти розкладають органічні рештки до мінеральних, перешкоджають перетворенню нашої планети в гігантське кладови­ще мертвих організмів.

Кругообіг енергії завжди поєднаний з кругообігом речовин. Роз­різняють малий (біологічний) кругообіг речовин, який відбувається . між організмами і середовищем їх існування (водою, грунтами, повітрям) і великий (геологічний), який відбувається між структур­ними компонентами біосферної цілісності (Світовим океаном, сушею, атмосферою). Малі (біологічні) кругообіги міняють один одного в будь-якій точці земної кулі, не повторюючи повністю попередні. Вони тісно пов'язані між собою і протікають на фоні великого (геологічного), який охоплює всю біосферу.

Кругообіг речовин на Землі складається з кругообігів окремих хімічних елементів. Розглянемо деякі із них.

Основним механізмом перерозподілу на Землі речовин і енергії, який об'єднує в єдине ціле природні води планети і з допомогою якого здійснюється їх зв'язок з атмосферою, літосферою і біосфе­рою, є кругообіг води.

Фізичними причинами кругообігу води є сонячна енергія і сила тяжіння. Сонячна енергія — причина нагрівання і випаровування води. Нерівномірний розподіл по поверхні Землі сонячної енергії призводить до нерівномірного розподілу атмосферного тиску, що викликає повітряні потоки — вітри. Вітри переносять водяну пару і створюють вітрові (дрейфові) течії. Нерівномірний розподіл сонячної енергії веде до нерівномірного розподілу густини води і як наслідок,— до виникнення густинних течій.

Сила тяжіння примушує конденсовану в атмосфері вологу випа­дати у вигляді атмосферних опадів, а також всі підземні і поверхневі води стікати в ріки І океани.

В глобальному кругообігу води виділяють дві ланки:

— океанічну: випаровування з поверхні океану — перенос водяної пари над океаном — опади на поверхню океану — океанічні течії, випаровування і т. д.;

— материкову: випаровування з поверхні суші — перенос водяної пари — опади на поверхню суші — поверхневий і підземний стік — випаровування і

Обидві ланки тісно пов'язані між собою переносом водяної пари з океану на сушу і навпаки — поверхневим і підземним стоком з суші в океан (рис. 3).

Кругообіг азоту має складний характер. Незважаючи на значну концентрацію азоту в атмосфері, 70 % його використання можливо у вигляді певних хімічних сполук. Фіксація азоту відбувається

в процесі вулканічної діяльності, при грозових розрядах в атмосфері, при згорянні метеоритів. Однак значно вагоміше значення в процесі фіксації азоту належить мікроорганізмам, які існують на коріннях, листі, в особливих клубеньках.

Сполуки амонію, нітрати і нітрити поступають у розчинах в організми рослин, де за їх участю будуються

органічні речовини (амінокислоти, білки). При поїданні рослин ці сполуки потрапляють в тіло консументів, де вони перетворюються.

Поступаючи в грунти з продуктами обміну речовин і залишками рослин та трупами тварин, органічні речовини розкладаються до мінеральних; при цьому бактерії переводять азот органічних речовин в солі амонію.

Частина сполук азоту виноситься річками, а з них — в моря. В морській воді азот міститься у формі солей амонію, нітритів і нітратів. Сюди поступає азот за рахунок випадання аміаку із атмосфери.

Однак врівноваженість процесу кругообігу азоту порушується втручанням в нього людини. За даними К. Делвіча промисловість щорічно фіксує таку кількість азоту, яку фіксували живі організми до введення сучасної агротехніки. Сьогодні світова промисловість дає до 2000 млн. т. фіксованого азоту. До нього приплюсуймо розширені посіви бобових. Тому процеси попадання азоту в грунти не врівноважуються процесами денітрифікації (вивільнення вільного азоту в атмосферу). В результаті росте концентрація азотних сполук в грунтах, нерідко спостерігається «цвітіння» води рак, водосховищ.. ставків, озер. Для підтримання рівноваги в кругообігу азоту необхідний штучний розвиток процесів повернення вільного азоту в атмосферу (рис. 4).

Кругообіг фосфору в біосфері пов'язаний з процесами обміну речовин в рослинах і тваринах. Однак на відміну від інших біофільних елементів фосфор в процесі міграції не утворює газової фази. Основна його маса зосереджена в гірських породах, незначна частина мігрує у складі природних вод, він відсутній в атмосферних процесах.

В даний час відомо понад 190 мінералів фосфору, домінуючими серед яких за його вмістом є апатити. В процесі вивітрювання і денудації він переноситься поверхневими водами в Світовий океан. В морській воді він входить до складу фітопланктону, який виступає основним кормом морських організмів і в першу чергу риб. Відмерлі рештки морських тварин, а також міграція частини сполук фосфору в межах незначних глибин є основою його концентрації в Океані. Часткове повернення фосфору на сушу йде за рахунок риболовства, а також життєдіяльності морських птахів. Птахи відкладають фосфор на окремих островах і узбережжі у вигляді гуалю.

Із грунтів, гірських порід фосфор засвоюється наземними рослинами і переробляється ними у фосфоромісткі органічні речовини В організм тварин фосфор поступає з рослинною їжею. В грунти сполуки фосфору потрапляють з рештками рослин і тварин і е подальшому відбувається повторення названого циклу. (рис. 5.)

Системою крутообігів речовин і енергії взаємопов'язані між собою основні компоненти бїосферної цілісності.