Загальна характеристика біосфери
Згідно сучасним уявленням, біосфера – це своєрідна оболонка Землі, що має всю сукупність живих організмів і ту частину речовини планети, яка знаходиться в безперервному обміні з цими організмами.
Біосфера охоплює нижню часину атмосфери, гідросферу і верхні горизонти літосфери. Продукти життєдіяльності живих істот відносяться до досить рухливих сполук, які переміщуючись у просторі далеко за межі мешкання організмів. Тому природно, що розподіл живих організмів більш обмежений у просторі, ніж вся біосфера в цілому.
Біосфера Землі може бути охарактеризована по відношенню свого складу за окремими оболонками, які вона охоплює.
Атмосфера – найбільш легка оболонка нашої планети, що граничить з космічним простором. Через атмосферу відбувається обмін речовин Землі з Космосом. Земля отримує космічний пил і метеоритний матеріал, втрачає самі легкі гази: водовод і гелій. Атмосфера Землі наскрізь пронизується потужною радіацією Сонця, яка визначає тепловий режим поверхні планети, визиває дисоціацію молекул атмосферних газів і іонізацію атомів. Велика область більш рідкої верхньої частини атмосфери складається переважно з іонів. Більша частина маси атмосфери має відносно одноманітний азотно-кисневий склад. У тропосфері в зваженому стані присутні також тверді і рідкі частини, які звичайно називають аерозолями. Прийнято виділяти постійні і перемінні компоненти атмосфери в залежності від тривалості їх перебування у атмосфері. Прикладом служить вода, що може знаходитися в атмосфері в різних формах і різних концентраціях. Однак це розділення складових частин атмосфери є відносним, так як на протязі значних інтервалів часу усі компоненти атмосфери виявляються перемінними. Хімічний склад атмосфери (для сухого повітря) представлений в таблиці 1. Вочевидь, що головними складовими частинами атмосфери є: азот, кисень, аргон, і вуглекислий газ.
Одним із найважливіших компонентів атмосфери є озон О3. Його створення і розпад пов’язаний з поглинанням ультрафіолетової радіації Сонця, яка згубна для живих істот. Для утворення озону необхідні вільні атоми кисню, які виникають після розпаду молекул О2 під впливом квантів випромінювання в ультрафіолетовій області. Озон створюється при зіткненні:
О + О2 → О3
В той же час озон поглинає ультрафіолетову радіацію, розкладається на молекулярний і атомарний кисень. Основна маса озону розташована на висотах від 10 до 50 км з максимальною концентрацією на висотах 20-25 км. Озоновий шар – «екран» має виключно важливе значення в збереженні життя на Землі.
Таблиця 1
Середній хімічний склад атмосфери
| Елемент | Об’ємні % | Вагові % |
| N2 | 78,08 | 75,51 |
| O2 | 20,95 | 23,15 |
| Ar | 0,93 | 1,28 |
| CO2 | 0,03 | 0,046 |
| Ne | 1,8 ∙ 10−3 | 1,25 ∙ 10−3 |
| He | 5,2 ∙ 10−4 | 0,72 ∙ 10−4 |
| CH4 | 2,2 ∙ 10−4 | 1,2 ∙ 10−4 |
| Kr | 1 ∙ 10−4 | 2,9 ∙ 10−4 |
| N2O | 1 ∙ 10−4 | 1,5 ∙ 10−4 |
| H2 | 5 ∙ 10−5 | 0,3 ∙ 10−5 |
| Xe | 8 ∙ 10−6 | 3,6 ∙ 10−5 |
| O3 | 1 ∙ 10−6 | 3,6 ∙ 10−5 |
Гідросфера – водна оболонка Землі. Внаслідок високої рухомості води проникають повсюдно в різні природні утворення. Вони знаходяться у вигляді парів і хмар в земній атмосфері, створюють океани і моря, існують в замороженому стані у високогірних районах континентів і у вигляді великих льодяних панцирів вкривають полярні ділянки суші. Атмосферні опади проникають в товщі осадочних пород, створюючи підземні води. Вода здатна розчиняти в собі багато речовин, тому любі води гідросфери можна розглядати в якості природних розчинів різного ступеню концентрації. Найбільш чисті атмосферні води містять 10-50 мг/л розчинених сполук.
Гідросфера знаходиться в тісному взаємозв’язку з літосферою (підземні води), атмосферою (пароподібна волога) і живою речовиною біосфери, до якої вона входить в якості обов’язкового компоненту (табл.. 2).
Таблиця 2
Розподіл водних мас в гідросфері Землі
(за М.І. Львовичем)
| Форма знаходження | Об’єм води в 103 км3 | % від загального Об’єму |
| Мировий океан | 94,0 | |
| Підземні води | 4,0 | |
| Підземні води активного обміну | 0,3 | |
| Льодовики | 1,7 | |
| Озера | 0,02 | |
| Ґрунтова волога | 0,01 | |
| Пари атмосфери | 0,001 | |
| Річкові води | 1,2 | 0,0001 |
| Всього | 100,00 |
Найбільша частина маси природних вод (94%) містить Мировий океан, який являє собою унікальну природну систему. В ній відбувається грандіозний процес обміну і трансформації енергії і речовини нашої планети. При цьому різні фізичні, хімічні та біологічні процеси поєднуються, утворюючи єдину природу океану.- найдревнішу область біосфери Землі. З часу створення океану йшло змінення його природи під впливом різних природних процесів: сонячного опромінення, геологічних і геохімічних факторів і, що особливо важливо, під впливом біологічних процесів. Біологічні процеси виявляються і проявляються в розвитку живих організмів, в засвоєнні сонячної енергії і накопиченні вільної енергії в самих тілах організмів, в біологічній продуктивності та створенні осадку на всій поверхні дна Мирового океану, у формуванні різного роду органічного мулу.
Морська (океанічна) вода являє собою розчин, що містить в середньому в 1 кг 35 г речовини. Іншими словами, середня солоність морської води 35‰ (проміле). Зараз можна вважати, що у морській воді присутні всі хімічні елементи таблиці Менделєєва. Однак переважна частина розчинених речовин складена не багатьма хімічними елементами: Na, Mg, Ca, Cl, C, S. Вони знаходяться в морській воді у вигляді іонів різного типу. Так можливо виділити катіони: Na1+, Mg2+, Ca2+ та аніони Cl1-, SO42-, HCO31-, CO32-. Інші хімічні елементи присутні у морській воді в більш низьких концентраціях, ніж головні іони. Деякі з елементів, незважаючи на відносно низьку концентрацію, відіграють важливу роль в хімічних процесах моря та в морських організмах. В цьому відношенні провідна роль належить азоту, фосфору, кремнію, які засвоюються живими істотами, і їх концентрація у морській воді контролюється ростом і розмноженням морських тварин і рослин.
Слід відмітити одну дивну особливість океанічної води – головні іони характеризуються постійним співвідношенням по всьому об’єму Мирового океану. Це вказує на стійкість динамічної рівноваги між кількістю розчиненої речовини, що потрапляють з поверхні континентів до океану, та їх осадженням.
Земна кора – найбільш неодноманітна тверда оболонка Землі, складена різними мінеральними асоціаціями у вигляді осадочних, вивержених і метаморфічних гірських пород. Зараз земною корою прийнято вважати верхній шар твердого тіла планети, розташований вище сейсмічної границі Мохоровичича (Мохо). Ця границя знаходиться на різних глибинах і відмічає різкий скачок у збільшенні швидкості сейсмічних хвиль, що виникають при землетрусах. Проходячи крізь границю Мохоровичича, повздовжні сейсмічні хвилі збільшують з глибиною швидкість з 6,5 до 8 км/с, поперечні хвилі від 3,7 до 4,5 км/с. Під материками границя Мохоровичича сягає глибини 70 км, а під океаном 10 км.
Таблиця 3
Основні данні про земну кору
(за А.Б. Роновим і А.А. Яро шевським)
| Типи земної кори | Об’єм, 106 км3 | Середня міцність, км | Середня щільність г/см2 | Маса, 1024 г |
| Континентальний тип | 43,6 | 2,78 | 18,07 | |
| Субконтинентальний тип | 23,7 | 2,79 | 4,30 | |
| Океанічний тип | 7,3 | 2,81 | 6,09 | |
| Земна кора в середньому | 20,0 | 2,79 | 28,46 |
Таким чином, виділяються два основних типи земної кори – континентальний і океанічний. Між ними є проміжний тип, який може бути названий субконтинентальним (табл.. 3).
Різна товщина земної кори на континентах і океанах пов’язана з різним складом гірських пород, що її складають. Океанічна кора складена в основному базальтовими матеріалами, континентальна – матеріалом, близьким по складу до гранітів. Гранітні породи містять більше кремнієві кислоти і менше магнію та заліза, ніж базальтові породи.
Загальний хімічний склад земної кори визначають не всі елементи. Їх всього лише вісім: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K – складають основну її масу. При цьому ведучим і найбільш розповсюдженим елементом є кисень, який складає майже не половину маси земної кори (≈ 47,3%) та 92% її об’єму. Він міцно зв’язаний хімічно з іншими елементами у головних породоутворюючих мінералах. Таким чином, у кількісному відношенні земна кора – це царство кисню, хімічно міцно зв’язаного в ході геологічного розвитку земної кори, що не залишає пов’язані з ним елементи.
Земна кора складена гірськими породами різного типу різного походження. З них на осадочні породи приходиться 9,2%, на метаморфічні – 20,0% і на магматичні – 70,8%.
Поверхня континентів на 80% зайнята осадочними породами, а океанічне дно – майже повністю свіжими осадками як продуктами зносу матеріалів континентів і діяльності морських організмів. Земна кора вперше виникла як продукт виплавляння матеріалу первинної мантії, який в подальшому оказався суттєво переробленим у біосфері під впливом води, повітря і діяльності організмів. Континентальна частина земної кори на протязі довгої геологічної історії знаходилась в ту чи іншу епоху в області біосфери, що наклало свій відбиток на зовнішність, склад і розповсюдженість осадочних гірських пород і зосереджених в них родовищ корисних копалин у вигляді вугілля, нафти, горючих сланців, кременистих і карбонатних пород, зв’язаних в минулому з життєдіяльністю організмів. Тому континентальна земна кора мала і має пряме, а опосередковане відношення до біосфери.
Жива речовина біосфери займає невеликий простір в масштабі всього земного шару. Широке розповсюдження самого терміну – «жива речовина» - пов’язано головним чином з роботами В.І. Вернадського. Він ясно показав, що вся кількість живих організмів Землі утворює єдине ціле – живу речовину планети.
Життя на Землі - самий видатний процес на її поверхні, який отримує живлячу його енергію Сонця і призводить до руху майже не всі хімічні елементи таблиці Менделєєва. Біосфера є частина земного простору, охопленого життям з її активними хімічними проявами. В біосфері можливе існування організмів в любих можливих концентраціях – від одних бактерій і спір у 1 см3 атмосферного повітря до могутніх тропічних лісів екваторіальної зони і слідив життя в пучинах Світового океану. За своїми вимогами до умов зовнішнього середовища організми розселюються в різних верхніх горизонтах Землі: в нижній атмосфері, в гідросфері, у ґрунті, в глибинах літосфери, насичених природними водами і нафтовими родовищами.
Вся жива речовина за своєю масою займає дуже малу долю в порівнянні з верхніми оболонками земної кулі. За сучасними оцінкам, виконаними вченими, загальна кількість живої речовини в нашу епоху дорівнює 2420 млрд. т.
За своїм активним впливом на навколишнє середовище жива речовина займає особливе місце і якісно вирізняється від інших оболонок земної кулі, так як жива матерія відрізняється від мертвої.
Таким чином, вся жива речовина нашої планети складає 1/11000000 частину маси всієї земної кори. Однак в якісному відношенні жива речовина являє собою найбільш високо організовану частину матерії Землі. За даними А.П. Віноградова, головні частини живої речовини – це елементи, що широко розповсюджені у природі: в атмосфері, гідросфері і в Космосі. Середній елементарний склад живої речовини відрізняється від складу земної кори високою місткістю углероду. Взагалі за наявністю інших елементів організми не повторюють складу середовища свого мешкання. Вони вибірково поглинають елементи, необхідні для побудови їх тканин. У процесі життєдіяльності організми використовують найбільш доступні атоми, що здатні створювати стійкі хімічні зв’язки. Атоми вуглецю мають здатність створювати довгі ланцюги з’єднань з другими атомами, що призводить до побудови без чисельних полімерів та інших складних органічних високомолекулярних систем.
Еволюція біосфери
Довготермінова еволюція біосфери під впливом алотигенних (зовнішніх) сил, таких як геологічні і кліматичні зміни, а також аутигенних (внутрішніх) процесів, обумовлена активністю живих компонентів. За різними джерелами вік біосфери коливається від 4.25 до 3,5-3 млрд. років.
До появи організмів і кисню у атмосфері Землі, вона була схожа на інші планети Сонячної системи. Якщо припустити, що склад атмосфери формувався в добіосферний період внаслідок вихолодження розжареної земної оболонки, то він повинен бути схожий з продуктами вулканічної діяльності (80% Н„0, 10% СО:, 5-7% Н,8, 0,5-1% Н2, N2, та СО, сліди СН4, НС1, (інертні гази)/3а іншою схемою вміст СН4 повинен бути значно вищим. Безперечним є те, що серед компонентів атмосфери не було вільного О2. Доказом цього є наявність в палеорічкових відкладеннях (вік 2,5 млрд. років) ураніту (UO2) і піриту (FeS2), які б окислились, якби палеоатмосфера містила вільний O2. У складі атмосфери були наявними гази, отруйні для більшості організмів. Склад атмосфери багато в чому визначався надходженням вулканічних газів. Вулканічна діяльність на ранній стадії розвитку нашої планети була більш активною, ніж в подальший геологічний час. Через відсутність кисню не існувало озонового шару - екрана, який захищає живі організми від згубного впливу ультрафіолетового випромінювання. Ллє, як не парадоксально, вважається, що саме ультрафіолетове випромінювання призвело до виникнення таких складних органічних сполук як амінокислоти, які послужили «блоками» для розбудови перших примітивних біосистем.
Відомо, що під дією короткохвильового випромінювання кисень перетворюється на озон. Невелика кількість кисню могла утворитися при дисоціації водяної пари під дією ультрафіолетового випромінювання. Але поки в атмосфері було мало кисню й озону, примітивні форми життя могли розвиватися під захистом шару води.
| Т |
Першими живими організмами були дрімеджоподібні анаеробні мікроорганізми, які отримували необхідну для дихання енергію шляхом бродіння (бродіння - процес розщеплювання органічних речовин без використання кисню під дією мікроорганізмів або видіпених ними ферментів І.
Оскільки бродіння менш ефективне, ніж кисневе дихання, то примітивне життя не могло еволюціонувати далі одноклітинної стадії прокаріотів, тобто організмів, які не мають оформленого клітинного ядра. Постачання прокаріотів, певне, відбувалось за рахунок органічних речовин, які повільно опускалися на дно і які синтезувались під дією сонячної радіації у верхніх частинах водного шару, куди не ризикували підніматися голодні мікроорганізми. Осередком життя могли бути придонні частини невеликих континентальних водоймищ і мілководних морів, які живились термальними джерелами, багатими хімічними речовинами, пристосованими для функціонування мікроорганізмів.
Поступове збільшення у воді кількості кисню за рахунок життєдіяльності організмів та його дифузія в атмосферу близько 2 млрд. років тому (в протерозої) викликані істотні зміни в хімічному складі біосферних середовищ і зробили можливим утворення й розвиток еукаріотів, які мають оформлене клітинне ядро. Це. в свою чергу, призвело до еволюції більш великих і більш складних біосистем. З моменту появи автотрофних водоростей й процесу фотосинтезу, еволюція біосисгем ішла шляхом створення усе більш складних і різноманітних систем, які контролювали склад атмосфери та утримували усе більш великі і високоорганізовані види багатоклітинних. В міру того, як зростав вміст кисню в атмосфері, озоновий шар ставав більш потужним і здатним екранувати ультрафіолетове проміння. Життя тепер могло розвиватися в приповерхневих частинах водоймищ. Далі виникло «позеленіння» суші. Аеробне дихання зробило можливим розвиток склад них багатоклітинних організмів. Вважається, що при вмісті кисню близько 8 % (в протерозої - початку кембрія) з'явились перші багатоклітинні організми (губки, корали, молюски, черв'яки, предки хребетних, предки насіннєвих рослин і т.д.). Протягом порівняно короткого часу (590 млн. років), тобто в палеозойську, мезозойську і кайнозойську ери. життя поширилось не тільки на морські, але й на континентальні ландшафти.
В.І. Вернадськнй висунув гіпотезу про поліфілетичне походження основних таксонів (достатньо відокремлених і рун організмів), тобто про відсутність одного чи декількох предків усього живого на Землі. Він вважав, що ні один вид самостійно не міг виконувати основні геохімічні функції біосфери.
У середині палеозою, в девонському періоді (близько 410 млн. років тому) вміст кисню в атмосфері досяг рівня, близького до сучасного. У кам'яновугільному періоді (350 млн. років тому) відбулось деяке зниження вмісту О2 й збільшення вмісту СО2, що сприяло «парниковому ефекту», пишному розвитку рослинності і похованню величезної маси органічних речовин в надрах у вигляді каустобіолітів. Наприкінці кам'яновугільного періоду концентрація СО2 дещо знизилась, що супроводжувалось зледенінням. Деякі дослідники вважають, що після цього відношення O/CO2 істотно не змінилося й відбиває стан, який можна назвати коливним стаціонарним. Однак антропогенне забруднення атмосфери може зробити цей стан «нестаціонарним».
Критичні для історії біосфери рівні вмісту кисню називаються «точками Пастера»: 1) досягнення О2 в атмосфері 1% від сучасного вмісту, коли стало можливе анаеробне життя (архей, 3,5 млрд. років тому); 2) точка формування озоносфери - досягнення кількості О2 в атмосфері 10% від сучасного (архей -кембрій, 3 - 2,6 млрд. років тому). Видимо, доцільно говорити і про третю точку, відповідну вмісту О2 близько 20% від сучасного, коли стало можливе життя на суші(девон, 0,41 млрд. років тому).
М.А. Голубець(1997) на основі аналізу фактичного матеріалу виділяв 5 якісно відмінних етапів еволюції біосфери:
/) гетеротрофної біосфери з домінуванням прокаріотів (4,25-3,5 - 2,9-2,5 млрд. років тому);
2) автотрофної біосфери, зосередженої у водному середовищі (2,7-1,8 - 0,4-0,36 млрд.років тому);
3) суцільно планетної біосфери, утвореної після освоєння живими істотами суші (початок 0,4-0.36 млрд. років тому, а кінець - а появою новогеологічної сили на планеті - відчутної виробничної діяльності людини, яка почала впливати на біогеохімічні процеси в біосфері);
4) ноосферний етап біосфери (початок у першому тисячоріччі до нашої ери. коли стає помітним вплив виробничої діяльності людини на структуру біогеоиенотичного покриву: кінець етапу принадас на друїу половину XX століття);
5) соціосферний етап (біосфера переходить у суттєво нову якість, вона стас підсистемою соціосфери).
Весь хід розвитку біосфера дозволяє говорити про те, що організми, особливо мікроорганізми, разом з абіотичним середовищем утворюють складну систему регулювання, яка підтримує на Землі умови, сприятливі дія життя. Організми не тільки самі пристосовуються до фізичного середовища, але й пристосовують його до своїх біологічних потреб, тобто людина залежить від інших організмів, які населяють середовище у якому вона існує. Достатньо зазначити, що організми контролюють навіть склад атмосфери Землі.