Біосфера

Продукція біомаси фотоавтотрофами материків та океанів. SeaWiFS Project, NASA/Goddard Space Flight Center and ORBIMAGE

Біосфера (від дав.-гр. βιος — життя та σφαῖρα — куля) — природна підсистема географічної оболонки, що являє собою глобальну планетарну екосистему (населена живими організмами). Маса біосфери — близько 0,05% маси Землі.

Біосфери на інших планетах, окрім Землі, невідомі. Вважається, що бактеріальні біосфери або подібні до них можуть існувати на Марсі, Венері, Європі, Титані і ймовірно інших малих планетах.

Історія

Перші уявлення про біосферу як «область життя» та зовнішню оболонку Землі належать Ж.-Б. Ламарку. Термін «біосфера» вперше застосував австрійський геолог Е.Зюсс (1875), називаючи ним окрему оболонку Землі, наповнену життям. Детально вчення про біосферу розробив В. І. Вернадський. У його наукових працях термін «біосфера» вперше з'явився у 1911 році. У 1926 році він видав книгу «Біосфера», в якій виклав вчення про біосферу як особливу сферу Землі, що включає сферу поширення живої речовини.

Олександр Гумбольдт в 1845 р. у своїй фундаментальній праці «Космос» одноразово використав поняття «життєсфера» (див.). Зауважимо також, що впритул до поняття «біосфера» підійшов французький географ Е. Реклю (Elise Reclus). Одна з основних його робіт — 12-томна «Земля. Опис життя земної кулі» (1868–1872 рр.). В томі Х цієї роботи, який називається“ Життя на Землі „, зустрічаємо такі слова:“ Вся сукупність живих істот на поверхні планети утворює як би свого роду тонку оболонку або покрив; … ми повинні визнати, що життя на Землі єдине. Як би далеко рослини, тварини і люди не розходилися один від одного, як би вони не розрізнялися своїм виглядом і будовою, всі вони все-таки, перш за все, діти Землі. Їх створив один і той же грунт, вони дихають одним і тим же повітрям; … царства рослин і тварин не стоять одне від одного окремо, а перебувають у тісній взаємної залежності, утворюючи один загальний світ органічних істот, які є прямим продовженням неорганічного світу».

Структура біосфери

Біосфера охоплює нижні шари атмосфери до висоти близько 11 км, всю гідросферу і верхній шар літосфери до глибини 3-11 км на суші й 0,5-1,0 км під дном океану. Товщина біосфери на полюсах Землі близько 10 км, на екваторі — приблизно 28 км.

Атмосфера Землі — найлегша оболонка Землі, що межує з космічним простором; через атмосферу здійснюється обмін речовини й енергії з космосом. Переважні елементи хімічного складу атмосфери: азот — N₂ (78%), кисень — O₂ (21%), аргон — Ar (1%), вуглекислий газ — CO₂ (0,03%).

Гідросфера — водна оболонка Землі. Унаслідок високої рухливості вода проникає повсюдно в різні природні утворення, навіть найчистіші атмосферні води містять від 10 до 50 мг/л розчинних речовин. Переважні елементи хімічного складу гідросфери, окрім власне води: йони натрію — Na⁺, магнію — Mg²⁺, кальцію Ca²⁺, хлору — Cl⁻, Сульфур (сірка) — S, Карбон (вуглець) — C. Найважливіша роль в житті живих організмів належить таким елементам, як Нітроген (азот) — N, Фосфор — P, Калій — K, Магній — Mg і Сульфур — S, що засвоюються ними. Головною особливістю океанічної води є те, що основні іони характеризуються постійним співвідношенням у всьому обсязі світового океану.

Літосфера — зовнішня тверда оболонка Землі, що складається з осадових, магматичних і метаморфічних порід. Поверхневий шар літосфери, у якому відбувається взаємодія живої матерії з мінеральною (неорганічною), являє собою ґрунт. Залишки організмів після розкладання переходять у гумус (органічну речовину ґрунту). Складовими частинами ґрунту служать мінерали, органічні речовини, живі організми, вода, повітря. Педосфера — ґрунтова оболонка планети. Переважні елементи хімічного складу літосфери: Оксиген (кисень) — O, Силіцій (кремній) — Si, Алюміній — Al, Ферум (залізо) — Fe, Кальцій — Ca, Магній — Mg, Натрій — Na, Калій — K.

Рівні організації живої матерії

• Молекулярно-генетичний рівень. Елементарна одиниця цього рівня — ген — фрагмент молекули ДНК, в якому записана інформація про первинну структуру однієї білкової молекули. Елементарне явище полягає в процесі редуплікації ДНК. Життєвий субстрат для всіх живих організмів — приблизно 20 різних амінокислот і 5 різних азотистих основ, що входять до складу нуклеїнових кислот. Енергія запасається у молекулах АТФ.
• Клітинний рівень. Клітина — елементарна одиниця цього рівня. Елементарне явище виявляється в реакціях клітинного метаболізму, що складають основу потоків речовин, енергії, інформації. Завдяки діяльності клітини речовини, що надходять ззовні, перетворюються в субстрати та енергію, які використовуються в процесі біосинтезу білків та інших сполук, потрібних організму.
• Організменний рівень. Рівень організму (організмовий). Елементарна одиниця цього рівня — особина в її розвитку від моменту зародження до припинення існування в якості живої системи. Закономірні зміни організму в індивідуальному розвитку складають елементарне явище даного рівня. Ці зміни забезпечують ріст організму, диференціацію його частин і одночасно інтеграцію розвитку в єдине ціле. В процесі онтогенезу в певних умовах зовнішнього середовища відбувається втілення спадкової інформації.
• Популяційно-видовий рівень. Популяція — елементарна одиниця цього рівня. Популяція — це сукупність особин одного виду, що заселяють один ареал протягом тривалого часу і відносно відокремлені від інших популяцій цього ж виду. Об'єднання особин у популяцію відбувається завдяки спільності генофонду, що використовується в процесі статевого розмноження для створення генотипів особин наступних поколінь.
• Екосистемний рівень. Елементарна одиниця цього рівня — екосистема (сукупність популяцій різних видів, які заселяють територію з визначеними абіотичними показниками і зв'язані між собою та навколишнім середовищем обміном речовин, енергії та інформації). Екосистеми об'єднані на планеті в єдиний комплекс — біосферу.

Взаємодія з іншими оболонками

Діяльність живих організмів позначається на всіх оболонках Землі:

• Атмосфера. Вплив організмів пов'язаний з фотосинтезом. Рослини поглинають вуглекислий газ і виділяють кисень. Тваринни можуть тільки насичувати атмосферу вуглекислим газом, поглинаючи кисень для потреб метаболізму. У такий спосіб організми регулюють вміст цих газів у атмосфері.
• Гідросфера. Організми забирають з води морів і океанів необхідні речовини (особливо кальцій) на побудову своїх кістяків, панцирів, черепашок, мушель.
• Літосфера. З решток організмів утворюються осадові гірські породи органічного походження (вапняки, торф, кам'яне вугілля), а також деякі форми поверхні (коралові споруди). З іншого боку, організми руйнують гірські породи (органічне вивітрювання).

Рівні організації біосфери

• Моноцен
• Демоцен
• Плеоцен
• Біогеоценоз
• Біосфера

Основні положення вчення В. І. Вернадського про біосферу

1. Цілісність біосфери визначається самоузгодженісттю всіх процесів в біосфері, обмежених фізичними константами, рівнем радіації та ін.
2. Земні закони руху атомів, перетворення енергії є відображенням гармонії космосу, забезпечуючи гармонію і організованість біосфери. Сонце, як основне джерело енергії біосфери, регулює життєві процеси на Землі.
3. Жива речовина біосфери з найдавніших геологічних часів активно трансформує сонячну енергію в енергію хімічних зв'язків складних органічних речовин. При цьому сутність живого постійна, змінюються лише форми існування живої речовини. Сама жива речовина не є випадковим створенням, а є результатом перетворення сонячної світлової енергії в дійсну енергію Землі.
4. Чим дрібніше організми, тим з більшою швидкістю вони розмножуються. Швидкість розмноження залежить від щільності живої речовини. Розтікання життя — результат прояву її геохімічної енергії.
5. Автотрофні організми отримують всі необхідні для життя речовини з навколишньої косної матерії. Для життя гетеротрофів необхідні готові органічні сполуки. Поширення фотосинтезуючих організмів (автотрофів) обмежується можливістю проникнення сонячної енергії.
6. Активна трансформація живою речовиною космічної енергії супроводжується прагненням до максимальної експансії, прагненням до заповнення всього можливого простору. Цей процес В. І. Вернадський назвав «тиском життя».
7. Формами знаходження хімічних елементів є гірські породи, мінерали, магма, розсіяні елементи і жива речовина. У земній корі відбуваються постійні перетворення речовин, кругообіг, рух атомів і молекул.
8. Поширення життя на нашій планеті визначається полем стійкості зелених рослин. Максимальне поле життя обмежується крайніми межами виживання організмів, яке залежить від стійкості хімічних сполук, що становлять живу речовину, до певних умов середовища.
9. Кількість живої речовини в біосфері постійна і відповідає кількості газів в атмосфері, перш за все кисню.
10. Будь-яка система досягає стійкої рівноваги, при якому вільна енергія системи наближається до нуля.

Література

1. Будыко М. И. Глобальная экология. — М.: Мысль, 1977. — 327 с.
2. Вернадский В. И. Биосфера. — М.: Мысль, 1967. — 376 с.
3. Вернадский В. И. Несколько слов о ноосфере // Успехи современной биологии. — 1944, № 18. — С. 113–120.
4. Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и её окружения — М.: Наука, 2001.
5. Голубець М. А. Від біосфери до соціосфери. — Львів: Поллі, 1997. — 256 с.
6. Сытник К. М., Брайон А. В., Гордецкий А. В. Биосфера. Экология. Охрана природы. — К.: Наук, думка, 1987. — 523 с.

Посилання

• Заморока А. М. Еволюція біосфери — у чому помилилися біологи? // Станіславівський натураліст, 18 вересня 2007 року.