Біосфера — жива оболонка Землі

ЗМІСТ

Вступ

1 Вчення В.І. Вернадського про біосферу

2 Біологічний кругообіг речовин і енергії в біосфері

2.1 Генезис і кругообіг кисню

2.2 Кругообіг вуглецю

2.3 Кругообіг азоту

2.4 Кругообіг води

2.5 Кругообіг фосфору

2.6 Кругообіг сірки

2.7 Перетворення енергії в біосфері

3 Природні ресурси біосфери та їх класифікація

4 Поняття про біорізноманіття і генофонд живих організмів

5 Народонаселення планети Земля Висновки Література

Вступ

Тема курсової роботи «Біосфера — жива оболонка Землі».

Біосфера (від гр. bios — життя і sfere — куля) — область активного життя оболонки Землі, яка включає частини атмосфери, гідросфери і літосфери, заселені живими організмами.

Мета роботи — розглянути вчення В.І. Вернадського про біосферу, біологічний кругообіг речовин і енергії в біосфері, зробити класифікацію природних ресурсів біосфери, розкрити поняття про біорізноманіття і генофонд живих організмів, розкрити тему народонаселення на планеті Земля, зробити висновки.

1 Вчення В.І. Вернадського про біосферу

Вперше термін «біосфера» вжив австрійський учений Е. Зюсс у 1875 році, але поширився він після праць нашого вітчизняного вченого, засновника та першого президента АН України, академіка В.І. Вернадського (1864−1945р.р.). Основи його вчення викладені в книзі «Біосфера» (1926р.). Він довів, що живі організми відіграють дуже важливу роль у процесах, які 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°С і тиском приблизно 10 000 Па, що відповідає межам життя для більшості організмів.

За В.І. Вернадським, верхня межа біосфери знаходиться на висоті 15−22 км, охоплюючи тропосферу і нижню частину стратосфери. Знизу біосфера обмежена відкладеннями на дні океанів (до глибини 11 км) і глибиною проникнення в надра Землі організмів і води в рідкому стані (2−3 км).

Нижня межа біосфери в рамках літосфери обумовлена тепловим бар'єром і, як правило, не опускається нижче 5 км. Загальна протяжність біосфери — 40 км. Від усіх геосфер вона відрізняється енергійним перебігом хімічних перетворень.

В.І. Вернадський розглядав біосферу як царину 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 й відносну стабільність природи Землі:

— закріплення рухомих елементів поверхні літосфери (пісок, глина, гравій, дрібна галька, ліси, ґрунти різних типів);

— регуляція кругообігу води шляхом 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 у 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 ґрунтів, 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, лісову підстилку, гумус ґрунту тощо), біокосну речовину, створену живими організмами за участі неживої природи (приземна атмосфера, осадові породи, глинисті мінерали, вода та інше) і косну речовину — гірські породи магматичного, неорганічного походження, воду, а також значно перероблені і видозмінені живими організмами речовини космічного походження (космічний пил, метеорити тощо). Крім того, до складу біосфери входять радіоактивні речовини, які виникають у результаті розпаду радіоактивних елементів, і розсіяні атоми, не зв’язані хімічними реакціями (рис. 1).

Рис. 1. Склад біосфери та її межі

В.І. Вернадський називає живу речовину основною рухомою силою біосфери. Бути живим — значить бути організованим, зазначав 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, що її визначає. Для того, щоб у цьому переконатися, ми повинні виразити живі організми як щось ціле і єдине. Виражені таким чином живі організми складають живу речовину, тобто сукупність усіх живих організмів, існуючих на 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. Більша її частина знаходиться в приповерхневих ділянках суші (особливо великою є біомаса тропічних лісів) і гідросфери, де масово розвиваються зелені рослини та гетеротрофні тварини, що живляться ними. Більше 90% усієї живої речовини, утвореної, головним чином, вуглецем, киснем, азотом і воднем, припадають на наземну рослинність (97−98% біомаси суші). За підрахунками В.І. Вернадського, біомаса всіх організмів Землі сягає 10¹⁵ тонн, що складає лише 0,25% маси всієї біосфери. Але, незважаючи на це, В.І. Вернадський вважав живу речовину найбільш потужним геохімічним і енергетичним фактором, провідною силою планетарного розвитку.

Форма діяльності живого, його біохімічна робота в біосфері (нове поняття, введене В.І. Вернадським), полягає в здійсненні незворотних і незамкнених кругообігів речовин і потоків енергії між основними структурними компонентами біосферної цілісності: гірськими породами і природними водами, горами і ґрунтами, рослинністю, тваринами і мікроорганізмами. Цей безперервний процес руху кругообігу складає одне зі 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 та енергією всі інші організми. Діяльність фотосинтезуючих організмів близько 2 млрд. років тому спричинила 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 оновлюється 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 виявляють прагнення до максимального прояву цієї діючої енергії в процесах обміну, у 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 «палеобіосферами».

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 т), маси живої речовини (10¹⁵ т), енергії, пов’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 від 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, у природі немає видів небажаних, непотрібних. Система зв’язків у 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.д. У цілому біосфера схожа на єдиний гігантський суперорганізм, в якому автоматично підтримується гомеостаз — динамічна сталість фізико-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 біосферу до стабільності в часі. У природі живі організми перебувають у постійній взаємодії як всередині одного роду, так і в біоценозі. Другою особливістю біосфери є нерівномірність, мозаїчність її структури, так би мовити, її абсолютна асиметрія. Асиметричним є розподіл і співвідношення материків та океанів, гірських хребтів, великих водоакумуляторних рівнин і гідрографічної системи; розподіл життя i живої речовини на суходолі та в океані також нерівномірний. Найбільша концентрація живої речовини характерна для мілководних зон і поверхневих шарів води, які включають нашарування планктону в морях і океанах, а також вологі, помірні субтропічні і тропічні пояси на суші. Найменшою концентрація живої речовини є в полярних і субполярних та посушливих 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, що якісно відрізняються одна від одної. В усьому різноманітті живої матерії виділяють шість основних рівнів її організації: молекулярний, клітинний, організменний, популяційно-видовий, біогеоценотичний (екосистем-ний) і біосферний. Деякі автори називають основними тільки три структурні підрозділи: клітинні, організмені і популяційно-біоценотичні. Інші вважають за необхідне виділити не шість, а більше рівнів, 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.

Зазначимо головні особливості основних шести рівнів організації життя.

1.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, акумуляція в хімічних зв’язках енергії. Виявлення суті процесів, що відбуваються на цьому рівні, допомагає зрозуміти деякі явища на наступних рівнях організації-живого. Основна стратегія життя на молекулярному рівні - здатність створювати живу речовину і кодувати інформацію, набуту в умовах навколишнього середовища, що змінюються.

2.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 специфікація клітини (нервової, видільної, провідної, покривної чи іншої тканини) є регулятором функціонування даної біосистеми. Основна стратегія життя клітинного рівня — залучення хімічних елементів Землі і енергії сонячного випромінювання до живих біосистем.

Клітина є цілісною системою, яка має специфічні властивості даного рівня. Разом з тим, вона в усьому розмаїтті форм і функцій є частиною багатоклітинного організму і виступає основним структурним елементом організменного рівня організації живого.

3.Організменний рівень організації життя.

Притаманний багатоклітинним біосистемам. Тут життя представлене у вигляді рослин, тварин, у тому числі людини, грибів і різноманітних мікроорганізмів. Всі вони є структурними одиницями цього рівня.

У будь-якого представника організменного рівня виявляються такі «нові» властивості порівняно 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, взаємовідносини з навколишнім середовищем. Всі названі процеси характеризують організм як цілісну саморегульовану біосистему. В основі процесів управління (регулювання) організмів лежить біологічна (вірніше, генетична) інформація, яка визначає тенденцію функціонування і розвитку в онтогенезі, забезпечуючи гармонійну відповідність особини і середовища існування.

Всі процеси управління в організмі мають подвійну спрямованість: стратегічну (еволюційну) і оперативну (адаптаційну). Це зумовлює подвійність основної стратегії життя: 1) орієнтація організму (особини) на виживання в умовах навколишнього середовища, що постійно змінюються; 2) орієнтація на забезпечення тривалого існування його популяції, виду.

4.Популяційно-видовий рівень організації життя.

Об'єднання споріднених особин у популяції, а популяцій у види приводить до виникнення нових властивостей системи, які відрізняються від попередніх рівнів організації живого. На цьому рівні властивості індивідуумів лише пояснюють, ілюструють картину групової форми життя популяції та виду. Основні ознаки виражаються в «надорганізменних» характеристиках: народжуваність, смертність, структура (статева, етологічна, вікова, просторова та ін.), щільність, чисельність, функціонування в природі.

Основна стратегія життя популяційно-видового рівня виявляється:

1) у більш повному використанні можливостей середовища існування і накопиченні у зв’язку з цим «досвіду» в інформаційній системі;

2) у прагненні до якнайдовшого (до нескінченності) існування у світі;

3) у збереженні властивостей виду і самостійного розвитку з урахуванням «досвіду».

5.Біогеоценотичний рівень організації життя.

Популяції та види — цілісні природні утворення. Але вони як частини, як структурні одиниці органічно включаються в біосистеми більш високого рангу — 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 потоці енергії, саморегулюванні й 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 розмаїтті.

6.Біосферний рівень організації життя.

Основними структурними елементами тут виступають біогеоценози, оточуюче їх середовище, тобто географічна оболонка Землі (атмосфера, ґрунт, гідросфера, сонячна радіація, космічне випромінювання та ін.), антропогенний вплив. У 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 геохімічними циклами, що входять до нього; 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 відмінність між рівнями організації живої матерії полягає в їх основних стратегічних властивостях. У них відбивається, з одного боку, принципова відмінність істотних якостей окремих рівнів, з іншого — глибоке взаємопроникнення структурних рівнів.

2 Біологічний кругообіг речовин і енергії в біосфері

Пізнання екосистем полягає, перш за все, у дослідженні великих біогеохімічних циклів (кругообігів). Мова йде про циркуляцію хімічних елементів абіотичного походження, які потрапляють із навколишнього середовища в живі організми і з організмів у навколишнє середовище. Неорганічні елементи вносяться в тканини рослин і тварин у процесі їх росту і розвитку і там входять до складу органічних речовин. Після смерті організму ці елементи зазнають складних перетворень, після чого потрапляють у 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 взаємопов'язані, проте кожен із них вносить у 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. Із появою людини на Землі виникла міграція атомів 3-го роду, яка 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.

2.1 Генезис і кругообіг кисню

Приблизно четверта частина атомів усієї живої матерії припадає на частку кисню. Він не завжди входив до складу живої атмосфери. Кисень з’явився одночасно з першими хлорофіловими організмами. По мірі утворення 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 мільярди років тому вказує присутність залізистих окислів у відповідних геологічних відкладеннях. Але лише в останні двадцять мільйонів років вміст його в атмосфері Землі досяг приблизно 20%.

Вільний кисень у великих кількостях поглинається при диханні, використовується для підтримання горіння та застосовується в різних технологічних процесах. Вільний кисень регенерується в процесі 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 кисню показаний на рис. 2.

Рис. 2. Кругообіг кисню в біосфері

2.2 Кругообіг вуглецю

Джерела вуглецю в природі численні й різноманітні. Між тим, тільки вуглекислота, яка знаходиться в газоподібному стані та у воді, є тим джерелом, яке служить основою для переробки вуглецю в органічну речовину живих істот. Захоплена рослинами вуглекислота в процесі фотосинтезу перетворюється на вуглеводи. Під час інших процесів біосинтезу вона перетворюється на протеїни, ліпіди і т.д.

З іншого боку, всі організми дихають і виділяють в атмосферу вуглець у формі вуглекислоти. Коли ж настає смерть, то сапрофаги і редуценти розкладають і мінералізують трупи, утворюючи ланцюги живлення, у кінці яких вуглець знову надходить у кругообіг у формі вуглекислоти (рис. 3). Мертві рослинні і тваринні залишки, що накопичуються, сповільнюють кругообіг вуглецю. Тварини-сапрофаги і сапрофагічні мікроорганізми, які живуть у ґрунті, перетворюють накопичені на його поверхні залишки в нове утворення органічної матерії - гумус. Швидкість впливу організмів на гумус зовсім не однакова. Іноді ланцюг буває коротким і неповним: ланцюг сапрофагів позбавляється 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. Скупчення викопних органічних сполук у вигляді кам’яного вугілля і нафти свідчить про те саме, оскільки вуглекислота накопичується у вигляді карбонату кальцію (крейда, вапняки) хімічного чи біогенного походження. Часто ці маси вуглецю залишалися поза кругообігом упродовж цілих геологічних періодів, поки карбонат кальцію у вигляді гірських хребтів не піднімався над поверхнею моря. З цього моменту починалося надходження вуглецю і кальцію в кругообіг. Воно здійснювалося внаслідок вилужування вапняку атмосферними опадами чи під впливом лишайників, а також коренів квіткових рослин. Вуглець, який накопичився в ґрунті чи гірських породах, може бути звільнений і в процесі горіння, викликаного людською діяльністю — опалення, промисловість та ін.

Кругообіг вуглецю показаний на рис. 3.

Рис. 3. Кругообіг вуглецю в біосфері

2.3 Кругообіг азоту

Повітря містить більше 80% азоту, воно безперервно і в різних формах забезпечує його кругообіг. Електричні розряди, які супроводжують грози, синтезують (з атмосферного азоту і кисню) окисли азоту; ці окисли потрапляють у ґрунт разом з дощовою водою. Таким шляхом в екосистемі у формі селітри чи азотної кислоти накопичується від 4 до 10 кг азоту на 1 га за рік. Відбувається і фотохімічна фіксація азоту. Але найбільша кількість цього елементу надходить в екосистему в результаті діяльності мікроорганізмів — азотфіксаторів, які здатні використовувати енергію свого дихання для прямого засвоєння атмосферного азоту і синтезування протеїдів. Таким чином у ґрунт вноситься ще близько 25 кг азоту на 1 га. Найбільш ефективними в цьому відношенні є азотфіксуючі бактерії, які живуть у симбіозі з бобовими рослинами в бульбочках на коренях цих рослин.

Азот із різноманітних джерел надходить до коренів у 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 також є продуктом харчування й різних мікроорганізмів. 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 у нітрити, а іншінітрити в нітрати.

З іншого боку, бактерії-денітрифікатори постійно віддають азот в атмосферу: вони розкладають нітрати до азоту. Але вони активні лише в ґрунтах, які багаті азотом і вуглецем, і розкладають щонайбільше 20% загального азоту (щорічно в атмосферу його надходить до 50−60 кг з 1 га).

Азот може вийти з кругообігу, якщо досягне океану, де він акумулюється в глибоководних відкладеннях. Перш ніж азот потрапляє в абісальні відкладення, частина його захоплюється організмами морського фітопланктону, після чого він, як і фосфор, входить у цикл живлення м’ясоїдних, який закінчується рибами, що є кормом для птахів і ссавців. Ця частина азоту потрапляє з їхніми екскрементами на поверхню материка.

Втрати азоту, який залишається в абісальних відкладеннях, компенсуються азотом із вулканічних газів.

Кругообіг азоту показаний на рис. 4.

Рис. 4. Кругообіг азоту в біосфері

2.4 Кругообіг води

Вода не тільки джерело кисню, але й найбільш значна складова частина тіла живих організмів.

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 ґрунтом або стікають по його поверхні. Таким шляхом вода повертається в моря і океани. У межах екосистем можна виділити такі фази кругообігу води: перехоплення, евакотранспірацію, інфільтрацію і стікання.

Рослинність виконує важливу екрануючу функцію, перехоплюючи частину опадів до того, як волога досягне ґрунту, і випаровуючи її в атмосферу. Це перехоплення, яке буває максимальним при слабких дощах, може в помірних широтах сягати до 25% від загальної суми опадів. Вода, яка проникає крізь крони у формі крапель з листя, або стікає по стеблах і стовбурах, сягає ґрунту, просочується в нього, або приєднується до поверхневого стоку. Частина інфільтраційної води затримується в ґрунті, причому тим сильніше, чим значнішим є ґрунтовий колоїдальний комплекс. Та частина води, яка промиває ґрунт на глибину 20−30 см, може знову піднятися на його поверхню по капілярах і випаруватися. Корені рослин здатні всмоктувати ґрунтову 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, є досить великою. 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 посилюється з покращанням водопостачання. Пшениця за період вегетації використовує з 1 га 3 750 т води, що відповідає 375 мм опадів, а продукує 12,5 тонн (сухої маси) рослинної речовини.

Величина евакотранспірації, яка складається з сумарної кількості води, що транспортується рослинами і випаровується ґрунтом, для Середньої Європи становить приблизно 1 тис. тонн на 1 га за рік.

Рослинність адаптується до місцевого кругообігу води. Якщо кількість дощової води, яка просочується в ґрунт, перевищує його максимальну вологоємкість, то вона досягає рівня ґрунтових вод. Об'єм води, що просочується, пропорційний вологості клімату і водопроникненості ґрунту, тобто збільшується в більш легких піщаних ґрунтах і зменшується в ґрунті, який сильно переплетений коренями рослин з підвищеною транспіраційною здатністю. Просочування атмосферних опадів до рівня ґрунтових вод сприяє видужуванню біогенних елементів і колоїдів ґрунту. Втрати, викликані поверхневим стоком, підвищуються при збільшенні крутизни схилу і при зменшенні щільності рослинного покриву.

Кругообіг води показаний на рис. 5.

Відмінність циклів вуглецю і азоту від кругообігу води полягає в тому, що зазначені елементи в екосистемі накопичуються і зв’язуються, вода ж проходить через неї майже без втрат. Крім того, екосистема на формування біомаси щорічно використовує лише близько 1% води, яка випадає у вигляді атмосферних опадів.

Рис. 5. Кругообіг води в біосфері

2.5 Кругообіг фосфору

Кругообіг фосфору являє собою дуже простий незамкнений цикл. Фосфор здійснює кругообіг у 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, накопичені за минулі геологічні епохи, містять гірські породи. У процесі руйнування ці породи віддають фосфати наземним екосистемам, але значні кількості фосфатів виявляються залученими в кругообіг води, вилужуються і потрапляють у море. Тут вони збагачують солоні води, живлять фітопланктон і організми, які пов’язані з ними харчовими ланцюгами. Частина фосфатів використовується морськими екосистемами, інша частина накопичується в океанічних відкладеннях. Часткове повернення фосфатів на землю забезпечують морські птахи.

Кругообіг фосфору показаний на рис. 6.

Рис. 6. Кругообіг фосфору в біосфері

Вважається, що кожного року повертається в кругообіг 60 тис. т фосфору, що зовсім не компенсує тих 2 млн. т фосфатів, які щорічно добуваються з покладів і швидко вилужуються при використанні у вигляді добрив.

2.6 Кругообіг сірки

Сірка, яка знаходиться в ґрунті, є продуктом розкладання материнських гірських порід, що містять пірити і халькопірити, а також продукт розкладання органічних речовин рослинного походження. Органічні речовини тваринного походження містять мало сірки. Корені адсорбують ґрунтову сірку, яка входить у створювані рослиною сірчані амінокислоти (цистин, цистеїн, метіонін).

Після відмирання рослин сірка повертається в ґрунт. Це здійснюється численними організмами. Деякі з них відновлюють сірку органічних сполук у 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.

2.7 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, у районах з помірним або помірно жарким кліматом дорівнює в середньому 10 млрд. ккал на 1 га за рік. Але лише 1% сонячної енергії, що надходить на поверхню Землі, використовується рослинами на фотосинтез, тобто на створення органічних речовин. Із 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.

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 у ґрунті чи на дні водойм.

Визначено, що при переході від однієї ланки харчового ланцюга до іншої розсіюється до 90% енергії, яка міститься 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 має бути витрачено приблизно 10 кг риб’ячої молоді, 100 кг зоопланктону чи 1000 кг фітопланктону. Тому з цього можна зробити важливий практичний висновокекономічно більш вигідно використовувати господарсько цінні види, які мають короткі трофічні ланцюги.

Графічно трансформацію енергії на кожному рівні зображують у вигляді пірамід енергії.

Таким чином, основа біосфери — кругообіг органічної речовини, який здійснюється за участі всіх організмів, що населяють біосферу.

У закономірностях біологічного кругообігу полягає основа тривалого існування і розвитку життя. Запаси доступних мінеральних елементів, необхідних для здійснення життєвих функцій, не можуть бути безкінечними. Коли б 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 є важливою ланкою 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 у кругообігу речовин належить мікроорганізмам. Мінералізуючи органічні рештки тварин і рослин, мікроорганізми перетворюють їх у мінеральні солі і найпростіші органічні сполуки типу біогенних стимуляторів, які знову використовуються зеленими рослинами при синтезі нової органічної речовини.

Один із головних парадоксів життя полягає в тому, що його безперервність забезпечується процесами розпаду, деструкцією.

Руйнуються складні органічні сполуки, вивільнюється енергія, втрачається запас інформації, який властивий живим типам зі складною організацією. У результаті діяльності деструкторів, переважно мікроорганізмів, будь-яка форма життя неминуче буде залучена в біологічний кругообіг. Тому за 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 й енергії будь-які субстрати. Вищі організми не мають такої властивості, тому вони можуть існувати лише як своєрідна надбудова на міцному фундаменті мікроорганізмів.

Антропогенна діяльність дуже впливає на природний біологічний кругообіг речовин та залучає до нього ті речовини, які давно були з нього вилучені. Можна відзначити небувале прискорення кругообігу деяких речовин. Швидко вичерпуються родовища багатьох елементів, іноді вони можуть накопичуватися в пропорціях, яких ніколи не було в природі. У цілому в біосфері під впливом людини знижується ентропія за рахунок збільшення ентропії земної кори (спалювання горючих корисних копалин, розсіювання металічних корисних копалин та ін.). Все це приводить до порушення рівноваги біосфери (Білявський та ін., 1993р.).

3 Природні ресурси біосфери та їх класифікація

Природні ресурси — найважливіший компонент оточуючого людину природного середовища; вони використовуються для створення матеріальних і духовних потреб суспільства. До природних ресурсів відносять: атмосферне повітря, воду, ґрунт, сонячну і космічну радіацію, корисні копалини, клімат, рослинний і тваринний світ. Багато природних ресурсів складається з ряду компонентів.

Природні ресурси виступають не тільки як компоненти природи, але й як економічна категорія. Для тривалого використання й 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;

ґ) земельні;

д) ґрунтові;

е) тваринного походження.

Ресурси природно-територіальних комплексів:

а) гірничопромислові;

б) сільськогосподарські;

в)водогосподарські;

г) лісогосподарські;

ґ) селітебні;

д) 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 усі види природної сировини, яка використовується в промисловості:

а) енергетичні - горючі корисні копалини, гідроенергоресурси, джерела біоконверсійної енергії, ядерна сировина;

б) неенергетичні - корисні копалини, вода, землі, лісові ресурси, рибні ресурси (добування має промисловий характер).

Природні ресурси сільськогосподарського виробництва:

а) агрокліматичні - ресурси тепла і вологи, які необхідні для росту сільськогосподарських рослин та розвитку худоби;

б) ґрунтово-земельні - земля та її верхній шар з унікальними властивостями родючості;

в) водні ресурси — води, які використовуються в рослинництві для зрошення, у тваринництві - для напування і утримання худоби.

За ознакою вичерпності природні ресурси поділяють на дві категорії: вичерпні та невичерпні.

Вичерпні ресурси, у 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 осадових порід). Використання цих ресурсів неминуче призводить до їх виснаження.

До відновних природних ресурсів належать ґрунт, рослинний і тваринний світ (біологічні ресурси) та деякі мінеральні ресурси (наприклад, морська сіль). При раціональному використанні вони постійно відновлюються. Процес самовідновлення відбувається за певних природних умов, 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 ґрунтів 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 може дуже змінюватися, 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 та 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, обробки 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 вжити відповідних заходів щодо їх збереження.

4 Поняття про біорізноманіття і генофонд живих організмів

Розмаїтість природнокліматичних і геофізичних умов планети визначила унікальну за розмахом різноманітність форм життя.

Біорізноманіття — це варіабельність живих організмів на всіх рівнях організації: генетичному, видовому і більш високих таксономічних, включаючи різноманітність місцеперебувань і екосистем (ландшафтів).

Поняття «біологічне різноманіття» включає характеристики структури, організації і функцій живої речовини на всіх рівнях її організації (як суборганізмених, так і надорганізмених), всіх рівнів її хронологічної організації і просторової ієрархії (від парцел 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. Біорізноманіття є результатом тривалої еволюції біосфери.

Незважаючи на 4 млрд. років еволюції, таксономічний склад систем ще не стабілізувався. Біорізноманіття біосфери продовжує вдосконалюватися за рахунок великого резерву в еволюції угруповань. На цьому рівні провідна роль належить коеволюції та груповому добору.

Історія розвитку біосфери показує, що людина абсолютно залежить від інших живих організмів, які населяють середовище, в якому вона живе. Тільки від їх життєдіяльності і від їх різноманітності залежить стійкість біосфери як глобальної екосистеми.

Генофонд живих організмів - сукупність спадкових властивостей всіх існуючих на Землі організмів. Охорона генофонду необхідна з господарських, наукових, етичних і естетичних мотивів. Кожний біологічний вид неповторний, у 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 організму. Весь генофонд нашої планети, за винятком 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 складу екосистем входить значна кількість видів, що складаються з таких різноманітних особин.

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 налічувало 1 млрд. 800 млн. чоловік. Таким чином, менше ніж за три століття людська популяція збільшилася в 4 рази, бо в 1650 році вона налічувала 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 свідчить про те, що лише за 40 чи 50 років людська популяція збільшилася в 2 рази (рис. 7).

Рис. 7. Динаміка чисельності населення Землі

У нове тисячоліття планета Земля увійшла з населенням у 6,11 млрд. чоловік. Прискорено зростає кількість міських жителів, в основному за рахунок країн, що розвиваються, в індустріально розвинених країнах воно практично вийшло на постійний рівень.

Планета людей асиметрична і контрастна: дев’ять із десяти землян живуть у північній півкулі і лише один — у південній; 85% живе в Старому світі (Євразія плюс Африка) і лише 15% -у Новому (Америка плюс Австралія). Контрастною є й щільність населення: від менш ніж одна людина на квадратний кілометр у Західній Сахарі, на Фолклендських островах, у Гренландії та Шпіцбергені до 4,5−5,5 тис. — у Гібралтарі, Сінгапурі і Гонконгу і навіть до 20−21 тис. (!) — у Монако і Макао.

Серед аграрних країн найбільш щільно заселені такі острівні держави, як Маврикій, Барбадос і Мальдиви (500−700 чол./км²), але все ж вони відстають від Бангладеш (764 чол./км²) і особливо від сектора Газа в Палестині (1659 чол./км²).

Така структура і нерівномірність розподілу населення по планеті Земля пояснюються не тільки природними чи історичними факторами.

Три найбільші у світі за концентрацією населення макрорегіони — Китай, Індокитай і Європа (без СНД) — увібрали більше 51% людських ресурсів світу.

У 1998 році Інститут спостережень за світом опублікував доповідь «Шляхи сталого розвитку суспільства», де дається, зокрема, прогноз зростання народонаселення на найближчі 50 років в різних країнах. Наводимо ці дані (табл. 1).

У 2050 році найбільш населеною країною, як видно з таблиці, буде Індія, яка випередить Китай. Приріст населення в розвинених країнах буде помірним, а в Німеччині і Японії чисельність населення навіть зменшиться. Це пов’язано з високою щільністю населення. Аналогічна тенденція буде спостерігатися і в Росії через економічні труднощі. Вперед вирвуться деякі країни третього світу, населення яких уже зараз збільшується із загрозливою швидкістю.

Таблиця 1 Найбільш населені країни в 1998 р. з прогнозом на 2050 р.

Найбільша динаміка зростання — у три-чотири рази — очікується в деяких африканських країнах. Передбачається, що п’яте місце у 2050 році займе Нігерія (339 млн.), дев’яте — Ефіопія (213 млн.), а на одинадцятому виявиться Конго (165 млн.).

У випадку глобальної економічної кризи чи пандемії якогось захворювання, чисельність народонаселення з великою ймовірністю може зменшуватись (наприклад, у Росії та Україні).

У найближче десятиліття основною причиною смертності у світовому масштабі може стати СНІД. Кількість ВІЛ-інфікованих уже досягла 100 млн. чоловік, а померлих від СНІДу в 2009 році - перевищила 36 млн., що вже порівнюється з річним приростом населення. Екстраполяція сьогоднішньої динаміки цього захворювання приводить до висновку, що приріст чисельності може стати негативним уже через 20−30 років. У 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 імунітету до ВІЛ-інфекції.

Зростання народонаселення — не тільки соціальна, але й глобальна екологічна проблема. Демографічні вибухи загрожують тотальним забрудненням навколишнього середовища і виснаженням природних і продовольчих ресурсів у планетарному масштабі.

Основне завдання сучасної демографічної політики — зниження кількісних параметрів у процесі відтворення населення. Основні шляхи її реалізації - поліпшення рівня життя населення, забезпечення продовольчої безпеки людства, регулювання народжуваності шляхом здійснення програм планування сім'ї, підвищення рівня та якості медичного обслуговування.

Висновки

Різноманіття форм і рівнів організації життя виявляється не тільки в їх різному складі, будові і функціональних зв’язках. Головна відмінність між рівнями організації живої матерії полягає в їх основних стратегічних властивостях. У них відбивається, з одного боку, принципова відмінність істотних якостей окремих рівнів, з іншого — глибоке взаємопроникнення структурних рівнів.

Антропогенна діяльність дуже впливає на природний біологічний кругообіг речовин та залучає до нього ті речовини, які давно були з нього вилучені. Можна відзначити небувале прискорення кругообігу деяких речовин. Швидко вичерпуються родовища багатьох елементів, іноді вони можуть накопичуватися в пропорціях, яких ніколи не було в природі. У цілому в біосфері під впливом людини знижується ентропія за рахунок збільшення ентропії земної кори (спалювання горючих корисних копалин, розсіювання металічних корисних копалин та ін.). Все це приводить до порушення рівноваги біосфери.

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, обробки 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 вжити відповідних заходів щодо їх збереження.

Генофонд живих організмів - сукупність спадкових властивостей всіх існуючих на Землі організмів. Охорона генофонду необхідна з господарських, наукових, етичних і естетичних мотивів. Кожний біологічний вид неповторний, у 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 організму. Весь генофонд нашої планети, за винятком 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 складу екосистем входить значна кількість видів, що складаються з таких різноманітних особин.