Людина й біосфера

Особливе місце в біосфері посідає людина, розумна діяльність якої в масштабах біосфери сприяє перетворенню останньої в ноосферу. На цьому етапі еволюція біосфери проходить під визначальним впливом людської свідомості в процесі виробничої діяльності. Ноосфера — це не щось зовнішнє по відношенню до біосфери, а новий етап у її розвитку, сутність якого полягає в розумному регулюванні відносин людини й природи. Важлива роль у цьому регулюванні належить екології.

Екологія — це наука, що вивчає закономірності взаємодії організмів і середовища їх існування, закони розвитку й здійснення біогеоценозів як комплексів взаємодіючих живих і неживих компонентів у різних частинах біосфери. Екологічні закономірності виявляються на рівні особи, популяції особистостей, біоценозу, біогеоценозу. Отже, предметом екології є фізіологія й поводження окремих організмів у природних умовах, народжуваність, смертність, міграції, внутрішньовидові та міжвидові відносини, потоки енергії та кругообіг речовин.

Одним з найважливіших понять екології є середовище існування. Середовище — це сукупність факторів та елементів, що впливають на організм у місці, де він перебуває.

Екологічний фактор — це елемент середовища, що здійснює безпосередній вплив на живий організм, принаймні на одній зі стадій його індивідуального розвитку. Усі екологічні фактори умовно поділяють на біотичні, абіотичні та антропогенні. Біотичні фактори — це всі можливі впливи, яких зазнає живий організм з боку оточуючих його живих істот. Абіотичні — це всі елементи неживої природи, що впливають на організм (температура, світло, вологість, склад повітря та води, ґрунту тощо). Антропогенні — це фактори, пов’язані з впливом людини на природне середовище. Відповідно до іншої класифікації, розрізняють первинні й вторинні періодичні й неперіодичні фактори. До первинних належать температура, зміни положення Землі щодо Сонця, завдяки яким в еволюції виникла добова, сезонна, річна періодичність багатьох біологічних процесів. Вторинні періодичні фактори є похідними первинних, наприклад, рівень вологості залежить від температури, тому в холодних місцях планети повітря містить менше водяної пари; неперіодичні фактори діють на організм чи популяцію раптово, епізодично. До них належать стихійні сили природи — виверження вулканів, ураган, удар блискавки, повінь тощо.

Будь-яка особина, популяція, співтовариство зазнають дії багатьох факторів, але лише деякі з них є життєво важливими. Такі фактори називають лімітуючими, чи обмежуючими. Відсутність цих факторів або якщо їх концентрація вища чи нижча критичних рівнів, робить неможливим освоєння середовища особинами певного виду. З огляду на це, для кожного біологічного виду існує оптимум фактора (величина, найбільш сприятлива для розвитку й існування) і границі витривалості. Види, що переживають значні відхилення факторів від оптимальної величини, називаються широко пристосованими, чи евритопними. Види, які здатні пережити лише незначні відхилення екологічних факторів від оптимальної величини, називають вузько пристосованими, чи стенотопними. Здатність видів освоювати різні середовища існування характеризується величиною екологічної валентності. Для більшості видів екологічний оптимум обмежений. Збереження належного рівня біологічної активності, незважаючи на коливання інтенсивності екологічних факторів, забезпечується гомеостатичними механізмами на рівні особин або популяції.

Як зазначалось, екологічні закономірності проглядаються на рівні особин, популяції особин, біоценозу, біогеоценозу.

Біогеоценоз — це історично сформоване динамічне, стійке співтовариство рослин, тварин, мікроорганізмів, що перебуває в постійній взаємодії й безпосередньому контакті з компонентами атмосфери, гідросфери та літосфери. Біогеоценоз складається з біотичної (біоценоз) частини й абіотичної (екотоп), що пов’язані безупинним обміном речовин і є відкритою системою.

Основною функцією біогеоценозу є забезпечення кругообігу речовин і потоків енергії.

Біотична частина біогеоценозу представлена біоценозом. Будь-який біоценоз є самопідтримуючим, він саморегулює сукупність живих організмів, що складається з певного комплексу видів. Організми в біоценозі утворюють співтовариства, що тісно залежать одне від одного, найчастіше на основі харчових зв’язків як засобу отримання енергії для життя.

В основі харчових (трофічних) зв’язків лежить наявність двох основних типів харчування.

Аутотрофи отримують необхідні для життя хімічні речовини з довкілля й за допомогою сонячної енергії перетворюють їх в органічну речовину.

Гетеротрофи розкладають органічну речовину на вуглекислий газ, воду, мінеральні солі і повертають їх у навколишнє середовище. У такий спосіб забезпечується кругообіг речовин, що виник у процесі еволюції як необхідна умова існування життя. При цьому світлова енергія Сонця трансформується організмами в інші форми енергії — хімічну, механічну, теплову. Частина енергії Сонця розсіюється. Діяльність і взаємодія всіх живих істот у природі засновані на односторонньо спрямованому потоці енергії й кругообігу речовин.

Сукупність живих організмів (біоценоз) разом з його фізичним середовищем існування, що складається з неорганічних речовин (біотоп), називається екосистемою. Біогеоценоз є елементарною природною екосистемою. Сукупність усіх екосистем Землі називають біосферою.

У структурі будь-якого біогеоценозу виокремлюють такі обов’язкові компоненти:

абіотичні речовини середовища;

аутотрофні організми — продуценти біотичних органічних речовин;

гетеротрофні організми — консументи (споживачі) готових органічних речовин першого й наступних порядків (рослиноїдні та м’ясоїдні тварини);

детритоядні організми — деструктори, що перетворюють органічну речовину на прості мінеральні з'єднання (мікроорганізми).

Важлива роль у біогеоценозі належить ланцюгам харчування, що становлять трофічну структуру, завдяки якій здійснюються перенесення енергії та кругообіг речовин. Первинним джерелом енергії в ланцюзі харчування є сонячне випромінювання, потужність енергії якого становить 4,61 026 Дж/с. Поверхні Землі досягає ½ 000 000 частина цієї енергії, з якої близько 1—2% асимілюють рослини. Майже 30—70% поглиненої ними енергії йде на забезпечення їх життєдіяльності й синтезу органічних речовин. Енергія, накопичена в рослинній біомасі, — це чиста первинна продукція біогеоценозу. Фітобіомасу використовують як джерело енергії й матеріалу для створення біомаси споживання першого порядку й далі по харчовому ланцюгу. Звичайно, продуктивність наступного трофічного рівня становить не більш як 5—20% попереднього. Загалом, якщо сумарна біомаса всіх організмів, які живуть на суші, становить приблизно 31 012 тонн, то на зообіомасу припадає лише 1—3% цієї кількості, а на масу живої речовини, що належить людям, — близько 0,0002% сумарної маси живої речовини планети. Це пов’язане з тим, що обсяг енергії, необхідної для забезпечення життєдіяльності, збільшується з підвищенням рівня морфофункціональної організації. Прогресивне зниження асимільованої енергії в ланцюгах харчування відбивається на структурі екологічних пірамід. Бо навіть найбільш продуктивні сукупності живих організмів у реакціях фотосинтезу використовують лише 1—2% сонячної енергії, а цього недостатньо для того, щоб прогодувати людство, чисельність якого постійно зростає.

Відносно мала біомаса й висока первинна продуктивність властиві агробіоценозам, й це є економічно вигідними. Однак без постійної уваги та захисту з боку людини вони швидко змінюються малопродуктивними природними біогеоценозами.

Первинною ареною розвитку живої речовини на Землі була протобосфера, що охоплювала поверхневі шари гідросфери та частину літосфери.

У процесі еволюції поверхня Землі набула сучасного біогеохімічного вигляду.

Одним з найважливіших результатів дії природних факторів на людину як біологічний вид упродовж історії людства, тобто його еволюції, є екологічна диференціація населення земної кулі, розподіл його на адаптивні типи.

Адаптивний тип є нормою біологічної реакції на умови існування, що зумовлює найкращу пристосованість до оточуючого середовища. Розрізняють такі адаптивні типи: помірного поясу, арктичний, тропічний та гірський.

Значна кількість населення помірного поясу проживає в промислово розвинутих країнах з великою часткою міського населення, й виявити біологічні механізми адаптації в них доволі складно. Арктичному типу властивий сильний розвиток кістково-м'язового апарата, великі розміри грудної клітки, високий рівень гемоглобіну у крові, великий простір, який займає кістковий мозок, підвищена здатність окислювати жири, стійкі процеси обміну в умовах переохолодження та терморегуляції. У місцевих жителів півночі температура тіла може істотно знижуватися, проте обмін речовин при цьому майже не уповільнюється. У людей, які народилися в інших зонах, температура шкіри не знижується, але у них з’являється сильне тремтіння через посилення обміну речовин і збільшення втрати тепла через шкіру.

Тропічний регіон відрізняється екстремальною кількістю тепла й вологи, тому тропічний адаптивний тип людини формувався під впливом жаркого клімату, раціону з низьким вмістом тваринного білка, великої різноманітності екологічних умов від району до району. Тут спостерігається найбільша розмаїтість груп населення в расовому, етнічному й економічному сенсі. Саме тут живуть найнизькоросліші й найвищі люди. Характерними ознаками тропічного типу є подовжена форма тіла, знижена м’язова маса, зменшений обсяг грудної клітки, велика кількість потових залоз, низький обмін речовин тощо.

Високогір'я характеризується низьким атмосферним тиском і температурою, одноманітністю їжі. Тому у гірського адаптивного типу людей підвищений основний обмін, збільшена кількість еритроцитів і гемоглобіну у крові, розширена грудна клітка.

Отже, у різних зонах земної кулі формувалися людські популяції, генофонди, які краще відповідають місцевим умовам, ніж генофонд виду загалом. Наявність різних адаптивних типів свідчить про значну екологічну мінливість людини, що зумовило поширення людей на земній кулі. Індивідуальні й групові адаптації людини, на відміну від біологічної адаптації рослин і тварин, забезпечують, поряд з виживанням і відтворенням потомства, виконання соціальних функцій, найважливішою з яких є продуктивна праця. Заходи, спрямовані на оптимізацію умов життя й трудової діяльності, передбачають створення сприятливих і безпечних умов праці, благоустрій житла, виготовлення одягу, організацію харчування й водопостачання, раціональний режим праці й відпочинку. Однак не слід забувати про те, що в основі всіх форм адаптації лежать біологічні механізми, саме це необхідно враховувати під час міграції людей в інші кліматичні зони. Відбувається так звана акліматизація людей до нових умов існування. Критерієм акліматизації для тварин і рослин є виживання, для людей — відновлення високого рівня працездатності. Під час акліматизації в організмі людини відбуваються досить складні фізіологічні зрушення — перебудова обміну речовин, процесів терморегуляції, дихання, кровообігу тощо. Наприклад, у акліматизованих на півночі людей на холоді тепловий потік з рук зростає на 40%, тоді як з грудей — на 19%. Тому завдяки високій температурі зберігається належна працездатність верхніх кінцівок. На людські популяції значно впливають соціальні фактори. Результатом їх дії є закономірні зміни в історичному розвитку суспільства, господарсько-культурних типів людських спільнот, що утворюються в тих чи тих природно-ресурсних умовах.

Нині у промислово розвинутих країнах у зв’язку з науково-технічним прогресом склалися господарсько-культурні типи з високорозвинутим товарним землеробством і тваринництвом.

Лише в деяких регіонах ще зберігається, наприклад, «прихоплюючий» тип, що віддає перевагу полюванню, рибальству, збиранню (пігмеї-мисливці в Заїрі, племена аета, кубу в лісах Південно-Східної Азії, індіанці в басейні Амазонки).

Про сутність теорії єдності організму людини й навколишнього середовища говорив І. М. Сєченов, зауваживши, що життєдіяльність організму людини без зовнішнього середовища, що підтримує її, неможлива.

Антропоекологічні системи — це людські спільноти, які динамічно взаємозв'язані із середовищем і використовують ці зв’язки для задоволення своїх потреб. Антропоекологічні системи розрізняють залежно від чисельності й характеру організації людських популяцій. Велике значення у визначенні розміру зазначених систем мають природні умови. Найчисленніші сучасні людські популяції (близько 80%) живуть на 44% суші в тропічних лісах, саванах, а також у зоні помірного поясу з чагарниковою рослинністю й змішаними лісами. На посушливих землях, у пустелях на 18% суші розміщено 4% населення. У різних умовах існування людина займає неоднакові екологічні ніші. Екологічна ніша — сукупність усіх факторів і ресурсів навколишнього середовища, у межах якої може існувати вид. Антропоекологічні системи відрізняються від природних екосистем наявністю в їх складі людських спільнот, яким належить домінуюча роль у розвитку всієї системи. Людина в середовищі існування є об'єктом впливу екологічних факторів й сама є основним екологічним фактором. Важливою особливістю людини як екологічного фактора є усвідомлений, цілеспрямований і масовий вплив на природу. Енергозабезпеченість, технічна озброєність людей створює передумови для заселення будь-яких екологічних ніш. Людство — єдиний вид, який має всесвітнє поширення, що перетворює його в екологічний фактор з глобальним впливом.

Завдяки впливу на головні компоненти біосфери, діяльність людства поширюється у найвіддаленіші зони планети. Наприклад, ДДТ (у народі — дуст) був виявлений у печінці тюленів і дельфінів, виловлених в Антарктиді, де жоден інсектицид ніколи не застосовувався. Це пояснюється здатністю живих організмів до біоакумуляції, тобто нагромадження в тканинах речовин, що надходять з довкілля. Різні організми мають певний коефіцієнт біоакумуляції. Коефіцієнт біоакумуляції — це відношення концентрації речовини в організмі до концентрації його в навколишньому середовищі. Він становить величину, що дорівнює: для рослин — 0,1; комах — 0,3; хробаків — 70; гризунів — до 100; креветок — 1000; устриць — 10 000; риб — 100 000, Так, у озерах США виявлено ДДТ у зоопланктоні в кількості 5 мг/кг, у дрібних рибах — до 10 мг/кг, у великих рибах — до 200 мг/кг. У організмі птахів, що харчуються рибою, кількість ДДТ становила 2500 мг/кг, що призводило до їх загибелі.