Біологія. 11 клас. Балан

§ 31. Біосфера та її межі. Роль організмів у біосфері

Аби краще засвоїти матеріал цього параграфа, слід пригадати: які ділянки виділяють у спектрі сонячного випромінювання? Що таке колообіг речовин та потоки енергії в екосистемах?

Загальна характеристика біосфери. Планета Земля оточена оболонками (мал. 31.1) - твердою (літосферою), рідкою (гідросферою) та газоподібною (атмосферою).

Літосфера - зовнішня тверда оболонка завтовшки 50-200 км. Вона складається з поверхневого шару переважно осадових порід, сформованого за участю живих істот (вапняк, крейда, кремнезем тощо), граніту (середній шар) та базальту (нижній шар).

Сукупність усіх водойм (океанів, морів, річок, озер тощо) утворює водну оболонку - гідросферу, яка охоплює майже 71 % поверхні планети та в деяких місцях сягає понад 11 км завтовшки.

Атмосфера - це газова оболонка, розташована над поверхнею літосфери та гідросфери.

Поняття біосфера запропонував Е. Зюсс (мал. 31.2) 1875 р., а вчення про неї як частину геологічних оболонок Землі, населену живими організмами, створив український учений В.І. Вернадський (мал. 31.3). Біосфера не утворює окремої оболонки Землі, а охоплює верхню частину літосфери, всю гідросферу та нижній шар атмосфери. Вона є сукупністю всіх біогеоценозів Землі, єдиною глобальною екосистемою.

Мал. 31.1. 1. Біосфера та оболонки Землі; 2 - літосфера; 3 - атмосфера; 4 - гідросфера

Мал. 31.2. Е. Зюсс (1831-1914)

Мал. 31.3. В.І. Вернадський (1863-1945)

У літосфері життя сконцентроване здебільшого у ґрунті. Деякі види здатні до життя в порожнинах корінних порід; найбільш різноманітне населення печер. На глибинах 2-4 км можуть існувати лише деякі групи бактерій, переважно у нафтоносних пластах. Обмеження проникнення живих істот у глиб літосфери зумовлено високою температурою (понад +100 °С) гірських порід і підземних вод на глибинах 1,5-15 км. У гідросфері життя існує на будь-яких глибинах. Поширення організмів у атмосфері (переважно спор і цист) визначається положенням озонового екрану, бо вище нього практично все живе гине під дією космічного випромінювання. Максимальна висота, на якій було виявлено спори бактерій і грибів, - близько 22 км. Найвища концентрація біомаси у місцях з найбільш різноманітними умовами на межах літосфери та атмосфери, атмосфери та гідросфери, гідросфери та літосфери.

Жива речовина біосфери та її властивості. Всю сукупність організмів на планеті Земля В.І. Вернадський називав живою речовиною. Основними її характеристиками є сумарна біомаса, хімічний склад та енергія. Енергія живої речовини біосфери насамперед проявляється у здатності організмів до розмноження і поширення. Життя на нашій планеті має значну стійкість до змін інтенсивності різних екологічних чинників. Тому живих організмів у межах біосфери немає лише в товщі льодовиків і кратерах діючих вулканів.

Однією з властивостей живої речовини є її постійний обмін з довкіллям. Організмам необхідні певні речовини і енергія, які вони отримують з навколишнього середовища, значно змінюючи його. В результаті різні хімічні елементи надходять у живі істоти, можуть у них накопичуватись і виходити в довкілля лише через певний час або лише після загибелі.

Жива речовина (продуценти) здатна вловлювати сонячну світлову енергію, перетворюючи її на енергію хімічних зв’язків синтезованих сполук. Сумарна продукція автотрофних організмів визначає біомасу біосфери в цілому. Завдяки фотосинтезу щорічно жива речовина Землі продукує близько 160 млрд тонн сухої органічної речовини, з якої приблизно 1/3 припадає на екосистеми біогеоценозу Світового океану, а 2/3 - суходолу.

У чому полягають біохімічні функції живої речовини?

Жива речовина виконує різноманітні функції, які забезпечують існування біосфери як цілісної системи.

Газова функція. Організми в процесі своєї життєдіяльності впливають на газовий склад атмосфери, Світового океану та ґрунту. Аеробні істоти під час дихання поглинають кисень і виділяють вуглекислий газ. Зелені рослини, деякі найпростіші та ціанобактерії у процесі фотосинтезу поглинають вуглекислий газ і виділяють кисень. Життєдіяльність організмів, наприклад певних груп прокаріотів, може впливати на концентрацію інших газів (сірководню, метану, азоту тощо).

Окисно-відновна функція. За допомогою організмів у ґрунті, воді та атмосферному повітрі окиснюються чи відновлюються певні сполуки. Так, залізобактерії здатні окиснювати сполуки Феруму, сіркобактерії - Сульфуру, а денітрифікуючі - відновлювати нітрати та нітрити до молекулярного азоту або оксидів Нітрогену.

Концентраційна функція. Живі істоти можуть вбирати певні хімічні елементи з навколишнього середовища і накопичувати їх у своїх організмах. Так, молюски, форамініфери, десятиногі раки, хребетні тварини можуть накопичувати у своїх організмах, передусім у скелетах, панцирах, черепашках, неорганічні сполуки Кальцію та Фосфору, радіолярії - Стронцію та Силіцію, бурі водорості - Йоду тощо.

Біогеохімічні цикли. Здійснення функцій живої речовини пов’язано з міграцією атомів і молекул у процесі колообігу речовин, тобто біогеохімічних циклів. У біосфері постійно триває колообіг води і всіх хімічних елементів, які входять до складу живих організмів.

Біогеохімічний цикл води (мал. 31.4). Вода є найпоширенішою хімічною сполукою в біосфері. Її сукупні запаси на Землі становлять 1,5 млрд км3. Водяна пара надходить в атмосферу під час випаровування з поверхні водойм, транспірації рослин, дихання тощо; в складі повітря її переміщує вітер. З атмосфери вода випадає у вигляді дощу або снігу. У морях та океанах її запас поповнюється завдяки стокам річок та опадів. Морські течії переносять воду різної температури на значні відстані, впливаючи на клімат певних ділянок земної поверхні. Вода спричинює геологічні явища вимивання, перенесення та відкладання речовин. Воду поглинають істоти, і вона включається у їхній обмін речовин. Організми виділяють воду з відходами життєдіяльності, під час дихання, випаровування тощо.

Мал. 31.4. Колообіг води в природі: 1 - вода атмосфери; 2 - вода льодовиків; З - вода океану; 4 - підґрунтові води; 5 - вода річок

Мал. 31.5. Колообіг Карбону: 1 - СO2 атмосфери; 2 - океан; 3 - ґрунт; 4 - заводи; 5 - зелені рослини; 6 - осадові породи

Біогеохімічний цикл Оксигену. Поглинаючи молекулярний кисень (О2) під час дихання, живі істоти забезпечують свої енергетичні потреби. Атмосферний та розчинений у воді кисень здатні окиснювати органічні рештки, а також неорганічні сполуки оболонок Землі. Частина атмосферного кисню під дією ультрафіолетових сонячних променів і електричних розрядів перетворюється на озон (О3). Вміст кисню в нижніх шарах атмосфери становить близько 21 % і знижується зі збільшенням висоти.

Біогеохімічний цикл Карбону (мал. 31.5). Карбон входить до всіх органічних сполук - основи складу та біохімічних процесів живих організмів. Автотрофи здатні фіксувати вуглекислий газ (СО2) і синтезувати різноманітні органічні сполуки, використовуючи для цього світлову енергію (фототрофи) або енергію хімічних реакцій (хемотрофи). Ці речовини в подальшому по ланцюгах живлення потрапляють до гетеротрофів. Карбон у живих організмах існує у вигляді органічних сполук і карбонатів, а поза ними - в органічних речовинах ґрунту, вуглекислому газі та різноманітних осадових породах (мармурі, вапняку, крейді тощо). На певний час Карбон, який міститься в цих сполуках, вилучається із біохімічних циклів, але згодом, унаслідок життєдіяльності живих організмів (дихання, виділення тощо), біогенного розкладу мертвої органіки (наприклад, процеси мінералізації, бродіння), хімічних перетворень осадових порід (вивітрювання, розчинення), він знову залучається до біогеохімічних процесів.

Біогеохімічний цикл Нітрогену. Вміст вільного газоподібного азоту (N2) в атмосфері становить близько 79 %. З атмосфери деяка його кількість надходить у воду та ґрунт переважно у вигляді нітроген(ІІ) оксиду (NO2) та амоніаку (NH3), які утворюються під впливом космічних променів, грозових розрядів та ін. Основна частина сполук Нітрогену потрапляє у ґрунт та воду завдяки фіксації атмосферного азоту прокаріотами (азотфіксуючі бактерії, деякі ціанобактерії тощо). Нітроген у складі хімічних речовин, які можуть бути засвоєні живими організмами, має назву фіксованого. Він може засвоюватись безпосередньо з ґрунту зеленими рослинами або завдяки мутуалістичному співіснуванню з бульбочковими азотфіксуючими бактеріями. Зі сполук Нітрогену рослини синтезують амінокислоти, з яких складаються білки, нуклеїнові кислоти та ін. Далі нітрогеновмісні органічні сполуки передаються по ланцюгах живлення. В результаті дисиміляції складні сполуки Нітрогену в організмах розкладаються до простіших (амоніак, сечовина, сечова кислота, гуанін тощо) та потрапляють назовні при видиху, із потом, сечею, екскрементами та ін. Білки та інші органічні сполуки Нітрогену надходять у довкілля з рештками організмів. Їх розкладають редуценти, які здійснюють денітрифікацію - процес відновлення нітритів (солі нітритної кислоти HNO2) або нітратів (солі нітратної кислоти HNO3) до молекулярного азоту або нітроген(ІІ) оксиду. Інші мікроорганізми забезпечують реакції нітрифікації, завдяки яким йони амонію (NH4+) окиснюються до нітритів, а нітрити - до нітратів.

Яка роль організмів у перетворенні оболонок Землі?

Живі організми беруть участь в утворенні осадових порід, ґрунту, формуванні атмосфери, змінюючи оболонки Землі.

Осадові породи виникають на дні водойм унаслідок нашарування різних нерозчинних речовин, значна частина яких має біогенне походження. З решток істот, які накопичують у своїх скелетах, черепашках, панцирах карбонати, фосфати, силіцій(ІІ) оксид, утворюються різноманітні осадові породи (вапняк, крейда, кремнезем, радіолярити, діатоміти), які часто сягають значної товщини. У накопиченні кремнеземних осадових порід (SiO2) беруть участь одноклітинні еукаріоти - радіолярії та діатомові водорості. Так, радіолярити (осадові породи, утворені переважно зі скелетів радіолярій) представлені кременястими глинами, родовищами напівкоштовних каменів (яшми, халцедону). Поклади фосфоритів та апатитів (солі фосфатних кислот, що їх застосовують як мінеральні добрива та сировину для промисловості) утворені залишками особливих вимерлих груп морських тварин, які мали черепашки із фосфату кальцію.

Кам’яне (викопні вищі спорові) та буре (викопні голонасінні) вугілля і торф (мохи) утворилися за особливих умов перетворень відмерлих решток рослин. Поклади залізної руди - це здебільшого наслідки діяльності хемотрофних залізобактерій. Є гіпотези біогенного походження нафти, природного газу, горючих сланців тощо.

Організми беруть участь й у вивітрюванні (руйнуванні) гірських порід. Наприклад, лишайники, оселяючись на скелях, виділяють органічні кислоти, які руйнують гірські породи.

Організми забезпечують основні ґрунтоутворювальні процеси: розпад органічної речовини до мінеральних сполук, утворення гумусу та його розпад, руйнування та новоутворення мінеральних сполук. Унаслідок цього мінеральні елементи літосфери включаються у біогенну частину колообігу речовин.

Завдяки життєдіяльності організмів підтримується газовий склад атмосфери. Так, атмосферний кисень має фотосинтетичне походження. Рослинність Землі щорічно поглинає близько 1,7-108 тонн вуглекислого газу і виділяє близько 1,2-108 тонн кисню, який використовують у процесі дихання всі аеробні організми. Живі організми впливають і на концентрацію в атмосфері азоту внаслідок процесів фіксації, нітрифікації та денітрифікації.

Нові терміни та поняття. Біосфера, жива речовина біосфери.

Запитання для повторення: 1. Що таке біосфера та які її межі? 2. Які основні характеристики живої речовини Землі? 3. Які біогеохімічні функції живої речовини? Що таке біогеохімічні цикли? 4. Яка роль живих організмів у перетворенні оболонок Землі?

Проблемне завдання. Обґрунтуйте, чому біосфера не становить окремої оболонки Землі.