Природничі науки. 2 частина. 11 клас. Гільберг

Жива оболонка планети

На відміну від інших оболонок Землі, біосфера не має власних меж, вона простяглася в межах інших оболонок. Біосфера охоплює нижню частину атмосфери (до висоти озонового шару), усю гідросферу й верхні шари літосфери (мал. 11.6). Її максимальна товщина сягає близько 30 км, що порівняно з радіусом Землі становить лише 0,55 %. Це зайвий раз свідчить про тендітність і вразливість живої оболонки нашої планети.

Межі біосфери визначено умовами існування життя. До них відносять воду, мінеральні речовини, кисень, вуглекислий газ у необхідних для життєдіяльності кількостях, а також сприятливий температурний режим, ступінь солоності води у водоймах, рівень радіації тощо. В. Вернадський уважав, що життя можливе всюди: від термальних джерел (де температура може сягати 100 С) і вічних снігів Гімалаїв до пустель чи солоних озер. Сьогодні з’ясовано, що межі температур, за яких може існувати життя (латентний стан), становлять від практично абсолютного нуля до +180 С; тиск — від частки атмосфери на значній висоті до 1000 і більше атмосфер на великих глибинах. Наприклад, для деяких бактерій значення верхньої межі критичного тиску сягає 12 · 108 Па (12 тис. атм). Насінини та спори рослин в анабіозі2 зберігають життєздатність у вакуумі.

Мал. 11.6. Межі біосфери

Організми можуть існувати в широкому діапазоні хімічних умов середовища. Так, перші живі істоти Землі жили в безкисневому середовищі. Деяким сучасним організмам, зокрема й багатоклітинним, властивий анаеробний (безкисневий) режим (наприклад, тіонові бактерії витримують децимолярні розчини сульфатної кислоти, а нематоди мешкають у чанах з оцтом, що утворився внаслідок бродіння).

Найсприятливіші умови для життя в місцях зіткнення трьох оболонок планети — атмосфери, літосфери й гідросфери. Місця, у яких максимально сконцентровані живі організми, називають «плівками життя».

Поширення життя в атмосфері обмежено переважно її нижнім шаром — тропосферою. Наприклад, максимальна висота польоту птахів близько 7 км; комахи в повітряному середовищі піднімаються не вище 6 км. Фотосинтезувальні рослини не ростуть у горах вище 6 км через те, що там немає води та низький уміст вуглекислого газу. Вертикальне поширення організмів в атмосфері за межі озонового шару лімітоване згубною дією ультрафіолетової радіації.

Межа поширення живої речовини в літосфері не опускається нижче 3-4 км. На цій глибині трапляються лише анаеробні бактерії. Найбільшу густину живої речовини (до 99 %) у літосфері виявлено в поверхневому шарі земної кори — ґрунті. Найбільшу кількість становлять ґрунтові бактерії (до 500 т/га), у поверхневих шарах живуть зелені водорості й ціанобактерії, крім того, ґрунт пронизаний корінням рослин, гіфами грибів. Він є середовищем існування багатьох тварин. Обмежувальним чинником (лімітувальним фактором) поширення життя в літосфері є висока температура.

Організми населяють усю товщу гідросфери, аж до максимальних її глибин. У водах Світового океану виявлено майже всі типи органічного світу — від найпростіших організмів до ссавців. На відміну від тварин, рослини мешкають лише у верхніх шарах води, де є доступ до сонячної енергії, оскільки водорості перетворюють таку енергію на хімічну в процесі фотосинтезу, третина якого припадає на Світовий океан. Хоча гідросфера й укриває 2/3 поверхні Землі, біомаса водних організмів становить 0,003 • 1012 т, у той час як біомаса всіх живих організмів — 2,43 • 1012 т (суха речовина). У Світовому океані частка рослин дорівнює 6,3 %, а тварин — 93,7 %. Це зумовлено тим, що використання організмами сонячної енергії у воді становить лише 0,04 %, а на суходолі — до 1 %.

Останніми десятиріччями межі біосфери розширено в результаті діяльності людини, яка відправляє в політ штучні супутники Землі й космічні кораблі, де проводять досліди з різними організмами. Усе глибше проникають у надра Землі бурові інструменти геологів, а з ними — й мікроорганізми (пригадайте найглибшу у світі свердловину). Та це вже штучні межі біосфери, яку людство називає техносферою (мал. 11.7). Унаслідок діяльності людини та її подальшого проникнення у космос та глибини Землі межі техносфери постійно розширюватимуться.

Мал. 11.7. Техносфера

Біосфера — це вищий ієрархічний рівень організації життя на планеті, екосистема першого порядку або глобальна екосистема. Її складниками є всі екосистеми Землі разом з їхніми біотичними (організми різних видів) і абіотичними (ґрунт, повітря, вода) компонентами, потоками речовини та енергії. Тож упродовж вивчення курсу «Природничі науки» ви постійно розширюватимете знання про біосферу.

На думку В. Вернадського, структуру біосфери визначають шість типів речовин (основні структурні компоненти). Кожному з них властива специфічна, динамічна структура й організація (мал. 11.8).

Мал. 11.8. Структурні компоненти біосфери

Біосфера не просто одна з оболонок Землі, це організована оболонка, що охоплює всю сукупність організмів і ту частину речовини планети, яка перебуває в безперервному обміні з ними. Три зовнішні оболонки Землі, що різняться фазовим станом — тверда земна кора, рідка гідросфера й газоподібна атмосфера — дуже тісно пов’язані між собою, причому речовина кожної з них проникає в межі інших оболонок. Тобто вони не лише стикаються, а й взаємодіють між собою. Верхня частина земної кори насичена підземними водами. Значний обсяг газів міститься не тільки в атмосфері, а й розчинений у водах гідросфери, а також заповнює порожнечі в ґрунті й гірських породах. А пари та дрібні крапельки води, а також дрібні тверді мінерали (пил) насичують нижні шари атмосфери.

Жива речовина та продукти життєдіяльності організмів буквально пронизують усі вищезгадані оболонки. Походження оболонок, формування їхнього сучасного хімічного складу та його подальша еволюція тісно взаємопов’язані. І цей зв’язок значною мірою зумовлений тим, що зовнішня частина планети охоплена геохімічною діяльністю живої речовини.

Ознайомимося докладніше з особливостями хімічного складу основних компонентів біосфери: земної кори, гідросфери, атмосфери та, власне, живої речовини.

Масу земної кори оцінюють у 28,46 • 1018 т, гідросфери — у 1,47 • 1018 т (тобто майже в 20 разів менше), а атмосфери — лише в 0,005 • 1018 т. З-поміж цих трьох геосфер, вочевидь, провідна роль, безперечно, належить земній корі, оскільки її загальна маса багаторазово перевищує сумарну масу двох інших оболонок. Загальна маса живої речовини, за сучасними оцінками становить лише близько 0,00001 % маси земної кори (табл. 11.1).

Таблиця 11.1. Співвідношення мас оболонок Землі

Оболонки Землі

Маса, т

Відношення до маси живої речовини

Жива речовина

2,4 • 1012

1

Атмосфера

5,15 • 1015

2146

Гідросфера

1,5 • 1018

602 500

Земна кора

2,8 • 1019

1 670 000

Отже, саме земна кора містить основний резерв хімічних елементів, які беруть участь у міграційних процесах, зокрема й під упливом живої речовини (мал. 11.9). Концентрація й розподіл хімічних елементів у земній корі впливає на склад організмів.

Мал. 11.9. Масові частки (%) хімічних елементів в основних сферах Землі та Землі в цілому

Проаналізуйте діаграми, наведені на малюнку 11.9, і визначте, масова частка якого хімічного елемента в основних сферах Землі є найбільшою.