Підручник з Біології і екології. 11 клас. Шаламов - Нова програма

§ 20. Біосфера

Біосфера об'єднує всі екосистеми Землі

Коли йшлося про екосистеми, то ми зауважували, що їхній розмір може суттєво відрізнятися: і невеличке лісове озерце, і гігантський тропічний ліс можна розглядати як єдину екосистему. Кордони екосистем зазвичай умовні, й організми спроможні легко їх перетинати та взаємодіяти з організмами з інших екосистем. Зрештою, усі екосистеми Землі пов'язані між собою спільною атмосферою, міграцією організмів, колообігами речовин, потоками енергії в глобальну світову екосистему, яка має назву біосфера. Біосфера, як і будь-яка екосистема, містить біотичний та абіотичний компоненти — усіх живих істот планети й середовище їхнього мешкання відповідно. Поняття «біосфера» 1875 року запропонував австрійський учений Едуард Зюсс, але найповніше розвинув концепцію біосфери у своїх працях Володимир Вернадський — геніальний учений, перший президент Української академії наук.

Межі біосфери визначаються діапазоном толерантності найвитриваліших організмів

Межі біосфери визначаються межами зустрічності організмів у воді, повітрі та в землі (рис. 20.1), які залежать від діапазону толерантності живих істот. Нижня межа біосфери знаходиться на глибині кількох кілометрів у літосфері. Зі зростанням глибини збільшується й температура, тому хемоавтотрофні бактерії не виживають на великих глибинах. У гідросфері нижня межа біосфери сягає дна, оскільки організми існують у воді на всіх глибинах. Верхня межа біосфери сягає 20-22 км у атмосфері1. Максимальна висота поширення живого визначається озоновим шаром (20-30 км), вище за який ультрафіолетове випромінювання знищує всі живі організми.

Більшість організмів мешкає в набагато вужчому шарі — від глибини кількох метрів під землею до кількох десятків метрів над поверхнею Землі. У планетарних масштабах біосфера невелика: її маса становить лише 0,1 % маси Землі, а сумарна маса організмів — лише одну мільйонну маси біосфери. Однак організми (а також людина) є одним із найважливіших геологічних факторів, що видозмінює обличчя нашої планети.

1 Утім, у 2017 році життєздатні спори бактерій було знайдено на поверхні Міжнародної космічної станції на висоті 400 км.

Рис. 20.1. Межі біосфери

Біосфера має властивості глобальної екосистеми

Біосфера є величезною екосистемою, розміром із цілу планету! Разом із тим, для неї характерні властивості, спільні для всіх екосистем. Сукупність компонентів біосфери характеризується величезним різноманіттям організмів і середовищ їхнього мешкання. Біосфера — це найбагатша на види екосистема на Землі. Наразі на нашій планеті мешкає до 9 млн видів організмів, а загалом за всю історію біосфери налічують понад 100 млн видів.

Як і окрема екосистема, біосфера має стійкість і здатність до саморегуляції, що забезпечуються розгалуженістю трофічних мереж і видовим різноманіттям. Завдяки міжвидовим взаємодіям, обміну організмами між екосистемами (наприклад, перельотам птахів, міграціями риб) і сукцесіям біосфера підтримує свою сталість у часі. Саме завдяки стійкості біосфера вже кілька разів переживала масштабні катастрофи (наприклад, кисневу катастрофу, льодовикові періоди), після яких утрачала мільйони видів (чого вартує лише крейдяно-палеогенове вимирання, під час якого загинули динозаври разом із майже 75 % усіх видів Землі), але все одно відновлювалася.

Біосфера характеризується централізованістю. Як зазначав Володимир Вернадський, «організми формують основу біосфери та є її центральним компонентом».

Біосфера — відкрита система, тобто вона обмінюється речовиною й енергією з іншими системами. Насамперед, це стосується сонячної енергії, без надходження якої існування біосфери є неможливим. У ній наявний потік енергії, яка поглинається організмами, передається ланцюгами живлення й вивільняється до космічного простору у вигляді теплоти. Водночас надходження речовин до біосфери ззовні обмежене, тому ще одна її властивість — наявність замкнених колообігів речовин. Саме вони забезпечують тривале існування біосфери без виснаження власних ресурсів (докладніше про колообіги йтиметься в наступному параграфі).

Жива речовина біосфери виконує важливі функції

Володимир Вернадський у понятті «жива речовина» об'єднав усю сукупність організмів планети, тобто біотичний компонент біосфери. Для живої речовини характерна наявність власного запасу енергії, що проявляється в процесах зміни довкілля, розмноження й поширення. Завдяки виконанню енергетичної функції живою речовиною на планеті Земля сонячна енергія акумулюється й використовується для зміни довкілля. Без біосфери енергія Сонця не спричиняла б значних геологічних змін, а також не могла б запасатися й використовуватися тривалий час після свого поглинання.

Завдяки ферментам жива речовина здійснює хімічні процеси набагато швидше, ніж вони відбуваються в неживій природі. Організми відповідальні за реалізацію окисно-відновної функції — значна кількість процесів окиснення й відновлення відбуваються винятково в організмах. Це забезпечує перехід хімічних елементів із одних сполук в інші, що є основою біогеохімічних колообігів елементів (рис. 20.2, А). Так, азотфіксувальні бактерії перетворюють азот на амоніак, сіркобактерії — окиснюють сполуки Сульфуру, а рослини — відновлюють сполуки Карбону.

Рис. 20.2. Реалізація біосферних функцій

А. Залізобактерії окиснюють сполуки Fe2+ у сполуки Fe3+, які й зумовлюють іржавий колір води. Б. Водні фотосинтезувальні організми є основними продуцентами кисню в біосфері.

Організми намагаються обжити кожну доступну ділянку Землі, адаптувавшись і змінивши умови середовища. У цьому полягає функція утворення середовища, що її здійснює жива речовина. Завдяки ній мінеральні породи руйнуються і включаються до колообігу елементів. Також жива речовина постійно перетворюється: організми вмирають і народжуються знову, рештки розкладаються. Усе це забезпечує рух хімічних елементів і впливає на умови існування.

Постійний склад атмосфери підтримується діяльністю живої речовини. Організми поглинають і виділяють гази, і регулюючи таким чином їх уміст у повітрі. При цьому вони виконують газову функцію (рис. 20.2, Б). Поява киснеутворювальних організмів-фотосинтетиків змінила вигляд Землі й уможливила виникнення озонового шару, завдяки якому життя змогло вийти на суходіл.

Концентраційна функція полягає в накопиченні хімічних елементів у значно більших обсягах, ніж вони є в неживій природі. Наприклад, органічні речовини містять багато Карбону, Гідрогену, Оксигену й Нітрогену, на сполуки Кальцію та Фосфору багаті скелети тварин, а бурі водорості запасають Йод. Саме тому склад живої природи суттєво відрізняється від складу неживої.

Для кожного біому характерний свій тип рослинності

Різні регіони континентів відрізняються кількістю сонячного світла й опадів. Унаслідок зміни температури зі зміною географічної широти й висоти суші над рівнем моря, а також кількості опадів у окремих місцях сформувалися кілька природно-кліматичних зон суходолу, сукупність екосистем яких утворює біоми (рис. 20.3). До складу кожного біому входять рослинні й тваринні угруповання певного регіону із певним кліматом.

Основою для виокремлення того чи того біому є домінантний тип рослинності. Наприклад, у степу переважає трав'яниста рослинність, а в пустелях — сукулентні рослини. А вже залежно від типу рослинності й абіотичних умов різні види тварин «обживають» певний біом. За різними класифікаціями кількість біомів відрізняється. Ми ж розглянемо лише основні з них.

Найпівнічнішими біомами є тундри. Також вони зустрічаються на високогір'ї. Для тундри характерні тривалі низькі температури й короткий період тепла. Основою цього біому є лишайники, злаки й карликові дерева (рис. 16.3, А). Південніше, ніж тундра, розташована тайга, основою якої є хвойні дерева (рис. 15.4). Хвойні ліси тайги небагаті на кущі й трав'янисту рослинність через значну затіненість, що виникає під деревами. Хоча для тайги також характерні тривалі періоди морозів, продуктивність екосистем цього біому набагато більша за таку в тундрових.

Рис. 20.3. Поширення наземних біомів

А. Умови в наземних біомах. Б. Географічний розподіл біомів.

1 - тундра, 2 - тайга (хвойний ліс), 3 - листопадний і мішаний ліс, 4 - степ, 5 - пустеля, 6 - саванна, 7 - тропічний ліс.

У помірних широтах переважають два типи біомів: листопадні й мішані ліси (рис. 16.1, А) та степи (рис. 16.5, Б). Тут мають яскравий прояв сезонні зміни. Ці біоми зазнали найбільшого впливу людини, оскільки саме в них розташовані осередки розвитку цивілізації. Характерною особливістю степів є наявність великих травоїдних тварин: коней, бізонів, кенгуру.

У тропіках і на екваторі великі площі займають савани (рис. 20.4, А). Протягом року в них спостерігається велика кількість опадів у дощові сезони й тривалі посухи між ними. Тому саме волога є визначальним фактором сезонності, на відміну від температури в степах помірного клімату. Окремі дерева саван (це здебільшого акації) адаптовані до витримування тривалої спеки. Як і в степах, тут живе велике різноманіття копитних травоїдних — антилоп, зебр, жирафів.

Вологі тропічні ліси поширені вздовж екватора в Африці, Південній Америці та Південній Азії. У цих біомах існує найбільше видове різноманіття організмів і яскраво виражена ярусність (рис. 16.3, Б). У тропічних лісах є надзвичайно ефективний колообіг речовин, завдяки якому в лісі постійно існує значна кількість організмів.

Пустелі вирізняються малою кількістю опадів (менше 250 мм на рік). Домінантними видами цих біомів є сукулентні рослини (кактуси, верблюжі колючки, молочаї), що здатні витримувати спеку, однорічні швидкорослі рослини та посухостійкі кущі (рис. 20.4, Б). Їхнє життя цілком залежить від води: якщо тривалий час немає опадів, то екосистеми біднішають на види або взагалі зникають.

Рис. 20.4. Приклади наземних біомів

А. Африканська савана. Б. Пустеля Гобі.

Концепція ноосфери спрямовує людство на відповідальне ставлення до природи

Кінцевою вищою стадією розвитку біосфери Володимир Вернадський уважав формування ноосфери1 — стану біосфери, за якого людська діяльність буде визначальним фактором її розвитку. Концепція ноосфери доволі складна для розуміння, але можна сформулювати кілька основних положень, що характеризують уявлення вченого.

  • Розселення людини по всій планеті та повне панування над рештою видів.
  • Глобалізація, зміцнення зв'язків між державами, формування глобальних інформаційних систем.
  • Використання нових джерел енергії, що дає змогу людям стати найважливішою геологічною силою на планеті.
  • Розвиток демократії, зростання добробуту людей, припинення війн.
  • Розвиток науки, створення умов для вільного розвитку наукової думки, зростання ролі науки в житті людей.
  • Розширення біосфери шляхом космічної експансії людства та підкорення інших планет.

Реалізація рис, наведених Володимиром Вернадським, повинна дозволити людині гармонійно співіснувати з природою. На жаль, наявність фінансової нерівності між верствами населення (мало багатих і багато бідних) і низький рівень добробуту спричиняють споживацьке ставлення до довкілля: люди шукають спосіб вижити, їх мало турбують глобальні екологічні проблеми. «Роздуті» штучні потреби людей (кращі навушники щомісяця, модні кросівки щосезону, потужніший гаджет щороку) і неусвідомлення цього «висмоктують» ресурси з природи, перетворюючи останні на викиди й сміття. Крім того, наукове невігластво, недалекоглядність через нерозуміння наслідків своїх дій спричиняють катастрофічні впливи на природу. Людство так і не змогло побороти війни, які є одним із найгірших екологічних лих, під час яких планетарні ресурси використовуються й винищуються заради економічних і політичних амбіцій окремих осіб. Нам повсякчас важливо пам'ятати про основні ознаки ноосфери і, якщо люди хочуть ще довго жити на цій планеті, уживати невідкладних заходів задля їх досягнення.

1 Від грец. nous — розум і sphaera — куля.

Цікаве життя

Життя під ковпаком: чи можливе виживання в штучній біосфері?

З розвитком космонавтики постало питання: чи може людина вижити в замкненій штучній екосистемі. Для дослідження цього питання у 1999 році в Аризоні було завершено будівництво матеріально замкненої моделі земної біосфери — проекту «Біосфера-2». На площі у 1,27 га, ізольованій від довкілля скляними панелями, розмістили сім біомів, що були спрощеними моделями тропічного лісу, океану, савани, мангрових боліт, пустелі, агроекосистеми з рослинами й тваринами та населеного пункту. Уся штучна біосфера містила 3 тис. видів тварин і рослин та повинна була функціонувати за рахунок енергії сонячного світла й забезпечувати виживання учених-біонавтів. Додатково доводилось підігрівати й охолоджувати воду та повітря, а також підтримувати сталу вологість атмосфери. Утім обмін речовинами між штучною біосферою і довкіллям було обмежено.

Перший експеримент у «Біосфері-2» тривав два роки й у ньому взяли участь вісім людей. На жаль, він виявився невдалим. Через інтенсивний розвиток мікроорганізмів концентрація кисню в атмосфері впала з 21 % до 14 %, і час від часу до екосистеми закачували його додаткові порції. Продуктивність агроценозу була недостатньою, і люди голодували — у середньому всі схудли на 16 %, але при цьому деякі показники здоров'я біонавтів та біонавток покращились. Комахи-запилювачі й усі хребетні в природних біомах загинули, зате поширилися таргани й мурахи, яких не заселяли на початку. Дерева через відсутність вітру почали втрачати міцність і падати. Ба більше, біонавти розділилися на дві фракції, що мали неприязні взаємини між собою. Другий експеримент через саботаж зі сторони попередніх учасників і їх прихильників та відсутність фінансування припинили через півроку від початку, хоча й забезпечення людей їжею вдалося покращити.

Цікаво, що експеримент «Біосфера-2» знайшов відгомін у літературі: 2016 року американський письменник Том Корагессан Бойл описав процес дослідження в художній книзі «Терранавти» («The Terranauts»).

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Визначте найнижчу межу біосфери відносно рівня моря.

  • А уранова шахта глибиною 3 км
  • Б океанічне дно на глибині 2 км
  • В верхня мантія на глибині 20 км
  • Г підводна печера глибиною близько 1 км

• 2. Централізованість біосфери забезпечується

  • А реалізацією функцій живої речовини
  • Б значним видовим різноманіттям
  • В здатністю рослин акумулювати сонячну енергію
  • Г сталістю умов неживої природи

• 3. Проаналізуйте рисунок 20.3, Б і визначте, які біоми найбільш характерні для України.

  • А тайга та листопадний і мішаний ліс
  • Б степ і пустеля
  • В степ та листопадний і мішаний ліс
  • Г тайга й степ

• 4. Умовою існування тропічного лісу є швидкий колообіг речовин, оскільки

  • А для цього біому характерна низька продуктивність
  • Б у тропічному лісі швидко відбувається розкладання решток
  • В сюди надходить дуже мало світла
  • Г температура довкілля надзвичайно мінлива

• 5. Увідповідніть функцію живої речовини з її реалізацією.

  • 1 окисно-відновна
  • 2 енергетична
  • 3 концентраційна
  • 4 газова
  • А виділення вуглекислого газу в процесі дихання рослин
  • Б перетворення сполук Fe2+ у сполуки Fe3+
  • В запасання Сульфуру в складі овальбуміну яйця
  • Г розкладання мертвих решток
  • Д утворення АТФ у хлоропластах на світлі

У житті все просто

• 6. Порівняйте у вигляді таблиці температуру, вологість і різноманіття рослинного й тваринного світу різних біомів. Як біорізноманіття залежить від температури й вологості?

• 7. Поясніть, чому організми займають усі придатні для життя місця на Землі.

• 8. Доведіть, що деякі риси ноосфери характерні для сучасної біосфери.

У житті не все просто

• 9. Останнім часом для вивчення біосфери почали використовувати космічні апарати. Із якою метою і як їх застосовують? Що вдалося з'ясувати з їхньою допомогою?

• 10. Значна кількість наукової спільноти вважає концепцію ноосфери ненауковою й філософською. Чому вони так думають? Чи є екологам що відповісти на подібні закиди?