Сучасні уявлення про біосферу та її межі

Живі істоти (рослини, тварини, мікроорганізми) живуть на поверхні Землі, в її атмосфері, гідросфері, верхніх шарах літосфери, утворюючи оболонку або сферу життя — біосферу. Вперше цей термін вжив австрійський вчений Е. Зюсс у 1875р., але поширився він після праць нашого видатного вченого, засновника та першого президента Академії наук України, В. І. Вернадського. Він довів, що живі організми відіграють дуже важливу роль у процесах, котрі 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.

Людина, як біологічна істота, також є складовою частиною біосфери. Вона не може існувати в іншому середовищі, ніж те, що склалось на планеті за її довгу історію — не може дихати повітрям іншого складу, не може пити води, забрудненої шкідливими домішками, не може жити при іншому, ніж сьогоднішнє, напруженні планетного магнітного поля і т. д. Негативно діє на здоров'я й психіку людини зміна звичайних умов її існування, заміна природних ландшафтів "кам'яними джунглями" міст — перенаселених, перенасичених хімічним смогом, електромагнітними полями, шумом, насильством.

Пристосовуваність живих організмів вражає. Живі бактерії виявлено в гарячих гейзерних джерелах з температурою води 98⁰С, а також в тріщинах антарктичних льодовиків, де температура рідко коли піднімається вище 0°. Бактерії живуть у глибинних водах Чорного моря, насичених сірководнем, деякі бактерії виявлено навіть в атомних реакторах. Живу спору бактерії було виявлено в одній із трубок американської космічної станції, яка три роки перебувала на поверхні Місяця — вона потрапила туди з Землі й зберегла життєздатність, незважаючи на перебування в умовах космічного вакууму, різких коливань температури й високого рівня радіації.

Одним з проявів біологічної активності організмів є швидкість їх розмноження. За ідеальних умов (теоретично) вона може досягти швидкості звуку. Французький вчений К. Лінней якось підрахував, що три мухи можуть з'їсти тушу антилопи з такою ж швидкістю, як це робить лев (враховуючи швидкість розмноження мух). Одноклітинна водорость діатомея теоретично здатна за вісім днів створити масу живої матерії, що дорівнює земній, а протягом наступного дня подвоїти її.

Суха маса живої речовини на Землі оцінюється у 2—3 трлн т. Це порівняно з основними сферами планети дуже мала величина: вона в 1000 разів менша за масу тропосфери, в 10 млн разів — земної кори і в мільярд — за масу Землі. Проте жива речовина відрізняється від неживої надзвичайно високою активністю, зокрема дуже швидким круговоротом речовин. Уся жива маса біосфери оновлюється за 33 доби, а фітомаса (тобто маса рослин) — щодня. Життєдіяльність тварин, рослин і мікроорганізмів супроводжується безперервним обміном речовин між організмами та середовищем їхнього життя, внаслідок чого всі атоми земної кори, атмосфери й гідросфери за історію Землі багаторазово входили до складу живих організмів. Образно кажучи, ми п'ємо воду, що колись входила до складу тканин юрських папоротей і кембрійських трилобітів, і дихаємо повітрям, яким дихали не лише наші далекі предки, а й, скажімо, динозаври.

Жива та нежива речовина на Землі становлять гармонійне ціле, що, власне, й називається біосферою. Згідно з образним виразом російського вченого М. Вассоєвича, «біосфера — це й мешканці, й дім, і ми в нім». 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".

Живі істоти Землі складають три типи організмів:

1. Продуценти, або автотрофи,— організми, що створюють (продукують) органічну речовину з води, вуглекислого газу й мінеральних солей, використовуючи для цього сонячну енергію. У цю групу входять також зелені рослини, їх на Землі налічується близько 350 тис. видів.

2. Консументи, або гетеротрофи,— організми, що отримують життєву енергію, харчуючись рослинами чи іншими тваринами. Це травоїдні тварини, хижаки, паразити, хижі рослини (такі, як росянка) та гриби. Таких організмів на Землі найбільше — близько 1,5 млн видів.

3. Редуценти — організми, що розкладають органічну речовину продуцентів і консументів до простих сполук — води, вуглекислого газу й мінеральних солей, замикаючи таким чином кругообіг речовин у біосфері, їх на Землі близько 75 тис. видів; це — мікроорганізми.

Вчені оцінили також кількість усіх живих особин, що населяють Землю,— 10²⁷ (одиниця з 27 нулями після неї). Вся ця величезна маса живих істот перебуває в надзвичайно складних взаємовідносинах між собою і з неживою речовиною біосфери. Кількість можливих зв'язків між членами якої-небудь екологічної системи визначається за формулою:

A=N(N – 1) / 2

де А — число зв'язків, N — число видів в екосистемі. Якщо, наприклад, у якійсь екосистемі знаходиться 1 тис видів, то число зв'язків і взаємозалежностей між ними буде обчислюватися як, 1000 x 999 / 2 тобто становитиме приблизно 500 тис. Серед цих численних зв'язків є малосуттєві, а є надзвичайно важливі, незамінні. Втручання людини в біосферні взаємозв'язки, про значення яких вона здебільшого не має правильного уявлення, часто приводить до негативних наслідків. Наприклад, у 30-ті роки в Норвегії було вирішено відстріляти хижих птахів (полярних сов та яструбів), які, як вважалося, винищували багато цінних промислових птахів — полярних куріпок. Оголошені пільги та премії сприяли повсюдному відстрілу мисливцями хижих птахів. Одразу ж після цієї акції серед куріпок спалахнула епідемія, що майже повністю знищила їх популяцію. Як з'ясувалося, сови та яструби в природі виконували роль санітарів, що поїдали в першу чергу хворих, ослаблених куріпок (їх легше ловити) і таким чином запобігали поширенню епідемії.

У цілому біосфера дуже схожа на єдиний гігантський суперорганізм, у якому автоматично підтримується гомеостаз — динамічна сталість фізико-хімічних та біологічних властивостей середовища та стійкість його основних функцій. З точки зору кібернетики (теорії керування), в кожному біоценозі, тобто сукупності організмів, що населяють певну ділянку суші чи водойми, є керуюча й керована підсистеми. Роль керуючої підсистеми виконують консументи. Вони не дають рослинам занадто розростатися, поїдаючи «зайву» біомасу. За травоїдними пильно «стежать» хижаки, запобігаючи їх надмірному розмноженню й знищенню рослинності. Керуючою підсистемою для хижаків є інші хижаки та паразити, якими в свою чергу «керують» надпаразити (хвороботворні мікроорганізми), і т. д. Тому на Землі так багато видів живих організмів. Серед них нема «зайвих» чи «шкідливих», такі епітети їм дає людина. Особливістю зв'язків у біосфері є й те, що керуюча й керована підсистеми в ній часто міняються місцями. Так, зменшення кількості рослинного корму спричинює зниження чисельності хижаків і паразитів через механізм зворотного зв'язку.

Біосферні зв'язки складалися протягом дуже тривалого часу. В екосистемах немає нічого зайвого, непотрібного. Тому нічого, крім обурення, не навіює картина приміського осіннього лісу, після того, як там пройшли грибники. Збираючи «корисні» гриби — маслюки, лисички, опеньки та ін., грибники пошкоджують «шкідливі» гриби — мухомори, поганки, їм невтямки, що мухомори й поганки є необхідною ланкою в екосистемі лісу, оскільки їх міцелій розкладає ті органічні рештки, якими не харчуються інші гриби, отже, вони підтримують рівновагу екосистеми лісу.

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 мільярдів років». Стійкість біосфери, за Вернадським, виявляється в сталості її загальної маси (10¹⁹ т), маси живої речовини (10¹⁵ т), енергії, зв'язаної з живою речовиною (10¹⁸ ккал), і переднього 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 з самого почату 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.

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 невпізнанне, але ці зміни не вплинули ні на загальну кількість живої речовини, ні на її валовий склад.