Біосфера як глобальна екосистема

4.1 Зміст поняття „біосфера"

Термін «біосфера» (БС) утворений з грецьких слів «bios» - життя і «sphaira» - сфера. Найбільш близько до сучасного поняття підійшов французький дослідник Ж.Б. Лама/ж в 1802 р., який створив першу цілісну концепцію еволюції живої природи (ламаркізм), ввів термін «біологія» і відзначив істотний вплив живих організмів на процеси, що протікають на земній поверхні. Ж.Б. Ламарк не сформулював досить чітко це поняття. Уперше термін «біосфера» з'явився в роботі відомого австрійського геолога Е. Зюсса «Походження Альп» (1875 р.), в якій він виділив атмосферу, гідросферу, літосферу і біосферу (сферу життя). Спеціально вивченням біосфери Е. Зюсс не займався, уявлення про неї не розвивав і розглядав її як оболонку, яка залягає над сухопутною і водною поверхнями, або обмежену в часі і просторі сукупність організмів на поверхні Землі.

Основоположником сучасних уявлень про БС є наш великий співвітчизник В.І. Вернадський (1863-1945). Наукові ідеї, покладені в основу вчення про БС, В. І. Вернадський розвивав в окремих статтях, а пізніше в лекціях, прочитаних в 1922-1923 рр. в Кардовому університеті у Празі та у Сорбонні. Він ввів цей термін в ужиток, систематизував проблему в монографії «Біосфера» (1926 р.), утворив узгоджене учення про БС як сферу поширення життя, особливої оболонки нашої планети. Геніальні дослідження В.І. Вернадського набули важливого значення, зокрема, вони стали основою для вирішення однієї з найважливіших проблем сучасності - проблеми охорони і раціонального використання навколишнього природного середовища.

Поверхню Землі В.І. Вернадський розглядав як якісно своєрідну оболонку, розвиток якої в значній мірі визначається діяльністю організмів. Суть учення про БС полягає в тому, що вища форма розвитку матерії на Землі - життя - усереднює інші планетарні процеси, тобто сукупна діяльність живих організмів (в т.ч. людини) виявляється як геохімічний фактор планетарного масштабу і значення. В.І. Вернадський розглядав БС не як просту сукупність живих організмів, а як єдину термодинамічну систему (оболонку, простір), в якій відбувається постійна взаємодія усього живого з неорганічними умовами довкілля. Він та його послідовники (М.С. Будика, М.Б. Вассоєвич, М.С. Соколов, Ф.Я. Шипунов, О.М. Яншин, М.А. Голубець та ін.) вважають, що БС включає в себе область активного життя, що охоплює нижні шари атмосфери (тропосфери), Всесвітній океан, поверхню суші з біогенними ландшафтами і, нарешті, частину земної кори, в якій на глибинах в сотні й тисячі метрів у підземних водах існують мікроорганізми. Склад і будова БС зумовлені сучасною і минулою життєдіяльністю всієї сукупності живих організмів (живої речовини).

Життя належить до «холодних» явищ, які відбуваються в нижній шкалі температур (від - 270 до +150^oС), однак більшість організмів витримує температуру від 0 до 80°С. Оптимальна температура, при якій проявляється найвища активність організмів, - у межах 0 - 30°С [7].

Верхня межа БС, за В.І. Вернадським, є променевою (зумовлена наявністю короткохвильового ультрафіолетового проміння, від якого життя Землі захищає озоносфера), а нижня - термічною (наявністю високих температур). Межі БС звичайно визначаються від рівня 20-22 км над земною поверхнею до 11 км в глибину океану (і на найбільших глибинах є форми життя). Фактично потужність БС набагато менша: від поверхні Землі до 6-7 км над нею, тобто приземний шар атмосфери (аеробіосфера), де зберігаються умови, за яких ідуть нормальні біохімічні процеси, до глибинної ізотерми 100° С на суші (за даними надглибокої свердловини на Кольському півострові близько 6 км від земної поверхні) і максимальної глибини 10924-11034 м в океані. За даними Ф.Я. Шипунова (1980 р.), найбільшу товщину БС має на тропічних широтах - 22 км, найменшу - на полярних - 12 км. На відміну від сучасної БС, доцільно вирізняти також колишні БС (метабіосферу за М.Б. Вассоєвичем), тобто багатокілометрову товщу літосфери, на склад якої в минулі часи вплинуло функціонування живої речовини.

У роботах В.І. Вернадського немає універсального поняття БС і синтезом робіт, присвячених БС, є його труд «Хімічна будова БС і її оточення» (М., 1965), виданий більш ніж через 20 років після смерті вченого. Виходячи з цієї роботи, БС - цілісна геологічна оболонка Землі, заселена життям і якісно перетворена ним в напрямі формування і підвищення життєвих властивостей. Живі організми є функцією БС та матеріально і енергетичне з нею пов'язані, є величезною геологічною силою, що її визначає. Внаслідок обмінних процесів змінюються не тільки самі організми, але і навколишнє абіотичне середовище. Гірські породи, повітря, вся поверхня суші під впливом організмів стають біогенними. Змінюється хімічний склад компонентів абіогенної природи, стає іншою динаміка фізико-хімічних процесів, які відбуваються в них, з'являються нові закономірності взаємодії і розвитку тіл неживої природи, що в свою чергу зумовлює нові зміни у всій сукупності організмів, які її населяють. Як організм не може бути зрозумілий поза єдністю з неживою природою, так і нежива природа в межах БС не може бути зрозуміла досить повно без урахування впливу з боку організмів.

Жива речовина відіграє виняткову роль як джерело енергії не тільки в живій, але і в значній частині неживої природи. Особливо велика в цьому відношенні роль продуцентів, які перехоплюють сонячну енергію в процесі фотосинтезу і трансформують її в енергію зв'язку органічних сполук. З розвитком фотосинтезу реакції окислення на планеті стали у багато разів інтенсивнішими ніж в добіосферний період, і в цьому полягає особливе його значення. В.І. Вернадський припускав, що в геологічному минулому верхні шари БС, збагачені енергією живої речовини, поступово опускались в зони високих температур і тиску, віддаючи надмірну енергію земним надрам.

Взаємозв'язок різних видів організмів в БГЦ (ЕС) такий, що продукти життєдіяльності одних видів, шкідливі для них самих, виступають умовою життєдіяльності інших, тобто забезпечується циклічність обмінних процесів, їх замкненість. Кожний вид прагне збільшити свою біогеохімічну енергію, тому виживають тільки ті види, які це роблять найбільш ефективно, сприяючи загальному процесу акумуляції речовини і енергії у БС. Біосферу можна представити як систему взаємопов'язаних між собою БГЦ (ЕС), але це цілісне утворення, в якому розвиваються властивості, відсутні у складових його частинах, однак багато які з властивостей самих частин є результатом саморозвитку БС як органічного цілого.

Як зазначає Ф. Рамад [2], «біосферу можна зобразити як частину планети, яка включає сукупність живих істот і у якій можливе постійне життя».

Для численних характеристик БС основоположними є: І) всюди завжди с вода в рідкому сіпані; 2) в БС постійно проникає сонячна радіація, яка являє собою єдине джерело енергії; 3) існують постійні та різноманітні форми життя.

Дійсно, не вся земна поверхня однаково сприятлива для існування живих організмів. Наприклад, в кратерах діючих вулканів, на свіжих лавових потоках, у високо мінералізованих водах Мертвого моря або на дні Чорного моря практично немає живих організмів; в полярних областях і у високогірних районах немає рослин, птахи можуть з'явитись там тільки тимчасово під час перельотів, а є там тільки бактерії і грибки, тобто поряд з біогенними ландшафтами існують і абіогенні ландшафти (центральні частини Антарктиди і Гренландії, високогірні зони). Подібні крайові зони називаються парабіосферними. Деякі дослідники вважають, що власне БС, парабіосферні зони, тропосфера + стратосфера і верхня частина літосфери складають екосферу. Ю. Одум [3] вважає, що поняття «екосфера» і «біосфера» - це синоніми.

Основними типами речовин БС за В.І. Вернадським є:

1) жива речовина - рослини, тварини і мікроорганізми;

2) біогенна речовина - органічні і органо-мінеральні продукти, створені живими організмами протягом геологічної історії планети (торф, вугілля, горючі сланці, нафта і інші нафтіди - продукти трансформації сонячної енергії, поховані в надрах Землі);

3) косна (нежива) речовина - гірські породи неорганічного походження і вода, які представляють субстрат або середовище для мешкання живих організмів;

4) біокосна речовина - результат синтезу живої і косної речовини (осадові гірські породи, кори вивітрювання, мули, Грунти), співвідношення між^живими і неорганічними компонентами в біокосній речовині варіює в широких межах; 5) радіоактивна речовина; 6) космічна речовина (метеорити, космічний пил).

Як зазначає 0.1. Переяьман [20], до вивчення БС необхідно підходити з позицій системного аналізу, інформаційного підходу і принципу історизму. Сутність системного підходу полягає в розгляді БС як системи, тобто цілісного утворення, що складається з взаємопов'язаних частин. У першу чергу приділяється увага виявленню прямих і зворотних зв'язків. Прямий зв'язок можна зобразити символами А è В, тобто одне явище А (причина) впливає на інше В (наслідок). Наприклад, вплив сонячного випромінювання на процеси, що відбуваються на земній поверхні. Символом зв'оротного зв'язку служить А ó В, тобто не тільки явище А (причина) впливає на інше В (наслідок), але й наслідок (В), в свою чергу, впливає на А. Якщо результат процесу посилює його і система відрізняється від початкового стану, то такий зворотний зв'язок називається позитивним. Так, поява льодовиків збільшує відбиття променів з їх поверхні і сприяє подальшому охолоджуванню, збільшенню зледеніння. Позитивні зворотні зв'язки характерні для біодеградованих систем. Якщо результат процесу ослабляє його і стабілізує систему, відновлює п вихідний стан, то зворотний зв'язок негативний. Такі зв'язки також дуже характерні для БС. Наприклад, надходження СО₂ в атмосферу в епохи активного вулканізму призводило до різкого збільшення фітомаси й торфонакопичення (накопичення вугілля). Виявлення механізму негативного зворотного зв'язку також важливе, оскільки таким шляхом осягаються причини стійкості біокосних систем і БС загалом, що необхідно у вирішенні питань охорони навколишнього середовища.

Значення інформаційного підходу інтуїтивно відчував В.І. Вернадський, коли у статті «Декілька слів про ноосферу» (1944 р.) він відзначував, що не розуміє, як думка, не будучи матерією, викликає великі зміни. Характеризуючи БС, необхідно розглядати не тільки речовинний склад і енергетику цих систем, але й характерні для них інформаційні процеси, які поділяються на ентропійні - спрямовані на втрату інформації, зменшення складності, різноманітності, організації, упорядкування і негентропійні (антиентропійні) - що призводять до збільшення складності, різноманітності, упорядкованості, накопичення інформації [20]. Наприклад, у прокаріотів, які не мають оформленого клітинного ядра і типового хромосомного апарату, спадкоємна інформація реалізовується і передається через ДНК (дезоксирібонуклеїнову кислоту), а у еукаріотів, які мають оформлене клітинне ядро, генетичний матеріал міститься у

хромосомах.

Всі науки про Землю розглядають розвиток природних процесів за мільйони і мільярди років (принцип історизму). Без уявлень про еволюцію БС важко аналізувати як сучасний стан її складових, так і їх можливе змінення внаслідок порушення природно-історичної рівноваги під впливом антропогенних факторів.

Таким чином, виходячи із вчення В.І. Вернадського про БС можливі. такі висновки.

1. Принцип цілісності. Можливо говорити про все життя, про всю живу речовину як про єдине ціле у механізмі БС. Вузькі фізико-хімічні межі існування життя - підтверджують принцип цілісності.

2. Принцип гармонії біосфери та ії організованості. В БС усе враховується й усе пристосовується з тою ж точністю, з тою ж механічністю і з тим ж підпорядкуванням міри і гармонії, яку ми бачимо в струнких рухах небесних світил і починаємо бачити у системах атомів речовини.....•...,

3. Роль живої речовини в еволюції біосфери. На земній поверхні немає хімічної сили, більш постійно діючої, а тому більш потужної за кінцевими наслідками, ніж живі організми у цілому. Лик Землі фактично сформований життям.

4. Космічна роль біосфери в трансформації енергії. В.І. Вернадський підкреслював важливе значення енергії і називав живі організми „механізмами перетворення енергії".

5. Космічна енергія викликає тиск життя, який досягається розмноженням організмів. Розміри популяції зростають до тих пір, поки середовище здатне витримувати її подальше зростання, після чого досягається рівновага. Чисельність коливається біля рівноважного рівню.

6. Розтікання життя є проявою його геохімічної енергії. Дрібні організми розмножаються значно швидше, ніж великі організми. Швидкість передачі (розмноження) залежить від щільності живої речовини.

7. Поняття автотрофності. Автотрофними називають організми, які беруть усі необхідні їм для життя хімічні елементи із оточуючої їх косної матерії і не вимагають для будови свого тіла готових сполук іншого організму.

8. Життя визначається у цілому полем стійкості зелених рослин. Максимальне поле життя визначається крайовими межами виживання організмів. Верхня межа обумовлена променевою енергією (від якої захищає озоновий шар), а нижня межа - високими температурами.

9. Життя залишалось протягом геологічного часу постійним, змінювалися лише його форми.

10. Повсюдність життя в біосфері. Життя поступово, повільно пристосовувалось, захоплювало біосферу, і це захоплення не закінчувалось.

11. Форми знаходження хімічних елементів: гірські породи і мінерали; магми; розсіяні елементи; жива речовина. Згідно із законом бережливості у використанні живою речовиною простих хімічних тіл, організм вводить в себе тільки необхідну кількість хімічних елементів.

12. Постійна кількість живої речовини в біосфері. Кількість живої речовини і кисню в атмосфері приблизно одного порядку (для значних відрізків геологічного часу). Жива речовина є посередником між Сонцем і, Землею.

13. Будь-яка система досягає стійкої рівноваги, коли її вільна енергія дорівнює або наближається до нуля, тобто коли вся можлива в умовах системи робота виконана.