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

Біосфера являє собою оболонку життя - область існування живої речовини.

В. І. Вернадський

§ 43. БІОСФЕРА ЯК ГЛОБАЛЬНА ЕКОСИСТЕМА, ЇЇ СТРУКТУРА ТА МЕЖІ

Основні поняття й ключові терміни: БІОСФЕРА. ПОТІК ЕНЕРГІЇ У БІОСФЕРІ. Жива речовина.

Пригадайте! Що таке біосфера?

Поміркуйте!

В. І. Вернадський дуже багато зробив для відродження України. Він був першим президентом Академії наук, його ім'ям названо Національну бібліотеку України. На думку вченого, неминучим є єдино правильний підхід до біосфери як до цілісної глобальної екосистеми. Цікаво, чому?

ЗМІСТ

Які структура, межі та особливості біосфери як глобальної екосистеми?

БІОСФЕРА - особлива оболонка Землі, населена живими істотами. Дослідженнями біосфери займається біосферологія.

Структура біосфери включає абіотичний та біотичний компоненти, що пов'язані біологічною міграцією хімічних елементів і речовин. Біосфера охоплює три геологічні оболонки - літосферу, атмосферу та гідросферу. Структурними елементами біосфери є 7 типів речовини: 1) жива (сукупність усіх організмів на Землі); 2) біогенна (речовина, що утворена й перероблювана організмами (вугілля, нафта, кисень атмосфери тощо)); 3) косна (абіотична речовина, що утворена без участі живого, тобто лава, попіл вулканів); 4) біокосна (біогенно-абіотична речовина, продукти розкладу і переробки косної речовини організмами, тобто ґрунт); 5) радіоактивна; 6) космічна; 7) розсіяні атоми.

Межами біосфери є нижні шари атмосфери до висоти близько 11 км, вся гідросфера і верхній шар літосфери до глибини 3-11 км.

Біосфера - це найбільша цілісна глобальна екосистема, якій притаманні фундаментальні властивості біосистем. До них належать відкритість, цілісність, саморегуляція. Однак біосфера має й специфічні (емерджентні) властивості. Це передусім її високий рівень самоорганізації, що забезпечує надзвичайну стабільність і стійкість у часі й просторі. Окрім того, фахівці зазначають ще й такі особливості:

  • унікальність, незамінність і неповторність;
  • практично безмежна тривалість існування;
  • безмежно великий запас генетичної інформації, що накопичувалася впродовж мільярдів років, внаслідок чого ця інформація є практично невичерпною;
  • найдосконаліші механізми саморегуляції та захисту від руйнівного зовнішнього впливу;
  • величезні запаси вільної енергії, причому не лише тієї, що є вільною енергією сучасних підпорядкованих їй екосистем, а й енергії, накопиченої екосистемами минулих епох;
  • величезне біорізноманіття підпорядкованих їй біологічних систем - організмів, видів, екосистем.

Отже, біосфера є найвищою та найскладнішою біологічною системою Землі.

Яка основна функція біосфери?

ПОТІК ЕНЕРГІЇ У БІОСФЕРІ - надходження енергії Сонця до поверхні Землі, засвоєння її у процесі фотосинтезу рослинами, трансформація й перерозподіл у ланцюгах живлення й геологічних оболонках і розсіювання у світовому просторі. Біосфера - це відкрита термодинамічна система, що одержує енергію у вигляді світлової енергії Сонця й теплової енергії процесів радіоактивного розпаду речовин у земній корі та ядрі планети. Радіоактивна енергія, частка якої в енергетичному балансі планети була значною на першій і другій фазах еволюції Землі, нині не відіграє помітної ролі в житті біосфери. Основне джерело енергії сьогодні - це сонячне випромінювання. Більша частина цієї енергії відбивається від хмар, пилу й земної поверхні (близько 34 %), нагріває атмосферу, літосферу й Світовий океан, після чого розсіюється в космічному просторі у вигляді інфрачервоного випромінювання (42 %), витрачається на випаровування води й утворення хмар (23 %), на переміщення повітряних мас - утворення вітру (близько 0,1 %). І лише близько 1% сонячної енергії, що потрапляє на Землю, вловлюється продуцентами - вищими рослинами, водоростями та фототрофними бактеріями - й запасається в процесі фотосинтезу у вигляді енергії хімічних зв'язків органічних сполук.

Ця зв'язана енергія далі використовується консументами й редуцентами в ланцюгах живлення. Завдяки їм біосфера виконує свою основну функції - концентрує, трансформує, акумулює й перерозподіляє хімічні елементи в земній корі. Діяльність живої речовини супроводжується розсіюванням акумульованої сонячної енергії у вигляді тепла.

Енергетичні ресурси в біосфері не лише створюються нині існуючими організмами, а й нагромаджувалися в минулі геологічні часи. Через те реальна енергетика біосфери визначається сукупним потенціалом Карбону та карбоновмісних сполук. Частка енергії первинних вуглеводів не потрапляє до ланцюгів живлення й консервується в осадових породах у вигляді торфу, вугілля, нафти та природного газу.

Таким чином, в процесі роботи, що її здійснює біосфера, вловлена сонячна енергія трансформується й розсіюється. Ці два процеси підпорядковуються двом фундаментальним природним законам - першому та другому законам термодинаміки.

Перший закон термодинаміки: енергія не може бути ні народжена, ні знищена, вона може бути лише трансформована з однієї форми в іншу. Кількість енергії при цьому не змінюється.

Другий закон термодинаміки: будь-яка робота супроводжується трансформацією високоякісної енергії у тепло, що розсіюється в довкіллі й втрачається в просторі.

Отже, основна функція біосфери полягає в засвоєнні, накопиченні, трансформації та перерозподілі енергії.

Які основні закономірності функціонування біосфери?

Живі організми концентрують, перерозподіляють хімічні елементи, синтезують з них і розщеплюють хімічні сполуки. У науці ця закономірність називається першим законом Вернадського, або законом біогенної міграції хімічних елементів: міграція хімічних елементів на земній поверхні та в біосфері в цілому здійснюється або за безпосередньої участі живої речовини, або ж у середовищі, особливості якого зумовлені живою речовиною. Жива речовина (біота) - уся сукупність живих організмів на Землі. «Можна без перебільшення стверджувати, що стан планети, біосфери цілком перебуває під впливом життя і визначається живими організмами», - писав В. І. Вернадський. Якими ж є найзагальніші функції живої речовини в біосфері?

  • Газова - вплив живих організмів на газовий склад атмосфери (наприклад, утворення кисню під час фотосинтезу, виділення вуглекислого газу під час дихання, зв'язування Нітрогену завдяки азотофіксації тощо).
  • Концентраційна - поглинання живими організмами певних хімічних елементів і їх накопичення (наприклад, накопичення водоростями, молюсками Кальцію, діатомовими водоростями, хвощами, злаками - Силіцію, морськими водоростями - Йоду).
  • Окисно-відновна - живі організми окиснюють та відновлюють певні сполуки (наприклад, залізо-, сіркобактерії перетворюють сполуки Феруму та Сульфуру);
  • Біохімічна - синтез і розщеплення органічних сполук (білків, ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот), яких у природі до появи живого не існувало.
  • Деструкційна - розклад редуцентами органічних решток і косної речовини, руйнування гірських порід унаслідок життєдіяльності організмів (наприклад, біологічне вивітрювання за участі лишайників).
  • Середовищеутворювальна - зміна умов існування організмів завдяки діяльності живого (наприклад, ґрунтоутворення, самоочищення водойм).

Другий закон В. І. Вернадського, або закон константності: кількість живої речовини за певний час є сталою величиною. Відповідно до цього закону збільшення кількості живої речовини в одній частині біосфери супроводжується її зменшенням в іншій. Це наслідок вселенського закону збереження речовини, а отже, енергії та інформації. Справа у тому, підкреслює В. І. Вернадський, що «у складі біосфери в межах живої речовини відбувались лише перегрупування хімічних елементів, а не докорінні зміни їх загального складу й кількості».

Третій закон В. І. Вернадського, закон єдності живої речовини: усе живе має спільну фізичну, хімічну основу, тобто основою живих систем є однакові хімічні, біохімічні, фізичні процеси, що зумовлені загальними законами хімії, фізики, і діють вони незалежно від стану системи - живої або неживої.

Отже, функціонування біосфери як глобальної екосистеми відбувається за певними екологічними закономірностями.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Самостійна робота з ілюстраціями. Потік енергії у біосфері

Розгляньте загальну схему перетворення енергії в екосистемах. Застосуйте знання законів термодинаміки та схарактеризуйте характер біологічного перетворення енергії.

Біологія + Геохімія. Коколітофориди й біосфера

Науковці встановили, що 70-80 % усієї маси крейди, якою пишуть вчителі й учні на дошці, припадає на вапнякові утвори одноклітинних джгутикових водоростей - коколітофорид. Ці організми становлять переважну частину (до 98 %) нанопланктону, концентрують Кальцій, а їх вапнякові скелети часто використовують для визначення віку гірських порід. За допомогою цих організмів доведіть справедливість першого закону Вернадського.

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Екологія людини. Проект «Біосфера-2»

На початку 1990-х в американській пустелі Аризона було впроваджено масштабний екологічний проект, що отримав назву «Біосфера-2» («Біосфера-1» - це наша планета Земля). Ця штучно створена замкнена біосфера була першою масштабною спробою моделювання процесів, що відбуваються в природних екосистемах Землі. Науковці були впевнені, що мають усі необхідні знання для моделювання біосфери, але виявилось, що не все так просто. Чому біосфера є глобальною екосистемою Землі і чому науковцям не вдалося створити її модель?

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка

Завдання для самоконтролю

1-6

1. Що таке біосфера? 2. Назвіть частини та структурні компоненти біосфери. 3. Що таке потік енергії у біосфері? 4. Назвіть основне джерело енергії для біосфери. 5. Які функції живої речовини в біосфері? 6. Назвіть основні закони функціонування біосфери.

7-9

7. Які структура та межі біосфери? 8. Яка основна функція біосфери? 9. У чому суть основних закономірностей функціонування біосфери?

10-12

10. Чому біосфера є глобальною екосистемою Землі?