Питання для самоконтролю

1. Для чого необхідно знати основні екологічні закони?

2. Про що говорять “Закони Б. Коммонера”?

3. У чому полягає сутність закону мінімуму?

4. Що означає принцип збалансованого природокористування

5. Які методи використовують при екологічних дослідженнях?

6. Які ви знаєте методи екологічного контролю?

7. Що таке біоіндикація?

8. Що таке активний моніторинг?

ЛЕКЦІЯ 3

БІОСФЕРА

3.1. Характеристики біосфери та її становлення

Біосфера (грец. і - життя, і - оболонка, куля) - оболонка Землі, в якій існує життя.

Біосфера - це цілісний комплекс усіх екосистем планети, відкрита термодинамічна система, яка зовні отримує енергію і речовини для синтезу органічних сполук і виділяє в природне середовище відходи, що забезпечує її стійкість. Об’єм біосфери становить 0,4% об’єму планети.

Видатний вітчизняний вчений В.І. Вернадський (1863-1945) визначив біосферу, як оболонку Землі, яка вміщує область розповсюдження живої речовини і саму живу речовину. Виникнувши близько 4 мільярдів років тому біосфера Землі являє собою “результат розвитку живої речовини, як планетарного явища, що виконує роль могутньої геологічної сили”. В біосфері жива речовина і нежива природа не просто співіснують, а пов’язані між собою “біогенною міграцією атомів”.

В.І.Вернадський вирізняв 6 типів речовин біосфери (табл.3.1):

Таблиця 3.1. Маса головних резервуарів біосфери

3.1.1. Атмосфера

Одним з головних джерел життя на Землі є її атмосфера (грец.:  - пара,  - куля, оболонка), - повітряна оболонка Землі. Як приклад, - потреба людини в повітрі в залежності від його стану і умов праці складає від 15 до 150 тис. літрів на добу, і без повітря людина може прожити не більше 5 хвилин.

Земна атмосфера - це зовнішня газова оболонка, що є сумішшю газів [78,1% N₂, 20% O₂, 0,9% Ar , решта CO₂, H₂, Ge, Ne, H₂O (пара)], загальною масою 5310¹⁵т (0,000001 частина маси Землі), і сягає від поверхні Землі в космос на висоту біля 3000км. Густина атмосфери зменшується з віддаленням від Землі. За цією та деякими іншими ознаками метеорологи виділяють 5 шарів атмосфери: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу і екзосферу. Найгустіший шар повітря, що прилягає до Землі - це тропосфера (8-10 км у полярних районах і 16-18 км поблизу екватора). Тут сконцентровано ~80% загальної маси атмосфери і вся її волога. Тропосфера характеризується коливанням температури, яка знижується чим далі від Землі. У цьому шарі відбуваються фізичні процеси, які визначають клімат Землі. Другий шар - стратосфера (від 11 до 51 км). Він більш розріджений і майже не містить вологи. На висоті 20-25 км - шар озону, який захищає живі організми на Землі від шкідливого короткохвильового випромінювання. Третій шар - мезосфера - (від 51 до 86 км), четвертий - термосфера або іоносфера (86-800 км), п’ятий - екзосфера (>800 км) з головним компонентом - гелієм. З віддаленням від Землі атмосфера поступово переходить у міжпланетний простір.

Атмосфера Землі виконує певні функції в глобальному масштабі:

1) Екологічна функція: - складові атмосфери активно визначають атмосферні процеси: - водяна пара через процеси випаровування, конденсації і горизонтальні перенесення впливає на створення туманів, хмар, атмосферних опадів; озоновий шар вбирає основну частину ультрафіолетового сонячного випромінювання і захищає життя на Землі.

2) Функції фотосинтезу і обміну енергії - головні процеси біосфери відбуваються через атмосферу, яка є життєдайним буфером між Космосом і земною поверхнею, носієм тепла і вологи.

3) Функції регулювання: газо- і теплообміну Землі з космічним простором; радіаційного та водного балансу. Взаємодія атмосфери з мировим океаном визначає її стан, а процеси газо- і теплообміну між атмосферою і океаном суттєво впливають на клімат Землі.

4) Функції впливу: атмосфера впливає на живі організми, і в першу чергу на людину (коливання атмосферного тиску, дія сонячної радіації, геомагнітного поля, окремих газів та забруднюючих домішок).

Вважається, що вже близько 50 млн. років склад і властивості атмосфери стабілізувалися, і є постійними, але до цього вони в процесі розвитку Землі змінювались.

3.1.2. Літосфера

Літосфера - зовнішня тверда оболонка Землі (земна кора з частиною верхньої мантії), яка складається з осадових, магматичних і метаморфічних порід. Земна кора - тонка верхня оболонка Землі товщиною на континентах - 40-80 км, під океанами - 5-10 км (що становить ~1% маси Землі), яку складають O₂, Si, H₂, Al, Fe, Mg, Ca, Na. Верхній шар земної кори на континентах і в океанах становлять осадові породи. Основну частина літосфери (95%) складають магматичні породи. Верхню частину континентальної земної кори становлять ґрунти, які мають принципове значення для життєдіяльності людини.

Ґрунт - самостійне природне органо-мінеральне тіло, яке складається з твердих мінеральних і органічних часток, виникло разом з живою речовиною і розвивалось під впливом рослин, тварин і мікроорганізмів, доки не стало цінним для людини родючим субстратом. Товщина грунтів в залежності від кліматичних, географічних і геологічних умов становить від 15-25 см до 2-3 м.

3.1.3. Гідросфера

Гідросфера - водна сфера планети, сукупність океанів, морів, вод континентів, льодовикових покриттів. ЇЇ маса - 16 млрд. куб. м, що становить 0,25% маси Землі. Близько 80% води перебуває в глибинних зонах мантії Землі (ґрунтові, міжпластові, тріщанні води і води карстових порожнин у легкорозчинних гірських породах - вапняках, гіпсах тощо).

Вода у біосфері була середовищем зародження і розвитку для великої кількості живих організмів, перебуває у безперервному русі, є основою існування життя на Землі, в тому числі і людської цивілізації.

3.2. Становлення біосфери

Еволюція біосфери тісно пов’язана з еволюцією Землі й умовно поділяється на кілька фаз: перша - формування ранньої земної кори, атмосфери і гідросфери, виникнення геологічного кругообігу речовини {циркуляція атмосферних мас, води і розчинених у них мінералів, переміщення продуктів гірських порід на поверхню планети і знов у в її надра (~4,6 млрд. років тому); хімічна еволюція - розвиток процесів синтезу і накопичення простих органічних сполук, необхідних для існування життя: амінокислот, азотистих основ, простих вуглеводів (4,6-3,8 млрд. років тому); розвиток давньої біосфери, виникнення біологічного кругообігу речовин, формування кисневої атмосфери (3,8-1,2 млрд. років тому); заселення суші, розвиток сучасного розмаїття світу (1,2 млрд. років тому - теперішній час). У часи зародження життя на Землі в її атмосфері містилися N₂, H₂, CO, водяна пара, а також Cl, H₂S та інші отруйні для живих організмів речовини. Був відсутній вільний кисень; крім проблем з диханням та горінням це спричиняло незахищеність поверхні планети від згубного сонячного випромінювання, бо не існувало озонового шару. Склад атмосфери визначався вулканічною активністю, а тому про наземне життя годі було й думати. Першими живими організмами були прокаріотні* анаеробні (існували в безкисневому середовищі) бактерії. Згодом з’явилися автотрофні мікроорганізми, здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних сполук за допомогою сонячної енергії (фотосинтезу) або окисних реакцій (хемосинтезу). За рахунок їх життєдіяльності атмосфера почала насичуватися киснем. Процес відбувався повільно, і ще навіть 2,5 млрд. років тому кисню в атмосфері було дуже мало (~ 1% його сучасного вмісту). Тому життя продовжувало обмежуватися водоймами. Біля 2 млрд. років тому через перше значне похолодання та зледеніння земна кора твердне і з’являються перші аеробні фотосинтезуючі бактерії. Лише ~ 500 млн. років тому, коли насиченість киснем атмосфери становила 3-4% сучасного рівня, виникли сприятливі умови для наземного існування - спочатку деяких еукаріот*, а згодом і багатоклітинних хребетних форм. Саме фотосинтезуючі бактерії дали початок розвитку процесів у ланцюгу живлення, який через неживу речовину - мінеральні сполуки замкнувся в коло. З потоку речовин у цьому колі утворився біологічний кругообіг речовин.

Геологічний і біологічний кругообіги речовин разом склали біогеохімічний кругообіг, з’єднавши в ньому величезну потужність геологічного і надзвичайні швидкість та активність біологічного. Цей кругообіг формувався впродовж 1,5-2 млрд. років, потім стабілізувався і суттєво не змінювався останні 2 млрд. років. Фотосинтезуючі продуценти практично сформували на Землі кисневу атмосферу.

ПРИМІТКИ: Прокаріоти (лат. pro - вперед замість; грец., karyon - ядро) - організми, які не мають клітинного ядра і типових хромосомних апаратів.

Еукаріоти (грец. eu - повністю; karion - ядро) - організми (усі, крім бактерій та синьо зелених водоростей), які мають оформлене клітинне ядро, відокремлене від цитоплазми ядерною оболонкою. Генетичний матеріал розміщено в хромосомах.

Біосфера є відкритою термодинамічною системою, яка отримує енергію від Сонця і з надр Землі (теплова енергія радіоактивного розпаду речовин у земній корі і ядрі планети). Отримана ззовні енергія в біосфері трансформується і розсіюється, підпорядковуючись фундаментальним законам термодинаміки. Перший закон термодинаміки - це закон збереження енергії (енергія не може ні з’явитися, ні зникнути, вона лише трансформується з однієї форми до іншої). Другий закон термодинаміки вивчає напрям якісних змін енергії в процесі її трансформації з однієї форми в іншу (закон описує співвідношення корисної та марної роботи під час трансформації форм енергії). За другим законом термодинаміки, будь-яка робота супроводжується трансформацією високоякісної енергії в енергію нижчої та найнижчої якості - теплоту й призводить до зростання ентропії (кількості енергії найнижчої якості, непридатної до корисної роботи, тобто - розсіювання енергії); ентропія екосистеми - міра невпорядкованості екосистеми, міра кількості енергії, недосяжної для використання; максимальна ентропія характерна для деградованих екосистем, або таких, що перебувають на стадії вимирання.

Вважають, що еволюція біосфери відбувалась у напрямі зменшення ентропії.

3.3. Трансформація енергії у біосфері

Джерелом енергії для діяльності живих організмів біосфери є Сонце. Потік енергії має один напрямок: від Сонця через рослини (автотрофи) до тварин (гетеротрофи), або від продуцентів до консументів.

Автотрофи - (грец. autos - сам; trophe - їжа, живлення) - організми, які синтезують з неорганічної речовини , головним чином H₂O, CO₂, неорганічних з’єднань N₂ і Р усі необхідні для життя органічні речовини, використовуючи для цього енергію фотосинтезу (усі зелені рослини - фототрофи) або хемосинтезу - процесів окислення (деякі бактерії - хемотрофи). Це - зелені вищі рослини, лишайники, водорості, бактерії. Автотрофів в екології називають продуцентами (лат. producentis - виробляючий, утворюючий), тобто, це - організми, здатні до фото- і хемосинтезу, які у харчовому ланцюгу є першою ланкою, створювачем органічних речовин з неорганічних.

Гетеротрофи (грец. heteros - різний; trophe - їжа, живлення) - організми, що одержують енергію за рахунок харчування автотрофами або іншими організмами. Це рослиноїдні тварини, хижаки, паразити, гриби, хижі рослини. В екології гетеротрофів поділяють на консументів і редуцентів. Консументи (лат consumo - споживаю) - організми, які в харчовому ланцюгу є споживачами готової органічної речовини. Редуценти (лат. reducentis - той, хто повертає, відновлює) - організми - сапрофіти (грец. sapros - гнилий), що розкладають мертву органічну речовину (трупи, відброси) до простих хімічних сполук (води, мінеральних солей, вуглекислого газу), які здатні засвоювати інші організми-продуценти. Таким чином, ланцюг: продуценти - консументи - редуценти замикає колообіг речовин у біосфері.

3.4. Загальні властивості біосфери

3.4.1. Жива речовина

Сукупність усіх живих організмів на планеті, біомаса яких становить мізерну частку біосфери (~0,001%) В.Вернадський назвав “живою речовиною”. Планету населяє близько 500 тис. видів рослин і 1,5 млн. видів тварин. Якщо зрівняти поверхню Землі і рівномірно розподілити на ній існуючі рослини, тварини і мікроорганізми, то вони утворять шар завтовшки всього 2 см. Жива речовина - невід’ємна складова біосфери, розміщена на планеті дуже нерівномірно, що пов’язано з різними умовами існування; її кількісної оцінкою є біомаса, кількість якої становить на суші 6,510¹⁵ кг і 29,910¹² кг в океані.

Основна маса живої речовини зосереджена на межі літосфери й гідросфери та у верхній частині гідросфери. Є “згущення життя” і “розрідження життя”. Так, з наближенням до екватора від полюсів спостерігається збільшення кількості видів рослин і тварин, їх біомаси, висоти дерев, зростання потужності ґрунту.

Світовий океан біднішій на життя - його біомаса в 1000 разів менша від біомаси суші. Найбільша щільність життя в океані, як і на суходолі, - в екваторіальній зоні, особливо в коралових рифах.

3.4.2. Екологічні чинники середовища

Живі організми, що населяють нашу планету, освоїли 4 основні середовища, кожне з яких має свій склад і особливості: водне середовище, водно-повітряне, ґрунт, самі організми. За ставленням до них організмів екологічні чинники поділяють на

■ життєво необхідні для організмів (вода, температура);

■ не необхідні, але впливові (вітер, радіаційний фон);

■ нейтральні - байдужі для організмів (інертні гази).

Первинними чинниками середовища є вода, світло, температура, хімічні та механічні фактори; комплексні чинники - кліматичні, рельєф, ґрунти, біотичні.

Температура. Тепло розподіляється на Землі нерівномірно: найбільше сонячної енергії отримують тропічні зони, найменше - території біля полюсів. Для оцінки температурного режиму використовують характеристики: середньорічна температура; сума активних температур вище +10⁰С; радіаційний баланс.

При низьких температурах знижується активність біохімічних процесів, корені рослин погано засвоюють воду і поживні речовини, а охолодження ґрунту нижче за 10⁰С знижує надходження біофільних елементів (N, P); при високих - руйнується білок. Оптимальними температурами вважаються 23-25⁰С.

В залежності від потреб рослин у теплі їх поділяють на термофільні (теплолюбні); кріофільні (холодостійкі); мезотермні - рослини помірного клімату. Тварини за ставленням до тепла розподіляють на теплокровні, що регулюють і підтримують сталу температуру тіла (ссавці, птахи); холоднокровні, які змінюють температуру тіла відповідно до температури навколишнього середовища (земноводні, плазуни).

Найнижчі температури (-200⁰С) витримує насіння рослин.

3.5. Організація біосфери. Екосистеми

3.5.1. Рівні організації органічного світу

Біосфера, незважаючи на свою могутню життєдіяльність, складається з вразливих і тендітних систем, рівновагу яких дуже легко порушити. Природні системи різноманітні, але мають ряд спільних рис: система – не просто сума елементів, а цілісний комплекс, який утворює особливу єдність з середовищем; Кожна система є елементом системи більш високого рангу, а її елементи, в свою чергу виступають як система нижчого рангу. Одиниці одного рівня системи є частинками, з яких утворюється наступний більш високий рівень. Кожен організм живої природи (наприклад, людина) з однієї сторони складається з одиниць підпорядкованих йому рівнів – органів, клітин, молекул, а з іншої сам є одиницею, що є складовою біологічних систем – популяцій, видів екосистем, біосфери. На всіх рівнях життя спостерігається певна впорядкованість, обмін речовин, енергії та ін.

3.5.2. Екосистеми

Основною одиницею біосфери, об’єктом вивчення екології є екосистема – комплекс організмів і чинників навколишнього природного середовища. Термін “екосистема” близький до терміну “біогеоценоз» (лат. bios – життя, coynos – спільний), і має тлумачення як природна ділянка земної поверхні з певним складом живих і неживих компонентів і динамічною взаємодією між ними (кругообігом речовин та обмінними енергетичними процесами). Біогеоценоз містить два компоненти: біотоп (грец.  - місце) – ділянка на поверхні землі з більш-менш однотипними умовами існування (ґрунтом, мікрокліматом) і біогенез – сукупність живих організмів: рослин (фітоценоз), тварин (зооценоз), мікроорганізмів (мікробіоценоз), грибів (мікоценоз) (рис.3.1).

Рис.3.1. Схема будови біоценозу (за В.М.Сухачовим)

Екосистема буває різних розмірів і складності. Наприклад, ліс в цілому – екосистема, але й окремий мурашник в лісі, або любий пеньок – це теж екосистеми. Між організмами в екосистемі існує складна взаємодія через речовинно-енергетичний обмін. Наприклад, у водоймах планктон є їжею для зоопланктону, яким живляться дрібні риби, на які полюють хижі риби, що у свою чергу споживаються людиною.