Структура і функції біосфери – БІОСФЕРА І ЛЮДИНА

МЕДИЧНА БІОЛОГІЯ

Розділ 4

БІОСФЕРА І ЛЮДИНА

Земля неперервно вкрита “плівкою життя”. Організми з різною щільністю населяють товщу тропосфери, гідросфери, осадових порід літосфери, тобто оболонки Землі, в якій підтримується життєдіяльність активної біомаси.

Сукупність екосистем планети утворює сучасну біосферу, або екосферу, яка об’єднує всі організми й оточуюче середовище, з яким вони взаємодіють. Отже, біосфера – це загальнопланетарна оболонка. Величезна маса живої речовини на Землі складається з 500 тис. видів

рослин і понад 2 млн. видів тварин. Біомаса тварин у сумі складає менше 1 % рослинної живої речовини.

У біосфері життя представлене різноманітними угрупованнями, які складаються з популяцій різних видів живих організмів (біоценозів). У біоценозах види вступають у тісні трофічні, хімічні та едафічні зв’язки. Проте живі організми перебувають у взаєминах і з неживими компонентами – клімат, грунт, вода, хімізм середовища тощо. Така форма зв’язків отримала назву біогеоценози. Біосфера як ціле складає єдину динамічну, відносно врівноважену екологічну систему нашої планети – Землі.

Живі організми

завдяки різноманітності будови та функцій, широті адаптивних властивостей мають здатність заселяти практично всі існуючі на планеті ділянки суходолу та Світового океану. Обмежена тільки нездоланними космічними та геологічними бар’єрами, жива речовина створює цілісну оболонку нашої планети – біосферу. Елементи, що її складають, перебувають в постійній динамічній взаємодії. Загалом біосферу можна розглядати як єдину планетарну екосистему, що має свої рівні ієрархії, складну систему напрямків перерозподілу речовини, шляхів трансформації енергії. Так само як і локальна екосистема, біосфера перебуває в постійному розвитку. Біомаса біосфери порівняно з масою планети незначна. Навіть порівняно з масою земної кори вона складає приблизно 0,1 %, але значення її в житті планети винятково велике. Організми, що заселяють біосферу, взаємодіючи з абіотичним середовищем, беруть активну участь у формуванні рельєфу, клімату, грунту.

Тривале безперервне існування життя на Землі забезпечується процесами розпаду, деструкції речовин, в ході яких виділяється енергія, а також синтезу необхідних для живих організмів сполук з використанням зовнішніх джерел енергії. Біосфера неоднорідна за умовами існування її компонентів, розподілом біомаси та видовою різноманітностю організмів, що її створюють. Проте хімічна та енергетична рівновага підтримується в ній завдяки збалансованості кругообігів кисню й вуглецю, що зберігається, за підрахунками вчених, вже понад 50 мільйонів років. Тільки катаклізми глобального рівня можуть порушити цей баланс. На планеті виникла сила, яка поступово стає спроможною впливати на неї: людство. За історично короткий проміжок часу людина подолала обмежуючий вплив більшості лімітуючих факторів і стала потужною силою, що забезпечує власний прогрес, однак здатна завдавати руйнівного впливу на живі системи різного рівня. Одним з важливих завдань сучасного людства є розробка дієвих методів збереження та відтворення природних ресурсів. Медичні аспекти цієї проблеми полягають в тому, що значний арсенал медикаментів, лікувальних процедур, оздоровчих заходів походить від елементів живої природи. Знати ці елементи, вміти правильно визначати можливість їх використання для підвищення рівня лікувальної та профілактичної роботи – вимоги сучасної науки.

4.1. Структура і функції біосфери

Термін “біосфера” був запропонований австрійським геологом Е. Зюссом у 1875 р. Саме поняття він визначив у 1909 р. як “сукупність організмів, обмежену в просторі і часі, яка мешкає на поверхні Землі”. Поняття “жива речовина” вперше вжив 1909 р. польський учений І. Лукашевич, і відтоді поняття “біосфера” є передусім поняттям геологічним. З точки зору екології, біосфера – це частина оболонок планети в межах поширення живих організмів та продуктів їх життєдіяльності. Функціонально біосфера є планетарною екосистемою, адже опосередковано кожен живий організм на планеті взаємодіє з будь-яким іншим безпосередньо, дистантно або через продукти життєдіяльності; одномоментно або впродовж певного терміну; синхронно чи асинхронно. Маса живої речовини в біосфері, за деякими оцінками, становить 1/2100 маси атмосфери, а загальна товщина “живої оболонки” досягає 1/320 радіуса планети.

Значний вклад у розвиток вчення про біосферу зробив видатний вітчизняний вчений, геолог В. І. Вернадський. Його перу належать грунтовні праці, присвячені вивченню компонентів довкілля, які прямо чи опосередковано пов’язані з життєдіяльністю організмів. У них учений наголошує на тому, що біосфера власне є однією з геологічних оболонок нашої планети, до якої, крім косної речовини, входять біокосні речовини (нафта, води Світового океану) та біогенні речовини (поклади кам’яного вугілля, вапняки). Він вважав, що земна кора є рештками біосфер минулих епох.

З фізичної точки зору біосфера є трифазною (рідка, тверда, газоподібна фази). Вода – єдина речовина, присутня повсюди в біосфері в одній з трьох фаз. Біосфера забезпечує людство всіма необхідними природними ресурсами.

З геологічної точки зору, планету оточують чотири оболонки: літосфера (тверда), гідросфера (рідка), атмосфера (газоподібна) і магнітосфера (складається з магнітних часток різної енергетики). Лише гідросфера повністю заселена, інші оболонки заселені або трансформовані внаслідок діяльності живих організмів частково. Літосферу нашої планети звичайно називають земною корою. Товщина її коливається від 8 км у північній частині Тихого океану до 84 км в районі гір Тянь-Шаню (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Геологічні оболонки, з яких складається планета.

Нижню межу біосфери визначає верхній край базальтового шару літосфери, а верхню – озоновий шар (на висоті 20-25 км над поверхнею планети). Поза цими межами неможливе автономне існування живих організмів і не відбувається накопичення продуктів їх життєдіяльності.

Максимальна висота, на якій зафіксовано існування вищих рослин, – 7000 м над рівнем моря. Це один з видів зірочника. Максимальна висота, на якій зареєстровано польоти птахів – 12500 м (на цій висоті зафіксовано зіткнення хижого птаха білоголового сипа з літаком). Окремі види комах живуть на висоті близько 6000 м, а їхні польоти зареєстровані на висоті понад 11 км. Вище можуть проникати лише бактерії. Описано знаходження життєздатних бактерій на висоті 77 км. У межах літосфери в результаті діяльності наземних живих організмів виник грунт. Це найщільніше заселена верхня частина літосфери. Грунт містить мінеральні та органічні речовини, доступні для використання їх живими організмами. Грунт характеризується в біосфері як ланка, що поєднує між собою біологічний та геологічний кругообіги.

Шар грунту, товщина якого дорівнює глибині поширення коренів рослин, називається ризосферою. Грунт підстилають осадові породи – глини, вапняки, мертелі. Він має власну систему циркуляції води. Існують підземні потоки і водні резервуари (наприклад, гігантський підземний резервуар, заповнений водою, знаходиться під Сахарою). Нижче розміщуються шари материнських, або кристалічних, порід, підстелені базальтовим шаром. Він знаходиться в середньому на 2-3 км нижче поверхні суші і на 1-2 км нижче дна океану. Проте в місцях тектонічних розломів земної кори, де проявляється вулканічна активність, базальтовий шар виходить на поверхню суші. Можна вважати, що в кратерах вулканів товщина літосфери нульова, адже через них відбуваються викиди магми – розпеченої рідкої суміші хімічних елементів, якою заповнена мантія Землі.

Гідросфера не є суцільною оболонкою планети. Частина суші повністю позбавлена водного покриву і зволожується періодично. Найбільша товщина гідросфери – в межах Маріанської западини поблизу Філіппін (близько 11 км). У гідросфері прослідковується нерівномірний розподіл живого. Найщільніше заселені поверхневі шари і прибережна зона Світового океану в зоні тропіків, а також деякі континентальні водойми. Разом з тим гідросфера – єдина оболонка, яка повністю заселена живими організмами. Так, деякі види риб живуть на глибині більш як 7500 м, безхребетні – на глибині до 10 500 м, ще глибше проникають мікроорганізми.

Атмосфера – єдина оболонка, товщина якої над усією Землею майже однакова (біля 100 км). Життя можливе лише в її приземному шарі – тропосфері (до 15 км над поверхнею планети), вище можна зустріти лише спори, пилок вищих рослин та окремі продукти життєдіяльності живих організмів. У нижньому шарі тропосфери відбувається випаровування і конденсація води, формуються повітряні потоки, клімат і погода. Саме тут зосереджена найбільша кількість живих організмів, що пов’язано передусім з парціальним тиском кисню і вуглекислого газу. Хімічний склад чистого повітря приблизно такий: 78,08 % азоту, 20,94 % кисню, 0,93 % аргону, 0,03 % вуглекислого газу, менш як 0,00005 % озону. В незначних кількостях присутні також неон, гелій, метан, криптон і водень. Вміст біогенних газів зі збільшенням висоти над рівнем моря швидко знижується, і вже на висоті 4000-5000 м біомаса зменшується у десятки разів порівняно з її кількістю на рівні моря. Найважливішими для живих організмів компонентами атмосфери є кисень, вуглекислий газ, озон і водяна пара. Вміст останньої коливається від 0 до 4 %.

Цікаво, що походження атмосфери і гідросфери нашої планети до цих пір не з’ясоване остаточно. Існує гіпотеза, згідно з якою атмосферу складають рештки газової туманності, з котрої утворилася Сонячна система. Більшість учених вважають, що гідро – та атмосфера утворилися в результаті міграції легких речовин з надр планети на її поверхню.

Магнітосфера – зовнішня оболонка планети, що складається з протонів та інших ядерних часток, які утримуються в електромагнітному полі Землі. Як і будь-яке фізичне тіло, наша планета має надзвичайно потужне власне електромагнітне поле, силові лінії якого орієнтовані відносно магнітних полюсів. Магнітосфера складається з кількох радіаційних поясів, що відрізняються один від одного складом частинок, захоплених магнітним полем Землі. Ця оболонка планети лише недавно почала вивчатися з точки зору її ролі в життєдіяльності організмів, адже досліджувати її можна тільки за допомогою спеціальної складної апаратури. Вперше існування радіаційних поясів нашої планети було доведено під час польоту американського супутника “Піонер-1” у 1958 р. Склад і стан магнітного поля планети впливає на перебіг біохімічних процесів живих систем, а тому останнім часом актуальним стало вивчення впливу змін у магнітному полі на здоров’я людини.