Основні положення вчення В. І. Вернадського про біосферу

Біосфера (греи. біос - життя, сфера — оболонка) - 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.

В. Вернадський вирізняв шість типів речовин біосфери:

-жива речовина - сукупність усіх існуючих на Землі рослин, тварин, мікроорганізмів, грибів;

- біогенна речовина - продукт життєдіяльності організмів (торф, крейда, горючі сланці, апатит);

- косна речовина - в утворенні якої організми не брали участі (гірські породи абіогенного походження);

- біокосна речовина - продукт взаємодії живої речовини і неживої матерії (ґрунт);

- радіоактивна речовина - радіонукліди ⁴⁰K, ²³⁵U, ²³²Th, які зумовлюють існування радіогенної теплоти, та продукти їх розпаду;

- космічна речовина - космічний пил та метеорити.

До складу біосфери входять частини геосфер, умови яких придатні для існування живих організмів: нижня частина

атмосфери (від поверхні Землі до озонової оболонки, тобто до висоти близько 25 - 30 км); вся гідросфера (до найбільшої глибини - Маріанської улоговини в Тихому океані - 11030 м); верхня частина літосфери, де вода перебуває в рідкому стані (до глибини приблизно 5 км, хоча поклади корисних копалин біогенного походження - сліди колишніх біосфер, які В.Вернадський назвав „палеобіосферами”, - розташовані значно глибше).

Усі ці складники об'єднують в єдину оболонку життя живі організми, які не лише існують у біосфері, а й є її творцями. Тому В. Вернадський писав: „Біосферу можна розглядати як простір над земною корою, зайнятий „трансформаторами”, що перетворюють космічне випромінювання на корисну земну енергію - електричну, механічну, хімічну, термічну та інші ”.

Між живим і неживим неподоланої межі не існує. Живою називають динамічну систему, яка активно сприймає і перетворює молекулярну інформацію з метою самозбереження. Молекулярна інформація - сукупність сигналів, які передаються специфічними молекулами. Щоб сигнал сприймався і трансформувався, система повинна мати: структурну організацію; запас концентрованої нерозсіюваної енергії; необхідні речовини, які знижують енергетичні бар'єри хімічних реакцій (каталізатори, ферменти) і молекули-перетворювачі, які трансформують хімічну енергію в молекулярну інформацію й роботу (біосинтез, осмос, м'язові скорочення тощо); закодовані програми зчитування та реалізації інформації; рецептори, здатні до молекулярного розпізнавання.

Основна функція живої системи - самозбереження за рахунок упереджувального реагування. Для відновлення і збереження енергії в системі необхідне надходження енергії ззовні, з навколишнього середовища, та обмін речовин і енергії - метаболізм. У метаболізмі поєднані процеси асиміляції і дисиміляції (синтезу і розпаду) речовин. Наявність програми відтворення у вигляді ДНК і її велика стабільність порівняно з іншими структурами біологічної системи зумовлює спадковість. Під впливом змін екологічних чинників спадковість може змінюватися, відбуваються мутації - індуковані зміни в генетичному апараті.

Ті зміни, що успадковуються, їх відбір під впливом екологічних чинників зумовлюють видоутворення і збільшення біологічного розмаїття. Різноманітність видів забезпечує більшу ймовірність збереження життя за рахунок найкраще пристосованих до змін довкілля форм. Відбувається біологічна еволюція.

Нині виокремлюють шість головних рівнів організації живої матерії:

• молекулярно-генетичний. - редуплікація генів, формування ідентичних молекул на основі матеріалів, що забезпечують спадковість і мінливість;

• організменний - цілісність функцій, ріст, онтогенетичний розвиток;

• клітинний;

• популяційно-видовий - еволюція, тривале існування,

таксономічні характеристики;

• біоценотичний - трофічні, хімічні, енергетичні зв'язки, кругообіг хімічних елементів, перетворення енергії;

• біосферний - форма життя, яка поза біосферою не існує.

Кожен із цих рівнів має особливості, але всі вони тісно пов'язані між собою, впливають один на одного, створюючи єдине ціле - живу речовину, що об'єднує чотири царства природи: грибів, рослин і тварин.

Зазначені вище основні властивості живих систем реалізуються вже на клітинному рівні, однак уся повнота життя представлена тільки на екосистемному та біосферному рівнях.

У наш час зареєстровано понад 1,7 мільйона видів організмів, проте фахівці вважають, що реально їх у 3-5 разів більше. Всього живих організмів у біосфері налічують до 10²⁶-10²⁸. Розмір організмів змінюється від мікронів до багатьох метрів, маса - від мікрограмів до сотень тонн. На всіх структурних рівнях організації матерії, включно з біологічним, реалізована лише дуже незначна частка можливих комбінацій молекул. Це означає, що кожен біологічний вид, кожна жива істота вищою мірою є унікальними, оскільки вони мають ряд властивостей, за допомогою яких ефективно адаптуються до навколишнього середовища та його змін.

Явище еволюційного прогресу - появи і розвитку дедалі складніших і досконаліших форм молекулярних та біологічних структур має певну матеріальну природу і підкоряється загальним фізичним законам, зокрема термодинамічним. На основі кругообігу неорганічних речовин під впливом сонячної енергії виник біотичний кругообіг - цикл синтезу і розпаду органічних речовин.

Еволюція біосфери тісно пов'язана з еволюцією Землі й умовно поділяється на кілька фаз:

перша - формування ранньої земної кори, атмосфери і гідросфери, виникнення геологічного колообігу речовини; великий геологічний кругообіг - циркуляція атмосферних мас, води і розчинених у них мінералів, переміщення продуктів руйнування гірських порід на поверхню планети і знову в її надра (близько 4,6 млрд. років тому);

друга - хімічна еволюція (4,6-3,8 млрд. років тому) - розвиток процесів синтезу і накопичення простих органічних сполук, необхідних для існування життя (амінокислот, простих пептидів, азотистих основ, простих вуглеводів);

третя (3,8-1,2 млрд.

четверта - виникнення еукаріотів, заселення суші, розвиток сучасного біорозмаїття світу (1,2 млрд. років тому - теперішній час).

Перші живі організми були анаеробами (існували в безкисневому середовищі), потім з'явилися організми автотрофи, здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних сполук (вуглекислого газу, води, нітрогеновмісних і фосфоровмісних сполук) за допомогою сонячної енергії (фотосинтез) або окисних реакцій (хемосинтез). Першими фотосинтезуючими організмами були бактерії (ціанобактерії), які дали початок розвитку процесів у трофічному ланцюгу „продуценти - консументи - редуценти” - 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 колообіг, з'єднавши в ньому величезну потужність геологічного і надзвичайні швидкість та активність біологічного. Біогеохімічний 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.

Біосфера є відкритою термодинамічною системою. Енергію вона отримує від Сонця і з надр Землі (теплова енергія радіоактивного розпаду речовин у земній корі і ядрі планети). У біосфері отримана ззовні енергія трансформується і розсіюється, підпорядковуючись двом фундаментальним законам термодинаміки. Перший закон термодинаміки - це закон збереження енергії (енергія не може ні з'явитися, ні зникнути, вона лише трансформується з однієї форми в іншу). 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 трансформацій 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).

Вважають, що еволюція біосфери відбувалась у напрямі зменшення ентропії. Чим довшими є ланцюги живлення, тим вони енергетично досконаліші. Саме завдяки ланцюгам живлення в біосфері постійно відбувається не лише кругообіг води, постійний обмін енергії, а й кругообіг речовин, які живі організми використовують на утворення і підтримання життєдіяльності своїх тіл та забезпечення процесів розмноження. Усього відомо близько 80 хімічних елементів, необхідних біоті. Із продуктами життєдіяльності або після смерті ці елементи повторно потрапляють у довкілля і знову використовуються іншими організмами (постійний кругообіг речовин). Хімічні елементи, які зазвичай використовуються у великих кількостях (не менш як 0,1% загальної маси організму) - це макроелементи (біогенні елементи): C, H, N, О, Na, P, S, K, Mg, Ca. Вони вбираються організмами з довкілля, поглинаються, концентруються в клітинах. Елементи, потрібні організмам у менших кількостях (до 0,1%), називають мікроелементами: Cu, Mo, Zn, В, І, Si та ін.

Великий і малий кругообіги речовин (насамперед води, карбону, нітрогену, фосфору, сульфуру, калію, магнію, кальцію) - життєво важливі процеси біосфери - мільйони років не порушувалися, доки діяльність людини не набула сили планетарного характеру. За останні сто років, особливо в останні десятиріччя XX ст., антропогенна діяльність призвела до значних порушень кругообігу речовин у біосфері, розвитку глобальної екологічної кризи. Саме діяльність людини значно прискорила процеси вивітрювання гірських порід, зумовила накопичення в атмосфері такої кількості газів, яка призвела до розвитку негативних кліматичних змін (парниковий ефект), появи озонових дір та кислотних дощів, деградації ґрунтів через надмірне накопичення в них токсичних хімічних сполук. Внаслідок збільшення в природних водах, повітрі й ґрунтах концентрації важких металів, нафтопродуктів, пестицидів деградують і гинуть екосистеми, уповільнюються процеси кругообігу речовин у біологічному циклі, частішають спалахи „цвітіння” вод внаслідок масового розмноження мікроскопічних водоростей не тільки ставків, водосховищ, а й Світового океану, що сильно пригнічує розвиток консументів і призводить до порушень функціонування екосистем.

Накопичення в атмосфері вуглекислого газу, спричинене людською діяльністю, може призвести найближчим часом до глобального потепління, танення льодовиків і підйому рівня води в океанах більш ніж на 100 м.

Антропогенна деструкція біосфери, спричинена

неконтрольованим популяційним вибухом, надзвичайно швидкими темпами зростання населення, тягне за собою перевиснаження природних ресурсів, перевиробництво і, нарешті, надмірне забруднення довкілля. За прогнозами фахівців, якщо людина не почне сама регулювати зростання своєї популяції і обмежувати хижацьке споживання природних ресурсів, природа, згідно із законами регулювання, ліквідує цей чинник збурення в біосфері.

За теорією І. Пригожина, система „суспільство - природа”, досягнувши точки біфуркації (наша цивілізація її практично досягла), повинна буде перебудуватися. Однак розпад старої системи зовсім не означає, що в системі настане хаос. Біфуркація слугуватиме стимулом до розвитку біосфери новим, невідомим шляхом. Безперечно, біосфера продовжить свій розвиток, але людині з такою філософією життя, як сьогодні, в ній місце навряд чи знайдеться.

В. Данилов-Данильян визначає значення і стійкість біосфери наступним чином:

• біосфера слугує не просто джерелом ресурсів для людини, а й приймачем відходів її виробництва та життєдіяльності;

• це значно складніша система, фундамент життя, в якій біота сама забезпечує стабільність стану навколишнього середовища;

• біосфера має граничну господарську ємність, перевищення якої порушує стійкість біоти і довкілля;

• у межах господарської ємності біосфера і екосистеми функціонують згідно з принципом Ле Шательє, швидко відновлюють усі порушення рівноваги у довкіллі, залишаючи його стан стабільним;

• здатність до відновлення в абсолютних величинах, як і межа господарської ємності, змінюється від ландшафту до ландшафту залежно від продуктивності біоти: в пустелях вона найменша, в лісах - найбільша;

• перевищення господарської ємності зумовлює порушення біологічного колообігу речовин, деградацію екосистем, забруднення довкілля (порушення принципу Ле Шательє);

• забруднення і руйнування навколишнього середовища призводить до трансформації екологічних ніш і загибелі багатьох видів організмів;

• головне завдання людини - збереження і відновлення природних угруповань організмів у таких масштабах, які забезпечать господарську ємність біосфери в цілому;

• межу росту людства зумовлює господарська ємність біосфери, перевищення цього порогу призведе до глобальної екологічної катастрофи і розпаду генома людини і, як наслідок, зникнення її як виду.

1.4.