Загальне уявлення про біосферу, її походження, еволюція

Біосфера (гр. bios – життя + sphaera – куля) – це оболонка Землі заселена живими організмами, до складу якої належать нижні шари атмосфери, уся гідросфера і верхні шари літосфери (рис. 1).

Рис. 1. Вертикальний розріз геосфер Землі

На думку одних учених верхня межа біосфери в атмосфері проходить на висоті 10 км над рівнем моря, на думку інших, - досягає нижніх шарів стратосфери (30 км), де ще у значній кількості зустрічаються спори, бактерії, клітини грибів і деяких водоростей. Інколи верхньою межею біосфери вважають озоновий шар (25 - 30 км над поверхнею планети), вище від якого під дією космічних випромінювань усе живе зазвичай гине. Не окреслена також чітко і межа біосфери у літосфері. На глибині 0,5 м від земної поверхні кількість живої речовини зменшується у логарифмічній послідовності. На глибині понад 10 м породи вже стерильні, хоча іноді у товщі цієї породи зустрічаються ділянки життя. Найбільша глибина, на якій знайдено живу речовину, – 2 - 3 км. У нафтових родовищах на цих глибинах виявлено свою, «нафтову», мікрофлору. Іноді нафта залягає значно глибше – до 5 - 7 км. Припускають, що навіть у таких глибинних родовищах можна знайти «нафтові» бактерії. Деякі дослідники нижньою межею біосфери вважають глибини, на яких темпе­ратура літосфери вже починає перевищувати 100 °С: близько 10 км на рівнинах і 7 - 8 км у горах. Чітко окреслені межі біосфери у гідросфері: біосфера охоплює всю гідросферу, у тому числі найбільші океанічні западини до 11 км від поверхні, де існує значна кількість глибоководних видів. Маса біосфери становить близько 0,05 % від маси Землі.

Перші уявлення про біосферу як “зону життя” і зовнішню оболонку Землі, були сформульовані ще на початку ХІХ ст. французьким натуралістом Ж.Б. Ламарком. Сам термін "біосфера" вперше запропонував австрійський геолог Е. Зюсс у своїй праці “Лице Землі” (1875 р.). Засновником сучасних уявлень про біосферу є перший президент Академії наук України, академік В.І. Вернадський. У його наукових працях термін "біосфера" з’явився у 1911 p. Основні ідеї вчення про біосферу В.І. Вернадський опублікував у своїй книзі “Біосфера” (1926 p.).

Основними компонентами біосфери є: біомаса живих рослин, які шляхом фотосинтезу фіксують і перетворюють сонячну енергію в потенційну і зберігають її у вигляді органічних сполук; біомаса тварин і мікроорганізмів, які проживають на поверхні Землі й у верхніх шарах земної кори; біогенна речовина – маса речовин, створена і перероблена організмами в минулому; біокосна речовина - суміш біогенних речовин, створених одночасно живими організмами і процесами неживої (косної) матерії; косна речовина – гірські породи, мінерали, опади, що не порушені прямим біохімічним впливом організмів; потік сонячної енергії та речовин, що надходять на Землю з Космосу.

Біосферу формують більшою мірою не зовнішні чинники, а внутрішні закономірності. Найважливішою властивістю біосфери є взаємодія живого і неживого. Ця думка знайшла своє віддзеркалення в законі біогенної міграції атомів В.І. Вернадського. Він зазначав, що для живих систем характерна біогенна міграція атомів, яка зумовлюється трьома різними процесами життя: 1) метаболізмом живого організму – його диханням, живленням, різними відходами; 2) ростом організмів; 3) розмноженням та збільшенням кількості організмів. Усі три процеси взаємопов’язані, проте кожен із них постачає у біосферу потрібний для кожного виду організмів запас геохімічної енергії.

Біосфера на нашій планеті виконує ряд важливих функцій, які зумовлюють властивості й відносну стабільність природи Землі: закріплення рухомих елементів поверхні літосфери (пісок, глина, гравій, дрібна галька, ліси, ґрунти різних типів); регуляція кругообігу води шляхом сповільнення поверхневого стоку і переведення його в підземний, зволоження повітря, зниження випаровування з поверхні внаслідок зменшення швидкості вітру; зв’язування вуглекислоти, що виділяється тваринами під час хімічних перетворень у неживій природі; виділення кисню у процесі фотосинтезу наземними і водними рослинами; переведення в прості хімічні речовини величезної маси відмерлих організмів і їхніх виділень; участь в утворенні і відновленні ґрунтів, в очищенні атмосфери і води від забруднення, в утворенні місцевого клімату і погоди; переміщення по планеті (суша, річки, моря й океани) маси різноманітних хімічних елементів і речовин; участь в утворенні багатьох гірських порід, частина яких є корисними копалинами (кам’яне вугілля, крейда, вапняки тощо); акумуляція і трансформація сонячної енергії, яка у трансформованому вигляді включається в кругообіг енергії Землі.

Біосфера перебуває у постійному розвитку. Сьогодні вважають, що життя виникло при переході хімічної еволюції до еволюції біологічної. Однак загадкою залишається час і місце цього переходу. За сучасними оцінками час існування Землі становить 4,55 млрд. років, а вік найдревніших ділянок Земної кори, що збереглися – налічує п’ять ер і груп періодів:

- архейська ера (3 – 5 млрд. років тому);

- протерозойська ера (близько 1,5 млрд. років тому) – найхарактернішими були водорості і тварини, котрі перебували у водному середовищі;

- палеозойська ера (близько 365 млн. років тому) – поява живих організмів на суходолі;

- мезозойська ера (близько 115 млн. років тому) – панування на суходолі голонасінних рослин; поступове поширення покритонасінних рослин; розквіт наземних тварин;

- кайнозойська ера – поява первісної людини; максимальний розвиток покритонасінних рослин, птахів і ссавців.

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

І фаза (приблизно 4,5 млрд. років тому) – формування ранньої земної кори, атмосфери та гідросфери, виникнення великого геологічного кругообігу речовин.

ІІ фаза (4,6 – 3,8 млрд. років тому) – передбіологічна (хімічна) еволюція. На Землі відбувалися процеси синтезу і накопичення простих органічних сполук, необхідних для існування життя: амінокислот, простих пептидів, азотистих основ, простих вуглеводів.

ІІІ фаза (3,8 – 1,2 млрд. років тому) – розвиток давньої біосфери, еволюція прокаріотичного світу, виникнення біологічного кругообігу речовин у мікроекосистемах продуцентів, консументів, редуцентів, що пов’язані між собою обміном речовин, зумовлюють безперервний кругообіг основних елементів, необхідних для живої клітини. У процесі взаємодії автотрофів і гетеротрофів у ланцюгах живлення в кожній системі відбувається кругообіг речовин. Для підтримання процесів життєдіяльності, росту та відтворення різні види організмів споживають необхідні для життя речовини. Наслідком їхньої життєдіяльності є надходження у навколишнє середовище органічних та мінеральних продуктів метаболізму.

ІV фаза (1,2 млрд. років тому – теперішній час) – виникнення еукаріотів, заселення суші, розвиток сучасної біорізноманітності органічного світу.

Перші живі організми були біохімічно простими одноклітинними прокаріотами, гетеротрофними за способом життя. Надалі з’явилися автотрофи (ціанобактерії) – фотосинтезувальні організми. Автотрофи здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних сполук за допомогою сонячної енергії або окисних реакцій (хемосинтез). Ціанобактерії поклали початок розвитку процесів у трофічному ланцюгу “продуценти – консументи – редуценти”. Ціанобактерії практично сформували на Землі кисневу атмосферу.