Вчення В.І. Вернадського про ноосферу

1. Історія розвитку біосфери.

Вперше термін “біосфера” зустрічається в роботах найвидатнішого французького натураліста і мислителя Жана Батіста Ламарка (1744–1829), що вивчав ботаніку, зоологію і геологію. У його наукових працях термін “біосфера” позначав область життя і впливу живих організмів на процеси, що відбуваються на Землі. Проте диференціація наук про природу, яка відбувалася швидки­ми темпами у XVIII ст., привела до того, що на довгі роки було забуто про дослідження важливих для наук про природу процесів взаємодії співтовариств живих організмів і неживих оболонок Землі.

Лише в 1875 р. австрійський геолог і палеонтолог Едуард Зюсс (1831–1914) звернув увагу на місце живого в будові та розвитку земної кори і вдруге після Ламарка ввів у науковий обіг термін “біосфера”, міркуючи про оболонку Землі в книзі про “Походження Альп”. Потім знову на декілька десятиліть цей термін було забуто.

Нове (вже третє) життя терміну “біосфера” дав видатний ук­раїнський (радянський) вчений-геохімік Володимир Іванович Вер­надський (1863–1945), що створив у 20-х роках XX ст. сучасне вчення про біосферу, викладене в монографіях «Біосфера» (1926) і «Декілька слів про ноосферу» (1944). Можливо, тому введення терміну “біосфера” в науковий ужиток часто приписується саме Вернадському.

Вивчаючи історію мінералів і міграцію хімічних елементів у земній корі, В.І. Вернадський виявляє величезну роль живої ре­човини в геохімічних процесах на нашій планеті. Для вивчення ролі живої речовини в еволюції біосфери йому було потрібно знан­ня біології, геології, хімії, на основі яких сформувалася нова на­ука – біогеохімія.

Про виняткову роль живої речовини в біосфері В.І. Вернадський пише в «Нарисах геохімії», опублікованих у 1924 р. в Парижі і в 1927 р. в Ленінграді. У 1926 р. вийшла його книга «Біосфера», в якій представлення біосфери як “тонкої плівки життя”, “живої оболонки” Землі виявилося дуже своєчас­ним, хоч і дещо випереджало час.

Вченню В.І. Вернадського про біосферу спочатку не було приділено належної уваги. Проте ви­вчення наслідків радіоактивного і хімічного забруднення атмосфе­ри, гідросфери і ґрунтів після другої світової війни примусило уче­них і політиків звернутися до вчення Вернадського про біосферу, яке набуло великого поширення в західних країнах, а потім і у всьому світі.

На відміну від сучасників-натуралістів початку XX ст., які вважали, що вічна доля організмів – пристосування до умов, ство­рюваних могутніми силами природи, В.І. Вернадський довів, що жива речовина планети виступає як найпотужніший геологіч­ний чинник, здатний змінювати поверхню планети і формувати екосистеми, сприятливі для його розвитку. За В.І. Вернадським, “ жива речовина” має здатність захоплювати енергію Сонця і ство­рювати хімічні сполуки, розпад яких супроводжується виділен­ням енергії, що здійснює хімічну і фізичну роботу.

Грандіозну роботу на Землі здійснено молекулою хлорофілу, за допомогою якої за наявності сонячної енергії зелені рослини син­тезують вуглеводи та інші органічні сполуки. В результаті роз­кладання Н₂О виділяється вільний О₂. Щороку рослини виробля­ють 320 млрд т О₂; за 3700 років була вироблена вся кількість О₂, що знаходиться в атмосфері Землі – 1,2 ∙ 10¹⁵ т.

Останніми роками життя Вернадський писав у щоденнику: “Людство, взяте в цілому, постає могутньою геологічною силою. Перед ним, перед його думкою і працею постає питання про перебудову біосфери на користь вільномислячого людства як єдиного цілого. Цей новий стан біосфери, до якого ми, не помічаючи цьо­го, наближаємося, і є ноосферою ”.

Поняття ноосфери також має свою істо­рію. Вважається, що його ввів у XIX ст. французький учений Е. Леруа (1870–1954), розвивав далі Тейяр де Шарден (1881–1955). Вони розуміли під цим терміном особливу оболонку Землі, що розглядається як певний “мислячий шар” над біосферою, в який включається індустріальне суспільство з атрибутами цивілі­зації (мовою, релігією та ін.).

Проте В.І. Вернадський розглядав ноосферу як нове геологічне явище на Землі, і людина в ній вперше стає могутньою геологічною силою. Як і все живе на Землі, вона може мислити і діяти тільки в області розповсюдження життя, тобто в біосфері, з якою нерозривно пов'язана і з якої піти не може.

Вернадський вважав, що на сучасному етапі еволюції біосфери людина буде вимушена не тільки виправляти виниклі в результаті її діяльності порушення в стані природи, а й запобіга­ти подібним порушенням у майбутньому.

Видатний учений і мислитель В.І. Вернадський був упевнений, що знання процесів, які відбу­ваються в біосфері, і розумна організація життя і всієї діяльності людства приведуть до створення на нашій планеті ноосфери. Про­те необхідно зазначити, що, крім уявлень про неминучість пере­ходу біосфери в ноосферу, викладених у вченні В.І. Вернадського про біосферу, в науковому світі є й інші погляди на перспективи розвитку біосфери.

Етапи еволюції біосфери. Більшість авторів гіпотез про похо­дження життя на Землі припускали, що протягом величезного проміжку часу наша планета була інертною і на її поверхні, в атмосфері і океані відбувався повільний абіогенний синтез орга­нічних сполук, який привів до утворення перших примітивних організмів. Встановилося майже традиційне уявлення про те, що на Землі відбувалася тривала “хімічна еволюція”, яка передувала біологічній і охоплювала інтервал часу не менше 1 млрд років.

Фосилізовані (такі, що скам'яніли) залишки організмів зустрі­чаються у відкладеннях останніх етапів геологічної історії, що охоплюють 570 млн років. За ініціативою американського геоло­га Ч. Шухерта цей період названий фанерозойським еоном, або фанерозоєм. До фанерозою належать три останні ери в історії земної кори: палеозойська, мезозойська і кайнозойська.

Стародавня і найтриваліша частина геологічної історії названа криптозоєм, що охоплює вели­чезний проміжок часу – 570–4500 млн років тому вона позна­чається як докембрій.

Цей первинний етап геологічної історії, біо­сфери прийнято поділяти на два послідовні періоди:

а) архейська ера тривалістю близько 1900 млн років;

б) протерозойська ера тривалістю близько 2000 млн років.

Геохронологічна шкала становить інтерес в аспекті розгляду послідовності етапів розвитку біосфери, оскільки дає змогу дату­вати історію виникнення видів організмів. Так, архей – це час примітивних одноклітинних бактерій, протерозой – час різно­манітних бактерій і водоростей.

З початком палеозою пов'язують першу появу численних безхребетних, що мають мушлю, окам'я­нілі останки яких знаходять у гірських породах повсюди. У па­леозої з'явилися перші хребетні близько 450 млн років тому (ордовицький період), перші комахи – 350 млн років тому (девон), перші рептилії – 300 млн років тому (кам'яновугільний період), перші хвойні – 220 млн років тому (пермський період).

З мезозоєм пов'язана поява перших динозаврів і перших ссавців (200 млн ро­ків тому в тріасі) і перших птахів і соснових дерев (160 млн років тому в юрському періоді).

Кисень в атмосфері. У розвитку біосфери найважливішу роль відіграло поступове зростання концентрації кисню в атмосфері, яке створило умови для формування озонового шару в атмосфері, переходу на сушу життя, що зародилося в океані, і появи надалі вищих тварин.

Первинна атмосфера була майже без кисню (0,1% від сучасного рівня). Зміна складу атмосфери почалася приблиз­но 2 млрд років тому, коли з'явилися перші фотосинтезуючі орга­нізми. Їх попередники – прокаріо­ти (клітина без ядра) були першими фотосинтезуючими організ­мами (ймовірно, це були синьо-зелені водорості, виявлені в докем­брійських відкладеннях).

Приблизно 1 млрд років тому кількість кисню становила 1% від сучасного рівня. У цю епоху важливою була роль фотосинтезуючої активності фітопланктону, з'явився озоновий шар, який затримує згубні для організмів ультрафіолетові промені, що сприяло подаль­шому розвитку органічного життя в поверхневому шарі води.

Близько 600 млн років тому почався важливий біосферний процес: заселення материків живими істотами – з'явилися нижчі автотрофні рослини, потім складніші види рослин, що супрово­джувалося різким збільшенням вмісту кисню в атмосфері (від 3 %, від сучасного рівня 700 млн років тому до 50 %, до початку крей­дяного періоду 140 млн років тому).

Можна умовно виокремити такі послідовні етапи еволюції біосфери: синтез простих органіч­них сполук, біогенез, антропогенез, техногенез і ноогенез.

1. Синтез простих органічних сполук (хімічна еволюція) в геосфе­рах Землі здійснювався під дією ультрафіолетової радіації: мета­ну, аміаку, водню, пари води. Початок етапу – 3,5 – 4,5 млрд ро­ків тому.

2. Біогенез – перетворення відсталої речовини геосфери Землі в живу речовину біосфери (утворення високомолекулярних орга­нічних сполук з простих сполук під дією геофізичних чинників). Початок етапу – 2,5 – 3,5 млрд років тому (поява живої речови­ни біосфери).

3. Антропогенез – поява людини і перетворення її на соціаль­ну істоту, формування суспільної організації людських співтова­риств у процесі виробничої трудової діяльності. Початок етапу – 1,5 – 3 млн років тому (поява людини).

4. Техногенез – перетворення природних комплексів біосфе­ри в процесі виробничої діяльності людини і формування техно­генних і природно-технічних комплексів, тобто техносфери, як складової біосфери. Початок етапу – 10 – 15 тис. років тому (по­ява міських поселень).

5. Ноогенез – процес перетворення біосфери в стан розумово керованої соціально-природної системи (ноосфери). Її можна схарактеризувати як стан біосфери, за якого здійснюються:

а) раціо­нальне використання природи, тобто раціональне природокористування;

б) стійкий розвиток світової людської спільноти.

Слід зазначити, що важливий вплив на еволюцію біосфери спра­вив дрейф континентів, у результаті якого еволюція різних груп організмів пішла різними шляхами.

Згідно з теорією дрейфу кон­тинентів, висунутою Альфредом Вегенером у 20-х роках XX ст ., сучасні континенти виникли з єдиного масиву суші, що одержав назву Пангея, який існував на нашій планеті ще в палеозої як острів у Світовому океані. Приблизно 200 – 250 млн років тому наприкінці палеозою – на початку мезозою Пангея "розкололася" на два великі масиви суші, які стали "розходитися", що зумовило форму­вання нових океанів.

Індія і континенти, що знаходяться зараз у Південній півкулі (Південна Америка, Африка, Антарктида, Ав­стралія), утворювали разом єдиний материк Гондвана. Нинішня Північна Америка, Європа і Азія утворили материк Лавразія.

В Юрський період Гондвана і Лавразія відокремилися одна від одної. На той час еволюція динозаврів досягла досить високого ступеня, хвойні ліси існували вже впродовж мільйонів років, з'яви­лися перші птахи і ссавці. Ще до того як почався поділ Гондвани на південні континенти й Індію, що існують нині, динозаври і хвойні ліси зайняли панівне становище серед живих організмів.

Приблизно в цей же час відбувся поділ Лавразії, де вже існува­ли хижі, копитні гризуни, примати і багато інших ссавців. Тому не дивно, що північноамериканські, азіатські і європейські види ссавців пов'язані між собою ближчою спорідненістю, ніж із ссав­цями Австралії і Південної Америки.

2. Визначення біосфери та її межі.

Сукупність усіх живих організмів (близько 3 млн видів) нашої планети займає певний простір, що називається біосферою. Біо­сфера включає не тільки живі організми, а й їхні рештки, певні частини атмосфери, гідросфери та літосфери, що заселені та ви­дозмінені цими організмами.

В.І. Вернадський підкреслював, що організмам, або, як він го­ворив, живій речовині, властиво «розтікатися», тобто розселяти­ся, займати все нові й нові простори.

Завдяки незвичайно розви­нутим здібностям адаптації, широкій екологічній пластичності, окремі види рослин, тварин та мікроорганізмів заселяють усі можливі місця помешкання. Біосфера займає верхню частину літосфери, всю товщу гідро­сфери та нижню частину атмосфери.

Углиб літосфери організми можуть проникати на відносно не­значні глибини, наприклад, на глибині близько 4 км мешкають лише деякі групи бактерій. Бактерії у значній кількості часто зна­ходяться у нафтоносних пластах, на глибині близько 2 км. Обме­ження тієї глибини, на яку можуть проникати в літосферу живі організми, визначається високою температурою (понад 1000 °С) гірських порід та підземних вод на глибинах 1,5–15 км. Натомість у гідросфері життя є на будь-яких глибинах, навіть максимальних.

Поширення організмів у атмосфері визначається положенням озонового шару, оскільки вище цього захисного шару все живе гине під дією космічного випромінювання. Максимальна висота, на якій було виявлено спори бактерій та грибів, становить близь­ко 22 км.

Найбільша концентрація біомаси, звичайно, спостерігається там, де умови існування організмів найбільш сприятливі та різно­манітні – на межах окремих оболонок Землі: літосфери та атмо­сфери, атмосфери та гідросфери і гідросфери та літосфери.

Над поверхнею землі біосфера сягає більше 20 км, у Світовому океані – до глибин більше 11 км. Саме в цьому просторі живуть усі організми. Якщо за видовим різноманіттям тварини у декілька разів перевищують рослин, то співвідношення їхніх біомас, при­наймні на суходолі, абсолютно інше.

Базуючись на відомих під­рахунках кількості сухої речовини біомаси (Базилевич, Родін, Розов), можна стверджувати, що жива речовина планети зосереджена в основному в зелених рослинах суходолу, тоді як організми, що нездатні до фотосинтезу, становлять менше 1%. Звертає також на себе увагу дуже мала біомаса мешканців океану. Вона дорівнює всього 0,13% сумарної біомаси планети, хоча поверхня океану за­ймає 72,2% всієї площі Землі. До того ж, біомаса в океані в основ­ному представлена тваринами, а не рослинами.

Порівняно із загальною масою Землі біомаса вкрай мала. Вона приблизно дорівнює 0,1% маси земної кори. Досить обмежена за своїм об'ємом і вся біосфера. В.І. Вернадський образно називав її «живою плівкою Землі».

Однак її значення в житті планети над­звичайно велике. Річ у тім, що живі організми, які населяють біо­сферу, не просто там присутні як пасивні мешканці відповідних сфер, але й значно впливають на природні властивості геологіч­них оболонок Землі.

Енергія живої речовини біосфери в першу чергу, проявляєть­ся у здатності організмів до розмноження і поширення по планеті.

Життя на нашій планеті поширене майже скрізь, що поясню­ється значною стійкістю організмів до умов існування. У стані анабіозу організми можуть переносити критичні температури (від абсолютного нуля до +180° С), тиск (від долей атмосфери на знач­них висотах до 1000 атм і більше на великих океанічних глибинах). Тому живі організми відсутні лише в районі льодовиків та в кратерах діючих вулканів.

Однією з властивостей живої речовини е й постійний обмін з довкіллям. Внаслідок цього через живі організми проходить значна кількість хімічних елементів. Хоча до складу живих орга­нізмів входять ті ж самі хімічні елементи, що й до складу неживої природи, їхні сумарні хімічні склади відрізняються: хімічні еле­менти в живих організмах і неживій природі перебувають у різ­них співвідношеннях.

Живим організмам для здійснення біохімічних процесів, необ­хідні речовина та енергія, які вони отримують з навколишнього середовища. Тим самим живі організми значно перетворюють до­вкілля, виконуючи біогеохімічну роботу.

Внаслідок постійного і безперервного обміну з довкіллям різні хімічні елементи надхо­дять у живі організми, можуть у них накопичуватись, виходячи через певний час з організму або зберігаючись в ньому протягом усього життя. Постійний кругообіг речовин і потік енергії забез­печує функціонування біосфери як цілісної системи.

У процесі функціонування біосфери жива речовина (проду­центи)здатна накопичувати сонячну енергію, перетворюючи її в енергію хімічних зв'язків.

Автотрофні організми здатні фіксу­вати лише близько 1% сонячної енергії, що сягає поверхні Землі. Кількість фіксованої сонячної енергії визначає кількість біомаси нашої планети.

Близько 50% енергії, фіксованої фотосинтезуючими організ­мами, витрачається на процеси їх життєдіяльності, а решта на­копичується у вигляді хімічних зв'язків синтезованої органічної речовини. Накопичена продуцентами біомаса може передаватись по ланцюгах живлення консументам, причому частина запасеної енергії (80–90%) втрачається при переході з одного трофічного рівня на інший.

Було підраховано, що завдяки сонячній енергії щорічно живою речовиною біосфери продукується близько 160 млрд т сухої орга­нічної речовини, з якої приблизно 1/3 синтезується біогеоценозами Світового океану, а 2/3 – суходолу.

3. Кругообіг речовин в біосфері.

Завдяки сонячній енергії, внутрішній енергії Землі в природі відбуваються безперервні процеси утворення, трансформації та розкладу багатьох хімічних сполук, а також переносу речовин у межах планети. Сукупність таких явищ В.І. Вернадський назвав геохімічними процесами.

Одні й ті самі хімічні елементи в межах історичного минулого Землі входили до складу певних сполук, що зазнавали змін, перетворень та переносу. Цей закономірний про­цес багаторазової участі хімічних елементів та речовин в явищах, що відбуваються в атмосфері, гідросфері та літосфері, називають кругообігами речовин.

Залежно від того, чи беруть участь у кругообігах живі організ­ми чи ні, розрізняють абіотичний та біотичний кругообіги.

Абіотичний кругообіг. Абіотичний (великий, або геологічний) кругообіг речовин існує в межах геологічних оболонок Землі і здійснюється за рахунок безпосереднього впливу сонячної енергії та енергії Землі на речовини. Нерівномірний розподіл енергії в оболонках Землі спричиняє перенесення речовин, їхню циркуляцію.

Розтріскування гірських порід внаслідок нагрівання та охо­лодження, течії повітря та води, перенесення цими течіями різних речовин, вивітрювання, вимивання водою різних хімічних еле­ментів – усе це складові частини великого кругообігу речовин у природі.

Найяскравішим прикладом абіотичного кругообігу є циркуляція води в природі (випаровування води, перенесення по­вітряними течіями водяної пари, конденсація її та атмосферні опади). Зрозуміло, що абіотичний кругообіг існував задовго до ви­никнення життя на нашій планеті та утворення біосфери.

З виникненням життя на Землі та з утворенням у межах її геологічних оболонок біосфери на планеті кругообіг речовин прискорився внаслідок життєдіяльності живих організмів. Завдяки створеним трофічним ланцюгам та мережам виник біотичний кругообіг речовин.

Біотичний кругообіг – це явище безперервного, циклічного, але нерівномірного в часі та просторі закономірного перерозпо­ділу речовини, енергії та інформації в межах екологічних систем різного рівня організації – від біогеоценозу до біосфери.

Біотичний кругообіг речовин називають ще біосферним, або малим, через те що він відбувається ще в меншому просторі, ніж абіотичний, – у біосфері. Час, необхідний для проходження пов­ного циклу обігу речовин у біотичному кругообігу, набагато мен­ший, ніж в абіотичному.

Живі організми в біотичному кругообігу виступають своєрід­ними каталізаторами, які швидко синтезують нові, трансформу­ють та руйнують наявні органічні сполуки.

Через біотичний кругообіг проходить велика кількість речо­вин та хімічних елементів. Але найбільш важливими є біогенні елементи (С, Н, О, N, Р, S), з яких синтезуються органічні сполуки.

Кругообіг СО₂ та Н₂О в глобальному масштабі є, мабуть, чи не найбільш важливими для людства. Для обох кругообігів харак­терним є наявність невеликої, але рухомої частки цих речовин в атмосфері, зміна вмісту яких впливає на погоду та атмосферу, їхній вміст може змінюватися і в результаті діяльності людини.

Зараз у світі створено мережу станцій з метою контролю зміни частки СО₂ та Н₂О, від яких залежить майбутня доля людства.

Кругообіг вуглецю (карбону). Основним депо вуглецю в гло­бальному кругообігу є гідросфера та літосфера (вапняки, викопне паливо тощо). В атмосфері його частка, порівняно з названими геологічними оболонками Землі, невелика. Але для зелених фотосинтезуючих рослин вуглець доступний тільки в газоподібному стані у вигляді СО₂ (в атмосфері чи розчинений у воді).

Вуглець у вигляді синтезованих органічних сполук проходить трофічними ланцюгами від продуцентів через консументи, або минаючи їх, до редуцентів. На кожній ланці ланцюга в результаті дихання живих організмів вивільнюється СО₂, який потрапляє до континентального чи/та океанічного циклу глобального кругообігу. Мертва органічна речовина розкладається редуцентами, що теж супроводжується виділенням СО₂.

Природні пожежі (самозаймання, блискавка) та виверження вулканів додають СО₂ в атмосферу.

Людина в результаті своєї господарської діяльності щорічно теж додає велику кількість вуглецю до атмосфери, видобуваючи та спалюючи викопне паливо (вугілля, торф, нафта, природний газ, горючі сланці тощо).

Часті оранки землі сприяють вивільненню вуглецю з ґрунту (окислення гумусу, дихання ґрунту). Сільськогосподарські куль­тури, більшість яких активна лише частину року, фіксуючи СО₂, не можуть компенсувати втрати СО₂ з ґрунту.

Знищення лісів сприяє вивільненню вуглецю, що накопичив­ся в деревині, особливо якщо вона тут же спалюється.

Водно-болотні угіддя, особливо болота та торфовища, є надій­ними пастками для атмосферного вуглецю. Вуглець у складі торфу накопичується в великій кількості та вилучається з кругообігу, причому на досить великий період часу (процес перетворення торфу на буре та кам'яне вугілля).

Осушення боліт та торфовищ з подальшим використанням мулу та торфу для удобрювання с/г угідь сприяє швидкому вивільненню вуг­лецю. «Живе» торфовище накопичує вуглець, а «мертве» (осуше­не), навпаки, повертає його назад до атмосфери (процеси окислен­ня), особливо, коли на них виникають пожежі.

В океанічному циклі глобального кругообігу вуглецю також існує пастка, що сприяє його вилученню з обігу та захороненню. Це відклади вапнякових скелетів, стулок та мушель відмерлих безхребетних тварин.

Окрім СО₂, в атмосфері наявні в невеликій кількості ще дві вуглецеві сполуки: чадний газ СО (0,0001%) та метан СН₄ (0,0016%). І чадний газ, і метан утворюються при неповному або анаеробному розкладанні орга­нічних сполук, а в атмосфері обидва окислюються до СО₂.

При неповному згоранні викопного палива, особливо з вихлоп­ними газами, зараз до атмосфери надходить така ж кількість СО, як і в результаті природного розкладу органіки.

Накопичення СО (смертельної отрути для людини) в глобаль­них масштабах нічим не загрожує. Але в містах, де повітря засто­юється, підвищення концентрації цього газу в повітрі починає бути загрозливим. Концентрації до 0,1% бувають у районах з на­пруженим автотранспортним рухом.

Метан, як вважають, виконує корисну функцію. Він підтримує стабільність озонового шару в верхній частині тропосфери, який захищає живі організми від смертельно небезпечного ультрафіо­летового випромінювання Сонця. Метан у природі в основному утворюється у водно-болотних угіддях.

Кругообіг кисню (оксигену). Кисень є життєво необхідним еле­ментом для біосфери. Завдяки йому існує більшість організмів нашої планети. Основним депо кисню є атмосфера, де він перебу­ває у вільному стані в кількості 1,18 ∙ 10¹⁵ тонн.

З атмосфери кисень вилучається для участі в таких процесах, як дихання (у тому числі аеробне бродіння та гниття), горіння, та інших хімічних перетворених. У результаті цих процесів утворю­ється СО₂, який засвоюється фотосинтезуючими організмами. Під час фотосинтезу виділяється кисень. Фотосинтезуючі організми пов'язують кругообіг вуглецю з кругообігом кисню.

У своїй господарській діяльності людина використовує кисень для забезпечення окисних процесів у виробництві. Найбільше кисню витрачається на спалювання палива.

Зменшення площ лісів, зникнення рослинності в певних регіонах (спустелювання), з одного боку, та всезростаючий процес видобування викопного палива та його спалювання, спалювання промислових та побуто­вих відходів, з іншого боку, призводять до все більшого вилучення кисню з атмосфери.

Зараз вільний кисень утворюється зі швидкістю 1,55 ∙ 10⁹ т/рік, а використовується на порядок більше – 2,16 ∙ 10¹⁰ т/рік. Зазна­чена різниця кисню також надходить до атмосфери, але не в чи­стому вигляді, а будучи пов'язаною з вуглецем. Таким чином, ба­ланс вільного кисню в атмосфері негативний.

Кругообіг води. Основним депо води в природі є гідросфера. Крім того, що вона представлена в великій кількості у вигляді ріди­ни і створює окрему геологічну оболонку Землі, вода є складовою частиною ще літосфери та атмосфери, де перебуває в твердому (лід) та газоподібному (водяна пара) агрегатному стані. Легкий перехід води з одного агрегатного стану в інший в глобальних масштабах зумовлює обмінні процеси та зв'язок між оболонками планети.

Починати розглядати кругообіг води потрібно з процесу випа­ровування. Водяна пара, випаровуючись з поверхні Світового океа­ну, конденсується в атмосфері, що за певних умов призводить до опадів. Через нерівномірне прогрівання поверхні Землі повітряні течії, що виникають, переносять вологу та зумовлюють нерівномірний розподіл опадів у різні пори року.

Цикл замикається, коли вода, що випарувалася з поверхні океанів, повертається у вигляді опадів до них же. Такий цикл на­зивають малим кругообігом води.

Великий кругообіг води в природі включає її циркуляцію і над суходолом. Світовий океан втрачає через випаровування більше води, ніж отримує її з опадами. Це означає, що значна частка опа­дів, які підтримують екосистеми суходолу, є водою з основного депо.

Опади над суходолом формують поверхневий стік, частина їх інфільтрується у ґрунти і формує підземний стік, а ще частина – може перехоплюватися кронами дерев.

Поверхневий стік залежить від рельєфу, складу ґрунту та на­явності рослинного покриву на ґрунті. Більший ухил схилу сприяє більшому поверхневому стоку. Твердий, кам'янистий та глинистий ґрунти не дають воді просочуватися і теж сприяють формуванню поверхневого стоку.

Пухкий та піщаний ґрунти сприяють просо­чуванню (інфільтрація) води всередину. Інфільтрації також спри­яє наявність трав'янистого покриву на ґрунті. Підземний стік формується завдяки інфільтрації води у ґрун­ти.

Завдяки поверхневому та підземному стокам існують струмки, річки, озера та інші наземні водно-болотні угіддя. Велику роль у запасанні води та її поступовій витраті відіграють водно-болотні угіддя. Вирівнювання малих і великих водостоків сприяє швидко­му стіканню води по ним. Осушення боліт, до того ж, призводить до швидких витрат водних ресурсів і як наслідок – до обміління річок у посушливий період року.

Перехоплення води кронами дерев полягає в тому, що частина опадів завдяки великій сукупній поверхні листків випаровується з них, не доходячи до поверхні ґрунту. При невеликому дрібному дощику під деревами завжди сухо. Завдяки явищу перехоплення в атмосферне повітря може надходити до 15% дощової води. Вода опадів, що досягла ґрунту, може безпосередньо випаро­вуватися з його поверхні.

Важлива роль у процесах випаровування води на суходолі на­лежить живим організмам. При диханні та просто з поверхні тіла більшість тварин виділяють велику кількість вологи.

Випаровуванню ґрунтової води сприяють рослини завдяки своїм надземним органам, насамперед листкам, через які відбува­ється транспірація. Вода дає рослинам розчинені поживні міне­ральні речовини. Вона необхідна для фотосинтезу, в процесі якого водень йде на побудову вуглеводнів, а кисень виділяється у віль­ному стані. Так, відомо, що середнього віку липа за один літній день в середній смузі випаровує близько 200 л води.

Сумарну кількість вологи, що випаровується з поверхні ґрун­ту завдяки явищам перехоплення та транспірації, називають евапотранспірацією. Таким чином, через евапотранспірацію повер­тається велика кількість вологи до атмосферного повітря. Однак, як би там що, вода великими та малими водостоками повертається до Світового океану.

Сукупність води, що стікає з суходолу до Світового океану та озер, називають світовим стоком. За рік річками виноситься приблизно до 43 тис км³ води. Паралельно з рідким стоком від­бувається твердий стік – стік розчинених речовин та твердих завислих часток, а також біостік (маса організмів, що виноситься в океан світовим стоком).

Завдяки світовому стоку з літосфери вимивається велика кількість солей, чим зумовлюється солоність океанічної та мор­ської води.

Баланс води в основному депо позитивний. З кожним роком її надходить більше, ніж випаровується. Завдяки глобальному по­теплінню льодовики та снігові шапки високих гір зменшуються за площею, віддаючи воду до поверхневого стоку. Крім того, зроста­ють площі аридних районів. Таким чином, протягом XX століття рівень моря зріс на 12 см.

Кругообіг азоту (нітрогену). Азот має важливе значення в житті живих організмів. Будь-який білок як хімічна органічна сполука включає в себе азот. Тому його синтез неможливий за від­сутності азоту. Отже, азот має надзвичайно важливе значення для життя як форми існування білкових тіл.

Основним депо азоту в природі є атмосфера, де він становить за об'ємом 78,084%, а за масою 75,5%. Атмосферний азот (N₂) здебіль­шого недоступний живим організмам, але в результаті фотохіміч­них (під дією ультрафіолетового випромінювання) та електрохіміч­них (блискавки) процесів в атмосфері утворюються азотисті сполу­ки, що разом з опадами потрапляють до ґрунту. Такі атмосферні процеси в сукупності називають атмосферною фіксацією азоту.

Крім атмосферної, існує ще й біологічна фіксація азоту (біофіксація). Вона властива прокаріотам, без'ядерним, найбільш примітивним мікроорганізмам. Серед них ми знаходимо вільноживучі бактерії (Azotobacter, Clostridium), симбіотичні бульбоч­кові бактерії бобових рослин (Rhizobium), синьо-зелені водорості (Anabaena, Nostoc та інші представники порядку Nostocales), пур­пурні бактерії (Rhodospirillum), актиноміцети в кореневих буль­башках вільхи (Alnus).

Властивість біофіксації азоту люди використовують у сіль­ському господарстві. Сівозміни з обов'язковою посадкою бобових (напр., горох) сприяють підвищенню вмісту азоту в ґрунті. Зелені рослини, що мають великий вміст азоту в своїй масі (напр., люпин), навмисне посаджені та згодом прикопані (переорані на полі), відо­мі як зелені добрива.

Азот, який потрапив до ґрунту в формі радикалу NО₃ – стає доступним для зелених фотосинтезуючих рослин. У подальшому цей азот проходить в угрупованнях трофічними ланцюгами. В ре­зультаті білкового обміну тварини виділяють аміак, сечову кисло­ту та/або сечовину. Ці продукти білкового обміну, як і загиблі та мертві тварини, а також рослинні опади, потрапляють до ґрунту, а саме у підстилку, де перетворюються у гумус.

Гумус є найбільш насиченим азотом пластом ґрунту. Завдяки процесам гуміфікації та мінералізації азот стає знову доступним для зелених рослин. Розклад мікроорганізмами (бактерії, гриби, актиноміцети) речовин гумусу, які вміщують азот, має назву амо­ніфікації.

Аміак та амонійні солі завдяки бактеріям перетворюються в нітрити та нітрати, які легко засвоюються рослинами. Цей процес називають нітрифікацією.

Поряд з нітрифікацією в ґрунті відбуваються також процеси відновлення нітратів та нітритів до аміаку та вільного азоту, що відомо під назвою денитрифікації. Під час денітрифікації з ґрун­ту виділяється газоподібний азот, який потрапляє в атмосферу. Біотичний цикл азоту замикається цим процесом.

Баланс азоту, за підрахунками фахівців, у наш час майже ну­льовий. Це означає, що його вилучення з атмосфери та повернен­ня назад врівноважені. Частина азоту, що захоронюється на мор­ських глибинах, можливо, врівноважується тією часткою азоту, що надходить до атмосфери внаслідок виверження вулканів, спа­лювання викопного палива, викидів важкої промисловості та вне­сенням азотних добрив.

Кругообіг фосфору. Фосфор є необхідним елементом органіч­них сполук, без яких жодний живий організм не може існувати. Він входить до складу АТФ, АДФ та АМФ – речовин, перетворен­ня яких забезпечує енергетичні процеси в клітинах. При цьому фосфор є одним з досить рідкісних елементів щодо його доступ­ності на поверхні Землі та доступних кількостей.

За структурою кругообіг фосфору в природі дещо простіший, ніж азоту, але він принципово відрізняється від попередніх схем кругообігу речовин. По-перше, його не можна назвати кругообі­гом. Хоча цей елемент багаторазово використовується живими організмами, в глобальних масштабах цикл залишається незамкненим (фосфор не повертається в основне депо). Друга особли­вість – це те, що депо фосфору міститься в літосфері.

Гірські породи та інші поклади літосфери, що утворилися в минулі геологічні епохи, поступово піддаються дії ерозії, звільню­ючи фосфати, які потрапляють до екосистем. Але більша частка їх потрапляє до моря, де вони відкладаються на мілководдях або захоронюються на великих глибинах.

Незамкнений кругообіг фосфору складається з ланцюга окре­мих невеликих циклів. Принаймні можна виділити три такі цикли: на суходолі, у водоймах та прибережній, що охоплює берег та море.

На суходолі фосфор проходить такий цикл:

фосфати ґрунту — рослини — тварини — опад — мікроорганізми — фосфати ґрунту.

Велика кількість фосфору вимивається з ґрунту у водойми. У морських та прісних водоймах розчинені у воді сполуки фос­фору поглинаються фітопланктоном та водяними рослинами. Далі фосфор переходить до зоопланктону та рослиноїдних тварин. По­вертається він у воду з виділеннями тварин та через детрит (тільки на мілководдях). Частина фосфору захоронюється на дні водойм.

У прибережних регіонах фосфор переноситься з суходолу до моря, а потім з моря вилучається та потрапляє на береги. Викону­ють цю функцію численні морські птахи (баклани, різні види мар­тинів та крячків, кайри та ін.), що гніздяться на узбережжі, утво­рюючи численні колонії (пташині базари), а живляться в основному рибою. Їхній послід, крім азоту, вміщує велику кількість фосфору. Послід змивається у воду. Таким чином, поблизу колоній птахів створюються сприятливі умови для розвитку морської біоти.

Повернення фосфору з моря на суходіл відбувається і за учас­тю людини. Хоча людина виловлює багато морської риби, однак у рік цим способом повертається всього 60 тис. тонн фосфору.

Це не компенсує на суходолі втрати фосфору, який постійно вимива­ється. Людина щорічно видобуває 1-2 млн тонн порід, що вміщу­ють цей елемент, для виготовлення фосфорних добрив.

4. Вчення В.І. Вернадського про ноосферу.

В.І. Вернадський, який створив вчення про біосферу, ще в пер­шій половині XX століття передбачав, що біосфера розвинеться у ноосферу (термін запропонований у 1927 році французькими фі­лософами Е. Леруа та П.Т. де Шарденом).

Спочатку В.І. Вернад­ський розглядав ноосферу як особливу «розумову» оболонку Землі, яка розгортається над біо­сферою, поза нею. Але згодом він дійшов висновку, що ноосфе­ра – це новий стан біосфери, при якому розумова діяльність людини стає тим фактором, який визначає її розвиток.

В.І. Вернадський у своїй праці «Наукова думка як планетне явище» зазначав, що під впливом наукової думки і людської праці біосфера переходить у новий стан – ноосферу. Людство все біль­ше відходить від інших організмів як нова, небувала біогенна гео­логічна сила. Завдяки своїй науковій думці, техніці, людина засе­ляє ті частини біосфери, куди раніше вона не проникала або де життя було відсутнє взагалі.

Людина створила нову форму біогеохімічної енергії, яку В.І. Вернадський називав енергією людської культури, або куль­турною біогеохімічною енергією. Ця енергія за своєю потужністю і різноманітністю значно переважає біогеохімічну енергію, ство­рену іншими організмами. Ця нова форма енергії і визначає про­цес переходу біосфери в ноосферу, який буде підсилюватись у міру об'єднання зусиль людства для вирішення глобальних проблем.

Для ноосфери як нового якісного етапу в розвитку біосфери характерний тісний зв'язок законів природи і соціально-еконо­мічних законів суспільства, заснований на науково обґрунтовано­му, раціональному використанні природних ресурсів біосфери, який передбачає відновлюваність кругообігу речовин та потоку енергії.

Характерною рисою ноосфери є екологізація всіх сфер життя людини. До вирішення будь-яких проблем людина повинна під­ходити з позицій екологічного мислення, тобто з позицій збере­ження і поліпшення стану природного середовища.

Отже, ноосфера – це якісно нова форма організації біосфери, яка формується внаслідок її взаємодії з людським суспіль­ством.

Питання для самоконтролю

1. Дайте визначення поняттю біосфера за В.І. Вернадським.

2. Охарактеризуйте біосферу як оболонку землі. Які її межі?

3. Визначте, що становить собою жива речовина біосфери? Які її властивості?

4. Дайте характеристику функції живої речовини?

5. Складіть схему кругообігу води в біосфері.

6. Опишіть схему кругообігу кисню в біосфері.

7. Охарактеризуйте роль живих організмів у кругообігу вугле­цю.

8. Порівняйте кругообіг азоту та фосфору в біосфері.

9. Дайте характеристику вчення В.І. Вернадського про біосферу та ноосферу.