Біосфера — це простір на поверхні Землі або поблизу неї, який містить і підтримує живі організми. Формування біосфери почалося не більше 3,8 млрд років тому, коли і здійснювалося поступове проникнення живих організмів в літосферу, атмосферу і гідросферу.
Історія поняття
Вперше поняття біосфери запропонував вчений Ж. Б. Ламарк ще на початку XIX ст., хоча термін як такий ще не був позначений в його сучасному вигляді – він з’явився лише в 1875 році. Запропонував таку назву австрійський палеонтолог і геолог Е. Зюсс.
Вже широке вчення про біосферу розробив вже в XX ст. біогеохімік В. І. Вернадський. Згідно з його концепцією, живі організми відіграють найголовнішу роль у перетворенні планети Земля.
Поширення
Літосфера – це шар землі, що складається з твердих тіл, таких як ґрунт і камені. Його товщина становить від 80 до 100 кілометрів. Межа біосфери визначається, в основному, температурою розпаду білків – головною складовою всіх живих організмів. Це відбувається на глибині від 3,5 до 7,5 м.
Атмосфера оточує планету тонким шаром газу. У цьому шарі знаходиться верхня межа біосфери на висоті в 15-20 км, тобто там, де існує озоновий шар, що нейтралізує згубний вплив ультрафіолетових променів з космосу.
Гідросфера – це рідкі середовища, такі як озера та океани, які знаходяться між літосферою та атмосферою. Межа в цьому шарі знаходиться на рівні 10-11 км, що відповідає дну Світового океану.
Склад біосфери
Біосфера включає такі елементи, як:
- жива істота – це всі різновиди організмів;
- біогенна речовина – це все те, що утворюється в результаті діяльності живих організмів (яскравий приклад – мінеральні поклади корисних копалин);
- відстала речовина – її утворення відбувається без безпосереднього впливу живих організмів і їх участі;
- біокосна речовина – це те, що формується при впливі і живих організмів, і неживих середовищ, внаслідок чого відбувається динамічна рівновага (наприклад, мул, ґрунт);
- речовини, які знаходяться в радіоактивному розпаді.
Також сюди відносяться розсіяні атоми, формуванню яких сприяє космічне випромінювання і якийсь елемент біосфери, а також речовини космічного походження.
Вимоги до життя
Для життя організмів повинні існувати певні умови навколишнього середовища (наприклад, правильна температура і вологість), а організми повинні забезпечуватися енергією і поживними речовинами (їжею).
Всі тварини і мінеральні речовини, необхідні для життя, містяться в біосфері Землі. Поживні речовини, що містяться в мертвих організмах або продуктах життєдіяльності клітин, перетворюються назад в сполуки, які інші організми можуть повторно використовувати як їжу.
Терміни, які слід знати, розглядаючи біосферу:
- Розкладання – розпад складних молекул, з яких складаються мертві організми, на прості поживні речовини, які можуть бути повторно використані живими організмами.
- Енергія – енергія, яка може бути використана для виконання роботи і життєдіяльності, наприклад, сонячна енергія.
- Глобальне потепління – потепління атмосфери в результаті збільшення концентрації газів, які накопичують тепло, наприклад, вуглекислий газ.
- Поживна речовина – молекули, які організми отримують з навколишнього середовища. Вони використовуються для росту, енергії та різних інших клітинних процесів.
- Цикл живлення – цикл переходу біологічно важливих елементів з однієї молекулярної форми в іншу і назад у вихідну форму.
- Фотосинтез – процес, при якому рослини збирають світлову енергію Сонця і використовують її для перетворення вуглекислого газу і води в кисень і органічні молекули, необхідні для життєдіяльності організмів в біосфері.
- Дихання – хімічна реакція між органічними молекулами і киснем, при якій виробляється вуглекислий газ, вода і енергія.
Рослини і деякі мікроорганізми є єдиними організмами, які самі можуть виробляти їжу. Інші організми, в тому числі люди, у своїх енергетичних потребах покладаються на рослини.
Основними елементами або хімічними будівельними блоками, які складають всі живі організми, є:
- вуглець;
- кисень;
- азот;
- фосфор;
- сірка.
Організми здатні засвоювати ці елементи тільки в тому випадку, якщо вони містяться в корисних хімічних формах як поживні речовини. У процесі, що називається колообіг поживних речовин, елементи перетворюються з однієї хімічної форми в іншу, а потім назад в первісну форму.
Наприклад, двоокис вуглецю витягується рослинами з повітря і додається в органічні сполуки (такі як вуглеводи) шляхом фотосинтезу. Вуглекислий газ повертається в атмосферу, коли рослини і тварини руйнують органічні молекули (процес, відомий як дихання) та коли мікроорганізми руйнують відходи і тканини від мертвих організмів (процес, відомий як розкладання).
Еволюція біосфери
За довгу історію Землі форми життя різко змінили хімічний склад біосфери. У той же час хімічний склад біосфери вплинув на те, які форми життя населяють Землю.
У минулому швидкість перетворення поживних речовин з однієї хімічної форми в іншу не завжди дорівнювала їх перетворенню назад в первісну форму. Це призвело до зміни відносних концентрацій хімічних речовин у біосфері, таких як діоксид вуглецю та кисень.
Зниження вмісту вуглекислого газу і збільшення вмісту кисню в атмосфері обумовлено фотосинтезом, що відбувається з більшою швидкістю, ніж дихання. Вуглець, який був присутній в атмосфері у вигляді діоксиду вуглецю, тепер знаходиться в покладах викопного палива і вапнякової скелі.
Поточні розробки в галузі біосфери
Велика частина досліджень в області біосфери полягає у визначенні впливу діяльності людини на навколишнє середовище, особливо на колообіг поживних речовин.
Наприклад:
- Застосування добрив збільшує кількість азоту, фосфору та інших поживних речовин, які організми можуть використовувати для росту.
- Надлишок поживних речовин завдає шкоди водоймам, викликаючи надмірний ріст водоростей і загибель риб.
- Спалювання палива і “очищення” землі підвищують рівень вуглекислого газу в атмосфері і можуть викликати глобальне потепління (поступове підвищення температури Землі), завдяки здатності вуглекислого газу утримувати тепло.
Біосфера 2
Інтерес до довгострокового контрольованого дослідження космосу викликав розробки в області штучних біосфер. Довгострокові польоти в космос вимагають, щоб поживні речовини циклічно відтворювалися в об’ємі, що не перевищує необхідний рівень. Експеримент, якому на початку 1990-х років приділялася величезна увага, дозволив зрозуміти, як важко керувати такими маленькими штучними біосферами.
Біосфера-2 – це одна з найбільш вражаючих споруд сучасності. Побудована вона в пустелі Сонора біля підніжжя гір Санта-Каталіна недалеко від Тусона, штат Арізона. Це найбільша в світі теплиця, виготовлена зі сталі і скла, площею в 12 766 квадратних метрів, висотою – 26 м над рівнем пустелі. Всередині неї створене середовище проживання людей – ферма, де можна працювати, щоб забезпечити себе їжею.
Біосфера-2 повністю герметична, тому ні повітря, ні волога не можуть потрапити всередину або назовні. Поруч знаходяться дві схожі на повітряні кулі споруди, своєрідні і легкі, що підтримують тиск всередині.
26 вересня 1991 року 4 людини з трьох різних країн стали учасниками програми біосфера-2. Її двері були закриті для дворічної програми виживання та експериментів. У цей час “жителі” намагалися керувати фермою і вирощувати свою їжу в компанії з декількома свинями, козами і курчатами.
Вчені спостерігали за взаємодіями рослин, тварин і людей, їх реакціями на зміни та їх унікальні методами життя. Вченим також було доручено експериментувати з новими методами очищення повітря і води.
Причини провалу в наступному:
- Незвично хмарний рік в пустелі Арізони, який затримував зростання продовольчих культур.
- Швидкий ріст і розмноження деяких видів мурах, тарганів, різних видів бактерій та інших комах, мікроорганізмів. А так як застосування отрутохімікатів не було передбачено, це стало серйозною проблемою для життя і ведення господарства людьми.
- Відсутність вітру позначилася на стані рослин – вони виростали ламкими і крихкими, швидко ламалися і не давали тієї кількості плодів, на яку розраховували люди всередині колби.
- Велика кількість популяції комах призвело до надмірного споживання утвореного кисню. Через це його рівень впав до 15% при нормі в 21%. Жителі біосфери-2 стали швидко втрачати вагу, задихатися. У підсумку вченим довелося здійснювати поставку продовольства і повітря. А так як це не було передбачено, і було приховано в ході експерименту, хоча потім факти відкрилися, експеримент чекало повне фіаско.
- Незвичайна поведінка бджіл, введеними в оману скляними стінами споруди.
- Усередині колби щоранку йшов штучний дощ з конденсату, який накопичувався під кришкою.
Гіпотеза Геї
Гіпотеза Геї, названа на честь грецької богині землі Геї, розглядає Землю як цілісний, живий організм, а не просто як фізичний об’єкт в космосі. Основоположником цієї ціпотези став Джеймс Геттон, який висловив своє бачення Землі як живого надорганізму на лекції ще в XVIII ст.
Трохи пізніше, в XX ст., теорія Геї була сформульована хіміком Джеймсом Лавлоком і американським біологом Лінн Маргуліс. Підтвердження концепції було засноване на відкритті в 2008 році Брентом Крайстнером.
Його сенс полягав у тому, що бактерії, що забезпечують життєдіяльність організмів на Землі, переміщаються в хмарах на дуже далекі відстані і можуть бути причиною опадів на територіях навіть з дуже високими температурами.
Згідно з гіпотезою, організми взаємодіють з навколишнім середовищем як гомеостатичний (врівноважуючий) механізм регулювання таких умов, як концентрація кисню і вуглекислого газу в атмосфері. Система допомагає підтримувати умови в задовільному для життя діапазоні.
У науковому співтоваристві мало хто підтримує ідею про те, що Земля є інтегрованою системою, здатною регулювати умови для самостійного підтримки життя. Однак гіпотеза Геї є досить корисною концепцією, оскільки вона підкреслює зв’язок між організмами і навколишнім середовищем, а також вплив, який надає на них діяльність людини.
Таким чином, біосфер а- це величезний пласт планети Земля, який поширюється на кілька шарів її основної структури. Ті зміни, які ми бачимо на сьогоднішній день в результаті життєдіяльності людини, дають підставу припускати, що в подальшому ми зможемо спостерігати ще більш динамічні зрушення як у розвитку елементів біосфери, так і у вимиранні деяких її видів.