Біосфера - малюнок

Біосфера — визначення, склад, властивості, межі



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.

Створення і безперервне існування біосфери відбувається в результаті хімічних, біологічних і фізичних процесів.

Біосфера - визначення

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.

Важливо! Всього на сьогодні в біосфері існує понад 3 млн різних видів живих організмів, включаючи людину. Щороку науковці виявляють кілька тисяч нових видів серед риб, рослин, тварин і т. д.

Склад та будова біосфери

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.

Зародження біосфери

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.

Важливо! Енергія необхідна для функцій, які виконують організми, таких як ріст, рух, видалення відходів і розмноження. Це єдина вимога до життя – енергія, отримана від Сонця.

Функції озонового шару

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).

Чотири середовища існування життя

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.

Важливо! Вчені вважають, що збільшення концентрації кисню в атмосфері вплинуло на еволюцію життя. Багатоклітинні організми, подібні до людини, змогли еволюціонувати тільки тоді, коли кисень досяг високих концентрацій, саме таких, які зараз існують на Землі сьогодні. Щоб пристосуватися до високих показників дихання, нам потрібні високі концентрації кисню, і ми не змогли б вижити, якби біосфера не була змінена організмами, які були до нас.

Продукція біомаси фотоавтотрофами материків та океанів
Продукція біомаси фотоавтотрофами материків та океанів

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 в Аризоні
    Біосфера-2 в Аризоні

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.

Ідея проекту полягала в тому, щоб створити планету в мініатюрі, де її мешканці могли б не тільки вижити, а й навчитися жити і розвиватися разом.

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.

Умови життєдіяльності організмів

26 вересня 1993 року учасники експерименту вийшли з біосфери-2. Це був найдовший зареєстрований період, коли люди жили в “ізольованому замкнутому середовищі”. На жаль, експеримент не виправдав очікувань.

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.

У 1996 році Колумбійський університет взяв на себе управління об’єктом, відкривши в тому ж році центр для відвідувачів. Біосфера-2 була збережена для вивчення, але без людей. Її майбутнє залишається невизначеним.

Межі біосфери

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.

Послідовники цієї концепції припускають, що всі організми та їх середовища (складові біосфери) працюють разом, щоб забезпечувати фізичні та хімічні умови на Землі, які сприяють і підтримують життя.

Опис частин біосфери

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.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *