В епоху науково-технічного прогресу особливого значення набувають знання про життєві процеси на Землі в цілому. Важливу роль у цих процесах відіграють живі організми. За мільярди років, які пройшли з моменту виникнення нашої планети, вони наповнили атмосферу киснем й азотом, очистили її від вуглекислого газу, сформували відклади вапняку, нафти, природного газу. В процесі еволюції на планеті утворилась особлива оболонка – біосфера.

Актуальність. Роль живої речовини у географічній оболонці надзвичайно важлива. Більшість оболонок, що входять до складу географічної оболонки більшою або меншою мірою видозмінені життям, а окремі її елементи (грунт, органогенні осадові породи, окремі види корисних копалин та ін.) могли виникнути тільки завдяки живій речовині. Біосфера хоча й є найлегшою оболонкою геосфери, однак її роль постійно збільшується протягом геологічної історії, відповідно, збільшується зростає і її роль у глобальних процесах, що відбуваються на планеті. На земної поверхні немає хімічної сили, що більш постійно діє, а тому й більше могутньої по своїх кінцевих наслідках, ніж живі організми, узяті в цілому.

Вивчення біосфери стає усе більш важливим й актуальним завданням. Це викликано безупинно зростаючим впливом людини на навколишнє середовище. Уже зараз ми повинні вміти ясно передбачати всі можливі наслідки нашого впливу на природу. Можливість і правильність такого прогнозу залежать від глибини наших знань про будову й функціонування біосфери в цілому і її різних ділянок і компонентів. Особливо важливо мати уявлення про роль живих організмів - основної рушійної сили в біосфері. Цим і визначається актуальність нашої теми.

Мета дослідження. Поглибити знання про роль живої речовини на планеті.

Завдання дослідження:

1. Зібрати та опрацювати літературу з даної теми.

2. Ознайомлення з поняттям "біосфера" та її будовою.

3. Проаналізувати вчення В. І. Вернадського про біосферу.

4. Розглянути основні гіпотези походження та еволюції біосфери.

5. Дослідження функцій живої речовини на планеті.

Об’єкт дослідження. Біосфера - область системної взаємодії живої та косної речовини.

Предмет дослідження. Функції живої речовини та їх вплив на географічну оболонку.

Методи дослідження. Аналіз наукової літератури з даної теми.

1. Загальні відомості про біосферу

1.1 Поняття про біосферу

Вперше термін "біосфера" зустрічається в роботах найвидатнішого французького натураліста і мислителя Жака 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. Жива речовина — сукупність всіх організмів, що населяють Землю. 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 терміна "біосфера" в науковий ужиток часто приписується саме Вернадському. [5]

Біосфера – область активного життя оболонки Землі, яка включає частини атмосфери, гідросфери і літосфери, заселені живими організмами.

В. І. Вернадський визначив біосферу як термодинамічну оболонку з температурами +50…-50°С і тиском приблизно 10000 Па, що відповідає межам життя для більшості організмів. [4]

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 щонайпотужніший геологічний чинник, здатний змінювати поверхню планети і формувати екосистеми, сприятливі для його розвитку. За В.І. Вернадський, 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 02; за 3700 років була вироблена вся кількість 02, що знаходиться в атмосфері Землі — 1,2 ∙ 1055 т. Жива речовина має здатність швидко розповсюджуватися в просторі, займаючи всі придатні для життя ділянки. Це явище Вернадський назвав "тиском життя", порівнявши його з тиском газу. Швидкість "розтікання" життя дуже велика.

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 вільно мислячого людства як єдиного цілого. Цей новий стан біосфери, до якого ми, не помічаючи цього, наближаємося, і є ноосферою".

Поняття ноосфери (від грец. пооз — розум) 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.

Нині вельми відчутні наслідки науково-технічного прогресу, що поставили під загрозу існування людства на Землі, привели до необхідності передбачення наслідків людської діяльності у всіх країнах з метою збереження біосфери, тобто життя на Землі. Тому охорона біосфери має бути турботою всього людства, що живе на Землі, як керівників держав, так і окремих людей. Для цього кожному треба знати будову біосфери, взаємозв'язки процесів, що відбуваються в ній, і вплив діяльності людського суспільства на зміни, які виникають у біосфері. 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. [5]

Межі біосфери. Біосфера охоплює три геологічні сфери – частини атмосфери, літосфери та всю гідросферу. Межі біосфери визначаються межами поширення й активної роботи живої речовини.

Верхня межа біосфери в атмосфері, на думку одних учених, проходить по висоті Гімалаїв (10 км над рівнем моря), на думку інших, - досягає нижніх шарів стратосфери (30 км), де ще трапляються у досить великій кількості спори й навіть клітини бактерій, грибів і деяких водоростей, що активно вегетують. Іноді верхньою межею біосфери вважають озоновий шар (25—30 км над поверхнею планети), вище від якого живе зазвичай гине під дією космічних випромінювань.

Межа біосфери в літосфері також чітко не окреслена. Починаючи з глибин 0,5—2 м від земної поверхні кількість живої речовини зменшується в логарифмічній послідовності. На глибинах понад 10 м породи, як правило, вже стерильні. Та навіть у товщі стерильної породи іноді трапляються острівці життя. Найбільші глибини, де знайдено живу речовину, — 2—3 км. У нафтових родовищах на цих глибинах виявлено свою, "нафтову", мікрофлору. Нафта залягає також і на значно більших глибинах — до 5—7 км. Припускають, що й у таких глибинних родовищах можна знайти "нафтові" бактерії. Деякі дослідники нижньою межею біосфери вважають глибини, на яких температура літосфери починає перевищувати 100 °С: близько 10 км на рівнинах і 7—8 км у горах.

Межі біосфери в гідросфері окреслені чітко: біосфера охоплює всю гідросферу, в тому числі найбільші океанічні западини до 11 км, де існує значна кількість глибоководних видів.

У цілому екологічний діапазон поширення живої речовини досить великий.

♦ У 1977 р. в океані на глибині кількох кілометрів було знайдено гарячі вулканічні зони, в яких за температури 350°С існують численні термофільні бактерії (вода там не кипить через високий тиск і велику концентрацію солей).

♦ В експериментах американського дослідника Р. Камерона синьо-зелені водорості протягом кількох місяців не втрачали життєздатності в умовах, що відповідали марсіанським.

♦ Жива речовина не гине в рідкому азоті (на цій властивості ґрунтуються методи кріоконсервації всіляких живих організмів).

♦ Деякі види, наприклад ті ж таки синьо-зелені водорості, не гинуть під дією потужного іонізуючого випромінювання й оселяються в епіцентрі ядерного вибуху вже через кілька днів після його здійснення.

♦ Жива речовина здатна зберігатися навіть в умовах відкритого Космосу. Так, третя експедиція американських астронавтів забула на Місяці телекамеру. Коли через півроку її повернули на Землю, на внутрішньому боці кришки було виявлено земні бактерії, котрі без будь-яких шкідливих наслідків пережили тривале перебування за межами рідної планети. [10]

За В. І. Вернадським, верхня межа біосфери знаходиться на висоті 15-22 км, охоплюючи тропосферу і нижню частину стратосфери. Знизу біосфера обмежена глибиною 11 км і глибиною проникнення у надра Землі організмів і води у рідкому стані (2-3 км).

Нижня межа в рамках літосфери обумовлена тепловим бар’єром і, як правило, не опускається нижче 5 км. Загальна протяжність біосфери – 40 км.

В. І. Вернадський розглядав біосферу як царину життя, яка включає поряд з організмами і середовище їх існування. Горизонти біосфери, які найбільш інтенсивно заселені живими організмами, називають "плівкою життя" або плетобіосферою. [4]

Отже, біосфера (за В.І. Вернадський) — оболонка Землі, що включає як область розповсюдження живої речовини, так і саму цю речовину. Тут під живою речовиною розуміється сукупність всіх організмів, що населяють Землю. Поняття біосфери дещо умовне, оскільки крім природних місць існування органічного життя створюються і штучні (космічні кораблі, підводні човни) "острівці життя". Органічне життя зосереджене в трьох неживих географічних оболонках — геосферах Землі (літосфера, гідросфера і атмосфера). До біосфери належать і людське співтовариство з його виробництвом.

Ще з часів Ж. Б. Ламарка було відомо, що процеси, які відбуваються в геосферах Землі, мають значний вплив на структуру і властивості живої речовини біосфери. Але і сама жива речовина, як показав В.І. Вернадський, істотно перетворює геосфери. Причому з появою людства на Землі ця перетворювальна дія багатократно зросла і, за деякими оцінками, нині досягла критичного рівня.

Загальна сукупність живих організмів, виражена в масі на одиницю площі (суші, акваторії, дна водоймища) або об'єму (води, ґрунту, опадів), прийнято називати біомасою. Отже, поняття "жива речовина" біосфери еквівалентно біомасі всієї Землі. За сучасними оцінками, суха маса живої речовини біосфери становить всього 2—3 трлн т, у тисячу разів менше за масу тропосфери, в десять мільйонів разів — маси земної кори і в мільярд разів — маси Землі. Саме її дуже малі розміри тривалий час заважали геологам зрозуміти виняткову роль життя на Землі в геологічних процесах, на що і звернув увагу В.І. Вернадський.

Розподіл маси живої речовини (біомаси) в біосфері украй нерівномірний. У живій речовині абсолютно переважає фітомаса; набагато менша роль зоомаси і мікроорганізмів. Загальна вага живої речовини на Землі оцінюється в трильйон тонн. Переважна частина фітомаси зосереджена на материках, де вона розподілена вкрай нерівномірно: її багато в тропічних лісах (650 т/га), в тайзі (300 т/га), менше в чорноземних степах (10 т/га), мало в пустелях (2,5 т/га). Велика частина живої речовини представлена лісами (82 % ).

В океані переважають зоомаса і мікробіомаса — 30 млрд. т; фітомаса становить лише 1,1 млрд. т. За кількістю живої речовини океан близький до пустель (3 т/га), але в ньому спостерігаються зони різкого згущування життя — в Саргасовому морі, на мілинах шельфу, у коралових рифах і т. ін. Щорічна продукція живої речовини на Землі — 230 млрд. т, з них на материках — 170 млрд., в океані — 60 млрд. т. На материках щорічна середня продукція біомаси — 11,5 т/га, в океані — 1,7 т/га. Сумарна біомаса суші становить 97 % всієї біомаси Землі. На океан припадає лише 3 % біомаси Землі, але інтенсивність життєвих циклів в океані значно вища, ніж на суші. Незважаючи на дивно малу величину біомаси, яка щорічно виробляється на Землі, накопичена за мільйони років в осадових товщах земної кори похована органічна речовина привела до утворення таких корисних копалини, як кам'яне вугілля, нафта, газ, фосфорити та ін.

Фотосинтез і кругообіг речовин — основні чинники існування біосфери. Фотосинтез є єдиним на Землі процесом, в якому зеленими рослинами з бідних енергією неорганічних речовин (вуглекислого газу, води, мінеральних солей) за допомогою сонячної енергії у величезних масштабах утворюються складні, багаті енергією органічні сполуки. Ці сполуки, здатні до різноманітних хімічних перетворень, — основа життя всіх інших організмів біосфери. Всі види живих істот, що мешкають на Землі, використовують урешті-решт одну форму енергії хімічних зв'язків. Будь-який прояв життя на нашій планеті пов'язаний з утворенням і споживанням цієї біохімічної енергії.

Джерело енергії для фотосинтезу (сонячна радіація) і головний інструмент фотосинтезу (живий організм) перетворюють вуглекислий газ, воду і мінеральні солі на біохімічну енергію. Організми, що фотосинтезують та використовують сонячну енергію для утворення органічних речовин з неорганічних сполук і вуглекислого газу називають автотрофами (такими, що самохарчуються). Вони перетворюють енергію сонячного світла в біохімічну енергію, запасаючи її у вигляді енергії хімічних зв'язків у складних органічних молекулах. Інші організми біосфери (більшість бактерій, гриби, тварини), яким потрібні для зростання і розвитку готові органічні сполуки, — гетеротрофи, тобто ті, що харчуються іншими організмами.

Окрім фотосинтезу, іншим найважливішим для існування життя процесом у біосфері є кругообіг речовин, що відбувається завдяки наявності в біосфері автотрофів, які створюють органічні речовини з неорганічних, і гетеротрофів, які використовують ці органічні речовини і знову перетворюють їх на неорганічні сполуки, поповнюючи запас останніх у біосфері. Отже, фотосинтез і кругообіг речовин — це два основні чинники існування біосфери Землі.

1.2 Вчення Вернадського про біосферу

Одним з видатних натуралістів, що присвятив себе вивченню процесів, що протікають у біосфері, був академік В. І. Вернадський. Він став основоположником наукового напрямку, названого ним біогеохімією, яка лягла в основу сучасного вчення про біосферу.

До появи робіт В. І. Вернадського роль живих організмів на Землі представлялася вченим дуже скромною. Дійсно, здавалося б, яке може бути порівняння наслідків їхньої життєдіяльності з міццю внутрішніх сил планети, що здіймають найвищі гори, розділяючи океанські безодні, що переміщають цілі континенти.

В. І. Вернадський довів, що, який би слабкий не був кожен організм окремо, всі вони, разом узяті, протягом тривалого відрізка часу виступають як потужний геологічний фактор, що грає істотну роль у житті нашої планети. Геологічна діяльність живих організмів проявляється як наслідок наступних їхніх особливостей: вони найтіснішим образом пов'язані з навколишнім середовищем і взаємодіють із ним в процесі обміну речовиною й енергією; обмін речовин організмів із середовищем здійснюється в процесі біологічного кругообігу; сумарний ефект результатів діяльності організмів проявляється протягом дуже тривалих (у сотні мільйонів років) відрізків часу. Таким чином, пріоритет у розробці теоретичних основ навчання про біосферу належить вітчизняним ученим.

За визначеннями учених, вік Землі дорівнює приблизно 5 млрд. років. Найбільш древні сліди живих організмів знайдені в Південній Африці (Східний Трансвааль), у товщі гірських порід, вік яких дорівнює 3,2 млрд. років. Ці організми нагадували сучасних ниткоподібних бактерій. Учені навіть дали їм назва - еобактеріум ізолятум. Таким чином, можна вважати, що біосфера Землі виникла біля трьох мільярдів років тому.

Наземні організми з'явилися близько 400 млн. років тому. Це були перші примітивні рослини. З появою на суші живих організмів і виникненням рослин починається найважливіший етап в історії розвитку біосфери. Із цього періоду почалося їхнє швидке поширення по планеті, і в цей час Землю населяє величезна кількість різноманітних рослинних і тваринних організмів.

В XIX столітті в Росії поступово складалося уявлення про єдність людини й природи, про ті проблеми, з якими неминуче зіштовхнеться людство при неприборканому прагненні цілком підкорити собі природу. Взагалі ідея цільного знання, заснованого на органічній повноті життя, належить російської філософії. Вона лягла в основу напрямку громадського життя, що одержало назву "російський космізм". Саме тоді в науковому середовищі заблищали імена психолога й фізіолога І. М. Сєченова, хіміка Д. І. Менделєєва, ґрунтознавця В. В. Докучаєва, основоположника космонавтики К. Е. Ціолковського. До плеяди цих видатних учених належить і В. І. Вернадський.

В 1926 році Вернадський опублікував у Санкт-Петербурзі книгу за назвою "Біосфера", що ознаменувала народження нової науки про природу, про взаємозв'язок з нею людини. У цій роботі біосфера вперше показана як єдина динамічна система, населена й керована життям, живою речовиною планети. "Біосфера - організована, певна оболонка земної кори, сполучена з життям". У роботах по біосфері вчений показав, що взаємодія живої речовини з речовиною косною є частина великого механізму земної кори, завдяки якому відбуваються різноманітні геохімічні й біогенні процеси, міграції атомів, здійснюється їхня участь у геологічних і біологічних циклах.

В. І. Вернадський уперше показав, що хімічний стан зовнішньої кори нашої планети цілком перебуває під впливом життя й визначається живими організмами, з діяльністю яких пов'язаний великий планетарний процес – міграція хімічних елементів у біосфері. Еволюція видів, відзначав учений, що приводить до створення форм життя, стійка в біосфер і повинна йти в напрямку збільшення біогенної міграції атомів.

Біосфера являє собою надскладну планетарну оболонку життя, населену організмами, що становлять у сукупності живу речовину. Це найбільша (глобальна) екосистема Землі - область системної взаємодії живої й косної речовини на планеті.

Сукупна діяльність живих організмів у біосфері проявляється як геохімічний фактор планетарного масштабу.

Біосфера по вертикалі розділяється на дві чітко відособлені області: верхню, освітлену світлом, - фотобіосферу (у якій відбувається фотосинтез), і нижню, "темну", - меланобіосферу (у якій фотосинтез неможливий). На суші границя між ними проходить по поверхні Землі.

Біосфера охоплює нижню частину атмосфери до висоти озонового екрана (20-25 км), верхню частину літосфери (кора вивітрювання) і всю гідросферу до глибинних шарів океану. В. І. Вернадський відзначав, що "межі біосфери обумовлені, насамперед, полем існування життя". На розвиток життя, а, отже, і на границі біосфери впливають багато факторів і насамперед наявність кисню, вуглекислого газу, води в рідкій фазі. Обмежують область поширення життя й занадто високі або низькі температури. Елементи мінерального харчування також впливають на розвиток життя. До обмежуючого фактора можна віднести й над солоне середовище (перевищення концентрації солей у морській воді приблизно в 10 разів). Позбавлені життя підземні води з концентрацією солей понад 270 г/л.

У планетарній біосфері виділяють континентальну й океанічну біосфери, які відрізняються геологічними, географічними, біологічними, фізичними й іншими умовами. Нижня межа поширення живого обмежується дном океану (глибина близько 11 км) або ізотермою в 100C0 у літосфері (за даними надглибокого буріння на Кольському півострові ця цифра становить близько 6 км). Фактично життя в літосфері простежується до глибини 3-4 км. Таким чином, вертикальна потужність океанічної біосфери становить 17 км, сухопутної до 12 км. Нагору, в атмосферу, біосфера простирається не вище озонового екрана, що становить 22-24 км. Отже, межа протяжності біосфери на Землі виражається цифрою 33-35км, хоча теоретично вона може бути більш ширшою.

На основі робіт В. І. Вернадського й інших дослідників, які зробили великий внесок у вивчення біосфери планети, пропонується розрізняти три основні її форми:

· форми біологічної систематики, що включають популяції, види, роди, сімейства й ін., прийняті в ботаніці й зоології;

· біогеографічні форми - території, що характеризують географічне поширення й розподіл рослин і тварин, специфіку флори й фауни. Це біогеографічні зони, області й т. д. Окремо виділяються ботаніко-географічні й зоогеографічні території, що дають уявлення про склад і характер флори й фауни;

· екологічні форми, відомі за назвою екосистем (біогеоценозів), екотопів, біотопів й ін. Нагадаємо, що біотоп - це ділянка з однорідними екологічними умовами, зайнятий певними біоценозами, екотоп - це місце перебування співтовариства. На відміну від біотопу, поняття "екотоп" включає зовнішні стосовно співтовариства фактори середовища. Це сукупність абіотичних умов неорганічного середовища даної ділянки, що представляє собою місцеперебування конкретного співтовариства. Екологічні форми визначають специфіку вивчення біосфери в екологічних аспектах.

Речовинний склад біосфери також різноманітний. В. І. Вернадський включає в нього сім глибоко різнорідних, але геологічно не випадкових частин:

q жива речовина;

q біогенна речовина - народжуване й перетворене живими організмами (горючі копалини, вапняки й т.д.);

q косна речовина, утворена без участі живих організмів (тверде, рідке й газоподібне);

q біокосна речовина – косна речовина, перетворена живими організмами (вода, ґрунт, кора вивітрювання, мули);

q речовина радіоактивного розпаду (елементи й ізотопи уранового, торієвого й актиноуранового ряду);

q розсіяні атоми земної речовини й космічних випромінювань;

q речовина космічного походження у формі метеоритів, космічного пилу й ін.

У будові й морфології біосфери винятково важливе значення для розвитку живої речовини мають наступні її елементи (зверху вниз):

- шар живої речовини, так звана "плівка життя";

- педосфера, або ґрунтовий покрив;

- ландшафтно-екологічні системи - функціональні системи, що включають живі організми й середовище їхнього перебування;

- кора вивітрювання, тобто зона руйнування й перетворення гірських порід, їхніх мінерально-геохімічних змін у верхній частині земної кори під впливом різних факторів;

- давня біосфера (палеобіосфера) - комплекс гірських порід, рельєфу й інших ландшафтних компонентів, що залягають нижче сучасної біосфери й похованих під її новітніми утвореннями. Це гірські породи, рудні й нерудні мінерали, хімічні елементи, широко використовувані в промисловості;

- численні мінерали верхньої частини земної кори й біосфери: глини, вапняки, боксити й т.д.;

- природні води осадової оболонки;

- мільйони органічних й органо-мінеральних з'єднань: вугілля, графіт, гумусові речовини, нафта, природні гази;

- мінеральні ресурси біосфери й земної кори, розповсюджені у формі вільних елементів: міді, срібла, золота, вісмуту, платини й т.д. Всі вони - головне джерело сировини для металургії, хімічної промисловості й багатьох інших галузей. Їхній видобуток і використання в економіці ростуть рік у рік.

Зі сказаного випливає, що біосфера є результатом складного механізму геологічного й біологічного розвитку косної й біогенної речовини. З одного боку, це середовище життя, а з іншого боку - результат життєдіяльності. Головна специфіка сучасної біосфери - це чітко спрямовані потоки енергії й біогенний (пов'язаний з діяльністю живих істот) круговорот речовин.

Розробляючи вчення про біосферу, В. І. Вернадський прийшов до висновку, що головним трансформатором космічної енергії є зелена речовина рослин. Тільки вони здатні поглинати енергію сонячного випромінювання й синтезувати первинні органічні сполуки . Для пояснення великої сумарної енергії біосфери вчений зробив розрахунки, які дійсно показали величезне значення фотосинтезуючих рослин у створенні загальної органічної маси. Учений підрахував, що поверхня Землі становить менше однієї десятитисячної поверхні Сонця. Загальна ж площа трансформаційного апарата зелених рослин залежно від пори року становить уже від 0,86 до 4,2% площі поверхні Сонця. Різниця колосальна. Цей зелений енергетичний потенціал і лежить в основі збереження й підтримки всього живого на нашій планеті.

В. І. Вернадський так само, як і Ламарк 140 років тому спробував дати головні вичерпні ознаки кожного царства живого. І чим більше він вникав у проблему, тим більше ясно ставало, що вимальовується новий розріз світу. В. І. Вернадський склав таблицю з 16-ти пунктів, де розглянув відмінність живого й неживого у фізичному, хімічному й термодинамічному змісті.

Аналіз таблиці показував, що в природі немає ніяких переходів від неживого до живого: вони настільки суперечливі, що живе ні при яких умовах не може походити від неживого. Організм і косну матерію розділяє непрохідна стіна. Принцип італійського натураліста й лікаря Франческо Реді говорить, що живе походить тільки від живого, між живою й неживою речовиною проходить різка границя, хоча і є постійна взаємодія, - одержав своє підтвердження .

1.3 Гіпотези виникнення біосфери та етапи її еволюції

Біосфера має довгу історію, тісно пов'язану з еволюцією Землі. Еволюцію Землі можна умовно поділити на кілька фаз.

- Перша фаза. Формування ранньої земної кори, атмосфери та гідросфери. Виникнення геологічного кругообігу речовин.

Згідно з найпоширенішою серед астрономів і астрофізиків гіпотезою, Всесвіт виник близько 20 млрд років тому внаслідок Великого вибуху. Потім утворилася наша Галактика (8 млрд років тому).

Близько 6 млрд років тому у віддаленій частині одного з рукавів Галактики розтягнута на трильйони кілометрів газопилова хмара під дією гравітаційних сил поступово ущільнилася й перетворилася на водневий диск, що повільно обертався. З його центральної частини утворилося Сонце, де за надзвичайно високих температури й тиску початися реакції ядерного синтезу, в ході яких водень перетворювався на гелій і виділялася величезна кількість енергії. Периферичні залишки диска також зближувалися під дією сил взаємного притягання, поступово ущільнювалися, доки не перетворилися на суцільні сфери — планети Сонця. Потім поверхні таких сфер тверднули, утворюючи первинну планетарну кору.

Первинна кора нашої планети — Землі — утворилася приблизно 4,6 млрд років тому. Відтоді на її поверхні осідали метеорити й космічний пил. Завдяки ізотопному аналізові таких метеоритних залишків (метеоритного свинцю) вдалося визначити час виникнення земної кори, тобто дату народження нашої планети. З тріщин тонкої кори неперервно вивергалася розжарена лава, а разом із нею — гази. Утримувані гравітаційними силами, ці гази утворили первинну атмосферу планети. Вона складалася з метану, аміаку, водяної пари, вуглекислого газу, сірководню, ціанистого водню й практично не містила кисню та озону.

Коли поверхня планети охолола, водяна пара почала конденсуватися в атмосфері й випадати першими дощами, розчинюючи численні мінерали земної кори. Поступово вода накопичувалася, утворюючи океани. На планеті сформувалася гідросфера. Циркуляція атмосферних мас, води й розчинених у ній мінералів, переміщення магматичних продуктів на поверхню планети й знову в її надра породили великий, або геологічний, кругообіг речовин. Закінчувалася перша фаза еволюції нашої планети.

- Друга фаза. Передбіологічна (хімічна) еволюція.

Протягом цієї фази (4,6—3,8 млрд років тому) на Землі відбувалися процеси синтезу й накопичення простих органічних сполук, необхідних для існування життя: амінокислот і простих пептидів, азотистих основ, простих вуглеводів. Ці сполуки, "цеглинки життя", виникли внаслідок процесів абіотичного синтезу.

Гіпотезу про можливість виникнення таких сполук абіотичним шляхом, тобто без участі живої речовини, висловив у 1923 р. російський біохімік, академік О. І. Опарін, а вперше експериментально перевірив у 1953 р. американський аспірант С. Міллер. У своїх дослідах С. Міллер зімітував умови давньої Землі: в стерильний реактор він помістив водень, метан, аміак та воду, і крізь цю суміш пропускав електричні розряди, імітуючи блискавки в первинній атмосфері. За тиждень у реакторі було виявлено кілька амінокислот, деякі прості вуглеводи, інші органічні сполуки, які входять до складу живої речовини. Експерименти С. Міллера, повторені й підтверджені в багатьох інших лабораторіях, довели: майже всі мономери біополімерів могли синтезуватись абіотичним шляхом. Цікаво, що в зразках місячного реголіту (поверхневої породи, яка не має аналогів на Землі) також знайдено "цеглинки життя": деякі амінокислоти й прості вуглеводи, пурини й піримідини — одні з основних компонентів нуклеїнових кислот. Органічні речовини нагромаджувалися в океані, утворюючи так званий "первинний бульйон".

Релігія розглядає виникнення життя на Землі як акт творіння Господа, даючи часом досить витончені тлумачення опису цього акту Книгою Буття й різко критикуючи наукові гіпотези природного походження життя.

"Одні вірять у біблійну історію створення, інші — в доводи сучасного природознавства, але всі згодні, що життя зародилося в океані. Ні Бог, ні природа не могли б створити людину з безживної вулканічної породи. Довгий і складний розвиток, вінцем якого стала людина, починався в товщі океану, коли енергія Сонця вперше перетворила гази й продукти вивітрювання гірських порід на протоплазму й живі клітини."

Т. Хейєрдал,

норвезький етнограф,

географ, археолог, мандрівник

Деякі вчені (в тому числі видатні — В. І. Вернадський, Ф. Крик) вважають, що живі організми були занесені на Землю з Космосу або з метеоритами й космічним пилом (гіпотеза панспермії), або "зародки життя" розсилатися на зорі геологічної історії Землі якоюсь космічною надцивілізацією для запліднення безживних, але потенційно придатних для життя планет (спрямована панспермія). [2]

Проте більшість біологів та еволюціоністів вважають, що життя на Землі виникло природним шляхом, у результаті процесів абіогенного синтезу. Сьогодні на основі цього припущення висунуто цілу низку наукових гіпотез, які, конкуруючи між собою, все ж мають спільні принципові позиції:

а) виникненню життя передувало нагромадження в Світовому океані органічних речовин, синтезованих абіогенним шляхом;

б) у зонах концентрації цих речовин виникли молекули, здатні до самокопіювання (стосовно живого цей процес називають реплікацією, отже Р. Докінз запропонував називати такі молекули реплікаторами);

в) на основі реплікаторів сформувалися реакції й механізми матричного синтезу (в тому числі біосинтез білків), генетичний код, що й зумовило виникнення на планеті клітин живої речовини. Перше твердження вже доведено експериментально, а для другого й третього — фізиками, математиками, біологами й хіміками запропоновано низку моделей, кілька з яких мають непрямі експериментальні підтвердження.

Слід зазначити, що жодну з гіпотез (ні створення, ні панспермії, ні абіогенного походження) прямими експериментами не доведено, хоч апріорі деякі з них здаються переконливими. Яку з гіпотез прийняти — це питання свободи совісті, ерудиції й навіть (за висловом американської вченої-еволюціоністки Л. Маргеліс) — справа смаку.

Незалежно від того, яким шляхом з'явилося життя на нашій планеті, жива речовина докорінно змінила її зовнішній вигляд: на Землі виникла біосфера.

- Третя фаза. Давня біосфера. Еволюція ирокаріотичного світу. Виникнення біологічного кругообігу речовин. Формування кисневої атмосфери.

Ця фаза еволюції нашої планети почалася приблизно 3,8—4 млрд років тому. Рештки перших живих організмів (їхній вік становить 3,8 млрд років) дійшли до нас у вигляді так званих строматолітів — вапнякових решток синьо-зелених водоростей і актиноміцетів, а також у вигляді осадових порід, у котрих шари двовалентного заліза чергуються з шарами окисненого тривалентного, подібно до того, як це нині спостерігається в "мікробних матах" на узбережжях багатьох субтропічних морів.

Перші живі організми мали примітивну — прокаріотичну — будову, були анаеробами, тобто організмами, які існують у безкисневому середовищі. Вони жили в морях, "ховаючись" на глибині від згубного ультрафіолетового випромінювання Сонця, оскільки на планеті ще не існувало захисного озонового шару. Необхідні для життя енергію й речовини перші мешканці Землі діставали, використовуючи готові органічні сполуки первинного бульйону, тобто були гетеротрофами. Така "споживацька" стратегія життя, що ґрунтувалася на використанні обмежених запасів органічних речовин, нагромаджених протягом тривалої передбіологічної історії, могла б призвести до цілковитої переробки всього низькоентропійного й енергетично цінного матеріалу у відходи й урешті-решт — до загибелі всього живого.

Проте криза не настала, бо серед величезної різноманітності способів добування енергії й поживних речовин, які "випробовувалися" в давньому світі прокаріот, швидко з'явився принципово новий тип живлення — автотрофний. Організми-автотрофи для побудови своїх клітин не використовували готові органічні речовини, а самі синтезували їх з неорганічних — вуглекислого газу, води, азотовмісних і фосфоровмісних сполук. Такі процеси потребували значних енергетичних затрат. Необхідну енергію автотрофи діставали або за рахунок окисних реакцій — у процесі хемосинтезу, або в результаті прямого вловлювання й перетворення променистої енергії Сонця — фотосинтезу.

Перші автотрофні організми, мабуть, були хемосинтезуючими й діставали потрібну енергію, окислюючи або сірку в сірководні до молекулярної сірки, або двовалентне залізо до тривалентного й т. п. Але справжня революція в юній біосфері почалася з появою фотосинтезуючих бактерій — ціанобактерій (синьо-зелених водоростей), які "навчилися" використовувати найпотужніше й найстабільніше в планетарному масштабі джерело енергії — сонячне світло.

З появою автотрофів на планеті замкнувся цикл біологічного кругообігу речовин, і на мільярди років відступила загроза енергетичного й харчового голоду. Автотрофи, що здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних, дістали загальну назву — продуценти, а гетеротрофи, які розкладають органічні сполуки до неорганічних, — редуценти. Водночас виникла ще одна група організмів, котрі використовували готові органічні речовини, не розкладаючи їх до мінеральних, а трансформуючи в інші органічні речовини. Цю групу споживачів-трансформаторів готової органіки називають консументами. Першими консументами були бактерії, що живились органікою загиблих продуцентів (так званий сапротрофний тип живлення) або вели паразитичний спосіб життя всередині клітин продуцентів чи консументів-сапротрофів.

Відтоді естафету життя розпочинали автотрофи-продуценти, які з вуглекислого газу й води за допомогою сонячного світла чи то енергії окисно-відновних реакцій створювали молекули простих цукрів. Далі цукри полімеризувалися в полісахариди або трансформувалися в амінокислоти, нуклеотиди, жирні кислоти, гліцерин тощо, з яких утворювалися білки, нуклеїнові кислоти, жири та інші необхідні для клітини компоненти. З погляду другого закону термодинаміки, продуценти створювали низькоентропійні сполуки, використовуючи для цього поглинуту променисту енергію.

Ці низькоентропійні, а отже, високоенергетичні сполуки — органічні речовини — в подальшому споживалися консументами. Зазвичай консументи спочатку поглинали складні органічні речовини, а потім частково розкладали їх на простіші, наприклад, полісахариди — на прості цукри, звільняючи енергію, потрібну для підтримання своєї життєдіяльності. Добута енергія витрачалася на трансформацію залишків використаних складних органічних речовин в інші необхідні речовини й на підтримання процесів метаболізму організмів-споживачів.

І нарешті, органічна речовина відмерлих продуцентів і консументів споживалася редуцентами. Давні редуценти, на відміну від консументів, виділяли в зовнішнє середовище ферменти (так звані екзоферменти), що розкладали складні органічні сполуки на простіші, а потім поглинали ці прості сполуки. Всередині клітин більшу частину поглинутих простих органічних сполук редуценти окиснювали до мінеральних речовин, одержуючи необхідну енергію, а із залишків створювали потрібні для себе складніші органічні речовини.

Отже, жива речовина (біота) — продуценти, консументи й редуценти — утворила ланцюг живлення (трофічний ланцюг), який через неживу речовину — мінеральні сполуки — замкнувся в коло. Відтоді продуценти синтезували органічні речовини з неорганічних, консументи їх трансформували, а редуценти розкладали до мінеральних сполук, які потім знову споживалися продуцентами для процесів синтезу. З потоку речовин у цьому колі утворився біологічний кругообіг речовин.

Геологічний і біологічний кругообіги речовин разом склали біогеохімічний кругообіг, з'єднавши в ньому водночас величезну потужність першого й надзвичайні швидкість та активність другого. Біогеохімічний кругообіг "налагоджувався" приблизно 1,5-2 млрд років, потім стабілізувався, суттєво не змінюючись протягом більш як 2 млрд років — дотепер.

Поява фотосинтезуючих продуцентів, окрім усього іншого, мала один важливий наслідок — на Землі сформувалася киснева атмосфера, яка визначила подальші етапи еволюції планети й біосфери.

Майже всі первинні прокаріотичні організми були анаеробами. Кисень, життєво необхідний переважній більшості видів, що існують нині, для давніх організмів був однією з найсильніших отрут. Надзвичайно активний окиснювач, вільний кисень, руйнував, дезактивував, "спалював" більшість ферментів давніх бактерій-анаеробів, тому вони діставали енергію лише за рахунок безкисневих і низькоефективних процесів бродіння й розщеплення простих цукрів — шляхом гліколізу. Однак саме кисень виділяли в процесі фотосинтезу первинні продуценти-фотоавтотрофи — синьо-зелені водорості. Оскільки через високу вулканічну активність планети давні моря були дуже теплими, то лише незначна кількість цього кисню розчинялась у воді Світового океану. Основна маса кисню нагромаджувалася в атмосфері, де зрештою окиснювала метан і аміак у вуглекислий газ, вільний азот та його оксиди. З дощами вуглекислий азот і азотні сполуки потрапляли в океан і там споживалися продуцентами. Поступово кисень замістив у атмосфері метан і аміак. Частина кисню під впливом сонячного світла й електричних розрядів у атмосфері перетворювалася на озон. Молекули озону, концентруючись у верхніх шарах атмосфери, прикрили поверхню планети від згубної дії ультрафіолетового випромінювання, що йшло від Сонця. У цей час у Світовому океані серед бактерій виникли види, здатні спочатку тільки захищатися від розчиненого у воді кисню, а в подальшому "навчилися" використовувати його для окиснення глюкози й одержання додаткової енергії, На зміну низькоефективним процесам бродіння й гліколізу прийшов енергетично набагато вигідніший процес кисневого розщеплення простих цукрів. Організми, що діставали енергію цим шляхом, не лише не отруювалися киснем, а навпаки, мали від нього користь. Такі організми названо аеробними. Оскільки шар озону захищав тепер клітини від ультрафіолетового випромінювання, аероби почали колонізацію багатих на кисень поверхневих шарів Світового океану та його мілководь — шельфу. Жива речовина заселила всю гідросферу.

- Четверта фаза. Виникнення еукаріот. Заселення суші. Сучасна біорізноманітність органічного світу.

Ця важлива фаза в розвитку нашої планети та її біосфери ознаменувалася виникненням істот принципово нового типу — побудованих з еукаріотичних клітин. Еукаріотичні клітини значно складніші за прокаріотичні. Вони диференційовані на системи певних органоїдів (ядро, мітохондрії, ендоплазматична сітка, комплекс Гольджі, лізосоми, хлоропласти тощо), здатні до мітозу, мейозу й статевого процесу, можуть живитися шляхом фагоцитозу й пінозитозу і т. д. Завдяки здатності до статевого процесу еукаріоти еволюціонують набагато швидше за прокаріот і мають більший адаптивний потенціал, а отже, краще пристосовуються до змін умов існування. Вважають, що еукаріотична клітина виникла приблизно 1,2 млрд років тому в результаті серії симбіозів різних прокаріотичних клітин, одні з яких дали початок клітині-хазяїну, інші — трансформувалися в мітохондрії та хлоропласти. Перші еукаріоти були гетеротрофними одноклітинними організмами. Вони, шляхом залучення до своєї клітини прокаріотичних фото-автотрофів, поклали початок еукаріотичним одноклітинним водоростям. У подальшому від автотрофних і гетеротрофних еукаріот відокремилося кілька груп грибів. Окрім того, одноклітинні гетеротрофні прокаріоти є родоначальниками багатоклітинних безхребетних тварин.

Страницы: 1, 2