Навігація
Посилання


Основи екології та охорони довкілля

5.2. Сучасні уявлення про біосферу. Основи стійкості і,, саморегуляції біосфери


Еволюція біосфери тривала понад 3 млрд. років і відбувалась під впливом зовнішніх і внутрішніх чинників. Хоча сучасне уявлення про біосферу Землі багато в чому збігається з думкою В.І.Вернадського, проте ряд фактів залишаються дискусійними, зокрема, межі біосфери, основи стійкості біосфери, тощо.

Відомо, що все живе в біосфері утворює живу речовину і живі організми відіграють важливу роль у геологічних процесах. Хімічний склад сучасних атмосфери та гідросфери зумовлений життєдіяльністю організмів. Велике значення мають організми і для формування літосфери. Більшість порід, і не лише осадових, а й таких, як граніти, так чи інакше пов’язані своїм походженням з біосферою. Мінеральна інертна речовина переробляється живими організмами, перетворюючись в якісно нову. Таким чином, жива та нежива речовини на Землі становлять гармонійне ціле. Хімічний склад зовнішньої оболонки нашої планети, біосфери, цілком перебуває під впливом життя. Енергія, яка надає біосфері її звичайного вигляду, має космічне походження, її випромінює Сонце у формі променистої енергії, але саме живі організми перетворюють цю космічну променисту енергію у земну, хімічну, і формують нескінчену різноманітність нашого світу.

В своїй статті “Про межі біосфери” (1931), В.І.Вернадський висунув ідею про можливе поширення життя, хоча підтвердження цим фактам було знайдено нещодавно. Сьогодні чітко доведено, що заселеною життям є вся гідросфера до максимальних глибин, а межі життя в атмосфері і літосфері є умовними. Характеризуючи межі поширення життя в атмосфері, М.Ф.Реймерс (1994) зазначив, що максимальна густина життя спостерігається від поверхні суші чи води до висоти 50-300 м, яку він назвав екотопом. Глибина життя в літосфері залежить від особливостей умов цього середовища (температура, тиск, волога, тощо) і вона коливається від 0,5-2,0 до 6,0- 8,0 км. Характеризуючи межі активного життя слід враховувати ряд життєвих факторів:

- це достатня кількість діоксиду Карбону і кисню;

- достатня кількість вологи;

- сприятливий термічний режим, який має виключати надто високі і надто низькі температури. Най живучими є прокаріоти.

Історично межі біосфери змінювались. Перші екосистеми були малими, вони займали незначний прошарок Землі і серед живих організмів були присутні, переважно, дрібні анаеробні гетеротрофи, що живились органічними речовинами, які утворились в ході абіотичних процесів. Далі відбувся, за Ю.Одумом “популяційних вибух” автотрофних організмів, (передрефейна криза буде нами розглянута далі). Межі біосфери розширила людина опанувавши космічний простір, де за звичай життя відсутнє. Так чи інакше, сьогодні біосфера охоплює шар до 20 км, де активно існує життя. Все інше слід називати “парабіосферною зоною”.

Біосфера в сьогоднішньому розумінні - це глобальна відкрита системи зі своїми механізмами саморегуляції. З позиції кібернетики складові біосфери - екосистеми, описуються як “чорний ящик”, процеси всередині яких закодовані природою. Самоорганізація біосфери пояснюється формуванням інформаційної системи, причому ця інформація зберігається в живих організмах. Отже, саморегуляція забезпечується живими організмами. Тому біосферу можна вважати централізованою кібернети

чною системою, оскільки один елемент -

живі організми в цілому - відіграє домінуючу, центральну роль у функціонуванні системи в цілому.

За законом необхідної різноманітності (Вінер-Шеннон-Ешбі), який є основним кібернетичним законом, кібернетична система лише тоді володіє стійкістю до блокування зовнішніх і внутрішніх збурень, коли вона має достатнє внутрішнє різноманіття (розбиття). Це різноманіття і створюється живими організмами, яких нараховується до 2 млн. видів, серед яких до 500 тис. видів є рослин, а до 1,5 млн. видів - тварин. Видове біорізноманіття не просто арифметична величина, нижче якої не повинен опуститись живий світ, а реальна потреба біосфери, що забезпечує її стійкість. На це робив наголос Ю.Одум (1986), який показав значення біорізноманіття природи для виживання людства.

Роль живої речовини у забезпеченні стійкості біосфери базується на таких її властивостях:

- жива речовина характеризується великою вільною енергією, яка напрямлена на зміну довкілля. Жива речовина виконує роботу;

- в живій природі хімічні реакції проходять значно швидше, ніж у неживій;

- окремі індивідуальні хімічні речовини можуть утворюватись лише в живих організмах;

- жива речовина проявляє значно більшу морфологічну і хімічну різноманітність, ніж нежива.

Стійкість і саморегуляція біосфери пояснюється так званою гіпотезою Геї (древньогрецька богиня Землі), в основі якої закладено положення про те, що живі організми контролюються абіотичним середовищем, а в свою чергу організми впливають на абіотичне середовище і контролюють його різноманітними способами. Існує біологічний контроль на глобальному рівні. Гіпотеза створена Дж.Лавлоком і Л.Маргулісом на основі того факту, що хімія атмосфери і фізичне середовище Землі різко відрізняється від умов будь-якої планети Сонячної системи, що зумовлено активністю ранніх форм життя. Ю.Одум (1986) показав, що основну роль в розвитку і регулюванні геохімічного середовища відіграли організми, які перетворювали його на сприятливі для них умови. Регульована система (“Гея”) робить Землю складно, але єдиною кібернетичною

системою. В.Ю.Некос (2001) узагальнюючи сутність гіпотези Геї зазначив, що існує біологічна регуляція геохімічного середовища.

Іншими словами, щоб система (біосфера) була стійкою проти зовнішнього або внутрішнього збурення вона повинна бути пластичною, а ця пластичність забезпечується живі організми.

Біосфера - це енергетично незамкнена система, в якій відбувається поглинання теплоти із ззовні та її використання в ізотермічних умовах. При характеристиці енергетичного балансу біосфери слід враховувати закони термодинаміки.

У відповідності з першим законом термодинаміки, енергія в системі переходить із однієї форми в іншу, але вона не зникає і створюється знову. Існують і інші визначення першого закону термодинаміки: енергія, яка надається системі, використовується на зміну внутрішньої енергії системи і виконання системою роботи.

Біосфера в цілому, виконує роботу (геохімічну) проти стійкої рівноваги і при цьому збільшує свій вплив на довкілля (закон Вернадського-Бауера). Цим підкреслюється роль живої речовини у формуванні сучасного вигляду планети Земля і умов на ній.

У відповідності з другим законом термодинаміки або законом ентропії, процеси, які пов’язані з перетворенням енергії, можуть проходити самовільно лише у випадках, коли енергія переходить із концентрованої і розсіяну (деградує). Частина енергії системи переходить в недосяжну для використання форму, тобто проходить зростання ентропії.

Найважливішою термодинамічною рисою організмів, екосистем і біосфери в цілому є здатність створювати і підтримувати високу ступінь внутрішньої впорядкованості, тобто стабілізувати стан з низькою ентропією. Такий стан досягається постійним і ефективним використанням енергії, що легко використовується, з перетворенням її в недосяжну форму.

Тому, екосистеми можна вважати стійкими термодинамічними системами, які постійно обмінюються з довкіллям енергією і речовиною і при цьому вони зменшують ентропію всередині себе, але збільшують її ззовні, що відповідає законам термодинаміки.

Використовувана біосферою енергія (0 може бути визначена за формулою:

Q = ^H-Tx^S,Ae

ЛН - кількість енергії, ідо надходить до біосфери ззовні (енергія Сонця), Дж; Т - абсолютна температура, °К; АБ - ентропія (міра невпорядкованості системи, втрати енергії).

Отже, енергія <2, що складає від 0,5 до 1,0%, використовується біосферою на поліпшення й розвиток різноманітних процесів і утворення речовини в екосистемах. Однонапрямлений приплив енергії до біосфери є одним із фундаментальних законів екології.

Отже, сонячна енергія - це єдине джерело енергії для біосфери. Понад 35% цієї енергії, що досягає межі стратосфери, відразу відбивається атмосферою в космічний простір, ще 8% - пилинками, що знаходяться в повітрі. Понад 10% поглинається водяною парою, озоном та іншими газами.

Лише 47% сонячного випромінювання досягає поверхні Землі, а

з цієї кількості енергії, до 10% витрачається на відбивання, 50% - на випаровування і лише 40% залишається в межах біосфери. З цієї кількості енергії лише % йде на процеси фотосинтезу. Тому, стан біосфери в цілому і процеси енерго- та масообміну в ній чутливі до антропогенних впливів, адже всі живі організми споживають енергію і її необхідно постійно поповнювати.


загрузка...