Кругообіг речовин та енергії в біосфері та вплив на нього антропогенної діяльності людства

 Термін «біосфера» з'явився у науковій літературі у 1875 році. Його автором був Едуард Зюсс, з яким B.I. Вернадський був знайомий особисто. Зюсс, зокрема, писав: «Одне здається іншорідним на цьому великому, яке складається зі сфер, небесному тілі, а саме — органічне життя. ... На поверхні материків можна виділити самостійну біосферу...»

Під біосферою розуміють все те, що нас оточує, ту «природу», в якій ми живемо. Сам B.I. Вернадський дав наступне визначення біосфери: 

«Біос­фера є оболонкою життя — область існування живої речовини».

Струнке вчення про біосферу було розроблене у 1926 році B.I. Вернадським і цим же роком датована його книга «Біосфера», яка вийшла у Ленінграді. 

Вчений виділив три головних компоненти біосфери:

— живі організми;

— мінеральні речовини, які включені живою речовиною у біогенний кругообіг;

— продукти діяльності живої речовини, які тимчасово не беруть участі у біогенному кругообізі.

Таким чином, вся сукупність організмів на планеті називається живою речовиною. Сукупність тих речовин у біосфері, в утворенні яких живі організми не приймають участі, називають кістяковою речовиною.

Біогенна речовина створюється і переробляється життям, сукупностя­ми живих організмів. Біокістякова речовина планети це грунт, кора вивітрювання, усі природні води, властивості яких залежать від діяльності речовин. Жива речовина як біогенний фактор характеризується елемен­тарним хімічним складом, масою та енергією. Вона трансформує сонячну енергію і залучає неорганічну матерію у безперервний кругообіг. В кінцевому рахунку жива речовина породила склад атмосфери, гідросфери. грунтів і у значній мірі осадових порід нашої планети. Жива речовина акумулює енергію космосу, трансформує її в енергію земних процесів (хімічну, механічну, теплову, електричну) і у безперервному обміні речовин з кістяковою матерією планети забезпечує утворення нової живої речовини, яка привносить нові якості, визначаючи тим самим процес еволюції орган­ічного світу. Оновлення всієї живої речовини Землі здійснюється у середнь­ому за 8 років. При цьому речовина наземних рослин оновлюється приблиз­но за 14 років. У океані циркуляція речовини відбувається у багато разів швидше: вся маса живої речовини оновлюється тут за 33 доби, у той час як фітомаса океану — щодобово. Процес повної заміни вод у гідросфері здійснюється за 2800 років. У атмосфері зміна кисню відбувається за декілька тисяч років, а вуглекислого газу за 6.3 роки.

Вплив живих мешканців рослин, тварин, мікроорганізмів виділяють в особливу групу біотичних факторів. Їхня дія на організм може бути як прямою (поїдання тваринами, запилення комахами, паразитування од­них організмів на інших), так і опосередкованою (зміна біотичних факторів середовища). Вплив біотичних факторів не менш (а, інколи, значно більш) дієвіший, ніж вплив факторів неорганічного середовища. Воно переважно визначає особливості будови і життєдіяльності організмів, а на рівні екосистем — напрям, характер та інтенсивність перетворення речовин і енергії.

Виділяють різні форми біотичних відносин:

Конкуренція — такий тип міжвидових та внутрішньовидових взаємовідносин, при якому популяції або особини в боротьбі за їжу, середовище існування та інші необхідні для .життя умови, впливають один на одного негативно. Так, у випадку обмежених харчових ресурсів два однакових у екологічному відношенні і потребах види співіснувати не можуть і рано чи пізно один конкурент витіснить іншого («закон конку­рентного виключення», сформульований Ґ. Ф. Гаузе).

Широко розповсюдженим типом біотичних взаємовідносин у природі .є хижацтво, яке позначає відносини між хижаком і жертвою. Хижаки — це тварини чи рослини, які ловлять і поїдають інші живі організми (об'єкт живлення). Усім цим хижим тваринам і рослинам властивий надзвичайно широкий спектр об'єктів живлення за рахунок можливості переключення з однієї здобичі на іншу, більш багаточисельну і доступну. При цьому з біологічної точки зору такі відносини між двома різними видами сприятливі для одного з них і несприятливі для іншого. Обидва види ведуть такий спосіб життя і мають такі чисельні співвідношення, що замість поступо­вого зникнення жертви і хижака забезпечується їх співіснування.

Паразитизм — така форма біологічних зв'язків організмів різних видів. при яких один з них живе за рахунок іншого, знаходячись всередині або на поверхні його тіла. При цьому організм-споживач використовує живого хазяїна не лише як джерело їжі, але і як місце постійного чи тимчасового існування. Паразити використовують у їжу організм господаря поступово. зберігаючи життя жертви до закінчення свого життєвого циклу,

Симбіоз є тривалим, нероздільним і взаємовигідним співіснуванням двох чи більше організмів. Симбіонтами можуть бути рослини і тварини

Наприклад, деякі коралові поліпи, прісноводні губки утворюють угруповання з одноклітинними водоростями. Однак, потрібне об'єднання виникає не з метою живлення одного за рахунок іншого, а для посилення (або отримання) захисту чи механічної опори.

Типовий симбіоз — відносини термітів та їх клітинних співмешканців — джгутикових. Ці найпростіші виробляють фермент глюкозидазу, який перетворює клітковину в цукри. Терміти не мають особливих кишкових ферментів для перетравлювання целюлози і без симбіонтів гинуть від голоду. Вилупившись з яєць, молоді терміти облизують анальний отвір дорослих, заражуючи себе джгутиковими. Джгутикові знаходять у кишечнику термітів сприятливий мікроклімат та умови для розмноження.

Найбільш пряма і відчутна форма впливу тварин на рослини — споживання рослинної маси в їжу. Рослиноїдні звичайно живляться тільки певними рослинами. Споживають рослинну масу і птахи. Особливо інтенсивні споживачі насіння — шишкарі, кедрівки, сойки, дрозди тощо. Широко відома роль тварин у запиленні рослин. Запилення комахами сприяє виробленню ряду тонких пристосувань у рослин і комах. Цікаві адаптації рослин, які запилюються комахами, такі як візерунки, що створюють «дорожні нитки» до нектарників і тичинок — видимих лише в Ультрафіолетових променях; різне забарвлення квітів до і після запилення наприклад, у медунки особливо привабливі для комах, щойно розпущені рожеві квіти, які містять багато нектару, а вже запилені набувають бузкового 1 голубого забарвлення; особливості будови віночка і тичинок тощо).

У запиленні рослин беруть участь і птахи. У тропічних і субтропічних областях південної півкулі близько 2000 видів птахів запилюють квіти в пошуках нектару чи полюванні на комах, які ховаються у віночках. найбільш відомі запилювачі — нектарниці та колібрі. Можливе запилення квітів ссавцями. Деякі австралійські кущі запилюються за допомогою кенгуру, які охоче п'ють нектар переходячи від квітки до квітки.

З іншого боку. рослини також відіграють велику роль при взаємовідносинах тваринами. Саме в процесі еволюції визначились групи тварин з спеціалізованим живленням: плодоїдні, зерноїдні, ті, що живляться нектаром, зеленими органами рослин тощо. Наслідком сумісної еволюції тварин рослин є і приуроченість різних груп тварин до певних груп рослин.

Антропогенні фактори — це сукупність змін, які вносяться у природу людською діяльністю і впливають на органічний світ.

Використовуючи природу для своїх потреб, людина змінює її і тим самим, у тій чи іншій мірі, впливає на життєдіяльність рослин і тварин. У міру розвитку людського суспільства антропогенний вплив на природу постійно посилюється. Він також може бути прямим і опосередкованим. Прямий вплив спрямований безпосередньо на організм. Прикладом може мати вирубка і викорчовування лісів, що призводить до знищення дерев різних порід і кушів, до скорочення кількості рослин. Але вирубка лісів впливає і опосередковано на тваринне населення: змінюються умови існування лісових птахів і звірів, падає їх чисельність.

Опосередкований вплив антропогенних факторів виявляється в тому, що людина в процесі виробничої діяльності змінює ландшафти. У результаті змінюються кліматичні умови, фізичний стан і хімізм атмосфери, стан водойм, фунтів, будова поверхні Землі. Все це приводить до змін рослинного і тваринного світу (табл. 1).

Таблиця 1.

Антропогенні фактори

Фактор	Характер дії	Наслідки
Винищення	Загибель популяцій і видів	Зміна біоценотичних зв'язків
Нераціональне використання:
Турбота	Зміна поведінки особин та їх стану	Зменшення числа вагітних самок, скорочування народжуваності, під­вищення смертності молодняка
Виготування	Ущільнення грунту, загибель особин	Зміна типу угруповання
Забруднення	Зміна фізичного і хімічного стану середовища	Зміна напрямків і швидкості природ­ного добору
Вирубка	Зміна мікроклімату, освітлення ділянки	Розвиток нового типу угруповання
Розселення	Поява популяцій нового виду в угрупованні	Зміна характеру боротьби за існу­вання

 

Багато вчених проводили вивчення процесів, які проходять у популяції гризунів, при інтенсивних антропогенних формах впливу таких, як винищувальні заходи, застосування отрутохімікатів, що надходять у природу внаслідок промислового і сільськогосподарського виробництва.

Виявилось, що крім змін густини та відносної чисельності гризунів, у багатьох випадках, внаслідок винищувальних робіт помітно змінився віковий склад популяції.

Дещо іншим був загальний фізіологічний стан ховрахів, що збереглися після винищувальних робіт. Наприклад, в межах однієї вікової групи ховрахів від 1 року до 2 років середня вага тіла на площах, які оброблялися, виявилась на 11% нижча ніж на контрольних ділянках. Втрата ваги частиною особин також відбувалася внаслідок їх нелегального отруєння. Про це свідчить більш високий відсоток резорбції ембріонів у самок, які збереглися на оброблених площах. Якщо на контрольних ділянках резорбція ембріонів спостерігалась у різні роки і на різних ділянках у 0.7 — 15% самок, то після винищувальних робіт явище мало місце в 25 — 67% самок. які зберегли вагітність.

Забруднення згубно діє на наземні рослини. В результаті різко зни­жується фотосинтез, порушується регуляція руху продихів і злагоджена робота ферментних систем. Дихання, навпаки, може бути паталогічно осилене. Інколи фізіологічні пошкодження не супроводжуються зовнішніми змінами, але ознаки пошкодження рослин токсикантами виражаються в некрозі краю листка, побуріння листків і хвої, спотворених формах росту, скручування, а в тяжких випадках — засихання і опадання листків і хвої, відмиранням рослин. У вражених токсикантами рослин знижується загальна стійкість до посухи, холоду, шкідників.

Серед речовин, які забруднюють повітря, токсичними є продукти згоран­ня, що містять сірку, і перш за все сірчистий ангідрид, який викликає руйнування хлорофілу, не розвиваються пилкові зерна, порушуються функції судинної системи. Токсичні також сполуки фтору, аміаку тощо.

Вчені встановили, що каштани — ідеальні очисники забрудненого повітря. Листки одного дерева висотою 10 м нейтралізують вихлопні гази автомобілів, що містяться в 100 з лишиш кубічних метрах забрудненої атмосфери.    

Одним із завдань охорони оточуючого середовища є розробка і впровадження технологій очищення тих залишків пестицидів (наприклад, ДДТ, гексахлорану), які вже знаходяться у ґрунті. Вченим вдалося виділити бактерію півдолонаду, яка повністю розкладає ДДТ, а потім зникає з ґрунту. Для розкладу інших пестицидів (наприклад, 2,4Д) використовується методика заорювання в грунт органіки — решток зеленої маси люцерни, гороху, соломи. В цьому випадку стійкі токсиканти розкладаються природним шляхом.

Застосування на промислових підприємствах очисних споруд, викид газів на якомога більшу висоту, удосконалення процесів спалювання палива в печах і двигунах внутрішнього згорання не виключає збільшення концентрації забруднювачів у водоймах, грунті, періодичного утворення в повітрі поблизу зеленої поверхні значних кількостей шкідливих домішок.