Жива речовина

Життя на Землі реалізується у формі живої речовини, яку ще називають біотою.

Під терміном “Жива речовина” розуміють сукупність усіх живих організмів, виражену через масу, енергію, хімічний склад. Це – основа біосфери.

Властивості живої речовини:

1. Здатність швидко займати увесь вільний простір (всюдність життя) - пов’язана з інтенсивним розмноженням та властивістю організмів збільшувати поверхню свого тіла чи утворюваних ним спільнот (наприклад, площа листя рослин на 1 га складає 8-10 га).

2. Висока здатність пристосовуватись (адаптації).

3. Високоорганізована внутрішня структура та єдиний принцип структурної організації усього живого.

4. Обмін речовин - здатність вловлювати із зовнішнього середовища й трансформувати (перетворювати) речовини та енергію, забезпечуючи процеси своєї життєдіяльності.

5. Авторегуляція – здатність підтримувати гомеостаз (сталість власного внутрішнього середовища), незважаючи на коливання умов навколишнього середовища (якщо ці коливання сумісні з життям).

6. Спадковість – здатність передавати свої ознаки і властивості наступному поколінню.

7. Мінливість – здатність до мутацій – індукованих змін в генетичному апараті, що призводить до появи нових форм життя, до біологічної різноманітності, яка забезпечує більшу ймовірність збереження життя за рахунок найкраще пристосованих до змін довкілля форм.

8. Дискретність – будь-яка біологічна система складається з окремих, але взаємопов’язаних і взаємодіючих частин, що створює структурно функціональну єдність.

9. Здатність до руху, як пасивного так і активного.

10. Феноменальна висока швидкість протікання реакцій.

11. Стійкість при житті та швидкий розклад після смерті.

12. Висока швидкість оновлення (для біосфери в середньому 8 років).

13. Ритмічність – узгодження функцій організмів із періодичними змінами в навколишньому середовищі.

Функції живої речовини.

1. самозбереження за рахунок упереджувального реагування (основна функція живої речовини);
2. біохімічна – пов’язана з процесами обміну живих істот;
3. окисно-відновлювальна – в кисневмісному середовищі ідуть процеси окислення, при дефіциті кисню – процеси відновлення, що супроводжуються накопиченням гідрогенсульфуру (сірководню), метану;
4. газова – здатність підтримувати та змінювати газовий склад атмосфери;
5. концентраційна – здатність організмів концентрувати розсіяні хімічні елементи;
6. енергетична – пов’язана із запасанням енергії живою речовиною в процесі фотосинтезу та передаванням її по ланцюгах живлення;
7. середовищеутворююча – утворення та очищення ґрунтів, очищення повітря та води, мікроклімат лісів тощо;
8. інформаційна – накопичення певної інформації, закріплення її в спадкових структурах та передача наступним поколінням.

Основна маса живої речовини зосереджена на межі літосфери і атмосфери та у верхній частині гідросфери. Є “згущення життя”, що спостерігається з наближенням до екватору, і “розрідження життя”, що спостерігається при віддаленні від екватора та приближенні до полюсів.

З наближенням до екватора від полюсів спостерігається:

- „згущення життя”;

- збільшення кількості видів;

- збільшення біомаси;

- збільшення висоти дерев;

- зростання потужності ґрунту.

Океан – бідніший на життя.

Біомаса Світового океану в 1000 разів менша від біомаси суші. Найбільша щільність життя спостерігається в екваторіальній зоні океану та в коралових рифах.

Рівні організації живої матерії:

1. молекулярно-генетичний – редублікація генів, формування ідентичних молекул на основі матеріалів, що забезпечують спадковість і мінливість;

2. клітинний (клітина – елементарна одиниця структури, функціонування і розвитку всього живого);

3. організменний – цілісність функцій, ріст, онтогенетичний розвиток;

4. популяційно-видовий – еволюція, тривале існування, таксономічні характеристики;

5. біогеоценотичний – трофічні, хімічні, енергетичні зв’язки, колообіг хімічних елементів, перетворення енергії;

6. біосферний – форма життя, яка поза біосферою не існує.

Еволюція біосфери.

Еволюція біосфери тісно пов’язана з еволюцією Землі й умовно поділяється на кілька фаз:

- перша – формування ранньої земної кори, атмосфери і гідросфери, виникнення геологічного колообігу речовин (циркуляція атмосферних мас, води і розчинених в ній мінералів, переміщення продуктів гірських порід на поверхню планети і знову в її надра;)

- друга – хімічна еволюція – розвиток процесу синтезу і накопичення простих органічних сполук, необхідних для існування життя (амінокислот, простих пептидів тощо);

- третя – розвиток давньої біосфери, еволюція прокаріот, виникнення біологічного колообігу речовин, формування кисневої атмосфери;

- четверта – виникнення еукаріотів, заселення суші, розвиток сучасного біорізноманіття світу.

Еволюційні гіпотези базуються на уявленні про розвиток живих організмів від простих форм до найскладніших.

Згідно другого принципу термодинаміки (при трансформаціях енергії вона з більш концентрованої переходить в менш концентровану, розсіюється) еволюція живих систем від простих до складних самостійно (довільно) відбуватися не може. Отже, еволюція живих організмів на Землі і еволюція біосфери може відбуватись тільки під керівництвом більш складної системи (космосу) і має бути програма такої еволюції. Це – генетичний код, однаковий для усіх живих істот Землі.

Кожна жива істота народжується, розвивається, виконує притаманну їй програму життя, як складова частина велетенського надорганізму біосфери, яка є породженням Галактики, яка є частиною надорганізму Космосу:

космос→галактика→біосфера→організм

Колообіг речовин.

За рахунок процесів міграції хімічних елементів усі геосфери Землі взаємопов’язані єдиним циклом колообігу цих елементів.

Колообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси та сонячна енергія, називається велетим (геологічним) коло обігом.

З виникненням життя утворився ланцюг живлення продуценти→консументи→редуценти, який через неживу речовину (мінеральні сполуки) замкнувся в коло. З потоку речовин у цьому колі утворився біологічний колообіг речовин (цикл синтезу і розпаду органічних речовин).

Сонячна → Продуценти → Консументи → Редуценти

енергія (синтез органічних (розклад органічних

сполук) сполук)

Геологічний і біологічний колообіги разом складають біогеохімічний колообіг, в якому поєднуються величезна потужність геологічного і надзвичайна швидкість і активність біологічного.

Всього біля 80 хімічних елементів використовуються біотою для побудови живих організмів. З продуктами життєдіяльності або після смерті ці елементи знову потрапляють у довкілля і знову використовуються іншими організмами, завдяки чому впродовж існування біосфери вони не вичерпуються. В залежності від їх кількості, необхідної організмам, хімічні елементи поділяють на:

- органогенні – оксиген, гідроген, карбон, нітроген – разом складають 98% хімічного вмісту клітини;

- макроелементи – фосфор, калій, сульфур, хлор, кальцій, магній, натрій, феррум – сумарна частка в клітині становить до 1,9%;

- мікроелементи – йод, кобальт, манган, купрум, цинк та інші (понад 50) – вміст кожного становить 10^-3 % – 10^-12 %;

- ультрамікроелементи – плюмбум, бром, аргентум, аурум та інші – вміст кожного становить 10^-6 % і менше.

Колообіг нітрогену. Нітроген у вигляді газоподібних сполук (N₂, NH₃, N₂O, NO, NO₂) знаходиться у повітрі, в живих організмах – у вигляді білків, нуклеїнових кислот, ферментів; у ґрунті – у вигляді солей амонію, нітратів і нитритів. Тут завдяки численним мікроорганізмам, азотфіксаторам, нітрифікаторам, денітрифікаторам відбуваються різноманітні біохімічні процеси. Нітроген вступає в колообіг через кореневу систему у вигляді нітратів чи солей амонію або за допомогою симбіотичного зв’язку через бактерії, гриби, синьо-зелені водорості, здатні фіксувати атмосферний азот.

Існує і промислова фіксація азоту: одержання аміаку і подальше його використання для добування нітратної кислоти та її солей.

Органічні сполуки, що містять нітроген, при розщепленні в організмі виділяються у вигляді аміаку чи солей амонію в природне середовище.

Колообіг карбону. В атмосфері міститься вуглекислий газ (0,03 % за об’ємом), оксид карбону (ІІ), в малій концентрації вуглеводні та інші органічні сполуки. Карбон – основний хімічний елемент живої речовини. При окисненні в процесі метаболізму органічних сполук утворюється СО₂. Оксид карбону (IV) рослини поглинають листям і кореневою системою для синтезу органічних сполук з використанням енергії сонячного світла (фотосинтез).

Сполуки карбону у вигляді горючих корисних копалин і карбонатів, а також алмазу і графіту, знаходяться в літосфері. У воді – карбонати і гідрокарбонати кальцію та магнію, розчинений СО₂, на дні – карбонатні мули, утворені внаслідок накопичення мертвих решток організмів, що будують своє тіло з карбонату кальцію. У ґрунті – це органічні речовини – рештки організмів, продукти їх метаболізму та СО₂.

Людська діяльність дуже впливає на колообіг карбону. Оксиди карбону надходять до атмосфери при спалюванні горючих корисних копалин, вуглеводні – під час нафтовидобутку та нафтопереробки; численні органічні сполуки утворюються в процесах органічного синтезу.

Колообіг фосфору. Особливістю колообігу фосфору є те, що він має лише одну газоподібну сполуку – фосфін РН₃, який утворюється під час гниття органічних решток. Більшість фосфатів нерозчинні в воді. Мінералами є апатит та фосфорит. У ґрунті фосфор входить до складу мертвих організмів та їхніх екскрементів. Поширеним фосфоровмісним добривом є гуано – послід морських птахів. Сполуки фосфору накопичуються на дні водойм і в прибережній зоні морів та океанів у вигляді решток організмів та фосфатів. На суходіл потрапляють з рибою та під час видобування корисних копалин. Кислотні дощі прискорюють міграцію фосфору завдяки розчиненню фосфатів.

Для підвищення родючості ґрунтів на поля вносять добрива, зокрема і фосфатні. Змивання їх у водойми спричинює евтрофікацію водойм – підвищення біологічної продуктивності екосистеми внаслідок нагромадження біогенних елементів, головним чином нітрогену і фосфору.

Колообіг сульфуру. Сульфур у складі органічних сполук міститься в живих організмах, горючих корисних копалинах. В ґрунті діють численні мікроорганізми, що перетворюють сульфіди на сульфати, сірку і навпаки. Під час гниття органічних решток виділяється токсичний гідрогенсульфур, що отруює водяні організми; з іншого боку Н₂S осаджує катіони важких металів у вигляді малорозчинних сульфідів, сприяючи самоочищенню водойм.

Великі кількості оксидів сульфуру утворюються при спаленні сміття, виробництві та використанні сульфатної кислоти, добуванні металів і сульфідів. Значні кількості сульфат-іонів містяться в природних водах, а гідрогенсульфурові зони існують в морях і океанах – це мертві зони, хоча гідрогенсульфур є джерелом для хемосинтезуючих організмів. В літосфері існує самородна сірка, малорозчинні у воді сульфіди багатьох металів та розчинні сульфати.

Вплив людської діяльності на колообіг речовин.

Великий і малий колообіги речовин – життєво важливі процеси, котрі мільйони років не порушувалися, доки діяльність людини не набула сили планетарного характеру. У другій половині ХХ століття антропогенна діяльність призвела до значних порушень колообігу речовин у біосфері, розвитку глобальної екологічної кризи.

Діяльність людини:

- прискорила процеси вивітрювання гірських порід;

- зумовила накопичення в атмосфері великої кількості забруднюючих газів, що призвело до розвитку негативних кліматичних змін (парниковий ефект), появи озонових дір та кислотних дощів, деградації ґрунтів через надмірне накопичення в них токсичних хімічних сполук;

- забруднила природні води, внаслідок чого деградують і гинуть екосистеми, частішають спалахи “цвітіння” води внаслідок масового розмноження мікроскопічних водоростей, що пригнічує розвиток консументів і призводить до порушень функціонування екосистеми;

- продукує величезні кількості речовин – ксенобіотиків, які “чужі” природі (пластмаси, пестициди, миючі агенти), і не можуть брати участь у біологічному кругообігу. Мігруючи по ланцюгах живлення, вони накопичуються, підвищуючи свою концентрацію при переході з нижнього трофічного рівня на вищий і призводять до суттєвих порушень в організмах.

Концепції розвитку біосфери.

Концепція ноосфери.

Ноосфера (за В.І. Вернадським) такий стан біосфери, за якого розумна діяльність людини стає визначальним фактором її розвитку.

Ноосфера (за П. Тейяром де Шарденом) – це “мислячий пласт, який розгортається поза біосферою і над нею, „еволюція духу”.

Для побудови ноосфери (за В.І. Вернадським) людство має:

- стати єдиним в економічному та інформаційну відношенні;

- прийти до цілковитої рівності рас і народів;

- подолати усі війни на планеті.

Багато вчених вважають, що концепція ноосфери є утопічною. За розрахунками В. Горшкова, щоб контролювати функціонування і взаємовідносини між організмами усіх видів і екосистем у біосфері, людству потрібно мати інформаційні можливості, які б дорівнювали обсягові потоків інформації всієї планети, що на 20 порядків перевищують можливості людини. Межею стійкості (витривалості) екосфери щодо антропогенних навантажень є 1% чистої первинної глобальної продукції біоти. Відповідно цього “правила 1%”, на стабілізацію умов довкілля буде потрібно понад 99% енергетичних і трудових витрат, на підтримання ж і розвиток цивілізації залишиться лише 1%. За таких умов людство не зможе існувати.

Стратегія “неорозкоші”.

У доповіді Римському клубу Е. Вайцзеккер та інші (1994р.) висунули ідею “неорозкошування - неоізобілізму”, де аналізується можливість подолання екологічних проблем та досягнення сталого розвитку шляхом подвоєння продукції при використанні половини ресурсів, за рахунок підвищення ефективності їх використання, впровадження найновітніших технологій, нової податкової політики, яка повинна заохочувати ефективність використання природних ресурсів тощо.

Стратегія сталого розвитку.

Сталий розвиток (стійкий, англ. Sustainable development) передбачає:

– екологічне зростання і розвиток, які доповнюють одне одного і не антагоністичні навколишньому середовищу й суспільству;

– такий економічний розвиток, який не підриває природну базу для майбутніх поколінь;

– процес гармонізації людства і навколишнього середовища.

За В. Даниловим-Данильяном: сталий розвиток – це безперервно підтримувальний розвиток, це підтримка глобальної економіки в межах несучої ємності екосистем планети; це такий розвиток, який не виводить глобальну цивілізацію за межі господарської ємності біосфери, не викликає в ній процесів руйнування і деградації.

В. Данилов-Данильян, М. Горшков та інші так визначають стійкість біосфери та шляхи її збереження:

- біосфера – це складна система, в якій біота забезпечує стабільність навколишнього середовища;

- біосфера має граничну господарську ємність, перевищення якої порушує стійкість біоти і довкілля;

- у межах господарської ємності біосфера і екосистеми функціонують згідно з принципом Ле Шательє, швидко відновлюють усі порушення рівноваги у довкіллі, залишаючи його стійким; ця здатність змінюється з залежності від продуктивності біоти: в пустелях вона найменша, в лісах – найбільша;

- перевищення господарської ємності зумовлює недотримання принципу Ле Шательє біотою, порушення біологічного колообігу речовин, деградацію екосистем, забруднення довкілля;

- забруднення і руйнування навколишнього середовища призводить до трансформації екологічних ніш і загибелі багатьох видів організмів;

- господарська ємність біосфери відповідає переведенню в антропогенний канал не більш 1%чистої первинної продукції біоти (фотосинтез), вона обмежує межі росту людства; перевищення цього порогу призведе до глобальної екологічної катастрофи і розпаду генома людини і, як наслідок, зникнення її як виду;

- демографічна ємність біосфери складає 0,5-1,5 млрд чоловік, це та чисельність населення планети для якої можуть бути забезпечені належні стандарти життя при достатньому забезпеченні біотичної рівноваги;

- головне завдання людини – збереження і відновлення природних угрупувань організмів у масштабах, які забезпечать господарську ємність біосфери в цілому.

Питання для самоконтролю знань.

1. Що таке біосфера?

2. Які типи речовин вирізняв в біосфері В.І. Вернадський?

3. Які властивості має жива речовина?

4. У чому полягають основні функції живої речовини?

5. Що таке біотичний колообіг речовин?

6. Чим забезпечується невичерпність органогенних елементів в біосфері?

7. Як впливає діяльність людини на колообіг речовин в біосфері?

8. Чи можна вважати, що історичний розвиток природи на протязі мільйонів років є повністю безвідходним? Відповідь обґрунтуйте.

9. Що таке ноосфера? Чому концепцію ноосфери ряд вчених вважають утопічною?

10. У чому полягає стратегія “неорозкоші”;

11. Яка господарська ємність біосфери та до яких наслідків може призвести перевищення її порогу діяльністю людини?

12. Що таке демографічна ємність біосфери?

13. У чому полягає головне завдання людства у справі забезпечення відповідного рівня господарської ємності біосфери?

Література.

1. Л1 стор. 54-80, 101-108

2. Л2 стор. 34-40, 51-55

ПРИКЛАДНІ АСПЕКТИ ЕКОЛОГІЇ

1. Людина і біосфера.

Біосфера як досить динамічна планетарна екосистема в усі періоди свого еволюційного розвитку постійно змінювалась під впливом різних природних процесів. Наслідком тривалої еволюції стала її здатність до саморегуляції та нейтралізації негативних процесів.

Глибоке порушення природної екологічної рівноваги називається екологічною кризою. Кризи за своєю природою зворотні; екологічні катастрофи характеризуються незворотнім характером змін.

Катастрофи бувають природні і антропогенні. Природні катастрофи спричиняються екзогенними – зовнішніми (космічними) і ендогенними - внутрішніми процесами (в надрах Землі). До зовнішніх факторів належать: зміни магнітного, електричного, гравітаційного полів і радіаційного поясу, спричинені космічними явищами (спалахи наднових зірок, проходження поблизу Землі великих космічних тіл, падіння метеоритів), урагани, цунамі, повені, сильні посухи, страшні зливи тощо.

Внутрішніми силами Землі викликаються: виверження вулканів, землетруси, переміщення велетенських мас гірських порід через утворення в земній корі великих розломів.

Наближення ураганів попереджають завдяки супутникам, але перед падінням космічних тіл, виверженням вулканів та землетрусами людина практично безсила.

Потужним фактором у біосфері стала людська діяльність. Із виникненням, удосконаленням і поширенням нових технологій: полювання → землеробська культура → промислова революція планетарна екосистема, адаптована до впливу природних факторів, стала відчувати вплив факторів, викликаних людиною – антропогенних факторів, що стали причиною виникнення і розгортання екологічних криз.

Екологічні кризи, що виникли внаслідок людської діяльності спостерігались впродовж усієї історії цивілізації. Одна з перших екологічних криз розігралася наприкінці плейстоцену, коли внаслідок полювання були виснажені запаси дичини – мамонтів, шерстистого носорога, гігантського оленя, степового зубра.

Інша криза розгорнулась в Північно-західній Індії та Передній Азії, де внаслідок інтенсивного землекористування та неправильної системи зрошування відбулась швидка деградація ґрунтів та спустелювання земель. Найродючіші землі стали непридатними для життя.

Глобальна екологічна криза ХХ століття зумовлена не природними, а технолого-виробничими причинами. Темпи зміни параметрів біосфери виявились в тисячі разів вищими, ніж темпи її природної еволюції.

Дата добавления: 2014-11-29