Оболонки планети Земля

Розвиток Землі має тривалу геологічну історію. За цей час ви­никли її оболонки: літосфера, гідросфера та атмосфера.

Літосфера (від грец. літос — камінь та сфера — куля) — зовнішня тверда оболонка Землі, яка охоплює земну кору і верхню частину мантії (завглибшки 50—200 км).

Гідросфера (від грец. хідор - вода, волога) - водяна оболонка Землі, яка охоплює усі водойми (океани, моря, річки, озера, льодовики тощо). Вона займає майже 71% поверхні планети. Товщина її мін­лива та досягає в деяких місцях понад 11 км.

Атмосфера (від грец. атмос — пара) – зовнішня газова оболонка, що простирається від її поверхні в космічний простір приблизно на 3000 км.

Відповідно до харак­теру зміни температури повітря з висотою атмосфера розділена на такі шари:

1) тропосфера (простягається до висоти 9-18 км, температу­ра повітря з висотою зменшується, досягаючи -43-73^о С, містить­ся зважена у повітрі водяна пара, формуються хмари, виникають опади);

2) стра­тосфера (простягається до висоти 50-55 км, температура зростає з висотою і досягає максимуму -13-(+17)^о С, сформувався особливий озоновий екран, який поглинає короткохвильове ультрафіо­летове випромінення Сонця, яке згубно діє на живу матерію);

3) мезосфера (простягається до висоти 80-90 км, температура зменшується з висотою і досягає -53-113^о С);

4) термосфера (вище 80-90 км, температура повітря зростає з висо­тою, досягаючи +700-1700^о С).

2. Біосфера та її межі.

Поняття біосфера (від грец. біос — життя) запропонував у 1875 році австрійський геолог Е. Зюсс. Вчення про біосферу створив український учений В.І. Вернадський.

Біосфера (за В.І. Вернадським) – це загально планетна оболонка, до складу якої належать нижні шари атмосфери, гідросфера, та верхні шари літосфери, склад і будова якої зумовлені сучасною і минулою життєдіяльністю всієї сукупності живих організмів.

Біосфера (на думку сучасних екологів) — це сукупність усіх біогеоценозів Землі, єдина глобальна екосистема вищого порядку.

Межі біосфери визначаються наявністю умов, необхідних для життя різних організмів. Верхньою межею біосфери в атмосфері є озоновий екран, який на висоті 22-25 км поглинає більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця. Нижня межа біосфери проходить на глибині 3,5-4 км в літосфері або по океанічному дну (дивись додаток 15).

Найвища концентрація біомаси спостерігається на межах окремих оболонок Землі: літосфери та атмосфери, атмосфери та гідросфери, гідросфери та літосфери.

3. Вчення В.І. Вернадського про біосферу та ноосферу.

Вчення про біосферу як особливу частину Землі, населену живими організма­ми, створив український учений В.І. Вернадський. Йому належить також заслуга створення нової науки - біогео­хімії - вчення про геохімічну діяльність живих організмів. Вона досліджує роль живих організмів у перетворенні земної кори: руйнуванні гірських порід, ґрунто­утворенні, формуванні осадових порід, колообігу, перерозподілі та кон­центрації хімічних елементів у біосфері.

В.І. Вернадський ще в першій половині XX сторіччя передбачав, що біосфера розвинеться у ноосферу (термін, запропонований у 1927 році французькими філософами Е. Леруа та П.Т. де Шарденом). Спочатку В.І. Вернадський розглядав ноосферу (від грец. ноос - розум) як особливу «розумову» оболонку Землі, яка розвивається поза біосферою. Але згодом дійшов висновку, що біосфера переходить у новий стан під впливом наукової думки і людської праці. Людство все більше відрізняється від інших компонентів біосфери як нова небувала біогенна геологічна сила. Ноосфера - це новий стан біосфери, за якого розумова діяльність людини стає визна­чальним фактором її розвитку. Характерною рисою ноосфери є екологізація всіх сфер людського життя.

Отже, ноосфера — це історично останній етап еволюції біосфери, якісно нова форма організації біосфери, яка формується внаслідок її взаємодії із людським суспільством і передбачає гармонійне співіснування природи і людини.

4. Жива речовина біосфери та її властивості.

Всю сукупність організмів на планеті Земля В.І.Вернадський називав живою речовиною.

Основними її характеристиками є:

1) Енергія живої речовини. Вона проявляється у здатності організмів до необмеженого розмноження і поширення.

2) Хімічний склад. До складу живих істот входять ті самі хімічні елементи, що й до неживих об'єктів, однак, в живих істотах і неживій природі вони знаходяться в різних співвідношеннях.

3) Сумарна біомаса. Згідно з сучасними оцінками, суха маса живої речовини на Землі становить 2,42 ^. 10¹² т. Це порівняно з основними геосферами Землі дуже мала величина.

Біохімічні функції живої речовини:

1) Газова функція полягає у впливові живих організмів у процесі своєї життєдіяльності на газовий склад атмосфери, Світового океану та ґрунту.

2) Окиснювально-відновна функція полягає в тому, що за допомогою живих організмів у ґрунті, воді та атмосферному повітрі окиснюються або відновлюються певні сполуки.

3) Концентраційна функція полягає у поглинанні живими істотами певних хімічних елементів з навколишнього середовища і накопиченні їх у своїх організ­мах.

4) Геохімічна функція здійснюється у процесі обміну речовин у живих організмах (живлення, дихання, виділення), розкладу відмерлих організмів і продуктів їх життєдіяльності до простих вихідних речовин.

5. Роль живих організмів у перетворенні оболонок Землі.

1) Роль живих організмів у створенні осадових порід.

Осадові породи виникають на дні водойм унаслідок нашарування різних нерозчинних речовин, значна частина яких має біогенне походження. Живі організми беруть участь в утворенні осадових по­рід, накопичуючи протягом життя у своїх скелетах, черепашках, панцирах сполуки кальцію, кремнію, фосфору тощо. Із решток цих ор­ганізмів виникають різноманітні осадові породи (вапняк, крейда, кремнезем, радіолярити, фосфорити, апатити).

Живі організми беруть участь і у вивітрюванні (руйнуванні) гірських порід.

2) Роль живих організмів у процесах ґрунтоутворення.

Грунт - це особливе природне тіло, верхній шар літосфери, створе­ний за допомогою діяльності живих організмів. Основна властивість ґрунтів - родючість - здатність забезпечувати потреби рослин в елемен­тах живлення, воді та кисні. Визначає родючість ґрунтів наявність гумусу.

Гумусовий запас ґрунту — результат різноманітних довготривалих процесів: мінералізації — перетворення орга­нічних речовин на неорганічні й одночасно - синтезу гумусових речовин (високомолекулярних сполук різної хімічної природи, переважно органічних кислот). Ці процеси відбуваються за учас­тю бактерій, грибів, різних груп червів і дрібних членистоногих.

Мешканці ґрунту впливають на фізичні, хімічні та біологічні властивості ґрунту (кореневі системи вищих рослин поліпшу­ють його шпаристість, забезпечуючи аерацію; живі та відмерлі підземні частини рослин збагачують ґрунт органікою; деякі з мікроорганізмів здатні збагачувати ґрунт сполуками азоту; на структуру ґрунтів впливає діяльність тварин, що здатні прокла­дати у ґрунті ходи, розпушуючи його тощо).

3) Вплив живих організмів на газовий склад атмосфери.

Про­цеси життєдіяльності організмів змінюють газовий склад атмосфе­ри, який на початку розвитку біосфери значно відрізнявся від сучасного. В ній було багато водяної пари, вуглекислого газу, аміаку, сірководню, метану тощо. Завдяки діяльності фотосинтезуючих ціанобактерій, в атмосфері поступово знижувалася концентрація вуглекислого газу, метану, аміаку, з'явилися вільний кисень та озоновий екран.

Нині весь атмосферний кисень — фотосинте­тичного походження. Вуглекислий газ виділяється в атмосферу та­кож унаслідок діяльності редуцентів та аеробного дихання біль­шості живих істот. Живі організми впливають і на концентрацію в атмосфері азо­ту. Він зв'язується деякими мікроорганізмами і вилучається зі складу повітря, а повертається в атмосферу в результаті процесів денітрифікації переважно у вигляді аміаку.

6. Колообіг речовин у біосфері.

Завдання. Скориставшись текстовими джерелами інформації, а також схемами колообігу води, кисню, вуглецю, азоту, дайте відповідь на питання: 1) Яким чином відбувається колообіг води в біосфері? 2) Опишіть, як відбувається колообіг кисню в біосфері. 3) Охарактеризуйте роль живих організмів у колообігу вуглецю. 4) Як відбувається колообіг азоту в біосфері? 5) Що таке нітрифікація та денітрифікація? (дивись додатки 16, 17, 18).

Колообіг речовин у біосфері

Здійснення функцій живої речовини пов'язані з міграцією атомів у процесі колообігу речовин у біосфері. В ній постійно триває колообіг води і всіх хімічних елементів, які входять до складу живих організмів. Та частина міграції хімічних елементів, яка відбувається за участю живих організмів, називається біогенною, а поза ними — абіогенною.

1. Колообіг води.

Вода є найпоширенішою хімічною сполукою в біосфері. Сукупні запаси води нашої планети, яка може перебувати у різних фізичних станах (рідкому, газоподібному, твердому) оцінюються в 1,4 млрд. км³. Водяна пара надходить в атмосферу в результаті випаровування з поверхні водойм, транспірації рослин, дихання тощо. З атмосфери вода випадає у вигляді дощу або снігу, що може відбуватись або поблизу місця випаровування, або за тисячі кілометрів від нього. Тривалість перебування молекул води в атмосфері становить від кількох годин до тижнів.

У морях та океанах запас води поповнюється завдяки стокам річок, які в них впадають, та опадів. Морські течії переносять теплу або холодну воду на значні відстані, впливаючи на клімат певних ділянок земної поверхні; вода переміщується і завдяки течіям річок. З нею пов'язані такі геологічні явища, як вимивання речовин, їх перенесення та відкладання.

Вода вбирається організмами та включається в них у біохімічні процеси: реакції обміну, біосинтезу, гідролізу, фотолізу (при фотосинтезі) тощо. Живі організми виділяють воду в навколишнє середовище з продуктами обміну речовин, у результаті дихання, випаровування тощо. Вона становить середовище існування гідробіонтів. Гідросфера — історично перша оболонка Землі, де з'явилось життя у вигляді прокаріотних біоценозів.

2. Колообіг кисню.

Ви знаєте, що кисень відіграє в біосфері унікальну роль. Завдяки процесам дихання, під час яких кисень поглинається, забезпечуються енергетичні потреби організмів. З іншого боку, молекулярний кисень та озон у надлишкових кількостях небез­печні для живої матерії, бо здатні окиснювати органічні сполуки клітини. Внаслідок цього у живих організмів виникли захисні системи, здатні зв'язувати вільний кисень. Атмосферний та розчинений у воді кисень можуть окиснювати і неорганічні сполуки оболонок Землі.

Майже весь атмосферний кисень біогенного походження: він утворився внаслідок фотосинтезу зелених рослин та ціанобактерій. Частика молекулярного кисню під дією ультрафіолетових сонячних променів і електричних розрядів перетворюється на озон, з якого сформувався озоновий екран, що захищає поверхню Землі від шкід­ливих короткохвильових космічних випромінювань. Уміст кисню в нижніх шарах атмосфери становить близько 21% і знижується зі збільшенням висоти.

3. Колообіг вуглецю.

Вуглець, як вам відомо, входить до складу всіх органічних сполук. Його сполуки постійно синтезу­ються, перетворюються і розкладаються живими організмами. Ав­тотрофи здатні фіксувати вуглекислий газ і синтезувати різнома­нітні органічні речовини, використовуючи для цього світлову енергію (фототрофи) або енергію хімічних реакцій (хемотрофи). Ці вуглецьумісні речовини в подальшому передаються по лан­цюгах живлення гетеротрофам.

Вуглець накопичується в живих організмах у вигляді синтезованих органічних сполук, а також неорганічних солей вугільної кислоти (пе­реважно у скелетах і черепашках), а поза ними - в органічних речови­нах ґрунту, вуглекислому газі та різноманітних осадових породах (мар­мурі, вапняку, крейді тощо). На певний час вуглець, який міститься в цих сполуках, виводиться з біогенного колообігу, але згодом, унаслі­док життєдіяльності живих організмів (дихання, виділення тощо), біо­генного розкладу мертвої органіки (наприклад, мінералізація, бродін­ня), хімічних перетворень осадових порід (вивітрювання, розчинення), він знову включається в біогеохімічні процеси.

На колообіг вуглецю значно впливає господарська діяльність людини. Розвиток промисловості, спалювання значних запасів енер­гоносіїв зумовлює збільшення концентрації вуглекислого газу в ат­мосфері. У свою чергу масове вирубування лісів призводить до того, що рослинність Землі зв'язує меншу кількість атмосферного вугле­кислого газу. Все це порушує рівновагу в обміні сполуками вуглецю між живою речовиною біосфери та оболонками Землі.

4. Колообіг азоту.

Вміст вільного газоподібного азоту в атмосфері становить близько 79%. З атмосфери його частина надхо­дить у воду та грунт у вигляді оксидів і в складі інших сполук (аміа­ку тощо), що утворюються під впливом космічних променів, грозо­вих розрядів та ін. Проте основна частина сполук азоту потрапляє у грунт і воду завдяки фіксації атмосферного азоту прокаріотами (азот­фіксуючі бактерії, деякі ціанобактерії тощо). Азот у складі хімічної сполуки, яка може бути використана живими організма­ми, має назву фіксованого.

Фіксований азот можуть засвоювати з ґрунту зелені рослини без­посередньо або завдяки симбіозу з бульбочковими азотфіксуючими бактеріями чи ціанобактеріями. Зі сполук азоту рослини синтезу­ють амінокислоти, з яких, у свою чергу, складаються рослинні біл­ки. Далі азотовмісні органічні речовини передаються по ланцюгах живлення. Внаслідок процесів дисиміляції складні сполуки азоту в організмах розкладаються до простих (аміак, сечовина, сечова кис­лота, гуанін тощо) та виділяються в навколишнє середовище з ви­дихуваними газами, потом, сечею, екскрементами та ін.

Складні органічні сполуки азоту (білки, нуклеїнові кислоти) над­ходять у довкілля із залишками організмів та розкладаються редуцентами, які здійснюють денітрифікацію — процес відновлення ніт­ритів або нітратів до газоподібних сполук - молекулярного азоту (N₂) чи двооксиду азоту (NО₂). Інші мікроорганізми забезпечують проце­си нітрифікації - реакції, завдяки яким іони амонію (NН₄⁺) окиснюються до нітритів (NО₂), а останні — до нітратів (NО₃). Таким чином, завдяки діяльності редуцентів азотовмісні органічні речовини розкладаються до простих сполук, і цикл колообігу азоту в біосфері починається знову.

Розділ V. Історичний розвиток органічного світу

Тема 1. Основи еволюційного вчення

Тема: Розвиток еволюційних поглядів

1. Поняття про еволюцію.

Еволюція (від лат. еволютіо - розгортування) - це процес необоротних змін у будові та функціях живих істот протягом їхнього історичного існування.

Еволюційне вчення - це наука про чинники, механізми, загальні закономірності та наслід­ки еволюції.

2. Розвиток біології до ХІХ століття. Внесок К. Ліннея в розвиток біології.

З моменту зародження біології як науки і до кінця ХVІІІ століття більшість вчених-біологів дотримувалися релігійних поглядів на походження життя, розглядаючи його як наслідок творчого свідомого акту вищої нематеріальної сили (Бога).

Світоглядна система про незмінність живої природи з часу її ви­никнення, тобто заперечення еволюційних ідей, називається креа­ціонізмом (від лат. креаціо – створення). Креаціоністами були такі видатні біо­логи, як К.Лінней, Ж.Кюв'є, геолог Ч.Лайєль та ін.

Внесок в розвиток біології шведського натураліста К.Ліннея:

1) запровадив близько 1000 нових термінів в ботаніку;

2) описав 1200 родів та 8000 видів рослин;

3) запровадив такі систематичні таксони як рід, ряд, клас;

4) запровадив подвійну назву виду;

5) створив найбільш сучасну для свого часу систему живої природи, яку побудував за принципом ієрархічності, але в низхідній послідовності (всупереч еволюційному принципу).

Окремі ідеї про історичний розвиток живих істот висловлювали ще давньогрецькі (Геракліт, Демокріт та ін.) та давньоримські (Лукрецій Кар та ін.) мислителі, однак спроби науково пояснити це явище з'явились лише в кінці XVIII сторіччя, коли сформувався новий напрямок біології – трансформізм.

Світоглядна система про змінність живої природи, про виникнення нових видів, називається трансформізмом. Видатними трансформістами того часу були Ж.Бюффон, К.Вольф, М.В.Ломоносов та ін.

3. Еволюційна гіпотеза Ж.-Б.Ламарка.

Першу еволюційну гіпо­тезу висунув видатний французький учений Жан-Батіст Ламарк (1744—1829). Він опублікував її в книзі «Фі­лософія зоології» у 1809 році.

3.1. Філософські основи еволюційної концепції Ж.-Б.Ламарка.

Ж.-Б.Ламарк дотримувався широко розповсюдженої на той час філософії деїзму, згідно з якою матерія первинна й сама по собі пасивна. Розвиток матерії визначається зовнішньою стосовно неї силою, або «Творцем усього сущого». Творець раз і назавжди на­дав руху всьому всесвіту - це первинний закон розвитку. Він є сферою релігійного світогляду. Крім того, існують вторинні закони розвитку, що визначають уже хід часткових процесів у природі. Ці закони складають предмет природознавства, є сфе­рою науки.

Ламарк був прихильником й іншої філософської концепції відомої під назвою «теорії флюїдів». Згідно з цією концепцією тіла впливають одне на одне через випускання в простір певних частинок (флюїдів), що призводить до зміни тіл. Теорія флюїдів узгоджувалася з уявленнями деїстів про вторинні закони роз­витку й була використана Ламарком для формулювання законів еволюції.

В уявленні про характер еволюції Ламарк спирався на філо­софське вчення Ґ. Лейбніца про плавність і абсолютну неперер­вність переходів між тілами матеріального світу. Основне кредо вчення Лейбніца виражене в його славнозвісному афоризмі: «При­рода не робить стрибків».

3.2. Уявлення Ламарка про причини еволюції.

Система тваринного світу за Ламарк ом не є застиглою: постійно відбувається рух угору. Цей процес розпочинається з появи най­простіших організмів у результаті самозародження життя й посту­пового його ускладнення в ході еволюції. Кожний із класів тварин у процесі еволюції ніби прагне досягти максимальної доскона­лості, досягти вищої градації.

Разом із тим, Ламарк як спостережливий натураліст мусив визнати, що внутрішньо властиве всьому живому прагнення до вдосконалення у своєму здійсненні стикається з необхідністю пристосування організмів до різно­манітних умов навколишнього середовища. Ця необхідність порушує стрункий хід роз­витку за принципом градації.

Для відповіді на питання про причини змінюваності організ­мів, яка спостерігається в природі, вчений висунув три закони.

Дата добавления: 2013-12-12