6.5. Біосферний рівень організації живої природи

Біогеоценози, поєднуючись, утворюють біосферу – систему, яка охоплює всі явища життя на Землі. На цьому рівні відбувається кругообіг речовин і перетворення енергії, що пов’язано із життєдіяльністю всіх організмів.

Кожний із перерахованих рівнів має свої закономірності й методи дослідження, отже, є досить специфічним. Те, що можна виділити певні рівні організації живої матерії, свідчить про її дискретність. Водночас усі ці рівні тісно пов’язані між собою, що свідчить про цілісність живої природи.

Біосфера (гр. bios – життя, sphaira – куля) – область поширення на Землі організмів та продуктів їх життєдіяльності. Склад біосфери, її структура й енергетика в сучасних рисах зумовлені минулою або сучасною діяльністю живих організмів. Поняття про біосферу не раз змінювалося з часу появи цього слова. Початок вчення про біосферу пов’язують з іменем відомого французького натураліста Ж. Б. Ламарка (1802), який запропонував термін “біологія” для всіх живих організмів, що населяють Землю. Визначення біосфери як особливої оболонки Землі та її назва були запропоновані відомим австрійським геологом Е. Зюссом (1875) у його праці з геології Альп. Детально розробив учення про біосферу український вчений В. І. Вернадський – перший президент Української Академії наук. Біосфера, за Вернадським, – це оболонка Землі, де жива речовина відіграє домінуючу роль, суттєво впливаючи на всі процеси, що в ній відбуваються. Вернадський дав таке визначення біосфери: “Біосфера являє собою оболонку життя – область існування живої речовини”. У численних своїх працях він виклав вчення про біосферу як особливу оболонку Землі, яка включає як область поширення живої речовини, так і саму речовину, в якій життєдіяльність організмів (у тому числі людини) проявляється як могутній геохімічний фактор планетарного масштабу і значення. Компонентами біосфери є жива речовина, гірські породи, вода, повітря, сонячна радіація. Для біосфери є характерним те, що вона включає речовину у твердому, рідкому і газоподібному станах, тобто вона трифазна. Основним джерелом усіх процесів, які в ній відбуваються, є сонячна енергія. У зв’язку з цим для біосфери характерний постійний кругообіг речовини та енергії, в якому найактивнішу роль відіграють живі організми. Область існування живої речовини охоплює атмосферу, літосферу (кору вивітрювання), всю гідросферу, тобто біосфера триярусна. Неперервний шар живої речовини, як його назвав В. І. Вернадський, займає водну товщу, і вузькою смугою простягається на межі літосфери і тропосфери, де включає ґрунт із корінням рослин, грибами, мікроорганізмами і тваринами, а також охоплює приземну частину тропосфери, в якій розміщені частини рослин і переноситься основна маса пилку, спор, насіння.

Усе живе в біосфері утворює живу речовину. Зараз нараховують 0,5 млн. видів рослин і 1,5 млн. (за іншими даними – 2 млн.) видів тварин, у тому числі хребетних – 42 тис, членистоногих – 1 млн. видів. Життя зародилось в океані, однак сьогодні більшість організмів живе на суші. У Світовому океані нині налічують 160 тис. видів тварин і рослин, за кількістю перше місце посідають молюски (60 тис. видів), друге – ракоподібні (20 тис. видів), третє – риби (16 тис. видів). Біомаса (гр. bios – життя + massa – тісто, вага) – загальна маса особин одного виду, груп або всього угруповання живих організмів на одиницю площі чи об’єму. У середньому на 1 см² земної поверхні припадає 580 мг сухої органічної речовини. До складу цієї біомаси входить біомаса рослин, тварин, грибів, бактерій. У біосфері біомаса розподілена нерівномірно і змінюється від нуля (крига Антарктиди) до 60 кг/м² (тропічні ліси). Жива речовина, якої так небагато у біосфері, постійно виникаючи і руйнуючись, перетворюючи сонячну енергію в хімічну, виконує величезну геохімічну роботу (газову, концентраційну, енергетичну, окислювально–відновну, деструктивну). Біологічна продукція – відтворення біомаси рослин, тварин, грибів і мікроорганізмів, які входять до складу екосистеми, за певний період часу. Найчастіше біопродукція виражається як маса сухої речовини за рік на одиницю площі або об’єму (води, ґрунту). Розрізняють первинну і вторинну біопродукцію.

Первинна, або валова первинна, продукція – це маса органічної речовини та енергії, яка утворюється у процесі фотосинтезу рослин. Величина чистої первинної біопродукції біосфери оцінюється авторами по-різному: від 50 млрд. т сухої органічної речовини за рік. Причому 2/3 її виробляється на суші, 1/3 – в океані. Майже 70% чистої продукції утворюється в лісах Землі.

Вторинна біопродукція – маса живої речовини, виробленої гетеротрофами. Загальна маса живої речовини на Землі була підрахована В. І. Вернадським, який у 1927 році представив наближену величину – 10²¹ г. Однак ця величина була дещо завищеною і з того часу різні дослідники наводять свої оцінки біомаси Землі. Найбільш точними вважають дані, одержані М. І. Базилевич та іншими.

Значення організмів у створенні і переробці органічних речовин дуже різноманітне. Виділяють три основні групи організмів: продуценти, консументи і редуценти. Продуценти – це автотрофні організми, які синтезують з неорганічних сполук органічні речовини з використанням сонячної енергії або енергії, що виділяється під час хімічних реакцій (хемотрофи) (зелені рослини – фотосинтез, бактерії – хемосинтез). Консументи – організми, що живляться органічною речовиною (первинною чи вторинною), трансформуючи її в інші форми. Це всі тварини, частина мікроорганізмів, паразитичні та комахоїдні рослини. Редуценти (деструктори, детритофаги) – організми, що живляться мертвою органічною речовиною (бактерії, гриби, мікроорга­нізми) і розкладають її до мінеральної. Обмін речовин, який відбувається у природі, можливий лише за участі представників усіх трьох груп організмів: без продуцентів неможливе життя, так як тільки вони створюють основу життя – первинну продукцію органічних речовин, консументи різних порядків, споживаючи первинну і вторинну продукцію, перетворюючи органічну речовину з однієї форми в іншу, сприяють зростанню різноманітності форм життя на Землі і зміні поколінь. Редуценти, розкладаючи органічні речовини до мінеральних, перешкоджають перетворенню планети у кладовище мертвих решток. Так відбувається кругообіг біогенних речовин та енергії в біосфері.

Життя – це кругообіг елементів між організмами і середовищем. Причина кругообігу – обмеженість елементів, з яких будується тіло організмів. Розрізняють два види кругообігу речовин та енергії у біосфері: геологічний (великий), який відбувається між сушею та океаном; біологічний (малий), який відбувається або на суші, або в океані. Біологічний кругообіг – це багаторазова участь хімічних елементів у процесах, які відбуваються у біосфері. У зв’язку з цим біосферу визначають як область Землі, де здійснюється перебіг трьох основних процесів: кругообіг вуглецю, азоту, сірки, в яких беруть участь 5 елементів (H, O, C, N, S), що рухаються через атмосферу, гідросферу, літосферу. У природі кругообіг здійснюють не речовини, а хімічні елементи.

Кругообіг вуглецю. У процесі фотосинтезу, здійснюваного рослинами, СО₂ і вода з допомогою енергії сонячного світла перетворюються на різні органічні сполуки. Вуглець повертається в результаті процесу дихання рослин і тварин. Відмерлі рослинні і тваринні організми розкладаються грибами та мікроорганізмами до СО₂, який теж повертається в атмосферу. Повний цикл обміну атмосферного вуглецю здійснюється за 300 років.

Кругообіг кисню. Щорічно лісові масиви виробляють 55 млрд т кисню. Він використовується живими організмами для дихання і бере участь в окисних реакціях в атмосфері, літосфері, гідросфері. Циркулюючи через біосферу, кисень перетворюється то на органічну речовину, то на воду, то на молекулярний кисень. Майже 3 млрд років рослини збагачували атмосферу киснем. Але при збереженні нинішніх темпів його споживання вже через два століття концентрація кисню, можливо знизиться до критичного рівня. Основні поглиначі кисню – промисловість і автомашини.

Кругообіг води. На Землі води багато – гідросфера становить 1/4000 її маси. Вода покриває ¾ поверхні Землі. За 1 хвилину під дією сонячного тепла з поверхні водойм Землі випаровується до 1 млрд т води. Після охолодження пари утворюються хмари, випадає дощ і сніг. Опади частково проникають у ґрунт. Ґрунтові води повертаються на поверхню землі через коріння рослин. Швидкість циркуляції води досить велика: вода океанів поновлюється за 2 млн років, ґрунтова вода – за рік, річкова – за 12 діб, пара в атмосфері – за 9 діб. Двигуном кругообігу є енергія Сонця. Щорічно для створення первинної продукції рослини біосфери використовують при фотосинтезі 1% води, що потрапляє у вигляді опадів.

Поступовий розвиток живої речовини в межах біосфери Землі приводить до зміни якісного стану самої біосфери, до переходу її в ноосферу. Під ноосферою розуміють сферу взаємодії природи і суспільства, в якій розумова діяльність людей стає головним, визначальним фактором розвитку.

Ноосфера (гр. noos – розум і sphaira – куля). Термін “ноосфера” вперше був уведений французьким вченим – математиком Е. Леруа у 1927 році. Під ноосферою він розумів сучасну геологічну стадію розвитку біосфери. У подальшому власні уявлення про ноосферу розробив геолог П. Тейяр-де-Шарден і виклав їх у своїй книзі “Феномен людини”. Розвиваючи своє вчення про біосферу, В. І. Вернадський сучасний стан біосфери назвав “ноосферою”. Він розглядав ноосферу як вищу стадію розвитку біосфери, пов’язану з виникненням і розвитком у ній людського суспільства, яке, пізнаючи закони природи і розвиваючи техніку до найвищого рівня, стає могутньою планетарною силою, яка за своїми масштабами перевищує всі відомі геологічні процеси.

Для ноосфери як сучасного етапу розвитку біосфери характерні такі якісно нові форми впливу людини.

1. Безперервне видобування матеріалів із земних глибин і насичення ними біосфери.

2. Використання продуктів фотосинтезу в енергетичних цілях. При цьому хімічна рівновага в біосфері зміщується в напрямі, протилежному фотосинтезу.

3. Зміни біогеохімічних циклів і включення до них нових, раніше невідомих у біосфері речовин, у тому числі групи трансуранових елементів.

Завдання для контролю та самоперевірки: 1. Які типи тканин розрізняють в організмі тварин і людини? 2. Які тканини відносять до тканин внутрішнього середовища? 3. Що характерне для клітин, які входять до складу тканин? 4. Що спільного та відмінного між тканинами тварин і рослин? 5. Які основні відмінності між одноклітинними, колоніальними та багатоклітинними організмами? 6. Які основні критерії виду? 7. Охарактеризуйте структуру популяції. 8. Як організми взаємопов’язані між собою? 9. Охарактеризуйте вікову структуру популяції. 10. Яка просторова структура популяцій? 11. Який видовий склад та структура популяції? 12. Чим первинна біопродукція відрізняється від вторинної біопродукції? 13. Наведіть приклади кругообігу елементів у природі. 14. Що включає ноосфера?

Тестові завдання для контролю та самоперевірки

1. Біоценоз – це:

а). сукупність рослин, тварин, грибів і мікроорганізмів, що заселяють певну ділянку суші або водоймища (біотоп) та характеризуються взаємовідносинами між собою і пристосованістю до навколишнього середовища;

б). територіально розмежовані географічні раси, що пристосовані до певного місцезнаходження й відрізняються морфофізіологічними особливостями;

в). елементарна одиниця еволюції.

2. Система клітин і неклітинних структур, яка склалася у процесі розвитку і характеризується загальною будовою і функціями, називається:

а). органом; б). тканиною;

в). органоїдом; г). організмом.

3. Термін “тканина” вперше застосував:

а). Фокс С.; б). Грю Н.;

в). Бер К.; г). Одум Ю.

4. Хто запропонував класифікацію тканин:

а). Лемент Ф.; б). Лейдіг Ф.; в). Леруа Е. ;

г). Лінней К.; д). Левенгук А.; ж). Ламарк Ж. 

5. Продуценти – це:

а). організми, що живляться органічною речовиною (первинною чи вторинною), трансформуючи її в інші форми;

б). автотрофні організми, які синтезують із неорганічних сполук органічні речовини з використанням сонячної енергії або енергії, що виділяється під час хімічних реакцій;

в). організми, що живляться мертвою органічною речовиною (бактерії, гриби, мікроорганізми) і розкладають її до мінеральної.

6. Які тканини належать до тваринних:

а). епітеліальні; б). механічні; в). покривні;

г). провідні; д). сполучні.

7. До епітеліальних тканин належать:

а). шкіра; б). кістки; в). хрящі; г). кров).

8. Територіально розмежовані географічні раси, що пристосовані до певного місцезнаходження й відрізняються морфофізіологічними особливостями, - це:

а). вид; б). біоценоз; в). популяція; г). підвид.

9. Які види клітин належать до кісткової тканини:

а). остеобласти; б). хондроцити;

в). остеоцити; г). хондробласти.

10. Фабричні відносини – це:

а). такі відносини при яких одні організми сприяють переміщенню інших;

б). зв’язки, при яких один вид тварин використовує частини іншого виду рослин чи тварин для будівництва жител (гнізд);

в). організми створюють своєрідні, сприятливі або несприятливі фізичні або хімічні умови для поселення інших організмів;

г). зв’язки, що виникають тоді, коли організми одного виду живляться організмами іншого або продуктами життєдіяльності організмів цього виду.

11. Хто розробив вчення про біосферу:

а). Кольцов М. К.; б). Шмальгаузен І. І.;

в). Вавилов М. І.; г). Вернадський В. І. 

12. Тверда оболонка Землі називається:

а). атмосфера; б). літосфера;

в). гідросфера; г). біосфера.

13. Організми, що живляться органічною речовиною (первинною чи вторинною), трансформуючи її в інші форми, називаються:

а). продуценти; б). консументи; в). редуценти.

14. Хрящова тканина складається з клітин:

а). остеобласти; б). хондроцити;

в). остеоцити; г). хондробласти.

15. Структурною одиницею нервової тканини є:

а). нефрон, б). хондроцити; в). остеоцити; г). нейрон.

16.Хто виділив три екологічних віки популяції (три вікові стадії популяції):

а). Мюллер Ф.; б). Мендель Г.; в). Боденхеймер А.;

г). Дарвін Ч.; г). Зюсс Е; д). Шванн Т.

17. Довгий відросток нервової клітини називається:

а). нейроглія; б). аксон; в). нейрон; г). дендрит.

18. Визначення біосфери як особливої оболонки Землі та її назву запропонував:

а). Мюллер Ф.; б). Мендель Г.; в). Боденхеймер А.;

г). Дарвін Ч.; г). Зюсс Е; д). Шванн Т.

19. Наука, що вивчає будову та функції тканин називається:

а). цитологія; б). ембріологія; в). гістологія;

г). морфологія; д). анатомія; ж). фізіологія.

20. Твірні тканини виконують функцію:

а). проведення речовин; б). запасання речовин;

в). утворення клітин; г). захист клітин.

21. До основної тканини належить:

а). твірна тканина; б). провідна тканина;

в). покривна тканина; г). фотосинтезуюча тканина.

22. Тканина, що складається з провідних елементів (трахеїд і судин), якими безпосередньо рухаються мінеральні речовини:

а). меристема; б). флоема; в). ксилема; г). епідерма.

23. Який критерій характеризує існування виду на певній території, що має свій ареал з відповідними умовами:

а). генетичний; б). фізіолого–біохімічний;

в). морфологічний; г). еколого–географічний.

24. Яка структура визначає взаємовідносини між членами популяцій:

а). етологічна; б). просторова; в). видова.

25. Термін “біоценоз” запропонував:

а). Міллер С.; б). Мендель Г.; в). Мебіус К.;

г). Вавилов М. І.; д). Менделєєв Д. І.; ж). Вернадський В. І. 

26. Види, які визначають структуру біоценозу і специфічні умови існування в ньому:

а). едифікатори; б). асектатори; в). консорції; г). сукцесії.

27.Консорції - це:

а). види, які визначають структуру біоценозу і специфічні умови існування в ньому;

б). види супутники), які завжди присутні в біоценозі, але ніколи не бувають домінантними;

в). система різнорідних організмів, що тісно пов’язані між собою завдяки своїй життєдіяльності з одним із індивідуумів або цілою популяцією будь-якого виду рослин чи тварин.

28. Зміни, пов’язані з життєдіяльністю самого фітоценозу, внаслідок чого змінюється середовище його існування називаються;

а). екзоекогенез; б). ендоекогенез; в). сингенез.