Біосфера Землі — глобальна оболонка Землі, населена живими організмами та трансформована їхньою діяльністю; вона охоплює частини атмосфери, гідросфери й літосфери, де можливе життя. Біосфера є цілісною саморегульованою системою, у межах якої відбувається безперервний обмін речовин і енергії між живою та неживою природою.

Поняття та історія вивчення

Термін «біосфера» був уведений у науковий обіг австрійським геологом Едуардом Зюссом у 1875 році. Подальший розвиток концепції пов’язаний із працями українського вченого Володимира Вернадського, який у першій половині ХХ століття створив цілісне вчення про біосферу.

Вернадський розглядав біосферу як геологічну оболонку, де живі організми є потужною силою, що змінює хімічний склад і структуру планети. Він увів поняття «жива речовина» та підкреслив роль біоти в глобальних геохімічних процесах.

Межі біосфери

Біосфера не має чітких меж, але її умовно визначають як:

  • в атмосфері — до висоти приблизно 10–20 км (переважно тропосфера);
  • у гідросфері — до найбільших океанічних глибин (понад 11 км);
  • у літосфері — на глибину до кількох кілометрів, де ще існують мікроорганізми.

Таким чином, біосфера охоплює тонкий шар планети, у якому можливе існування життя.

Структура біосфери

Біосфера включає три основні складові:

Атмосфера

Газова оболонка планети, що містить кисень, вуглекислий газ та інші гази, необхідні для життя. У біосфері бере участь її нижня частина — тропосфера.

Гідросфера

Сукупність усіх вод Землі: океанів, морів, річок, озер і підземних вод. Вода є ключовим середовищем існування для багатьох організмів і важливим компонентом кругообігу речовин.

Літосфера

Тверда оболонка Землі, верхній шар якої заселений живими організмами. Саме тут формуються ґрунти — особливе природне тіло, що є продуктом взаємодії живої та неживої природи.

Жива речовина

За Володимиром Вернадським, жива речовина — це сукупність усіх живих організмів біосфери. Вона має такі властивості:

  • здатність до розмноження;
  • активний обмін речовин;
  • висока біохімічна активність;
  • здатність змінювати навколишнє середовище.

Жива речовина є рушійною силою багатьох геохімічних процесів.

Біогеохімічні цикли

У біосфері відбуваються глобальні кругообіги речовин — біогеохімічні цикли, які забезпечують сталість життя:

  • кругообіг води;
  • кругообіг вуглецю;
  • кругообіг азоту;
  • кругообіг кисню;
  • кругообіг фосфору та інших елементів.

Ці процеси пов’язані з такими фундаментальними явищами, як фотосинтез і клітинне дихання.

Енергетика біосфери

Основним джерелом енергії для біосфери є Сонце. Сонячна енергія:

  • поглинається рослинами у процесі фотосинтезу;
  • перетворюється на хімічну енергію органічних речовин;
  • передається по трофічних ланцюгах між організмами;
  • частково розсіюється у вигляді тепла.

Таким чином формується енергетична структура екосистем.

Екосистеми та біоми

Біосфера складається з великої кількості екосистем — функціональних одиниць, що включають живі організми та їх середовище. Сукупності подібних екосистем формують біоми, наприклад:

  • ліси (тропічні, помірні, тайга);
  • степи і савани;
  • пустелі;
  • тундра;
  • морські екосистеми.

Кожен біом має свої кліматичні умови та характерні види організмів.

Роль біосфери

Біосфера виконує низку життєво важливих функцій:

  • регуляція складу атмосфери (зокрема вмісту кисню і CO₂);
  • формування клімату;
  • очищення води та повітря;
  • утворення ґрунтів;
  • забезпечення ресурсами (їжа, сировина, енергія).

Вона є основою існування людства.

Людина і біосфера

Людська діяльність стала потужним фактором впливу на біосферу. Основні антропогенні зміни:

  • забруднення повітря, води і ґрунтів;
  • вирубування лісів;
  • втрата біорізноманіття;
  • зміна клімату.

У зв’язку з цим виникла концепція ноосфери — стадії розвитку біосфери, де розумна діяльність людини стає визначальним фактором. Цю ідею також розвивав Володимир Вернадський.

Охорона біосфери

Збереження біосфери є глобальним завданням людства. Основні напрями:

  • створення заповідників і національних парків;
  • раціональне використання природних ресурсів;
  • зменшення викидів парникових газів;
  • розвиток відновлюваної енергетики;
  • міжнародна співпраця (зокрема в рамках ЮНЕСКО).

Значення

Біосфера є унікальною системою, що забезпечує існування життя на планеті. Вона поєднує всі живі організми в єдину мережу взаємозв’язків і підтримує стабільність природного середовища.

Розуміння законів функціонування біосфери є ключовим для збереження життя на Землі та сталого розвитку людської цивілізації.

Приблизне число видів у деяких групах тварин

Група Число видів
Найпростіші 27.000
Губки 5.000
Молюски 115.000
Голкошкірі 6.500
Хребетні 46.500
Круглороті і риби 20.600
Земноводні 2.500
Плазуни 6.300
Птахи 8.600
Ссавці 3.700

Ієрархійні рівні організації багатоклітинного організму

ОРГАНІЗМ
Системи органів
Органи
Тканини
Клітини
Органели
Основні біоструктури
Макромолекули
Прості молекули
Атоми
Елементарні частинки

Енергетична піраміда

Трофічний рівень Продукція, яку можна зібрати ккал/(м 2*рік)
Первинні продуценти (зелені рослини) 704
Первинні консументи (рослиноїдні) 70
Вторинні консументи (м`ясоїдні) 13

Енергетика співтовариства і середнє число трофічних рівнів в різних співтовариствах

півтовариство Чиста первинна продукція, ккал/(м2*рік) Поглинання хижаками, ккал/(м2*рік) Екологічна ефективність, % Число трофічних рівнів
Відкритий океан 500 0,1 25 7,1
Морське узбережжя 8000 10,0 20 5,1
Степи помірної зони 2000 1,0 10 4,3
Тропічний ліс 8000 10,0 5 3,2

Ефективність чистої продукції деяких рослин і рослинних співтовариств

Рослинне співтовариство Місцевість Ефективність чистої продукції, %
Наземні
Багаторічні трави і злаки Мічиган 85
Кукурудза Огайо 77
Люцерна – 62
Дубовий і сосновий ліс Нью-Йорк 45
Тропічні луки – 55
Вологий тропічний ліс – 30
Водяні
Ряска Міннесота 85
Водорості Міннесота 79
Придонні рослини Вісконсин 76
Фітопланктон Вісконсин 75
Співтовариство Саргасового моря Тропічна частина Атлантичного океану 47
Співтовариство Сільвер-Спрінгс Флорида 42

Середній час перенесення енергії в живій рослинній біомасі для деяких екосистем

Екосистема Чиста первинна продукція, г/(м 2*рік) Біомаса, г/м 2 Час перенесення, років
Тропічний дощовий ліс 2000 45.000 22,5
Листопадний ліс помірної зони 1200 30.000 25,0
Бореальний ліс 800 20.000 25,0
Степи помірної зони 500 1.500 3,0
Кущі пустель 70 700 10,0
Болота 2500 15.000 6,0
Озера та ріки 500 20 0,04 (15 діб)
Зарості водоростей та рифи 2000 2.000 1,0
Відкритий океан 125 3 0.024 (9 діб)

Еукаріоти

Еукаріоти, або ядерні – домен (надцарство) живих організмів, клітини яких містять ядро.

Всі організми, крім прокаріотів (бактерій і археїв), є ядерними.

Віруси і віроїди також не є ні прокаріотами, ні еукаріотами.

Археї

Археї – домен живих організмів.

Археї являють собою одноклітинні мікроорганізми, які не мають ядра, а також будь-яких мембранних органел.

Елементний склад тваринних і рослинних організмів

Елемент Тварини Рослини
Вуглець 21,15 53,96
Водень 9,86 7,13
Кисень 62,43 38,65
Азот 3,10 0,03
Кальцій 1.90 0,007
Фосфор 0,95 0,005
Калій 0,23 0,006
Сірка 0,16 0,052
Хлор 0,08 0,001
Магній 0,027 0,003
Йод 0,002 0,002
Залізо 0,005 0,03
Фтор 0,003 0,001
Алюміній 0,001 0,065
Кремній 0,001 0,057
Марганець 0,0005 0,001

Дещо інше: