Біосфера і вчення Вернадського про живу речовину

Біосфера — це оболонка Землі, яку населяють живі організми і яку вони перетворюють своєю діяльністю. Термін «біосфера» запропонував австрійський геолог Е. Зюсс 1875 року, а цілісне вчення про біосферу створив український учений Володимир Іванович Вернадський. Його книга «Біосфера» вийшла 1926 року, а 1918 року Вернадський став першим президентом Української академії наук.

Біосфера охоплює три геосфери:

• нижню частину атмосфери — до озонового шару (близько 20–25 км);

• усю гідросферу — від поверхні океану до найглибших западин (понад 11 км);

• верхню частину літосфери — до глибини кількох кілометрів, де ще можливе життя.

Найбільша концентрація життя спостерігається на межах середовищ: на поверхні суходолу й у ґрунті, у верхньому освітленому шарі водойм (фотичній зоні) та на дні водойм. Саме там умови найсприятливіші — є світло, тепло, вода й поживні речовини.

Верхня межа біосфери

Верхньою межею біосфери є озоновий шар на висоті приблизно 20–25 км. Вище нього жорстке ультрафіолетове випромінювання Сонця руйнує всі живі клітини. Вітер може заносити спори бактерій і грибів значно вище, але активного життя там немає — це лише тимчасове перебування в стані спокою.

Нижня межа біосфери

У гідросфері життя існує на всіх глибинах — від поверхні до дна Маріанського жолоба (близько 11 км). Там виявлено ракоподібних (бокоплавів), голотурій, одноклітинних форамініфер і бактерій, пристосованих до величезного тиску й темряви; риби трапляються до глибини близько 8,3 км.

У літосфері організми, переважно бактерії, трапляються в підземних водах і нафтових пластах на глибині кількох кілометрів. Глибше життя обмежує висока температура земних надр (понад 100 °C), за якої білки денатурують.

Біосфера як глобальна екосистема

Біосфера — найвищий рівень організації живого на Землі, глобальна екосистема. Її цілісність забезпечують два ключові процеси: потік сонячної енергії, яку захоплюють продуценти, і колообіг речовин, що повертає елементи в біогеохімічні цикли. Детальніше про колообіг речовин ти дізнаєшся в наступному уроці «Колообіг речовин у біосфері».

В. І. Вернадський уперше запропонував класифікувати речовину біосфери за походженням і зв'язком із живими організмами. Він виділив чотири основні типи, які ти маєш розрізняти на НМТ: живу, біогенну, косну й біокосну речовину. (Вернадський описував також радіоактивну речовину, розсіяні атоми й речовину космічного походження, але програма НМТ вимагає розрізняти саме ці чотири.)

Як розрізнити типи речовини?

Постав два запитання до будь-якого зразка:

• Чи брали участь організми в утворенні цієї речовини?

• Чи є в ній живі організми зараз?

Якщо речовина — це нині живі організми, то вона жива. Якщо організми її створили, але самі вже не живі (рештки, продукти життєдіяльності), то вона біогенна. Якщо організми взагалі не брали участі в її утворенні — вона косна. Якщо речовина утворена спільно організмами й неживими процесами й містить і те, й інше — вона біокосна.

Найпоширеніший приклад біокосної речовини — ґрунт. Він містить мінеральні частинки (продукт вивітрювання гірських порід — косний складник), рештки рослин і тварин (біогенний складник) і живі організми: бактерії, гриби, дощових черв'яків (живий складник). Саме тому ґрунт не можна віднести до жодного з трьох інших типів — він біокосний.

Запам'ятай: нафту, кам'яне вугілля, торф, вапняк і крейду відносять до біогенної речовини, хоча нафту й вугілля добувають із глибоких надр, а торф, вапняк і крейду — з покладів біля поверхні. Вони утворилися з решток давніх організмів мільйони років тому. А от граніт і базальт — косні, бо утворилися з магми без участі живого.

Сучасні підручники, спираючись на вчення Вернадського, виділяють кілька функцій живої речовини. Розглянемо чотири основні, через які живі організми змінюють планету. Кожна функція пов'язана з конкретними процесами й прикладами.

Енергетична функція

Продуценти (рослини, ціанобактерії) поглинають сонячну енергію під час фотосинтезу й запасають її в органічних речовинах. Далі ланцюги живлення передають цю енергію консументам і редуцентам. Частина енергії законсервована в покладах вугілля, торфу й нафти — це теж результат енергетичної функції живої речовини, оскільки ці копалини утворилися з решток організмів, які колись запасли сонячну енергію.

Газова функція

Організми постійно змінюють газовий склад атмосфери й вод. Рослини й ціанобактерії виділяють кисень (O₂) і поглинають вуглекислий газ (CO₂) під час фотосинтезу. Під час дихання всі організми виділяють CO₂. Денітрифікувальні бактерії виділяють молекулярний азот (N₂), а метаноутворювальні археї — метан (CH₄). Саме завдяки кисню, який виділили фотосинтезувальні організми, в атмосфері утворився озоновий шар, що захищає все живе від ультрафіолету.

Окисно-відновна функція

Організми здатні окиснювати й відновлювати хімічні сполуки. Залізобактерії окиснюють двовалентне залізо (Fe²⁺) до тривалентного (Fe³⁺), унаслідок чого утворилися болотні залізні руди. Сіркобактерії окиснюють сірководень (H₂S) до елементарної сірки й сульфатів. У мулі без доступу кисню бактерії, навпаки, відновлюють сульфати до сірководню (H₂S). Ця функція відрізняється від газової тим, що змінюється не склад газів, а ступінь окиснення хімічних елементів у сполуках.

Концентраційна функція

Організми вибірково накопичують певні хімічні елементи, іноді в концентраціях, що в тисячі разів перевищують їхній вміст у довкіллі. Приклади:

• Кальцій — у черепашках молюсків, скелетах коралів, кістках хребетних;

• Силіцій — у панцирах діатомових водоростей і стеблах хвощів;

• Йод — у ламінарії (морській капусті);

• Ванадій — у клітинах крові асцидій.

З решток організмів, що накопичували ці елементи, утворилися поклади крейди, вапняку, діатоміту. Наприклад, крейда складається переважно з вапнякових пластинок (коколітів) мікроскопічних водоростей-коколітофорид із домішкою черепашок форамініфер; ці організми концентрували Кальцій.

Ноосфера (від грец. noos — розум) — це стан біосфери, у якому розумна діяльність людини стає головним чинником її розвитку. Термін у 1920-х роках запропонували французькі філософи Е. Леруа й П. Тейяр де Шарден, а В. І. Вернадський розвинув учення про закономірний перехід біосфери в ноосферу.

Людство як геологічна сила

Вернадський писав, що людство стає могутньою геологічною силою: воно переміщує гірські породи (кар'єри, шахти), змінює склад атмосфери (викиди CO₂, пилу) й вод (скиди промислових стоків), створює нові речовини, яких не існувало в природі (пластмаси, синтетичні волокна). Однак, щоб біосфера справді перейшла в ноосферу, діяльність людини має узгоджуватися із законами природи, а не суперечити їм.

Важливо: ноосфера — не окрема оболонка Землі поряд із біосферою, атмосферою чи літосферою. Це новий стан самої біосфери, коли розумна діяльність людини стає визначальною. Тому на НМТ правильна відповідь — «стан біосфери», а не «оболонка Землі».

Сталий розвиток

Поняття сталого розвитку (sustainable development) сформульоване в доповіді Комісії ООН «Наше спільне майбутнє» (1987): це розвиток, що задовольняє потреби нинішнього покоління, не ставлячи під загрозу здатність майбутніх поколінь задовольняти свої потреби.

Сталий розвиток має три складники:

• економічний — ефективне використання ресурсів, екологічно чисті технології;

• соціальний — справедливий розподіл благ, доступ до освіти й охорони здоров'я;

• екологічний — збереження природних екосистем, зменшення забруднення.

Ідея сталого розвитку тісно пов'язана з ученням Вернадського про ноосферу: обидві концепції наголошують, що людина має свідомо регулювати свої відносини з природою. Детальніше про принципи природокористування й міжнародні домовленості ти дізнаєшся в уроці «Глобальні екологічні проблеми і охорона природи».

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему біосфери й учення Вернадського. Кожне завдання супроводжується покроковим розв'язанням і поясненням, чому інші варіанти неправильні.

Приклад 1. Логічні пари: речовина → тип речовини біосфери

Установи відповідність між речовиною (1–4) і типом речовини біосфери за В. І. Вернадським (А–Д). Одна буква зайва.

Ліві елементи: 1 — кам'яне вугілля, 2 — чорнозем, 3 — базальт, 4 — планктон ставка.

Праві елементи: А — жива, Б — біогенна, В — косна, Г — біокосна, Д — речовина космічного походження (зайва).

Розв'язання:

• Кам'яне вугілля утворилося з решток давніх рослин — це біогенна речовина (1 → Б).

• Чорнозем — ґрунт, що поєднує мінеральні частинки, рештки організмів і живі організми — це біокосна речовина (2 → Г).

• Базальт — магматична гірська порода, утворена без участі живого — це косна речовина (3 → В).

• Планктон ставка — сукупність живих організмів (водоростей, дрібних ракоподібних) — це жива речовина (4 → А).

Відповідь: 1-Б, 2-Г, 3-В, 4-А. Буква Д (речовина космічного походження) — зайва.

Чому інші варіанти неправильні? Кам'яне вугілля не може бути косним, бо в його утворенні брали участь організми. Чорнозем не може бути біогенним, бо він містить живі організми, а не лише рештки. Базальт не може бути біогенним, бо він утворився з магми. Планктон — живий, тому не може бути косним чи біогенним.

Приклад 2. Функція живої речовини

Яку функцію живої речовини ілюструє накопичення Йоду в ламінарії (морській капусті)?

Розв'язання: Ламінарія вибірково поглинає Йод із морської води й накопичує його в своїх клітинах у концентрації, що в тисячі разів перевищує вміст Йоду у воді. Це типовий приклад концентраційної функції живої речовини.

Відповідь: концентраційна.

Чому не газова? Газова функція — це зміна газового складу середовища (виділення O₂, CO₂ тощо). Чому не енергетична? Енергетична — це запасання й передача сонячної енергії. Чому не окисно-відновна? Окисно-відновна — це зміна ступеня окиснення елементів (наприклад, Fe²⁺ → Fe³⁺). Накопичення Йоду не змінює його хімічної форми — це саме концентрація.

Приклад 3. Верхня межа біосфери

Чим визначається верхня межа біосфери?

Розв'язання: Верхня межа біосфери — озоновий шар на висоті близько 20–25 км. Вище нього жорстке ультрафіолетове випромінювання Сонця руйнує живі клітини, тому активне життя там неможливе.

Відповідь: озоновим шаром, вище якого жорстке ультрафіолетове випромінювання руйнує живе.

Чому не «висотою польоту птахів»? Птахи літають значно нижче (до 8–10 км), а спори бактерій вітер заносить і вище, але це не межа. Чому не «межею хмар»? Хмари утворюються в тропосфері (до 10–18 км), а озоновий шар вищий. Чому не «вершинами найвищих гір»? Найвища гора — Еверест (близько 8,8 км), але життя (бактерії) трапляється й вище.

Приклад 4. Два судження учнів

Ірина: «Нафта — косна речовина, бо її добувають із надр Землі». Максим: «Ноосфера — стан біосфери, у якому розумна діяльність людини стає визначальним чинником її розвитку». Хто має рацію?

Розв'язання: Ірина помиляється. Нафта — біогенна речовина, бо утворилася з решток давніх організмів (планктону) під дією високого тиску й температури. Те, що її добувають із надр, не робить її косною — косні речовини (граніт, базальт) утворені без участі живого. Максим має рацію: його визначення ноосфери точне й відповідає вченню Вернадського.

Відповідь: має рацію лише Максим.

• Відносять нафту, кам'яне вугілля, торф чи вапняк до косної речовини, бо їх добувають із надр. Насправді вони біогенні — утворені з решток організмів. Косна речовина (граніт, базальт) утворена без участі живого.

• Відносять ґрунт до біогенної речовини. Ґрунт — біокосний, бо його створили організми разом із неживими процесами, і він містить живі організми (бактерії, гриби, черв'яків).

• Вважають, що біосфера охоплює всю атмосферу й усю літосферу. Насправді біосфера — лише нижня частина атмосфери (до озонового шару) й верхня частина літосфери (до глибини, де температура дозволяє життя).

• Плутають газову функцію з окисно-відновною. Газова — зміна складу газів (виділення O₂, CO₂, N₂, CH₄). Окисно-відновна — зміна ступеня окиснення елементів у сполуках (Fe²⁺ → Fe³⁺, H₂S → S).

• Приписують термін «біосфера» Вернадському. Термін увів Е. Зюсс (1875), а Вернадський створив учення про біосферу й написав книгу «Біосфера» (1926).

• Вважають ноосферу окремою оболонкою Землі (поряд із біосферою, атмосферою, гідросферою, літосферою). Насправді ноосфера — це стан біосфери, а не окрема оболонка.

Тема «Біосфера як глобальна екосистема» (тема 5.3 програми НМТ) охоплює структуру й межі біосфери, учення В. І. Вернадського про біосферу й ноосферу. Основна вимога — розрізняти типи речовин біосфери: живу, біогенну, косну, біокосну.

На НМТ завдання з цієї теми можуть бути у двох формах:

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (завдання 1–24, 0 або 1 бал) — наприклад, визначити функцію живої речовини за описом або назвати чинник, що обмежує поширення життя.

• Логічні пари (завдання 25–28, 1–4 → А–Д, одна буква зайва, до 4 балів) — наприклад, установити відповідність між речовиною та її типом за Вернадським.

У демоваріанті НМТ 2026 року окремого завдання з теми 5.3 немає. Аналіз програми оцінює частку теми в 0–1 завдання з 30. Це означає, що тема може з'явитися в будь-якому варіанті, але її не буде багато.

Стратегія виконання

Для завдань на тип речовини постав два запитання:

1. Чи брали участь організми в утворенні цієї речовини? (Якщо ні — косна; якщо так — дивись друге питання.)

2. Чи є в ній живі організми зараз? (Якщо так — це жива або біокосна речовина; якщо ні — біогенна.)

Для завдань на функції живої речовини звертай увагу на ключові слова в описі: «накопичує хімічні елементи» → концентраційна; «виділяє газ», «поглинає газ» → газова; «окиснює», «відновлює» → окисно-відновна; «поглинає, запасає чи передає енергію» → енергетична.

На весь тест з біології відведено орієнтовно 60 хвилин. Розподіляй час так, щоб на кожне завдання в середньому витрачати близько 2 хвилин.

• Біосфера — нижня частина атмосфери до озонового шару, уся гідросфера й верхня частина літосфери.

• Термін «біосфера» запропонував Е. Зюсс (1875), учення про біосферу й ноосферу створив В. І. Вернадський (книга «Біосфера», 1926).

• Речовина біосфери: жива (організми), біогенна (нафта, вугілля, вапняк, торф, крейда), косна (граніт, базальт), біокосна (ґрунт, мул).

• Функції живої речовини: енергетична (запасання сонячної енергії), газова (зміна газового складу), окисно-відновна (окиснення й відновлення сполук), концентраційна (накопичення хімічних елементів).

• Ноосфера — стан біосфери, у якому визначальною стає розумна діяльність людини, а не окрема оболонка Землі.

• Сталий розвиток — задоволення потреб нинішнього покоління без шкоди для майбутніх; три складники: економічний, соціальний, екологічний.