Основи екології

Іоносфера (термосфера; грец. «термес» -- теплий) розміщується на висоті понад 80 км. Температура в цій зоні значно підвищується (понад 1000 °С). Під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця гази перебувають у іонізованому стані. З іонізацією пов'язане світіння газів і виникнення полярного сяйва. Іоносфера має здатність багаторазово відбивати радіохвилі (електромагнітні хвилі), що забезпечує дальній радіозв'язок на Землі.

Екзосфера (магнітосфера) оточує Землю на висоті понад 800 км. її товщина сягає 200--300 км, а температура перевищує 2000 °С. Швидкість руху газів наближається до критичної величини -- 11,2 км/с. У ній переважно містяться атомарний гідроген і гелій, які утворюють навколо Землі корону, що поширюється на висоту 20 тис. км.

Атмосфера Землі відіграє величезну роль в існуванні біосфери. Проте не менш важливе значення для життя, зокрема процесів його зародження й розвитку, має водна оболонка Землі -- гідросфера.

Гідросфера (грец. «гідор» -- вода) -- це водна оболонка Землі, до якої належать Світовий океан, води суші (ріки, озера, болота, льодовики) та підземні води. На частку Світового океану припадає 631 млн. км2 поверхні земної кулі, тобто 70,8 %. Температура океанської і морської води постійно змінюється як на поверхні, так і в глибині, і залежить переважно від клімату й погоди. В екваторній зоні вона становить близько ЗО--35°С, а в полярних морях знижується до 0...-2 °С. Велика маса океанічних вод, які перебувають у постійному русі завдяки неоднаковій інтенсивності прогрівання поверхні на різних широтах, має велике значення для формування клімату та інших екологічних факторів. Океанічні й морські води мають приблизно однаковий хімічний склад. Крім солей у морській воді розчинені гази (оксид карбону (IV), кисень, азот). Загальну кількість води на планеті оцінюють від 1,5 до 2,5 млрд. м3. На один гектар земної поверхні припадає ЗО--50 млн. м3 води. Об'єм підземних вод становить близько 60 млн. км3. На частку льодовиків припадає 1,74 % загальних запасів води на планеті і 68,7 % -- загальних запасів прісної води, об'єм яких перевищує 35 млн. км3.

Гідросфера не є суцільною, оскільки в багатьох місцях її переривають материки і континенти, що виступають над рівнем Світового океану. На земній поверхні протікають сотні тисяч річок, що поповнюються дощовими опадами і підземними водами. Річки займають загальну площу 148,2 млн. км2, але об'єм води не перевищує 1,2 * 103 км3, що становить 0,0001 % загального запасу і 0,006 % запасу прісної води. Води в атмосфері приблизно в 12 разів більше, ніж у річках Землі, -- 1,4 * 104 км3.

2.2 ПРИРОДНЕ СЕРЕДОВИЩЕ Походження життя

Згідно з уявленнями О. Опаріна і Дж. Холдейна, на початку геологічної історії під впливом сонячної радіації, вулканічної теплоти, розрядів блискавок та інших факторів у водах первісного Світового океану відбувся абіогенний синтез органічних сполук і біополімерів з простих хімічних сполук. Складні молекули амінокислот об'єднувалися в пептиди, які були початком утворення первинних білків. З останніх синтезувалися первісні живі організми мікроскопічних розмірів.

Ця гіпотеза, як і багато інших їй подібних, має істотний недолік, який полягає в тому, що до останнього часу немає жодного факту, який би підтвердив можливість абіогенного синтезу на Землі хоча б найпростішого живого організму з неорганічних сполук. Нині серед учених широко підтримується принцип Реді: «Живе -- лише від живого». Не підтверджують цієї гіпотези й геологічні дослідження. Палеонтологи виявили в породах, вік яких 3,8 млрд. років і близький до часу утворення планети Земля (4 -- 4,5 млрд. років тому, за сучасними оцінками), викопні рештки досить складних організмів -- бактерій і синьо-зелених водоростей. В. Вернадський вважав, що життя -- така сама вічна основа Космосу, якими є матерія та енергія. Земна форма життя тісно пов'язана з гідросферою. Про це свідчить той факт, що вода є основною складовою маси будь-якого земного організму. Так, маса людини більш ніж на 70 % складається з води.

Отже, всі відомості, якими на сьогодні володіє наука, стверджують, що життя на Землі виникло з початку її існування «від всепроникної загальногалактичної живої системи» (Ч. Вікрамасінхе).

Біосфера

Біосфера (грец. «біос» -- життя, «сфера» -- сфера, куля) -- уявна оболонка Землі, до якої належать частини атмосфери, гідросфери і літосфери, заселені живими організмами. З усіх сфер Землі літосфера і гідросфера найтісніше пов'язані з життям. Так, осадові породи Світового океану і ґрунти літосфери є сумішшю живої й неорганічної речовин. Ця суміш спостерігається в усіх сферах Землі і утворює найактивнішу плівку життя, яку називають біосферою. Остання охоплює верхню частину літосфери, всю гідросферу і нижню частину атмосфери -- тропосферу (див. рис. 2.1). Нижня межа життя проходить літосферою на глибині 2--3 км, верхня -- на верхній частині тропосфери -- 20--22 км. Межі біосфери зумовлюються певними факторами. Важливою причиною нерівномірного розміщення живих організмів в атмосфері є наявність сил гравітації та космічне випромінювання. Існуванню живих організмів на великих глибинах літосфери заважає висока температура земних надр. У гідросфері живі організми зустрічаються і на максимальних глибинах.

Центральною ланкою біосфери є живі організми, в тому числі людина. Перші уявлення про біосферу як «зону життя» належать французькому натуралісту Ж. Б. Ламарку (1802). Термін «біосфера» вперше запропонував у 1875 р. австрійський геолог Е. Зюсс. Науково обґрунтував учення про біосферу в 1926 р. видатний український учений, засновник і перший президент Академії наук України В. І. Вернадський. Він довів, що живі організми мають вирішальний вплив на всі геологічні процеси, які формують обличчя Землі. Саме життєдіяльністю живих організмів зумовлюється хімічний склад атмосфери, концентрація солей у гідросфері, утворення й руйнування гірських порід, утворення ґрунтів тощо. Живі організми не тільки пристосовуються до умов зовнішнього середовища, а й активно їх змінюють.

Усю сукупність живих організмів у біосфері В. І. Вернадський назвав «живою речовиною», яка складає єдину термодинамічну систему (оболонку, простір) та в якій зосереджується життя і відбувається постійна взаємодія всього живого :з абіотичними умовами середовища. Як основні характеристики живої речовини він розглядав масу (біомасу), хімічний склад і енергію.

Основними компонентами біосфери є:

- жива речовина -- рослини, тварини та мікроорганізми;

- біогенна речовина -- органічні та органо-мінеральні продукти, створені живими організмами впродовж геологічної історії: кам'яне вугілля, горючі сланці, торф, нафта та ін.;

- нежива (косна) речовина -- гірські породи неорганічного походження і вода, які є середовищем для проживання живих організмів;

- біокосна речовина -- результат синтезу живої та неживої речовин: осадові породи, кора вивітрювання, ґрунти, мули (підводні ґрунти);

- радіоактивне, електромагнітне та інші види випромінювання; космічна речовина (метеорити та ін.).

Згідно із законом фізико-хімічної єдності живої речовини (сформульованим В. І. Вернадським), уся жива речовина має єдину фізико-хімічну природу.

На основі узагальнення досліджень у геології, палеонтології, біології та інших природничих науках В. І. Вернадський дійшов висновку, що в біосфері «встановилася рівновага в основних своїх рисах ... з археозою і незмінно діє впродовж 1,5--2 млрд. років». Стійкість біосфери за цей час виявляється в сталості загальної маси (1019 т), енергії, зв'язаної живою речовиною (4,21 * 1018 кДж), і середнього хімічного складу всього живого. До унікальних особливостей живої речовини, які зумовлюють високу перетворювальну діяльність, належать такі.

Здатність швидко освоювати весь вільний простір. Це пов'язано як з інтенсивним розмноженням, так і здатністю організмів інтенсивно збільшувати поверхню свого тіла або утворюваних ними співтовариств.

Рух не тільки пасивний (під дією гравітаційних сил тощо), а й активний. Наприклад, проти течії води, сили гравітації, руху повітряних потоків тощо.

Стійкість за життя і швидке розкладання після смерті (включення в коло обіги).

Висока здатність пристосовуватися (адаптація) до різних умов і в зв'язку з цим освоєння не лише всіх середовищ життя (водного, наземно повітряного, ґрунтового й організменого), а й досить важких за фізико-хімічними параметрами умов.

Надзвичайно велика швидкість перебігу реакцій. Вона на кілька порядків (у сотні, тисячі разів) більша, ніж у неживій речовині. Наприклад, гусінь деяких комах переробляє за день поживи в 100--200 разів більше за
масу їхнього тіла. Дощові черв'яки за 100--200 років пропускають через свої організми весь однометровий шар ґрунту. За уявленнями В. І. Вернадського, практично всі осадові породи завтовшки до 3 км на 95--99 %
перероблені живими організмами. Навіть такі колосальні запаси води, що містяться в біосфері, розкладаються в процесі фотосинтезу за 5--6 млн. років, карбонатна кислота проходить через живі організми в процесі фотосинтезу кожні 6--7 років.

6. Висока швидкість оновлення живої речовини. Підраховано, що в середньому для біосфери оновлення живої речовини становить 8 років, тоді як для суші -- 14 років, а для океану, де переважають організми з коротким періодом життя (наприклад, планктон), -- 33 доби. В результаті високої швидкості оновлення живої речовини за всю історію існування життя загальна маса живої речовини, яка пройшла через біосферу, приблизно в 12 разів перевищує масу Землі. Тільки незначна її частина (частки відсотка) законсервовані у вигляді органічних решток (за В. І. Вернадським, «пішла в геологію»), решта включилась у процеси коло обігу.

Усі перелічені та інші властивості живої речовини зумовлюються концентрацією в ній значних запасів енергії.

Уся діяльність живої речовини в біосфері зводиться до кількох основоположних функцій. Це насамперед енергетична, яка пов'язана з накопиченням енергії в процесі фотосинтезу, передавання її по ланцюгу живлення та розсіюванням. Газова функція -- здатність змінювати й підтримувати певний газовий склад середовища проживання. Так, включення вуглецю в процеси фотосинтезу, а потім у ланцюги живлення зумовлюють акумуляцію його в біогенній речовині (органічні рештки, вапняки тощо). В результаті цього відбувається поступове зменшення вмісту вуглецю та його сполук, передусім оксиду карбону (IV) в атмосфері з десятків відсотків до 0,03 %. Це саме стосується й накопичення в атмосфері кисню, синтезу озону та інших процесів.

Окисно-відновна функція пов'язана з інтенсифікацією під впливом живої речовини процесів як окиснення, завдяки збагаченню середовища киснем, так і відновлення, насамперед у тих випадках, коли відбувається розкладання живих речовин за дефіциту кисню. Відновлювальний процес зазвичай супроводжується утворенням і накопиченням гідроген сульфіду, а також метану. Це робить нежиттєпридатними глибинні прошарки боліт, а також значні природні товщі вод (наприклад, у Чорному морі).

Концентраційна функція пов'язана зі здатністю організмів концентрувати в своєму тілі розсіяні хімічні елементи. Це сприяє підвищенню їх вмісту порівняно з навколишнім середовищем на кілька порядків. Наприклад, у тілі деяких організмів уміст мангану збільшується в мільйони разів. Наслідком концентраційної діяльності організмів є утворення покладів горючих копалин, вапняків, рудних родовищ тощо.

Деструктивна функція -- руйнування організмами та продуктами їх життєдіяльності, в тому числі й після їх смерті, як власне решток органічної речовини, так і кісної речовини. Основний механізм цієї функції пов'язаний з коло обігом речовин. Найістотнішу роль тут виконують редуценти -- деструктори (гриби, бактерії).

Транспортна функція пов'язана з перенесенням речовини та енергії в результаті активного руху організмів. Такі перенесення можуть здійснюватися на великі відстані, наприклад під час міграцій тварин.

Середовищеутворювальна функція значною мірою є інтегративною (результат спільної дії інших функцій). З нею пов'язана зміна фізико-хімічних параметрів середовища. В широкому розумінні результатом цієї функції є все природне середовище, яке створене живими організмами і підтримується ними у відносно стабільному стані в усіх геосферах. У вужчому понятті ця функція виявляється в утворенні ґрунтів, очищенні повітря від забруднень тощо. Серед інтерактивних функцій А. К. Запольський виокремлює ще одну -- споживально-відтворювальну, яка визначає швидкість (інтенсивність) процесів життя живої речовини біосфери. Дія цієї функції визначає динаміку споживання та відтворення відновних природних ресурсів, а також стійкість екосистем зокрема та біосфери в цілому. На оптимальних значеннях цієї функції ґрунтується раціональне природокористування, за якого споживання природних ресурсів має прагнути до мінімуму, а відтворення їх -- до максимуму.

Розсіювальна функція виявляється через трофічну і транспортну діяльність організмів та в процесі здійснення антропогенних ресурсних циклів. Наприклад, розсіювання речовини при виділенні організмами екскрементів, загибелі організмів під час переміщень у просторі, зміна покривів, перероблення первинної сировини на продукти та їх споживання тощо.

Важливою є також інформаційна функція живої речовини, яка виражається в тому, що живі організми та їх співтовариства накопичують певну інформацію, закріплюють її в спадкових структурах і потім передають наступним поколінням. Це один з проявів адаптаційних механізмів.

Біосфера належить до відкритих систем, існування якої не уявляється без надходження енергії ззовні. Вона зазнає дії космічних сил, передусім сонячної активності. А. Л. Чижевський уперше довів, що багато явищ на Землі та в біосфері пов'язані з активністю Сонця. Існує також думка, що сонячна активність діє на різні геологічні процеси (катаклізми, катастрофи), а також на соціальну активність людського суспільства.

Біосфера є саморегулювальною системою, для якої, як зазначав В. І. Вернадський, характерна організованість. Цю властивість на сучасному етапі називають гомеостазом, маючи на увазі здатність повертатися у вихідний стан, гасити збурення, що виникають, включенням низки механізмів. Біосфера за свою історію пережила чимало таких збурень, багато з яких були значними за масштабами (виверження вулканів, зустрічі з астероїдами, землетруси, гороутворення тощо). Проте вона справлялася з ними за допомогою гомеостатичних механізмів. Згідно з законом історичної необоротності, розвиток біосфери й людства як цілого не може відбуватися від пізніших фаз до початкових, загальний процес розвитку однонапрямлений.

Біосфера характеризується великим різноманіттям, що зумовлюється різними середовищами життя (водне, наземне -- повітряне, ґрунтове, організмене), різноманіттям природних зон з їх різними кліматичними, гідрологічними, ґрунтовими, біотичними та іншими властивостями, а також наявністю регіонів, які різняться за хімічним складом. Головне полягає в тому, що в біосфері поєднується величезна кількість елементарних екосистем з властивим їм видовим різноманіттям. На сьогодні описано близько 2 млн. видів (приблизно 1,5 млн. видів тварин і 0,5 млн. -- рослин). Гадають, що їх число на Землі в 2--3 рази більше, ніж описано. Не враховано багато комах і мікроорганізмів, що проживають у тропічних лісах, глибинних частинах океанів та інших малодоступних місцях.

Усі функції живих організмів у біосфері можуть виконуватися тільки завдяки їх величезному різноманіттю, яке є основною умовою стійкості будь-якої екосистеми та біосфери загалом (закон ЕшбІ).

Важливою властивістю біосфери є наявність у ній механізмів, які забезпечують колообіг речовин і пов'язану з ним невичерпність окремих хімічних елементів та їх сполук. Якби не було колообігу, за короткий проміжок часу був би вичерпаний основний «будівельний матеріал» -- вуглець, який практично один здатний утворювати міжелементні (кар-бон-карбонові) зв'язки і створювати величезну кількість органічних сполук. Тільки завдяки колообігам та постійному притоку сонячної енергії забезпечується безперервність процесів у біосфері.

В. І. Вернадський сформулював основний закон константності біосфери: «Кількість живої речовини є планетною константою з часів архейської ери, тобто за весь геологічний час». Упродовж цього часу живий світ морфологічно безперервно змінювався, але такі зміни помітно не вплинули ні на кількість живої речовини, ні на її середній валовий склад, що пояснюється надходженням сталої кількості сонячної енергії на планету Земля.

Середовище

Середовище -- всі тіла і явища, з якими організм має прямі чи опосередковані взаємозв'язки. Сукупність усіх умов, що діють на організм, популяцію чи біоценоз, зумовлюють відповідну реакцію, забезпечують їх існування, обмін речовин та потік енергії. Середовище включає всі екологічні чинники і є складовою біогеосистеми. Розрізняють середовище абіотичне, біотичне і антропогенне. Абіотичне середовище -- це всі тіла та явища неживої природи, які створюють умови проживання рослинних і тваринних організмів, чинячи на них прямий чи опосередкований вплив. До абіотичного середовища можна віднести материнську природу ґрунту та її хімічний склад і вологість, сонячне світло, воду, повітря, природний радіаційний фон та ін.

Біотичне середовище -- сукупність живих організмів, які своєю життєдіяльністю впливають на інші організми. Одні з них можуть бути живленням для інших (трав'яна рослинність -- для копитних) або середовищем проживання (хазяїн -- для паразита), впливати хімічно, механічно чи іншим чином та сприяти розмноженню (комахи -- запилювачі квіткових рослин). На відміну від факторів абіотичного середовища дія факторів біотичного середовища виявляється у взаємному впливі організмів різних видів у найрізноманітніших формах.

Антропогенне середовище -- це природне середовище, яке прямо або опосередковано змінене внаслідок антропогенної (людської) діяльності. До антропогенних середовищ належать відкриті родовища, магістральні канали, рекреаційні зони та зони будівництва великих споруд тощо.

Спеціалізована установа ЮНЕСКО, що належить до Організації Об'єднаних Націй, сформулювала визначення навколишнього середовища, яке включає комплекс природних, антропогенних та соціальних факторів життя людини. До нього близькі за змістом поняття «техногенне середовище», «промислове середовище», «антропогенне середовище».

Під терміном «середовище життя» розуміють усе оточення, в якому відбувається розвиток живої речовини з неживої матерії. При цьому мається на увазі вся сукупність абіотичних, біотичних та антропогенних факторів, в яких знаходиться особина, популяція, вид чи екосистема. Відносно біосфери під середовищем розуміють усі фактори, які діють на планеті Земля, в тому числі й космічні. До середовища життя людини належать усі зазначені вище фактори, а також соціальні компоненти, що включають соціальні, юридичні та морально-етичні відносини. В останньому випадку виділяють середовище природне та соціальне. Соціальне середовище -- це сукупність матеріальних, суспільних і духовних факторів існування та діяльності людини.

Важливим параметром оцінки якості середовища є його стійкість, що визначається стабільністю всіх природних факторів, тобто гомеостазом. Різкі відхилення природного середовища від його звичайного стійкого стану розглядаються як стихійне лихо або катастрофа (повінь, урагани, пожежі, виверження вулканів тощо).

Для забезпечення нормальних умов життя живих істот, у тому числі й людини, потрібні умови природного середовища певної якості. Людина як соціальна істота намагається відокремитись від несприятливих факторів і створити власне антропогенне середовище.

Середовище динамічно змінюється під впливом усіх факторів взагалі та живих організмів і людини зокрема. В природоохоронній діяльності поняття «середовище» дещо звужується і здебільшого розглядається дія лише абіогенних та деяких абіотичних факторів. Це не відтворює справжнього стану природного середовища і призводить до небажаних наслідків. При цьому складається ілюзорне уявлення про його стійкість.

2.3 ЕВОЛЮЦІЯ БІОСФЕРИ

Усі еволюційні теорії, зокрема теорія Ч. Дарвіна, ґрунтуються на уявленні про розвиток від простого до складного. В ранньому археї (4-- 5 млрд. років тому), як вважають учені, сформувалася сонячна система, утворилась планета Земля з осадовими та іншими стародавніми твердими породами, відбулася конденсація океану. Атмосфера майже не містила кисню (максимум 0,1 % сучасного вмісту), проте була багата на оксид карбону (IV), метан та різні сполуки нітрогену, тобто існувала відновна атмосфера.

У ранньому докембрії (2,5--3 млрд. років тому) відбулося зледеніння, нашарування покладів заліза. В гідросфері утворилися перші з відомих прокаріотів (імовірно, синьо-зелені водорості). Вода почала насичуватись киснем, який утворювався з оксидів феруму в аеробному середовищі. Особливих змін склад повітря зазнав у середньому докембрії (приблизно 2 млрд. років тому), коли утворилися перші фото синтезуючі організми і фіксатори азоту (рис. 2.2). Цей процес розвивався до появи через 0,5 млрд. років еукаріотів. В результаті значна кількість кисню почала надходити в повітря, яке одночасно збіднювалось на вуглекислий газ.

Припускають, що приблизно 1 млрд. років тому в атмосфері вже містилося близько 1 % сучасної кількості кисню, одночасно з'являється атмосферний озон. У цей період важливу роль відіграла фото синтезуюча активність фітопланктону, який швидко накопичувався в біосфері. В літосфері відбувалася інтенсивна вулканічна діяльність, а також докембрійське зледеніння. Кількість утвореного озону вже була достатньою для затримання надлишку ультрафіолетової сонячної радіації. Це сприяло подальшому розвитку органічного життя в поверхневому шарі вод Світового океану.

Понад 700 млн. років тому (палеозойська ера) з'явились багатоклітинні організми, вміст кисню в атмосфері збільшився до 3--10 % сучасного. Понад 600 млн. років тому в біосфері розпочався найважливіший еволюційний процес і заселення материків живими істотами. Першими були нижчі автотрофні рослини. Однак вирішальним, фундаментальним чинником була поява близько 500 млн. років тому судинних рослин. Голонасінні рослини з'явились у девонському періоді (350 млн. років тому), квіткові (покритонасінні) рослини та тварини -- ссавці -- наприкінці юрського періоду (100 млн. років тому). Поширення вищих рослин і тварин на суші супроводжувалось різким збільшенням кількості кисню в атмосфері, вміст якого збільшився до 50 % сучасного на початку крейдового періоду.

Сучасна біосфера створилася в результаті тривалої еволюції завдяки сприятливому поєднанню космічних, геохімічних та геофізичних факторів. Однак вирішальну роль відіграв біологічний фактор з появою організмів, здатних здійснювати фотосинтез. Завдяки останньому за наявності сонячної радіації з вуглекислого газу, води та мінеральних елементів синтезувались усі органічні субстанції, які були необхідні для життя. Поява хлорофільних рослин на суші відіграла істотну роль не лише в різкому збільшенні вмісту кисню в атмосфері. Поряд з кліматичними факторами діяльність судинних рослин і тварин була вирішальною в процесі утворення ґрунтів.

Упродовж геологічних періодів значні маси органічних речовин були «напрацьовані» автотрофними організмами. Більша частина органічної продукції не брала участі в коло обігу, а накопичувалася в континентальних осадових породах і ґрунтах. Свідками масштабності цих явищ є потужні родовища викопного палива (кам'яне й буре вугілля, нафта). Ці родовища створювалися впродовж сотень мільйонів років. Наслідком цього було збіднення первинної атмосфери на вуглекислий газ та збагачення її на кисень. З цієї самої причини весь кисень, вироблений автотрофними прокаріотами на початку докембрію, не залишався в атмосфері, а вступав у хімічну взаємодію з мінералами та гірськими породами, які лежали на поверхні. Так утворилися великі поклади залізних руд, вік яких сягає 2 млрд. років. Поступово за 2 млрд. років безперервної роботи живих організмів змінилися фізико-хімічні умови на земній поверхні, що існували в ранньому археї. Атмосфера, Світовий океан і літосфера, в якій осадові породи мають багатокілометрову товщину, змінилися в результаті біогеохімічних процесів як за структурою, так і за складом. Можна стверджувати, що всі елементи, які входили до складу живої речовини, беручи участь у численних складних біогеохімічних коло обігах, неодноразово побували в різних організмах.

Французький природознавець Ж. Б. Ламарк вважав, що основною рушійною силою еволюції є вплив навколишнього природного середовища. Як установили вчені завдяки розшифруванню генетичного коду, носієм якого є подвійна спіраль ДНК, усі прояви мінливості організмів відбуваються внаслідок порушення генетичної інформації мутагенними факторами (радіація, хімічні речовини тощо). На підставі досягнень генетики можна стверджувати, що еволюція органічного світу відбувається в результаті мутацій, які спричинюють відхилення в генетичному коді під впливом активних мутагенних факторів навколишнього середовища. Якщо нові властивості сприятливі для організму, вони закріплюються природним добором. Проте більшість мутацій несприятлива для організмів. Так, особини, що з'являються на світ після мутагенного впливу радіації та хімікатів, є нежиттєздатними і поступово вироджуються. Загалом процес еволюції можна розглядати як збільшення обсягу генетичної інформації. Так, обсяг генетичної інформації у ссавця в 100 тис. разів більший, ніж у бактерії. Велике значення мають не лише розміри (довжина і маса) генного ланцюжка, а і його структура.

Отже, в процесі еволюції відбувалося поступове виникнення і розвиток усе більш високоорганізованих рослин і тварин.

Рис. 2.2 Спіраль часу (за Л. Ф. Кейраном)

2.4 ЕВОЛЮЦІЯ ЛЮДИНИ

Сучасні дослідження антропологів підтверджують думку Ч. Дарвіна про те, що найближчими нашими родичами є людиноподібні мавпи. Перші примати лінії антропоїдів еопітеки з'явилися в міоцені приблизно 10 млн. років тому, коли вміст кисню в атмосфері був близьким до сучасного і відбулося значне збільшення видового різноманіття рослинного й тваринного світу. Нашими рідними братами, як показали генетичні дослідження, були шимпанзе та горили. Молекули ДНК їхніх організмів і людини різняться лише на 2 %. Згідно з розрахунками генетиків, людина відокремилась від людиноподібних приматів близько 5 млн. років тому. Скелетні залишки австралопітеків -- попередників людини -- знайдені в східній Африці (Танзанія, Ефіопія), за анатомічною будовою дуже близькі до карликового шимпанзе. Ці примати, невисокі на зріст, жили приблизно 4,5 млн. років тому. Об'єм їх мозку, за розрахунками, становив 400--600 см3.

Еволюція людини відбувалася надзвичайно стрімкими темпами і не має аналогів серед інших видів тваринного світу. Так, коню на його еволюцію від палеогенового предка гіпаріона до сучасного стану знадобилося близько 60 млн. років.

На еволюцію людини значний вплив мали різні мутагенні фактори (підвищений радіаційний фон та ін.), які спричинили перебудову організму гомінід. Зміни в будові черепа призвели до втрати ікол. Нижні кінцівки перетворилися на ноги, що призвело до зменшення швидкості лазання по деревах. Мутанти були набагато тендітнішими за своїх попередників гомінід із західної Африки -- шимпанзе та горил. І тільки використання знарядь праці для добування їжі допомогли їм вистояти в боротьбі за своє існування. Використання кам'яних знарядь (рубила та ін.), їх обробка та вдосконалення зумовили вдосконалення самих людиноподібних гомінід.

На зміну австралопітекам понад мільйон років тому прийшли представники роду гомо габіліс (Ното паЬШз -- людина вміла), потім на зміну їм приходить людина гомо еректус (людина випрямлена) та архантропи (неандерталець і синантроп).

Перехід від людини вмілої до сучасної людини очевидно здійснився в три етапи: спочатку виникли найдавніші люди (архантропи), потім -- стародавні люди (палеоантропи) і, нарешті, сучасні люди (неоантропи). Найдавніші люди з'явилися приблизно 2 млн років тому й утворили вид -- Людина прямоходяча.

Виявлено кілька різновидів залишків Людини прямоходячої. Пітекантроп (мавполюдина) порівняно з предками мав більший об'єм мозку та користувався примітивними знаряддями праці (дубинці, трохи обтесане каміння). Проте ці організми мали багато ознак, подібних до предків (низький лоб, великі надбровні дуги, волосяний покрив).

Синантроп (китайська людина) багато в чому нагадує пітекантропа. Ці люди вміли користуватися вогнем. Гейдельберзька людина також подібна до синантропа. Всі ці географічні різновиди одночасно, в тому числі найдавнішими і сучасними людьми. Проте більш витриваліші перемогли у конкурентних взаємовідносинах і відтіснили менш пристосованих.

Архантропи могли розмовляти, вміли виготовляти прості знаряддя праці, залучаючи для цього енергію вогню. Однак вони ще дуже відрізнялися від сучасних людей морфологічно та за рівнем свідомості, їх еволюція здійснювалася ще під переважаючим впливом біологічних факторів.

Стародавні люди (палеоантропи) є проміжними між архантропами і сучасними людьми. До них належать неандертальці, залишки яких виявлені в Європі, Азії та Африці. Палеоантропи одягалися в шкіри і користувалися досконалішими знаряддями праці, ніж архантропи: ножами, шкребками та ударними знаряддями. В них ще помітна схожість з предками (покатий лоб, недостатньо випрямлена фігура тощо), але в них був уже більший об'єм мозку (1400 см3) та інша форма щелепи (слабко розвинене підборіддя свідчило про наявність у них членоподільної людської мови).

Неандертальці жили групами 50--100 людей. Удосконалення колективних взаємовідносин, розвиток інтелекту та інші фактори привели до того, що одне із відгалужень неандертальців дало початок Людині розумній (Ното заріепз). Останні неандертальці жили одночасно з сучасними людьми, але були ними витіснені й вимерли. Проте за сучасними уявленнями антропологів, ніхто зі стародавніх людей, навіть неандертальці, не були нашими предками, як це вважалося раніше. Вони були тупиковими відгалуженнями еволюційного дерева людини.

Новітні дослідження з використанням розшифровки інформації, що міститься в макромолекулах білків і нуклеїнових кислот, зокрема в молекулах ДНК (внаслідок мутацій ДНК змінює свою структуру впродовж 1 млн років на 3 %), дали змогу встановити, що перші люди сучасного типу (Ното заріепз -- людина розумна) з'явилися приблизно 200 тис. років тому. Порівняння ДНК різних расових груп свідчать, що найстаріша вона у африканців (200 тис. років), азіатській -- 100 тис. років і європейській -- 50 тис. років. Отже, можна дійти висновку, що первісна сучасна людина з'явилася в Африці і потім розселилася в Азію, Європу та по інших материках. Паралельно з Ното заріепз упродовж тривалого часу жили примітивніші архантропи -- неандертальці. Гомо сапієнс мав об'єм мозку 1600 см3 і поступався їм фізичною силою, але переважав за рівнем інтелекту і вмів виготовляти досконаліші знаряддя. На думку деяких антропологів, неандерталець не мав також такої переваги, як членоподільна мова, якою володів гомо сапієнс.

Еволюція людини відрізнялася своєю незвичайністю, яка полягає в тому, що на відміну від інших організмів вона не пристосовувалася до природи, а прагнула ніби відокремити її від себе. Про це свідчать використання одягу, житла, вогню, знарядь праці тощо. За допомогою останніх вона немовби відгороджується від навколишнього середовища і створює своє. В процесі еволюції людина дедалі більше змінює навколишнє середовище і вдосконалює власне. Нині зміни зовнішнього середовища стають загрозливими для існування самої людини. Якщо взяти до уваги, що мозок сучасної людини, як вважають учені, використовує не більше 2 % своїх можливостей, то можна собі уявити, які можливості самовдосконалення має гомо сапієнс у потенціалі і яких висот він може досягти в розвитку свого інтелекту. Тільки важливо, щоб ці здобутки були спрямовані на гармонізацію взаємовідносин з природою, а не на її завоювання.

2.5 ЕВОЛЮЦІЯ АНТРОПОГЕННОЇ ДІЯЛЬНОСТІ ТА ВЗАЄМОВІДНОСИН ЛЮДИНИ З БІОСФЕРОЮ

Упродовж багатовікової історії людства на Землі його взаємовідносини з навколишнім природним середовищем були неоднаковими і безперервно змінювалися. До відносно недавнього часу жодна з численних живих істот не загрожувала гомеостазу біосфери. І тільки з появою нашого предка гомо габіліса (наприкінці третинного періоду, близько 1,5--1,7 млн років тому) ці взаємовідносини почали істотно змінюватися. Процес еволюції людини тривав понад мільйон років, перш ніж наші далекі предки палеоантропи взяли гору в конкурентній боротьбі з іншими ссавцями. Перші людиноподібні примати майже нічим не виділялися серед інших живих істот і жили в злагоді з навколишнім середовищем. Вони харчувалися частинами дикорослої рослинності, комахами та дрібними тваринами, тобто задовольнялися їжею, яку продукувала природа. Чисельність їх під кінець нижнього палеоліту сягала близько 125 тис. особин з густотою населення 0,00425 мешканця на один квадратний кілометр.

З появою гомо сапієнс близько кількох сотень тисяч років тому (за деякими даними близько 200 тис. років) розпочався новий (перший) етап у взаємовідносинах між ними та навколишнім природним середовищем, їхній вплив на біосферу починає створювати потенційну загрозу рівновазі в природі. Чисельність населення невпинно зростає, а з нею постійно, причому випереджаючими темпами, зростають потреби в харчуванні, одязі тощо. Для задоволення потреби в їжі людина розпочинає полювати на великих диких тварин, одомашнює тварин і займається скотарством. Швидко відбувається розселення людей по всій території земної кулі. Чисельність населення 100 тис. років тому досягла 1 млн, а його густота становила вже 0,0! 2 мешканця на один квадратний кілометр.

Вогонь був першим технічним завоюванням людини. Доти, доки людина не оволоділа вогнем, вона з екологічного погляду жила в злагоді та гармонії з природою. Вплив на природу наших далеких предків у палеоліті був обмеженим. Вони були, як і всі інші види, дітьми природи, що брали участь у колообігу речовин та енергії. Однак щойно первісні мисливці оволоділи вогнем, вони розпочали руйнівний наступ на навколишню природу. Використання вогню для загону й вилову дичини спричинило 100 тис. років тому виникнення першої екологічної кризи в біосфері, яка пов'язана з руйнуванням рослинного й тваринного світу в різних районах земної кулі. На місці лісів у західній частині Африки та Південно-Східної Азії з'явились савани. Так само близько 10 тис. років тому індійці Північної Америки створили прерії -- випалили ліси під пасовиська для бізонів. При цьому відчутно збіднювався і видовий склад великих хребетних, які населяли різні райони Землі. Так, близько 50 тис. років тому було знищено більшу частину великих ссавців, що пережили далекий третинний період. Близько 12 тис. років тому мисливці верхнього палеоліту винищили понад 60 % великих ссавців, які населяли район Магрібу. В палеоліті індійці Північної Америки винищили мамонтів і стародавніх бізонів. У Південній Америці не без допомоги людини були винищені гліптодонти та гігантські птахи.

На початку неоліту (рис. 2.3), близько 6 тис. років тому, з виникненням сільського господарства, стався нечуваний демографічний вибух. Чисельність населення досягла 26,5 млн. чоловік, а його густота -- одного чоловіка на квадратний кілометр. Безперечно, це була друга технічна революція в історії людства, завдяки якій закладалися основи класової структури суспільства, що збереглася в деяких країнах і до цього часу. Отже, розпочався другий етап в еволюції людського суспільства. Розвиток осілого землеробства спричинив перші істотні антропогенні потрясіння біосфери. Відбулося винищення великих представників фауни, яких пастухи вважали небажаними конкурентами свійських тварин у боротьбі за пасовиська. Однак особливо вплинуло на зміну екосистем землеробство. Лісові біоми спочатку замінювалися пасовиськами, а потім полями сільськогосподарських культур. Ця технологія триває і до нашого часу. Розвиток сільського господарства супроводжується викоріненням рослинного покриву на значних площах і замінюється невеликим числом відібраних людиною видів, які найбільш придатні для харчування. Це призвело до бездумного і невиправданого масового винищення лісів на величезних територіях. Так, тільки в Китаї нині 5 % площі вкрито лісами, тоді як на початку неоліту вони займали не менш як 90 % території. Для сільського господарства відбирається невелике число видів рослин і тварин, що істотно збіднює різноманіття флори і фауни. Багато тварин використовують як тяглову силу. Відбувається значний приріст продуктів харчування за рахунок збільшення продуктивності полів і кількості механічної енергії, яка опиняється в розпорядженні людини.

Запровадження землеробства сприяло веденню осілого способу життя, значному збільшенню густоти населення і утворенню перших поселень -- прообразу міст. Тоді як для мисливця палеоліту для задоволення життєвих потреб була необхідна площа 20 км2, що потребувало значного розосередження населення, землеробу палеоліту було достатньо кількох гектарів землі. Навчившись зберігати зерно, люди змогли створювати запаси їжі і перейшли до осілого способу життя. Невміле використання земель, зрошення непридатних для цього ґрунтів і нищівне випасання на пасовиськах мали катастрофічні наслідки для врожайності землі. Це сприяло перетворенню родючих земель на безплідні пустелі.

Незворотні зміни навколишнього середовища в багатьох районах Землі відбувались аж до початку нашої ери. Нині там, де колись була колиска нашої цивілізації (південь Палестини, північні райони Сирії і Месопотамії до східної частини Ірану) і ще 10 тис. років тому буяли родючі ниви та пасовиська, поступово були винищені ліси, деградували ґрунти й утворилися пустелі.

До недавнього часу, незважаючи на видатні досягнення науки і техніки, майже всі суспільні формації мали спільну економічну основу, яка будувалася на землеробстві. Ні інтенсивна індустріалізація, ні зростання міст істотно не впливали на зміну способу життя. Більшість населення існувала за рахунок сільського господарства. При цьому не змінювався колообіг речовин і енергії. Людина завжди залишалась складовою природних екологічних процесів. З часів зародження землеробства і до середини XIX ст. нашої ери -- третій етап -- екосистема людини ґрунтувалася на використанні земель і обмеженій діяльності ремісників, які використовували головним чином природні ресурси рослинництва і в невеликій кількості -- метали. Людина використовувала дикі прерії, цілинні землі, ліси тощо. Вона споживала плоди дикорослих і декоративних рослин, випасала худобу і полювала на дичину. Це забезпечувало її їжею, одягом, будівельним матеріалом та всім іншим для повсякденного вжитку. Вся продукція вжитку перетворювалась на відходи, які редуценти-деструктори перетворювали на неорганічні речовини (оксид карбону (IV), аміак, метан, водень, гідрогенсульфід, нітрати, сульфати, фосфати та інші мінеральні солі), які знову використовувалися автотрофами-продуцентами. Таким чином здійснювалося самоочищення води, земель та повітря, і колообіг речовин у біосфері не порушувався.

З початку XVIII ст. зроблено багато наукових відкриттів, які зумовили розквіт сучасного промислового суспільства. Були винайдені перші машини, використовувалась нова техніка, що сприяло зростанню промисловості. Запроваджено нові, продуктивніші рослинні культури, що сприяло підвищенню ефективності землеробства й тваринництва. Це привело до стрімкого зростання чисельності населення, яка на початок XIX ст. досягла 1 млрд. чоловік, а його густота -- 6,2 чоловіка на один квадратний кілометр. У другій половині XIX ст. -- четвертий етап -- разом з появою сучасної індустрії зміни стали ще істотнішими. Кількість біоценозів, які використовує людина, значно зменшується. В сільській місцевості вирощують монокультури. Будуються великі міста, знищуються залишки дикої рослинності, ліси й болота, некорисні з погляду людини. Дикі тварини майже повністю витісняються. Отже, катастрофічне зменшується видове різноманіття рослин і тварин, що є однією з основних причин порушення екологічної рівноваги в природі.

Порушується споживально-відтворювальна функція біосфери. Людина споживає більше ресурсів, ніж може їх відтворити природа. Порушується колообіг речовин, оскільки кількість утворюваних людиною відходів не здатні мінералізувати деструктори. Діяльність мікроорганізмів у воді й ґрунті все частіше гальмується токсичними забруднювальними речовинами. В промисловості утворюється значна кількість речовин, які не розкладаються біологічним шляхом. Ці речовини накопичуються в гідросфері, атмосфері й ґрунті, порушуючи функціонування багатьох екосистем. Порушуються біохімічні цикли речовин, колообіг яких людина поповнила багатьма штучними речовинами, не властивими природі.

Значно зростає споживання енергії. Так, у США в 1970 р. на кожного мешканця витрачалося 964 МДж, яку отримували головним чином за рахунок викопного палива. Отже, людина почала використовувати енергію, яку природа накопичувала мільярди років, і протягом одного року спалювала те, що накопичувалося природою впродовж мільйона років. Використання в усе більшій кількості викопного палива спричинило глибокі зміни колообігів вуглецю й сірки та дещо меншою мірою порушило колообіг азоту. Крім того, з літосфери видобувають різні мінеральні речовини для виробництва добрив, металів (залізо, алюміній, титан, цинк, свинець, ртуть та багато інших), які в значних кількостях розсіюються в повітрі, воді та ґрунті.

Саме завдяки використанню концентрованих запасів енергії (вугілля, нафти, природного газу) людина змогла істотно підвищити за останні

1850 р. 1,0

Рис. 2.4 Зміни зростання чисельності населення земної кулі до 2000 р

десятиріччя продуктивність сільського господарства. Механічна тяга (трактори, комбайни, автомобілі) дали змогу використати для сільського господарства величезні площі земель, які раніше були пасовиськами для тяглового скота. Для збільшення продуктивності полів у великих кількостях використовують добрива й пестициди. Для виробництва останніх та для механізованого обробітку землі витрачається багато енергії, отриманої переважно за рахунок викопного палива. Зростання споживання енергії впродовж останнього сторіччя відбувається настільки інтенсивно, що вже постає питання про вичерпність резервів нафти і природного газу. Споживання енергії відбувається за експоненціальним законом. З 1850 р. воно збільшувалось щороку приблизно на 2,5 %, а в 1969 р. -- на 9 %. Отже, до проблем зменшення видового різноманіття рослин і тварин, забруднення біосфери додається не менш важлива проблема виснаження невідновних природних ресурсів. Крім того, ці кризові явища поглиблюються демографічним фактором -- посиленим зростанням населення планети (рис. 2.4). Так, чисельність населення земної кулі в 1999 р. досягла 6 млрд. чоловік, а його густота -- 40 мешканців на один квадратний кілометр. У табл. 2.1 показано, як, починаючи з доісторичної епохи, змінювався час, необхідний для подвоєння чисельності населення планети.

Зважаючи на демографічне зростання, яке спостерігалось у 1969-- 1971 рр., вважають, що в наш час подвоєння чисельності населення відбувається впродовж 32--35 років і десь у 2033 р. вона становитиме близько 12 млрд. чоловік. Про збільшення темпів зростання чисельності населення свідчить також зменшення термінів, необхідних для збільшення населення планети на 1 млрд. (табл. 2.2). З цієї таблиці випливає, що для збільшення населення нашої планети на перший мільярд знадобилося близько одного мільйона років, тоді як для другого -- всього 75 років.

Привертає увагу той факт, що зростання останнього мільярда відбувалося 11 років, що на 2 роки більше від попереднього. А це свідчить

Таблиця 2.1. Час, необхідний для подвоєння чисельності населення

Таблиця 2.2 Час, необхідний для збільшення чисельності населення земної кулі на 1 млрд чол.

про деяке сповільнення темпу зростання чисельності населення в наш час. Тому є надія, що, можливо, чисельність населення стабілізується і становитиме приблизно 10--12 млрд. чоловік. Проте й така кількість населення буде надзвичайно великою. Спостерігається значне перенаселення планети. За цим показником рекорд належить Єгипту, де на площі 35000 км2 (долина Нілу) проживає 35 млн. чоловік, що відповідає густоті населення 1000 мешканців на 1 км2. У Нідерландах, Японії, Індонезії, Бангладеш густота населення становить понад 300 мешканців на 1 км2.

Катастрофічне зростання населення планети може призвести до масового голодування. Вже нині майже кожний четвертий мешканець планети голодує, щороку від голоду помирає близько 20 млн. дітей. У багатьох районах не вистачає питної води. Вирубування лісів, ерозія ґрунтів, катастрофічне забруднення біосфери невпинно супроводжуватимуться вимиранням та зникненням багатьох видів тварин і рослин. А інакше бути не може, оскільки, згідно з законом константності біосфери В. Вернадського, кількість живої речовини в біосфері стала і при збільшенні чисельності людей (одного виду) зменшуватиметься чисельність інших видів.

Якщо люди й надалі споживатимуть більше, аніж продукують природні екосистеми, частиною яких вони є, тобто «з'їдати» не лише відсотки, а й основний капітал, вони будуть приречені на вимирання. Отже, потрібно докорінно змінити своє ставлення до Годувальниці-Природи: брати від неї рівно стільки, щоб не порушити біологічну й екологічну рівновагу, щоб відновні ресурси своєчасно відтворювалися, а невідновні споживалися в мінімальній кількості. Тобто потрібно, щоб споживально-відтворювальна функція біосфери перебувала в оптимумі і сприяла динамічній рівновазі та забезпечувала стійкий гомеостаз глобальної екосистеми -- біосфери.

Наприкінці XX ст. розпочався новий, п'ятий етап в еволюційному розвитку відносин людського суспільства з навколишнім природним середовищем період сталого розвитку. Його можна розглядати як перехідний на шляху побудови ноосферного суспільства.

2.6 НООСФЕРА

Упродовж тривалої еволюції біосфери в ній склалася стійка динамічна рівновага, яка визначалася споживально-відтворювальною функцією, тобто спожиті природні ресурси постійно і своєчасно (в межах одного або кількох вегетаційних періодів) відтворювалися. Це забезпечувало сталість живої речовини в біосфері. З появою гомо сапієнс ця динамічна рівновага природи постійно порушувалася. Однак доки чисельність населення зростала повільними темпами, в природі за рахунок самовідтворення та наявності ще не вичерпаних резервів живої речовини відбувалося відновлення динамічної рівноваги.

З кожним етапом значного зростання чисельності населення все відчутнішими ставали порушення рівноваги в біосфері. Це пояснюється зростанням випереджаючими темпами споживання природних ресурсів, на що вперше у 1798 р. вказав Т. Мальтус. Він стверджував, що чисельність населення нашої планети зростає в геометричній прогресії, а природні ресурси, необхідні для задоволення потреб людства, -- в арифметичній. Отже, голод завжди супроводжував і супроводжуватиме людське суспільство через нестачу природних ресурсів для задоволення його споживчих потреб.

У конкурентній боротьбі за подолання голоду виникали війни й хвороби, що були гальмівними факторами зростання чисельності населення. Чим більшою була чисельність населення, тим жорстокішими й масштабнішими були війни та епідемії різних хвороб. Про це свідчить багатовікова історія людства. Небувалі темпи зростання науково-технічного прогресу дали в розпорядження людству надмогутню термоядерну зброю, яка здатна знищити не лише біосферу, а й саму планету Земля. Тому фактор війни для вирішення конфліктів людства став непридатним. Людство почало розуміти, що для вирішення своїх проблем слід використовувати величезні досягнення науково-технічного прогресу.

Надпотужна техногенна діяльність людства істотно змінює біосферу Землі, яка, за визначенням В. І. Вернадського, перетворюється на ноосферу (грец. «ноос» -- розум), тобто сферу розумного життя. Цей термін запропонував французький філософ Е. Ларуа, а природознавець П. Тейяр де Шарден та В. І. Вернадський наповнили його змістом. Значний внесок у вчення про ноосферу зробив В. І. Вернадський. За сучасними уявленнями, ноосфера це сфера гармонійної взаємодії природи і суспільства, у межах якої розумна діяльність стає головним, вирішальним фактором розвитку біосферних процесів. Особливу роль в усвідомленні свого значення на Землі відіграв вихід людини у відкритий Космос, коли вона побувала на Місяці, запустила космічні апарати на Марс і до Сонця, оволоділа таємницями термоядерної енергії, побудувала космічні станції, навчилася штучно вирощувати організми і клонувати тварин. Могутність людини здається безмежною. Результати її діяльності у деяких випадках прирівнюються до г екологічних сил. Так, випромінювання енергії в радіочастотному діапазоні (на метрових хвилях) наземними передавачами (радіостанції, релейні лінії) більше, ніж те, що Сонце посилає на Землю.

У межах ноосфери нині виокремлюють антропосферу -- сукупність людей як організмів і техносферу -- сукупність штучних об'єктів антропогенної діяльності та природних об'єктів, змінених цією діяльністю. Крім того, виокремлюють ще соціосферу, під якою розуміють сферу суспільної виробничої діяльності, охопленої людською працею. Якщо основою існування біосфери є живлення, головна її функція -- забезпечення колообігу речовин, відносини між компонентами -- трофічні, то для соціосфери цими показниками є відповідно праця, соціальний обмін речовин і суспільні відносини.

Перехід до ноосфери слід вважати ідеальним варіантом майбутнього, в основі якого лежить складний процес гармонізації відносин між біосферою та господарською діяльністю людини. Визначальним чинником має бути не стихія природного розвитку, а високий інтелект людини. Розум і мудрість мають стати гарантом подальшого розвитку. При цьому слід розв'язати конфлікт між циклічним і безвідходним характером біогенних процесів обміну речовин та енергії в біосфері і затратним характером виробництва з його величезними витратами сировини та енергії, тобто забезпечити оптимальні значення споживально-відтворювальної функції.