Биосфераның химиялық құрамы

Биосфераның химиялық құрамы

Сырттай қарағанда тірі организмдер  мен өлі табиғат ресурстарында  үлкен айырмашылық бар деп  ойлауға болады. Зерттеп қараған  кезде олардың бірінсіз бірінің  тіршілігі жоқ екнін көрсетеді. Қайта олар бір-бірімен жан-жақты  және тығыз байланыста болатыны анықталды. Айналаны қоршаған өлі атмосфераның ресурсынсыз өмір сүре алмайды, себебі ол айналаны қоршаған ортаға да терең  экологиялық және биологиялық өзгерістер енгізеді. Тірі ағзалар топырақтың қара шірігін құраушы, тіпті топырақтың негізін құрайтын негізгі фактор болып есептелінеді. Топырақ өлі  дене емес. Ол – тіршілік ортасы. Жерді  қоршаған атмосфера, бір жағынан, тіршілік ортасы болса, екіншіден, оның қазіргі  физикалық құрамы тірі ағзалардың әректі арқылы пайда болған.

Жер бетін мекендейтін  бүкіл тірі организмдердің жиынтығы өмір сүретін ортасымен қосыла отырып, өзгеше қабат биосфераны құрайды.

В.И.Вернадский биосферадағы тіршілік үрдістерін жан-жақты зерттей  келе биохимиялық элементтердің  бір тобын «тірі заттар», екінші тобы биогенді, үшіншісін – биокосты, сирек кездесетін элементтер деп  бірнеше категорияларға бөлді.

Биогенді заттарға сутек, оттек, көміртек, азот, фосфор және күкірт жататынын В.И.Вернадский анықтап  берді. Ол геохимик және минералог еді. Биогенді элементтердің атомы тірі ағзалардың денесінде күрделі биорганикалық  қосылыстар жасап, көмірсулар, жоғары молекулалы заттар-белоктар, нуклеин  қышқылдар-дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНК), рибонуклеин қышқылы (РНҚ), липиттерді синтездейді.

Бұл биохимиялық қосылыстар биосферадағы тірі организмдердің негізгі  құрамы тіршілік тірегі.

В.И.Вернадский биосфераның  пайда болу, даму және қазіргі кездегі  жағдайында тірі заттардың рөлін  өте жоғары бағалады. Ол «Жердің  сыртқы қабатында үнемі өзгеріс  енгізетін тірі организмдерден басқа  құдіретті химиялық күш жоқ» деп  жазды өзінің «Биосфера» атты еңбегінде. Әсіресе тірі организмдер оған қоса адамзат баласының іс- әрекеттерінің  биосфера шетіндегі биогеохимиялық фактор ретіндегі рөлін бағалай  келіп биосфера өзін-өзі реттеп отыратын биологиялық-экологиялық және химиялық жүйе екенін дәлелдейді. Бір сөзбен айтқанда біздің жер деп аталатын планетамыздағы ең жоғарғы сатыдағы өсіп-дамыған жер бетіндегі барлық тіршілікті жүргізуші ұлы күш. Сондықтан  да жер бетіндегі неше түрлі құбылыстар осы тірі ағзалармен байланысты екенін толық түсіндіре білді. Шынына келетін  болсақ, тірі ағзалар ғарыштық энергияны  биосферадағы химиялық элементтер мен  қосылыстардың миграциясы болып  табылады. Бұл үрдістер биосферадағы зат және энергия айналымдарымен шектеліп, биосфера шегіндегі бүкіл  дүние жүзілік зат пен энергияның алмасып отыратынына ең себепші  құдіретті қозғаушы күш.

Биосфера құрылысы

Алғашқы кезде проблема биосфералардағы  зат пен энергия айналымының  қалдықсыз жүруі нәтижесінде  биосфера деп аталатын айналаны қоршаған ортада, тіршілікке қажетсіз ешқандай басы артық зат синтезделінбейді. Олар үнемі өзгеріп, бір түрден екінші түрге айналып отырады. Өмірге қауіптісі  жойылып кетіп, пайдйлылары қалады, сөйтіп биосфера өзін-өзі тазартып отырады. Биосферадағы барлық тіршіліктің  ең қозғаушы күші – күн сәулесі.

Биосфераға күннен секундына 1.1.1025 калория энергия келіп сіңеді, оның 42 процентін биосфераның әлемдік  кеңістігіне тарайды да, ал қалған 57 пайызын өз бойында сақтайды. 1 пайыз энергия өсімдіктерге жиналады. Бұл энергия жердің жасыл желегінде  болатын фотосинтез үрдісіне жұмсалады. Күн сәулесіне кейінірек тоқталамыз.

В.И.Вернадский биосферадағы зат және энергия айналымдарының тұрақты өсіп-даму үрдісіндегі адамзат  баласының рөліне ерекше көңіл аударады.

В.И.Вернадскийдің дәлелдеуінше адамзат баласы теңдесі жоқ биосферадағы ең қуатты геологиялық күш екенін айтады. Келешектегі, яғни ХХІ ғасырдағы  биосфераның тағдыры адамзат  баласының ақыл ойының сапасында  немесе деңгейінде екенін болжай келе В.И.Вернадский өзінің өте маңызды  теорияларының бірі – беогеохимиялық концепцияларын дүниеге келтірді. Сөйтіп, ноосфера ғылымының негізін қалады. Ол – биосфераның жаңа тұрғыдағы  ұғымы мен сипаты – ноосфера туралы гипотезалар жасады.

Академик В.И.Вернадский өзінің 1944 жылы жазған ғылыми еңбегінде:«Болашақ планетаның ұсқыны мен тыныс тіршілігі  адамзат баласының ақыл ойы мен  парасатына байланысты өсіп дамиды және тәуелді болады. Ең бастысы адамзат  баласының саналы ақыл-ойының нәтижесіне байланысты биосфера тағдыры шешіледі», - деп көрсеткен еді. Шынына келетін  болсақ, қазіргі биосфераның тұрақтылығы  тек адамзат баласының қолында  екенін әрбір саналы және сауатты  адамзат баласы жақсы білуі тиіс. Ешбір дәйекті сөздерді қажет  етпейтін ұлы қағида.

Биосфера – грекше биос - өмір және тіршілік, «Sphaira» (сфера) шар, қоршаған орта деген сөздерінен алынған, яғни жер шарындағы адамзаттың, жан-жануарлардың, өсімдіктердің және басқа тірі организмдердің тіршілік ететін ортасы деген мағына береді.

Бұл терминді 1875 жылы бірінші  рет Австрияның атақты геологы Э.Зюсс ғылымға енгізді. Бірақ биосфера және оның жер бетінде жүріп жатқан процестері туралы ілімнің негізін  салған академик В.И.Вернадский болды. Осы ілім бойынша, биосфера +50 градустан  – 50 градусқа дейін температурасы  болатын термодинамикалық қабат  болып саналады.

Биосфера негізінен үш қабаттан құралады. Олар: атмосфера (газ  күйіндегі), гидросфера (су), литосфера (қатты) қабаттар.

Атмосфера – жер шарын түгелдей орап тұрады. Ол гректің «atmos» - бу, «sphaira» (сфера) сөзінен шыққан. Оның қалыңдығы 100 километрге дейін жетеді. Атмосфераның негізгі құрамында оттегі (20,95%), яғни 1,5*10¹⁵ тонна аргон (1,28%), азот(75,50%), яғни 3,8*10¹² тонна және басқадай газдар кездеседі.

Атмосфера негізінен –  тропосфера, стратосфера және ионосфера  қабаттары болып үшке бөлінеді.

Тропосфера – грекше «tropos» (тропос) – бұрылысы, «sphaira» (сфера) – шар. Қазақша өзгермелі қабат деген мағына береді. Ол атмосфераның жер бетіне тікелей жайласқан төменгі тығыз қабаты. Оның орташа биіктігі 10-12 километрге дейін жетеді.

Стратосфера – латынша «stratum» - (төсем), «sphaira» (сфера) – шар, теңіз деңгейінен 9-11 км жоғары жататын атмосфера қабаты. Мұнда ылғал жоқ. Бұлт та болмайды. Ал температура 30 километрге дейін бірқалыпты болады да, бірақ биіктік артқан сайын (30-35 километрден әрі қарай) температура төмендей береді. 20-25 километр биіктікте озон мол кездеседі. Ол күннің әсірекүлгін сәулелерін өте көп сіңіреді. Өйтпеген жағдайда тірі организмдер түгелімен қырылып қалар еді.

Ионосфера – гректің «ion» қозғалғыш қабат деген сөзінен алынған. Оның қалыңдығы 800 километрге дейін жетеді. Бұл орта тропосфера сияқты көбінесе оттегі мен азоттан құралады.

Ионосферада газдардың тек  жекелеген молекулалары, иондары  мен атомдары ғана кездеседі. Олардың  тығзыдығы жер бетіне таяу қабаттағы  ауаның тығыздығынан миллион есе  кем келеді. Спутниктер мен ракеталардың көмегімен жүргізілген зерттеулердің  нәтижелері ауаның жоғары шекарасы жер  бетінен 20 мың километр биіктікке  дейін тарайтынын анықтады.

Көпке дейін ғалымдар ауаның массасын білмей келді. Ауаның массасы 5,27*10¹⁵ тонна, яғни 5 мың триллион тонна. Осы көрсетілген мөлшерге сәйкес мынадай құбылысты мысалға келтіре кетейік. Ауа адамның алақанына 150 килограмм салмақпен әсер етеді. Ол барлық денеге 15 тоннадан артық күш түсіреді. Шын мәнінде адамдар осыншама салмақтың басып тұрғанын сезбейді. Өйткені адамның денесі ауаның қысымына үйреніп кеткен. Бұл – табиғи құбылыс. Ауа қысымы сәл ғана азайса біздің көңіл күйіміз төмендеп, тамыр соғу жиілейді, әлсіздік пайда болады. Сезім мүшелерінің қызметі нашарлайды және тағы басқа қолайсыз құбылыстар туады.

Ауа күн сәулесінен келетін  жарықты шашыратып, реттеп отырады. Егер ауа қабаты болмаса сөйлеген сөзді, ағаштың сыбдырын, желдің ызыңын, құстардың дыбысын біз ести алмаған  болар едік.

Гидросфера – табиғи су қоймаларынан (мұхиттардан, теңіздерден, көлдерден, өзендерден) құралады. Бұлар құрлықтың 70 процентін алып жатыр. Гидросфераның көлемі 400 миллион шаршы километр.

Литосфера – Жердің қатты қабаты. Ол екі қабаттан құралған. Үстіңгі қабаты граниттен, оның қалыңдығы 10 километрден 40 километрге дейін жетеді. Ал астыңғысы базальттан тұрады. Қалыңдығы 30-80 километрдей. Жоғарыда айтылғандай минералды қабаттардан басқа жерді тағы бір ерекше қабат – биосфера қоршап тұрады. Ол тірі организмдер тараған аймақтардың бәрін қамтиды. Биосфераның пайда болуымен бірге, жер бетінде тірі организмдер өсіп-өніп, сыртқы қоршаған ортаның эволюциялық дамуына сәйкес қалыптасады. Биосфера теңіз деңгейінен бастап, тау жоталарының шыңдарына дейін бүкіл құрғақ жерді алып жатыр. Өсімдіктер әлемі мен жан-жануарлар дүниесінің кейбір түрлері жердің ең биік нүктесіне дейін таралған. Мысалы, шау қарға дейтін дала құсының бір түрі Эверестің (Гималай тауының) басында 8 километрге жететін шыңдарда тіршілік етеді. Сол жер оның атам заманнан бергі табиғи мекені.

Атмосферадағы биосфераның  жоғары шегі 20 километр биіктікке дейін  жетеді. Онда микробтардың споралары (өршігіш  тұқымы) кездеседі. Бактериялар атмосфералардың  озон қабатында да өсіп-өнеді. Озон қабаты 20-25 километр биіктікте кездеседі. Ол жерді қоршаған экран сияқты. Адам баласына, жануарлар дүниесіне  зиян келтіретін космостық және күннің әсірекүлгін сәулелерінің осы озон қабаты тұтып қалады. Биосферада мол  кездесетін микроорганизмдер жер бетінен 50-70 метрге дейінгі биіктікке ғана тарайды.

Литосферадағы биосфераның  төменгі шегі 2000-3000 метрге дейін  тереңдікке жетеді. Олар анаэробты  бактериялар. Жердің 6-8 метр төменгі  қабатында микроорганизмдер мол  болады. Гидросферадағы биосфераның  шегі 11 километрге дейінгі тереңдікке жетеді. Тынық мұхиттың терең қойнауы 11 километрден асатынын білеміз. Теңіз  жануарлары және өсімдіктері (қызыл, жасыл, қоңыр балдырлар) үшін су өте қолайлы  орта. Ол таза, мөлдір болғандықтан күн  сәулесі оның 200 метр тереңдігіне  дейін тарайды. Бұдан кейінгі  судың қабаттарын мәңгілік қараңғылық басып тұрады. Мұндай қабаттарда да тіршілік ететін организмдер болады.

Ноосфера

Биосфераның ең жоғарғы даму стадиясы ноосфера болып есептеледі.

Ноосфера (грек сөзі – noos – ой, «sphaira» - шар, сфера) ақыл-ой сферасы. Алғаш рет бұл ғылыми терминді француз мемлекетінің математигі Э.Леруа, П.Тейяр де Шарден (1927) биология ғылымына енгізген болатын. Ол биосфераның жаңа тұрғыдағы ұғымы мен сипаты – ноосфера туралы болжамдар жасады.

Ақыл-ой сферасы екенін адам әрі қарай ғылыми зерттеулер жүргізген  ғалымдар В.И.Вернадский, Э.Леруа, Т.Шарден. Олардың ойлары бойынша, адамның  ақыл-ойы мемлекеттер саясаты, ғылыми жетістігі т.б. адамзат баласының  биік адамгершілік деңгейі биосфера мен қоғамның гармониялық дамуын жүзеге асыратын – ноосфера деген  үзілді-кесілді тұжырым жасаған.

Биосфера қалай  пайда болған?

Биосфера бірден пайда  болған жоқ. Ол өте көне заманнан бері қарай күні бүгінге дейін біртіндеп  дамып келеді. Биосфераның ертеден  бері қарай құралып келе жатқанын дәлелдейтін палеонтологиялық материалдар  қарапайым тірі организмдердің қалдықтары жер қыртысының әрбір қабаттарынан табылады. Осы қабаттарға сүйене отырып, ғалымдар биосфераның негізгі пайда болу жолдарын анықтады.

Олар бірнеше дәуірден тұрады. Биосфераның даму кезеңдері 2-кестеде көрсетілген.

Биосфераның ең бірінші заманы архей деп аталады.  Бұл кезде биосфера қандай жағдайда дамығаны және қандай тірі организмдер болғаны туралы ешқандай деректер жоқ. Тек қана қарапайым тіршіліктің түрі болған ғой деп ғалымдар топшылайды.

Протерозой эрасы  – биосфераның екінші дәуірі болып есептеледі. Бұл заман 700 миллион жыл бойына созылған. Протерозойда тірі организмдердің қарапайым түрлері тіршілік еткен. Олардың сол дәуірде тасқа жабысқан қалдықтары әр түрлі тау жыныстарынан қазіргі кезде де байқалады. Протерозой дәуірінде биосфера қандай жағдайда болғанын ғалымдар толық білмейді. Ол туралы нақты деректер жоқ.

Биосфераның Палеозой эрасы немесе ертедегі тіршілік кезеңі. Бұл дәуір шамамен алғанда бұдан 570 миллион жыл бұрын басталып, 300 миллион жылға созылған. Бұл эра кембрий, ордовик, силур, девон, карбон және пермь дәуірлері болып бірнешеге бөлінеді.

Кембрий дәуірінде барлық өсімдіктер теңіз суларында өскен. Олар көк жасыл балдырлар болатын. Олардан құрлыққа бейімделген өсімдіктер өсе бастады. Тек қана силур кезеңінде  өсімдіктер құрлыққа біртіндеп шыға бастап, дами түсті. Бұл уақыттағы  өсімдіктердің ең бастысы – псилофиттер  болған. Балдырларға қарағанда олар жоғары дәрежеде дамыған өсімдіктердің  түрі еді. Псилофиттердің жер астындағы  бөлігінде тамыр сабаққа ұқсас  резиодтары болды. Псилофиттердің сыртын эпидермис қаптап тұрған. Мұның клеткаларының  аралығында устьицалар (саңырауқұлақтар) орналасқан. Бірсыпыра псилофиттердің ұзындығы  1,5-2 метрге дейін жеткен. Ал кейбір түрлерінің, мысалы, риния  мен хорнеяның биіктігі 20-40 сантиметрдей ғана болған. Олар батпақты жерлерде өскен. Псилофиттердің ішінен астероксилон ерекше назар аударады. Оның жер бетіндегі  органдарын (сабақтарын, жапырақтарын) алсақ өте үлкен көлемде дамыған. Дегенмен оларда тамыр жүйелері. өткізгіш системасы болмады. Тамыр қызметін атқаратын резиодтары болған. Астероксилондар  бұтақтанып өскен. Псилофиттердің күшті  дамуына әсер еткен алғашқы топырақ  және ылғал болды. Сондай-ақ бактериялардың, балдырлардың және қарапайымдардың (бір  клеткалылардың) әрекеттері ерекше еді. Мұндағы бір ғажайып жай, псилофиттер  саңырауқұлақтармен симбиоз жасап  өткені белгілі. Псилофиттер 20-30 миллион  жылдай өмір сүрді деп топшылайды ғалымдар.