ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО БИОСФЕРЫ

В основу концепции биосферы положено представление о живом веществе. Более 90 % всего живого вещества приходится на наземную растительность (98 % биомассы суши). Живое вещество - наиболее мощный геохимический и энергетический фактор, ведущая сила планетарного развития. Основной источник биохимической активности организмов — это солнечная энергия, используемая в процессе фотосинтеза зелеными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества. Органическое вещество обеспечивает пищей и энергией остальные организмы. Фотосинтез привел к накоплению в атмосфере свободного кислорода, образованию озонового слоя, защищающего от ультрафиолетового и жесткого космического излучения, он поддерживает современный газовый состав атмосферы. Жизнь на Земле всегда существовала в форме сложно организованных комплексов разнообразных организмов (биоценозов). Вместе с тем живые организмы и среда их обитания образуют целостные системы — биогеоценозы. Питание, дыхание и размножение организмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот вещества и энергии. С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов через живое вещество. Так, весь атмосферный кислород оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ за 300 лет. Большим разнообразием органических и химических соединений характеризуется состав самих организмов. Благодаря живому веществу на планете образовались почвы и органическое минеральное топливо (торф, уголь, возможно даже нефть).

Исследуя процессы миграции атомов в биосфере, В.И. Вернадский подошел к вопросу о генезисе (происхождении) химических элементов в земной коре, а затем и к необходимости объяснить устойчивость соединений, из которых состоят организмы. Анализируя проблему миграции атомов, он пришел к выводу, что нигде не существуют органические соединения, независимые от живого вещества. «Под именем живого вещества, — писал В.И. Вернадский в 1919 г., — я буду подразумевать всю совокупность всех организмов, растительности и животных, в том числе и человека».

Таким образом, живое вещество — совокупность живых организмов биосферы, численно выраженная в элементарном химическом составе, массе и энергии. В 1930-х гг. В.И. Вернадский из общей массы живого вещества выделяет человечество как его особую часть. Такое обособление человека от всего живого стало возможным по трем причинам.

Во-первых, человечество является не производителем, а потребителем биогеохимической энергии. Такой тезис требовал пересмотра геохимических функций живого вещества в биосфере. Во-вторых, масса человечества, исходя из данных демографии, не является постоянным количеством живого вещества. И в-третьих, его геохимические функции характеризуются не массой, а производственной деятельностью.

Если бы человек не выделился из природного животного мира, то его численность была бы порядка 100 тысяч. Такие протолюди жили бы в ограниченном ареале, и их эволюция определялась бы медленными процессами, происходящими в результате популяционно-генетических изменений, характерных для видообразования. Однако с появлением человека произошел качественный скачок в развитии природы на Земле. Есть все основания полагать, что это новое качество связано с разумом и сознанием homo sapiens. Таким образом, главным видовым отличием человека является его разум, и именно благодаря сознанию человечество развивалось своим путем. Это отразилось и на процессе размножения людей, так как для формирования социально зрелых форм сознания требуется длительное время — не менее 20 лет.

Какие же характерные особенности присущи живому веществу? Прежде всего это огромная свободная энергия. В процессе эволюции видов биогенная миграция атомов, т.е. энергия живого вещества биосферы, увеличилась во много раз и продолжает расти, ибо живое вещество перерабатывает энергию солнечных излучений, атомную энергию радиоактивного распада и космическую энергию рассеянных элементов, приходящих из нашей Галактики. Живому веществу присуща также высокая скорость протекания химических реакций по сравнению с веществом неживым, где похожие процессы идут в тысячи и миллионы раз медленнее. К примеру, некоторые гусеницы в сутки могут переработать пищи в 200 раз больше, чем весят сами, а одна синица за день съедает столько гусениц, сколько весит сама.

Для живого вещества характерно то, что слагающие его химические соединения. главнейшими из которых являются белки, устойчивы только в живых организмах. После завершения процесса жизнедеятельности исходные живые органические вещества разлагаются до химических составных частей.

Живое вещество существует на планете в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему вновь образовавшееся поколение генетически связано с живым веществом прошлых эпох. Это главная структурная единица биосферы, определяющая все другие процессы поверхности земной коры. Для живого вещества характерно наличие эволюционного процесса. Генетическая информация любого организма зашифрована в каждой его клетке. Этим клеткам изначально предначертано быть самими собой, за исключением яйцеклетки, из которой развивается целый организм. Таким образом, живое вещество по сути бессмертно.

В.И. Вернадский отмечал, что живое вещество неотделимо от биосферы, является ее функцией и одновременно «одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты». Круговорот веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Эти циклы и круговорот обеспечивают важнейшие функции живого вещества в целом. Ученый выделил пять таких функций:

1)    Газовая функция - осуществляется зелеными растениями, выделяющими кислород в процессе фотосинтеза, а также всеми растениями и животными, выделяющими углекислый газ в результате дыхания;

2)    Концентрационная функция - проявляется в способности живых организмов накапливать в своих телах многие химические элементы (на первом месте — углерод, среди металлов — кальций);

3)    Окислительно-восстановительная функция - выражается в химических превращениях веществ в процессе жизнедеятельности. В результате образуются соли, окислы, новые вещества. С данной функцией связано формирование железных и марганцевых руд, известняков и т.п.;

4)    Биохимическая функция - определяется как размножение, рост и перемещение в пространстве живого вещества. Все это приводит к круговороту химических элементов в природе, их биогенной миграции;

5)    Функция биогеохимической деятельности человека - связана с биогенной миграцией атомов, многократно усиливающейся под влиянием хозяйственной деятельности человека. Человек разрабатывает и использует для своих нужд большое количество веществ земной коры, в том числе таких, как уголь, газ, нефть, торф, сланцы, многие руды. Одновременно происходит антропогенное поступление в биосферу чужеродных веществ, причем в количествах, превышающих допустимое значение. Это привело к кризисному противостоянию человека и природы. Главной причиной надвигающегося экологического кризиса считается технократическая концепция, рассматривающая биосферу, с одной стороны, как источник физических ресурсов, с другой — как сточную трубу для удаления отходов.

6)    Деструктивная — разрушение организмами и продук­тами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты (деструкторы) — сапротрофные грибы и бактерии.

7)    Транспортная — перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Такой перенос мо­жет осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения).

8)    Средообразующая — преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является в значительной мере интегральной — представляет собой результат совместного действия других функций. Она имеет разные масштабы проявления. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры. К средообразующим свойствам растительного покрова относятся: создание микроклимата, очистка воздуха и вод от загрязняющих веществ, усиление питания грунтовых вод, защита почв от эрозии и т.п.

9)    Рассеивающая — функция, противоположная концентрационной — рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п. Железо гемо­глобина крови рассеивается кровососущими насекомыми,

10)  Информационная — накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных Структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.
10. Биогеохимическая деятельность человека — превра­щение и перемещение веществ биосферы в результате челове­ческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд чело­века. Например, использование концентраторов углерода— нефти, угля, газа и др.

1. Свойства и функции живого вещества
   
   К основным уникальным особенностям живого вещества, обусловливающим его крайне высокую преобразующую дея­тельность, можно отнести следующие (по Н.А. Воронкову, 1997).
2. Способность быстро занимать (осваивать) все свобод­ное пространство. В.И. Вернадский назвал это всюдностью жизни. Данное свойство дало основание В.И. Вернадскому сде­лать вывод, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным (кон­стантой). Способность быстрого освоения пространства связа­на как с интенсивным размножением (некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за не сколько часов или дней, если бы не было факторов, сдержива­ющих их потенциальные возможности размножения) так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ. Например, пло­щадь листьев растений, произрастающих на 1 га, составляет 8—10 га и более. То же относится к корневым системам.
3. Движение не только пассивное, но и активное, т.е. не только под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п., но и против течения воды, силы тяжести, движения Воз­душных потоков и т.п.
4. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты веществ). Благодаря само­регуляции живые организмы способны поддерживать постоянный химический состав и условия внутренней среды, несмот­ря на значительные изменения условий внешней среды. После смерти эта способность утрачивается, а органические остатки очень быстро разрушаются. Образовавшиеся органические и неорганические вещества включаются в круговороты.

4.     Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим пара­ метрам условий. Например, некоторые организмы переносят температуры, близкие к значениям абсолютного нуля -273°С, микроорганизмы встречаются в термальных источниках с температурами до 140°С, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде, в ледовых панцирях и т. п.

5.     Феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков значительнее, чем в неживом ве­ществе. Об этом свойстве можно судить но скорости перера­ботки вещества организмами в процессе жизнедеятельности. Например, гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количество пищи, которое в 100—200 раз больше веса их тела. Дождевые черви (масса их тел примерно в 10 раз больше био­массы всего человечества) за 150—200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы. По представлениям В.И.Вернадского, практически все осадочные породы, а это слой до 3 км, на 95-99% переработаны живыми организмами. 

6.     Высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет.8 лет, при этом для суши — 14 лет, а для океана, где преобладают орга­низмы с коротким периодом жизни (например, планктон), — 33 дня. В результате высокой скорости обновления живого ве­щества за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли. Только небольшая часть его (доли процента) законсервирована в виде органических остат­ков (по выражению В.И. Вернадского, ушла в геологию), ос­тальная же включилась в процессы круговорота.

Специфические свойства и особенности живого вещества:

• Живое вещество биосферы характеризуется большим запасом энергии.
• Резкое различие между живым и неживым веществом наблюдается в скорости протекания химических реакций (в живом веществе реакции идут в тысячи, а иногда в миллионы раз быстрее).
• Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения - белки, ферменты и др. - устойчивы только в живых организмах.
• Произвольное движение, в значительной степени саморегулируемое, является общим признаком всякого живого вещества в биосфере.
• Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Известно свыше
  2 млн. органических соединений, входящих в состав живого вещества, в то время, как количество природных соединений (минералов) неживого вещества составляет около 2 тыс., т. е. на три порядка меньше.
• Живое вещество представлено в биосфере в виде индивидуальных организмов, размеры которых колеблются в огромных пределах. Величина самых мелких вирусов не превышает 20 нм (1 нм = 10-9м), самые крупные животные - киты - достигают 33 м в длину, самое большое растение - секвойя - 100 м в высоту.

Все перечисленные и другие свойства живого вещества обус­ловливаются концентрацией в нем больших запасов энергии. По В.И. Вернадскому, по энергетической насыщенности с жи­вым веществом может соперничать только лава, образующая­ся при извержении вулканов.

Центральное звено в концепции Вернадского о биосфере — представление о живом веществе как огромной геологической (биогеохимической) силе. Живое вещество обеспечивает био­геохимический круговорот веществ и превращение энергии в биосфере. Выделяют следующие основные геохимические фун­кции живого вещества:
 

1. Энергетическая (биохимическая) — связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе и последу­ющее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятель­ности организмов. Основной источник биогеохимической ак­тивности организмов — солнечная энергия, используемая в процессе фотосинтеза зелеными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества, обес­печивающего пищей и энергией все остальные организмы.

2.      Газовая — способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в це­лом. В частности, включение углерода в процессы фотосинте­за, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т.п.). В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси, в атмосфе­ре с десятков процентов до современных 0,03 %. Это же отно­сится к накоплению в атмосфере кислорода, образованию озо­на и другим процессам. С газовой функцией живого вещества связаны два переломных периода (точки) в развитии биосфе­ры. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1 % от современно­го уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода достигла примерно 10 % от современной (вторая точка Пасте­ра). Это создало условия для синтеза озона и образования озо­нового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило воз­можность освоения организмами суши (до этого функцию за­щиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой возможна была жизнь).

3.      Концентрационная — «захват» из окружающей среды живыми организмами л накопление в них атомов биогенных химических элементов. Питание, дыхание и размножение орга­низмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный кру­говорот вещества и энергии. С этим круговоротом связана миг­рация атомов химических элементов (прежде всего биогенных— С, Н, О, N, P, S, Fe, Mg, Ca, Na, К, Mo, Mn, Cu, Zn и др.). В ходе биогеохимических циклов атомы большинства химичес­ких элементов проходили через живое вещество бесчисленное число раз. Так, например, весь кислород атмосферы оборачи­вается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ — за 200 (300) лет, а вся вода биосферы — за 2 млн. лет. Разные организмы в разной степени способны аккумулировать из сре­ды обитания различные элементы, например, железобактерии накапливают железо; простейшие, фораминиферы, а также многие моллюски и кишечнополостные — кальций; хвощи, диатомовые водоросли, радиолярии идр. — кремний; губки — йод; асцидии — ванадий, и т.д. Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Со­держание марганца в некоторых бактериях может быть в мил­лионы раз больше, чем в окружающей среде. Результат кон­центрационной деятельности живого вещества— образование залежей горючих ископаемых, известняков, рудных месторож­дений и т.п.

4.     Окислительно-восстановительная — окисление и восстановление различных веществ с помощью живых организ­мов. Под влиянием живых организмов происходит интенсив­ная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, Сг, S, P, N, W), создаются их новые соединения, про­исходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п.

5.     Деструктивная — разрушение организмами и продук­тами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты (деструкторы) — сапротрофные грибы и бактерии.

6.     Транспортная — перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Такой перенос мо­жет осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения).

7.                Средообразующая — преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является в значительной мере интегральной — представляет собой результат совместного действия других функций. Она имеет разные масштабы проявления. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры. К средообразующим свойствам растительного покрова относятся: создание микроклимата, очистка воздуха и вод от загрязняющих веществ, усиление питания грунтовых вод, защита почв от эрозии и т.п.

8.                 Рассеивающая — функция, противоположная концентрационной — рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п. Железо гемо­глобина крови рассеивается кровососущими насекомыми,

9.                 Информационная — накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных Структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

10.             Биогеохимическая деятельность человека — превра­щение и перемещение веществ биосферы в результате челове­ческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд чело­века. Например, использование концентраторов углерода— нефти, угля, газа и др.