Характеристика и функции живого вещества

 

Под живым веществом понимается совокупность массы всех организмов, населяющих в тот или иной момент нашу планету. Живое вещество характеризуется количественно массой, химическим составом, геохимической энергией. Важнейшим свойством живого вещества является способность к воспроизводству и распространению на планете. Все вещества и энергию, необходимые для жизнедеятельности, организмы получают из окружающей среды.

Биосфера представляет собой открытую термодинамическую систему, через которую проходит поток энергии от Солнца. Зеленые растения аккумулируют солнечную энергию, превращают ее в химическую и обеспечивают существование жизни на Земле. Живые организмы принимают участие в перераспределении химических элементов, образовании горных пород и минералов, выполняют особые функции: энергетическую, газовую (газообменную), концентрационную, окислительно-восстановительную, биохимическую, функцию созидания (синтеза) и разрушения (распада) и другие.

Энергетическая функция живого вещества – основная планетарная функция биосферы. Она заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. В основе этой функции лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, в процессе которой происходит аккумуляция солнечной энергии и ее перераспределение между отдельными компонентами биосферы. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле.

Одной из важнейших функций живого вещества является газовая функция, заключающаяся в динамике и трансформации газов в биосфере. Известно, что в процессе фотосинтеза потребляется углекислый газ и выделяется кислород, который обогащает нашу планету. В настоящее время весь кислород в свободном и связанном состоянии имеет биогенное происхождение. В процессе дыхания происходит поглощение кислорода и выделение углекислого газа, как конечного продукта окислительного процесса, присущего живой системе. В большом количестве выдыхаются пары воды. С деятельностью бактерий связан круговорот азота. В процессе газового метаболизма могут выделяться сероводород (при неполном окислении органических веществ), метан, другие газы.

 

Концентрационная функция связана с накоплением в живых организмах разных химических элементов: углерода, водорода, азота, кислорода, кальция, калия, кремния, фосфора, магния, серы, хлора, натрия, железа, алюминия. Отдельные виды являются специфическими концентраторами некоторых элементов: морская капуста (ламинария) – йода, лютики – лития, ряска – радия, диатомовые водоросли и злаки – кремния, моллюски и ракообразные – меди, позвоночные – железа, бактерии – марганца и т. д. Результатом концентрационной функции в масштабах биосферы является накопление залежей полезных ископаемых (известняка, туфа, торфа, каменного угля, мергеля, др.). Живые организмы способны накапливать определенные химические элементы и соединения таким образом, что если в окружающей среде концентрацию элемента принять за единицу, то на первом пищевом уровне – у фотосинтезирующих организмов – она возрастет в 10 раз, на следующих уровнях – у растительноядных форм (фитофагов) и хищников – в 100, 1000 и более раз. В результате концентрации элементов по пищевым уровням они из безвредных в окружающей среде могут стать токсичными. Этим объясняется тот факт, что хищники высокого ранга – орлы, лососи, щуки, др. в пищевых цепях подвержены большим опасностям.

Окислительно-восстановительные функции и реакции лежат в основе всякого биологического метаболизма. Эта функция крайне важна для истории многих элементов, подвергавшихся окислению и восстановлению (прежде всего для соединений железа, серы, марганца, а также азота, меди, селена, урана, кобальта, ванадия, молибдена и др.).

Одной из функций является биохимическая. С ней В. И. Вернадский связывал такие явления, как рост, размножение, перемещение живых организмов. Все эти явления имеют существенное геологическое значение, так как приводят к быстрому расселению живых организмов – «давлению жизни».

Жизнь организмов – это непрекращающийся синтез и распад органических веществ. На разных этапах развития биосферы соотношение процессов данной функции менялось. В момент возникновения биосферы, когда природа была молода, созидание преобладало над разрушением, из первичной атмосферы были изъяты в большом количестве метан, сероводород, углекислый газ, а концентрация свободного кислорода, отсутствовавшего прежде, была доведена до нынешней (21%). При достижении расцвета теплокровных животных в биосфере это неравенство перешло в относительное равновесие. В этот период появился и человек. С момента расцвета промышленности до настоящего времени процессы разрушения стали преобладать над созиданием.

В наше время особое значение приобретает еще одна функция живого – биогеохимическая деятельность человечества. Анализируя эту функцию, В. И. Вернадский фактически первым четко сформулировал концепцию комплексного воздействия человечества на лик Земли, что значительно позже стали называть антропогенным (антропическим) воздействием на окружающую среду.

В основу учения о биосфере положены важные принципы о существующих в природе взаимосвязях. Эти взаимосвязи долгое время не учитывались человеком в его деятельности. Ф. Энгельс в книге «Диалектика природы» писал: «Людям, которые в Месопотамии, Греции, Малой Азии, других местах выкорчевывали леса, чтобы получить таким путем пахотную землю, и не снилось, что они этим положили начало нынешнему запустению этих стран, лишив их, вместе с лесами, центров скопления и сохранения влаги. Когда альпийские итальянцы вырубали на южном склоне гор хвойные леса, так заботливо охраняемые на северном, они не предвидели, что этим подрезают корни высокогорного скотоводства в своей области; еще меньше они предвидели, что этим они на большую часть года оставят без воды свои горные источники, с тем чтобы в период дождей эти источники могли изливать на равнину тем более бешеные потоки».

Чтобы выявить существующие в природе взаимосвязи, часто требуются длительные наблюдения. Это обусловлено медленностью процессов взаимодействия и многочисленностью звеньев цепи в элементах природы. Сведения о существующих в природе взаимосвязях постепенно накапливались, и в конце 19 века появились глубокие обобщения. В. В. Докучаев в работе «Учение о зонах природы», других работах заложил основы комплексной науки, предметом которой стала та вековечная и закономерная связь, какая существует между силами, телами и явлениями природы. Согласно этому учению, к природе следует подходить как к единому целому, как к комплексу, все части которого тесно связаны друг с другом. Изменения хотя бы одного из элементов этого комплекса вызывают изменения в других его частях и, как следствие, комплекса в целом. Данные положения составляют основу закона о всеобщей взаимосвязи и взаимозависимости предметов и явлений в природе. Взаимосвязь явлений и предметов служит основой равновесия, устойчивости биосферы. В основе взаимосвязи элементов природы лежит миграция химических элементов всех сред. Миграция химических элементов в биосфере связана с жизнедеятельностью живых организмов – их дыханием, питанием, размножением, смертью и разложением. Ведущее значение имеет миграция элементов, связанная с образованием растительного покрова и разложением мертвых остатков организмов, т. е. обмен веществ между живыми организмами и средой обитания. Живые организмы являются главным фактором миграции химических элементов. В. И. Вернадский отмечал, что на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а поэтому более могущественной по своим конечным последствиям, чем организмы, взятые в целом. Захватывая энергию Солнца, живое вещество создает химические соединения, при распадении которых эта энергия освобождается в форме, могущей производить химическую работу. Благодаря деятельности организмов образуются почва и кора выветривания, формируется химический состав подземных и поверхностных вод, определяется состав атмосферы.

 

В процесс обмена веществ между живыми организмами и их средой активно вовлечены химические элементы и соединения атмосферы (углекислый газ, вода, кислород, азот) и литосферы (кальций, магний, калий, кремний, железо, алюминий, фосфор и др.). В общем, миграция химических элементов определяется двумя противоположными процессами:

1 Образованием живого вещества из элементов окружающей среды за счет солнечной энергии.

2 Разрушением органических веществ, сопровождающихся выделением энергии, в результате чего элементы переходят из органических соединений в минеральные.

Эти процессы протекают многократно и в совокупности образуют круговорот веществ в природе. Круговорот веществ есть многократно (бесконечно) повторяющийся процесс совместного, взаимосвязанного превращения и перемещения веществ в природе. Например, весь кислород планеты – продукт фотосинтеза зеленых растений обновляется через каждые 2000 лет, углекислый газ – через 300 лет, вода – 2 млн. лет. Выделяют (М. М. Камшилов, 1974) большой, или геологический круговорот, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, или биологический. Последний развивается на основе большого абиотического, используя его особенности.

Итак, миграция химических элементов и круговорот веществ лежат в основе существующих в природе взаимосвязей.