Понятие о живом веществе и биосфере

 

Целью, которую поставил перед собой В.И. Вернадский, стало изучение влияния живых организмов на окружающую среду. Этим вопросом, в отличие от изучения воздействия среды на живые организмы, до сих пор не занимался никто. Разумеется, заметить такое воздействие со стороны отдельного организма практически невозможно. Оно становится заметным только при рассмотрении большого числа живых существ. Поэтому Вернадский ввел понятие «живого вещества» как совокупности всех живых организмов планеты, включая человека. Тем самым он вышел на качественно новый уровень анализа жизни и живого – биосферный уровень. Это дало возможность понимать жизнь как могучую геологическую силу нашей планеты, действенно формирующую облик Земли. В функциональном плане живое вещество становилось тем звеном, которое соединяло историю химических элементов с эволюцией биосферы. Введение данного понятия также позволило поставить и решить вопрос о механизмах геологической активности живого вещества и источниках энергии для этого.

Взаимодействие живого вещества планеты с окружающей средой рождает биосферу – область распространения жизни на Земле. Таким образом, биосфера – это живое вещество планеты и преобразованная им окружающая среда. Она охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Биосфера является одним из основных структурных компонентов нашей планеты и околоземного космического пространства. Это сфера, в которой осуществляются биоэнергетические процессы и обмен веществ.

Пленка биосферы, окутывающая Землю, очень тонкая. Сегодня принято считать, что в атмосфере микробная жизнь имеет место примерно до высоты 20–22 км над земной поверхностью (до озонового экрана), а наличие жизни в глубоких океанических впадинах опускает эту границу до 8–11 км ниже уровня моря. Углубление жизни в земную кору много меньше, и микроорганизмы обнаружены при глубинном бурении и в пластовых водах не глубже 2–3 км. По сравнению с другими геосферами биосфера представляет собой тончайшую пленку. Правда, она покрывает всю Землю, не оставляя ни одного места на нашей планете, где бы не было жизни, включая пустыни и ледяные просторы Арктики и Антарктики.

Разумеется, концентрация живого вещества в разных областях биосферы различна. Самое большое его количество расположено в верхних слоях литосферы (почве), гидросферы и нижних слоях атмосферы. Глубже в земную кору, океан, выше в атмосферу количество живого вещества уменьшается. Это дало основания Вернадскому говорить о сгущениях и разрежениях жизни.

Особенностью биосферы является то, что между ней и окружающими ее земными оболочками нет резкой границы. И, прежде всего, нет той границы в атмосфере, которая делает биосферу открытой всем космическим излучениям, а также энергии Солнца. Таким образом, биосфера открыта космосу, купается в потоках космической энергии. Живое вещество поглощает и перерабатывает эту энергию в биогеохимическую энергию биосферы. Биогеохимическая энергия может быть выражена скоростью заселения биосферы данным видом организмов. Для некоторых бактерий эта скорость ограничивается лишь скоростью деления цепочки клеток и приближается к скорости звука. Это означает, что при благоприятных условиях этот вид может заселить Землю практически мгновенно. Еще Вернадский вычислил время, необходимое различным организмам для «захвата» поверхности планеты. Для бактерий это время составляет 1,25 суток, для инфузории туфельки – 67,3 суток, крысы и домашней свиньи – 8 лет, цветковых растений – 11 лет, водорослей – 379 лет, для слона - 1000 лет.

Биогеохимическая энергия используется для осуществления геохимических функций живого вещества, каковыми являются энергетическая, концентрационная, деструктивная, транспортная и средообразующая функции, основанные на том, что живые организмы своим дыханием, своим питанием, метаболизмом, непрерывной сменой поколений порождают грандиознейшее планетарное явление – миграцию химических элементов в биосфере. Эта биогенная миграция подчиняется двум биогеохимическим принципам:

1) стремится к максимальному проявлению, что приводит к повсеместному распространению жизни;

2) обусловливает выживание организмов, увеличивающих биогенную миграцию атомов, что ведет к появлению в ходе эволюции жизни все более сложных и развитых организмов.

Это предопределило решающую роль живого вещества и биосферы в становлении современного облика Земли – ее атмосферы, гидросферы и литосферы.

Структура биосферы

 

Биосфера – это сложная по составу, строению и организованности оболочка. Она включает в себя:

– живое вещество – совокупность живых организмов планеты;

– биогенное вещество, созданное в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, уголь, нефть, известняки и т.д.);

– косное вещество, сформированное без участия жизни, к нему относятся атмосфера, гидросфера и литосфера;

– биокосное вещество – результат взаимодействия жизнедеятельности организмов и небиологических процессов (например, почва, озерная вода);

– вещество космического происхождения.

Общую массу живых организмов планеты ученые оценивают в 2,43·10¹² т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 92,2% представлена зелеными растениями и на 0,8% – животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на/долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов – 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,03·10¹² т, или 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле.

В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, хотя их вклад в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов – беспозвоночные и только 4% – позвоночные, из которых только десятая часть приходится на млекопитающих. Таким образом, в количественном отношении преобладают формы, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития.

Масса живого вещества составляет всего 0,01–0,02% от косного вещества биосферы. Если его равномерно распределить по поверхности Земли, оно покроет ее слоем всего в 2 см толщиной. Но при этом именно живое вещество играет ведущую роль в биогеохимических процессах благодаря энергетической функции. Ведь живые организмы способны черпать из окружающей среды вещества и энергию, необходимую им для обмена веществ и для осуществления всех остальных своих функций.

Чтобы представить масштабы геохимической деятельности живого вещества, приведем некоторые цифры. Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет 232,5 млрд т сухого органического вещества. За это же время в процесс фотосинтеза вовлекается 46 млрд т углерода. В процесс жизнедеятельности также ежегодно вовлекается 6·10⁵⁹ т азота, 2·10⁵⁹ т фосфора, а также калий, кальций, магний, сера, железо и другие элементы.