Функции живого вещества в биосфере

Определение

Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов в биосфере, вне зависимости от их систематической принадлежности.

Термин введен В. И. Вернадским, который выделял, кроме того, биогенное вещество, косное вещество и биокосное вещество.

Биогенное вещество — вещество, не входящее в состав живых организмов, но создаваемое и перерабатываемое живым организмом.
На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани и клетки большую часть атмосферы, весь объем мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти и карбонатных пород.

Косное вещество — вещество, образующееся без участия живых организмов.

Биокосное вещество — динамически равновесная система, в которую входят живые организмы, продукты их жизнедеятельности и неорганические вещества.
Например, почва и ил. Организмы в них играют ведущую роль.

В. И. Вернадский назвал живое вещество одной «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты». Он выделял следующие функции живого вещества.

Свойства живого вещества:

1. Большое количество свободной энергии (в неживой природе могут быть сопоставлены только недолговечные не застывшие лавовые потоки).
2. Высокая скорость химических реакций (наличие ферментов — биологических катализаторов).
3. Химические компоненты живого вещества устойчивы только в живых организмах.
4. Живое вещество построено из компонентов во всех трех фазовых состояниях.
5. Живое вещество представлено в биосфере в виде индивидуальных организмов, находящихся в непрерывном взаимодействии с другими компонентами биоценозов.
6. Наличие эволюционного процесса, т. е. не копированием предыдущих поколений, а путем морфологических и биохимических изменений.
7. Произвольное движение живого вещества, в значительной степени саморегулируемое.

В. И. Вернадский выделял 2 формы движения живого вещества:

• пассивное движение (рост и размножение);
• активное движение (перемещение, стремление к заполнению собой всего пространства).

ФУНКЦИИ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА В БИОСФЕРЕ:

1. Энергетическая. Именно живые организмы преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей органики и создают новую биомассу.
2. Концентрационная. Живые организмы накапливают в своих телах определенные изотопы химических элементов и соединения. Так, известно, что хищные животные, находящиеся на вершине экологической пирамиды, накапливают высокие концентрации вредных веществ (например, хищные рыбы содержат много соединений ртути).
3. Деструктивная. Организмы-редуценты разлагают органические вещества до неорганических.
4. Средообразующая. Живые организмы активно воздействуют на среду, например участвуя в выветривании, в образовании осадочных пород.
5. Транспортная. Живые организмы играют ведущую роль в миграции атомов в биосфере, осуществляют «перемешивание» вещества. Во время миграций они перемещают на большие расстояния вещество и энергию.

Круговорот химических элементов в биосфере

 

Биосфера — оболочка Земли, заселенная живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности, «пленка жизни», глобальная экосистема Земли. Биосфера начала формироваться не позднее чем 3,8 млрд лет назад, когда на нашей планете появились первые организмы. Она включает в себя всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы. Для биосферы характерны замкнутые круговороты веществ, источником энергии для которых является солнечный свет. Рассмотрим круговороты некоторых важнейших элементов.

Круговорот углерода

 

Круговорот углерода начинается с процесса фотосинтеза, в результате которого углерод углекислого газа превращается в глюкозу, из которой в дальнейшем образуются все остальные вещества, входящие в состав живых организмов. Растения поедаются животными, в результате углерод перемещается в тела консументов. В процессе дыхания они выделяют углерод в форме углекислого газа, т. е. круг замыкается. Мертвые тела животных и растений и продукты их выделения служат пищей для редуцентов, которые завершают цикл, окисляя всю органику до углекислого газа.

Помимо этого основного кругооборота часть углерода откладывается некоторыми живыми организмами в виде скелетных и защитных образований, например раковин. Углекислый кальций этих образований далее образует осадочные породы, такие как мел, мрамор, известняк, ракушечник. В этой форме углерод может задерживаться десятки и сотни миллионов лет. Попадая на поверхность, эти породы подвергаются эрозии, в результате чего часть углерода возвращается в круговорот. Кроме того, некоторое количество углекислого газа выделяется при извержениях вулканов, а часть органического углерода превращается в углекислый газв результате лесных пожаров.

 

Круговорот азота

 

Другим важнейшим элементом является азот

В атмосфере содержится много азота (71 %) в форме молекулярного азота

. Он недоступен для большинства живых организмов. Только некоторые виды прокариот (клубеньковые бактерии, почвенные бактерии родов азотобактер и клостридиум, цианобактерии) могут превращать молекулярный азот в ионы аммония. В дальнейшем этот азот включается в аминокислоты и белки. После гибели этих организмов органические соединения азота снова превращают аммиак.

Почвенные бактерии окисляют аммоний в нитриты, а затем в нитраты. В почву в конечном счете попадают азотистые продукты обмена животных, которые также окисляются микроорганизмами. Нитраты и аммоний из почвы поглощается корнями растений. В растения происходит восстановление нитратов до аммония, который включается в аминокислоты и белки. Они служат пищей животным, которые частично используют их для создания собственных белков, а частично окисляются с образованием аммиака, мочевины, мочевой кислоты (в зависимости от группы животных), которые выводятся в окружающую среду. Часть аммония в почве определенной группой бактерий окисляется до молекулярного азота

Таким образом, круговорот практически полностью осуществляется живыми организмами. Небольшое количество окислов азота, образующихся в атмосфере во время грозовых разрядов, не играет большой роли в круговороте.

Круговорот фосфора

В круговороте фосфора, в отличие от круговоротов углерода и азота, отсутствует газовая фаза. Фосфор в природе в больших количествах содержится в таких минералах горных пород, как фосфориты и апатиты, и попадает в наземные экосистемы в процессе их разрушения. Выщелачивание фосфора осадками приводит к поступлению его в гидросферу и, соответственно, в водные экосистемы. Растения поглощают фосфор в виде растворимых фосфатов из водного или почвенного раствора и включают его в состав органических соединений — нуклеиновых кислот, нуклеотидов (АДФ, АТФ), в липиды клеточных мембран. Другие организмы получают фосфор по пищевым цепям.

В организмах позвоночных фосфор входит в состав костной ткани, дентина. В процессе клеточного дыхания происходит окисление органических соединений, содержащих фосфор, при этом образующиеся фосфаты поступают в окружающую среду.

Организмы-редуценты минерализуют органические вещества мертвых организмов, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями. После неоднократного потребления фосфора организмами на суше и в водной среде в конечном итоге он выводится в донные осадки в виде нерастворимых фосфатов. После поднятия осадочных пород над уровнем моря в ходе большого круговорота вновь начинают действовать процессы выщелачивания и биогенного разрушения.

Круговорот серы

 

Круговорот серы также тесно связан с живым веществом. Сера в виде оксидов серы, сероводорода и элементарной серы выбрасывается вулканами в атмосферу. С другой стороны, в природе в большом количестве известны различные сульфиды металлов: железа, свинца, цинка и др.

Сульфидная сера окисляется в биосфере при участии многочисленных микроорганизмов до сульфатной серы почв и водоемов.

Сульфаты поглощаются растениями, восстанавливаются ими до сульфидов и включаются в состав аминокислот.

 

В организмах сера входит в состав аминокислот и белков, а у растений, кроме того, в состав эфирных масел и т. д. Процессы разрушения остатков организмов в почвах и в иле морей сопровождаются очень сложными превращениями серы.

При разрушении белков при участии микроорганизмов образуется сероводород. Далее сероводород окисляется либо до элементарной серы, либо до сульфатов. В этом процессе участвуют разнообразные микроорганизмы, создающие многочисленные промежуточные соединения серы.

Известны месторождения серы биогенного происхождения. Сероводород может вновь образовать «вторичные» сульфиды, а сульфатная сера создает гипс. В свою очередь, сульфиды и гипс вновь подвергаются разрушению, и сера возобновляет свою миграцию.

Искусственные экосистемы — экосистемы, созданные человеком.

Простейшим примером такого рода может служить аквариум.

В нем имеются растения, осуществляющие фотосинтез, рыбы или другие животные, микроорганизмы, перерабатывающие продукты жизнедеятельности животных. Но аквариум не является самостоятельной устойчивой системой, т. к. он нуждается в поступлении определенных веществ извне, например корма для рыб, и выведения части продуктов путем замены или фильтрации воды.

Искусственной экосистемой является также космический корабль, на борту которого создаются условия для существования человека.

Но наиболее важными искусственными экосистемами являются агроценозы.

Агроценоз — искусственная экосистема, созданная человеком для получения сельскохозяйственной продукции.

Они занимают в настоящее время около 10 % территории суши.

Агроценозы отличаются от природных биогеоценозов по ряду признаков.

Во-первых, по источникам энергии. Если природные экосистемы получают только энергию солнца, в агроценозах человек использует дополнительные источники энергии для внесения удобрений, рыхления почвы, борьбы с сорняками и т. п.

Во-вторых, в агроценозах сильно снижено видовое разнообразие организмов. Это является следствием искусственного отбора, проводимого человеком. С одной стороны, человек размножает высокоурожайные сорта определенных видов, с другой, постоянно борется с нежелательными видами, называемыми сорняками и вредителями.

Третье различие состоит в том, что в природном биогеоценозе происходит замкнутый круговорот веществ, а из агроценозов человек регулярно изымает часть вещества в виде сельскохозяйственной продукции. Это приводит к необходимости вносить удобрения для компенсации забранных веществ.

По этим причинам экологическая устойчивость агроценозов невелика. Они не способны к саморегуляции и самовозобновлению, подвержены угрозе гибели при массовом размножении вредителей или возбудителей болезней. Поэтому без участия человека агроценозы зерновых и овощных культур существуют не более года, многолетних трав — 3–4 года, плодовых культур — 20–30 лет. Затем они распадаются или отмирают. На их месте начинается сукцессия (смена биогеоценоза), приводящая к образованию устойчивого на данной территории биогеоценоза.