Живое вещество. Свойства и функции живого вещества. Живое вещество, его характеристики
Введение
Биосфера - наружная оболочка земли, развитие которой определяется постоянным притоком солнечной энергии. Сложная организация биосферы связана с деятельностью живого вещества - совокупности всех особей каждого вида живых существ.
Живое вещество существует на Земле в форме непрерывного чередования поколений. Благодаря этому современное живое вещество оказывается генетически связанным с живым веществом всех прошлых геологических эпох. Живое вещество связано с косным веществом - атмосферой (до уровня озонового экрана), полностью с гидросферой и литосферой, главным образом в границах почвы, но не только.
Атмосфера, гидросфера и почва оказывают влияние на живое вещество биосферы, обеспечивая его минеральным питанием, водой воздухом. Например, характер растительности зависит от степени увлажнения почвы.
Живое вещество биосферы неоднородно и обладает тремя типами трофических взаимодействий: автотрофностью, гетеротрофностью, миксотрофностью. Трофические экологические взаимодействия способствуют преобразованию неорганического (косного) вещества в органическое и обратной перестройке органиче6ских веществ в минеральные. Представители каждого царства, типа и класса выполняют свои функции в экологических взаимодействиях на уровне биосферы.
Космические излучения в биосфере преобразуются в разнообразные виды энергии. Преобразование энергии происходит в процессе её циркуляции между веществом планеты и живыми организмами биосферы - биогеохимического круговорота веществ: перемещения огромных масс химических элементов, перераспределения накопленной в процессе фотосинтеза энергии, преобразования информации. Биогеохимический круговорот веществ обеспечивает непрерывность жизни в биосфере при конечном количестве вещества и постоянном притоке солнечной энергии, преобразует лик планеты, физико-химическую среду обитания живых существ, включая человека.
Природопользование - объективная оценка состояния и оптимизация использования природных ресурсов и условий окружающей природной среды, их охраны и воспроизводства.
Живое вещество
Согласно В.И. Вернадскому вещество биосферы состоит из:
· Живого вещества - биомассы современных живых организмов;
· Биогенного вещества - всех форм детрита, а также торфа, угля, нефти и газа биогенного происхождения;
· Биокосного вещества - смесей биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, илы, природные воды, газо- и нефтеносные сланцы, битуминозные пески, часть осадочных карбонатов);
· Косного вещества - горных пород, минералов, осадков, не затронутых прямым биогеохимическим воздействием организмов.
Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В.И. Вернадский определяет как совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В.И. Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.
Это воздействие сказывается прежде всего в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.
По мнению В.И. Вернадского, в прошлом не придавали значения двум важным факторам, которые характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности:
· Открытию Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с диссимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел.
· Явно недооценивался вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Ведь в состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые В.И. Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т.д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т.п.). Хотя живое вещество по объёму и весу составляет незначительную часть биосферы, связанных с изменением облика нашей планеты.
Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы. Не случайно поэтому В.И. Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, её определяющей.
Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты, и в первую очередь, её расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний в свою очередь - жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Эту её роль образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Юлиус Майер (1814-1878), отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча.
Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следующем:
· Изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах - геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического;
· В ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает В.И. Вернадский, проявляется прежде всего "в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно";
· Только в живом веществе происходят качественное изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли объяснение в теории происхождения видов путём естественного отбора Ч. Дарвина (1859 г.);
· Живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции.
В.И. Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды.
Для подтверждения своей мысли он ссылается на непрерывный рост центральной нервной системы животных и её значение в биосфере, а также на особую организованность самой биосферы. По его мнению, в упрощённой модели эту организованность можно выразить так, что ни одна из точек биосферы "не попадает в тоже место, в ту же точку биосферы, в какой когда-нибудь была раньше". В современных терминах это явление можно описать как необратимость изменений, которые присущи любому процессу эволюции и развития.
Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает воздействие на всю биосферу в целом, в том числе и на природные биокосные тела, например, почвы, наземные и подземные воды и т.д. Это подтверждается тем, что почвы и реки девона совсем другие, чем третичной и тем более нашей эпохи. Таким образом, эволюция видов постепенно распространяется и переходит на всю биосферу.
Поскольку эволюция и возникновение новых видов предполагают существование своего начала, постольку закономерно возникает вопрос: а есть ли такое начало у жизни? Если есть, то где его искать - на Земле или в Космосе? Может ли возникнуть живое из неживого?
Над этими вопросами на протяжении столетий задумывались многие религиозные деятели, представители искусства, философы, учёные. В.И. Вернадский подробно рассматривает наиболее интересные точки зрения, которые выдвигались выдающимися мыслителями разных эпох, и приходит к выводу, что никакого убедительного ответа на эти вопросы не существует. Сам он как учёный в начале придерживался эмпирического подхода к решению указанных вопросов, когда утверждал, что многочисленные попытки обнаружить в древних геологических слоях Земли следы присутствия каких-либо переходных форм жизни не увенчались успехом. Во всяком случае некоторые останки жизни были обнаружены даже в докембрийских слоях, насчитывающих 600 миллионов лет. Эти отрицательные результаты, по мнению В.И. Вернадского, дают возможность высказать предположение, что жизнь как материя и энергия существует во Вселенной вечно и поэтому не имеет своего начала. Но такое предположение есть не больше, эмпирическое обобщение, основанное на том, что следы живого вещества до сих пор не обнаружены в земных слоях. Чтобы стать научной гипотезой, оно должно быть согласовано с другими результатами научного познания, в том числе и с более широкими концепциями естествознания и философии. Во всяком случае нельзя не считаться со взглядами тех натуралистов и философов, которые защищали тезис о возникновении живой материи из неживой, а в настоящее время даже выдвигают обоснование гипотезы и модели происхождения жизни.
Предположения относительно абиогенного, или неорганического происхождения жизни делались неоднократно ещё в античную эпоху, например, Аристотелем, который допускал возможность возникновения мелких организмов из неорганического вещества. С возникновением экспериментального естествознания и появлением таких наук, как геология, палеонтология и биология, такая точка зрения подвергалась критике как не обоснованная эмпирическими фактами. Ещё во второй половине XVII в. Принцип, провозглашённый известным флорентийским врачом и натуралистом Ф. Реди, что всё живое возникает из живого. Утверждению этого принципа содействовали исследования знаменитого английского физиолога Уильяма Гарвея (1578-1657), который считал, что всякое животное происходит из яйца, хотя он и допускал возможность возникновения жизни абиогенным путём.
В дальнейшем, по мере проникновения физико-химических методов в биологические исследования снова и всё настойчивее стали выдвигаться гипотезы об абиогенном возникновении жизни. Выше мы уже говорили о химической эволюции как предпосылке возникновения предбиотической, или предбиологической стадии возникновении жизни. С указанными результатами не мог не считаться В.И. Вернадский, и поэтому его взгляды по этим вопросам не оставались неизменными, но, опираясь на почву точно установленных фактов, он не допускал ни божественного вмешательства, ни земного происхождения жизни. Он перенёс возникновение жизни за пределы Земли, а также допускал возможность её появлении в биосфере при определённых условиях. Он писал: "Принцип Реди… не указывает на невозможность абиогенеза вне биосферы или при установлении наличия в биосфере (теперь или раньше) физико-химических явлений, не принятых при научном определении этой формы организованности земной оболочки".
Несмотря на некоторые противоречия, учение Вернадского о биосфере представляет собой новый крупный шаг в понимании не только живой природы, но и её неразрывной связи с исторической деятельностью человечества.
Земная поверхность не содержит более могущественной, постоянно действующей, динамичной силы, чем живые организмы. Согласно учению о живом веществе, за данной оболочкой закрепляется космическая функция, выступающая связующим звеном между Землей и космическим пространством. Участвуя в процессе фотосинтеза, обмена и преобразования естественных веществ, живое вещество осуществляет невообразимую химическую работу.
Концепция живого вещества В. И. Вернадского
Понятие о живом веществе разработано прославленным ученым В. И. Вернадским, который отдельно рассмотрел биологическую массу среди совокупности других типов органических веществ, формирующих биосферу земного шара. По мнению исследователя, живые организмы составляют ничтожную долю биосферы. Однако именно их жизнедеятельность наиболее ощутимо отражается на формировании окружающего мира.
Согласно концепции ученого, живое вещество биосферы состоит как из органических, так и неорганических веществ. Главной специфической особенностью живого вещества выступает наличие огромного энергетического потенциала. В плане высвобождения свободной энергии в неорганической среде планеты с живым веществом могут сравниться лишь вулканические лавовые потоки. Основным различием между неживым и живым веществом выступает скорость течения химических реакций, которые в последнем случае происходят в миллионы раз быстрее.
Исходя из учения профессора Вернадского, присутствие живого вещества в земной биосфере может проявляться в нескольких формах:
- биохимической (участие в обмене химических веществ, формирование геологических оболочек);
- механической (непосредственное воздействие биомассы на преобразование материального мира).
Биохимическая форма «деятельности» биомассы планеты проявляется в непрерывном обмене веществ между окружающей средой и организмами в ходе переваривания пищи, построения тела. Механическое воздействие живого вещества на окружающий мир заключается в циклическом перемещении веществ в ходе жизнедеятельности организмов.
Биохимические принципы
Получить полное представление о том «объеме работы», которую осуществляет живое вещество в процессе жизнедеятельности, позволяют несколько научных положений, известных под названием биохимические принципы:
- движение атомов химических веществ при биогенной миграции всегда тяготеет к достижению максимально возможных проявлений;
- эволюционное преобразование видов движется в направлении, способствующем усилению миграции атомов элементов;
- существование биомассы обусловлено наличием солнечной энергии;
- живое вещество планеты заключено в непрерывный круговорот обмена химическими веществами с космической средой.
Отражение жизнедеятельности живого вещества на функционировании биосферы
Жизнь возникла в форме биосферы благодаря способности органической массы к размножению, росту и эволюции форм. Изначально живая оболочка планеты представляла собой комплекс органических веществ, образующих круговорот элементов. В ходе развития и преобразования живых организмов живое вещество получило способность функционировать не только в виде непрерывного потока энергии, но и эволюционировать как комплексная система.
Новые виды органической оболочки Земного шара не просто находят свои корни в предшествующих формах. Их возникновение обусловлено течением специфических биогенных процессов в естественной среде, что, в свою очередь, влияет на все живое вещество, клетки живых организмов. Каждая стадия эволюции биосферы характеризуется заметными изменениями в ее материально-энергетической структуре. Таким образом, возникают новые системы косного и живого вещества планеты.
Рост воздействия биомассы на изменение косных систем планеты заметен при исследовании всех без исключения эпох. Обусловлено это, в первую очередь, повышением аккумуляции солнечной энергии, а также ростом интенсивности и емкости биологического круговорота элементов. Изменение среды всегда предопределяет возникновение новых сложноорганизованных форм жизни.
Функции живого вещества в биосфере
Впервые функции биомассы были рассмотрены все тем же Вернадским при написании знаменитого труда под названием «Биосфера». Здесь ученый выделяет девять функций живого вещества: кислородную, кальциевую, газовую, окислительную, восстановительную, разрушающую, концентрационную, восстановительную, метаболическую, дыхательную.
Разработка современных концепций о живом веществе биосферы привела к существенному сокращению количества функций живого вещества и их объединению в новые группы. Именно о них пойдет речь далее.
Энергетические функции живого вещества
Энергетические потоки, исходящие от Солнца, являются для растений настоящим даром электромагнитной природы. Более 90% энергии, поступающей в биосферу планеты, поглощается литосферой, атмосферой и гидросферой, а также принимает непосредственное участие в течении химических процессов.
Функции живого вещества, направленные на преобразование энергии зелеными растениями, являются основным механизмом живого вещества. Без наличия процессов передачи и накопления солнечной энергии развитие жизни на планете оказалось бы под вопросом.
Деструктивные функции живых организмов
Способность к минерализации органических соединений, химическое разложение пород, отмершей органики, вовлечение минералов в круговорот движения биомассы - все это деструктивные функции живого вещества в биосфере. Главной движущей силой деструктивных функций биосферы являются бактерии, грибы и прочие микроорганизмы.
Омертвелые органические соединения разлагаются до состояния веществ неорганического характера (воды, аммиака, углекислого газа, метана, сероводорода), возвращаясь в изначальный круговорот материи.
Отдельное внимание заслуживает деструктивное воздействие организмов на горные породы. Благодаря круговороту веществ, земная кора пополняется минеральными составляющими, высвобождаемыми из литосферы. Участвуя в разложении минералов, живые организмы тем самым включают в круговорот биосферы целый комплекс важнейших химических элементов.
Концентрационные функции
Избирательное накопление веществ в природе, их распределение, круговорот живого вещества - все это формирует концентрационные функции биосферы. Среди наиболее активных концентраторов химических элементов особая роль отводится микроорганизмам.
Построение скелетов отдельных представителей животного мира обусловлено использованием рассеянных минеральных веществ. Яркими примерами применения концентрированных естественных элементов выступают моллюски, диатомовые и известковые водоросли, кораллы, радиолярии, кремневые губки.
Газовые функции
Основой газового свойства живого вещества выступает распределение живыми организмами газообразных веществ. Отталкиваясь от типа преобразуемых газов, выделяют целый ряд отдельных газовых функций:
- Кислородообразующую - восстановление кислородного запаса планеты в свободном виде.
- Диоксидную - формирование биогенных угольных кислот в результате дыхания представителей животного мира.
- Озонную - образование озона, что способствует предохранению биомассы от деструктивного воздействия солнечной радиации.
- Азотную - создание свободного азота при разложении веществ органического происхождения.
Средообразующие функции
Биомасса обладает способностью к преобразованию физических и химических параметров окружающей среды для создания условий, соответствующих потребностям живых организмов. В качестве примера можно выделить растительную среду, жизнедеятельность которой способствует повышению влажности воздуха, регуляции поверхностных стоков, обогащению атмосферы кислородом. В определенной степени средообразующие функции являются результатом всех вышеупомянутых свойств живого вещества.
Роль человека в формировании биосферы
Появление человека в качестве отдельного вида отразилось на возникновении революционного фактора эволюции биологической массы - осознанном преобразовании окружающего мира. Технический и научный прогресс является не просто явлением социальной жизни человеческого существа, но в некотором роде относится к естественным процессам эволюции всего живого.
Человечество испокон веков преобразовывало живое вещество биосферы, что отразилось на повышении скорости миграции атомов химической среды, трансформации отдельных геосфер, накоплении энергетических потоков в биосфере, изменении облика Земного шара. В настоящее время человек рассматривается не просто как вид, но также сила, способная изменять оболочки планеты, что в свою очередь является специфическим фактором эволюции.
Естественное стремление к росту численности вида привело человеческий вид к активному использованию возобновимых и невозобновимых ресурсов биосферы, источников энергии, веществ, захороненных в оболочках планеты. Вытеснение отдельных представителей животного мира из естественных ареалов обитания, уничтожение видов с потребительской целью, техногенное преобразование параметров окружающей среды - все это влечет за собой исчезновение важнейших элементов биосферы.
Одним из центральных звеньев концепции биосферы является учение о живом веществе. Исследуя процессы миграции атомов в биосфере, В. И. Вернадский подошел к вопросу о генезисе (происхождение, возникновение) химических элементов в земной коре, а после этого 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”. Позже он формулирует понятие “живого вещества”: “Живое вещество биосферы есть совокупность ее живых организмов… Я буду называть совокупность организмов, сведенных к их весу, химическому составу и энергии, живым веществом”. Главное предназначение живого вещества и его неотъемлимый атрибут – накопление свободной энергии в биосфере. Обычная геохимическая энергия живого вещества производится прежде всего путем размножения.
Научные идеи В. И. Вернадского о живом веществе, о космичности жизни, о биосфере и переходе ее в новое качество – ноосферу своими корнями уходят в 19-начало 20 в., когда философы и естествоиспытатели предприняли первые попытки осмыслить роль и задачи человека в общей эволюции Земли. Именно их усилиями человек начал свое продвижение к вершинам естественной эволюции живого, постепенно занимая экологическую нишу, отведенную ему природой.
В 30-е годы 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. Характер усвоения человечеством биогеохимической энергии определяются разумом человека. С одной стороны, человек – это кульминация бессознательной эволюции, “продукт” спонтанной деятельности природы, а с другой – зачинатель нового, разумно направленного этапа самой эволюции.
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 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. В. И. Вернадский классифицировал живое вещество на однородное и неоднородное. Первое в его представлении – это родовое, видовое вещество и т. п., а второе представлено закономерными смесями живых веществ. Это лес, болото, степь, т. е. биоценоз. Характеризовать живое вещество ученый предлагал на основе таких количественных показателей, как химический состав, средний вес организмов и средняя скорость заселения ими поверхности земного шара.
В. И. Вернадский приводит средние цифры скорости «передачи жизни в биосфере». Время захвата данным видом всей поверхности нашей планеты у разных организмов может быть выражено следующими цифрами (сутки):
Бактерия холеры 1,25
Инфузория 10,6 (максимум)
Диатомовые 16,8 (максимум)
Зеленый 166-183 (среднее)
планктон
Насекомые 366
Рыбы 2159 (максимум)
Цветковые растения 4076
Птицы (куры) 5600-6100
Млекопитающие:
дикая свинья 37600
слон индийский 376000
Жизнь на нашей планете существует в неклеточной и клеточной формах.
Неклеточная форма живого вещества представлена вирусами, которые лишены раздражимости и собственного синтеза белка. Простейшие вирусы состоят лишь из белковой оболочки и молекулы ДНК или РНК, составляющей сердцевину вируса. Иногда вирусы выделяют в особое царство живой природы – Vira. Они могут размножаться только внутри определенных живых клеток. Вирусы повсеместно распространены в природе и являются угрозой для всего живого. Поселяясь в клетках живых организмов, они вызывают их смерть. Описано около 500 вирусов, поражающих теплокровных позвоночных, и около 300 вирусов, уничтожающих высшие растения. Более половины болезней человека обязаны своим развитием мельчайшим вирусам (они в 100 раз меньше бактерий). Это полиомиелит, оспа, грипп, инфекционный гепатит, желтая лихорадка и др.
Клеточные формы жизни представлены прокариотами и эукариотами. К прокариотам относятся различные бактерии. Эукариоты – это все высшие животные и растения, а также одноклеточные и многоклеточные водоросли, грибы и простейшие.
Живое вещество играет огромную роль в развитии нашей планеты. К такому выводу пришел русский ученый В. И. Вернадский, исследовав состав и эволюцию земной коры. Он доказал, что полученные данные не могут быть объяснены лишь геологическими причинами, без учёта роли живого вещества в геохимической миграции атомов.
Начиная с момента зарождения, жизнь постоянно развивается и усложняется, оказывая воздействие на окружающую среду, изменяя её. Таким образом, эволюция биосферы протекает параллельно с историческим развитием органической жизни .
Время жизни на Земле измеряется примерно 6–7 миллиардами лет. Возможно, что примитивные формы жизни появились еще раньше. Но первые следы своего пребывания они оставили 2,5–3 млрд лет назад. С этого времени произошли коренные изменения поверхности планеты и сформировалось до 5 млн видов животных, растений и микроорганизмов. На Земле возникло живое вещество , заметно отличающееся от неживой материи.
Развитие жизни привело к появлению новой общепланетной структурной оболочки биосферы, тесно взаимосвязанной единой системы геологических и биологических тел и процессов преобразования энергии и вещества.
Биосфера - не только сфера распространения жизни, но и результат её деятельности.
Особое место среди живых организмов заняли растения , потому что они обладают способностью к фотосинтезу . Они продуцируют практически все органическое вещество на планете (растений насчитывается почти 300 тыс. видов).
Функции живого вещества
В. И. Вернадский дал представление об основных биогеохимических функциях живого вещества:
1. Энергетическая функция связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием.
Эта функция - одна из важнейших. В её основе лежит процесс фотосинтеза, в результате которого происходит аккумуляция солнечной энергии и ее последующее перераспределение между компонентами биосферы.
Биосферу можно сравнить с огромной машиной, работа которой зависит от одного решающего фактора - энергии
: не будь её, все немедленно остановилось бы.
В биосфере роль основного источника энергии играет солнечное излучение.
Биосфера аккумулирует энергию, приходящую из Космоса на нашу планету.
Живые организмы не просто зависят от лучистой энергии Солнца, они выступают как гигантский аккумулятор (накопитель) и уникальный трансформатор (преобразователь) этой энергии.
Это происходит следующим образом. Растения-автотрофы (и микроорганизмы-хемотрофы) создают органическое вещество. Все остальные организмы планеты - гетеротрофы. Они используют созданное органическое вещество в пищу, что приводит к возникновению сложных последовательностей синтеза и распада органических веществ. Это-то и является основой биологического круговорота химических элементов в биосфере.
Стало быть, живые организмы есть важнейшая биохимическая сила, преобразующая земную кору .
Миграция и разделение химических элементов на земной поверхности, в почве, в осадочных породах, атмосфере и гидросфере осуществляются при непосредственном участии живого вещества. Поэтому в геологическом разрезе живое вещество, атмосфера, гидросфера и литосфера - это взаимосвязанные части единой, непрерывно развивающейся планетарной оболочки - биосферы.
2. Газовая функция - способность изменять и поддерживать определённый газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.
Преобладающая масса газов на планете имеет биогенное происхождение.
Пример:
Кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза.
3. Концентрационная функция - способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей организмы средой на несколько порядков.
Организмы накапливают в своих телах многие химические элементы.
Пример:
Среди них на первом месте стоит углерод. Содержание углерода в углях по степени концентрации в тысячи раз больше, чем в среднем для земной коры. Нефть - концентратор углерода и водорода, так как имеет биогенное происхождение. Среди металлов по концентрации первое место занимает кальций. Целые горные хребты сложены остатками животных с известковым скелетом. Концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, радиолярии и некоторые губки, йода - водоросли ламинарии, железа и марганца - особые бактерии. Позвоночными животными накапливается фосфор, сосредотачиваясь в их костях.
Результат концентрационной деятельности - залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т.п.
4. Окислительно-восстановительная функция связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов как окисления благодаря обогащению среды кислородом, так и восстановления прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода.
Пример:
Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море).
Подземные горючие газы являются продуктами разложения органических веществ растительного происхождения, захороненных ранее в осадочных толщах.
Главная идея В.И. Вернадского заключается в том, что высшая фаза развития материи на Земле -- жизнь -- определяет и подчиняет себе другие планетарные процессы. По этому поводу он писал, что можно без преувеличения утверждать, что химическое состояние наружной коры нашей планеты, биосферы, всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами.
Если равномерно распределить все живые организмы на поверхности Земли, то они образуют пленку толщиной 5 мм. Несмотря на это, роль живого вещества в истории Земли не меньше роли геологических процессов. Вся масса живого вещества, которое было на Земле, например, в течение 1 млрд лет, уже превышает массу земной коры.
Количественной характеристикой живого вещества является суммарное количество биомассы. В.И. Вернадский, проведя анализы и расчеты, пришел к выводу, что количество биомассы составляет от 1000 до 10 ООО трлн т. Оказалось также, что поверхность Земли составляет несколько меньше 0,0001 % поверхности Солнца, но зеленая площадь ее трансформационного аппарата, т.е. поверхность листьев деревьев, стеблей трав и зеленых водорослей, дает числа совершенно иного порядка -- в различные периоды года она колеблется от 0,86 до 4,20% поверхности Солнца, чем и объясняется большая суммарная энергия биосферы. В последние годы аналогичные подсчеты с применением новейшей аппаратуры провел красноярский биофизик И. Гительзон и подтвердил порядок цифр, более полувека назад определенный В.И. Вернадским.
Значительное место в работах В.И. Вернадского по биосфере отведено зеленому живому веществу растений, поскольку только оно автотрофно и способно аккумулировать лучистую энергию Солнца, образуя с ее помощью первичные органические соединения.
Значительная часть энергии живого вещества идет на образование в биосфере новых вадозных (неизвестных вне ее) минералов, а часть захороняется в виде органического вещества, образуя, в конечном счете, залежи бурого и каменного угля, горючих сланцев, нефти и газа. «Мы имеем здесь дело, -- писал В.И. Вернадский, -- с новым процессом, с медленным проникновением внутрь планеты лучистой энергии Солнца, достигшей поверхности Земли. Этим путем живое вещество меняет биосферу и земную кору. Оно непрерывно оставляет в ней часть прошедших через него химических элементов, создавая огромные толщи неведомых, помимо него, вадозных минералов или пронизывая тончайшей пылыо своих остатков косную материю биосферы».
По мнению ученого, земная кора представляет собой в основном остатки былых биосфер. Даже гранитно-гнейсовый ее слой образовался в результате метаморфизма и переплавления пород, возникших когда-то под воздействием живого вещества. Только базальты и другие основные магматические породы он считал глубинными и по своему генезису не связанными с биосферой.
В учении о биосфере понятие «живое вещество» является основополагающим. Живые организмы превращают космическую лучистую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Своим дыханием, питанием, метаболизмом, смертью и разложением, длящимся сотни миллионов лет, непрерывной сменой поколений они порождают существующий только в биосфере грандиознейший планетарный процесс -- миграцию химических элементов.
Живое вещество, согласно теории В. И. Вернадского, -- биогеохимический фактор планетарного масштаба, под воздействием которого преобразуется как окружающая абиотическая среда, так и сами живые организмы. Во всем пространстве биосферы происходит порожденное жизнью непрестанное перемещение молекул. Жизнь решающим образом воздействует на распределение, миграцию и рассеяние химических элементов, определяя судьбу азота, калия, кальция, кислорода, магния, стронция, углерода, фосфора, серы и других элементов.
Эпохи развития жизни: протерозой, палеозой, мезозой, кайнозой отражают не только формы жизни на Земле, но и ее геологическую летопись, ее планетарную судьбу. биосфера вернадский биогенный живой
В учение о биосфере органическое вещество наряду с энергией радиоактивного распада рассматривается как носитель свободной энергии. Жизнь же рассматривается не как механическая сумма индивидуумов или видов, а как по сути -- единый процесс, охватывающий все вещество верхнего слоя планеты.
Живое вещество изменялось в течение всех геологических эпох и периодов. Следовательно, как отмечал В.И. Вернадский, современное живое вещество генетически связано с живым веществом всех прошлых геологических эпох. В то же время в рамках значительных геологических отрезков времени количество живого вещества не подвержено заметным изменениям. Эта закономерность была сформулирована ученым как константное количество живого вещества биосферы (для данного геологического периода).
Живое вещество выполняет в биосфере следующие биогеохимические функции: газовую -- поглощает и выделяет газы; окислительно-восстановительную -- окисляет, например, углеводы до углекислого газа и восстанавливает его до углеводов; концентрационную -- организмы-концентраторы накапливают в своих телах и скелетах азот, фосфор, кремний, кальций, магний. В результате выполнения этих функций живое вещество биосферы из минеральной основы создает природные воды и почвы, оно создало в прошлом и поддерживает в состоянии равновесия атмосферу.
При участии живого вещества идет процесс выветривания, и горные породы включаются в геохимические процессы.
Газовая и окислительно-восстановительная функции живого вещества тесно связаны с процессами фотосинтеза и дыхания. В результате биосинтеза органических веществ автотрофными организмами было извлечено из древней атмосферы огромное количество углекислого газа. По мере увеличения биомассы зеленых растений изменился газовый состав атмосферы -- уменьшилось содержание углекислого газа, и увеличилась концентрация кислорода. Весь кислород атмосферы образован в результате процессов жизнедеятельности автотрофных организмов. Живое вещество качественно изменило газовый состав атмосферы -- геологической оболочки Земли. В свою очередь, кислород используется организмами для процесса дыхания, в результате чего в атмосферу вновь поступает углекислый газ.
Таким образом, живые организмы создали в прошлом и поддерживают миллионы лет атмосферу нашей планеты. Увеличение концентрации кислорода в атмосфере планеты повлияло на скорость и интенсивность окислительно-восстановительных реакций в литосфере.
Многие микроорганизмы непосредственно участвуют в окислении железа, что приводит к образованию осадочных железных руд, или к восстановлению сульфатов с образованием биогенных месторождений серы. Несмотря на то, что в состав живых организмов входят те же химические элементы, соединения которых образуют атмосферу, гидросферу и литосферу, организмы не повторяют полностью химический состав среды.
Живое вещество, активно выполняя концентрационную функцию, выбирает из среды обитания те химические элементы и в таком количестве, которое ему необходимо. Благодаря осуществлению концентрационной функции живые организмы создали многие осадочные породы, например, залежи мела и известняка.