Биогеохимические функции живого вещества в биосфере

Согласно последним оценкам, сухая масса живого вещества на Земле составляет 2-3 триллиона тонн. Это по сравнению с основными сферами земли очень малая величина. Она, например, в 1000 раз меньше массы тропосферы, в 10 млн. раз меньше массы земной коры и в миллиард раз меньше массы Земли.

III. Живое вещество биосферы, его специфика и функции

Биосфера, согласно учению В. И. Вернадского, есть целостное единство, планетарная система, все элементы которой взаимосвязаны и взаимодействуют. В этой системе центральную роль играет живое вещество, поскольку с ним генетически связаны и образованы из него все структурные части биосферы благодаря прошлой или настоящей деятельности живых организмов.

Понятие «живое вещество» ввел в науку В.И. Вернадский. Под ним он понимал совокупность всех живых организмов планеты или форму активной материи, энергия которой тем больше, чем больше масса живого вещества.

В отличие от костной материи живое вещество обладает целым рядом специфических свойств:

1. Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией. В неорганическом мире по количеству свободной энергии с живым веществом могут быть сопоставлены только недолговечные незастывшие лавовые потоки.

2. Резкое отличие наблюдается в скорости протекания химических реакций: в живом веществе реакции идут в тысячи и миллионы раз быстрее.

3. Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения – белки, ферменты и пр. – устойчивы только в живых организмах (в значительной степени это характерно и для минеральных соединений, входящих в состав живого вещества).

4. Произвольное движение живого вещества, в значительной степени саморегулируемое. В.И. Вернадский выделял две специфические формы движения живого вещества:

а) пассивную, которая создается размножением и присуща как животным, так и растительным организмам;

б) активную, которая осуществляется за счет направленного перемещения организмов (она характерна для животных и в меньшей степени для растений). Живому веществу также присуще стремление заполнить собой все возможное пространство.

5. Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Кроме того, в отличие от неживого абиогенного вещества живое вещество не бывает представлено исключительно жидкой или газовой фазой. Тела организмов построены во всех трех фазовых состояниях.

6. Живое вещество представлено в биосфере в виде дисперсных тел – индивидуальных организмов. Причем, будучи дисперсным, живое вещество никогда не находится на Земле в морфологически чистой форме – в виде популяций организмов одного вида: оно всегда представлено биоценозами.

7. Живое вещество существует в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых эпох. При этом характерным для живого вещества является наличие эволюционного процесса, т.е. воспроизводство живого вещества происходит не по типу абсолютного копирования предыдущих поколений, а путем морфологических и биохимических изменений.

8. Еще одну отличительную особенность живого вещества выделил сам В.И. Вернадский - диссимметричность. Живая материя обладает неполной, нарушенной осевой симметрией, равенство правых и левых ее сторон не является абсолютным, тогда как для неживой материи характерна строгая осевая симметрия.

В.И. Вернадский считал, что:

- с самого начала своего существования биосфера должна была состоять из различных форм жизни с разнообразными геохимическими функциями

- функции жизни в биосфере - биохимические функции - неизменны в течение геологического времени, и ни одна из них не появлялась вновь в ходе геологического времени. Они непрерывно существуют одновременно.

В.И.Вернадский выделил девять функций биосферы:

1. Газовая -все газы атмосферы создаются и изменяются биогенным путем. Основные газовые функции биосферы следующие:- Кислородно-углекислотная, ее носителем являются зеленые растения. Ими создается подавляющая масса кислорода на планете. Из-за того что ночью фотохимический процесс прекращается, а на смену ему приходит процесс образования углекислоты, эта функция называется кис-лородно-углекислотной.- Углекислотная (отдельная от кислородной) - образование биогенной угольной кислоты как следствие дыхания животных, грибов и бактерий. - Озонная и перекисьводородная. В.И.Вернадский считал, что озон и перекись водорода являются продуктами жизни (через кислород, идущий на образование озона и перекиси). Озон, образуясь из биогенного кислорода, защищает биосферу от губительного ультрафиолетового излучения.- Азотная. В.И.Вернадский полагал, что свободный азот атмосферы создается живым веществом почвы за счет жизнедеятельности азотовыделяющих бактерий при разложении органического вещества.- Углеводородная. Биогенные газы - углеводороды - создаются живым веществом (к их числу относятся, например, природный газ, терпены, содержащиеся в эфирных маслах, скипидаре и обусловливающие аромат цветов, запах хвойных). Их роль в биосфере очень велика, но мало изучена.

2. Окислительная функция - выражается в окислении с участием живых организмов (бактерий и, возможно, грибов) всех бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере. В результате этого образуются соли, оксиды, новые вещества. С данной функцией связано формирование железных и марганцевых руд, известняков и т.п. Например, так образуются болотные железные руды, бурые железистые конкреции, ожелезненные горизонты.

3. Восстановительная функция - противоположна по своей сути окислительной. Благодаря ей в результате деятельности анаэробных бактерий в нижней трети профиля заболоченных почв, практически лишенного кислорода, образуются оксидные формы железа.

4. Кальциевая функция – выделение кальция в виде чистых солей, углекислых, фосфорокислых, щавелевокислых.

5. Концентрационная функция. Проявляется в способности живых организмов накапливать в своих телах многие химические элементы (на первом месте стоит углерод, среди металлов - кальций). Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов - характерная особенность живого вещества. Например, морские организмы активно накапливают микроэлементы, тяжелые металлы (ртуть, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы. В.И.Вернадский различал:

- концентрационные функции I рода, когда живым веществом из окружающей среды концентрируются те химические элементы, которые содержатся во всех без исключениях организмах (Н, С, N, О, Na, Mg, Al, Si, P, S, CI, K, Ca, Fe);

- концентрационные функции II рода, когда наблюдается накопление химических элементов, которые в живых организмах не встречаются или могут встречаться в очень малых количествах. Например, голотурии способны накапливать ванадий. Дождевые черви могут накапливать цинк, медь, свинец и кадмий в своих тканях. Водоросли рода ламинария накапливают в себе йод.

6. Функция разрушения органических соединений –обеспечивается деятельностью бактерий. В результате разложения мертвой органики происходит образование воды, углекислого газа и азота. 7. Функция восстановительного разложения - образование сероводорода, метана, водорода и т.п.

8. Биохимическая функция - определяется как размножение, рост и перемещение в пространстве живого вещества. Все это приводит к круговороту химических элементов в природе, их биогенной миграции. В.И.Вернадский выделял:

- I биохимическую функцию, которая связана с питанием, дыханием и размножением организмов

- II биохимическую функцию, которая связана с разрушением тел живых организмов после их смерти. При этом происходит ряд биохимических превращений: живое тело -> биокосное -> косное.

9. Функция биогеохимической деятельности человека. Связана с биогенной миграцией атомов, многократно усиливающейся под влиянием хозяйственной деятельности человека и его разума. Человек в ходе хозяйственной деятельности 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 в количествах, превышающих допустимое значение.

!!! Эти биохимические функции выполняются самыми разными живыми организмами: бактериями, водорослями, мхами, простейшими одноклеточными, но организма, способного осуществить все эти функции сразу, в природе нет. Мало того, невозможна замена одного функционального исполнителя другим, так как это привело бы к обязательному преобразованию самой функции. И хотя человек может одновременно вызывать разнообразные химические процессы, этого он достигает, как писал Вернадский, умом и техникой, а не физиологической работой своего организма.

Таким образом, по мнению В.И.Вернадского, на Земле должна была зародиться сразу целая группа разнообразных одноклеточных организмов, способных выполнять перечисленные функции, или один простейший организм должен был быстро разделиться на разные формы, осуществляющие различные геохимические функции.

(Андрей Витальевич Лаппо, 1987 г.)

Функция	Характеристика	Пояснения
1. Энергетическая	Заключается в поглощении солнечной энергии при фотосинтезе, а химической энергии – путем разложения энергонасыщенных веществ и передаче энергии по пищевым цепям: от растений к животным и далее к микроорганизмам - разрушителям органического вещества.	При этом энергия постепенно рассеивается в форме тепла, но часть энергии вместе с остатками живых организмов переходит в ископаемое состояние и "консервируется" в земной коре (уголь, нефть, торф, горючие сланцы и пр.).
2. Деструктивная	Это минерализация органических веществ, разложение отмершей органики до простых неорганических соединений, а также химическое разложение горных пород и вовлечение образовавшихся минералов в биотический круговорот	Функцию минерализации мертвой органики в основном выполняют грибы и бактерии. Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений (углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака и т. д.), которые вновь используются в начальном звене круговорота.
Особо следует сказать о химическом разложении горных пород. Благодаря живому веществу биотический круговорот пополняется минералами, высвобождаемыми из литосферы. Сильнейшее химическое воздействие на горные породы растворами целого комплекса кислот - угольной, азотной, серной и разнообразных органических оказывают бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы и лишайники. Например, плесневый грибок в лабораторных условиях за неделю высвобождал из вулканической горной породы 3 % содержащегося в ней кремния, 11% алюминия, 59 % магния, 64 % железа. Разлагая с их помощью те или иные минералы, организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие питательные элементы - кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы. Благодаря жизнедеятельности организмов-деструкторов создается уникальное свойство почв – их плодородие.
3. Концентрационная	Это избирательное накопление определенных веществ, рассеянных в природе - водорода, углерода, азота, кислорода, кальция, магния, натрия, калия, фосфора и многих других, включая тяжелые металлы, в живых существах. Раковины моллюсков, панцири диатомовых водорослей, скелеты животных — все это примеры проявления концентрационной функции живого вещества.	Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых из них по сравнению с природной средой содержание марганца увеличено в 1 200 000 раз, железа - в 65 000, ванадия - в 420 000, серебра - в 240 000 раз.
	Для построения своих скелетов или покровов активно концентрируют рассеянные минералы морские организмы. Так, существуют кальциевые организмы - известковые водоросли, моллюски, кораллы, мшанки, иглокожие, и т. п., и кремниевые - диатомовые водоросли, кремниевые губки, радиолярии. Особого внимания заслуживает способность морских организмов накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (ртуть, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы. В теле беспозвоночных и рыб их концентрация может в сотни тысяч раз превосходить содержание в морской воде.
4. Средообразующая	Преобразование физико-химичес-ких параметров среды в результате жизнедеятельности живых организмов.	Например, леса регулируют поверхностный сток, увеличивают влажность воздуха, обогащают атмосферу кислородом.
	Эта функция является в значительной мере интегративной (результат совместного действия других функций). Ее можно рассматривать в широком и более узком планах. В широком понимании результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах. В более узком плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании почв.
5. Транспортная	Перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении	Растения – перемещают растворы солей снизу вверх; Рыбы, птицы, насекомые – в горизонтальном направлении.
	Часто такие перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных.

Дата добавления: 2015-06-27