Живое вещество - живые организмы, населяющие нашу планету.
Масса живого вещества составляет лишь 0,01% от массы всей биосферы. Тем не менее, живое вещество биосферы - это главнейший ее компонент.
Признаки (свойства) живой материи, отличающие ее от неживой:
Определенный химический состав . Живые организмы со-стоят из тех же химических элементов, что и объекты неживой природы, однако соотношение этих элементов различно. Основными элементами живых существ являются С, О, N и Н.
Клеточное строение. Все живые организмы, кроме вирусов, имеют клеточное строение.
Обмен веществ и энергозависимость. Живые организмы являются открытыми системами, они зависят от поступления в них из внешней среды веществ и энергии.
Саморегуляция (гомеостаз). Живые организмы обладают способностью поддерживать гомеостаз -- постоянство своего химического состава и интенсивность обменных процессов.
Раздражимость. Живые организмы проявляют раздражимость, то есть способность отвечать на определенные внешние воздействия специфическими реакциями.
Наследственность. Живые организмы способны передавать признаки и свойства из поколения в поколение с помощью носителей информации - молекул ДНК и РНК.
- 7. Изменчивость. Живые организмы способны приобретать новые признаки и свойства.
- 8. Самовоспроизведение (размножение). Живые организмы способны размножаться - воспроизводить себе подобных.
- 9. Индивидуальное развитие (онтогенез). Каждой особи свойственен онтогенез - индивидуальное развитие организма от зарождения до конца жизни (смерти или нового деления). Развитие сопровождается ростом.
- 10. Эволюционное развитие (филогенез). Живой материи в целом свойственен филогенез -- историческое развитиежизни на Земле с момента ее появления до настоящего времени.
Адаптации. Живые организмы способны адаптироваться, то есть приспосабливаться к условиям окружающей среды.
Ритмичность. Живые организмы проявляют ритмичность жизнедеятельности (суточную, сезонную и др.).
Целостность и дискретность . С одной стороны, вся живая материя целостна, определенным образом организована подчиняется общим законам; с другой стороны, любая биологическая система состоит из обособленных, хотя и взаимосвязанных элементов.
Иерархичность. Начиная от биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) и кончая биосферой в целом, все живое находится в определенной соподчиненности. Функционирование биологических систем на менее сложном уровне делает возможным существование более сложного уровня.
Окружающий нас мир живых организмов биосферы представляет собой сочетание различных биологических систем разной структурной упорядоченности и разного организационного положения.
Иерархичность организации живой материи позволяет условно подразделить ее на ряд уровней.
Уровень организации живой материи - это функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей иерар-хии живого.
В настоящее время выделяют 9 уровней организации живой материи:
Молекулярный (на этом уровне происходит функционирование биологически активных крупных молекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты и др.);
Субклеточный (надмолекулярный). На этом уровне живая материя организуется в органоиды: хромосомы, клеточную мембрану и др. субклеточные структуры.
Клеточный . На этом уровне живая материя представлена клетками. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живого.
Органно-тканевый . На этом уровне живая материя орга-низуется в ткани и органы. Ткань - совокупность клеток, сход-ных по строению и функциям, а также связанных с ними меж-клеточных веществ. Орган -- часть многоклеточного организ-ма, выполняющая определенную функцию или функции.
Организменный (онтогенетический). На этом уровнехарактеризующийся всеми ее признаками.
Популяционно-видовой. На этом уровне живая материяже вида. Вид -- совокупность особей (популяций особей), спо-собных к скрещиванию с образованием плодовитого потом-ства и занимающих в природе определенную область (ареал).
Биоценотический. На этом уровне живая материя образуетбиоценозы. Биоценоз - совокупность популяции разных видов, обитающих на определенной территории.
Биогеоценотический
. На этом уровне живая материя формирует
биогеоценозы. Биогеоценоз -
совокупность биоценоза и абиотических факторов среды обитания (климат, почва).
Биосферный. На этом уровне живая материя формирует биосферу. Биосфера - оболочка Земли, преобразованная деятельностью живых организмов.
Химический состав живых организмов можно выразить в двух видах: атомный и молекулярный. Атомный (элементный) состав характеризует соотношение атомов элементов, входящих в живые организмы. Молекулярный (вещественный) состав отражает соотношение молекул веществ.
По относительному содержанию элементы, входящие в состав живых организмов, принято делить на три группы:
Макроэлементы
- О, С, Н, N (в сумме около 98-99%, их
еще называют основные),
Са, К, Si, Mg, P, S, Na, Cl, Fe
(всумме около 1-2%). Макроэлементы составляют основную мас-су процентного состава живых организмов.
Микроэлементы - Мn, Со, Zn, Cu, В, I, F и др. Их суммарное содержание в живом веществе составляет порядка 0,1 %
Ультрамикроэлементы -- Se, U, Hg, Rа, Au, Ag и др. Их содержание в живом веществе очень незначительно (менее 0,01%), а физиологическая роль для большинства из них не раскрыта.
Химические элементы, которые состав живых организмов и при этом выполняют биологические функции, называются биогенными. Даже те из них, которые содержатся в клетках в ничтожно малых количествах, ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни.
Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов и молекул неорганических и органических веществ. Важнейшие неорганические вещества в клетке -- вода и минеральные соли, важнейшие органические вещества -- углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты
Углеводы - органические соединения, содержащие в своем составе углерод, водород и кислород. Они подразделяются на простые (моносахариды) и сложные (полисахариды). Углеводы являются основным источником энергии всех форм клеточной деятельности. Они участвуют в построении прочных тканей растений (в частности, целлюлозы) и играют роль запасных питательных веществ в организмах. Углеводы являются первичным продуктом фотосинтеза зеленых растений.
Липиды - это жироподобные вещества, плохо растворимые в воде (состоят из атомов углерода и водорода). Липиды участвуют в построении клеточных перегородок (мембран), плохо проводят тепло, выполняя тем самым защитную функцию. Кроме того, липиды являются запасными питательными веществами.
Белки представляют собой сочетание протеиногенных аминокислот (20 штук) и на 30-50% состоят из АК. Белки имеют большие размеры, являясь по своей сути макромолекулами. Белки выполняют роль естественных катализаторов протекания химических процессов. В состав белков также входят металлы, такие как железо, магний, марганец.
Нуклеиновые кислоты (НК) формируют ядро клетки. Различают 2 основных вида НК: ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота и РНК - рибонуклеиновая кислота. НК регулируют процесс синтеза, осуществляют передачу наследственной информации из поколения в поколение.
Все живые организмы, обитающие на Земле, представляют собой открытые системы, зависящие от поступления вещества и энергии извне. Процесс потребления вещества и энергии называется питанием. Все живые организмы по способу питания подразделяются на автотрофные и гетеротрофные.
Автотрофы (автотрофные организмы) - организмы, использующие в качестве источника углерода углекислый газ (растения и некоторые бактерии). Иначе говоря, это организмы, способные создавать органические соединения из неорганических - углекислого газа, воды, минеральных солей (к ним относятся прежде всего растения, осуществляющие фотосинтез).
Гетеротрофы (гетеротрофные организмы) - организмы, использующие в качестве источника углерода органические соединения (животные, грибы и большинство бактерий). Иначе говоря, это организмы, не способные создавать органические вещества из неорганических, а нуждающиеся в готовых органических веществах (микроорганизмы и животные).
Четкой границы между авто- и гетеротрофами не существует. Например, эвгленовые организмы (жгутиковые) сочетают автотрофный и гетеротрофный способы питания.
По отношению к свободному кислороду организмы делятся на три группы: аэробы, анаэробы и факультативные формы.
Аэробы - организмы, способные жить только в кислородной среде (животные, растения, некоторые бактерии и грибы).
Анаэробы - организмы, неспособные жить в кислородной среде (некоторые бактерии).
Факультативные формы - организмы, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него (некоторые бактерии и грибы).
В настоящее время весь мир живых существ подразделяется на 3 большие систематические группы:
Наибольшая концентрация жизни в биосфере наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы (поверхность суши), атмосферы и гидросферы (поверхность океана), и особенно на границах трех оболочек - атмосферы, гидросферы и литосферы (прибрежные зоны). Эти места наибольшей концентрации жизни В.И. Вернадский назвал «пленками жизни». Вверх и вниз от этих поверхностей концентрация живой материи уменьшается.
К основным уникальным особенностям живого вещества, обуславливающим его крайне высокую преобразующую деятельность, можно отнести следующие:
Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. Это свойство связано как с интенсивным размножением, так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ.
Движение не только пассивное, но и активное, то есть не только под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п., но и против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков и т.п.
Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты веществ). Благодаря саморегуляции живые организмы способны поддерживать постоянный химический состав и условия внутренней среды, несмотря на значительные изменения условий внешней среды. После смерти эта способность утрачивается, а органические остатки очень быстро разрушаются. Образовавшиеся органические и неорганические вещества включаются в круговороты.
Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий (микроорганизмы встречаются в термальных источниках с температурой до 140 о С, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде).
Феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков значительнее, чем в неживом веществе.
Высокая скорость обновления живого вещества. Только небольшая часть живого вещества (доли процента) законсервирована в виде органических остатков, остальная же постоянно включается в процессы круговорота.
Все перечисленные свойства живого вещества обуславливаются концентрацией в нём больших запасов энергии.
Выделяют следующие основные геохимические функции живого вещества:
Энергетическая (биохимическая) - связывание и запасание солнечной энергии в органическим веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов.
Газовая - способность живых организмов изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. С газовой функцией связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня. Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода достигла примерно 10% от современной. Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши.
Концентрационная - «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов. Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Результат концентрационной деятельности живого вещества - образование залежей горючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т.п.
Окислительно -восстановительная - окисление и восстановление различных веществ с участием живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S, P, N и др.), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода
Деструктивная - разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты (деструкторы) - сапрофитные грибы и бактерии.
Транспортная - перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов.
Средообразующая - преобразование физико-химических параметров среды. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры.
Рассеивающая - функция, противоположная концентрационной - рассеивание веществ в окружающей среде. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п.
Информационная - накопление живыми организмами определённой информации, закрепление её в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.
Биогеохимическая деятельность человека - превращение и перемещение веществ биосферы в результате человеческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека. Например, использование концентраторов углерода - нефти, угля, газа.
Таким образом, биосфера представляет собой сложную динамическую систему, осуществляющую улавливание, накопление и перенос энергии путём обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.
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.
Живое вещество биосферы, его характеристика
В.И.Вернадский писал: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, вместе взятые».
Учение о живом веществе является одним из центральных звеньев концепции биосферы. 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». «Под именем живого вещества, - писал В. И. Вернадский в 1919 году, - я буду подразумевать всю совокупность всех организмов, растительности и животных, в том числе и человека. С геохимической точки зрения эта совокупность организмов имеет значение только той массой вещества, которая ее составляет, ее химическим составом и связанной с ней энергией. Очевидно, только с этой точки зрения имеет значение живое вещество и для почвы, так как, поскольку мы имеем дело с химией почв, мы имеем дело с частным проявлением общих геохимических процессов».
Таким образом, живое вещество - совокупность живых организмов биосферы, численно выраженная в элементарном химическом составе, массе и энергии.
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, оно 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. При этом этим клеткам изначально предначертано быть самими собой, за исключением яйцеклетки, из которой развивается целый организм.
В.И.Вернадский отмечал, что живые организмы планеты – это наиболее постоянно действующая и могущественная по своим конечным последствиям химическая сила. Он указывал, что живое вещество неотделимо от биосферы, является ее функцией и одновременно «одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты». Круговорот отдельных веществ В.И.Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Эти циклы и круговорот обеспечивают важнейшие функции живого вещества в целом. Ученый выделил пять таких функций.
Газовая функция . Осуществляется зелеными растениями, выделяющими кислород в процессе фотосинтеза, а также всеми растениями и животными, выделяющими углекислый газ в результате дыхания. Происходит также круговорот азота, связанного с деятельностью микроорганизмов. В.И.Вернадский писал, что все газы, образующиеся в биосфере, теснейшим образом связаны своим происхождением с живым веществом, всегда биогенны и изменяются главным образом биогенным путем.
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:
1. Концентрационные функции I рода, когда живым веществом концентрируются из окружающей среды те химические элементы, которые содержатся во всех без исключениях организмах (Н, С, N, O, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Fe).
2. 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.
Окислительно-восстановительная функция . Выражается в химических превращениях веществ в процессе жизнедеятельности организмов. В результате этого образуются соли, окислы, новые вещества. С данной функцией связано формирование железных и марганцевых руд, известняков и т.п.
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-ую биохимическую функцию, которая связана с питанием, дыханием и размножением организмов и II-ую биохимическую функцию, которая связана с разрушением тел живых организмов после их смерти. При этом происходит ряд биохимических превращений: живое тело – биокосное – косное.
Функция биогеохимической деятельности человека . Связана с биогенной миграцией атомов, многократно усиливающейся под влиянием хозяйственной деятельности человека и его разума. Человек в ходе своей хозяйственной деятельности разрабатывает и использует для своих нужд большое количество веществ земной коры, в т.ч. таких как уголь, газ, нефть, торф, сланцы, многие руды. Одновременно происходит атропогенное поступление в биосферу чужеродных веществ в количествах, превышающих допустимое значение. Это привело кризисному противостоянию человека и природы. Главной причиной надвигающегося экологического кризиса считается технократическая концепция, рассматривающая биосферу, с одной стороны, как источник физических ресурсов, с другой - как сточную трубу для удаления отходов.
В настоящее время мировое хозяйство ежегодно выбрасывает в атмосферу
более 250 млн тонн мелкодисперсных аэрозолей,
200 млн тонн оксида углерода,
150 млн тонн диоксида серы,
120 млн тонн золы,
более 50 млн тонн углеводородов,
2,5 млрд(!) тонн оксидов азота.
Естественный круговорот атомов в атмосфере просто не успевает за техногенными выбросами. Только за счет сжигания угля в энергетических установках в окружающую среду поступает мышьяка, урана, кадмия, бериллия в десятки раз, а ртути - в тысячи раз больше, чем вовлекается в природный биохимический круговорот.
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.
Вернадский приводит средние цифры скорости «передачи жизни в биосфере». Время захвата данным видом всей поверхности нашей планеты у разных организмов может быть выражена следующими цифрами (сутки):
Бактерия холеры (Vibrio cholerae ) 1,25
Инфузория (Lekconhrys patula ) 10,6 (максимум)
Диатомовые (Nittschia putrida ) 16,8 (максимум)
Зеленый планктон 166-183 (среднее)
Насекомые (Musca domestica ) 366
Рыбы (Pleurettes platessa ) 2159 (максимум)
Цветковые растения (Trifolium repens ) 4076
Птицы (куры) 5600-6100
Млекопитающие: крысы 2800
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 (дезоксирибонуклеиновая кислота) или РНК (рибонуклеиновая кислота), составляющей сердцевину вируса. Иногда вирусы выделяют в особое царство живой природы - Vira. Они могут размножаться только внутри определенных живых клеток. Вирусы повсеместно развиты в природе и являются опасным противником всего живого. Поселяясь в клетках живых организмов, они вызывают их смерть. Описано около 500 вирусов, поражающих теплокровных позвоночных и около 300 вирусов, нападающих на высшие растения. Более половины болезней человека обязаны своим развитием мельчайшим вирусам (они в 100 раз мельче бактерий). Достаточно назвать несколько страшных болезней, вызываемых вирусами, чтобы осознать угрозу этих мельчайших существ. Это полиомиелит, оспа, грипп, инфекционный гепатит, желтая лихорадка и др.
Клеточные формы жизни представлены прокариотами (организмы, не имеющие ограниченного мембраной ядра) и эукариотами (клетки которых содержат оформленные ядра). 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.