7.3. Живое вещество планеты.

ФУНКЦИИ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА

Одна из особенностей живого вещества – в том, что оно выполняет химические реакции с замечательной точностью и упорядоченностью и в гораздо менее жестких условиях, чем при производстве веществ чисто химическими методами.

Александер Тодд

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».

Тогда же ученый впервые высказал мысль о совместном нахождении химических элемен­тов в живом веществе, которое определяется биологиче­скими свойствами организмов, а не химическими свой­ствами элементов. К основным таким элементам Вернадский относил С, О, Н, N, S, P, C1, К, Mg, Ca, Na, Fe, к которым обычно присоединяют еще Si, Mn, F, J, Со, В, Ва, Sr, Pb, Zn, Ag, Br, V и т. д. В живом организме всегда содержится не менее 20—25 химических элементов, эти элементы оказываются вместе после гибели живого в исключительно малых объемах, высоких концентрациях и в соотношениях, которые определяет жизнь.

Итак, живое вещество биосферы - это совокупность всех ее живых организмов. Главное предназначение живого вещества и его неотъемлемый атрибут - накопление свободной энергии в биосфере. Обычная биогеохимическая 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 XIX - начало XX века, 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 отособление 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, 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.

Основными газовыми фунциями В.И.Вернадский считал следующие.

■ Кислородно-углекислотная, носителем которой являются хлорофилльные растения. Ими создается подавляющая масса кислорода на планете. Из-за того, что ночью фотохимический процесс прекращается, а на смену ему приходит просесс образования углекислоты, эта функция называется кислородно-углекислотной.

■ Углекислотная (отдельная от кислородной). В результате жизнедеятельности животных, грибов и бактерий, создается биогенная углекислота.

■ 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.

■ Углеводородная. Биогенные газы – углеводороды – создаются живым веществом. Их роль в биосфере очень велика, но мало изучена.

■ Водная, проявляющаяся в биогенном круговороте воды. Биогенная роль водной функции проявляется в том, что состояние растительного покрова самым тесным образом связано с влажностью воздуха, содержанием воды в почве и подпочве. Наиболее ярко она выражена в лесах суши, сведение которых ведет к изменению и перестройке всего биогеохимического круговорота воды в биосфере.

■ Сероводородная и сульфидная функции. Проявляется в действии окислительно-восстановительной системы. Она играет большую роль во всех почвах, особенно в условиях щелочной и нейтральной реакции среды. В присутствии органического вещества и при недостатке кислорода в почве через цепь химических реакций образуется сероводород, который уходит в атмосферу. Система сульфаты↔сульфиды сдвигается в сторону сульфидов. При этом развивается процесс десульфирования или десульфации почвенного раствора, грунтовых или глубинных подземных вод. В результате наблюдается постепенное исчезновение из почвы сернокислых солей и подщелачивание раствора. Такие процессы характерны для луговых солончаковых почв, торфяных болот, донных отложений застойных водоемов, полей орошаемого риса.

В период просыхания переувлажненных почв наблюдается снижение доступа кислорода и уровня грунтовых вод. В связи с этим происходит сдвиг окислительно-восстановительной системы в другую сторону, в результате чего развиваются окислительные процессы. В почвах и грунтах образуются соединения серы, окисляемые в дальнейшем до серной кислоты и сульфатов. Часть серы из системы утрачивается в виде сероводорода.

Таким образом, образование сероводорода является следствием биогенной деятельности животных и бактерий почвы. Превращение органической серы бактериями и животными в конечный продукт – сероводород и восстановление минеральной серы бактериями в процессе десульфирования в сероводород – две стадии сероводородной функции живых организмов.

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 круговорт.

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.