Свойства живого вещества


При общем рассмотрении биосферы, как планетарной эко­системы, особое значение приобретает представление о ее жи­вом веществе как о некой общей живой массе планеты. Этот термин введен в литературу В.И. Вер­надским. Под ним он понимал совокупность всех живых организ­мов, выраженную как единое целое через массу, энергию и химический состав.

Согласно В.И. Вернадскому, в биосфере выделяют живое, биогенное и биокосное вещество.

Живое вещество – совокупность всех живых организмов: микроорганизмы, растения и животные, их активная биомасса. Живое вещество нашей планеты существует в виде огромного множества организмов разнообразных форм и размеров. В настоящее время на Земле существует более 2 млн. организмов, из них 0,5 млн. - растения, 1,5 млн. - животные и микроорганизмы.

Биогенное вещество образуется при отмирании организмов и последующем их частичном разложении и консервировании. Это мертвая органика, все формы детрита, а также биогенные горные породы, включая часть ископаемого топлива.

По происхождению выделяют палеобиогенное и необиогенное вещество. Первое образовано некогда живым веществом прошедших геологических эпох (нефть, каменный уголь, известняки, доломиты и др.), второе – живым веществом современной геологической эпохи как результат непосредственной жизнедеятельности (остатки отмерших организмов, продукты линьки, выделения и др.). При этом, например, органический опад может быть весьма значительным. Так, у древесных пород доля мертвого органического вещества к концу жизни превышает вес живого вещества в 3-4 раза. Ежегодный необиогенный опад составляет 50х109 т.

Биокосное вещество – смесь живого вещества и биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения. В.И. Вернадский определял биокосные тела как естественные системы, характерные для биосферы: «Это закономерные структуры, состоящие из косных и живых тел (например, почвы), причем все их физико-химические свойства требуют иногда чрезвычайно больших поправок, если при их исследовании не учтено проявление находящегося в них живого вещества». Следовательно, живое глубоко пронизывает своим преобразующим воздействием косную материю, облагораживая ее. Помимо почв, В.И. Вернадский к биокосным системам относил природные воды, илы, ландшафты, кору выветривания и саму биосферу.

Решительные отличия живого вещества от косного заключаются в следующем:

· Изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используют понятие исторического, а в косных телах – геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда в геологическом времени соответствует ста тысячам лет исторического.

· В ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывал В.И. Вернадский, проявляется, как уже отмечалось, «в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно».

· Только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизм этих изменений впервые нашли объяснение в теории происхождения видов путем естественного отбора Ч. Дарвина.

· Живые организмы изменяются в зависимости от изменений окружающей среды, адаптируются к ней и, согласно теории Дарвина, постепенное накопление именно таких изменений служит источником эволюции.

Живое вещество - основа биосферы, хотя и составляет крайне незначительную ее часть. По подсчетам ученых, его масса составляет 2423,2 млрд. т (таблица 3). Если его выделить в чистом виде и рас­пределить равномерно по поверхности Земли, то это будет слой около 2 см или крайне незначительная доля от объема всей био­сферы, толща которой измеряется десятками километров. В чем же причина столь высокой химической активности и геологической роли живого вещества?

Таблица 3 – Биомасса растений и животных наземных и водных экосистем

Среда

Организмы

Масса, 1012 т

%

Суша

Растения

2,4

99,04

Животные

0,02

0,825

Океан

Растения

0,0002

0,008

Животные

0,003

0,124

Сумма

Общая биомасса

2,4232

100

Прежде всего это связано с тем, что живые организмы, благо­даря биологическим катализаторам (ферментам), совершают, по выражению академика Л.С. Берга, с физико-химической точки зре­ния что-то невероятное. Например, они способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при обычных для при­родной среды значениях температуры и давления. В промышлен­ных условиях связывание атмосферного азота до аммиака требует температуры порядка 500°С и давления 300-500 атмосфер.

В живых организмах на порядок или несколько порядков увели­чиваются скорости химических реакций в процессе обмена веществ. В.И. Вернадский в связи с этим живое вещество назвал чрезвы­чайно активизированной материей.

К основным уникальным особен­ностям живого вещества, обусловливающим его крайне высокую средообразующую деятельность, можно отнести следующие:

1. Способность быстро занимать (осваивать) все свобод­ное пространство. В.И. Вернадский назвал это всюдностью жиз­ни. Расширяет рамки жизни латентное состояние. «Замирание» жизни (споры, семена, цисты и т.д.) ведет к ее растеканию, расширению. Всюдность жизни в биосфере обязана потенциальным воз­можностям и масштабу приспособляемости организмов, кото­рые постепенно, захватив моря и океаны, вышли на сушу и захватили ее. В.И. Вернадский считает, что этот захват про­должается. Спо­собность быстрого освоения пространства связана как с интенсив­ным размножением (некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их потенциальные воз­можности размножения; таблица 4), так и со способностью организмов ин­тенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ. Например, площадь листьев растений, произрастаю­щих на 1 га, составляет 8-10 га и более. То же относится к корне­вым системам.

2. Движение не только пассивное (под действием силы тяже­сти, гравитационных сил и т.п.), но и активное, например, против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков и т.п.

3. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты), сохраняя при этом высокую физико-химическую активность.

4. 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. Например, некоторые организмы выносят температуры, близ­кие к значениям абсолютного нуля -273 °С, микроорганизмы встре­чаются в термальных источниках с температурами до +140 °С, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде, в ледовых пан­цирях и т.п.


Таблица 4 – Время, необходимое организмам для заселения земного шара

Организм

Время

Зеленые планктонные водоросли

168-183 дня

Морские водоросли

49-79 лет

Клевер ползучий

11 лет

Бактерии:

холеры

тифа

1,25 дня

1,8 дня

Инфузория

10,6-67,3 дня

Насекомые:

муха

комар

366 дней

203 дня

Рыбы:

сельдь

камбала

треска

7-12 лет

6 лет

4 года

Куры

15-18 лет

Млекопитающие:

крысы

свинья дикая

свинья домашняя

слон индийский

8 лет

56 лет

8 лет

1000 лет

5. Феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков (в сотни, тысячи раз) значительнее, чем в неживом веществе. Через 15 сек. поглощенный зелеными листьями СО2 обнаруживается в соединениях, образующихся при фотосинтезе. Фермент каталаза при температуре 1 °С за 1 сек. разлагает около 1 млн. молекул перекиси водорода. Об этом свойстве можно судить и по скорости переработки вещества организмами в процессе жизне­деятельности. Например, гусеницы некоторых насекомых потреб­ляют за день количество пищи, которое в 100-200 раз больше веса их тела. Особенно активны организмы-грунтоеды. Дождевые чер­ви (масса их тел примерно в 10 раз больше биомассы всего чело­вечества) за 150-200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы. Такие же явления имеют место в дон­ных отложениях океана. Слой донных отложений здесь может быть представлен продуктами жизнедеятельности кольчатых чер­вей и достигать нескольких метров. Колоссальную роль по преобразованию вещества выполняют организмы, для кото­рых характерен фильтрационный тип питания. Они освобождают водные массы от взвесей, склеивая их в небольшие агрегаты и осаждая на дно.

Впечатляют примеры механической деятельности неко­торых организмов, например роющих животных (сурков, сусликов и др.), которые в результате переработки больших масс грунта со­здают своеобразный ландшафт. По представлениям В.И. Вернад­ского, практически все осадочные породы, а это слой до 3 км, на 95-99% переработаны живыми организмами. Даже такие колос­сальные запасы воды, которые имеются в биосфере, разлагаются в процессе фотосинтеза за 5-6 млн. лет, углекислота же проходит через живые организмы в процессе фотосинтеза каждые 6-7 лет.

6. Высокая скорость обновления живого вещества. Под­считано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши - 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон), - 33 дня. В ре­зультате высокой скорости обновления за всю историю существо­вания жизни общая масса живого вещества, прошедшего через био­сферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли. Только неболь­шая часть его (доли процента) законсервирована в виде органичес­ких остатков (по выражению В.И. Вернадского, «ушла в геоло­гию»), остальная же включилась в процессы круговорота.

Все перечисленные и другие свойства живого вещества обус­ловливаются концентрацией в нем больших запасов энер­гии. Согласно В.И. Вернадскому, по энергетической насыщеннос­ти с живым веществом может соперничать только лава, образую­щаяся при извержении вулканов.

Вернадский раскрывает ведущую роль живых организмов в трансформации солнечной энергии и преобразовании веществ, слагающих наружные оболочки Земли: «По существу, биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию, - пишет Вернадский, - лучи Солнца обуславливают главные черты механизма биосферы... Солнцем в корне переработан и изменен лик Земли, пронизана и охвачена вся биосфера».

Живое вещество, по словам Вернадского, выполняет косми­ческую функцию, связывая Землю с Космосом: «Вещество био­сферы благодаря им (солнечным лучам) проникнуто энергией; оно становится активным, собирает и распределяет в биосфере полученную в форме излучений энергию, превращает ее в конце концов в энергию в земной среде свободную, способ­ную производить работу... Лик Земли ими меняется, ими в значительной мере лепится. Он не есть только отражение на­шей планеты, проявление ее вещества и ее энергии - он одно­временно является и созданием внешних сил Космоса».

Вернадский подчеркивает, что, используя солнечную энер­гию, живое вещество выполняет гигантскую химическую рабо­ту. Поскольку речь идет о преобразовании живыми организма­ми земных веществ, Вернадский назвал эти процессы биогео­химическими: «Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхности. Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном, интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших сое­динений. И этот процесс длится без перерыва десятки миллио­нов лет...».