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.
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 можно отнести следующие:
1. 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.
2. 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.
3. 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.
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 (микроорганизмы встречаются в термальных источниках с температурой до 140 о С, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде).
5. Феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков значительнее, чем в неживом веществе.
6. 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:
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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
5. 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.
6. Транспортная - перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов.
7. Средообразующая - преобразование физико-химических параметров среды. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры.
8. Рассеивающая - функция, противоположная концентрационной - рассеивание веществ в окружающей среде. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п.
9. Информационная - накопление живыми организмами определённой информации, закрепление её в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.
10. 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.
Введение
Биосфера (в современном понимании) – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Понятие «живое вещество» обозначает совокупность живых организмов биосферы. Область распространения включает нижнюю часть воздушной оболочки (атмосферы), всю водную оболочку (гидросферу), и верхнюю часть твёрдой оболочки (литосферы). Это понятие было введено В. И. Вернадским. Он отметил, что между косной, безжизненной частью биосферы, косными природными телами и живыми организмами, её населяющими идёт непрерывный обмен энергией. Живое вещество играет наиболее важную роль по сравнению с другими веществами биосферы, и выполняет рад важнейших функций.
Энергетическая функция
Энергетическая функция выполняется, прежде всего, растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия. Собственных источников энергии она не имеет и может потреблять энергию только от внешних источников. Главным источником для биосферы является Солнце. По сравнению с Солнцем, энергетический вклад других поставщиков (внутреннее тепло Земли, энергия приливов, излучение космоса) в функционирование биосферы ничтожно мал (около 0,5% от всей энергии, поступающей в биосферу). Солнечный свет для биосферы является рассеянной лучистой энергией электромагнитной природы. Почти 99% этой энергии, поступившей в биосферу, поглощается атмосферой, гидросферой и литосферой, а также участвует в вызванных ею физических и химических процессах (движение воздуха и воды, выветривание и др.) Только около 1% накапливается на первичном звене ее поглощения и передается потребителям уже в концентрированном виде. По словам Вернадского, зеленые хлорофилльные организмы, зеленые растения, являются главным механизмом биосферы, который улавливает солнечный луч и создает фотосинтезом химические тела - своеобразные солнечные консервы, энергия которых в дальнейшем становится источником действенной химической энергии биосферы, а в значительной мере - всей земной коры. Без этого процесса накопления и передачи энергии живым веществом невозможно было бы развитие жизни на Земле и образование современной биосферы.
Каждый последующий этап развития жизни сопровождался все более интенсивным поглощением биосферой солнечной энергии. Одновременно нарастала энергоемкость жизнедеятельности организмов в изменяющейся природной среде, и всегда накопление и передачу энергии осуществляло живое вещество. Современная биосфера образовалась в результате длительной эволюции под влиянием совокупности космических, геофизических и геохимических факторов. Первоначальным источником всех процессов, протекавших на Земле, было Солнце, но главную роль в становлении и последующем развитии биосферы сыграл фотосинтез. Биологическая основа генезиса биосферы связана с появлением организмов, способных использовать внешний источник энергии, в данном случае энергию Солнца, для образования из простейших соединений органических веществ, необходимых для жизни.
Под фотосинтезом понимается превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами при участии энергии света и поглощающих свет пигментов (хлорофилл и др.) простейших соединений (воды, углекислого газа и минеральных элементов) в сложные органические вещества, необходимые для жизнедеятельности всех организмов. Процесс протекает следующим образом. Фотон солнечного света взаимодействует с молекулой хлорофилла, содержащегося в хлоропласте зеленого листа, в результате чего высвобождается электрон одного из ее атомов. Этот электрон, перемещаясь внутри хлоропласта, реагирует с молекулой АДФ, которая, получив достаточную дополнительную энергию, превращается в молекулу АТФ – вещества, являющегося энергоносителем. Возбужденная молекула АТФ в живой клетке, содержащей воду и диоксид углерода, способствует образованию молекул сахара и кислорода, а сама при этом утрачивает часть энергии и превращается вновь в молекулу АДФ.
В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно усваивает около двухсот миллиардов тонн углекислого газа и выделяет в атмосферу примерно сто сорок пять миллиардов тонн свободного кислорода, при этом образуется более ста миллиардов тонн органического вещества. Если бы не жизнедеятельность растений, исключительно активные молекулы кислорода вступили бы в различные химические реакции, и свободный кислород исчез бы из атмосферы примерно за десять тысяч лет. К сожалению, варварское сокращение человеком массивов зеленого покрова планеты являет реальную угрозу уничтожения современной биосферы. В процессе фотосинтеза одновременно с накоплением органического вещества и продуцированием кислорода растения поглощают часть солнечной энергии и удерживают ее в биосфере. На фотосинтез используется около 1% солнечной энергии, падающей на Землю. Возможно, этот низкий показатель связан с малой концентрацией углекислого газа в атмосфере и гидросфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы суши и океана связывают около 3 1018 кДж солнечной энергии, что примерно в десять раз больше той энергии, которая используется человечеством.
В отличие от зеленых растений некоторые группы бактерий синтезируют органическое вещество за счет не солнечной энергии, а энергии, выделяющейся в процессе реакций окисления серных и азотных соединений. Этот процесс именуется хемосинтезом. В накоплении органического вещества в биосфере он, по сравнению с фотосинтезом, играет ничтожно малую роль. Внутри экосистемы энергия в виде пищи распределяется между животными. Синтезированные зелеными растениями и хемобактериями органические вещества (сахара, белки и др.), последовательно переходя от одних организмов к другим в процессе их питания, переносят заключенную в них энергию. Растения поедают растительноядные животные, которые в свою очередь становятся жертвами хищников и т. д. Этот последовательный и упорядоченный поток энергии является следствием энергетической функции живого вещества в биосфере.
Деструктивная функция
Минерализация органических веществ, разложение отмершей органики до простых неорганических соединений, химическое разложение горных пород, вовлечение образовавшихся минералов в биотический круговорот определяет деструктивную (разрушительную) функцию живого вещества. Данную функцию в основном выполняют грибы, 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. Этим занимается специальная группа организмов - редуценты (деструкторы).
Особо следует сказать о химическом разложении горных пород. Благодаря живому веществу биотический круговорот пополняется минералами, высвобождаемыми из литосферы. Например, плесневый грибок в лабораторных условиях за неделю высвобождал из вулканической горной породы 3 % содержащегося в ней кремния, 11% алюминия, 59 % магния, 64 % железа. Сильнейшее химическое воздействие на горные породы растворами целого комплекса кислот - угольной, азотной, серной и разнообразных органических оказывают бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы и лишайники. 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. Общая масса зольных элементов, вовлекаемая ежегодно в биотический круговорот только на суше, составляет около восьми миллиардов тонн, что в несколько раз превышает массу продуктов извержения всех вулканов мира на протяжении года. Благодаря жизнедеятельности организмов-деструкторов создается уникальное свойство почв – их плодородие.
Концентрационная функция
Концентрационная (накопительная) функция - 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.
Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов - это характерная особенность 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. Вследствие этого морские организмы полезны как источник микроэлементов, но вместе с тем употребление их в пищу может грозить отравлением тяжелыми металлами или быть опасным в связи с повышенной радиоактивностью.
Средообразующая функция
Живое вещество преобразует физико-химические параметры среды в условия, благоприятные для существования организмов. В этом проявляется еще одна главная функция живого вещества - средообразующая. Например, леса регулируют поверхностный сток, увеличивают влажность воздуха, обогащают атмосферу кислородом.
Можно сказать, что средообразующая функция - совместный результат всех рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота (в ходе фотосинтеза растения выполняют газовую функцию: поглощают углекислый газ и выделяют кислород); деструктивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для организмов элементов.
Средообразующие функции живого вещества создали и поддерживают баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность условий существования организмов, в том числе человека. Вместе с тем живое вещество способно восстанавливать условия обитания, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного воздействия. Эту способность живого вещества к восстановлению благоприятных условий существования выражает принцип Ле Шателье, заимствованный из области термодинамических равновесий. Он заключается в том, что изменение любых переменных в системе в ответ на внешние возмущения происходит в направлении компенсации производимых возмущений. В теории управления аналогичное явление носит название отрицательных обратных связей. Благодаря этим связям система возвращается в первоначальное состояние, если производимые возмущения не превышают пороговых значений. Например, на повышение содержания углекислого газа в атмосфере биосфера отвечает усилением фотосинтеза, который снижает концентрацию кислорода. Таким образом, устойчивость биосферы оказывается явлением не статическим, а динамическим.
Средообразующая роль живого вещества имеет химическое проявление и выражается в соответствующих биогеохимических функциях, которые свидетельствуют об участии живых организмов в химических процессах изменения вещественного состава биосферы. В результате средообразующей функции в географической оболочке произошли следующие важнейшие события: был преобразован газовый состав первичной атмосферы; изменился химический состав вод первичного океана; образовалась толща осадочных пород в литосфере; на поверхности суши возник плодородный почвенный покров (также плодородны воды океана, рек и озер). Живое вещество выполняет следующие биогеохимические функции: газовые, концентрационные, окислительно-восстановительные, биохимические и биогеохимические, связанные с деятельностью человека.
Газовые функции заключаются в участии живых организмов в миграции газов и их превращениях. В зависимости от того, о каких газах идет речь, выделяется несколько газовых функций.
1. Кислородно-диоксидуглеродная – создание основной массы свободного кислорода на планете. Носителем данной функции является каждый зеленый организм. Выделение кислорода идет только при солнечном свете, ночью этот фотохимический процесс сменяется выделением зелеными растениями углекислого газа.
2. Диоксидуглеродная, не зависимая от кислородной – образование биогенной угольной кислоты как следствие дыхания животных, грибов и бактерий. Значение функции возрастает в области подземной тропосферы, не имеющей кислорода.
3. Озонная и пероксидводородная – образование озона (и, возможно, пероксида водорода). Биогенный кислород, переходя в озон, предохраняет жизнь от разрушительного действия радиации Солнца. Выполнение этой функции вызвало образование защитного озонового экрана.
4. Азотная – создание основной массы свободного азота тропосферы за счет выделения его азотовыделяющими бактериями при разложении органического вещества. Реакция происходит в условиях как суши, так и океана.
5. Углеводородная – осуществление превращений многих биогенных газов, роль которых в биосфере огромна. К их числу относятся, например, природный газ, терпены, содержащиеся в эфирных маслах, скипидаре и обусловливающие аромат цветов, запах хвойных.
Вследствие выполнения живым веществом газовых биогеохимических функций в течение геологического развития Земли сложились современный химический состав атмосферы с уникально высоким содержанием кислорода и низким содержанием углекислого газа, а также умеренные температурные условия. В соответствии с гипотезой О. Г. Сорохтина, не весь кислород атмосферы имеет биогенное происхождение, 30% его поступило в воздушный бассейн в результате дегазации недр. Рассмотрим влияние средообразующей функции организмов на содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере. Повышение концентрации кислорода в атмосфере вызывает "парниковый эффект" и способствует потеплению климата. Свободный кислород выделяется при фотосинтезе. Впервые на Земле массовое развитие фотосинтезирующих организмов - сине-зеленых водорослей - имело место два с половиной миллиарда лет назад. Благодаря этому в атмосфере появился кислород, что дало импульс быстрому развитию животных. Однако интенсивный фотосинтез сопровождался усиленным потреблением кислорода и уменьшением его содержания в атмосфере. Это привело к ослаблению "парникового эффекта", резкому похолоданию и первому в истории планеты (гуронскому) оледенению.
В наши дни накопление в атмосфере углекислого газа от сжигания углеводородного топлива рассматривается как тревожная тенденция, ведущая к потеплению климата, таянию ледников и грозящая повышением уровня Мирового океана более чем на сто метров. В связи с этим следует отметить функцию захвата и захоронения избыточной углекислоты морскими организмами путем перевода ее в соединения углекислого кальция, а также путем образования биомассы живого вещества. Вследствие выполнения окислительно-восстановительных функций осуществляются химические превращения веществ, содержащих атомы с переменной валентностью. Окислительная функция выражается в окислении с участием бактерий и, возможно, грибов всех бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере. Например, так образуются болотные железные руды, бурые железистые конкреции, ожелезненные горизонты. 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.
Биохимические функции связаны с жизнедеятельностью живых организмов – их питанием, дыханием, размножением, смертью и последующим разрушением тел. В результате происходит химическое превращение живого вещества сначала в биокосное, а затем, после умирания, в косное. Следует различать разрушение тел организмов после их смерти, идущее повсеместно и вызываемое микробами, грибами и некоторыми насекомыми, и разрушение, связанное с массовым захоронением растительных и животных остатков после их смерти или гибели. В последнем случае совместное или последовательное выполнение живым веществом концентрационных и биохимических функций приводит к геохимическому преобразованию литосферы.
Биогеохимические функции, связанные с деятельностью человека, обеспечили большие изменения химических и биохимических процессов в биосфере, способствуют становлению ее нового эволюционного состояния – ноосферы. Уже сегодня локальное и планетарное загрязнение в результате развития теплоэнергетики, промышленности, транспорта и сельского хозяйства может привести к необратимым последствиям в биосфере, так как человек интенсивнее, чем другие организмы, изменяет физические условия среды. Чистота морских вод - результат фильтрации, осуществляемой разнообразными организмами, но особенно зоопланктоном. Большинство из этих организмов добывает пищу, отцеживая из воды мелкие частицы. Работа их настолько интенсивна, что весь океан очищается от взвеси за 4 года. Озеро Байкал исключительной чистотой своих вод во многом обязано веслоногому рачку эпишуре, который за год трижды процеживает его воду.
Заключение
На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. Химическое состояние наружной коры нашей планеты всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами, с деятельностью которых связан великий планетарный процесс – миграция химических элементов в биосфере. Жизнь на Земле – самый выдающийся процесс на её поверхности, получающий живительную энергия Солнца и приводящий в движение (круговорот веществ) едва ли не все химические элементы таблицы Менделеева. Жизнь сводится к непрерывной последовательности роста, самовоспроизведения и синтеза сложных химических соединений. Без переноса энергии, сопровождающего эти процессы, невозможно было бы ни существование самой жизни, ни образование надорганизменных систем всех уровней организации. Если бы солнечная энергия на планете только рассеивалась, то жизнь на Земле была бы невозможной. Чтобы биосфера существовала, она должна получать и накапливать энергию извне. И эта работа выполняется живыми организмами.
Список литературы
1. Киселёв В. Н. Основы экологии: Учеб. пособие. – Минск.: Унiверсiтэцкае, 2000.
2. Лапо А.В. Следы былых биосфер. – М., 1987.
3. Петров К. М. Общая экология: взаимодействие общества и природы: Учебное пособие для вузов. – СПб.: Химия, 1
Значительную долю. Поэтому неодинакова и степень их взаимной приспособленности, а сами приспособления относительны. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Вопрос о функциях живого вещества и о многообразии видов тесно связан с проблемой происхождения жизни. Современная наука утверждает, что о жизни на нашей планете бессмысленно говорить в терминах генезиса, ведь это предполагало бы существование некоего «начала», то...
Как территории континентов, так и океанические пространства. В третьих - постоянством в многолетнем режиме величины солнечной радиации - энергетической основы развития жизни и биогеохимической миграции на Земле. Ранее мы останавливались на свойствах живого вещества. Вернемся еще раз к рассмотрению различия между живыми и косными естественными телами в их проявлениях в биосфере, вслед за В.И. ...
Организмов. Функции биосферы системный подход. Функция биологических систем - свойство направлять свою деятельность к достижению определенных полезных для них результатов приспособительного значения. ФУНКЦИЯ БИОСФЕРЫ - выражается как специфика направления развития жизни на Земле. Если направление превращений вещества и энергии в НЕЖИВОЙ природе характеризуется общим снижением уровня организации...
Полученного только в 1977 году, составляет около 300000 чел-Зв. Раздел 2. Воздействие радиации на живой организм. 2.1 Механизм воздействия радиоактивных выбросов на организм человека. Рассмотрим механизм воздействия радиации на организм человека, пути воздействия различных радиоактивных веществ на организм, их распространение в организме, депонирование, воздействие на различные...
Средообразующие функции живого вещества . Всю деятельность живых организмов в биосфере можно, с определенной долей условности, свести к нескольким основополагающим функциям, которые позволяют значительно дополнить представление об их преобразующей биосферно-геологической роли.
В. И. Вернадский выделял девять функций живого вещества: газовую, кислородную, окислительную, кальциевую, восстановительную, концентрационную и другие. В настоящее время название этих функций несколько изменено, некоторые из них объединены. Мы приводим их в соответствии с классификацией А. В. Лапо (1987).
1. Энергетическая . Связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием. Эта функция - одна из важнейших и будет подробнее рассмотрена в разделе IV .4 - энергетика экосистем.
Энергетическая функция живого вещества нашла отражение в двух биогеохимических принципах, сформулированных В.И.Вернадским. В соответствии с первым из них геохимическая биогенная энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению. Второй принцип гласит, что в процессе эволюции выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают геохимическую энергию.
2. Газовая - способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т. п.) В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси (СО 2) в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03%. Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, синтезу озона и другим процессам.
С газовой функцией в настоящее время 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 (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период в содержании кислорода связывают со временем, когда концентрация его достигла примерно 10% от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового экрана в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой возможна была жизнь).
3. Окислительно-восстановительная . 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. 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). Данный процесс в связи с деятельностью человека прогрессирует.
4. Концентрационная - способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей организмы средой на несколько порядков (по марганцу, например, в теле отдельных организмов - в миллионы раз). Результат концентрационной деятельности - залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т. п. Эту функцию живого вещества всесторонне изучает наука биоминералогия. Организмы-концентраторы используются для решения конкретных прикладных вопросов, например для обогащения руд интересующими человека химическими элементами или соединениями.
5. Деструктивная - разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как самих остатков органического вещества, так и косных веществ. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни - грибы, бактерии (деструкторы, редуценты).
6. Транспортная - перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения).
7. Средообразующая . Эта функция является в значительной мере интегративной (результат совместного действия других функций). С ней в конечном счете связано преобразование физико-химических параметров среды. Эту функцию 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. В. И. Вернадский, как отмечалось выше, почву называл биокосным телом, подчеркивая тем самым большую роль живых организмов в ее создании и существовании. Роль живых организмов в образовании почв убедительно показал Ч. Дарвин в работе «Образование растительного слоя земли деятельностью дождевых червей». Известный ученый В. В. Докучаев назвал почву «зеркалом ландшафта», подчеркивая тем самым, что она продукт основного ландшафтообразующего элемента - биоценозов и, прежде всего, растительного покрова.
Локальная средообразующая деятельность живых организмов и особенно их сообществ проявляется также в трансформации ими метеорологических параметров среды. Это прежде всего относится к сообществам с большой массой органического вещества (биомассой). Например, в лесных сообществах микроклимат существенно отличается от открытых (полевых) пространств. Здесь меньше суточные и годовые колебания температур, выше влажность воздуха, ниже содержание углекислоты в атмосфере на уровне полога, насыщенного листьями (результат фотосинтеза), и повышенное ее количество в припочвенном слое (следствие интенсивно идущих процессов разложения органического вещества на почве и в верхних горизонтах почвы).
8. Наряду с концентрационной функцией живого вещества выделяется противоположная ей по результатам - рассеивающая. Она проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина крови рассеивается, например, кровососущими насекомыми и т. п.
Важна также информационная функция живого вещества, выражающаяся в том, что живые организмы и их сообщества накапливают определенную информацию, закрепляют ее в наследственных структурах и затем передают последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.
В обобщающем виде роль живого вещества сформулирована геохимиком А. Н. Перельманом в виде «Закона биогенной миграции атомов» (В. И. Вернадского): «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества, или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом...» В соответствии с этим законом понимание процессов, протекающих в биосфере, невозможно без учета биотических и биогенных факторов. Воздействуя на живое население Земли, люди тем самым изменяют условия миграции атомов, а следовательно, воздействуют на основополагающие геологические процессы.
Книга широкого природоведческого направления, в которой в увлекательной форме изложено оригинальное учение об экологических функциях биосферы и почвы - «шагреневой кожи Земли». Показана незаменимая роль почвенного покрова в жизни и эволюции планеты и земной цивилизации. Освещено действие общих природных закономерностей в жизни биосферы и человека. Показаны пути спасения почвы - планетарного узла экологических связей. Рассмотрена проблема сохранения здоровья человека и окружающей среды.
Для широкого круга читателей - экологов, почвоведов, географов, работников сельского и лесного хозяйства, защитников природы и всех, кому небезразлична судьба нашей Земли.
Книга:
Функции мира живых организмов
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
Функции мира живых организмов
Мир живого… Фактически все, что сейчас существует и происходит на земном шаре, в той или иной мере прямо или опосредованно связано с деятельностью организмов, их прошлой и современной жизнью. По-настоящему вклад биомира в развитие биосферы оценил В.И. Вернадский (1987), им же было успешно использовано понятие биогеохимических функций живого вещества. Первейшее значение Владимир Иванович придавал участию организмов в формировании химического состава приповерхностных геосфер, особенно нижней части воздушной оболочки - тропосферы. Так, он подчеркивал, что тропосфера не есть астрономическое явление, а есть планетное явление, созданное живым веществом. Все основные газы тропосферы и более высоких слоев атмосферы - N 2 , O 2 , H 2 S, СН 4 … и их количественные соотношения - результат суммарного действия живого вещества.
Исследования последних десятилетий доказывают справедливость основных установок В.И. Вернадского и, более того, дают нам основания идти дальше и утверждать, что, по существу, ничто на Земле не минует влияния живого. Даже процессы, идущие в недрах планеты - за пределами земной коры, связаны с биомиром, так как они подпитываются энергией, освобождающейся при погребении в глубокие слои биогенных продуктов. Перечислим основные экологические функции живых организмов.
Весьма очевидны по своей важности атмосферные и гидросферные функции биомира, который осуществляет биогенизацию и регулирование состава водной и воздушной оболочек, заметно воздействует на динамику нижних слоев воздуха, участвует в перераспределении и трансформации атмосферных осадков и регулировании поверхностного и речного стока. Значимость данной группы функций покажем на следующем примере.
Атмосферные осадки… Многие из нас, слушая метеопредсказания о выпадающих на почву осадках, полагают, что Земля получила столько влаги, сколько пролилось дождя. Увы или, напротив, к счастью, дело обстоит намного сложнее, а потому интереснее. Во-первых, целительную дождевую воду старательно ждут биоперехватчики в лице трав, деревьев и кустарников. Первые порции дождя, особенно в засушливые дни, жадно поглощаются листовой поверхностью. Далее вступают травянистые стебли и деревянистые стволы, растительный опад и напочвенная подстилка, которые также стремятся зарядиться влагой. В результате, если дождь небольшой, самой почве мало что останется. Растительность выполнит функцию перераспределителя атмосферных осадков. Например, лесной полог задерживает до 30 % всех выпадающих на него осадков.
Но растительный покров не только активно перераспределяет, но и существенно трансформирует химический состав атмосферных осадков. Так, исследованиями Л.B. Медведева, Т.Е. Шитиковой, В.А. Алексеенко (1986), выполненными в южной тайге на Валдае, показано, что воды, стекающие с крон и стволов деревьев, значительно отличаются от исходных осадков, падающих на древостой. С одной стороны, эти воды обогащаются многими химическими компонентами. В них возрастает содержание калия, органического углерода и т. д. Причем рост этот различен - в 3-20 раз в кроновых водах и в 5-60 раз - в стволовых. С другой стороны, из осадков, падающих на лес, древостой извлекает недостающие ему элементы - в наибольшей степени азот, а также натрий и хлор. Исследователи приходят к выводу: «Вымывание десятков кг/га*год органических соединений придает кроновым и стволовым водам качественно новые свойства химически и биологически активных растворов, включающихся в процессы биорегуляции, почвообразования и геохимического транспорта веществ. Не менее важно химическое взаимодействие леса и осадков и для самого древостоя. Поглощение из осадков необходимых элементов питания и выделение с помощью омывающих осадков ряда элементов, в том числе избыточных и вредных продуктов обмена веществ, являются одним из важнейших механизмов саморегуляции леса, в частности его пищевого режима» (Медведев и др., 1986, с. 52).
Педосферные и литосферные функции живых организмов проявляются в том, что организмы являются ведущим фактором почвообразования и постоянно подзаряжают почвенное плодородие, оказываются агентом биохимического выветривания и преобразования пород и минералов, служат материальным источником для формирования органогенных полезных ископаемых. Отличительная особенность данных функций - теснейшая связь с жизнью почв, потому их конкретные проявления разумнее рассмотреть в следующей главе настоящей книги.
Общебиосферные и планетарные функции биомира выражаются в том, что живые организмы - это решающий фактор возникновения и сохранения развитой биосферы, основной механизм перевода материи в особое активное состояние, порождающее ошеломляющее разнообразие ее форм. Кроме того, биомир формирует энергетический банк планеты, стимулирует динамику геосфер и их компонентов и поддерживает полноценную жизнь на Земле. Из всего перечисленного поясним вклад живых организмов в возникновение и сохранение развитой, весьма сложноорганизованной биосферы.
Как и отчего возникла биосфера, благодаря каким обстоятельствам приобрела устойчивость и способность к прогрессивной эволюции, по каким законам живет и функционирует и почему до сих пор прощает человечеству эксперименты над собой? На все эти вопросы ответы пока в стадии созревания. Но одно весьма важное обстоятельство начинает достаточно отчетливо проясняться. Суть его в том, что биосфера со всеми ее важнейшими атрибутами (за вычетом того, что в ней натворил человек) создана прежде всего всем миром живых организмов в результате упорной работы на протяжении около 4 млрд лет. Да, именно столько трудились организмы над своим детищем - биосферой. Это, в частности, доказывается тем, что наиболее древние осадочные породы в Гренландии возрастом 3,8 млрд лет содержат следы биологической активности, а в кремнях возрастом 3,5 млрд лет в Австралии отмечены строматолиты и микрофоссилии трихомных микроорганизмов.
То, что биосфера со всеми составляющими (водной оболочкой, тропосферой, почвой и т. д.) есть в первую очередь порождение живых организмов, подчеркивал В.И. Вернадский: «Жизнь, живое вещество как бы само создает себе область жизни. Это характерная организованность нашей планеты» (1987, с. 225). Следует особо подчеркнуть, что область жизни не строится отдельной группой или отрядом живых существ, а созидается всей их совокупностью, всем биологическим миром Земли, представленным чрезвычайно разнообразными видами, у каждого из которых есть своя неповторимая экологическая функция, свое узаконенное эволюцией место на планете. Из признания этих убедительных установок следует, к прискорбию, весьма удручающий вывод: если человечество, даже перестав далее загрязнять среду, будет продолжать уничтожение биологических видов, оно неизбежно угробит сложноорганизованную биосферу, превратив ее в «биопримитив», неспособный произвести бесплатно воду, воздух и пищу нужного качества, так как в биосфере исчезнут необходимые «специалисты» различных профилей.
Справедливость сделанного заключения обосновывается не только общими рассуждениями, но и рядом доказанных теоретических и фактических положений. Так, уместно сослаться на универсальный принцип американского математика-теоретика Джона фон Неймана, согласно которому если уровень сложности и организованности системы становится расположенным ниже определенного минимума, то это приводит к ухудшению ее качества. И напротив, превышение минимального уровня создает условия для самообеспечения и совершенствования системы (см.: Моисеев, 1990).
Так что сохранение видов, скорости исчезновения которых стали катастрофическими, - это не просто сбережение детищ биологической эволюции, это прежде всего спасение пригодной для жизни естественной среды обитания человека.
В этой связи коснемся ноосферных функций живых организмов - их роли в жизни землян. Эти функции впечатляют даже при беглом знакомстве с ними, ведь биомир не только создает жизнепригодную для человечества среду обитания, но и снабжает его необходимыми ресурсами, является условием сохранения здоровья людей, фактором эстетического и нравственного развития человека, источником познания законов природы.
Особая роль принадлежит зеленым фотосинтезирующим растениям, дарящим нам и здоровый воздух, и вкусную пищу, и прочее, и прочее, и прочее. Не случайно В.И. Вернадский подчеркивал: «Весь животный мир, и человек в том числе, взятый в целом, требующий для своей жизни свободного кислорода, является придатком хлорофилльных организмов. Без них он не мог бы существовать. Хлорофилльные растения являются автотрофным живым веществом. В отсутствие их наземный животный мир позвоночных должен был бы исчезнуть» (1987, с. 223).
А проблема питания! Ведь благодаря растениям и получаемым из них продуктам человечество не просто не умирает с голоду, а приобретает возможность развития, комфортного житья. Например, полкилограмма хорошего хлеба - это больше чем наполовину удовлетворенная суточная потребность человека в белке, углеводах, витаминах групп В и Е, различных минеральных и балластных веществах. Как здесь не вспомнить слова К.А. Тимирязева о хлебе как выдающемся достижении людей, полученном ими благодаря наличию на земле зеленого золота: «Многим ли, действительно, приходила в голову мысль, что ломоть хорошо испеченного пшеничного хлеба составляет одно из величайших изобретений человеческого ума, одно из тех эмпирических открытий, которые позднейшим научным изысканиям приходится подтверждать и объяснять. В самом деле, из сотен тысяч растений, населяющих Землю, нужно было найти то, которое представляет наилучшее сочетание неизвестных веществ (белков и углеводов), соединенных в органах растений, легко собираемых и сохраняемых» (цит. по: Тышкевич, 1985, с. 7).
Растения не только кормят, но и уже тысячи лет лечат человека. Г.Л. Тышкевич (1985) сообщает, что в Древнем Египте репчатый лук имел не только пищевое, но и лекарственное назначение. Луковицы почитались как амулеты, которые носили воины для храбрости и чтобы не заболеть, особенно во время долгих военных походов. Луковицы содержат настолько сильные фитонциды, что амулеты, изготовленные из них, способны были предохранить человека от возбудителей тяжелых заболеваний. Аналогично использовался и чеснок. Египтяне не только употребляли его в пищу, но и натирались им (это же делали наши предки во время вспышек чумы и холеры). Чеснок наряду с луком входил в обязательный рацион легионеров Древнего Рима. Широко использовался он и в России, куда был завезен из Византии в IX–X вв. Жевание дольки чеснока в течение 3–4 мин убивает бактерии в полости рта.
К сожалению, современный человек борется со своими болезнями в основном порошково-микстурно-таблеточным методом, зачастую забывая нацело о достижениях народной медицины.
И конечно нельзя не сказать хотя бы несколько слов о бесспорном влиянии биомира на эстетическое и нравственное развитие людей и их творческую деятельность. Живая природа является главным учителем, воспитателем человека, а во многих случаях и соавтором выдающихся творений ума и сердца. Пушкин, Тургенев, Толстой, Левитан, Есенин, Пришвин… Когда мы произносим эти имена, в нашем воображении рисуется не только тот или иной гений русской культуры, но и милая одухотворенная русская природа, во многом создавшая и долгие годы питавшая творчество своих великих сыновей.
Один только небольшой исторический пример: тихий древнерусский городок Плёс на берегу Волги с великолепными зелеными холмами и березовыми рощами. Ведь именно он и его окрестная изумительная природа вдохновили Левитана на создание бессмертных творений. Только за три летних приезда (1880–1890 гг.) художник создает здесь 200 картин и этюдов. Упомянем некоторые из этих полотен: «После дождя. Плёс», «Вечер. Золотой Плёс», «Над вечным покоем», «Золотая осень. Слободка», «Березовая роща», «Осень. Мельница. Плёс». Вы обратили внимание, что в названии ряда картин упомянуто место, где они создавались? И это не случайно. Художник бесспорно чувствовал и считал, что памятник русской природы Плёс - его верный вдохновитель, соавтор и друг.
Вот мы и подошли к окончанию главы «Земля - единый организм». Были приведены разнообразные факты и доказательства теснейшей взаимосвязи атмосферы, литосферы, гидросферы, мира живых организмов и невозможности их существования друг без друга. Это бесспорный аргумент целостного устройства нашей планеты. Но экологические функции одного из важнейших компонентов биосферы - почвы оказались нерассмотренными. И сделано это умышленно. Почва является узлом планетарных связей, а потому ее роль в жизни природы уместно рассмотреть особо.
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
Суммарная биомасса живого вещества биосферы составляет 2-3 трл. т, причем 98% ее – это биомасса наземных растений. Биосферу населяют около 1 500 000 видов животных и 500 000 (350 000 – растений и 1 700 000 – животных по Ф.Н. Мильков, 1990) видов растений (Г.В. Войткевич, В.А. Вронский, 1989). В процессах самоорганизации биосферы живое вещество играет ведущую роль и выполняет следующие функции:
Энергетическую – перераспределение солнечной энергии между компонентами биосферы;
Средообразующую (газовую) – в процессе жизнедеятельности живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, метан и др.; живые организмы участвуют в миграциях газов и их превращениях; делятся на кислородно-диоксидуглеродную, диоксидуглеродную, азотную, углеводородную, озонную и пероксидводородную),
Концентрационную – извлечение и накопление живыми организмами биогенных элементов (кислорода, углерода, водорода, азота, натрия, магния, калия, алюминия, серы и др.) в концентрациях, в сотни тысяч раз превышающих их содержание в окружающей среде (в углях содержание углерода больше, чем в среднем для земной коры; в кораллах концентрируются карбонаты, формируется органогенный известняк; в диатомовых водорослях концентрируется кремний, в водорослях ламинариях – йод);
Деструктивную (проявляется в минерализации органического вещества);
Окислительно-восстановительную (заключается в химическом превращении веществ биосферы);
Биохимическую (связана с жизнедеятельностью живых организмов – их питанием, дыханием, размножением, смертью и последующим разрушением тел; в результате происходит химическое превращение живого вещества сначала в биокосное, а затем, после отмирания, в косное)
Биогеохимическая деятельность человечества (приводит к видоизменению всей планеты).
Водная функция живого вещества в биосфере связана с биогенным круговоротом воды, имеющим важное значение в круговороте воды на планете.
Выполняя перечисленные функции, живое вещество адаптируется к окружающей среде и приспосабливает её к своим биологическим (а если речь идёт о человеке, то и социальным) потребностям. При этом живое вещество и среда его обитания развиваются как единое целое, однако контроль над состоянием среды осуществляют живые организмы.
Процесс создания органического вещества в биосфере происходит одновременно с противоположными процессами потребления и разложения его гетеротрофными организмами на исходные минеральные соединения (воду, углекислый газ и др.). Так осуществляется круговорот органического вещества в биосфере при участии всех населяющих ее организмов, получивший название малого , или биологического (биотического), круговорота веществ в отличие от вызываемого солнечной энергией большого, или геологического, круговорота , наиболее ярко проявляющегося в круговороте воды и циркуляции атмосферы. Большой круговорот происходит на протяжении всего геологического развития Земли и выражается в переносе воздушных масс, продуктов выветривания, воды, растворенных минеральных соединений, загрязняющих веществ, в том числе радиоактивных.
Малый (биологический) круговорот начинается с возникновения органического вещества в результате фотосинтеза зеленых растений, то есть образования живого вещества из углекислого газа, воды и простых минеральных соединений с использованием лучистой энергии Солнца. Фотосинтез осуществляется наземными растениями, пресноводными водорослями и океаническим фитопланктоном. Образовавшиеся в листе органические вещества перемещаются в стебли и корни, где уже в синтез включаются поступившие из почвы минеральные соединения – соли азота, серы, калия, кальция, фосфора. Растения (продуценты ) извлекают из почвы в растворенном виде серу, фосфор, медь, цинк и другие элементы. Растительноядные животные (консументы первого порядка ) поглощают соединения этих элементов в виде пищи растительного происхождения. Хищники (консументы второго порядка ) питаются растительноядными животными, потребляя пищу более сложного состава, включая белки, жиры, аминокислоты и т.д. Останки животных и отмершие растения перерабатываются насекомыми, грибами, бактериями (редуцентами ), превращаясь в минеральные и простейшие органические соединения, поступающие в почву и вновь потребляемые растениями. Так начинается новый виток биологического круговорота.
В отличие от большого круговорота малый имеет разную продолжительность: различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты. Биологические круговороты вещества не замкнуты. При отмирании органического вещества в почву возвращаются не только те элементы, которые из нее забирались, но и новые, образованные самим растением. Некоторые вещества надолго выходят из круговоротов, задерживаясь в почве или образуя осадочные горные породы.
Образование и разрушение органического вещества – противоположные, но неотделимые друг от друга процессы. Ускорение или отсутствие одного из них неизбежно приведет к исчезновению жизни. Если будет происходить только накопление органического вещества, то атмосфера вскоре лишится углекислого газа, литосфера – фосфора, серы, калия. Следовательно, фотосинтез прекратится, и растения погибнут. С другой стороны, если увеличится скорость разложения, все органическое вещество быстро разложится до минеральных соединений и жизнь прекратится.
Понятие биогеохимического цикла . Обмен веществом и энергией, осуществляющийся между различными структурными частями биосферы и определяющийся жизнедеятельностью микроорганизмов, называется биогеохимическим циклом. Именно с введением В.И. Вернадским понятия «биогеохимический цикл» перестало существовать представление о круговороте веществ как о замкнутой системе. Все биогеохимические циклы составляют современную динамическую основу существования жизни, взаимосвязаны друг с другом и каждый из них играет свойственную ему роль в эволюции биосферы.
Отдельные циклические процессы, слагающие общий круговорот веществ в биосфере, не являются полностью обратимыми. Одна часть веществ в повторяющихся процессах превращения и миграции рассеивается или связывается в новых системах, другая возвращается в круговорот, но уже с новыми качественными и количественными признаками. Часть веществ может также извлекаться из круговорота, перемещаясь вследствие физико-геологических процессов в нижние горизонты литосферы или рассеиваясь в космическом пространстве. Продолжительность циклов круговорота тех или иных веществ чрезвычайно различна. Время, достаточное для полного оборота углекислого газа атмосферы через фотосинтез, составляет около 300 лет, кислорода атмосферы тоже через фотосинтез – 2000 – 2500, воды через испарение – около 1 млн. лет.
В большом и малом круговоротах участвует множество химических элементов и их соединений, но важнейшими из них являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся круговороты углерода, серы и азота (их оксиды – главнейшие загрязнители атмосферы), а также фосфора (фосфаты – главный загрязнитель вод суши). Большое значение имеют круговороты токсичных элементов – ртути (загрязнитель пищевых продуктов) и свинца (компонент бензина).