Живое вещество, его свойства и функции в биосфере

Живое вещество. Этот термин введен в литературу В. И. Вернадским. Под ним он понимал совокупность всех жи­вых организмов, выраженную через массу, энергию и химичес­кий состав.

Вещества неживой природы относятся к косным (напри­мер, минералы). В природе, кроме этого, довольно широко пред­ставлены биокосные вещества, образование и сложение кото­рых обусловливается живыми и косными составляющими (на­пример, почвы, воды).

Живое вещество — основа биосферы, хотя и составляет край­не незначительную ее часть. Если его выделить в чистом виде и распределить равномерно по поверхности Земли, то это будет слой около 2 см или 0,01% от массы всей биосферы. В чем же причина столь высокой химической и геологической активнос­ти живого вещества?

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 формой чрезвычайно активированной материи.

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

1. Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. В. И. Вернадский назвал это всюдностью жизни. Данное свойство дало основание В. И. Вернадскому сделать вы­вод, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным (константой). 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), 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.

5. Феноменально высокая скорость протекания реакций. Онана несколько порядков (в сотни, тысячи раз) значительнее, чем в неживом веществе. Об этом свойстве можно судить 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 (полихет) 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 чисто 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 живого веще­ства 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. По В. И. Вернадскому, по энергетической насыщенности с живым веществом может соперничать только лава, образующаяся при извержении вулканов.

Функции живого вещества. Всю деятельность живого веще­ства в биосфере можно, с определенной долей условности, све­сти к нескольким основополагающим функциям, которые позволяют значительно дополнить представление о его преобразу­ющей биосферно-геологической деятельности.

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. Это функция — одна из важнейших и будет подробнее рассмотрена в разделе энергетики экосистем.

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) 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 слоя 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, в том числе и после их смерти, 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).

Из других средообразующих свойств растительного покро­ва следует назвать очистку воздуха и вод от загрязнений, усиле­ние питания подземных водных источников (грунтовых вод), сохранение почв от разрушения (эрозии) и т.п.

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, сменен 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 один из проявлений адаптационных механизмов.