Роль живого вещества в образовании биосферы

В. И. Вернадский определил живое вещество как совокупность живых организмов, существовавших или существующих в конкретный отрезок времени и являющихся мощным геологическим фактором, формирующим облик Земли.

Чем же отличаются живые организмы от остальных природных тел и почему область, занятую жизнью, выделяют в особую оболочку- биосферу?

Основная отличительная особенность живого вещества - это способ использования энергии.
Живые организмы способны улавливать солнечную энергию, удерживать ее в виде энергии сложных органических соединений (биомассы), передавать друг другу, трансформировать в механическую, электрическую, тепловую др. В этом уникальность живых существ.

Неживые тела не способны к столь сложным преобразованиям энергии, они преимущественно рассеивают ее (камень, например, только нагревается под действием солнечной энергии, но его масса при этом не увеличивается).

Живое вещество собирает полученную им в форме солнечного света энергию и превращает ее в свободную энергию, способную совершать работу. Работа, производимая жизнью, состоит в переносе и перераспределении химических элементов в биосфере, создании из них новых тел, благодаря чему значительная часть атомов, составляющих материю земной поверхности, находится в постоянном круговороте.

Все почвы и минералы верхних слоев земной поверхности (черноземы, глины, известняки, месторождения руд, углей, нефти) образовались и продолжают создаваться только под действием жизни. Химический состав природных вод в значительной мере тоже сформирован живыми организмами, это же в полной мере относится и к составу атмосферы.

Существование живых организмов основано на потреблении энергии из внешней среды. Часть организмов непосредственно использует энергию солнечного света - это растения, другая часть - химическую энергию потребляемых веществ- это живые организмы.

В развитии биосферы исключительную роль сыграли водоросли и другие растения. Используя энергию Солнца, потребляя углекислоту из воздуха и минеральные соли, они создают органическое вещество, которое служит основой для развития всего живого на Земле, продуцируют кислород атмосферы и гидросферы, изменяя со временем состав этих геосфер, и, наконец, активно участвуют в формировании верхней части литосферы.

Биомасса сухого вещества живых организмов Земли, включающего около 500 тыс. видов растений и 1,5 млн. видов животных, чрезвычайно велика. Ежегодный прирост живого вещества на Земле составляет около 8,8 * 10¹¹ т. Через эти живые организмы прошло большое число элементов верхней части литосферы, атмосферы и гидросферы.

Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей живым веществом биосферы осуществляется ряд фундаментальных функций:

газовая – постоянный обмен газами с окружающей средой в процессах фотосинтеза у растений и дыхания растений и животных, поддержание состава атмосферы. В результате фотосинтеза в атмосфере уменьшилось содержание углерода и возросло количество кислорода;

концентрационная – биогенная миграция и избирательное накопление атомов, которые сначала концентрируются в живых организмах, а затем после их отмирания и минерализации переходят в среду.

Живые организмы способны перераспределять в биосфере различные химические элементы. Многие организмы способны накапливать в себе определенные элементы, несмотря на часто небольшое содержание их в окружающей среде. Отдельные организмы концентрируют кальций, кремний, натрий, алюминий, йод и др. Отмирая, они образуют скопления этих веществ. Возникают залежи известняков, бокситов и других полезных ископаемых. Таким образом, за миллиарды лет непрерывной «работы» живых организмов принципиально изменились физико-химические условия на Земле. Все компоненты биосферы - атмосфера, гидросфера и литосфера, в которой осадочные породы имеют многокилометровую толщину, полностью изменились как по структуре, так и по содержанию происходящих в них биогеохимических процессов. Можно утверждать, что все атомы химических элементов, составляющие живое вещество, неоднократно побывали в различных организмах во время многочисленных сложнейших круговоротов.

Для понимания сущности круговорота веществ в биосфере необходимо рассмотреть химический состав живого вещества. Основную часть его биомассы составляют кислород (70%), углерод (18%) и водород (10%). Большая часть кислорода и водорода входит в состав воды, которая является растворителем и средой для протекания биохимических реакций. На 10 других химических элементов приходится еще около 1,5% биомассы живого вещества. К этой группе относятся азот, натрий, магний, кремний, фосфор, сера, калий, кальций, железо и хлор, которые выполняют различные биологические функции. Так, азот и сера являются составными частями белков, кальций и кремний входят в состав скелетов, костей и различных защитных покровов, фосфор играет важную роль в биоэнергетике. Определенную группу составляют микроэлементы, которые содержатся в живом веществе в очень малом количестве. К ним относятся такие химические элементы, как марганец, кобальт, медь, цинк, йод и др. Микроэлементы участвуют в процессах синтеза и разложения органических веществ в составе высокоэффективных ферментов- катализаторов. Поскольку катализаторы не расходуются в процессе реакции, содержание микроэлементов в организме мало, несмотря на их, очень важную биологическую роль. Для живых организмов характерна избирательность поглощения из окружающей среды элементов. Недостаток или недоступность того или иного необходимого для жизнедеятельности элемента ограничивает их рост и размножение.

Все химические элементы, входящие в состав живых организмов и выполняющие определенные биологические функции, называются биогенными. Их обнаружено около 50. Следует отметить, что в число биогенных вошли в основном легкие химические элементы;

окислительно-восстановительная – интенсивное (намного порядков больше, чем в неживой природе) окисление и восстановление окисленных веществ в процессах ассимиляции и диссимиляции. В химических превращениях участвуют в основном вещества, содержащие атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца и др.). В результате происходит превращение большинства химических соединений. При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

Кроме того, в результате процессов разложения организмов после их смерти (деструкции) происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное. В результате образуются биокосное и биогенное вещества биосферы.

Таким образом, живое вещество биосферы контролирует все основные химические превращения в биосфере.

информационная – накопление, сохранение и передача молекулярной (генетический код, вещества-регуляторы) и сигнальной, в том числе нервной и интеллектуальной информации, необходимой для существования видов и поддержания равновесия в экосистемах.

Особенность живых организмов в их уникальной способности к самовоспроизведению, т.е. производству на протяжении многих поколений форм, практически идентичных по структуре и функционированию. Отсюда можно сделать вывод, что в составе живого вещества должны присутствовать химические соединения, обладающие способностями к самокопированию и созданию полимерных слоев и оболочек, ограждающих живое вещество от костной среды, способные аккумулировать и передавать химическую энергию, а также осуществлять химические реакции в условиях обычных температур и давлений с высокой скоростью и без образования побочных продуктов.

Такие особенности строения и функционирования живого вещества как химически активной среды ограничиваются определенным кругом химических элементов, а именно, соединениями углерода, обладающими рядом уникальных свойств.

Одно их таких свойств углерода - его способность легко образовывать «углерод – углеродные» связи, составлять полимерные кольца и цепи, содержащие не только одинарные, но и кратные «углерод – углеродные» связи, на базе которых возможно образование огромного множества органических соединений. Сера и кремний также склонны к образованию химических связей между своими атомами, но в этом отношении они сильно уступают углероду, поэтому построение живого вещества на их основе оказалось не возможным.

Среди органических соединений составляющих живое вещество, важнейшую роль играют белки и нуклеиновые кислоты.

Белки – это высокомолекулярные органические вещества, построенные из остатков 20 аминокислот. В организме человека находится свыше миллиона различных белков. Им свойственна строительная функция и роль катализаторов биохимических реакций обмена веществ в организме. Необходимость постоянного обновления белков лежит в основе обмена веществ. Но белки не способны к самокопированию. Этой особенностью обладают только нуклеиновые кислоты. Исходным носителем наследственности живых организмов является одна из нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая (ДНК). Кроме копирования своих молекул ДНК осуществляет и копирование белков.

Таким образом, функции белков и нуклеиновых кислот удачно дополняют друг друга. Нуклеиновые кислоты способны к копированию, но сами по себе не могут служить ни строительным материалом, ни катализаторами реакции, что обусловлено жесткостью конструкции полинуклеиновых цепей. Белки наоборот, имеют множество биологических функций, однако не способны к точному самокопированию.

Таковы основные функции живого вещества на нашей планете, оно химически и геологически является чрезвычайно активным.

«Прекращение жизни, - писал В.И. Вернадский, - было бы неизбежно связано с прекращением химических изменений если не всей земной коры, то, во всяком случае, ее поверхности- лика Земли, биосферы»[1].

По В. И. Вернадскому, важнейшими компонентами биосферы являются:

1. живое вещество (растения, животные, микроорганизмы);

2. биогенное вещество органического происхождения (созданное живыми организмами и состоящее из растительных и животных остатков – уголь, торф, почвенный гумус, нефть, мел, известняк и др.);

3. косное вещество – горные породы неорганического происхождения (граниты, базальты);

4. биокосное вещество – продукты распада и переработки горных осадочных пород живыми организмами (почва, почти вся вода биосферы, кора выветривания и т.д.).