Редуцентное звено биосферы

Существуют малозаметные или даже невидимые хранители жизни, кото­рые создают условия для ее поддержания. Это — организмы-редуценты, ко­торые, действуя специфическим образом, подвергают деструкции (т. е. рас­паду) органы отмерших животных и растений. Вещества, которые входили в их состав, вновь становятся доступными для повторного усвоения жи­вой материей.

Существует 3 основных пути возращения питательных веществ в новые циклы поглощения:

- первый соответствует пищевой цепи пастбищного типа;

- второй путь характерен для степей, лесов умеренной зоны и других сообществ, в которых основной поток энергии идет через детритную пищевую цепь;

- третий путь - прямая передача питательных веществ от организма к ор­ганизму (используется симбиотическими системами).

Подчеркнем: важнейшими свойствами любой экосистемы, а, следова­тельно, и экосистемы высшего уровня, т. е. биосферы, является участие ее живых компонентов в разложении остатков растительной биомассы. Это разложение и последующая минерализация (превращение в относитель­но простые неорганические вещества) — необходимые условия нормаль­ного хода биопродукционного процесса. В результате высвобождаются химические элементы, которые были связаны в растительной органике, благодаря чему они вновь вовлекаются в круговорот веществ, предотвра­щая истощение ресурсов питания растений, а подчас и способствуя их восстановлению.

В процессе разложения участвуют (одновременно или поочередно) многочисленные животные, грибы, бактерии, которые вместе составляют редуцентное звено глобальной экосистемы, в частности:

- грибы осуществляют деструкцию клеточных оболочек растений;

- мелкие животные измельчают и при этом частично разрушают расти­тельные и живые остатки;

- окончательное разложение до исходных веществ (воды, диоксида уг­лерода) преимущественно осуществляют редуценты-бактерии.

При этом жизнедеятельность всех организмов, которые входят в редуцентное звено, осуществляется благодаря использованию энергии тех ве­ществ, которые ранее не смогли усвоить консументы, фитофаги и зоофаги.

Рассмотрим подробнее процессы, протекающие при попадании мертвого органического вещества в почву. Все разновидности последнего подвергаются в ней биологическому разложению и окислению — гумификации, и в конце концов, превращаются в довольно стабильную субстанцию почвы — гумус.

Таким образом, образование гумуса, обеспечивающего плодородие почв, есть следствие биохимических ферментативных процессов, которые осу­ществляются обитателями почвы.

Наибольшей биомассой среди животных организмов биосферы обладают обитатели почвы. Если предположить (К.М. Сытник и др., 1987), что в среднем биомасса почвенной фауны составляет 0,3 т/га, то на площади 80 млн км³ почвенного покрова планеты (без пустынь) суммарная биомасса почвенных животных 1 всего земного шара составит 2,4 млрд т.

Численность и масса деструкторов может достигать и более значи­тельных величин (табл. 2).

Группа организмов	Количество в 1 г почвы, млн	Масса, т/га
Бактерии
Микроскопические водоросли	0,4
Водоросли	0,1	0,1
Простейшие(в 1 мл воды)	1,5	0,37

Во многих почвах распространены дождевые черви, количество которых может достигать под пашнями 250 тыс., а под сенокосами 2-5,6 млн штук на 1 га при массе соответственно 50-140 и 2 тыс. кг. Черви ежегодно пропускают через свой пищевари- тельный тракт до 85 т/га органического вещества, которое в переработанном виде служит исходным продуктом для и образования гумуса.

Вышеуказанные примеры говорят о той громадной, хотя и незаметной для человека, деятельности, которую осуществляют живые организмы-деструкторы. Ученые подсчитали: при потере биосферой только микроорганизмов-деструкторов всего за 10 лет на Земле скопилось бы такое количество отбросов, при котором жизнь стала бы невозможной

Однако стабильность биосферы имеет пределы, и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными последствиями. На это, в част­ности, указывает правило одного процента: изменение энергетики природ­ной системы в среднем на 1% выводит последнюю из состояния гемостаза (равновесия). Данное правило подтверждается исследованиями в области глобальной климатологии и других геофизических, а также биофизиче­ских процессов. Так, все крупные природные явления на поверхности Земли (извержения вулканов, мощные циклоны, процесс глобального фотосинтеза), как правило, имеют суммарную энергию, не превышаю­щую 1% энергии солнечного излучения, попадающего на поверхность Земли. Переход энергетики процесса за это значение обычно приводит к резким аномалиям — климатическим отклонениям, переменам в характере растительности, крупным лесным пожарам.

Все это следует учитывать при планировании отдельных видов хозяй­ственной деятельности глобального масштаба. То же самое, очевидно, относится и к военным конфликтам с использованием оружия массового поражения.

 

Биосфера и космос

На живую оболочку Земли воздействует из небесных пространств бес­конечное число излучений, из которых видимые световые составляют лишь их ничтожной частью. "Лик Земли становится видным благодаря проникающим в него световым излучениям небесных светил, главным образом Солнца", — писал В.И. Вернадский (1926). Из невидимых излуче­ний, охватывающих все пространство, известны пока немногие, их значе­ние в биосфере только начинает осознаваться.

Исходя из длины волны изучения, выделяют огромную область кос­мических излучений. Эта область, по оценкам В.И. Вернадского, "охватывает сейчас около сорока октав", причем видимая часть солнечного спектра — лишь одна из них. Космические лучи, принимаемые нашей планетой и за­метно влияющие на ее биосферу, обычно рассматриваются биологами в пре­делах от 1 -2 мм до 180 нм.

Ультрафиолетовые лучи (180—200 нм) в значительной мере задержи­ваются в разреженной части атмосферы — стратосфере. Здесь происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других космических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц, различных свечений.

Коротковолновые ультрафиолетовые излучения разрушают все живое, в то время как длинноволновые — не вредят организмам. Задерживая ко­ротковолновое излучение, стратосфера защищает от него область жизни. Поглощает эти лучи озоновой экран (о чем мы говорили выше). Жизнь, создавая биохимическим путем свободный кислород, тем самым создает защитный экран озона, предохраняющий ее от губительных излучений.

Инфракрасные тепловые излучения Солнца (1 мм — 800 нм) необхо­димы для существования жизни. Тепловая энергия Солнца превращается на Земле в механическую, химическую, электрическую и другие виды энергии. Проявления этой трансформации можно наблюдать повсюду: фотосин­тез, круговорот воды, движения ветра, морских течений и рек, разрушение скал, накопление осадков. Атмосфера, океан, озера, реки, дождь и снег производят колоссальную работу по трансформации тепловой энергии.

Однако как ультрафиолетовые, так и инфракрасные лучи Солнца уча­ствуют в биохимических процессах только косвенным путем, после того как часть энергии "извлекается" из солнечной радиации растениями.

Видимый свет — основной источник жизни на планете. Выясним, по­чему лишь малая часть космических излучений ответственна за процесс фотосинтеза, от которого зависит жизнь на Земле.

Вся биологическая активность связана в основном с длинами волн видимого света (380—750 нм). Объяснения этому феномену даются в рам­ках 2 гипотез:

- согласно первой гипотезе, живое вещество состоит из огромных моле­кул, конфигурация которых поддерживается в основном водородными и другими слабыми связями. Коротковолновые излучения с мощной энергией разрушают эти связи и выбивают электроны из атомов (ио­низирующие излучения). Энергия же излучения с длиной волны боль­ше, чем у видимого света, активно поглощается водой, которая состав­ляет основную долю массы живых организмов. Длинноволновые лучи не могут изменить структуру органических молекул. Только средневол­новые излучения видимой части спектра способны вызвать необходи­мые превращения в биологических системах;

- вторая гипотеза предполагает, что видимый свет "выбран" организма­ми как наиболее доступный. Основная часть солнечного света, дости­гающего нашей планеты, лежит в пределах именно этой области. Ко­ротковолновое излучение экранируется озоном, а значительная часть длинноволновой инфракрасной радиации поглощается водяными па­рами и углекислым газом, не успевая достигнуть земной поверхности. Видимый свет обеспечивает пригодные для жизни условия окружаю­щей среды, а живые системы соответствуют физическим условиям среды. Если бы эта взаимосвязь отсутствовала, то жизнь была бы невозможной.

С космическими излучениями планета получает новые, неизвестные для вещества свойства и формирует измененную силами космоса картину земной поверхности. Вещество биосферы становится активным и рас­пределяет аккумулированную солнечную энергию, превращая ее в дру­гую, способную производить работу.

Биосфера — это область не только вещества Земли, но и энергии, по­луденной из космоса, т. е. создание и Земли и космоса.

Итак, биосфера сочетает как сугубо земные, так и космические про­цессы, отражает их изменения в истории космоса. Биосферу нельзя по­нять, изучая явления, происходящие только в ней, без учета связей зем­ных процессов со всем космическим пространством.

 

Эволюция биосферы

Начало эволюции (от лат. evolution — развитие) биосферы — это нача­ло жизни. В.И. Вернадский считал жизнь явлением вечным, подобным материи или энергии. Хотя в основе его учения о биосфере и лежат представления о глубочайшей взаимосвязи живого и неживого, он пола­гал, что барьер между косвенной и живой материей непроходим.

Возникновение жизни на Земле — вопрос дискуссионный. По мнению В.И. Вернадского, в обозримой геологической истории образование живого вещества из неживого на Земле произойти не могло. Отправной точкой его воззрения в этой области был принцип, сформулированный флорентий­ским врачом Франческо Реди: "Все живое от живого" (1668).

Доказательство тому В.И. Вернадский видел в работах Л. Пастера и П. Кюри об особенностях молекулярного строения органического вещества:

- живое вещество обладает свойством оптической дисимметрии, т. е. яв­ляется фильтром, способным отделять правовращающиеся молекулы от левовращающихся. Благодаря концентрации молекул одинаковой сим­метрии живое вещество способно поляризовать световые лучи;

- в неживом веществе левовращающиеся и правовращающиеся молеку­лы смешаны в произвольных пропорциях.

В.И. Вернадский уделял большое внимание этому фактору, высказав гипотезу о том, что дисимметричные структуры стабильны в живом ве­ществе. Отстраняясь от каких-либо экстраполяций и гипотез, основыва­ясь только на эмпирических обобщениях, он утверждал, что на Земле нет условий, которые могли бы обеспечить возникновение жизни не биоген­ным путем из косного вещества, т. е. нет условий для абиогенеза (от греч. abiogenesis).

Позднее, под влиянием успехов в абиогенном синтезе органических веществ, он склоняется к признанию абиогенеза, но не одного какого-то вида, а сразу комплекса организмов разных геохимических функций и в условиях, предшествующих геологическому времени. В 1931 г. он утверждал, что "принцип Реди", безусловно, верен, но справедлив лишь в условиях биосферы, и даже считал возможным абиогенез в современных условиях, который, однако, нельзя наблюдать в силу недостаточности уровня знаний. В своей работе "Химическое строение биосферы Земли и ее окружения", опубликованной впервые в 1965 г., он писал: "Надо искать не следов начала жизни на нашей планете и вообще на планетах, но материально- энергетические условия для проявления планетной жизни". Таким обра­зом, В.И. Вернадский в последних своих работах допускал идею абиоге­неза в определенных условиях до геологической истории планеты.

В.И. Вернадский был уверен, что биосфера существует как минимум уже в течение 2 млрд лет. По последним косвенным данным, возраст биосферы оценивается в 4 млрд лет.

За последние десятилетия накоплено много материалов, касающихся появления жизни на Земле:

- во-первых, можно считать доказанным отсутствие жизни на Венере (от­носительно Марса такой уверенности нет), на которых В.И. Вернадский предполагал возможность существования живого вещества. Теперь изу­чено достаточно много космической материи, состоящей из различных смесей право- и левовращающихся молекул. Результаты доказывают, что земная жизнь не привнесена на Землю с ближайших планет;

- во-вторых, получены и достаточно хорошо изучены природные орга­нические вещества абиогенного происхождения. В книге М. Руттена (1974) описаны опыты по получению аминокислот из водорода,, ам­миака и метана в бескислородной среде под действием электрических разрядов и ультрафиолетового излучения. В России подобные опыты проводил А.И. Опарин (1936). Вскоре такие соединения были обна­ружены в грозовых тучах после молнии и в стерильно отобранных го­рячих вулканических пеплах (Е.К. Мархинин, 1980). При этом в оди­наковых по химическому составу органических веществах биогенного и абиогенного происхождения наблюдается дисимметрия, т. е. всегда преобладает одна группа молекул, чаще всего левовращающихся. Эти факты указывают на стирание граней между живым и его абиогенны­ми аналогами. Поэтому ученые второй половины XX в. (А.И. Опарин, Дж. Бернал, М. Руттекс, Р.С. Юнг и др.), не допуская попадания жизни на Землю с других планет, признали абиогенез на Земле.

- Ученые предполагают, что абиогенез мог происходить в условиях, от­личных от ныне существующих, при первичной бескислородной атмо­сфере. В настоящее время проблема сводится к выяснению времени пре­вращения абиогенных органических соединений в биогенные и причин появле­ния резко десимметричной структуры ДНК в живом веществе.

- Вероятно, нарушение зеркальной симметрии — необходимый этап эволюции. Физик В.И. Гольданский (1986) считает, что появление дисимметрии в органическом веществе уже обеспечивает возможность началь­ных форм размножения. В последние годы, однако, получают подтвер­ждение идеи В.И. Вернадского о возможном космическом происхожде­нии живого вещества. Исследования в Антарктиде обнаружили большое количество метеоритов на поверхности льда. В них были найдены раз­личные аминокислоты, нуклеотиды, которые не могли образоваться во льдах Антарктиды, то есть вполне допустимо, что абиогенные вещества существуют и в далеком космосе.

- Таким образом, если не живое вещество, то его "матрица" в виде абиогенного органического вещества существует в космосе и может пе­реноситься на межзвездные расстояния. Поэтому идею В.И. Вернадского о "вечности" жизни в современном представлении можно сформулиро­вать так: жизнь — это этап эволюции материи, возможность, присущая всем пространствам и временам.

- Академик Н.Н. Моисеев высказывал (1994) такую точку зрения: кар­тину мира можно представить как эволюцию единой системы Вселенной от начального взрыва до появления живого вещества и разума, а в конце концов и общества. Развитие этой системы происходит за счет внутренних взаи­модействий, присущих самой системе. Имеет место грандиозный процесс самоорганизации. в котором появление живого вещества является одним из важнейших этапов. Живое вещество определяет величины мировых кон­стант (скорость света, гравитационная постоянная), а мировые константы дают возможность возникновения живого вещества. Этот парадокс за­ставляет трактовать роль живого вещества в мироздании по-иному: мир таков потому, что мы есть. Следовательно: "Вселенная, может быть, явля­ется не самостоятельной системой, а лишь составляющей некой супер­системы, в которой одним из принципов отбора является возможность появления живого вещества" (Н.Н. Моисеев, 1994).