Властивості живої речовини. Загальні відомості про склад біосферних середовищ

 

Згадаємо декілька визначень живої речовини творця цього поняття В.І.Вернадського: "жива речовина біосфери є сукупністю усіх її живих організмів". Як учений, він розуміє, що об'єкт його досліджень вимагає кількісних характеристик, а тому наголошує: "Я буду називати сукупність організмів, зведених до ваги, хімічного складу і енергії, живою речовиною". Жива речовина в його розумінні - це форма активованої матерії, і її енергія тим більша, чим більша маса живої речовини.

Які ж властивості живої речовини?

1. Жива речовина біосфери характеризується величезною вільною енергією, яку можна було б порівняти хіба з. вогненним потоком лави, але енергія лави недовговічна.

2. У живій речовині, завдяки присутності ферментів, хімічні реакції відбуваються в тисячі, а деколи і мільйони разів швидше, ніж у неживій. Для життєвих процесів характерне те, що одержані організмом речовина і енергія переробляються і віддаються ним у значно більших кількостях. Наприклад, маса комах, яких з ї'дає синиця за день, дорівнює її власній масі, а деякі гусениці споживають і переробляють за добу в 200 разів більше їжі, ніж важать самі.

3. Індивідуальні хімічні елементи (білки, ферменти, а деколи й окремі мінеральні сполуки тощо) синтезуються лише в живих організмах.

4. Жива речовина намагається заповнити собою весь можливий простір.

В.І.Вернадський називає дві специфічні форми руху живої речовини:

=> пасивну, яка створюється розмноженням і притаманна як тваринним, так і рослинним організмам;

=>активну, яка здійснюється за рахунок напрямленого переміщення організмів (характерна для тварин і меншою мірою - рослин).

5. Жива речовина проявляє значно більшу морфологічну і хімічну
різноманітність, ніж нежива. В природі відомо понад 2 млн.
органічних сполук, які входять до складу живої речовини, тоді як
кількість мінералів неживої речовини становить близько 2 тис,
тобто, па три порядки нижче.

6. Жива речовина представлена дисперсними тілами -індивідуальними організмами, кожний з яких має свій власний генезис, свій генетичний склад. Розміри індивідуальних організмів коливаються від 20 нм у найдрібніших до 100 м (діапазон понад І0⁴). Найбільшими з рослин вважаються секвої, а з тварин - кити. На думку Вернадського, мінімальні і максимальні розміри організмів визначаються граничними можливостями їх газового обміну з середовищем.

7. Будучи дисперсною, жива речовина ніколи не трапляється на Землі в морфологічно чистій формі, наприклад у вигляді популяційного виду. Вона може існувати лише у вигляді біоценозу: "...навіть простенький біоценоз якогось сухого соснячка на пісочку є угрупованням, яке складається приблизно із тисячі видів живих організмів " (Тимофссв-Рисовський).

8. Принцип Реді (флорентійський академік, лікар і натураліст, 1626-1697): "все живе з живого" - є відмінною особливістю живої речовини, яка існує на Землі у формі безперервного чергування поколінь і характеризується генетичним зв'язком з живою речовиною всіх минулих геологічних епох. Неживі абіогенні речовини, як відомо, надходять до біосфери або з космосу, або ж виносяться порціями з оболонки земної кулі. Вони можуть бути аналогічні за складом, але генетичного зв 'язку в загальному випадку У них немає.

9.Жива речовина в особі конкретних організмів, на відміну від неживої, здійснює упродовж свого історичного життя грандіозну роботу. Посуші, лише біогенні речовини метабіосфери - це інтеграл маси живої речовини Землі за геологічний час, тоді як маса неживої речовини земного походження є постійною величиною в геологічній історії: 1 г архейського граніту і сьогодні залишається І г тієї ж речовини, а та ж сама маса живої речовини, тобто 1 г, протягом мільярдів років існувала за рахунок зміни поколінь і весь цей час виконувала геологічну роботу.

У доарістотелівські часи вважати, що життя починається з абіогенезу (з таких мертвих тіл природи як камінь, скеля, вода, газ, земля). Арістотель, як писав В.І.Вернадський (1969), визнавав біогенез для людини, птахів, майже всіх ссавців та деяких нижчих тварин, окремих з хребетних, багатьох рослин. Він у виняткових випадках допускав гетерогенез (різнорідне зародження) і для вищих рослин, дія тварин. Пройшло два тисячоліття з часу смерті Арістотеля, утвердився в науці принцип Реді ("все живе з живого"), але й сьогодні йде пошук взаємо­зв'язків живої і неживої речовини, які служать надійним механізмом невпинного о руху життя в біосфері.

Для того, щоб краще зрозуміти суть цих механізмів, слід з'ясувати, з яких речовин, крім живої, складається біосфера. Незважаючи на те, що уявлення про склад біосфери викладені В.І. Вернадським у праці "Хімічна будова біосфери Землі і її оточення".

__ Функції живої речовини в біосфері (за В.І. Вернадським):

--- ь газова

--- ► киснева

--- ► окислювальна

--- ► кальцієва

--- ► відновлювальна

--- ► концентраційна

--- ► руйнування органічних речовин

--- ► відновлювального розкладу

--- ► метаболізму і дихання організмів

Уся маса живої речовини, яка була на Землі хоча б протягом 1 млрд. років, вже перевищує масу земної кори. Біомаса Землі (в сухій речовині) становить 2,44-10¹² т, тобто 0,00001 % земної кори (2- 10^і9 т). Беручи до уваги, що останній мільярд років продукція земної кулі була близькою до сучасної, можна розрахувати її сумарну кількість 2.10" • 10⁹=2.10^2П т, тобто, в 10 разів більше маси земної кори. Слід брати до уваги, що жива речовина - це надзвичайно активна хімічно діюча маса, а тому стає зрозумілою і її велетенська енергетична роль.

Якщо врахувати, що на земну поверхню щорічно надходить 21-10²⁵ кДж сонячної енергії, то на поверхню, покриту зеленою рослинністю і водоймищами з їх фітопланктоном, припадає лише близько 40%, або 8,4-10²³ кДж енергії. З урахуванням витрат сонячної енергії внаслідок відбивання та інших причин, а також енергетичного виходу фотосинтез не перевищує 2%. Загальна кількість енергії, яка запасається щороку у процесі фотосинтезу, виражається величиною порядку 20,9-10²² кДж.

Усі рослинні й тваринні організми складаються з тих самих елементів, що і тіла неживої природи, але в іншому співвідношенні. В клітинах знайдено близько 90 елементів періодичної системи Д.І. Менделєєва. Найбільше (98%) у клітинах водню, кисню, вуглецю і азоту. Вміст калію, натрію, кальцію, магнію, заліза, сірки, фосфору і хлору в клітинах складає десяті та соті частки відсотка (їх називають макроелементи), а цинку, міді, йоду, фтору, брому, срібла і т.д. - ще менше (табл. 2.1.).

Елементи, вміст яких не перевищує в клітині 0,01%. називаються мікроелементами. Однак, це не означає, що вони менш потрібні організмові, ніж інші. Встановлено, що за відсутності тих чи інших мікроелементів порушується обмін речовин між клітинами організму, а це призводить до різних захворювань. Усі хімічні елементи беруть участь у побудові організму у вигляді іонів або в складі молекул неорганічних чи органічних речовин. Серед неорганічних речовин важливе значення мають вода, мінеральні солі, кислоти, основи. Вода займає до 80 % об'єму клітини і виступає в ній як внутрішній екологічний фактор -середовище, в якому знаходяться органоїди клітини, розчинник, каталізатор для реакцій обміну; створює електропровідність. В організмі вода виконує транспортну, провідну функцію, є регулятором температури. Вода в клітині перебуває у двох формах; вільній і зв'язаній. Завдяки зв'язаній воді клітина здатна витримувати низькі температури, її вміст у клітині - приблизно 5%. 95% припадає на вільну воду, яка є прекрасним розчинником, а більшість хімічних реакцій проходять тільки в розчинах. Цікава і не до кінця вивчена властивість води зберігати інформацію. Очевидно, наші далекі предки знали про цю властивість, використовуючи воду при різних замовляннях.

Більшість неорганічних речовин у клітинах міститься у вигляді солей

Таблиця 2.1.

Вміст хімічних елементів у клітині

Елементи	Кількість (у%)	Елементи	Кількість (\%)
Кисень	65-75	Кальцій	0,04-2.00
Вуглець	15-18	Магній	0,02-0,03
Водень	8-10	Натрій	0,02-0.03
Азот	1.5-3	Залізо	0,01-0,015
Фосфор	0.20-1.00	Цинк	0.0003
Копій	0,15-0.4	Мідь	0,0002
Сірка	0,15-0,2	Йод	0,0001
Хлор	0.05-0.10	Фтор	0.0001

 

- або дисоційованих на іони, або в твердому стані. Вміст катіонів і аніонів у клітині відрізняється від їхньої концентрації в навколишньому середовищі і регулюється клітинною мембраною. При загибелі клітини концентрація речовин у середовищі та цитоплазмі вирівнюється. Органічні речовини становлять 20-30% маси клітини. До них належать білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, жири, жироподібні речовини, АТФ та ін.

Кількість хімічних елементів у періодичній системі Д.І. Менделєєва – 110, а природно існуючих у біосфері складає 92 (втому числі 286 стабільних довго живучих ізотопів). Розповсюдженість їх в живій речовині, атмосфері, гідросфері й літосфері неоднакова. Як вже зазначалось, у живій речовині основну роль відіграють О (70%), С (18%), Н (10,5%) та інші біогенні елементи. У атмосфері домінують N, O, Ar, C, тобто елементи, утворюючі основні інгредієнти атмосферного повітря. Природно, що основними компонентами гідросфери, включаючи її підземну частину (гідрогеосферу), є водень та кисень, але H₂O є лише природним розчинником великого комплексу мінеральних і органічних компонентів. Найбільш складний елементний склад має літосферна частина біосфери. Для кількісної оцінки величини розповсюдження використовуються кларки, тобто середні концентрації хімічних елементів в земній корі (термін «кларк» запропонований О.Є. Ферсманом на честь американського геохіміка Ф.У. Кларка, який вперше оцінив середні значення елементів у земній корі). За даними О.П. Виноградова, найбільш високі кларки (% від ваги) характерні для таких елементів: O-47%, Si-29,5%, Al-8,05%, Fe-4,65%, Ca-2,96%, Na-2,50%, K-2,50%, Mg-1,87%, Ti-0,45%, інші елементи в сумі – 0,52%. Слід зазначити, що кисень зберігає свою головну або, щонайменше, значну роль в усіх біосферних середовищах, що вказує на значну роль цього елемента («геохімічного диктатора») у геохімічних процесах планетарного масштабу.

В.І. Вернадським виділено шість груп хімічних елементів:

1). благородні гази – He, Ne, Ar, Kr, Xe – до складу живої речовини вони не входять;

2). благородні метали – Au, Pt, Ru, Rh, Pd, Os, Ir;

3). циклічні або органогенні елементи, які беруть участь у складних процесах кругообігу і більшість з них входять до складу живої речовини (H, C, O, S, N, P і інші – усього 44 елемента).;

4). розсіяні елементи – Li, J, Br, Rb і інші (усього 11 елементів);

5). сильно радіоактивні елементи – Po, Re, Ra, Th, U і інші (усього 8 елементів);

6). рідкісноземельні елементи – La та інші (усього 13 елементів).

Із цих шести груп особливе значення для біосфери мають циклічні хімічні елементи, які беруть участь в біогеохімічних кругообігах (циклах). Стосовно до біосфери під «біогеохімічним кругообігом» мається на увазі обмін елементами між живою речовиною і неорганічним середовищем.

Розрізняють три основні типи біогеохімічних кругообігів:

- кругообіг води (О, Н та інші водорозчинні елементи);

- кругообіг елементів переважно в газовій фазі (C, O, N);

- кругообіг елементів переважно в осадочній фазі (P, S та інші біогенні елементи).

Перший тип включає рух складної природної речовини – води, в інших – рух здійснюють прості речовини, які знаходяться у різних хімічних видах під впливом біологічного і геологічного факторів. З 1944 року людина почала вводити до біогеохімічного круговороту радіоактивні елементи.