Свойства и функции живого вещества. Согласно современным взглядам (Горшков, 1990, 1995) для понимания функционирования биосферы не обязательно относить к ней абсолютно все пространство

Согласно современным взглядам (Горшков, 1990, 1995) для понимания функционирования биосферы не обязательно относить к ней абсолютно все пространство, где встречаются малейшие признаки или следы жизни. Гораздо важнее рассматривать то пространство и те вещества, которые находятся под контролем потребления, трансформации и продуцирования современными живыми организмами. Это предполагает более ограниченное описание биосферы: из нее исключаются «надсферы» и «подсферы» и оставлены только террабиосфера и часть гидробиосферы. Этот слой простирается от нескольких метров над поверхностью растительного покрова на суше или над океаном до нижнего горизонта грунтовых вод или максимального проникновения корней растений или роющих животных, а также содержит фотический слой воды в океане. За этими границами остается ничтожная часть живых организмов, но находятся огромные массивы продуктов их жизнедеятельности и в атмосфере (газы, водяной пар), и в гидросфере (растворенная, взвешенная и донная органика).

Масса живого вещества всех обитателей биосферы – менее 1013т – сравн­тельно невелика. Если ее распределить по всей поверхности планеты, то получится слой всего в 1,3 см. Эта «пленка жизни» (выражение В.И. Вернадского), составляя менее 10-6 массы других оболочек Земли, обладает несравненно большим разнообразием и обновляет свой состав в миллион раз быстрее. Поэтому «динамическая масса» живого вещества превосходит массу других геосфер Земли в объеме биосферы.

Биота биосферы обусловливает преобладающую часть химических превращений на планете, т.е. выполняет глобальную метаболическую функцию (В.И. Вернадский, 1987).

Итак, ключевую роль во всех биосферных процессах играют живые организмы и сущность этих процессов раскрывается через функции живого вещества в биосфере, обусловленные его специфическими свойствами. К таким свойствам следует отнести способность быстро осваивать свободное пространство, способность к активному движению (против действующих сил), высокую приспособительную способность организмов к различным условиям, устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти, феноменально высокие скорости биохимических реакций в живых организмах и высокую скорость обновления живого вещества в биотическом круговороте. Все эти свойства живого вещества проистекают из концентрации в нем больших запасов энергии.

Современная классификация функций живого вещества (А.В. Лапо) выделяет 10 основных функций.

1. Энергетическая функция связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, и рассеиванием. Солнце дарит Земле колоссальное количество энергии. Достигающее биосферы излучение несет энергию около 3*10²⁴Дж в год_. Только около 0,3% этой энергии непосредственно преобразуется в процессе фотосинтеза в энергию химических связей органических веществ и только 0,1% оказывается заключенной в чистой первичной продукции. Дальнейшая судьба этой энергии обусловлена передачей органического вещества пищи по каскадам трофических уровней гетеротрофов. В соответствии с законом пирамиды энергий с каждого ее уровня на последующий переходит приблизительно 10% энергии (правило 10%). Но участие разных групп гетеротрофов в деструкции органики тоже имеет похожую последовательность: около 90% энергии ЧПП освобождают микроорганизмы и грибы, менее 10% – беспозвоночные животные и не более 1% –позвоночные животные – конечные консументы. В соответствии с последней цифрой сформулировано правило 1%, со гласно которому указанное соотношение и особенно вклад конечных консументов в деструкцию (£ 1 %) является важным условием стабильности биосферы.

2. Газовая функция проявляется в способности изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В процессе фотосинтеза и дыхания растения и животные постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой. Растения сыграли решающую роль в смене восстановительной среды на окислительную в геохимической эволюции планеты и в формировании состава современной атмосферы. Только после локализации фотосинтеза в хлоропластах у разных групп водорослей около 1,5-1 млрд лет назад и последующего образования специальных органов фотосинтеза стало возможным значительное увеличение содержания О₂ в атмосфере, появление животных и заселение суши. Современные растения строго контролируют концентрации О₂ и СО₂, оптимальные для всей биоты.

3. Концентрационная функция заключается в способности живых организмах концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, поглощаемые из среды. Пропуская через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов и их соединений. Это относится не только к биосинтезу органики, но и к таким явлениям, как строительство раковин и скелетов, образование коралловых островов, толщ осадочных известняков, месторождений серы, некоторых металлических руд, скоплений железомарганцевых конкреций на дне океана и т.п. Ранние этапы биологической эволюции проходили в водной среде. Фильтруя колоссальные объемы воды, организмы научились извлекать из разбавленного водного раствора не обходимые для них вещества, многократно увеличивая их кониентрацию в своем теле. Отношение концентраций химических элементов между биотой и средой А.И. Перельман (1972) назвал биофильностью элементов (рис. 3).

Рис. 3

Биофильность элементов

4. Противоположная по результатам рассеивающая функция проявляется через питательную и транспортную деятельность организмов.

5. Окислительно-восстановительная функция выражается в интенсификации под влиянием живого вещества процессов окисления и восстановления. Она тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях. Например, молекулярный азот – один из важнейших биогенных элементов. Но живые клетки располагают настолько эффективными катализаторами-ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиогенной среде.

6. Деструктивная функция состоит в разрушении организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе после их смерти, как мертвого органического вещества, так и косных веществ.

7. Транспортная функция выражается в переносе вещества в результате активной формы движения.

8. Средообразующая функция является результатом совместного действия других функций и состоит в преобразовании физико-химических параметров среды в условия, благоприятные для существования живых организмов. Работа живого вещества направлена на обеспечение условий жизни всех ее членов,в том числе и человека. Она слагается из газовой, концентрационной, окислительно-восстановительной, биохимической и информационной функций живого вещества. Следует четко представлять себе, что окружающая нас среда – это не возникшая когда-то и непреходящая физическая данность, а живое дыхание природы, каждое мгновение создаваемое работой множества живых существ. Средообразующая функция биосферы обусловлена биотическим круговоротом веществ

9. Средорегулирующая функция –исключительно точной биотической регуляцией окружающей среды. Она задается высокой степенью замкнутости биотического круговорота – равенством скоростей синтеза и распада органических веществ.

10. Информационная функция живого вещества биосферы. Именно с появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и активная («живая») информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором.