4. Биосфера – система, характеризующаяся большим разнообразием.
Разнообразие – важнейшее свойство всех экосистем. Биосфера как глобальная экосистема, характеризующаяся максимальным среди других систем разнообразием. Разнообразие рассматривается как основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом. Это условие так универсально, что сформировалось в качестве закона.
5. Важнейшее свойство биосферы – наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот вещества и связанного с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений.
Глава 2. Живое вещество биосферы
«На земной поверхности нет химической силы, могущественней по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».
Что принципиально отличает нашу планету от какой-либо другой планеты Солнечной системы? Наявность жизни. «Если бы на Земле не было жизни, лицо ее было бы точно также неизменным и химическим инертным, как недвижимое лицо Луны, как инертные обломки небесных светил».
Живое вещество биосферы есть совокупность всех ее живых организмов. Как ученый В.И. Вернадский понимает, что объект его исследований требует некоторых характеристик, а поэтому отмечает: «Я буду называть совокупность организмов, сведенных к массе, химического состава и энергии, живым веществом». Живое вещество в его понимании – это форма активной материи, и ее энергия тем больше, чем больше масса живого вещества. Понятие «живое вещество» ввел в науку В.И. Вернадский и понимал над ним совокупность всех живых организмов планеты.
Какие же свойства живого вещества?
2.1. Свойства живого вещества
1. Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией, которую можно было бы сравнить разве что с огненным потоком лавы, но энергия лавы не долговременна.
2. В живом веществе, благодаря присутствию ферментов, химические реакции происходят в тысячи, а иногда и в миллионы раз быстрее, чем в неживой. Для жизненных процессов характерно то, что полученные организмом вещества и энергия перерабатываются и отдаются в значительно больших количествах. Например, масса насекомых, которых съедает синица за день, равна ее собственной массе, а некоторые гусеницы употребляют и перерабатывают за сутки в 200 раз больше еды, чем весят сами.
3. Индивидуальные химические элементы (белки, ферменты, а иногда и отдельные минеральные соединения синтезируются только в живых организмах).
4. Живое вещество стремится заполнить собой все возможное пространство. В.И. Вернадский называет две специфические формы движения живого вещества:
а) пассивную, которая осуществляется размножением, и присуща как животным, так и растительным организмам;
б) активную, которая осуществляется за счет направленного движения организмов (меньшей мерой характера для растений).
5. Живое вещество проявляет значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. В природе известно более 2 млн. органических соединений, которые входят в состав живого вещества, тогда когда количество минералов неживого вещества составляет около 2 тыс., то есть на три порядка ниже.
6. Живое вещество представлено дисперсными телами – индивидуальными организмами, каждый из которых имеет свой собственный генезис, свой генетический состав. размеры индивидуальных организмов колеблется от 2 нм у наименьших до 100 м (диапазон более 109). Крупнейшими из растений считаются секвойи, а из животных – киты. По мнению Вернадского, минимальные и максимальные размеры организмов определяются граничными возможностями их газового обмена со средой.
7. Будучи дисперсным, живое вещество никогда не попадается на Земле в морфологически чистой форме, например в виде популяционного вида. Она может существовать только в виде биоценоза: «… даже простенький биоценоз какого-то сухого соснячка на песочке есть группировка, которая состоит приблизительно из тысячи видов живых организмов».
8. Принцип Реди (флорентийский академик, врач и натуралист, 1626-1697: «все живое из живого» - является отличительной особенностью живого вещества, которое существует на Земле в форме беспрерывного чередования поколений и характеризуется генетической связью с живым веществом всех прошлых геологических эпох. Неживые абиогенные вещества, как известно, поступают в биосферу из космоса, ним же выносятся порциями из оболочки земного шара. Они могут быть аналогичными по составу, но генетической связи в общем случае у них нет. «Принцип Реди … не указывает на невозможность абиогенеза вне биосферы или при установлении наличия в биосфере (теперь или раньше) физико-химических явлений, не принятых при научном определении этой формы организованности земной оболочки» [8].
9. Живое вещество в лице конкретных организмов, в отличие от неживого, осуществляет на протяжении своей исторической жизни грандиозную работу. По сути, только биогенные вещества метабиосферы – это интеграл массы живого вещества, тогда как масса неживого вещества земного происхождения является величиной постоянной в геологической истории: 1 г архейского гранита и сегодня остается 1 г того же вещества, а та же масса живого вещества, то есть 1 г, на протяжении миллиардов лет существовала за счет изменения поколений и все это время выполняла геологическую работу.
2.2. Функции живого вещества
Какие же функции живого вещества в биосфере?
В.И. Вернадский называет такие: а) газовая; б) кислородная; в) описательная; г) кальционная; д) восстановительная; е) концентрационная; ж) разрушения органических веществ; з) восстановительного распада; и) метаболизма и дыхания организмов.
А.В. Лапо перегруппировал названные Вернадским функции (табл. 1).
Таблица 1.
Основные функции живого вещества в биосфере
| Функции | Краткая характеристика процессов |
| Энергетическая | Поглощение солнечной энергии в процессе фотосинтеза, а химической энергии путем распада энергонасыщенных веществ; передача энергии пищевыми цепями разнородного живого вещества |
| Концентрационная | Выборочное накопление в ходе жизнедеятельности отдельных видов вещества: а) использованной для создания тела организма; б) выделенной из него в процессе метаболизма |
| Деструкционная | Минерализация небиогенного органического вещества (1); разложение неживого неорганического вещества (2); всасывание созданных веществ в биохимический круговорот (3) |
| Средообразующая | Превращение физико-химических параметров среды (главным образом за счет небиогенного вещества) |
| Транспортная | Перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении |
Первой названа энергетическая функция. «Только жизнь с его морфологическим осложнением может удерживать солнечное излучение на Земле миллионы лет, как мы увидим на примере каменного угля. Действительно, только благодаря «зеленому экрану» биосферы – фотоавтотрофам – солнечная энергия не просто отбивается от поверхности планеты, нагревая только поверхностный слой, а глубоко проникает в толщи земной коры и является энергетическим источником, по сути, для всех экзогенных процессов» [9].
Глава 3. Геохимические циклы, круговороты кислорода, углекислого газа, азота
В отличие от энергии, поступающей от Солнца, дополнительному количеству дефицитного вещества взять его неоткуда. Единственный возможный вариант – использовать вещество многократно, иначе говоря, включить его в круговорот. Конечно, ни одна отдельно взятая группа организмов не может сама «организовать» круговорот нужного элемента. Обязательно требуется несколько организмов, выполняющих совершенно разные операции, но всегда извлекающих для себя пользу. «Жизнь есть способ существования баиновых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой, причем с прекращением этого обмена веществ, прекращается и жизнь» [10].
К примеру есть организмы, не использующие солнечную энергию для построения сложных органических веществ из воды и углекислого газа – фотоавтотрофы. После их отмирания образуется запас органического вещества, представляющий немалую энергетическую ценность. Таким образом создаются условия для появления существ, которые могли бы жить за счет данного запаса (хемогетеротрофов). То, что в результате жизнедеятельности последней группы организмов получаются простые минеральные вещества (в первую очередь углекислый газ), использующиеся фотоавтотрофами в качестве строительных блоков, скорее счастливая случайность. Однако именно эта случайность обеспечила замыкание цикла миграции химических элементов.
Современные круговороты тех или иных элементов, протекающие с активным участием организмов, родилась не на пустом месте. Круговорот вещества существовал на Земле и до возникновения жизни, и определялся он исключительно физико-химическими процессами. Живые же вещества вне зависимости от того, как и когда они появились, должны были встраиваться в уже существующий круговорот. При этом движение химических элементов становилось более интенсивным и сложным.
Правда, иногда организмы, призванные разлагать органическое вещество до простых компонентов, не могли с этим справиться по каким-либо причинам (например, было слишком холодно для обмена вещества). В таком случае часть вещества надолго выпадала из круговорота. Уголь, нефть и газ – продукты подобных сбоев.
3.1. Круговорот углекислого газа
Углекислый газ входит в состав всех органических веществ, а поэтому его круговорот наиболее распространен в природе (рис. ). Он осуществляется при помощи трех групп организмов: продуцентов, консументов, редуцентов. Органическое вещество синтезируется зелеными растениями в процессе фотосинтеза из углекислого газа атмосферы, содержание которого равно лишь 0,03-0,04%.