Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Лекция №2

Биосфера: определение и структура. Живое вещество

Определение и структура биосферы

Живое вещество биосферы

Законы биогенной миграции атомов и необратимости эволюции, законы экологии Б. Коммонера

Космический корабль Земля уникален среди планет Солнечной системы. В тонком слое, где встречаются и взаимодействуют воздух, вода и земля, обитают удивительные объекты - живые существа, среди которых и мы с вами. Согласно современным представлениям, биосфера - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

По физическим природным условиям биосфера может быть подразделена на три среды: атмосферу, гидросферу и литосферу (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Общая структура Земли.

Основные компоненты геосферы Земли представлены втабл.2.1.

Пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни (В..И. Вернадский, 1926). Всю совокупность организмов на планете Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.

Косное вещество, по Вернадскому, - совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют.

Основные компоненты геосферы Земли Таблица 2.1

Биогенное вещество создается и перерабатывается жизнью, совокупностями живых организмов. Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть ). После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны.

Особой категорией является биокосное вещество. В. И. Вернадский (1926) писал, что оно «создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других». Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль.

Биокосное вещество планеты, таким образом, - это почва, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества. Следовательно, биосфера - это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. Жизнь на Земле - самый выдающийся процесс на ее поверхности, получающий живительную энергию Солнца и вводящий в движение едва ли не все химические элементы таблицы Менделеева.

Биосферу как место современного обитания организмов вместе с самими организмами можно разделить на три подсферы (рис. 2.2): аэробиосферу, населенную аэробионтами, субстратом жизни которых служит влага воздуха;

гидробиосферу - глобальный мир воды (водная оболочка Земли без подземных вод), населенный гидробионтами;

геобиосферу - верхнюю часть земной коры (литосфера), населенную геобионтами.

Гидробиосфера распадается на мир континентальных, главным образом пресных, вод - аквабиосферу (с аквабионтами)

и область морей и океанов -маринобиосферу (с маринобионтами).

Общая структура биосферы представлена на рисунке 2.2

Геобиосфера состоит: из области жизни на поверхности суши - террабиосферы (с террабионтами), которая подразделяется на:

фитосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев)

педосферу (почвы и лежащие под ними подпочвы, нередко сюда включают всю кору выветривания) с педобионтами;

узлитобиосферу - жизни в глубинах Земли (с литобионтами, живущими в порах горных пород).

Литобиосфера распадается на два слоя:

гипотеррабиосферу - слой, где возможна жизнь аэробов (или подтеррабиосфера),

теллуробиосферу - слой, где возможно обитание анаэробов (или глубинобиосфера). Жизнь в толще литосферы существует в основном в подземных водах.

В гидробиосфере слои связаны главным образом с интенсивностью света. Выделяют три слоя:

фотосферу- относительно ярко освещенный,

дисфотосферу- всегда очень сумеречный (до 1% солнечной инсоляции),

афотосферу - абсолютной темноты, где невозможен фотосинтез.

Лимитирующим фактором развития жизни в аэробиосфере служит наличие капель воды и положительных температур, а также твердых аэрозолей, поднимающихся с поверхности Земли.

От вершин деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков простирается тропобиосфера (с тропобионтами). Пространство - это более тонкий слой, чем атмосферная тропосфера.

Выше тропобиосферы лежит слой крайне разряженной микробиоты - альтобиосфера (с альтобионтами).

Над ней простирается пространство, куда жизнь проникает лишь случайно и не часто, где организмы не размножаются, - парабиосфера.

На больших высотах в горах, там, где уже невозможна жизнь высших растений и вообще организмов-продуцентов, но куда ветры приносят с более низких вертикальных поясов органическое вещество и где при отрицательных температурах воздуха еще достаточно тепла от прямой солнечной инсоляции для существования жизни, расположена высотная часть террабиосферы - эоловая зона .

Это царство членистоногих и некоторых микроорганизмов - эолобионтов.

Жизнь в океанах достигает их дна. Под ним, в базальтах, она едва ли возможна. В глубинах литосферы есть два теоретических уровня распространения жизни - изотерма 100°С, ниже которой при нормальном атмосферном давлении вода кипит, а белки свертываются, и изотерма 460°С, где при любом давлении вода превращается в пар, т. е. в жидком состоянии быть не может.

Жизнь в глубинах Земли фактически не идет дальше 3-4 км, максимум 6-7 км и лишь случайно в неактивных формах может проникнуть

глубже - в гипобиосферу («под-биосфера» - аналог парабиосферы в атмосфере).

Следует отметить, что здесь, где залегают биогенные породы, образно выражаясь, следы былых сфер, расположена метабиосфера.

Метабиосфера, начинаясь с поверхности Земли, простирается далеко вглубь литосферы, теряясь там, где процессы метаморфоза горных пород стирают признаки жизни.

Между верхней границей гипобиосферы и нижней парабиосферы лежит собственно биосфера - зубиосфера.

Ее наиболее насыщенный жизнью слой называют биофильмом, или, по В. И. Вернадскому (1926), «пленкой жизни».

Выше парабиосферы расположена апобиосфера, или «над-биосфера», где сравнительно обильны биогенные вещества (ее верхняя граница трудноуловима).

Под метабиосферой расположена абиосфера («небиосфера»).

Весь слой нынешнего или прошлого воздействия жизни на природу Земли называют мегабиосферой, а вместе

с артебиосферой (пространством человеческой экспансии в околоземной космос) - панбиосферой.

Таким образом, «поле существования жизни», особенно активной, по новейшим данным, ограничено в вертикальном пределе высотой около 6 км над уровнем моря, до которой сохраняются положительные температуры в атмосфере и могут жить хлорофиллоносные растения (6,2 км в Гималаях).

Выше, в эоловой зоне, обитают лишь жуки, ногохвостки и некоторые клещи, питающиеся зернами растительной пыльцы, спорами растений, микроорганизмами и другими органическими частицами, заносимыми ветром и т. д.

Еще выше живые организмы попадают лишь случайно (микроорганизмы могут сохранять жизнь в виде спор).

Нижний предел существования активной жизни традиционно ограничивают дном океана и изотермой 100°С в литосфере, расположенными соответственно на отметках около 11 км и, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове, около 6 км. Фактически жизнь в литосфере распространена до глубины 3-4 км. Таким образом, вертикальная мощность биосферы в океанической области Земли достигает более 17 км, в сухопутной - 12 км.

Парабиосфера еще более асимметрична, поскольку верхнюю ее границу определяет озоновый экран.

Более значительны колебания толщи мегабиосферы, охватывающей осадочные породы, но она не опускается на материках глубже отметок самых больших глубин океана, т. е. 11 км (здесь температура достигает 200°С), и не поднимается выше наибольших плотностей озонного экрана (22-24 км), следовательно, ее максимальная толщина 33-35км.

Теоретически пределы биосферы шире, поскольку в гидротермах дна океана (их назвали «черными курильщиками» из-за темного цвета извергающихся вод) на глубинах около 3 км обнаружены организмы при температуре до 250°С (рис. 2.3).

Рис. 2.3. «Черный курильщик», его высота около 120 м (для сравнения приведен силуэт «Адмиралтейства» в Санкт-Петербурге)

При давлении около 300 атмосфер вода здесь не кипит (пределы жизни ограничены точками превращения воды в пар и сворачивания белков). Перегретая жидкая вода обнаружена в литосфере до глубин 10,5 км. Глубже 25 км, по оценкам, должна существовать критическая температура 460°С, при которой при любом давлении вода превращается в пар и жизнь принципиально невозможна.

Живое вещество биосферы

Длительное время считалось, что живое отличается от неживого такими свойствами, как обмен веществ, подвижность, раздражаемость, рост, размножение, приспособляемость. Однако порознь все эти свойства встречаются и среди неживой природы, а, следовательно, не могут рассматриваться как специфические свойства живого.

Особенности живого Б. М. Медников (1982) сформулировал в виде аксиом теоретической биологии:

1. Все живые организмы оказываются единством фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в поколение (аксиома А. Вейсмана)*.

2. Генетическая программа образуется матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предшествующего поколения (аксиома Н.К. Кольцова).

3. В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате различных причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно такие изменения могут оказаться удачными в данной среде (1-я аксиома Ч. Дарвина).

4. Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипа многократно усиливаются (аксиома Н. В. Тимофеева-Ресовского).

5. Многократно усиленные изменения генетических программ подвергаются отбору условиями внешней среды (2-я аксиома Ч. Дарвина).

Из данных аксиом можно вывести все основные свойства живой природы, и в первую очередь такие, как дискретность и целостность - два фундаментальных свойства организации жизни на Земле. Среди живых систем нет двух одинаковых особей, популяций и видов. Эта уникальность проявления дискретности и целостности основана на явлении конвариантной редупликации.

Конвариантная редупликация (самовоспроизведение с изменениями ) осуществляется на основе матричного принципа (сумма трех первых аксиом). Это, вероятно, единственное специфическое для жизни, в известной для нас форме ее существования на Земле, свойство. В основе его лежит уникальная способность к самовоспроизведению основных управляющих систем (ДНК, хромосом, генов).

6. Редупликация определяется матричным принципом (аксиома Н. К. Кольцова) синтеза макромолекул (рис. 2.4).

Чтобы объяснить процессы, осуществляющиеся в пределах нашей планеты, ученым потребовалось много сотен лет. Постепенно накапливались знания, рос теоретический и фактологический материал. Сегодня людям удается найти объяснение многим природным явлениям, вмешаться в их протекание, изменить или направить.

То, какую роль во всех механизмах природы играет живой мир, также было ясно не сразу. Однако русский философ, биогеохимик В. И. Вернадский сумел создать теорию, которая стала основой и остается таковой по сей день. Именно она объясняет, что собой представляет вся наша планета, каковы в ней взаимосвязи между всеми участниками. И самое главное, именно эта теория дает ответ на вопрос о роли живых существ на планете Земля. Она получила название теории о Земли.

Биосфера и ее структура

Биосферой ученый предложил называть всю ту область живого и неживого, которая находится в тесном контакте и в результате совместной деятельности способствует формированию определенных геохимических компонентов природы.

То есть в биосферу входят следующие структурные части Земли:

• нижняя часть атмосферы до озонового слоя;
• вся гидросфера;
• верхний уровень литосферы - почва и ниже расположенные слои, до грунтовых вод включительно.

То есть это все те области, которые способны заселяться живыми организмами. Все они, в свою очередь, представляют собой совокупную биомассу, которая носит название живого вещества биосферы. Сюда относятся представители всех царств природы, а также человек. Свойства и функции живого вещества являются определяющими при характеристике биосферы в целом, так как именно оно - основной ее компонент.

Однако помимо живого, выделяют еще несколько типов веществ, составляющих рассматриваемую нами оболочку Земли. Это такие, как:

• биогенное;
• косное;
• биокосное;
• радиоактивное;
• космическое;
• свободные атомы и элементы.

Все вместе данные виды соединений и формируют окружающую среду для биомассы, условия жизни для нее. При этом представители царств природы сами оказывают немалое влияние на формирование многих видов перечисленных веществ.

В целом, все обозначенные компоненты биосферы являются совокупной массой складывающих природу элементов. Именно они вступают в тесные взаимодействия, осуществляя круговорот энергии, веществ, накапливая и перерабатывая многие соединения. Основная же единица - живое вещество. Функции живого вещества различны, но все очень важны и нужны для поддержания естественного состояния планеты.

Основатель учения о биосфере

Тот, кто создал понятие "биосфера", развил его, структурировал и полностью раскрыл, обладал незаурядным мышлением, способностью анализировать и сопоставлять факты и данные и делать логические умозаключения. Таким человеком в свое время стал В. И. Вернадский. Великий человек, естествоиспытатель, академик и ученый, основатель многих школ. Его труды стали базовой основой, на которой строятся все теории до сих пор.

Он является создателем всей биогеохимии. Его заслугой является создание минерально-сырьевой базы России (тогда СССР). Его учениками были известные в будущем ученые России и Украины.

Прогнозы Вернадского о главенствующем положении людей в системе органического мира и о том, что биосфера эволюционирует в ноосферу, имеют все основания сбыться.

Живое вещество. Функции живого вещества биосферы

Как мы уже обозначали выше, живым веществом рассматриваемой считается вся совокупность организмов, принадлежащих ко всем царствам природы. Особое же положение среди всех занимают люди. Причинами этого стало:

• потребительская позиция, а не продуцирующая;
• развитие разума и сознания.

Все остальные представители - это живое вещество. Функции живого вещества были разработаны и указаны Вернадским. Он отводил следующую роль организмам:

1. Окислительно-восстановительная.
2. Деструктивная.
3. Транспортная.
4. Средообразующая.
5. Газовая.
6. Энергетическая.
7. Информационная.
8. Концентрационная.

Самые основные функции живого вещества биосферы - газовая, энергетическая и окислительно-восстановительная. Однако и остальные тоже являются важными, обеспечивающими сложные процессы взаимодействия между всеми частями и элементами живой оболочки планеты.

Рассмотрим каждую из функций более подробно, чтобы понять, что именно подразумевается и в чем суть.

Окислительно-восстановительная функция живого вещества

Проявляется в многочисленных биохимических преобразованиях веществ внутри каждого живого организма. Ведь во всех, начиная с бактерий и заканчивая крупными млекопитающими, происходят ежесекундные реакции. В результате одни вещества превращаются в другие, какие-то распадаются на составные части.

Результатом таких процессов для биосферы является формирование биогенного вещества. Какие соединения можно привести в пример?

1. Карбонатные породы (мел, мрамор, известняки) - продукт жизнедеятельности моллюсков, многих других морских и наземных обитателей.
2. Залежи кремниевых пород - результат многовековых реакций, происходящих в панцирях и раковинах животных океанского дна.
3. Уголь и торф - результат биохимических преобразований, происходящих с растениями.
4. Нефть и другие.

Поэтому химические реакции - это основа создания многих полезных человеку и природе веществ. В этом заключаются функции живого вещества в биосфере.

Концентрационная функция

Если говорить о раскрытии понятия данной роли вещества, то следует указать на ее близкое родство с предыдущей. Проще говоря, концентрационная функция живого вещества заключается в накоплении внутри тела тех или иных элементов, атомов, соединений. В результате происходит формирование тех самых горных пород, полезных ископаемых и минералов, о которых упоминалось выше.

Накапливать в себе какие-то соединения способно каждое существо. Однако для всех степень выраженности этого разная. Например, все накапливают в себе углерод. Но далеко не каждый организм способен концентрировать около 20% железа, как это делают железобактерии.

Можно привести еще несколько примеров, четко иллюстрирующих данную функцию живого вещества.

1. Диатомовые водоросли, радиолярии - кремний.
2. - марганец.
3. Растение лобелия вздутая - хром.
4. Растение солянка - бор.

Помимо элементов, многие представители живых существ способны после отмирания формировать целые комплексы веществ.

Газовая функция вещества

Эта роль одна из основных. Ведь газообмен - жизнеобразующий процесс для всех существ. Если говорить о биосфере в целом, то газовая функция живого вещества начинается с деятельности растений, которые в улавливают диоксид углерода и выделяют достаточное количество кислорода.

Достаточное для чего? Для жизни всех тех существ, которые не способны производить его самостоятельно. А это все животные, грибы, большинство бактерий. Если же говорить о газовой функции животных, то она заключается в потреблении кислорода и выделении в окружающую среду углекислого газа в процессе дыхания.

Так создается общий круговорот, который лежит в основе жизни. Учеными доказано, что за много тысячелетий растения и другие живые существа сумели полностью модернизировать и подстроить под себя атмосферу планеты. Произошло следующее:

• концентрация кислорода стала достаточной для жизни;
• сформировался который защищает все живое от губительного космического и ультрафиолетового излучения;
• состав воздуха стал таким, какой нужен для большинства существ.

Поэтому газовая функция живого вещества биосферы и считается одной из самых главных.

Транспортная функция

Подразумевает под собой размножение и расселение организмов по разным территориям. Существуют определенные экологические законы, которым подчиняются основы распространения и транспортировки существ. Согласно им, каждая особь занимает свой ареал обитания. Существуют и конкурентные взаимоотношения, которые приводят к заселению и освоению новых территорий.

Таким образом, функции живого вещества в биосфере - это размножение и расселение с последующим формированием новых признаков.

Деструктивная роль

Это еще одна немаловажная функция, которая характерна для живых существ биосферы. Заключается она в способности распадаться на простые вещества после отмирания, то есть остановки жизненного цикла. Пока организм живет, в нем активны сложные молекулы. Когда наступает смерть, начинаются процессы деструктуризации, распада на простые составные части.

Это осуществляется специальной группой существ, именуемых детритофагами или редуцентами. К ним относятся:

• некоторые черви;
• бактерии;
• грибки;
• простейшие и другие.

Средообразующая функция

Основные функции живого вещества были бы неполными, если бы мы не указали средообразование. Что это значит? Мы уже указывали на то, что живые существа в процессе эволюции создали для себя атмосферу. То же самое они сделали и с окружающей средой.

Разрыхляя и насыщая землю минеральными соединениями, органикой, они создали для себя пригодный для жизни плодородный слой - почву. То же можно сказать и о химическом составе воды океанов и морей. То есть живые существа самостоятельно формируют для себя среды жизни. В этом и проявляется их средообразующая функция в биосфере.

Информационная роль живого вещества

Эта роль характерна именно для живых организмов, причем чем более высоко он развит, тем большую роль в качестве носителя и переработчика информации выполняет. Ни один неодушевленный предмет не способен запоминать, "записывать" на подсознании и воспроизводить в дальнейшем информацию любого рода. Это могут делать лишь живые существа.

Речь идет не только о способности говорить и мыслить. Информационная функция подразумевает явление сохранения и передачи определенных наборов знаний и признаков по наследству.

Энергетическая функция

Энергия - это самый главный источник силы, за счет которого существует живое вещество. Функции живого вещества проявляются, прежде всего, в способности перерабатывать энергию биосферы в разные формы, начиная с солнечной и заканчивая тепловой и электрической.

Больше никто так аккумулировать и изменять излучение от Солнца не может. Первым звеном здесь стоят, конечно, растения. Именно они поглощают солнечный свет непосредственно всей поверхностью зеленых Затем преобразуют его в энергию химических связей, доступную для животных. Последние же переводят ее в разные формы:

• тепловую;
• электрическую;
• механическую и другие.

Вещественный состав биосферы разнообразен. Вернадский выделяет семь глубоко разнородных частей. В настоящее время предлагается следующие основные

· Живое вещество, образованное совокупностью организмов;

· Костное вещество – неживое, образуемое без участия живых организмов (твердое, жидкое, газообразное это могут быть) основные породы, лава вулканов, метеориты);

· Биокостное вещество – совокупность живого и костного, т.е. костное вещество, преобразованное живыми организмами (вода, почва, ил, кора выветривания)

· Биогенное вещество -- это вещества, необходимые для существования живых организмов, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, известняки )

· Вещество радиоактивного распада

· Рассеянные атомы земного вещества и космических излучений

· Вещества космического происхождения в форме метеоритов и космической пыли.

Живое происходит только от живого, между ними проходит резкая граница, хотя они постоянно взаимодействуют.

Одним из центральных звеньев концепции биосферы является учение о живом веществе. Вернадский формулирует определение живого вещества. Вернадский назвал живое вещество формой чрезвычайной активности.

Живое вещество биосферы – это совокупность е живых организмов. Главное предназначение живого вещества – накопление свободной энергии. По энергетическим запасам с живым веществом может соперничать только лава, образующаяся при извержении вулканов

Отметим основные, по сути уникальные,свойства живого вещества:

1. Способность быстро занимать все свободное пространство . Вернадский назвал это свойство «всюдностью жизни». Способность быстрого освоения пространства связана с интенсивностью размножения.

2. Движение не только пассивное (под действием сил тяготения, гравитационных сил), но и активное (против течении, силы тяжести, движения воздушных потоков)

3. Высокая устойчивость при жизни, быстрое разложение после смерти

4. Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и с связи с этим освоение всех сред жизни

5. Высокая скорость протекания реакций. Скорость переработки вещества организмами в процессе жизнедеятельности. Потребление пищи в 100-200 раз превышает массу организма

6. Высокая скорость обновления живого вещества Живое вещество биосферы обновляется через 8 лет, при этом суши-14 лет, океана –33 дня. В результате этого свойства общая масса живого вещества прошедшего через биосферу примерно в 12 раз превышает массу Земли. Небольшая часть его законсервирована в виде органических остатков, остальная включена в процессы круговорота.

Всю деятельность живого вещества в биосфере можно свести к нескольким основополагающим функциям. Вернадский выделял 9 , но в настоящее время название этих функций несколько изменено и некоторые из них объединены. Классификация предложена А.В.Лапо (1987)

1. Энергетическая. Связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием.

2. Газовая . Способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. Биосфера осуществляет два глобальных процесса, определяющих газовый состав атмосферы: выделение кислорода и поглощение углекислого газа в ходе фотосинтеза, а также поглощение кислорода и выделение углекислого газа при дыхании. Эти процессы обеспечивают относительное постоянство в атмосфере двух газов, определяющих уникальные условия Земли. Так, благодаря углекислому газу в атмосфере Земли наблюдается так называемый парниковый эффект значительно смягчающий суточные колебания температур. Кислород играет не только роль важнейшего окислителя. На высотах около тридцати километров, он активно поглощает губительные ультрафиолетовые лучи. Современный уровень содержания в атмосфере СО2 составляет0,03% О2-21%В развитии биосферы отмечают два переломных периода(точки Пастера). 1 точка Пастера – когда содержание в атмосфере кислорода достигло 1% от современного уровня. Это обусловило появление аэробных организмов, т.е. способных жить в среде, содержащих кислород. Это произошло 1,2 млрд.лет назад. 2 точка Пастера – 10% от современного уровня. Это создало условия для создания озонового слоя в верхних слоях атмосферы и создались условия для выхода организмов на сушу(до этого защитным экраном от губительных ультрафиолетовых лучей была вода.)

3. Окислительно-восстановительная . Интенсификация процессов окисления, благодаря обогащению среды кислородом, и восстановления в процессе жизнедеятельности организмов. Благодаря ферментам, окислительно-восстановительные реакции в живых организмах протекают со скоростями, значительно выше, чем скорости реакций, протекающие в геологических оболочках планеты.

4. Концентрационная. Способность живых организмов накапливать в своем теле химические элементы. Результат этой функции-залежи полезных ископаемых. Содержание углерода в угле по концентрации самое высокое. Нефть – концентрат углерода и водорода, под высоким давлением. Фосфор накапливается позвоночными животными в костях (Аппатиты). Меловые отложения имеют животное происхождение. Они образованы скоплением микроскопических известковых раковин морских амеб. В течение миллионов лет меловые отложения претерпевают постепенную кристаллизацию, превращаясь в известняки и мрамор.

5. Деструктивная . Разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельностикостных веществ и остатков органических веществ. Связана с круговоротом веществ (грибы и бактерии), в результате происходит минерализация органического вещества и превращение его в косное.

6. Транспортная . Перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. (Миграции и кочевки).

7. Средообразующая . Создание природной среды и поддержание в относительно стабильном состоянии ее параметров. Почвообразовательный процесс, гумуса.

8. Рассеивающая . Рассеивание энергии по трофическим уровням, гибели организмов при перемещениях в пространстве, смене покровов.

Весьма важна информационная функция – живые организмы и их сообщества накапливают определенную информацию, закрепляют ее в наследственных структурах и передают последующим поколениям.

Длительное время считалось, чтоживое отличается отнеживого такими свойствами, как обмен веществ, подвижность, раздражаемость, рост, размножение, приспособляемость. Однако порознь все эти свойства встречаются и среди неживой природы, а следовательно, не могут рассматриваться как специфические свойства живого.

Особенности живого Б. М. Медников(1982)сформулировал в видеаксиом теоретической биологии:

1.Все живые организмы оказываются единством фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в поколение(аксиома А. Вейсмана)* .

2. Генетическая программа образуется матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предшествующего поколения(аксиома Н.К. Кольцова).

3.В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате различных причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно такие изменения могут оказаться удачными в данной среде(1-я аксиома Ч. Дарвина).

4. Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипа многократно усиливаются(аксиома Н. В. Тимофеева-Ресовского).

5.Многократно усиленные изменения генетических программ подвергаются отбору условиями внешней среды(2-я аксиома Ч. Дарвина).

Из данных аксиом можно вывести все основные свойства живой природы, и в первую очередь такие, какдискретность ицелостность- два фундаментальных свойства организации жизни на Земле. Среди живых систем нет двух одинаковых особей, популяций и видов. Эта уникальность проявления дискретности и целостности основана на явлении конвариантной редупликации.

Конвариантная редупликация (самовоспроизведение с изменениями) осуществляется на основе матричного принципа (сумма трех первых аксиом). Это, вероятно, единственное специфическое для жизни, в известной для нас форме ее существования на Земле, свойство. В основе его лежит уникальная способность к самовоспроизведению основных управляющих систем (ДНК, хромосом, генов).

Редупликация определяется матричным принципом (аксиома Н. К. Кольцова) синтеза макромолекул (рис.2.4).

Рис.2.4.Схема редупликации ДНК (по Дж. Севейдж,1969)

Примечание. Процесс связан с разделением пар оснований (аденин-тимин и гуанин-цитозин: А-Т, Г-Ц) и раскручиванием двух цепей исходной спирали. Каждая цепь используется как матрица для синтеза новой цепи

Способность ксамовоспроизведению по матричному принципу молекулы ДНК смогли выполнить роль носителя наследственности исходных управляющих систем (аксиома А. Вейсмана). Кон-вариантная редупликация означает возможность передачи по наследству дискретных отклонений от исходного состояния (мутаций), предпосылки эволюции жизни.

Живое вещество по своей массе занимает ничтожную долю по сравнению с любой из верхних оболочек земного шара. По современным оценкам, общее количество массы живого вещества в наше время равно2420млрд т. Эту величину можно сравнить с массой оболочек Земли, в той или иной степени охваченных биосферой (табл.2.2).

Таблица2.2

Масса живого вещества в биосфере

По своему активному воздействию на окружающую среду живое вещество занимает особое место и качественно резко отличается от других оболочек земного шара, так же как живая материя отличается от мертвой.

В. И. Вернадский подчеркивал, что живое вещество-самая активная форма материи во Вселенной. Оно проводит гигантскую геохимическую работу в биосфере, полностью преобразовав верхние оболочки Земли за время своего существования. Все живое вещество нашей планеты составляет1/11000000часть массы всей земной коры. В качественном же отношении живое вещество представляет собой наиболее организованную часть материи Земли.

При оценке среднего химического состава живого вещества, по данным А. П. Виноградова(1975),В. Лархера(1978)и др., главные составные части живого вещества-это элементы, широко распространенные в природе (атмосфера, гидросфера, космос): водород, углерод, кислород, азот, фосфор и сера (табл.2.3,рис.2.5).

Таблица2.3

Элементарный состав звездного и солнечного вещества в сопоставлении с составом растений и животных

Рис.2.5.Соотношение химических элементов в живом

веществе, гидросфере, литосфере и в массе Земли в целом

Живое вещество биосферы состоит из наиболее простых и наиболее распространенных в космосе атомов.

Средний элементарный состав живого вещества отличается от состава земной коры высоким содержанием углерода. По содержанию других элементов живые организмы не повторяют состава среды своего обитания. Они избирательно поглощают элементы, необходимые для построения их тканей.

В процессе жизнедеятельности организмы используют наиболее доступные атомы, способные к образованию устойчивых химических связей. Как уже было отмечено, водород, углерод, кислород, азот, фосфор и сера являются главными химическими элементами земного вещества и их называютбиофшъньши. Их атомы создают в живых организмах сложные молекулы в сочетании с водой и минеральными солями. Эти молекулярные постройки представлены углеводами, липидами, белками и нуклеиновыми кислотами. Перечисленные части живого вещества находятся в организмах в тесном взаимодействии. Окружающий нас мир живых организмов биосферы представляет собой сочетание различных биологических систем разной структурной упорядоченности и разного организационного положения. В связи с этим выделяют разные уровни существования живого вещества-от крупных молекул до растений и животных различных организаций.

1.Молекулярный (генетический)-самый низкий уровень, на котором биологическая система проявляется в виде функционирования биологически активных крупных молекул-белков, нуклеиновых кислот, углеводов. С этого уровня наблюдаются свой-.ства, характерные исключительно для живой материи: обмен веществ, протекающий при превращении лучистой и химической энергии, передача наследственности с помощью ДНК и РНК. Этому уровню свойственна устойчивость структур в поколениях.

2.Клеточный- уровень, на котором биологически активные молекулы сочетаются в-единую систему. В отношении клеточной организации все организмы подразделяются на одноклеточные и многоклеточные.

3.Тканевый- уровень, на котором сочетание однородных клеток образует ткань. Он охватывает совокупность клеток, объединенных общностью происхождения и функций.

4.Органный- уровень, на котором несколько типов тканей функционально взаимодействуют и образуют определенный орган.

5.Организменный -уровень, на котором взаимодействие ряда органов сводится в единую систему индивидуального организма. Представлен определенными видами организмов.

6.Популяционно-видовой, где существует совокупность определенных однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания. На этом уровне происходят элементарные эволюционные изменения в целом.

7.Биоценоз и биогеоценоз (экосистема)-более высокий уровень организации живой материи, объединяющий разные по видовому составу организмы. В биогеоценозе они взаимодействуют друг с другом на определенном участке земной поверхности с однородными абиотическими факторами.

8.Биосферный- уровень, на котором сформировалась природная система наиболее высокого ранга, охватывающая все проявления жизни в пределах нашей планеты. На этом уровне происходят все круговороты вещества в глобальном масштабе, связанные с жизнедеятельностью организмов.

По способу питания живое вещество подразделяется на авто-трофы и гетеротрофы.

Автотрофами (от греч.autos - сам,trof - кормиться, питаться) называют организмы, берущие нужные им для жизни химические элементы из окружающей их костной материи и не требующие для построения своего тела готовых органических соединений другого организма. Основной источник энергии, используемый автотрофами,-Солнце.

Автотрофы подразделяются на фотоавтотрофы и хемоавто-трофы.Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет,хемоавтотрофы используют энергию окисления неорганических веществ.

К автотрофным организмам относятся водоросли, наземные земные растения, бактерии, способные к фотосинтезу, а также некоторые бактерии, способные окислять неорганические вещества (хемоавтотрофы). Автотрофы являются первичными продуцентами органического вещества в биосфере.

Гетеротрофы (от греческогоgeter -другой)-организмы, нуждающиеся для своего питания в органическом веществе, образованном другими организмами. Гетеротрофы способны разлагать все вещества, образуемые автотрофами, и многие из тех, что синтезирует человек.

Живое вещество устойчиво только в живых организмах, оно стремится заполнить собой все возможное пространство. «Давлением жизни» называл данное явление В. И. Вернадский.

На Земле из существующих живых организмов наибольшей силой размножения обладает гриб-дождевик гигантский. Каждый экземпляр данного гриба может дать до7,5млрд спор. Если каждая спора послужила бы началом новому организму, то объем дождевиков уже во втором поколении в800раз превысил размеры нашей планеты.

Таким образом, наиболее общее и специфическое свойствоживого- способность к самовоспроизведению, конвариантной редупликации на основе матричного принципа. Эта способность вместе с другими особенностями живых существ и определяет существование основных уровней организации живого. Все уровни организации жизни находятся в сложном взаимодействии как части единого целого. На каждом уровне действуют свои закономерности, определяющие особенности эволюции всех форм орга

низации живого. Способность к эволюции выступает как атрибут жизни, непосредственно вытекающий из уникальной способности живого к самовоспроизведению дискретных биологических единиц. Специфические свойства жизни обеспечивают не только воспроизведение себе подобных (наследственности), но и необходимые для эволюции изменения самовоспроизводящих структур (изменчивость).

Свойства живого вещества.

Живое вещество, понятие.

Лекция 3. ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО ПЛАНЕТЫ.

Учение В.И.Вернадского гласит, что живое вещество (совокупность живых организмов) определяет и подчиняет себе всецело другие планетарные процессы. Если его равномерно распределить на поверхности Земли, то живые организмы образуют пленку толщиной 5 мм. Но, тем не менее, их роль велика. Значительное место занимает зеленое живое вещество растений, т.к. оно автотрофно и способно аккумулировать энергию Солнца и преобразовывать ее в энергию химических связей органических соединений.

Живые организмы превращают космическую лучистую энергию в земную химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Своим дыханием, питанием, метаболизмом, смертью и разложением, длящимися уже сотни миллионов лет, они порождают грандиозный планетарный процесс – миграцию химических элементов, или их круговорот.

Живое вещество, согласно теории Вернадского – биогеохимический фактор планетарного масштаба, под воздействием которого преобразуется как окружающая абиотическая сфера, так и сами живые организмы. Толщи известняков, угольные месторождения, железные руды – все это проявление деятельности силы жизни.

Живое вещество, несмотря на огромное разнообразие, едино в своей атомной основе. Атомная миграция идет не только между самими организмами, но и из организма в окружающую среду и обратно. Этого бы не было, если бы химический состав организмов не был близок к химическому составу земной коры. А химический состав последнего определяется не только геологическими причинами, но и закономерностями космического характера (например, строение атомов). Поэтому по Вернадскому жизнь – это космический процесс. В организмах преобладают легкие элементы из таблицы Менделеева: H, C, N, O, Na, Mg, P, S, К, Ca и др.

Термин «живое вещество» введен в литературу В. И. Вер­надским. Под ним он понимал совокупность всех живых организ­мов, выраженную через массу, энергию и химический состав.

По Вернадскому, живое вещество состоит из семи разнообразных, но геологически взаимосвязанных частей: живое вещество; биогенное вещество; косное вещество; биокосное вещество; радиоактивное вещество; рассеянные атомы; вещество космического происхождения. В пределах биосферы везде встречается либо живое вещество, либо следы его биогеохимической деятельности. Газы атмосферы (кислород, азот, углекислота), природные воды, равно как и каустобиолиты (нефти, угли), известняки, глины и их метаморфические производные (сланцы, мраморы, граниты и др.) в своей основе созданы живым веществом планеты. Слои земной коры, лишённые в настоящее время живого вещества, но переработанные им в геологическом прошлом, Вернадский относил к области «былых биосфер». Биосфера мозаична по структуре и составу, отражая геохимическую и геофизическую неоднородность лика Земли (океаны, озёра, горы, ущелья, равнины и т.д.) и неравномерность в распределении живого вещества по планете как в прошлые эпохи, так и в наше время. Максимальное содержание живого вещества гидросферы приурочено к мелководьям, минимальное - к глубинным акваториям (абиссаль); на суше эта неравномерность проявляется в мозаике биогеоценотического покрова (леса, болота, степи, пустыни и др.) с минимумом плотности живого вещества в высокогорьях, пустынях и полярных областях.

Вещества неживой природы относятся к косным (например, ми­нералы). В природе, кроме этого, довольно широко представлены био­косные вещества, образование и сложение которых обусловливает­ся живыми и косными составляющими (например, почвы, воды).

Живое вещество – основа биосферы, хотя и составляет крайне незначительную ее часть. Если его выделить в чистом виде и рас­пределить равномерно по поверхности Земли, то это будет слой около 2 см или крайне незначительная доля от объема всей био­сферы, толща которой измеряется десятками километров. В чем же причина столь высокой химической активности и геологической роли живого вещества?

Прежде всего, это связано с тем, что живые организмы, благо­даря биологическим катализаторам (ферментам), совершают, по выражению академика Л. С. Берга, с физико-химической точки зре­ния что-то невероятное. Например, они способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при обычных для при­родной среды значениях температуры и давления. В промышлен­ных условиях связывание атмосферного азота до аммиака требует температуры порядка 500°С и давления 300-500 атмосфер.

В живых организмах на порядок или несколько порядков увели­чиваются скорости химических реакций в процессе обмена веществ. В. И. Вернадский в связи с этим живое вещество назвал чрезвы­чайно активизированной материей.