СРЕДООБРАЗУЮЩАЯ РОЛЬ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА

Жизнь на Земле возникла весьма давно даже по геологическим меркам и за все это время влияние живого вещества коренным образом изменило исходные химические, да и физические условия среды, максимально приблизив их к оптимальным для осуществления жизнедеятельности.

Вполне можно утверждать, что почва — это продукт деятельности живого вещества, так как без присутствия живых организмов, сколько бы ни дробили, ни измельчали, ни привносили химических веществ, не получим почвы. Именно деятельность микроорганизмов и других живых организмов формирует химический состав почв, их структуру и создает предпосылки развития последующих процессов почвообразования (см. гл. 9).

Водная среда является субстратом, в котором ярко выражается воздействие живых организмов на химический состав воды. Во-первых, это связано с тем, что многие живые организмы выбрасывают в водную среду продукты метаболизма, а значит, органические кислоты, азотсодержащие соединения, сероводород, наконец, кислород, который частично переходит в растворенное состояние. Во-вторых, значительное число живых организмов пропускает сквозь себя и

фильтрует огромные массы воды, задерживая необходимые для осуществления жизнедеятельности растворенные и взвешенные вещества и частицы. «Фильтраторы» Большого Барьерного рифа в течение пяти лет пропускают сквозь себя весь объем воды Тихого океана (И.А. Шилов, 2000).

Многие животные способны к накоплению в своем организме определенных солей Са, 81, Mg, Р и др., которые накапливаются в виде скелетов и раковин. После отмирания скелеты организмов создают колоссальные по мощности (до нескольких десятков километров) органогенные отложения. Это собственно и есть биогенное вещество (по В.И. Вернадскому). Эти отложения не только определили в значительной мере процессы породообразования, но и сказались на химизме воды, почвообразовании, на вторичных геологических процессах (метаморфизме).

Современный газовый состав атмосферы по существу также является продуктом деятельности живых организмов. Не вдаваясь в подробное рассмотрение сложившихся процессов накопления газов в атмосфере на протяжении более чем 4,5 млрд лет геологической истории Земли, отметим, что, например, свободный кислород выделялся в атмосферу и в добиологический период, но, как известно, в силу особенностей химизма окружающей среды он практически мгновенно переходил в связанное состояние. И в биологический период на начальном этапе выделяемый кислород главным образом накапливался в растворенном состоянии в водах океана и только при активном освоении суши растениями произошло накопление кислорода в атмосфере, формирование озонового слоя, а затем постепенное повышение содержания диоксида углерода и паров воды. Все это вместе создало условия, при которых прекратилась возможность прямого фотолиза кислорода из воды, так как сформировавшийся экран преградил путь для части коротковолнового излучения Солнца к земной поверхности.

Диоксид углерода на ранних этапах существования планеты накапливался при активно протекавших геологических процессах. В настоящее время диоксид углерода на Земле имеет исключительно биогенное происхождение, хотя он и выделяется, например, при вулканических извержениях, но объем этот ничтожно мал в общем объеме диоксида углерода в атмосфере. Выделяется же диоксид углерода в окружающую газовую среду в процессе дыхания живых организмов. Один гектар пшеничного поля продуцирует в сутки 135 кг диоксида углерода, в том числе 75 кг микроорганизмами и 60 кг корнями пшеницы (И.А. Шилов, 2000).

В. И. Вернадский считал, что и кислород, и диоксид углерода, и даже азот в своем содержании, в той сбалансированности состава атмосферы полностью определены наличием и функциями живого вещества. Он писал: «Будет правильным заключить, что газовая

оболочка <...> создание жизни». Серьезное значение газовый состав атмосферы, ее мощность и другие свойства имеют для поддержания современного теплового баланса в природной среде нашей планеты. Уже были рассмотрены различные химические процессы, протекающие в атмосфере при воздействии солнечного излучения. Собственное тепловое излучение Земли в значительной мере экранируется озоновым экраном, да и всей толщей атмосферы. Подсчитано, что без этого эффекта («парникового») средняя температура в приземном слое была бы примерно на 40 °С ниже существующей, а это, как известно, значительно изменило бы условия жизнедеятельности подавляющего числа организмов, а многие из них погибли, нарушив целостность биосферы.

Конкретные экосистемы играют важную роль в формировании климата, не говоря уже о микроклимате. Растительность, как известно, имеет значение в установлении определенного режима влажности и температуры. Транспирация оказывает влияние на количество осадков, например в бассейне р. Конго только за счет этого фактора их количество возрастает примерно на 30 %, а в Центральной Европе не более чем на 6 %. Наличие леса, его качественный состав, расположение на различных формах рельефа определяют скорость и направление ветра, мощность снежного покрова, скорость его установления и схода. Особенности климата на конкретных территориях влияют на формирование сложных многовидовых сообществ живых организмов. В континентальных водоемах аналогичный эффект достигается влиянием растительности на скорость течения, температурный режим и химический состав воды.

Приведенные выше сведения показывают, что все формы жизни, существующие на Земле и известные нам к настоящему времени, оказывают чрезвычайно значимое влияние на свойства основных геосфер: атмосферы, гидросферы и верхней зоны литосферы. Равным образом и общие свойства биосферы в целом оказываются в значительной степени созданными живым веществом и благоприятствуют его развитию и функционированию. В.И. Вернадский весьма точно определил это как «живое вещество само создает себе область жизни».

Химические реакции в органической среде, высочайшая химическая активность организмов в процессе средообразования обладают темпами, не сравнимыми с процессами, происходящими в неживой природе. В природе известны три вида эволюции: неорганическая, органическая (биологическая) и социальная. Неорганическая эволюция протекает очень медленно, ее практически невозможно наблюдать в целом непосредственно, можно лишь изучать отдельные компоненты, отдельные ее слагающие процессы. Известно, что геологические преобразования на нашей планете заняли несколько миллиардов лет, вследствие чего этот вид эволюции не могут охватить наблюдением даже несколько поколений исследователей. Изучение

же неорганической эволюции осуществляется астрономией (образование космических тел, галактик, звезд и т. п.). Биологическая эволюция протекает значительно быстрее, с нарастанием темпов. Если жизнь возникла на Земле около 4 млрд лет назад, то человек — всего 3,5—4 млн лет назад, что со сроками в масштабах астрономии просто незначительно. Биогеохимические циклы укладываются в тысячи лет и даже меньше.

За время существования органической жизни элементы, вовлеченные в биологический круговорот, проходили через экосистемы многократно. Полное обновление живого вещества в биосфере осуществляется за 8 лет, но в разных геосферах это не совсем так: на суше вся фитомасса (масса растительного вещества) обновляется за 14 лет, а вот в океане вся биомасса проходит круговорот всего за 33 дня, а фитомасса — даже за 24 ч. Было отмечено, какими темпами происходит вовлечение в круговорот и движение в них жизненно важных химических элементов, в частности диоксид углерода в биологическом круговороте обновляется за 300 лет.

Социальная эволюция осуществляется, как известно, еще более значительными темпами.

Целостность биосферы. Живые организмы, населяющие все геосферы, действуют как целостная система в силу того, что они в биосфере функционально взаимообусловлены. Природные границы рассматриваются как биологически активные зоны. Для них выявлен «эффект опушки», который заключается в том, что именно на границах между средами отмечено высокое разнообразие населяющих их живых организмов, через эти границы зафиксирован не только значительный объем переноса вещества, но и огромные потоки энергии и информации. В частности, важную роль в обмене веществ между геосферами играет речной сток, который вносит в шельфовые зоны морей, в приустьевые зоны огромное количество органических соединений, например, за счет обитающих на суше или скапливающихся на пролете птиц. В устьях рек в регионах мангровых зарослей обитает почти две трети промысловых рыб.

Биосфера как целостная функциональная система имеет достаточно сложную иерархическую структуру, в частности на уровне геосфер выделяются биоциклы — морские воды, пресные водоемы, суша; следующим подразделением являются биохоры, отвечающие, например, на суше ландшафтно-климатическим зонам. Главнейшей функцией биосферы как целостной глобальной функциональной системы является поддержание жизни в устойчивом, эволюционном режиме, или в динамическом равновесии. Реализация устойчивого поддержания жизни обеспечивается единством геосфер и базируется на непрерывном круговороте веществ, который связан в единый процесс с движением потоков энергии и информации.

Круговоротный принцип реализуется не только на биосферном уровне, но и на уровне биоциклов, биохор, экосистем. При этом круговороты никогда не имеют обособленного характера, а всегда взаимопроникающий, взаимно поддерживающий и даже компенсирующий характер. Необходимо учитывать, что функционирование биосферы не ограничивается каким-то одним навсегда установившимся объемом органических и неорганических веществ, а при наличии средообразующего фактора биосфера вовлекает в процесс новые абиотические составляющие. Так совершается переформирование горных пород, образование почв и изменение их плодородия, некоторые колебания состава атмосферы и гидросферы и их физических параметров.

Теснейшая функциональная связь разных биологических иерархических уровней (систем) превращает отдельные индивидуальные (или дискретные) формы жизни в интегрированную глобальную над-систему — биосферу (И.А. Шилов, 2000).

Одним из фундаментальных свойств биосферы является ее способность самоподдерживания. В рамках устойчивого эволюционирования биосфера может быть рассмотрена как структурированная высокоорганизованная целостная надсистема с активно взаимодействующими механизмами саморегуляции. Это выражается в поддержании газового состава атмосферы, солевого состава морских вод, теплового режима в приповерхностной части нашей планеты.

В.И. Вернадский писал: «Живое вещество... становится регулятором действенной энергии биосферы... Весь поверхностный слой планеты становится таким образом через посредство живого вещества полем проявления кинетической и химической энергии». Он также говорил о биосфере, как о сложном, но вполне упорядоченном механизме [19]. В целом же все сказанное подтверждается сущностью наиболее явных биосферных процессов: фотосинтеза, клеточного дыхания и разложения, энергетических превращений в организмах.

Если рассматривать вопрос о регуляторных возможностях биосферы, то необходимо сказать, что если замыкаться в данном случае на представлениях о биосфере только в обобщенном виде, то многие из процессов, протекающих в природной среде, не могут быть достаточно верно объяснены. Главным представляется, что регуляторная функция в биосфере чувствительна к конкретным живым организмам и к формам их взаимодействия. Формы взаимодействия и их реализация возможны только в биологическом выражении. Исходя из сложности устройства и взаимодействий в биосфере, регуляторная функция должна базироваться на каком-то фундаментальном ее свойстве или свойстве главенствующей составляющей. Такой составляющей биосферы являются живые организмы, а фундаментальны-

ми свойствами — разнообразие и системность жизни. На этих свойствах основывается глобальная функция жизни в биосфере — поддержание биогенного круговорота веществ.

Обмен веществ со средой является абсолютно необходимым качеством жизни, которое отличает ее от неживого. Живые организмы по мере своего развития увеличиваются в размерах, растут, что требует поступления в них веществ из окружающей среды как материала для построения тела и источника энергии для всех жизненных процессов. Каждая реакция, как известно, имеет завершение в виде продуктов реакции, поэтому продукты метаболизма, уже непригодные для дальнейшего использования, выводятся наружу. Из этого следует не слишком оптимистичный результат — каждый отдельный организм, вид организмов и популяция в ходе своей жизни ухудшают условия среды обитания, изымают из среды ресурсы, растрачивают энергию. Таким образом, за годы существования жизни на Земле все ресурсы были бы уже использованы, значимое количество энергии потрачено впустую, но биосфера, как выяснилось, обладает возможностью обратного процесса — улучшения, точнее — поддержания в устойчивом состоянии жизненных условий. Это определяется тем, что биосферу населяет множество организмов с разным типом обмена веществ. Жизнь на Земле уже определили как планетарное явление, и жизнь может существовать только в условиях устойчивого самоподдержи-вающего состояния, фундаментальным условием которого является физиологическая разнокачественность живых организмов. И.А. Шилов (2000) считает, что теоретически можно представить возникновение жизни в одной форме, но в этом случае возникшая форма жизни запрограммирована на конечность жизни как явления: «видоспеци-фичность обмена веществ неизбежно ведет к исчерпанию ресурсов и «загрязнению» среды продуктами жизнедеятельности, которые невозможно использовать вторично».

Возможность устойчивого существования жизни при осуществляющихся круговоротных процессах биосферы в планетарных масштабах обеспечивается в разнокачественности жизненных форм и в том ее свойстве, которое можно охарактеризовать как последовательное использование выделяемых в среду продуктов метаболизма, определяющее генеральный биогенный круговорот веществ.

В целом главные комплексы живых организмов, формирующих глобальный биогенный круговорот, выглядят в виде продуцентов, консуменгов, редуцентов. Эти комплексы, в свою очередь, обладают собственной иерархичностью в биогенных циклах. Совместная же деятельность комплексов с «населяющими» отдельными организмами обеспечивает извлечение вполне определенных веществ из внеш-

ней среды, их использование непосредственно или после «обработки» на уровнях потребления, превращение энергии и потребление информации с дальнейшей минерализацией органического вещества (т. е. разложение сложноорганизованной органики до простых минеральных соединений), с преобразованием до состояния доступности для включения в биогенный круговорот.

Основными химическими элементами, мигрирующими по биологическому круговороту, или главными биогенами являются азот N1, углеродС, водород Н, кислород О, фосфор Р, сера 5. Активно вовлекаются в жизненные процессы еще кремний 51, калий К, кальций Са, магний М§ и др. Но в целом в жизненных процессах задействованы практически все химические элементы, за исключением радиоактивных.

Быть может прежде губ уже родился шепот И п бездрсвескости кружилися листвы.

И те, кому мы посвящаем опыт.

До опыта приобрели черты.

О. Мандеямитомм

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >