§3Свойства и функции живого вещества

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 функциясвязана 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 сформулированоправило 1%, со гласно которому указанное соотношение и особенно вклад конечных консументов в деструкцию (1%) является важным условием стабильности биосферы.

2. Газовая функцияпроявляется 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. Концентрационнаяфункция 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 рассеивающаяфункция проявляется через питательную и транспортную деятельность организмов.

5. Окислительно-восстановительнаяфункция 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. Транспортнаяфункция выражается в переносе вещества в результате активной формы движения.

8. Средообразующая функцияявляется 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.