Основные функции биосферы

В любом случае — после самозарождения или, как считают некоторые ученые, привнесения — жизнь стала иметь разнообразные формы и после­довательно освоила практически всю поверхность нашей планеты. Это об­стоятельство позволило академику В.И. Вернадскому объединить в своих построениях планетарную совокупность живых организмов как единое жи­вое вещество.

Владимир Иванович Вернадский (1863-1945)

Живое вещество планеты — это совокупность и биомасса живых орга­низмов в биосфере. Живое вещество существует в виде огромного множе­ства организмов разнообразных форм и размеров, объединенных в системы различного уровня. Традиционно выделяют следующие основные уровни организации жизни: особь (организм) — популяция — биоценоз — биогео­ценоз (экосистема) — биосфера. Каждый отдельный организм является са­мостоятельной биологической системой, взаимодействующей с внешними условиями (окружающей средой) и другими биологическими системами. Каждому организму свойственны два вида физиологических процессов, про­текающих внутри него. Первая группа— физиологические процессы, обес­печивающие жизнь (процессы обмена энергией и веществом, разложение и

усвоение пищи, дыхание и т.д.), а вторая — направлена на выживание орга­низма в сложных внешних условиях (процессы адаптации).

Живое вещество Земли имеет ряд специфических (присущих только ему) свойств [24]:

1. Живое вещество нашей планеты характеризуется огромной свободной энергией. В неорганическом мире по количеству свободной энергии с живым веществом могут быть сопоставимы только не застывшие лаво­вые потоки.

2. Резкое различие между живыми и неживыми объектами наблюдается в скорости протекания химических реакций: в живом веществе они идут в тысячи, а иногда и в миллионы раз быстрее. Для жизненных процессов характерно, что получение небольших масс или порций энергии вызы­вает передачу и переработку значительно больших энергий и масс. Так, вес насекомых, поедаемых синицей за один день, равен ее собственному весу, а некоторые гусеницы потребляют и перерабатывают за сутки в 200 раз больше пищи, чем весят сами.

3. Отличительной особенностью живого вещества является и то, что сла­гающие его индивидуальные химические соединения (белки, ферменты и т.д.) устойчивы только в живых организмах (в значительной мере это характерно и для минеральных соединений, входящих в состав живого вещества).

4. Живое вещество стремится заполнить собой все возможное простран­ство. Свойство максимальной пространственной экспансии органично присуще живому веществу так же, как теплоте переходить от нагретых тел к более холодным, диффузии химических соединений и ионов в растворе, а газу — рассеиваться в атмосфере.

5. Живое вещество обнаруживает гораздо большее морфологическое и хи­мическое разнообразие, чем неживое. Так, различия между вирусом и млекопитающим намного большие, чем между любыми самыми кон­трастными представителями неживого вещества. Химический состав жи­вого вещества поразительно разнообразен: известно свыше 2 млн орга­нических соединений, входящих в его состав. В то же время количество природных минералов составляет всего около 2 тыс., т.е. на 3 порядка меньше.

6. Живое вещество на Земле представлено в виде дисперсных тел — инди­видуальных организмов. Их размеры колеблются в пределах от 20 нм (у наиболее мелких вирусов) до 100 м (палеоящеры), т.е. диапазон более 10⁹. По мнению В.И. Вернадского, минимальные и максимальные раз­меры живых организмов определяются предельными возможностями их газового обмена со средой обитания.

7. Будучи дисперсным, живое вещество никогда не находится на Земле в морфологически чистой форме (в виде популяций одного вида): оно все­гда представлено биоценозами, т.е. сообществом взаимосвязанных орга­низмов, живущих на каком-либо участке суши или водоема.

8. Одно из главных отличий живого вещества от неорганического мира — способ использования энергии. Живые организмы способны улавливать солнечную энергию, удерживать ее в виде химической энергии слож­ных органических соединений (биомассы), передавать друг другу, транс­формировать в механическую, электрическую, тепловую и др. Таким образом, живое вещество собирает энергию полученную им в форме солнечного света и превращает ее в свободную энергию, способную со­вершать работу.

9. Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следую­щем:

• в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы;

• только в живом веществе происходят качественные изменения орга­низмов в ходе геологического времени, нашедшие объяснения в тео­рии Ч. Дарвина происхождения видов путем естественного отбора;

• живые организмы изменяются в зависимости от трансформации ок­ружающей среды и адаптируются к ней, что вследствие постепенного накопления изменений служит источником эволюции.

10. Особенностью живого вещества также является то, что количество мас­сы живого вещества, соответствующее данному моменту, не дает пред­ставления о его работе в течение всего времени существования организ­мов. По существу масса биогенного вещества Земли — это интеграл массы всех существовавших в разное время живых организмов, в то время как в геологической истории масса неживого абиогенного вещества земного происхождения остается примерно постоянной. В итоге за время своего существования живое вещество Земли преобра­зовало и покрыло практически всю ее поверхность, сформировав особую сферу. Биосфера (от греч. bios — жизнь и sphaira — шар) — это оболочка Земли, в которой развивается и функционирует жизнь, а процессы обмена веществ и энергии происходят главным образом за счет жизнедеятельности организмов. Биосфера включает в себя живые организмы, биогенное (уголь, нефть, известняки и др.), косное (в его образовании живое не участвует) и биокосное (система совместного функционирования косных тел и живых организмов, например, почвы, леса, поверхностные воды или океан в це­лом) вещество, а также вещество космического происхождения. Масса биосферы (включающая все органическое вещество биогенного происхождения и косного вещества других сфер, занятых биосферой) оценивается вели­чиной (2, 5-3)-10²⁴ г, а масса живого вещества— около 0, 0001 % от этого показателя.

Понятие о биосфере менялось со временем. Элементы современной концепции биосферы содержались уже в трудах французского натуралиста Ж.-Б. Ламарка. В 1875 г. известный австрийский геолог Э. Зюсс наряду с атмосферой, гидросферой и литосферой выделил в качестве самостоятель­ной оболочки Земли биосферу (или сферу жизни). Но наибольший вклад в науку о биосфере внес выдающийся отечественный ученый-естествоиспыта­тель В.И. Вернадский. Он представил биосферу не как простую совокуп­ность живых организмов, а как единую термодинамическую оболочку (про­странство), в которой сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическим миром.

В 1926г. В.И.Вернадским был опубликован основополагающий труд «Биосфера», где рассматривались закономерности функционирования био­сферы как цельной системы с определяющей ролью живого вещества. В ней было зафиксировано, что живое вещество не просто пронизывает верхнюю часть твердой, всю жидкую и низ газообразной оболочек Земли (что конста­тировали еще его предшественники), но и выступает как сила, регулирую­щая планетарные потоки вещества и энергии и связывающая между собой все три земные оболочки в единую систему. Так, кислородная атмосфера, примерное постоянство химизма вод суши и океана, наличие в составе ли­тосферы материковых поднятий с их гранитным слоем — это интегральное выражение работы планетарной биоты (т.е. совокупности организмов, обита-

Жан Батист Ламарк (1744-1829)

Эдуард Зюсс (1831-1914)

ющих на данной территории) и процессов в неорганической природе Земли. Другими словами, жизнь является ведущим фактором преобразования на­шей планеты.

Доказав, что биосфера является глобальной экосистемой, В.И. Вернад­ский в работе «Биосфера в Космосе» сформулировал главный закон разви­тия биосферы и человека: «Жизнь не является... внешним случайным явле­нием на земной поверхности. Она теснейшим образом связана со строением земной коры, входит в ее механизм и в этом механизме исполняет величай­шей важности функции, без которых он не мог бы существовать». Из этого закона следует, что планетарной биоте принадлежит центральное место в глобальной экосистеме и что живое вещество не рядовой компонент приро­ды, а выступает в ней в роли надкомпонента, по состоянию которого следу­ет судить о биосфере в целом.

На основе изложенного выше можно заключить, что живое вещество биосферы подразделяемое на растения, животные, грибы и микроорганиз­мы, имеет существенное значение как единая сила, преобразующая поверх­ность планеты. Из закона вытекает и то, что биоту Земли нельзя рассматри­вать лишь как структуру, возобновляющую экологические ресурсы. Спо­собность живого вещества оказывать преобразующее действие на окружаю­щую среду и определенным образом организовывать ее свидетельствует о его обладании функциями управления. Их стихийное или же сознательное нарушение человеком, которое зачастую оправдывается целью построения «второй природы», одинаково губительно для биосферы.

Таким образом, В.И. Вернадский открыл биогенно-геодинамическую при­роду системы «атмосфера — гидросфера — литосфера» и ее центрального бло­ка — биосферы. Он установил уникальную роль живого вещества в действии механизма трех внешних геосфер — механизма супергеосферы, в которой на­ходится наш мир. В результате осуществления этих функций биосфера обла­дает свойством саморегуляции, позволяющим по некоторым показателям и особенностям оставаться постоянной даже на весьма длительных промежут­ках времени. В основном эта особенность связана со средним химическим составом и массой живого вещества биосферы, так как живая часть неизмен­но составляет определенную долю массы всей биосферы. Только при этом условии на протяжении длительных периодов существования биосферы не нарушается постоянство химических процессов приповерхностной части ли­тосферы, в которой выражается химическое действие жизни. Следовательно, с момента образования биосферы жизнь уже должна состоять из многочис­ленных и разнообразных форм, имеющих различные функции.

В связи с тем, что жизнь опосредует все другие планетарные процессы, необходимо уяснить, чем же живые организмы отличаются от остальных природных тел и почему область, занятую жизнью, выделяют в особую обо­лочку — биосферу? Особенность живых объектов заключается не только в ускорении химических реакций, но и в том, что некоторые реакции при нор­мальных температурах и давлениях вне организмов вообще не происходят. Так, жиры и углеводы окисляются в организме при температуре около 37 °С, а вне его для их окисления уже требуется нагревание до 450-500°С. Подоб­ное снижение температуры окисления обеспечивается наличием в организ­мах особых катализаторов (ферментов), ускоряющих протекание химичес­ких процессов. В целом взаимодействие живой и неживой компонент опре­деляется биогеохимическими функциями биосферы (табл. 1.7).

Таблица 1.7