Функциональные связи в биосфере

Таблица 10. Продуктивность фотосинтеза в биосфере (по данным С.В. Войткевич, 1983)

По данным ИЛ. Шилова (2000), высокая химическая активность живого вещества способствует также постоянному  вовлечению в круговорот элементов, которые активно извлекаются  из горных пород литосферы.

Все вещества находятся в  биохимическом круговороте - большом (геологическом) и малом (биотическом). В большом круговороте, который продолжается многие миллионы лет, участвуют горные породы, которые выветриваются, сносятся в моря и океаны, образуя мощные толщи осадков, и в процессе движения литосферных плит, перемещения материков, океанов, морей, при горообразовании эти горные породы могут снова возвратиться на сушу, где вновь подвергаются выветриванию и т. д. В малом круговороте, являющемся частью большого, участвуют питательные вещества почвы, воды, углерод, которые используются растениями, а растения животными; далее продукты распада всего органического вещества разлагаются в почве до минеральных компонентов и вновь потребляются растениями. Последний круговорот называется биогеохимическим циклом.

На высокой активности живого вещества основываются и процессы саморегуляции в биосфере. Продукция кислорода поддерживает наличие и мощность озонового экрана, а тем самым функционирование "фильтра" для энергии Солнца и космического излучения, регулирует в целом поток энергии, поступающей к земной поверхности и к живым организмам. Постоянство минерального состава океанических вод поддерживается деятельностью организмов, активно извлекающих отдельные элементы, что уравновешивает их приток с поступающим в океан речным стоком. Подобная регуляция осуществляется и во многих других процессах.

Средообразующая роль живого вещества.

Почва - это продукт деятельного живого вещества, так как без присутствия живых организмов сколько бы мы ни дробили, ни измельчали, ни привносили химических веществ, мы не получим почвы. Именно деятельность микроорганизмов и других живых организмов формирует химический состав почв, их структуру и создает предпосылки развития последующих процессов почвообразования.

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, азотосодержащие  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.

Многие животные способны к накоплению в своем организме  определенных солей Са, Si, Mg, P 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 является продуктом  деятельности живых организмов. Диоксид  углерода на ранних этапах существования планеты накапливался главным образом 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.

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. Выше мы уже рассматривали 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.

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.

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.

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.

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 мы выше уже определили как планетарное явление и жизнь может существовать только в условиях устойчивого самоподдерживающего 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: "видоспецифичность 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.

Основными химическими элементами, мигрирующими по биологическому круговороту, или главными биогенами являются азот N, углерод С, водород Н, кислород О, фосфор Р, сера S. Активно вовлекаются в жизненные процессы еще кремний Si, калий К, кальций Са, магний Mg и др. Но в целом в жизненных процессах задействованы практически все химические элементы, за исключением радиоактивных.

Категории организмов

Взаимодействие разных категорий  живых организмов в иерархически сложноустроенной надсистеме - биосфере осуществляется через биотическую  структуру. Несмотря на колоссальное количество видов живых организмов (более 2 млн;), а тем самым неисчислимое разнообразие возможных взаимодействий все живые организмы имеют общность в виде примерно одинаковой биотической структуры. Категории этой структуры были уже упомянуты выше: продуценты, консументы, редуценты.

Продуценты (от лат. producentis - производящий). Это живые организмы, способные синтезировать органическое вещество из неорганических природных составляющих с использованием внешних источников энергии.

Продуценты - это в основном растительные организмы, называющиеся автотрофами, так как они снабжают сами себя органическим веществом. Накапливаемое в тканях растений органическое вещество затем служит источником энергии для осуществления всех последующих процессов жизнедеятельности. Это отнюдь не означает, что после получения порции энергии для создания какого-либо объема первичного органического вещества организму энергии больше не требуется. Главными химическими элементами и соединениями, которые участвуют в реакциях синтеза, являются вода, диоксид углерода, азот, фосфор, калий, а также другие минеральные компоненты в гораздо меньших объемах.

Фотосинтез представляет собой окислительно-восстановительную реакцию, протекающую при участии хлорофилла зеленых растений за счет энергии солнечного излучения.

Фотосинтез - это важнейший  процесс в биосфере, определяющий ее высокий кислородный потенциал  и создающий необходимые условия  для существования живых организмов на нашей планете.

С.Н. Виноградовым были открыты  хемосинтезирующие организмы. Эти организмы в процессах синтеза органического вещества используют энергию химических связей. К этой группе продуцентов относят исключительно прокариоты: бактерии, архебактерии и отчасти сине-зеленые. В природе существуют "богатые" потенциальной энергией неорганические соединения. Химическая энергия высвобождается в процессах окисления и некоторых других. Экзотермические (т. е. выделяющие теплоту) окислительные процессы используются азотфиксирующими (нитрифицирующими) бактериями (окисляют аммиак до нитритов и далее нитратов), железобактериями (окисление закислого железа до окисного), серобактериями (сероводород до сульфатов).

Хемосинтез - процесс образования некоторыми бактериями органических веществ из диоксида углерода за счет энергии, полученной при окислении неорганических соединений (аммиака, водорода, соединений серы, закисного железа и др.). Хемосинтезирующие бактерии наряду с фотосинтезирующими растениями и микробами составляют группу автотрофных организмов.

Консументы (от лат. consume-потреблять, создать). Это живые организмы, которые для построения собственного тела должны потреблять органическое вещество извне в виде пищи. Они неспособны сами синтезировать первичное органическое вещество. Консументы являются гетеротрофами, живущими за счет продуктов, синтезированных фотоавтотрофами и хемоавтотрофами. Консументы для собственного роста используют в пищу вещества, созданные другими организмами, и извлекают из этой пищи запасенную в них энергию в виде химических связей синтезированных веществ. В потоке веществ по ходу круговорота они занимают уровень консументов, напрямую в обязательном виде связанных с продуцентами-консументы 1-го порядка - или другими гетеротрофами, которыми они питаются - консументы 2-го порядка.

Созданное продуцентами первичное  органическое вещество даже при весьма значительном разнообразии не может  полностью обеспечить разнокачественность органического вещества живых организмов как фактора устойчивости. Консументы же в процессе метаболизма (обмена веществ) существенно трансформируют органическое вещество, получаемое в виде пищи, и создают условия для роста собственного организма.

Редуценты (от лат. reducens - восстанавливающий). В эту группу живых организмов входят гетеротрофы, которые используют в качестве пищи мертвое органическое вещество (трупы, фекалии, растительный опад и т. п.).

Все живые организмы частично способны к минерализации органических веществ - это выделение диоксида углерода при дыхании, вывод из организмов воды, минеральных солей, аммиака. Но этого далеко недостаточно для завершения биологического цикла, поэтому необходимость  редуцентов становится очевидной.

Среди редуцентов отдельные специалисты выделяют специфическую группу детритофагов (от лат. detritus - остаток, fagos - поедающий). В целом под детритом понимают собственно мертвые остатки растительных и животных организмов и фекалии. В целом редуцентов и относящихся к ним детритофагов по способу потребления следует отнести к консументам, так как они не производят органического вещества из неорганического ни при фотосинтезе, ни при хемосинтезе. Примерами могут служить такие животные, как грифы, гиены, земляные черви, термиты, раки, муравьи и др.