Геохимическая роль и основные биогеохимические функции живого вещества

 ГЕОХИМИЧЕСКАЯ РОЛЬ И ОСНОВНЫЕ 
БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА

Введение понятия живого вещества позволило оценить совокупные результаты деятельности живых организмов и оценить их роль как наиболее активную по сравнению с действиями всех других природных факторов, действующих на поверхности нашей планеты. В результате стало ясно, что жизнь отнюдь не пассивно приспосабливается к существующей среде, она её активно изменяет и создаёт совершенно новую среду, с качественно иными характеристиками, чем те, которые должны были бы существовать на Земле в её отсутствие.

Этому понятию и связанному с ним перевороту в научном сознании мы обязаны В.И. Вернадскому.

Вернадский определил живое вещество как «совокупность организмов, выраженную в единицах массы и энергии». В дальнейшем к числу количественных параметров, характеризующих живое вещество, добавился химический состав, что также было сделано ещё самим Вернадским (и, таким образом, заложены основы нового раздела науки – биогеохимии). Сейчас всё более широко используют новые характеристики (энтропия, информация). Таким образом, идея оказалась весьма плодотворной, и продолжает «подталкивать» развитие научной мысли.

Особую экологическую роль в биосфере играют граничные поверхности. Это границы между основными компонентами географической оболочки: литосфера – атмосфера, гидросфера - атмосфера, гидросфера – литосфера. Это не просто поверхности, где соприкасаются между собой оболочки с разными свойствами. Это зоны, где сконцентрирован основной объём процессов взаимодействия между компонентами ГО. Именно здесь протекает обмен веществом и энергией между ними. Здесь же сосредоточена основная часть массы живого вещества биосферы

С информационной точки зрения, живые организмы создают огромное количество новых органических веществ. Образуются сотни тысяч органических соединений. Изменение объёма одной лишь химической информации на два порядка (информационный взрыв). Плюс к этому – собственно биологическая информация (строение органов и их функциональные связи между собой, строение организмов, число видов которых насчитывает миллионы, связи между организмами и организация сообществ). Соответственно, общий объём информации на несколько порядков выше, чем в неживой природе.

Таким образом, при образовании живого вещества происходит:

• аккумуляция энергии;
• увеличивается разнообразие, т.е. растёт объём информации (включая появление её качественно нового вида – информации биологической);
• возрастают сложность и упорядоченность организации материи;
• уменьшается энтропия.

Ещё одно специфическое свойство живого вещества – занимать в результате размножения все пригодные для данной формы жизни участки (по В.И. Вернадскому – «давление жизни»). Такая скорость распространения жизни максимальна для микроогранизмов (для холерного вибриона – 33 000 см/с), и даже для крупных животных имеет порядок десятые сантиметра в секунду.

Другой важный показатель – продуктивность, то есть количество биомассы создаваемое за единицу времени (за 1 год).

Биосфера не является замкнутой системой. Замкнутые системы вообще не могут быть устойчиво динамичными и развиваться. Если представить систему, в которую нет притока вещества и энергии извне, а она успешно функционирует, да ещё и развивается, это будет что-то вроде вечного двигателя, существование которого по законам физики невозможно. Вот и биосфера как система нуждается в постоянной «подпитке» извне. Основная доля такой «подпитки» - это та же самая энергия Солнца, которая обеспечивает и большинство абиогенных процессов в географической оболочке. В.И. Вернадский назвал биосферу «областью взаимодействия земного и космического, где лучистая энергия Солнца превращается живым веществом Земли в химическую, тепловую, механическую и другие формы».

С относительной прозрачностью атмосферы Земли связан тот факт, что до её поверхности (то есть границы атмосферы с другими оболочками) доходит около 47% поступающей к границам планеты солнечной радиации. Основной (более 50%) объём энергии, поставляемой на поверхность Земли находится в видимом (световом) диапазоне спектра Солнечного излучения и используется в процессах фотосинтеза.

       Ведущая в современных земных условиях форма аккумуляции энергии живым веществом – фотосинтез. Это процесс формирования органических соединений (углеводов и др.) из СО2 и Н2О под влиянием хлорофилла или другого катализатора. Далее, перемещаясь по органам растения, продукты фотосинтеза вступают в разнообразные химические реакции, в результате которых создаётся всё разнообразие органических соединений в растениях.

В целом, рассмотрев влияние деятельности живых организмов на развитие всех внешних оболочек земли, можно выделить три основных аспекта:

1. Организмы являются непосредственными концентраторами элементов. В результате их накопления формируются толщи горных пород биогенного происхождения (угли, известняки, кремнистые и др. породы).
2. Живое вещество формирует физико-химические условия среды, в которой протекают природные процессы в географической оболочке.
3. Живое вещество изменяет вещественный состав всех внешних геосфер – от формирования современной атмосферы до образования гранитно-метаморфического слоя земной коры.

Первый аспект был ясен всегда, второй до работ Вернадского сильно недооценивался, третий только Вернадским и установлен (и его последователями подтвержден).

Закон Вернадского (формулировка А.И. Перельмана):

Все процессы в биосфере осуществляются или при непосредственном участии живого вещества либо в среде, основные черты вещественного состава которой обусловлены живым веществом – как тем, которое в настоящее время населяет данную биокосную систему, так и тем, которое действовало на протяжении всей геологической истории.

Давайте вспомним еще некоторые термины, известные Вам из курсов биологии и геоэкологии, понимание которых необходимо для дальнейшего рассмотрения

Консументы (от латинского «consumo» – съедать) не могут непосредственно получать энергию из окружающей среды. Они используют органические вещества, созданные другими организмами, путём питания. Эту группу организмов можно подразделить на три подгруппы:

1. консументы первого порядка, существующие непосредственно за счёт продуцентов; это растительноядные животные и различные паразиты, существующие на растениях.
2. консументы второго порядка питаются консументами первого порядка;
3. консументы третьего порядка питаются консументами второго порядка.

Подгруппы «b» и «c» – хищники и паразиты, существующие за счёт животных.

Редуценты – организмы, производящие органические вещества, которые питаются трупами или экскрементами других организмов и способствующие их разложению. К числу редуцентов относится более 1,5 миллионов видов различных животных, грибов, микроорганизмов. Часть мёртвого органического вещества они используют для поддержания своей жизнедеятельности и при этом способствуют разложению остальной (большей) части.

Все живые существа в природе образуют пищевые цепочки, показывающие, кто кого поедает. Животные могут питаться только органическими веществами, то есть могут есть только других животных или растения. И те животные, которые едят других животных (их называют хищниками), зависят от растений. Они питаются теми, кто, в свою очередь, питается растениями - травоядными животными. Растения находятся в самом начале пищевой цепочки. Выше их располагаются травоядные животные, которые едят растения, а травоядными питаются хищные. Есть такой закон природы: если одно живое существо съедает другое, только часть тела этого животного используется на то, чтобы построить тело или поддержать жизнь этого существа. Поэтому растений на Земле должно быть намного больше, чем животных, иначе вообще всякая жизнь прекратится. Иногда говорят не о пищевых цепочках, а о пищевой пирамиде.

Абсолютное большинство животных не умирает своей смертью. Всех травоядных животных рано или поздно съедят хищные; хищников обычно тоже убивают и съедают звери других видов. Редко-редко крупный зверь умирает от старости, но и тут он становится пищей для других мельчайших животных. Множество микробов, которые питаются мертвыми животными, поселяются на трупе умершего. Такие организмы (их называют сапрофитами) чрезвычайно полезны. Не будь их, не было бы процесса гниения, и Земля давно уже наполнилась бы трупами умерших животных и растений. Так что пищевые связи не совсем верно представлять себе только в виде пирамиды или в виде длинной цепочки. Иногда пищевую цепочку рисуют в виде круга. Это верно - сгнившие животные и растения удобряют почву, в которой становится больше органических и нужных живим организмам неорганических веществ и служат пищей для других растений и животных.

Таким образом, при передаче вещества и энергии от продуцентов – к консументам и далее на каждом из звеньев трофической цепочки большая часть вещества и энергии теряется. Поэтому при переходе на очередной уровень всегда скачкообразно уменьшается видовое разнообразие организмов, их биомасса и продуктивность. Под биомассой понимается общая масса организмов какой-либо из групп в рамках сообщества или всех организмов сообщества в целом. Под продуктивностью понимается прирост биомассы за единицу времени. Уменьшение этих характеристик при переходе на очередной трофический уровень можно выразить графически, изобразив соотношения звеньев в трофических цепях в форметрофической пирамиды (рис. 3.1.1).

Рис. 3.1.1. Пример трофической пирамиды

Животные сами синтезировать органические соединения из минеральных не способны и получают их из растений.

Кроме фотосинтеза, основой процессов аккумуляции энергии и образования органических веществ может служить и хемосинтез – окисление аммиака, серы, сероводорода и сульфидных соединений, железа, аммиака и др. веществ. Это осуществляют разнообразные бактерии-хемосинтетики, способные жить в очень разнообразных условиях (в т.ч., в зонах выхода горячих гидротерм на океаническом дне – до 300°!). Это формы анаэробные, не нуждающиеся для жизни в наличии свободного кислорода. Возможно, в далёком геологическом прошлом эти формы жизни могли играть на Земле ведущую роль, но сейчас их удельный вес в биохимических процессах в целом незначителен.

Другой энергетический источник биологических процессов – энергия хемосинтеза. Есть целые биоценозы, недавно открытые, существующие на основе использования именно этой энергии (в глубинах океана, куда не проникает солнечный свет, вокруг «чёрных курильщиков»). Везде бентосная жизнь на больших глубинах бедна, так как обитающие здесь организмы могут использовать для питания только органическое вещество, оседающее из верхних слоёв океана. А здесь – настоящие оазисы! В настоящее время доля энергии хемосинтеза в энергетическом балансе сообществ живых организмов в целом несущественна. Но, по-видимому, на ранних этапах существования биосферы именно этот источник был основным, может и единственным. Во всяком случае, наличие в биосфере первых фотосинтезирующих организмов – цианобионтов – достоверно фиксируется около 3,5 миллиарда лет назад. А признаки существования жизни на Земле отмечаются в самых древних горных породах, возраст которых – 3,8 миллиарда лет. Так что, возможно, жизнь на нашей планете первоначально зародилась на основе энергии хемосинтеза, и лишь потом живые организмы «научились» усваивать энергию солнечной радиации.

Далее всё протекает согласно известным законам термодинамики.

В соответствии с первым законом, известным как закон сохранения энергии, энергия может переходить из одной формы в другую, но не исчезает и не создаётся заново.

В соответствии со вторым законом, эффективность самопроизвольного преобразования кинетической энергии в потенциальную всегда менее 100%.

Как следствие, часть энергии при соответствующих преобразованиях всегда переходит из концентрированной формы в рассеянную. Передача энергии в трофических цепях: общая биомасса, продукция и энергия прогрессивно уменьшаются при переходе на более высокие трофические уровни. Причины следующие. Во-первых, не вся фитомасса съедается. Большая ее часть отмирает, поддерживает жизнь редуцентов, и отдаёт накопленную энергию на соответствующие процессы. Во-вторых, часть продукции теряется с выделительной деятельностью, и при этом часть энергии также аккумулируется редуцентами. В-третьих, часть энергии расходуется на необходимые для поддержания жизнедеятельности окислительные процессы (дыхание). В-четвёртых, во всех случаях часть энергии рассеивается в тепловой форме. Следствие: вторичная продукция консументов всегда будет ниже определяющей её первичной продукции. Исследования, проведённые в рамках Международной биологической программы в 1960-70-е гг. ХХ века, подтвердили этот вывод и показали, что вторичная продукция в экосистемах всегда на порядок ниже первичной.

Наибольшую экологическую значимость в Мировом океане, как и в биосфере в целом, имеют сравнительно узкие области – активные граничные поверхности, приуроченные в основном к контактам в другими средами. Граничные поверхности – это не только поверхности раздела. Это зоны, в которых активно протекают процессы обмена веществом и энергией между водной оболочкой и другими средами. Такой обмен создаёт предпосылки для наибольшей активизации деятельности живого вещества. Всё это – зоны, для которых одновременно характерны максимальная напряжённость физико-химических и биологических процессов. Единство Мирового океана как системы поддерживается не только постоянным перемешиванием водных масс, но и биологическим круговоротом. Океан заполнен жизнью по всему своему объёму – от поверхности до максимальных глубин и от экваториальной области до самых высоких широт. Но основным отправным пунктом биологического круговорота является верхняя толща вод, освещаемая Солнцем. Главным производителем первичной биопродукции в океане является фитопланктон – микроскопические водоросли, плавающие в толще воды. Дальнейшие звенья круговорота включают разнообразных мелких животных, питающихся фитопланктоном, и хищников различных порядков. Наконец, организмы-редуценты разлагают органические вещества до минеральных и замыкают процесс круговорота.