Живое вещество и биосфера

В системе современного научного мировоззрения понятие биосферы занимает ключевое место во многих науках. Сам термин «биосфера» появился в 1875 г. Он был введен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом для обозначения самостоятельной сферы нашей планеты, в которой существует жизнь. Зюсс дал определение биосферы как совокупности организмов, ограниченной в пространстве и времени и обитающей на поверхности Земли.

Тем не менее, Зюсс не был первооткрывателем, так как разработка учения о биосфере имеет довольно длинную предысторию. Одним из первых вопрос о влиянии живых организмов на геологические процессы рассмотрел Ж.Б. Ламарк в книге «Гидрогеология». В ней говорилось о том, что все вещества, находящиеся на поверхности Земли и образующие ее кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов. Затем был грандиозный многотомный труд Александра Гумбольдта «Космос», в котором множество фактов доказывало взаимодействие живых организмов с теми земными оболочками, в которые они проникают. Поэтому Гумбольдт рассматривал в качестве единой оболочки Земли, целостной системы атмосферу, гидросферу и сушу с обитающими там живыми организмами. Так что Зюсс лишь предложил термин для уже изучавшегося явления.

Но о геологической роли биосферы, ее зависимости от планетарных факторов Земли, ее строении и функциях еще не было сказано ничего. Разработка учения о биосфере неразрывно связана с именем выдающегося российского ученого В.И. Вернадского. Именно Вернадскому удалось доказать связь органического мира нашей планеты, выступающего в виде единого нераздельного целого, с геологическими процессами на Земле, именно он открыл и изучил биогеохимические функции живого вещества.

Ключевым понятием в концепции Вернадского стало живое вещество, под которым ученый понимал совокупность всех живых организмов нашей планеты, включая человека. В состав живого вещества он включал также часть окружающей живое вещество внешней среды, необходимой для поддержания их нормальной жизнедеятельности, выделения и части, теряемые организмами, умершие организмы, а также органические смеси, находящиеся вне организмов. Важнейшим отличием живого вещества от косной материи Вернадский считал молекулярную дисимметрию живого, открытую еще Пастером (молекулярную хиральность, в современной терминологии). Только используя это понятие, Вернадскому удалось доказать, что не только окружающая среда влияет на живые организмы, но и жизнь способна действенно формировать среду своего обитания. Действительно, на уровне отдельного организма или биоценоза влияние жизни на окружающую среду проследить очень сложно. Но введя новое понятие, Вернадский вышел на качественно новый уровень анализа жизни и живого – биосферный уровень.

Биосфера– это живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов Земли) и преобразованная им среда обитания (косное вещество, абиотические элементы), в которую входят гидросфера, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры.

Таким образом, это не биологическое, геологическое или географическое понятие, а фундаментальное понятие биогеохимии – новой науки, созданной Вернадским для изучения геохимических процессов, проходящих в биосфере при участии живых организмов. В новой науке биосферой стали называть один из основных структурных компонентов организованности нашей планеты и околоземного космического пространства. Это сфера, в которой осуществляются биоэнергетические процессы и обмен веществ вследствие деятельности жизни.

Благодаря новому подходу, Вернадский стал рассматривать жизнь как могучую геологическую силу, действенно формирующую облик Земли. Живое вещество стало тем звеном, которое соединяло историю химических элементов с эволюцией биосферы. Введение нового понятия также позволяло поставить и решить вопрос о механизмах геологической активности живого вещества, источниках энергии для этого.

Живое и косное вещество постоянно взаимодействуют в биосфере Земли – в непрерывном круговороте химических элементов и энергии. Вернадский писал о биогенном токе атомов, который вызывается живым веществом и выражается в постоянном процессе дыхания, питания, размножения. Например, круговорот азота связан с превращением в нитраты молекулярного азота атмосферы. Нитраты усваиваются растениями, и в составе их белков попадают к животным. После смерти растений и животных их тела попадают в почву, где гнилостные бактерии разлагают органические останки до аммиака, который затем окисляется в азотную кислоту. На Земле идет непрерывное обновление биомассы (за 7–8 лет), при этом в круговорот вовлекаются абиотические элементы биосферы. Например, воды Мирового океана прошли через биогенный цикл, связанный с фотосинтезом, не менее 300 раз, свободный кислород атмосферы обновлялся не менее 1 млн раз.

Также Вернадский отмечал, что биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к своему максимальному проявлению, а эволюция видов ведет к появлению новых видов, увеличивающих биогенную миграцию атомов. Вернадский также впервые отметил, что живое вещество стремится к максимальному заселению среды обитания, причем количество живого вещества в биосфере остается стабильным на протяжении целых геологических эпох. Эта величина не менялась, по крайней мере, последние 60 млн лет. Количество видов при этом также оставалось неизменным. Если в каком-то месте Земли количество видов убавляется, то в другом месте – прибавляется. В наши дни исчезновение огромного числа растений и животных связано с увеличением численности людей и их неразумной деятельностью по преобразованию природы. Население Земли растет за счет гибели других видов.

Благодаря биогенной миграции атомов живое вещество выполняет свои геохимические функции. Современная наука классифицирует их по пяти категориям:

– концентрационная функция – связана с накоплением определенных химических элементов как внутри живых организмов, так и благодаря их деятельности. Результатом этого стало появление запасов полезных ископаемых (известняки, нефть, газ, уголь и т.д.);

– транспортная функция – тесно связана с первой функцией, так как живые организмы переносят нужные им химические элементы, которые затем накапливаются в местах их обитания;

– энергетическая функция – обеспечивает потоки энергии, пронизывающие биосферу, что дает возможность осуществлять все биогеохимические функции живого вещества. Важнейшую роль в этом процессе играют растения с их механизмом фотосинтеза, который преобразует солнечную энергию в биогеохимическую энергию живого вещества биосферы;

– деструктивная функция – функция разрушения и переработки органических останков, в ходе этого процесса накопленные организмами вещества возвращаются в природные циклы, идет круговорот веществ в природе;

– средообразующая функция - преобразование окружающей среды под действием живого вещества. Мы можем смело утверждать, что весь современный облик Земли – состав атмосферы, гидросферы, верхнего слоя литосферы, большая часть полезных ископаемых, климат – является результатом действия Жизни. Так, зеленые растения обеспечивают Землю кислородом и накапливают энергию, микроорганизмы участвуют в минерализации органических веществ, образовании ряда горных пород и почвообразовании.

При всей грандиозности задач, которые решают живое вещество и биосфера Земли, сама биосфера (по сравнению с другими геосферами) представляет собой очень тонкую пленку. Сегодня принято считать, что в атмосфере микробная жизнь имеет место примерно до высоты 20–22 км над земной поверхностью, а наличие жизни в глубоких океанических впадинах опускает эту границу до 8–11 км ниже уровня моря. Углубление жизни в земную кору много меньше, и микроорганизмы обнаружены при глубинном бурении и в пластовых водах не глубже 2–3 км. В состав биосферы Вернадский включал:

– живое вещество;

– биогенное вещество – вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами (каменный уголь, нефть, газ и т.д.);

– косное вещество, образованное в процессах без участия живого вещества;

– вещества, создаваемые живыми организмами и косными процессами, и их динамическое равновесие;

– вещества, находящиеся в процессе радиоактивного распада;

– рассеянные атомы, выделяющиеся из земного вещества под влиянием космических излучений;

– вещество космического происхождения, включающее отдельные атомы и молекулы, проникающие на Землю из космоса.

Разумеется, жизнь в биосфере распространена неравномерно, существуют так называемые сгущения и разрежения жизни. Наиболее густо населены нижние слои атмосферы (50 м от земной поверхности), освещенные слои гидросферы и верхние слои литосферы (почва). Также следует отметить, что тропические области заселены намного плотнее, чем пустыни или ледяные поля Арктики или Антарктики. Глубже в земную кору, в океан, а также выше в атмосферу – количество живого вещества уменьшается. Таким образом, эта тончайшая пленка жизни покрывает абсолютно всю Землю, не оставляя ни одного места на нашей планете, где бы не было жизни. При этом нет резкой границы между биосферой и окружающими ее земными оболочками.

Долгое время идеи Вернадского замалчивались, и вновь к ним вернулись лишь в середине 1970-х годов. Во многом это произошло благодаря трудам российского биолога Г.А. Заварзина, который доказал, что основным фактором становления и функционирования биосферы были и остаются многосторонние трофические связи. Они установились не менее чем 3,4–3,5 млрд лет назад и с тех пор определяют характер и масштабы круговорота элементов в оболочках Земли.

В начале 1980-х гг. английским химиком Джеймсом Лавлоком и американским микробиологом Линн Маргулис была предложена очень интересная концепция Геи-Земли. Согласно ей, биосфера представляет собой единый суперорганизм с развитым гомеостазом, делающим его относительно независимым от флуктуации внешних факторов. Но если саморегулирующаяся система Геи-Земли попадает в состояние стресса, близкое к границам саморегуляции, даже маленькое потрясение может толкнуть ее к переходу в новое состояние или даже к полному уничтожению системы. В истории нашей планеты уже не раз случались такие глобальные катастрофы. Самой известной из них является исчезновение динозавров около 60 млн лет назад. Сейчас Земля вновь переживает глубокий кризис, поэтому так важно продумать стратегию дальнейшего развития человеческой цивилизации.

Вопросы для обсуждения

1. Какие биологические науки вы знаете?

2. Каков предмет биохимии?

3. Чем занимается биофизика?

4. Каковы основные идеи эволюционной биологии? Что она собой представляет?

5. Что является основным структурным элементом жизни?

6. Что такое генетический код? Из чего он складывается?

7. Каков механизм воспроизводства ДНК?

8. Как связаны между собой белки и нуклеиновые кислоты?

9. Что такое генная инженерия и биотехнологии?

10. Как вы относитесь к возможности клонирования человека?

11. Что такое вид и популяция? Чем они отличаются друг от друга?