Функции живого вещества

Живое вещество обеспечивает биогеохимический кругово­рот веществ и превращение энергии в биосфере. Выделяют сле­дующие основные геохимические функции живого вещества:

1. Энергетическая (биохимическая) – связывание и запаса­ние солнечной энергии в органическом веществе и последую­щее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедея­тельности организмов.

2. Газовая – способность живых организмов изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. С газовой функцией связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в ат­мосфере достигло примерно 1% от современного уровня (пер­вая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэроб­ных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произош­ло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода дос­тигла примерно 10% от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило воз­можность освоения организмами суши (до этого функцию за­щиты организмов от губительных космических излучений вы­полняла вода).

3. Концентрационная – «захват» из окружающей среды жи­выми организмами и накопление в них атомов биогенных хи­мических элементов. Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколь­ко порядков. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азо­та в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Содержание марганца в некоторых бактериях может быть в миллионы раз больше, чем в окружающей среде. Результат концентрацион­ной деятельности живого вещества – образование залежей го­рючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т.п.

4. Окислительно-восстановительная – окисление и восста­новление различных веществ с участием живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миг­рация атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S, Р, N и др.), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование серо­водорода и т.п.

5. Деструктивная – разрушение организмами и продукта­ми их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наи­более существенную роль в этом отношении выполняют реду­центы (деструкторы) – сапротрофные грибы и бактерии.

6. Транспортная – перенос вещества и энергии в результа­те активной формы движения организмов. Такой перенос мо­жет осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения).

7. Средообразующая – преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является в значительной мере интегральной – представляет собой результат совместного дей­ствия других функций. Она имеет разные масштабы проявле­ния. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локаль­ные структуры.

8. Рассеивающая – функция, противоположная концентра­ционной – рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п. Железо ге­моглобина крови рассеивается кровососущими насекомыми.

9. Информационная – накопление живыми организмами оп­ределенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

10. Биогеохимическая деятельность человека – превраще­ние и перемещение веществ биосферы в результате человече­ской деятельности для хозяйственных и бытовых нужд чело­века. Например, использование концентраторов углерода – нефти, угля, газа и др.

Таким образом, биосфера представляет собой сложную ди­намическую систему, осуществляющую улавливание, накоп­ление и перенос энергии путем обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.

Свойства биосферы

Целостность и дискретность. Целостность биосферы обус­ловлена тесной взаимосвязью слагающих ее компонентов. Она достигается круговоротом вещества и энергии. Изменение од­ного компонента неизбежно приводит к изменению других и биосферы в целом. При этом биосфера – не механическая сумма компонентов, а качественно новое образование, обла­дающее своими особенностями и развивающееся как единое целое. Биосфера – система с прямыми и обратными (поло­жительными и отрицательными) связями, которые, в конечном счете, обеспечивают механизмы ее функционирования иустойчивости. На понимании целостности биосферы основы­ваются теория и практика рационального природопользова­ния. Учет этой закономерности позволяет предвидеть возмож­ные изменения в природе, дать прогноз результатам воздействия человека на природу.

Централизованность. Центральным звеном биосферы выс­тупают живые организмы (живое вещество). Это свойство, к сожалению, часто недооценивается человеком и в центр био­сферы ставится только один вид – человек (идеи антропоцен­тризма).

Устойчивость и саморегуляция. Биосфера способна возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмуще­ния, создаваемые внешними и внутренними воздействиями, включением определенных механизмов. Гомеостатические ме­ханизмы биосферы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями. Биосфера за свою историю пережила ряд таких возмущений, многие из которых были зна­чительными по масштабам (извержения вулканов, встречи с астероидами, землетрясения и т. п.). Гомеостатические меха­низмы биосферы подчинены принципу Ле Шателье–Брауна: при действии на систему сил, выводящих ее из состояния ус­тойчивого равновесия, последнее смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется.

Ритмичность. Биосфера проявляет ритмичность развития – повторяемость во времени тех или иных явлений. В природе существуют ритмы разной продолжительности. Основные из них – суточный, годовой, внутривековые и сверхвековые. Су­точный ритм проявляется в изменении температуры, давле­ния и влажности воздуха, облачности, силы ветра, в явлениях приливов и отливов, циркуляции бризов, процессах фотосин­теза у растений, поведении животных. Годовая ритмика – это смена времен года, изменения в интенсивности почвообразо­вания и разрушения горных пород, сезонность в хозяйствен­ной деятельности человека. Суточная ритмика, как известно, обусловлена вращением Земли вокруг оси, годовая – движе­нием Земли по орбите вокруг Солнца. Разные экосистемы обладают различной суточной и годовой ритмикой. Годовая ритмика лучше всего выражена в умеренном поясе и очень слабо – в экваториальном. Наблюдаются и более продолжи­тельные ритмы (11, 22–23, 80–90 лет и др.). Ритмические яв­ления не повторяют полностью в конце ритма того состояния природы, которое было в его начале. Именно этим и объясня­ется направленное развитие природных процессов.

Круговорот веществ и энергозависимость. Биосфера – от­крытая система. Ее существование невозможно без поступле­ния энергии извне. Основная доля приходится на энергию Солнца. В отличие от количества солнечной энергии, количе­ство атомов вещества на Земле ограничено. Круговорот ве­ществ обеспечивает неисчерпаемость отдельных атомов хими­ческих элементов. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан основной «строительный ма­териал» живого – углерод.

Горизонтальная зональность и высотная поясность. Общебио­сферной закономерностью являетсягоризонтальная зональ­ность – закономерное изменение природной среды по на­правлению от экватора к полюсам. Зональность обусловлена неодинаковым количеством поступающего на разные широты тепла в связи с шарообразной формой Земли. Зональны кли­мат, воды суши и океана, процессы выветривания, некоторые формы рельефа, образующиеся под влиянием внешних сил (поверхностных вод, ветра, ледников), растительность, почвы, животный мир.

Наиболее крупные зональные подразделения– географи­ческие пояса. Они отличаются друг от друга температурными условиями, а также общими особенностями циркуляции атмосферы, почвенно-растительного покрова и животного мира. На суше выделяются следующие географические пояса: эква­ториальный и в каждом полушарии субэкваториальный, тро­пический, субтропический, умеренный, а также в Северном полушарии субарктический и арктический, а в Южном – суб­антарктический и антарктический. Аналогичные по названию пояса выявлены и в Мировом океане. Географические пояса протягиваются преимущественно в широтном направлении.

Внутри поясов по соотношению тепла и влаги выделяются природные зоны, названия которых определяются по преобла­дающему в них типу растительности. Так, например, в субар­ктическом поясе это зоны тундры и лесотундры, в умеренном поясе – зоны лесов, лесостепи, степи, полупустынь и пус­тынь, в тропическом поясе – зоны лесов, редколесий и са­ванн, полупустынь и пустынь. Как правило, они совпадают с основными и переходными типами природных экосистем (биомами и экотонами). В связи с неоднородностью земной по­верхности, а следовательно, и увлажнения в различных частях материков зоны не всегда имеют широтное простирание.

Зональность характерна и для Мирового океана. От экватора к полюсам изменяются свойства поверхностных вод (температу­ра, соленость, плотность и прозрачность, интенсивность волне­ния и др.), а также состав растительности и животного мира.

Высотная поясность – закономерная смена природной сре­ды с подъемом в горы от их подножия до вершин. Она обус­ловлена изменением климата с высотой: понижением темпе­ратуры (на 0,6° С на каждые 100 м подъема) и до определен­ной высоты (до 2–3 км) увеличением осадков. Смена поясов в горах происходит в той же последовательности, как и на рав­нине при движении от экватора к полюсам. Отличием являет­ся присутствие в горах особого пояса субальпийских и аль­пийских лугов, которого нет на равнинах. Высотная поясность начинается в горах с аналога той горизонтальной зоны, в пре­делах которой расположены горы. Так, в горах, находящихся в степной зоне, нижний пояс – горно-степной, в лесной – горно-лесной и т.д. Количество высотных поясов зависит от высоты гор и их местоположения.

Большое разнообразие условий обитания и живых организ­мов. Биосфера – система, характеризующаяся большим раз­нообразием. Это свойство обусловлено следующими причи­нами: разными средами жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной); разнообразием природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвен­ным, биотическим и другим свойствам; наличием регионов, различающихся по химическому составу (геохимические про­винции); биологическим разнообразием живых организмов.

В настоящее время описано более 3 млн. видов. Однако ре­альное число видов на Земле в несколько раз больше, чем их описано. Не учтены многие насекомые и микроорганизмы, особенно в тропических лесах, глубинных частях океанов и в других малоосвоенных местообитаниях. Кроме этого совре­менный видовой состав – это лишь небольшая часть видово­го разнообразия, которое принимало участие в процессах био­сферы за период ее существования. Каждый вид имеет опре­деленную продолжительность жизни (10–30 млн. лет), поэто­му число видов, принимавших участие в эволюции биосферы, исчисляется сотнями миллионов. Считается, что к настояще­му времени арену биосферы оставили более 95% видов.

Разнообразие обеспечивает возможность дублирования, под­страховки, замены одних звеньев другими, степень сложности и прочности пищевых и другие связей. Поэтому разнообразие рассматривают как основное условие устойчивости любой эко­системы и биосферы в целом.

К сожалению, практически вся без исключения деятель­ность человека подчинена упрощению экосистем любого ран­га. Сюда следует отнести и уничтожение отдельных видов или резкое уменьшение их численности, и создание агроценозов на месте сложных природных систем. Например, полностью исчезли с лица земли степи как тип экосистем и ландшаф­тов, резко уменьшились площади лесов (до появления чело­века они занимали примерно 70% суши, а сейчас – не более 20–23%). Идет дальнейшее, невиданное по масштабам унич­тожение лесных экосистем, особенно наиболее ценных и сложных тропических, спрямление русел рек, создание про­мышленных районов и т.п.

Простые экосистемы с малым разнообразием удобны для эксплуатации, они позволяют в короткое время получить зна­чительный объем нужной продукции (например, с сельскохо­зяйственных полей), но за это приходится рассчитываться сни­жением устойчивости экосистем, их распадом и деградацией среды.

Не случайно, что биологическое разнообразие отнесено Конференцией ООН по окружающей среде и развитию (1992 г.) к числу трех важнейших экологических проблем, по которым приняты специальные заявления или конвенции. Кро­ме сохранения разнообразия, такие конвенции приняты по со­хранению лесов и по предотвращению изменений климата.