3. Свойства живого вещества

Академик В. И. Вернадский совокупность всех живых организмов назвал живым веществом. Живое вещество - основа биосферы, хотя и составляет незначительную ее часть. К основным уникальным свойствам живого вещества, обусловливающим его высокую средообразующую деятельность, относятся следующие свойства:

1. Способность быстро осваивать (занимать) все свободное пространство. В. И. Вернадский назвал это свойство всюдность жизни. Это свойство живого вещества дало ему основание сделать вывод, что для разных геологических периодов количество живого вещества на Земле было примерно постоянным (константность живого вещества).

2. Двигаться не только пассивно (под действием гравитации), но и активно. Например, против течения воды, силы тяжести и др.

3. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти.

4. Высокая приспособительная способность (адаптация) к разным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водная, воздушная, почвенная), но и трудных по физико - химическим параметрам условий (температурным, радиационным и др.).

5. Очень большая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков выше, чем в неживом веществе.

6. Высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши - 14 лет, а для океана - 33 дня. В результате высокой скорости обновления за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли.

Все перечисленные и другие свойства живого вещества обусловливаются концентрацией в нем больших запасов энергии. По мнению В. И. Вернадского, по энергетической насыщенности с живым веществом может соперничать лишь образующаяся при извержении вулканов лава.

Вопросы для самоконтроля.

1. Назовите качества живой системы.

2. Перечислите признаки живых систем.

3. Охарактеризуйте функции живых систем.

4. Дайте характеристику живого вещества.

5. Свойства живого вещества.

Тема: «Термодинамика живых систем»

Живые системы для своего существования должны постоянно наполнять и расходовать энергию.

Энергетические процессы в экосистемах подчиняются первому и второму законам термодинамики. В соответствии с ними энергия не возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую (первый закон термодинамики - закон сохранения энергии). При этом часть энергии рассеивается в виде тепла. Мерой необратимого рассеивания энергии является энтропия (S) (второй закон термодинамики). В соответствии со вторым законом термодинамики самопроизвольно протекают процессы, в результате которых энтропия системы увеличивается, т. е. ΔS > 0.

Энтропию можно характеризовать и через степень упорядоченности системы. Все живые организмы и нормально функционирующие экосистемы характеризуются высокой степенью упорядоченности составляющих элементов, т. е. минимальным значением энтропии. Они сохраняют определенный уровень энергии и степень упорядоченности и, следовательно, противостоят увеличению энтропии (ΔS = 0). При заболевании организма, нарушении экологического равновесия в экосистеме степень упорядоченности системы уменьшается, т. е. увеличивается степень беспорядка и, следовательно, энтропия системы возрастает (ΔS > 0). Мертвый организм характеризуется макси-мальной неупорядоченностью системы, т. е. максимальной энтропией, в результате чего приходит в равновесие с окружающей его средой, температура его тела приходит в равновесие с температурой среды, составляющие его химические элементы и соединения включаются в процессы круговорота и становятся частью среды.

Опасно любое вмешательство в экосистему, которое приводит к увеличению энтропии и, следовательно, к снижению устойчивости системы и ее способности противостоять внешним воздействиям. Основным свойством нормально функционирующих экосистем является способность поглощать солнечную энергию и тем самым поддерживать свою высокую упорядоченность (минимальное значение энтропии). Если деятельность человека приводит к увеличению степени неупорядоченности (беспорядка), то способность экосистемы поддерживать себя в устойчивом состоянии уменьшается вплоть до перехода к полной неупорядоченности (максимальной энтропии), влекущей гибель экосистемы, т. е. экологическую катастрофу.

В соответствии со вторым законом термодинамики (при любом превращении энергии некоторое ее количество всегда переходит в менее качественную, менее полезную энергию) растениями используется лишь часть поступающей в экосистему солнечной энергии. При фотосинтезе связывается только энергия с длиной волны 380 - 710 нм. Она по длине волны близка к видимой части спектра. На эту радиацию приходится 40% общей солнечной энергии. Растения используют примерно 20% падающей солнечной энергии, из которой только 0,3% (100 твт) расходуется на фотосинтез (в среднем для земного шара). Остальная энергия рассеивается и переходит в тепловую, которая расходуется на нагревание окружающей среды.

Из поглощенной энергии растения менее 10% расходуют на продукционный процесс (увеличение собственной биомассы). Остальная энергия расходуется при дыхании, осуществлении других функций организма и передается гетеротрофным организмам.

При переходе энергии с первого трофического уровня (продуцентов) на второй (фитофагов), третий (хищников первого порядка) и т. д. значительное ее количество также рассеивается и снижает свое качество. Поэтому КПД перехода энергии с одного трофического уровня на другой не превышает 7 - 10%. После смерти живого организма, в теле которого энергия зафиксирована в энергии химических связей органических соединений, она будет использована редуцентами, и происходит полное ее рассеивание. Энергию нельзя использовать многократно, так как при каждом переходе с одного трофического уровня на другой происходит ее рассеивание, пока вся энергия не рассеется в среде экосистемы в виде самой некачественной формы - тепловой.

Нарушение способности саморегуляции за счет частичных или резких внешних воздействий приводит к увеличению энтропии вплоть до полного разрушения экосистемы. Так, увеличение загрязнения атмосферы промышленными выбросами затрудняет усвоение солнечной энергии растениями, потому что пылью "забиваются" их устьица, через которые происходит питание и газообмен. В результате уменьшается количество пищи, а следовательно, и энергии, поступающей всем другим организмам. В итоге все большее их количество не может противостоять увеличению энтропии и погибает. При определенных размерах этого процесса вся живая система может погибнуть.

В соответствии с законом внутреннего динамического равновесия вещество, энергия, информация и качество отдельных природных систем и биосферы в целом взаимосвязаны и любое изменение одного из этих показателей вызывает изменение всех других. Причем эти изменения происходят в направлении, обеспечивающем сохранение общей суммы вещественно - энергетических и динамических качеств систем, т. е. ее устойчивости. Таким образом, экосистемы сопротивляются воздействиям, нарушающим их стабильность. Чем больше различных видов обитает в экосистеме и чем больше имеется возможности экологического дублирования, чем шире пищевая цепь, тем стабильнее экосистема. Любая система (и экологическая в том числе) развивается за счет окружающей ее среды (материальных, энергетических и информационных возможностей). Абсолютно изолированное развитие невозможно.

При изучении экосистем в первую очередь обращают внимание на характер питания составляющих их организмов: откуда и как они получают энергию для жизнедеятельности, какие вещества - органические или неорганические - используют для построения своего тела? Для одних организмов источником энергии служит свет (фототрофные организмы), для других - химические реакции (хемотрофныe организмы).