16.1.4. Биологический круговорот веществ в природе

Биологический круговорот играет огромную роль в биосфере — он обеспечивает жизнь. Любая форма жизни неизбежно включа­ется в этот процесс. Общее количество протоплазмы всех живых организмов, населявших Землю в течение многих миллиардов лет, намного превосходит массу нашей планеты. Следовательно, материя использовалась многократно. Химические элементы из­влекаются из окружающей среды, входят в состав живой протоп­лазмы и возвращаются в окружающую среду для повторного использования. Распад, деструкция сложных органических со­единений служит источником энергии. Образуемые микроорга­низмы, приспособленные практически к любым условиям, эту энергию извлекают.

Важным условием существования биосферы и круговорота веществ в ней является получение и преобразование энергии в живых организмах. О роли и значении энергии в целом для жи­вого мы уже говорили в § 11.2, а о том, как это происходит на клеточном уровне, — в § 12.4. Рассмотрим здесь возможность получения и использования энергии в биосфере, а затем и роль энергии в эволюции

.

16.1.5. Роль энергии в эволюции

Основным естественным внешним источником энергии, ис­пользуемой для поддержания жизни, является энергия излуче­ния Солнца. Однако биосфера получает лишь небольшую часть всей солнечной энергии, поступающей на Землю. Ультрафиоле­товая часть солнечного спектра, составляющая около 30% всей этой энергии, практически полностью задерживается озоновым слоем атмосферы. Половина достигающей Земли энергии пре­вращается в тепло и затем рассеивается в космическое простран­ство. Около 20% энергии Солнца расходуется на испарение воды с огромных пространств океанов и морей и образование облаков в атмосфере Земли, и лишь около 0,02% используется биосфе­рой (рис. 16.1).

Зеленые растения усваивают эту энергию непосредственно, поглощая молекулы хлорофилла в процессе фотосинтеза, преоб­разуют ее и запасают в виде энергии химической связи различ­ных соединений в объектах живой природы. Это основной пер­вичный процесс усваивания энергии Солнца, и от него зависит все существование биосферы. Животные, поедая растения, а хищники — травоядных животных, получают эту энергию, сжи­гая сахара, другие биологические накопители энергии и пита-Солнечное излучение

173 • 10^,5Вт

52 • 10 Вт

Фотосинтез 4 • 10¹³Вт

Рис. 16.1. Распределение солнечной энергии, поступающей

на Землю.

,15

Энергия, поглощаемая сушей, \горями и атмосферой и переходящая в тепло

1*3

тельные вещества с использованием кислорода. Сама переработ­ка пищи в организме также сопровождается выделением энергии, часть ее запасается в форме энергии химических связей и затем может быть использована для совершения работы. Та­ким образом, животные не получают нужную им энергию непо­средственно от Солнца.

Удовлетворение в целом энергетических потребностей живых организмов осуществляется в условиях равновесия, которое воз­никает между организмами в рамках возникающих экосистем. В каждой экосистеме имеются и автотрофы, которые перевари­вают в пищу вещества из неживой окружающей среды, и гете- ротрофы, которые не производят необходимую им пищу и, тем самым, зависят от остальных непосредственных производителей энергии. Заметим еще раз, что все элементы, из которых состоят живые организмы, многократно используются в биосфере, обес­печивая биотический круговорот органических веществ с учас­тием всех образующих биосферу организмов.

Каждый вид, популяция, биогеоценоз являются лишь звенья­ми в этом биотическом круговороте. Непрерывность жизни обеспечивается синтезом и распадом веществ, при этом каждый живой организм выделяет то, что может быть использовано дру­гими организмами. Важную роль в круговороте играют микроор­ганизмы, превращающие останки животных и растений в Мине­ральные соли и простейшие органические соединения, которые затем снова используются растениями для синтеза новых орга­нических веществ. Энергетический обмен в биосфере отличается от круговорота веществ в ней, поскольку энергия частично рас­сеивается при переходе от растений к травоядным, а затем и плотоядным животным, и вследствие этого требуется постоян­ная подпитка биосферы солнечной энергией.

Роль энергии во всех проявлениях жизни огромна и несом­ненна, можно даже сказать, что главным фактором эволюции является энергетический.

За все время человеческой истории способность концентри­ровать и целенаправленно высвобождать энергию увеличилась (от каменного топора до ядерной боеголовки) на 12—13 поряд­ков (в миллион миллионов раз!) [128].

Все биологические объекты и их эволюция тесно связаны с потоком энергии, пронизывающим все живое. По существу он является физической основой, на которой построена биологиче­ская эволюция и которая создает предпосылки для естественно­го возникновения регуляторных механизмов. Наличие энергети­ческого потока является определяющим в существовании биоло­гических структур и их динамики. Поэтому неудивительно, что в процессе эволюции появляются организмы, выработавшие сложные механизмы превращения и запасания энергии. Огром­ную роль (см. § 12.4) играют превращения, происходящие в хи­мических связях фосфорных соединений, в которых принимают участие белки и нуклеотиды.

Результатом появления многоклеточных форм жизни является потребность живого существовать в условиях избытка энергии как фактора, предохраняющего живое от гибели. Эволюция от прока­риотов до эукариотов может рассматриваться как возможная эво­люция фосфагенов, поскольку для мышц необходимы легкодос­тупные источники энергии, какими фосфаты и являются. Как от­мечал Р. Фокс, организм может легко перемещаться, если его ткани «насыщены» энергией, и как раз для этого и нужны фосфа­гены. В результате естественного отбора в живых организмах, су­ществующих за счет притока энергии, сохранились организмы, у которых сформировались ткани с более эффективным энергетиче­ским обменом и способом утилизации энергии, с более совершен­ной регуляцией этих процессов и накоплением энергии.

Можно считать, что жизнь возникла благодаря потокам энер­гии и особым веществам, преобразующим энергию в живом ор­ганизме.

16.2. Биогеохимические принципы В.И. Вернадского и живое вещество

Мир — мгновенье, и я в нем —

мгновенье одно. Сколько вздохов мне сделать

за миг суждено ? Будь же весел, живой!

Это бренное здание Никому во владенье навек не дано.

Омар Хайям

То, что я понял, - прекрасно, из этого я заключаю, что и осталь­ное, чего я не понял, — тоже-пре­красно.

Сокра

т