5.3. Вещество биосферы

Биосферой называют оболочку Земли, которая не только населена живыми существами, но и бесконечно ими преобразовывалась по мере эволюционного развития. Все вещество Земли В.И. Вернадский разделил на семь разных, но генетически взаимосвязанных типов веществ:

1) живое вещество – совокупность всех живых организмов планеты, включая и человека, играющая основную роль в процессах изменения облика планеты;

2) биогенное вещество – вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами (мертвая органика, каменный уголь, битумы, известняк, все формы детрита, торф, уголь, нефть, газ биогенного происхождения);

3) косное вещество – твердое, жидкое и газообразное вещество планеты, образующееся в результате процессов, в которых живые организмы не участвуют (горные породы, минералы и т.д.);

4. биокосное вещество – косное вещество, преобразованное живыми организмами (природные воды, газо– и нефтеносные сланцы, битуминозные пески, часть осадочных пород, почвы, коры выветривания, глинистые минералы, илы);

5. вещество радиоактивного распада – элементы и изотопы уранового, ториевого и актиноуранового ряда;

6. рассеянные атомы земного вещества и космических излучений;

7. вещество космического происхождения – метеориты, космическая пыль.

Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, обычно называют современной биосферой, а древние биосферы относят к былым биосферам. Все геологические осадочные отложения, а это слой до 3 км, образованный начиная с палеозоя до настоящего времени, – стратисферу – В.И. Вернадский считал результатом жизнедеятельности организмов. По его мнению, земная кора – это область былых биосфер и даже ее гранитно–гнейсовый слой образовался в результате метаморфоза пород, некогда возникших под влиянием живого вещества. Лишь базальты и другие основные магматические породы он считал глубинными и первозданными.

5.4. Живое вещество: видовой состав и масса

Живые организмы являются основой биосферы, но они составляют крайне незначительную ее часть. Если выделить их в чистом виде и распределить равномерно по поверхности, то это будет слой около 1,5–2 см, или 0,01% массы всей биосферы. И, тем не менее, живые организмы – центральное звено 6 функционировании биосферы. Если бы на нашей планете не было жизни, то она походила бы на Венеру или Марс: бескрайняя пустыня с атмосферой из углекислого газа. На протяжении длительной эволюции живые организмы, тысячекратно пропусти и через свои клетки часть атмосферы, вод Мирового океана, огромную массу минеральных веществ, создали и обеспечили псе условия для существования многообразия форм жизни на планете.

Основным энергетическим источником функционирования Биосферы является солнечная энергия и частично – внутренняя энергия Земли. И соответственно биосферу необходимо также рассматривать как особую термодинамическую открытую оболочку Земли, важнейшей функцией которой является регулярное воссоздание живого вещества по численности, массе и количеству аккумулированной и удерживаемой энергии.

В биосфере Земли можно выделить две различные подсистемы, связанные друг с другом исторически и функционально: биосферу океана и биосферу суши. Живое вещество распределено в пределах данных подсистем крайне неравномерно: все живое вещество суши составляет 6,4×10¹⁸ г, а живое вещество океана – 29,9×10¹⁵ г, т.е. биомасса океана примерно на три порядка меньше суши. Почти все живое вещество планеты образовано зелеными растениями: биомасса животных составляет всего 0,006×10¹⁸ г. В отличие от биосферы суши, распределение организмов в океане обратное: на растения (в основном фитопланктон) приходится только 6,3% общей биомассы, а большую часть (93,7%) составляет биомасса животных и микроорганизмов.

Другой отличительной особенностью биосферы океана является более быстрое обновление общей биомассы. Несмотря на то, что биомасса океана намного меньше биомассы суши, общая годовая биологическая продукция в Мировом океане превышает продукцию суши за год. Объясняется это тем, что слой жизни океана состоит преимущественно из планктона, обновление которого происходит в течение месяца, а обновление биомассы суши – примерно за 15 лет. Кроме этого, биосфера океана выполняет большую биогеохимическую работу и в ряде случаев выступает как мощная буферная система, обеспечивающая глобальное геохимическое, климатическое и экологическое равновесие.

Живые обитатели планеты весьма различны: от гигантских млекопитающих, масса тела которых измеряется тоннами, а длина метрами, до микроскопических одноклеточных существ, размеры которых измеряются микронами. И каждый живой организм – шедевр природы, возникший благодаря длительной эволюции. Общепринятой классификации органического мира до сих пор не имеется, и одновременно существует несколько вариантов систематик живых организмов. По наиболее распространенной систематике, все живые организмы подразделяются по отсутствию или наличию ядра на прокариот (от лат. pro – до, перед и karyon – ядро) и эукариот (от лат. ей – хорошо, полностью и karyon – ядро). Первый эшелон жизни на планете представлен прокариотами, не имеющими клеточного ядра (бактерии и сине–зеленые водоросли). Эукариоты, имеющие клеточное ядро, – это растения, грибы и животные.

Все многообразие форм жизни на земле, видов растений, животных, микроорганизмов с их наборами генов и сложных экосистем, образующих живую природу, называется биологическим разнообразием.

Число известных зарегистрированных обособленных видов, обитающих на нашей планете, – более 1,5 млн. Но до сих пор не известно – каково реальное общее количество живых су­ществ на планете; и открытия продолжаются. Например, до сих пор нет четкой классификации микроорганизмов Земли и не подсчитано их точное количество: эти невидимые существа остаются все еще «черным ящиком» для современной науки.

'Гак, мы никогда не находимся в одиночестве: нас окружает огромное количество невидимых существ. Сотни миллионов жизней обитает снаружи и внутри нас, каждая из которых дышит и питается. И, несмотря на то, что размеры микроорганизмов измеряются тысячными долями миллиметра, предполагают, что общая масса микроорганизмов суши достигает многих миллиардов тонн.

Уже сейчас выявлено, что на каждом квадратном сантиметре нашей кожи находится как минимум 2 тыс. бактерий, а в 1 г почвенного субстрата может содержаться до 10 млрд. микроорганизмов [http:// microorganizmy.naukadv.ru]. Согласно исследованиям южнокорейских биологов, только на ручках тележек для покупок в супермаркетах, которыми ежедневно пользуются сотни посетителей крупных магазинов, находится около 1 100 колоний микроорганизмов на 1,55 квадратных дюйма (приблизительно 4 кв. см), и наша кожа является основным «оборонным» барьером против микробной инфекции [http://medportal.ru].

Считателями микромира могут быть как прокариоты, так и эукариоты. Самыми известными микроорганизмами являются вирусы и бактерии, основное различие между которыми заключается в том, что бактерии способны синтезировать живое вещество, а вирусы его разрушают.

Вирусы предельно просты – это небольшие частицы, содержащие генетическую информацию: в состав вирусов входит либо ДНК, либо РНК, в зависимости от типа вируса. И только проникнув в живой организм, вирус начинает размножаться и атаковать, используя клетки живого организма как фабрику для производства собственных копий. Когда клетка разрушается и погибает, она выбрасывает в организм новые вирусы. А проникать вирусы способны даже сквозь фарфоровые фильтры, используемые для улавливания бактерий. Но вирусы также необходимы в природе, как и все другие организмы. Вследствие того, что бактерии характеризуются очень высокой скоростью размножения, вирусы своей разрушительной функцией стабилизи­руют их рост. Кроме этого, разрушительная функция вирусов приводит к появлению новых, более устойчивых штаммов бактерий.

На данный момент изучены структура, химический состав и свойства около 6 тыс. вирусов. Поскольку вирус сам по себе не размножается, живым организмом его можно считать условно.

Бактерии (от лат. словосочетания «маленькая палочка») – простые мельчайшие существа планеты, размер которых редко превышает 10 мкм. Одна из самых известных групп бактерий – цианобактерии (или сине–зеленые водоросли). Именно они были первыми представителями живых организмов на планете. Сейчас известно и охарактеризовано около 6 тыс. видов бактерий.

Основная биосферная функция бактерий – находиться на «передовом фланге» взаимодействия живого и косного вещества планеты. Именно бактерии обитают при самых высоких и самых низких температурах, в самых кислых и щелочных источниках. Они первыми заселяют лавы после извержения вулкана и обнажившиеся после схода лавины горные породы. «Выгрызая» твердые породы литосферы, расщепляя растворенные в природных водах соединения, извлекая из неживой природы необходимые для жизни элементы, они синтезируют первичные органические соединения.

Бактерии распространены во всех природных средах (90% биомассы океана составляют именно бактерии), их находят в самых разнообразных, порой удивительным местах. Так, участники американской экспедиции к берегам Антарктиды на глубине 853 м подо льдом обнаружили большое сообщество бактерий и моллюсков. Поскольку эта территория была перекрыта льдом на протяжении 100 тыс. лет, очевидно, что открытия мест Обитания бактерий будут продолжаться [http://www. orcxtimes.ru/news/hnews26778p.htm].

В зависимости от среды обитания микроорганизмы подразделяют на аэробные, живущие при наличии кислорода, и анаэробные, живущие в безкислородной среде. Микроорганизмы обладают способностью разлагать различные вещества и соединения. Благодаря этим свойствам в последние десятилетия их используют мя рекультивации почв при нефтезагрязнении, для разложения нежелательных синтетических веществ. Микроорганизмы, с одной стороны используются как разнообразные источники антибиотиков, с другой – являются возбудителями холеры, сибирской язвы, туберкулеза и других заболеваний.

Другое царство живых организмов – грибы обитают главным образом на суше, особенно интенсивно размножаются в теплых и влажных местах (например, в тропической зоне планеты). В настоящий момент их описано около 100 тыс. видов. К грибам относятся как микроскопические одноклеточные организмы – дрожжи, так и хорошо знакомые нам по осеннему лесу подберезовики, мухоморы, боровики. Большая часть грибов имеет нитевидное тело – гифы, совокупность которых образует мицелий. Грибы, в отличие от зеленой растительности, не способны сами синтезировать органику, а произрастают на готовом органическом субстрате. Основной биосферной функцией грибов являются разложения отмерших тканей животных и растений до первичных органических соединений. В процессе разложения им также – помогают и бактерии, но грибы играют лидирующую роль.

Но последствия этой функции могут быть и отрицательными для человека. Так, во время. Второй мировой войны половина грузов, пересекающих тропическую зону, была полностью «изъедена» грибами. А солдаты часто эвакуировались из этой и him не из–за ранений, а из–за многочисленных инфекций, вызванных грибковыми заболеваниями кожи. Деструктивная функция грибов столь значительна, что эти организмы разрушают провода, оптические приборы, ткань и т.д. (Рейвн, Эверт, Айкхорн, 1990).

В настоящее время описано около 500 тыс. видов растений и более 1,0 млн. видов животных (включая насекомых и прочих беспозвоночных), сгруппированных в классы и типы. Растения – это весьма разнообразная группа живых организмов, размножающаяся спорами, семенами и вегетативным путем. Обширную группу наиболее примитивных низших растений составляют водоросли. И низшие, и высшие растения по своему строению однотипны – все они, используя энергию солнечного света, синтезируют органические соединения, извлекая их из воды, почвенного субстрата, воздуха. Кроме света, воды и воздуха для жизни им необходимы органические соединения, созданные бактериями–прокариотами. Именно благодаря фотосинтезу, этому удивительному таинственному процессу, посредством которого вода и воздух превращаются в живую материю, существует жизнь на Земле. Зеленые растения, производящие основную массу органики на планете, являются фундаментом для царства грибов и животных.

Самым разнообразным по видовому составу является царство животных – свыше 1 млн. видов. Из этого числа на позвоночные животные приходится только 4%, а на млекопитающих, к которым относится и человек, – 0,4% общего числа видов. Среди животных наиболее многочисленна группа насекомых. На каждого жителя планеты приходится по 10 т насекомых (250– 300 млн. особей)! Но и это царство еще не полностью описано. Открытия продолжаются. Так, в 2006 г. в результате исследований в труднодоступной лесистой местности в северной части Борнео (Калимантан) в Малайзии открыли 52 новых вида животных и растений, ранее не известных науке. А всего с 1994 г. на этом острове найдено более 360 новых видов [Jungle secrets: 52 new species found in Borneo's 'Lost World' – Daily Mail, 19.12.2006]. На севере Вьетнама, в горном районе Бат Дай Сон (Bat Dai Son) на границе с Китаем, в 2007 г. ботаники описали более 100 новых видов растений [http://www.vokrugsveta. ru/news/?item_id=2260N].

Все обитатели биосферы, чтобы существовать, должны питаться, т.е. потреблять энергию. По способу питания живые организмы можно разделить на:

1) автотрофов (или продуцентов);

2) гетеротрофов (или консументов)

3) редуцентов (деструкторов).

К продуцентам относятся зеленые растения суши и моря, синe–зеленые водоросли, использующие в качестве питания минеральные вещества, а в качестве источника энергии – солнечный свет или энергию химических связей.

К консументам относятся разнообразные организмы – от бактерий до крупных животных, использующие в качестве пищи и источника энергии органические соединения, созданные продуцентами.

И наконец, третий тип организмов представлен редуцентами, питающимися мертвым органическим веществом. К данной группе относятся многие микроорганизмы, грибы и некоторые виды животных и насекомых. Функционально редуценты – те жe самые консументы, поэтому их часто называют микроконсументами.

Таким образом, каждое царство живых организмов выполняет спою особенную функцию: прокариоты ассимилируют неорганическую материю, растения синтезируют биомассу, грибы и бактерии разлагают органику, а животные являются регулятора–процесса в целом.

И этот бесконечно повторяемый в природе процесс характерен для любой экосистемы – «от кочки, до оболочки».