5.6. Основные свойства и функции живого вещества

В чем же причина столь высокой химической активности живого вещества, сумевшего преобразовать все сферы Земли? Известняки, уголь, илы, почвы, железные и марганцевые руды, кислород атмосферы – все это создано живым веществом за геологическое время. Причина столь высокой химической и геологической активности живого вещества, по выражению академика Л.С. Берга, обусловлена «биологическими катализаторами (ферментами), которые совершают, с физико–химической точки зрения, что–то невероятное». В живых организмах на порядок или несколько порядков увеличиваются скорости химических реакций В.И. Вернадский в связи с этим живое вещество назвал «формой чрезвычайно активированной материи».

Свойства живого вещества. Среди основных свойств живого вещества можно отметить следующие.

1. Мобильность – способность живых организмов быстро осваивать все свободное пространство. Живое вещество, подобно газу растекается по поверхности планеты, при этом мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные.

Это свойство связано как с интенсивным размножением (без сдерживающих факторов дрожжевые клетки заселят пространство планеты за несколько часов; бактерии – за несколько сути, некоторые насекомые – за год), так и со способностью живых организмов в благоприятных условиях увеличивать биологическую массу. Например, многоярусные тропические леса занимают около 3000 млн. га, или 6% площади суши, но при этом дают 60% всего живого вещества планеты.

Мобильность живых организмов сдерживается многообразными биологическими и экологическими механизмами, а также фактором времени. Например, видовое разнообразие участков лесной гари бедно непосредственно после пожара и требуется значительное количество лет, чтобы участок гари «сравнялся» с окружающими экосистемами. Другим классическим примером является заселение острова Кракатау после извержения вулкана в 1883 г., уничтожившего там все живые организмы. Мощность взрыва была эквивалентна взрыву водородной бомбы: на острове осталась только гора, покрытая лавой и пеплом. Для формирования новых экосистем потребовалось 50 лет, но и они по разнообразию видов уступали предыдущим.

2. Активность – способность к движению, но не только пассивному, происходящему под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.д., но и к активному – против течения воды, движения воздушных масс, силы тяжести и т.д.

3. Устойчивость и деструктивность – способность к устойчивой жизнедеятельности и быстрому разложению после гибели благодаря специфическим химическим соединениям – белкам и ферментам, все живые организмы устойчивы в процессе жизнедеятельности, но организмы также легко разлагаются после окончания жизни. После смерти организмов образовавшиеся органические и неорганические вещества включаются в круговороты.

4. Адаптивность – способность приспосабливаться к различным условиям окружающей среды, в том числе и к крайне трудным по физико–химическим параметрам. На протяжении эволюционного отбора и развития, живые организмы выработали огромное количество жизненных форм в процессе приспособления к тем или иным условиям.

5. Реактивность – способность к высокой скорости протекания реакций, которая на несколько порядков больше, чем реакции в неживом веществе. Именно благодаря высокой скорости биохимических реакций жизнь преобразовала планету. Эти реакции управляются и ускоряются ферментами.

Отдельно можно выделить механическую реактивность – например, способность землероек (червей, сурков, сусликов и др.) к преобразованию поверхности экосистемы. Известно, например, что один дождевой червь за сутки способен переработать количество органики, равное его собственному весу.

6. Воспроизводимость – способность живого вещества к обновлению. Наибольшая скорость обновления характерна для мельчайших организмов – планктона, пассивно плавающего у поверхности океана: в каждом кубическом метре воды содержится до 50 млн. простейших клеток. Фитопланктон является своеобразным «пастбищем» для рачков, морских звезд, моллюсков, мальков рыб и т.д., которые питаются ими. Весной характерно бурное размножение водорослей: в это время года каждая диатомовая водоросль может делиться ежедневно, что влечет одновременно вспышку и зоопланктона.

Функции живого вещества. Всю деятельность живого ве­щества в биосфере можно, с определенной долей условности, свести к нескольким основополагающим функциям.

1. Биотическая функция. Биосфера является самоподдерживающейся и самоорганизующейся целостной системой. Если бы эта главная функция исчезла, то через несколько десятков лет планета могла бы стать безжизненной пустыней. Живое вещество, являясь одним из основных компонентов биосферы, воссоздает себя и поддерживает необходимое разнообразие.

2. Энергетическая функция. Биосфера – это самый мощный аккумулятор солнечной энергии благодаря фотосинтезу растений. Энергия, продуцированная зелеными растениями, затем передается по цепям питания, рассеивается.

За геологическую историю Земли биосфера накопила в недрах колоссальное количество энергии в залежах торфа, каменного угля, нефти и других полезных ископаемых, служащих и в настоящее время энергетической базой для человека.

3. Газовая функция. Биохимическая деятельность живого вещества обеспечивает, в частности, и планетарное равновесие газов.

4. Концентрационная (накопительная) функция. Живые организмы в ходе жизнедеятельности избирательно накапливают определенные химические элементы, повышая их содержание, по сравнению с окружающей средой, в десятки и сотни раз. На первом месте находится основа всей органической жизни планеты – углерод. Например, во многих горючих ископаемых, образованных из остатков отмерших растений, содержание углерода в тысячи раз превосходит среднее содержание в литосфере. Кальций концентрируется в известковом скелете животных, фосфор накапливается в скелетах рыб. Отдельные виды живых организмов являются специфическими концентраторами некоторых элементов: морская капуста накапливает йод; лютики – литий; ряска – радий; позвоночные животные – железо; бактерии – марганец и т.д.

Например, бледную поганку часто называют «лесной коброй». Согласно преданию, именно бледной поганкой был отравлен римский император Клавдий, которому подмешала в пищу ядовитый гриб его жена Агриппина. А ядовитость этих грибов обусловлена спо­собностью концентрировать в своих органах селен, содержание которого, в сотни раз, превышает среднее со­держание в почве.

Накопительную функцию организмов часто используют и в прикладных целях: для поисков полезных ископаемых или обогащения руд. Например, еще рудокопы Средних веков знали, что галмейная фиалка произрастает на почвах с повышенным содержанием цинка, а золотоискатели Австралии при поисках месторождений ориентировались на белые цветы жимолости. Кроме этого, способность организмов накапливать токсичные элементы (тяжелые металлы и радиоактивные элементы) мо­жет быть индикатором выявления степени загрязнения окружающей среды.

5. Окислительно–восстановительная функция. Под влиянием живого вещества происходят как процессы окисления, благодаря обогащению среды кислородом, так и процессы восстановления, обусловленные дефицитом кислорода. Этот Процесс связан со способностью некоторых элементов (железо, сера, фосфор, азот и др.) менять валентность. Благодаря окислительно–восстановительной функции создаются новые соединения, происходит изменение миграционной активности элементов и как следствие – формирование руд, растворение или осаждение элементов. Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана, что делает безжизненными глубинные слои болот, а также придонные толщи воды.

6. Деструктивная функция. Образование живого вещества и аккумуляция им энергии сопровождается одновременно и диаметрально противоположным процессом – разложением, минерализацией органических соединений и превращением их в простые минеральные соединения – воду, углекислый газ, аммиак – с освобождением энергии, что и является основой биологического круговорота вещества (подробно круговороты веществ будут рассматриваться в параграфе 2.7).

Так, в процессе фотосинтеза в зеленом листе создаются угле­воды. При отмирании растений органическое вещество используется в пищу микроорганизмами, грибами и животными. Сложные органические соединения (углеводы, крахмал, целлю­лоза и др.) с помощью организмов–редуцентов подвергаются минерализации и вновь превращаются в минеральные соедине­ния, поступают в почву, чтобы по следующему кругу быть усво­енными растениями.

Другие организмы, к которым относятся бактерии, грибы и лишайники, воздействуют на горные породы за счет выделения комплекса кислот. Разрушая породы, организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие питательные элементы – кальций, калий, натрий, фосфор, кремний и многие микроэлементы.

7. Транспортная функция. В результате активной формы движения организмов постоянно происходит перенос вещества и энергии. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях животных.

8. Информационная функция. Проявляется через способ­ность живых организмов и их сообществ накапливать опреде­ленную информацию, закреплять ее в наследственных структу­рах и затем передавать последующим поколениям. Так, организмы освоили различные виды информации: зрительную, звуковую, химическую, электромагнитную. Эти процессы в них осуществляются путем общего энергоинформационного обмена.

Например, снижение интенсивности размножения может быть связано не только с недостатком корма или изменением окружающей среды: уменьшение потомства может происхо­дить и в результате «перенаселения» территории. В этом случае включаются особые внутренние механизмы популяций, кото­рые приводят к уменьшению потомства.

Мы еще крайне мало знаем о всем спектре информационных связей в природе, но факты иногда поража­ют: устройство любого муравейника строго подчинено внутренним правилам и законам поведения; в клине журавлиной стаи, каждый член «команды» занимает строго определенное место, и стороны птичьего клина образуют угол, близкий к 110 градусам. Еще в древно­сти в Китае и Египте «действовала» голубиная почта, и птицы, по им одним ведомым ориентирам, безошибочно находили дорогу домой. В последние годы ве­дутся исследования биоэнергетической природы де­ревьев: изучаются информационные связи деревьев между собой.

9. Средообразующая и рельеф о образующая функция. Природная среда создана живыми организмами, которые и поддер­живают в относительно стабильном состоянии все ее парамет­ры. В результате средообразующей функции в географической оболочке произошли важнейшие изменения: преобразование газового состава первичной атмосферы, изменение химического состава вод первичного океана, образование толщи осадочных пород в литосфере, возникновение почвенного покрова. Кроме этого, живое вещество само способно создавать новые формы рельефа. Так, всем известны крупные коралловые барьерные рифы, которые построены благодаря способности кораллов усваи­вать из морской воды известь и строить из нее свои скелеты.