Живое вещество как мощная геологическая сила (планетарная роль живого вещества)

По Вернадскому, вещество биосферы состоит из семи разнообразных, но геологическивзаимосвязанных частей: косное вещество, живое вещество, биогенное вещество, биокосноевещество, радиоактивное вещество, рассеянные атомы, вещество космического происхождения.

Косное вещество– вещество, в формировании которого не принимали участие живые организмы. Сюда относятся минералы и горные породы, образовавшиеся или глубже биосферы, или в пределах биосферы на глубине нескольких километров без участия жизни.Примерами косного вещества могут быть породы вулканического происхождения – базальты,граниты и т. п.

Живое вещество– совокупность живых организмов биосферы, численно выраженная в элементарном химическом составе, массе и энергии. Как обсуждалось выше, живое вещество представляет собой ничтожную часть биосферы, однако именно живому веществу принадлежит, по мнению Вернадского, главная роль в формировании земной коры и облика Земли в целом. Оно связано с остальными веществами биосферы материально и энергетически посредством биогенной миграции атомов в результате дыхания, питания, роста и размножения организмов. Обладая колоссальным запасом энергии, живое вещество выполняет в биосфере огромную работу и является могучей геологической силой планетарного характера. Его роль как геологического фактора проявляется в контролировании всех основных химических превращений в биосфере.

Специфика живого веществазаключается в следующем:

1.       Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией. В неорганическом мире по количеству свободной энергии с живым веществом могут быть сопоставлены только недолговечные незастывшие лавовые потоки.

2.       Резкое отличие между живым и неживым веществом биосферы наблюдается в скорости протекания химических реакций: в живом веществе реакции идут в тысячи и миллионы раз быстрее.

3.       Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения – белки, ферменты и пр. – устойчивы только в живых организмах (в значительной степени это характерно и для минеральных соединений, входящих в состав живого вещества).

4.       Произвольное движение живого вещества в значительной степени саморегулируемое. В. И. Вернадский выделял две специфические формы движения живого вещества: а) пассивную, которая создается размножением и присуща как животным, так и растительным организмам; б) активную, которая осуществляется за счет направленного перемещения организмов (она характерна для животных и в меньшей степени для растений). Живому веществу также присуще стремление заполнить собой все возможное пространство.

5.       Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Кроме того, в отличие от неживого абиогенного вещества, живое вещество не бывает представлено исключительно жидкой или газовой фазой. Тела организмов построены во всех трех фазовых состояниях.

6.       Живое вещество представлено в биосфере в виде дисперсных тел – индивидуальных организмов. Причем, будучи дисперсным, живое вещество никогда не находится на Земле в морфологически чистой форме – в виде популяций организмов одного вида: оно всегда представлено биоценозами.

7.       Живое вещество существует в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых эпох. При этом характерным для живого вещества является наличие эволюционного процесса, то есть воспроизводство живого вещества происходит не по типу абсолютного копирования предыдущих поколений, а путем морфологических и биохимических изменений.

По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах биогенной миграции веществ:

а)   химической (биохимической) – первый род геологической деятельности;

б)   механической – второй род геологической деятельности.

Деятельность первого родапроявляется в постоянном обмене вещества междуорганизмами и окружающей средой в процессе построения тела организмов, переваривания пищи.

Деятельность второго родазаключается в перемещении вещества организмами в ходе его жизнедеятельности (при строительстве нор, гнезд, при заглублении организмов в грунт), перемещении самого живого вещества, а также пропускании неорганических веществ через желудочный тракт грунтоедов, илоедов, фильтраторов.

Живое вещество, как геологическая сила, выполняет ряд функций:

1)      энергетическую, заключающуюся в поглощении солнечной энергии при фотосинтезе, ее преобразовании в энергию химических связей и в тепловую энергию;

2)      окислительно-восстановительную, заключающуюся в изменении степени окисления атомов, входящих в состав веществ, поглощаемых и выделяемых живыми существами. Так, в ходе фотосинтеза происходит восстановление углекислого газа до глюкозы, в процессе дыхания, напротив, соединения углерода окисляются; азотфиксирующие бактерии восстанавливают азот атмосферы до аммиака, а нитрифицирующие – окисляют аммиак до солей азотистой и азотной кислот; серобактерии окисляют сероводород до солей серной кислоты и т. п. Биогенные процессы окисления и восстановления преобладают на поверхности Земли;

3)      концентрационную, выражающуюся в избирательном накоплении в ходе жизнедеятельности определенных химических элементов. Состав живого вещества резко отличен от состава косного вещества планеты; в нем преобладают легкие атомы (C, H, O, N, P, S, Na, K, Zn, Ca, Fe, Mg, Mo, Mn, Cu и др.). Содержание определенных элементов в некоторых организмах в десятки, сотни и даже тысячи раз больше, чем во внешней среде. Так создается неоднородность химического состава биосферы;

4)      газовую, заключающуюся в определении газового состава атмосферы: именно врезультате действия живого вещества создаются ее основные газы (N₂, O₂, CO₂, H₂S, CH₄ и др.);

5)      деструктивную, заключающуюся в минерализации органического вещества, его разложении до неорганического вещества, что является условием повторного вовлечения атомов химических элементов в биологический круговорот;

6)      средообразующую, выражающуюся в преобразовании физико-химических параметров среды;

7)      транспортную, заключающуюся в переносе вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.

В результате деятельности живого вещества в биосфере происходит формирование биогенного вещества: известняков, нефти, природного газа, каменного угля, битума.

С деятельностью живого вещества связано и появление биокосного вещества, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами и является закономерной структурой из живого и косного вещества: почти вся вода биосферы, почва, кора выветривания и т. д.

Изучая функции живого вещества и их роль в эволюции биосферы, В. И. Вернадский сформулировал три биогеохимических принципа:

1.       Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

2.       Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.

3.       Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете лучистой энергией Солнца.

В пределах биосферы везде встречается либо живое вещество, либо следы его биогеохимической деятельности. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись по планете, принимая все большее участие в перераспределении энергии и веществ в земной коре, а также в воздушной и водной оболочках Земли. Возникновение и распространение растительности привело к коренному изменению состава атмосферы, первоначально содержавшей очень мало свободного кислорода и состоявшей, главным образом, из двуокиси углерода и, вероятно, метана и аммиака. Растения, ассимилирующие углерод из CO₂, привели к созданию атмосферы, содержащей свободный кислород и лишь следы CO₂. Свободный кислород в составе атмосферы служил не только активным химическим агентом, но также источником озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли (“озоновый экран”). Одновременно углерод, веками скапливавшийся в остатках растений, образовал в земной коре грандиозные энергетические запасы в виде залежей органических соединений (каменный уголь, торф). Растительный покров изменил физические и химические характеристики планеты; изменился, в частности, коэффициент отражения поверхностью суши различных участков солнечного спектра. Развитие жизни в Мировом океане привело к созданию осадочных пород, состоящих из скелетов и других остатков морских организмов. Эти отложения, их механическое давление, химические и физические превращения изменили поверхность земной коры. Активное избирательное поглощение веществ организмами вызвало перераспределение веществ в верхних слоях коры. Слои земной коры, лишенные в настоящее время живого вещества, переработаны им в геологическом прошлом.

Вернадский сделал фундаментальное обобщение: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем организмы, взятые в целом...». Облик Земли как небесного тела фактически сформирован Жизнью.