7.4. Функции живого вещества в биосфере

В.И.Вернадский считал, что главную преобразующую роль в биосфере играет живое вещество. Он писал: «Живое вещество – главная структурная единица биосферы. Химическое состояние нашей планеты всецело находится под влиянием жизни, определяется живыми организмами, которые превращают солнечную (космическую) лучистую энергию Солнца в земную (химическую) и создают бесконечное разнообразие органического мира. С деятельностью живого вещества связан великий планетарный процесс – миграция химических элементов в биосфере».

Из общей массы живого вещества планеты 99,5% приходится на долю растений. Наибольшее количество зеленой массы сосредоточено в лесах планеты, хотя они занимают менее 30% суши. Леса – это биомы, первичная продуктивность которых превышает производительность всех других биомов и составляет 1-3 кг сухой массы в год на 1 м². Первичная продуктивность биосферы Земли достигает 164 млрд. т сухого органического вещества в год.

Валовая первичная продукция соответствует общему количеству углерода, поглощенному автотрофами в процессе фотосинтеза, и эквивалентна части солнечной энергии, поглощенной фотосинтезирующими организмами. Она оценивается в 1% от общего количества энергии, ежегодно получаемой Землей от Солнца – 5 * 10²⁰ ккал в год.

Живое вещество в биосфере выполняет 6 основных функций:

1. Энергетическая функция – это способность организмов поглощать солнечную энергию в процессе фотосинтеза, трансформировать энергию Солнца в энергию химических связей образованного органического вещества растений и далее передавать и распределять эту энергию по пищевым (трофическим) цепям.

2. Газовая функция – это способность живых организмов поддерживать постоянство газового состава биосферы в результате сбалансированности процессов фотосинтеза и дыхания. Осуществляется зелеными растениями, выделяющими кислород в процессе фотосинтеза, животными и растениями, выделяющими углекислый газ в процессе дыхания, а также растениями, животными, грибами и микроорганизмами, участвующими в круговороте азота, серы, фосфора, углерода. В результате их деятельности генерируются свободный кислород, биогенная углекислота, озон, перекись водорода, азотсодержащие газы, сероводород, углеводороды и другие вещества.

3. Концентрационная функция – это способность живых организмов извлекать и накапливать в своем теле химические элементы окружающей среды. Благодаря этому произошло перераспределение химических элементов в пределах биосферы и образовались полезные ископаемые. Все живые организмы концентрируют C, N, S, P, O, Ca, Na, K, Mg, Al, Si, Cl, H, Fe, Zn, Cu, Cr и др. Некоторые виды накапливают химические элементы, которые обычно встречаются в живых организмах в очень малых количествах. Например, морские организмы (крабы, креветки, рыбы) активно поглощают тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий), мышьяк и радиоактивные элементы. Голотурии концентрируют много ванадия. Дождевые черви аккумулируют цинк, медь, свинец и кадмий. Водоросли рода ламинария накапливают йод и фтор. Полынь концентрирует в клетках и тканях золото.

4. Окислительно-восстановительная функция. Выражается в химических превращениях веществ в результате жизнедеятельности организмов. Живые организмы участвуют в химическом превращении веществ, атомы которых имеют переменную степень окисления (в окислительно-восстановительных реакциях с участием железа, марганца и других элементов). Благодаря способности организмов в ходе биохимических реакций изменять степень окисления химических элементов создается разнообразие химических соединений в природе, необходимое для поддержания разнообразия жизни в биосфере.

5. Деструкционная (биохимическая) функция – это способность живых организмов разлагать отмершее органическое вещество до биогенов, поглощаемых продуцентами, благодаря чему осуществляется круговорот вещества в биосфере, и жизнь может существовать бесконечно долго без поступления вещества из космоса. В процессе размножения организмов, после их смерти и взаимодействия продуктов распада с косным веществом образуется биогенное и биокосное вещество.

Биогеохимическая функция определяется как размножение, рост и перемещение в пространстве живого вещества, в результате чего происходит круговорот химических элементов в природе, их биогенная миграция.

В.И.Вернадский выделял: 1 – биохимическую функцию, связанную с питанием, дыханием и размножением организмов; 2 – биохимическую функцию, связанную с разрушением тел организмов после их смерти. При этом происходит ряд биохимических превращений: живое тело – биокосное тело – косное тело.

6. Биогеохимическая функция. Связана с биогенной миграцией атомов, многократно возрастающей под влиянием хозяйственной деятельности человека и его разума. В.И.Вернадский писал, что в ХХ веке «человечество становится главной движущей силой природного процесса – великой, космической, быть может, геологической силой». Наряду с огромным удовлетворением материальных и духовных потребностей человека научно-технический прогресс внес ряд негативных изменений в биосферу и регуляцию ее процессов. В результате нерациональной деятельности человека биосфера, особенно в региональных рамках, утрачивает свои способности к выполнению многообразных биогеохимических функций, связанных с образованием газов атмосферы, осуществлением окислительно-восстановительных реакций, концентрацией и рассеиванием химических элементов в ландшафтах. В настоящее время мировое хозяйство ежегодно выбрасывает в атмосферу 2,5 млрд т оксидов азота, 250 млн т мелкодисперсных аэрозолей, 200 млн т монооксида углерода, 150 млн т диоксида серы, 120 млн т золы, более 50 млн т углеводородов. Только за счет сжигания угля в энергетических установках в окружающую среду поступает в десятки и тысячи раз больше мышьяка, урана, кадмия, бериллия, ртути, чем вовлекается в природный биогеохимический круговорот элементов. В результате многие биогеохимические циклы становятся частично разомкнутыми (техногенные отходы не полностью вовлекаются в круговорот). Усиление воздействия антропогенного фактора на биосферу в результате деятельности промышленности, транспорта, сельского хозяйства, преобразования ландшафтов, добычи и использования полезных ископаемых привело к тому, что человек стал важным фактором изменения направленности геохимических процессов и динамических равновесий в биосфере.