28.3. Живое вещество - главный компонент биосферы

Суммарный химический состав живых организмов во многом отличается от состава косных оболочек Земли. Ближе всего он к химическому составу гидросферы по абсолютному преобладанию атомов водорода и кислорода, но в отличии от гидросферы в организмах относительно велика доля углерода, кальция и азота.

Живое вещество состоит в основном из элементов, являющихся водными и воздушными мигрантами, т.е. образующих газообразные и растворимые соединения. Заслуживает внимания то обстоятельство, что 99,9% массы живых организмов приходится на 14 элементов, которые преобладают и в земной коре, составляя в ней 98,9%, правда в других пропорциях. Таким образом, жизнь вне всякого сомнения есть химическое производное земных оболочек.

Биохимические процессы, осуществляемые в организмах, представляют собой сложные, организованные в циклы цепи реакций. На воспроизведение их в неживой природе потребовались бы огромные энергетические затраты. В живых организмах они протекают при посредстве белковых катализаторов, понижающих энергию активации молекул на несколько порядков. Так как материал и энергию живые организмы черпают в окружающей среде, они преобразуют среду уже только тем, что живут. В.И.Вернадский подчеркивал, что живое вещество - самая активная форма материи во Вселенной. Оно производит гигантскую геохимическую работу в биосфере, полностью преобразовав верхние оболочки Земли за время своего существования.

Вес живого вещества Земли определяется в 2,4 х 1012т (0,01% от веса планеты), причем 99,9% биомассы находится на суше (табл. 30.1). Поразительно малое количество биомассы организмов океана говорит о возможности быстрого исчерпания его запасов при интенсивном использовании. Однако океан в год может дать 25,8% от прироста первичной продукции всей Земли. Это свидетельствует о чрезвычайно быстром ее приросте в условиях океана (в 200 с лишним раз быстрее, чем на суше). Ежегодно возобновляется за счет фотосинтеза около 10% биомассы растений Земли. Деструкторы, составляющие всего 1% биомассы живого вещества планеты, перерабатывают весь этот прирост (в 10 раз больше своего веса).

Таблица 30.1.

Некоторые характеристики живого вещества Земли (в 1012 т сухого вещества)

Биосфера Континенты Океан

в целом Проду- Консу- Всего Проду- Консу- Всего

центы менты центы менты

Биомасса

2,4232 2,4000 0,0200 2,4200 0,0002 0,0030 0,0032

100% 99,04 0,83 99,87 0,01 0,12 0,13

Отношение продуценты/консументы

99/1 99,2% 0,8% 100% 6,3% 93,7% 100%

Годовая продукция

0,232 0,172 0,06

Продуктивность (%)

100 74,2(3/4) 25,8(1/4)

Прирост биомассы (%)

9,7 7,2 30 000

Основываясь на идеях В.И.Вернадского, А.В.Лапо выделяет следующие функции живого вещества:

1) энергетическая - поглощение солнечной энергии при фотосинтезе и химической энергии при разложении веществ;

2) концентрационная - избирательное накопление определенных элементов;

3) деструктивная - минерализация органического вещества и разложение неорганического вещества;

4) средообразующая - преобразование физико-химических параметров среды;

5) транспортная - перенос организмами элементов при миграциях.

Энергетическая функция. На Земле существует только один процесс при котором энергия солнечного света не только тратится и перераспределяется, но и связывается, запасается на очень длительное время. Этот процесс - создание органического вещества в ходе фотосинтеза. Основная планетарная функция живого вещества на Земле заключается, таким образом, в связывании и запасании солнечной энергии, которая затем идет на поддержание множества других геохимических процессов в биосфере. За время сущетсвования хизни на Земле живое вещество связало огромное количество солнечной энергии, большая часть которой накопилась в связанном виде (угли, известняки, нефть, газ).

В биосфере в результате жизнедеятельности микроорганизмов в больших масштабах осуществляются также химические процессы сопровождающиеся окислением и востановлением элементов (азот, сера, железо, марганец и др.). Микроорганизмы восстановители - гетеротрофны, они используют в качестве источника энергии органические вещества. К ним относятся денитрифицирующие и сульфатредуцирующие бактерии. Микроорганизмы-окислители могут быть как гетеро-, так и автотрофами. Это бактерии, окисляющие серу и сероводород, нитри- и нитрофицирующие микроорганизмы, железные и маргенцевые бактерии. Геологические результаты деятельности этих организмов проявляются в образовании осадочных месторождений серы, сульфидов металлов, железных и железно-маргонцевых руд.

Деструктивная функция. За счет жизнедеятельности огромного числа гетеротрофов происходит гигантская в масштабе всей Земли работа по разложению органических остатков. Продукты процесса минерализации вновь используются автотрофами. Кроме того, в почве часть освобождающихся веществ под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов вновь конденсируется с образованием сложного комплекса соединений - почвенного гумуса со значительным запасом энергии. Гумус же является основой почвенного плодородия. Его разложение в дальнейшем протекает очень медленно, чем достигается постоянство в обеспечении растений элементами минерального питания. Часть органического вещества при этом может захораниваться и консервироваться в составе осадочных пород, поэтому синтез органических веществ в масштабе всей биосферы не полностью уравновешивается их разложением.

Средообразующая функция. Природная вода, обогащенная продуктами минерализации, становится химически высокоактивной и активизирует выветривание горных пород.

Кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза. Единственный источник абиогенного поступления свободного кислорода - фотодиссоциация молекул воды в верхних слоях атмосферы, крайне незначителен. Значительная часть биогенного кислорода расходуется на окисление минеральных веществ. Весь наличный запас свободного кислорода в атмосфере, оцениваемый в 1,6 х 1015 т, зеленые растения могут воссоздать за 10 тыс.лет. В верхних слоях тропосферы под влиянием ультрафиолетового излучения из кислорода образуется озон. Существование озонового экрана так же является результатом деятельности живого вещетсва, которое, по выражению В.И.Вернадского, "как бы само создает себе область жизни".

Продуцируя и потребляя газообразные вещества (CO2, N2, H2S, NH3 и т.д.), организмы биосферы поддерживают постоянство состава воздушной оболочки Земли.

Концентрационная функция. Живое вещество перераспределяет атомы в биосфере. Многие организмы способны накапливать, концентрировать в себе определенные элементы не смотря на часто ничтожные концентрации его в окружающей среде. Например, литотамниевые водоросли накапливают в своих телах до 10% магния, в раковинах брахиопод содержится до 20% фосфора, в серных бактериях до 10% серы. Многие организмы концентрируют кальций, кремний, натрий, алюминий, йод и т.д. Отмирая и захораниваясь в массе, они образуют скопления этих веществ. В результате чего возникают залежи таких ископаемых как известняки, бокситы, фософриты, осадочная железная руда и т.п.