1.6. Движение вещества в биосфере

Жизнь на планете развивается в условиях практически постоянного количества вещества. Это порождает особые механизмы, связанные в первую очередь с понятием “смерть”. Если бы не было смерти с последующим возвращением вещества в круговорот , жизнь не смогла бы существовать, тем более постоянно наращивать сложность форм.

Любой организм как открытая система существует в потоке вещества. Например, организм человека обновляет практически все вещество в среднем за семь лет.

Особенность биосферы, как организма, в том, что не существует сколько-нибудь существенного потока вещества из космоса или из недр Землю в биосферу и наоборот. Основные потоки вещества в биосфере организуются посредством круговоротов. Поэтому Землю часто сравнивают с “космическим кораблем”, в котором практически все ресурсы для существования находятся внутри, кроме энергии Солнца (метафорический образ Земли как космического корабля, жизнеобеспечение которого зависит от совместных усилий и разума всех его пассажиров и внутренних ресурсов, принадлежит американскому ученому К. Боулдингу (1966)).

1.6.1. Виды веществ биосферы

Можно выделить 5 видов веществ в биосфере : живое, косное, биокосное, биогенное, антропогенное.

Под живым веществом Вернадский понимал совокупность всех живых организмов, выраженную через массу, энергию или химический состав. Живое вещество составляет порядка 0.01 - 0.02 % от массы всей биосферы. Общий вес живого вещества порядка (2.4 -3.6)^.10¹² т (в сухом весе).

Вещества, образуемые без участия живых организмов и не вовлеченные в круговорот жизни, Вернадский назвал косными веществами, это, например, горные породы, продукты извержения вулканов и т.п. “Неживых” веществ в природе не бывает, практически любое вещество может быть вовлечено в круговорот жизни.

Вернадский выделял в особую группу биокосное вещество, которое в отличие от косного так или иначе обусловлено воздействием жизни и вовлечено в ее круговорот, это вода, почва и т.п.

Можно также выделить группу биогенных веществ, образующихся в результате жизнедеятельности живых организмов. Это многие полезные ископаемые: каменный уголь, нефть, торф, а также известняки, руды металлов и т.п.

В настоящее время данную классификацию дополняют еще одной группой веществ, образующихся в процессе деятельности человека. Это так называемые антропогенные вещества. Часть из них участвует в естественном круговороте вещества, но многие соединения практически не утилизируются живым веществом, а потому представляют опасность для биосферы. Это разного рода полимерные материалы, пластмассы и т.п.

Многие антропогенные вещества являются ядовитыми для большинства живых организмов. Особую опасность для жизни представляют радиоактивные вещества, прошедшие в производстве стадию обогащения, то есть повышения концентрации до таких значений, в которых в природе они не встречаются.

1.6.2. Основные свойства живых систем

Наибольшую роль на планете играет именно живое вещество. Рассмотрим его основные свойства.

1. Компактность.

В 5∙10^-15 г ДНК, содержащейся в клетке зародыша кита, заключена информация для подавляющего большинства признаков животного, которое весит 5∙10⁷ г (масса возрастает на 22 порядка).

2. Способность к самоорганизации, т.е. к созданию порядка из хаотического теплового движения молекул и тем самым противодействовать возрастанию энтропии (определение энтропии см. в п.1.7).

Живое потребляет отрицательную энтропию и работает против теплового равновесия, увеличивая, однако, энтропию окружающей среды. Чем более сложно устроено живое вещество, тем более в нем скрытой энергии и энтропии.

3. Обмен с окружающей средой веществом, энергией, информацией.

Живое способно перестраивать полученные извне вещества, уподобляя собственным материальным структурам и за счет этого многократно воспроизводить их.

4. В метаболических функциях (обмене веществ) большую роль играют контуры обратной связи, образующиеся при автокаталитических реакциях.

“В то время как в неорганическом мире обратная связь между следствиями (конечными продуктами) нелинейных реакций и породившими их причинами встречается сравнительно редко , в живых системах обратная связь, напротив, является, скорее, правилом, чем исключением” (И. Пригожин, И. Стенгерс).

Автокатализ, кросскатализ и автоингибиция (процесс, противоположный катализу, - если присутствует данное вещество, то оно не образуется в ходе реакции) присущи живым системам. Для создания новых структур нужна положительная обратная связь, для устойчивого существования – отрицательная обратная связь (см. п.1.3).

5. Жизнь качественно превосходит другие формы существования материи в плане многообразия и сложности химических компонентов и динамики протекающих в живом превращений.

Живые системы характеризуются более высоким уровнем упорядоченности и асимметрии в пространстве и во времени. Структурная компактность и энергетическая экономичность живого – результат высочайшей упорядоченности на молекулярном уровне. Скорость обновления живого вещества высокая. В среднем для биосферы она составляет 8 лет, для суши - 14 лет, а для океана - 33 дня (здесь преобладают организмы с коротким периодом жизни).

За всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли. Скорость протекания реакций благодаря биологическим катализаторам (ферментам) и химическая активность также высокие. В живых организмах при ничтожных температурах протекают реакции между веществами, которые в воздухе не соединяются, даже в лабораторных печах при 1000-градусной жаре. Живые организмы способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при нормальных атмосферных условиях, что в промышленных условиях требует температуры порядка 500 С и давления 300-500 атмосфер.

Дождевые черви, совокупная масса которых в 10 раз больше биомассы всего человечества, за 150-200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы; весь углекислый газ проходит через живые организмы в процессе фотосинтеза за 6-7 лет, вся вода Земли - за 5-6 млн лет.

6. В самоорганизации неживых систем молекулы просты, а механизмы реакций сложны, у живых систем, напротив, схемы реакций просты, а молекулы сложны.

7. У живых систем есть прошлое. У неживых его нет.

Под прошлым понимается способность накапливать информацию, закреплять ее в наследственных структурах и передавать следующим поколениям.

“Целостные структуры атомной физики состоят из определенного числа элементов ячеек, атомного ядра и электронов и не обнаруживают никакого изменения во времени, разве что испытывают нарушение извне.[,…]по прекращению его они снова возвращаются в исходное положение. Но организмы – не статические образования. Древнее сравнение живого существа с пламенем говорит о том, что живые существа, подобно пламени, представляют собой такую форму, через которую материя в известном смысле проходит как поток” (В. Гейзенберг).

8. Жизнь организма зависит от двух факторов – наследственности, определяемой генетическим аппаратом, и изменчивости, зависящей от условий окружающей среды. Живые организмы обладают высокой приспособительной способностью (адаптацией).

Сейчас жизнь на Земле не могла бы возникнуть из-за кислородной атмосферы и противодействия других организмов. Раз зародившись, жизнь находится в процессе постоянной эволюции.

9. Способность к избыточному воспроизводству.

“Прогрессия размножения столь высокая, что она ведет к борьбе за жизнь и ее последствию – естественному отбору” (Ч. Дарвин). Вернадский назвал это свойство "всюдностью жизни".