Основы экологии. Живое вещество: функции живого вещества
Живое вещество - живые организмы, населяющие нашу планету.
Масса живого вещества составляет лишь 0,01% от массы всей биосферы. Тем не менее, живое вещество биосферы - это главнейший ее компонент.
Признаки (свойства) живой материи, отличающие ее от неживой:
Определенный химический состав . Живые организмы со-стоят из тех же химических элементов, что и объекты неживой природы, однако соотношение этих элементов различно. Основными элементами живых существ являются С, О, N и Н.
Клеточное строение. Все живые организмы, кроме вирусов, имеют клеточное строение.
Обмен веществ и энергозависимость. Живые организмы являются открытыми системами, они зависят от поступления в них из внешней среды веществ и энергии.
Саморегуляция (гомеостаз). Живые организмы обладают способностью поддерживать гомеостаз -- постоянство своего химического состава и интенсивность обменных процессов.
Раздражимость. Живые организмы проявляют раздражимость, то есть способность отвечать на определенные внешние воздействия специфическими реакциями.
Наследственность. Живые организмы способны передавать признаки и свойства из поколения в поколение с помощью носителей информации - молекул ДНК и РНК.
- 7. Изменчивость. Живые организмы способны приобретать новые признаки и свойства.
- 8. Самовоспроизведение (размножение). Живые организмы способны размножаться - воспроизводить себе подобных.
- 9. Индивидуальное развитие (онтогенез). Каждой особи свойственен онтогенез - индивидуальное развитие организма от зарождения до конца жизни (смерти или нового деления). Развитие сопровождается ростом.
- 10. Эволюционное развитие (филогенез). Живой материи в целом свойственен филогенез -- историческое развитиежизни на Земле с момента ее появления до настоящего времени.
Адаптации. Живые организмы способны адаптироваться, то есть приспосабливаться к условиям окружающей среды.
Ритмичность. Живые организмы проявляют ритмичность жизнедеятельности (суточную, сезонную и др.).
Целостность и дискретность . С одной стороны, вся живая материя целостна, определенным образом организована подчиняется общим законам; с другой стороны, любая биологическая система состоит из обособленных, хотя и взаимосвязанных элементов.
Иерархичность. Начиная от биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) и кончая биосферой в целом, все живое находится в определенной соподчиненности. Функционирование биологических систем на менее сложном уровне делает возможным существование более сложного уровня.
Окружающий нас мир живых организмов биосферы представляет собой сочетание различных биологических систем разной структурной упорядоченности и разного организационного положения.
Иерархичность организации живой материи позволяет условно подразделить ее на ряд уровней.
Уровень организации живой материи - это функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей иерар-хии живого.
В настоящее время выделяют 9 уровней организации живой материи:
Молекулярный (на этом уровне происходит функционирование биологически активных крупных молекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты и др.);
Субклеточный (надмолекулярный). На этом уровне живая материя организуется в органоиды: хромосомы, клеточную мембрану и др. субклеточные структуры.
Клеточный . На этом уровне живая материя представлена клетками. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живого.
Органно-тканевый . На этом уровне живая материя орга-низуется в ткани и органы. Ткань - совокупность клеток, сход-ных по строению и функциям, а также связанных с ними меж-клеточных веществ. Орган -- часть многоклеточного организ-ма, выполняющая определенную функцию или функции.
Организменный (онтогенетический). На этом уровнехарактеризующийся всеми ее признаками.
Популяционно-видовой. На этом уровне живая материяже вида. Вид -- совокупность особей (популяций особей), спо-собных к скрещиванию с образованием плодовитого потом-ства и занимающих в природе определенную область (ареал).
Биоценотический. На этом уровне живая материя образуетбиоценозы. Биоценоз - совокупность популяции разных видов, обитающих на определенной территории.
Биогеоценотический
. На этом уровне живая материя формирует
биогеоценозы. Биогеоценоз -
совокупность биоценоза и абиотических факторов среды обитания (климат, почва).
Биосферный. На этом уровне живая материя формирует биосферу. Биосфера - оболочка Земли, преобразованная деятельностью живых организмов.
Химический состав живых организмов можно выразить в двух видах: атомный и молекулярный. Атомный (элементный) состав характеризует соотношение атомов элементов, входящих в живые организмы. Молекулярный (вещественный) состав отражает соотношение молекул веществ.
По относительному содержанию элементы, входящие в состав живых организмов, принято делить на три группы:
Макроэлементы
- О, С, Н, N (в сумме около 98-99%, их
еще называют основные),
Са, К, Si, Mg, P, S, Na, Cl, Fe
(всумме около 1-2%). Макроэлементы составляют основную мас-су процентного состава живых организмов.
Микроэлементы - Мn, Со, Zn, Cu, В, I, F и др. Их суммарное содержание в живом веществе составляет порядка 0,1 %
Ультрамикроэлементы -- Se, U, Hg, Rа, Au, Ag и др. Их содержание в живом веществе очень незначительно (менее 0,01%), а физиологическая роль для большинства из них не раскрыта.
Химические элементы, которые состав живых организмов и при этом выполняют биологические функции, называются биогенными. Даже те из них, которые содержатся в клетках в ничтожно малых количествах, ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни.
Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов и молекул неорганических и органических веществ. Важнейшие неорганические вещества в клетке -- вода и минеральные соли, важнейшие органические вещества -- углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты
Углеводы - органические соединения, содержащие в своем составе углерод, водород и кислород. Они подразделяются на простые (моносахариды) и сложные (полисахариды). Углеводы являются основным источником энергии всех форм клеточной деятельности. Они участвуют в построении прочных тканей растений (в частности, целлюлозы) и играют роль запасных питательных веществ в организмах. Углеводы являются первичным продуктом фотосинтеза зеленых растений.
Липиды - это жироподобные вещества, плохо растворимые в воде (состоят из атомов углерода и водорода). Липиды участвуют в построении клеточных перегородок (мембран), плохо проводят тепло, выполняя тем самым защитную функцию. Кроме того, липиды являются запасными питательными веществами.
Белки представляют собой сочетание протеиногенных аминокислот (20 штук) и на 30-50% состоят из АК. Белки имеют большие размеры, являясь по своей сути макромолекулами. Белки выполняют роль естественных катализаторов протекания химических процессов. В состав белков также входят металлы, такие как железо, магний, марганец.
Нуклеиновые кислоты (НК) формируют ядро клетки. Различают 2 основных вида НК: ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота и РНК - рибонуклеиновая кислота. НК регулируют процесс синтеза, осуществляют передачу наследственной информации из поколения в поколение.
Все живые организмы, обитающие на Земле, представляют собой открытые системы, зависящие от поступления вещества и энергии извне. Процесс потребления вещества и энергии называется питанием. Все живые организмы по способу питания подразделяются на автотрофные и гетеротрофные.
Автотрофы (автотрофные организмы) - организмы, использующие в качестве источника углерода углекислый газ (растения и некоторые бактерии). Иначе говоря, это организмы, способные создавать органические соединения из неорганических - углекислого газа, воды, минеральных солей (к ним относятся прежде всего растения, осуществляющие фотосинтез).
Гетеротрофы (гетеротрофные организмы) - организмы, использующие в качестве источника углерода органические соединения (животные, грибы и большинство бактерий). Иначе говоря, это организмы, не способные создавать органические вещества из неорганических, а нуждающиеся в готовых органических веществах (микроорганизмы и животные).
Четкой границы между авто- и гетеротрофами не существует. Например, эвгленовые организмы (жгутиковые) сочетают автотрофный и гетеротрофный способы питания.
По отношению к свободному кислороду организмы делятся на три группы: аэробы, анаэробы и факультативные формы.
Аэробы - организмы, способные жить только в кислородной среде (животные, растения, некоторые бактерии и грибы).
Анаэробы - организмы, неспособные жить в кислородной среде (некоторые бактерии).
Факультативные формы - организмы, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него (некоторые бактерии и грибы).
В настоящее время весь мир живых существ подразделяется на 3 большие систематические группы:
Наибольшая концентрация жизни в биосфере наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы (поверхность суши), атмосферы и гидросферы (поверхность океана), и особенно на границах трех оболочек - атмосферы, гидросферы и литосферы (прибрежные зоны). Эти места наибольшей концентрации жизни В.И. Вернадский назвал «пленками жизни». Вверх и вниз от этих поверхностей концентрация живой материи уменьшается.
К основным уникальным особенностям живого вещества, обуславливающим его крайне высокую преобразующую деятельность, можно отнести следующие:
Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. Это свойство связано как с интенсивным размножением, так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ.
Движение не только пассивное, но и активное, то есть не только под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п., но и против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков и т.п.
Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты веществ). Благодаря саморегуляции живые организмы способны поддерживать постоянный химический состав и условия внутренней среды, несмотря на значительные изменения условий внешней среды. После смерти эта способность утрачивается, а органические остатки очень быстро разрушаются. Образовавшиеся органические и неорганические вещества включаются в круговороты.
Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий (микроорганизмы встречаются в термальных источниках с температурой до 140 о С, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде).
Феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков значительнее, чем в неживом веществе.
Высокая скорость обновления живого вещества. Только небольшая часть живого вещества (доли процента) законсервирована в виде органических остатков, остальная же постоянно включается в процессы круговорота.
Все перечисленные свойства живого вещества обуславливаются концентрацией в нём больших запасов энергии.
Выделяют следующие основные геохимические функции живого вещества:
Энергетическая (биохимическая) - связывание и запасание солнечной энергии в органическим веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов.
Газовая - способность живых организмов изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. С газовой функцией связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня. Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода достигла примерно 10% от современной. Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши.
Концентрационная - «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов. Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Результат концентрационной деятельности живого вещества - образование залежей горючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т.п.
Окислительно -восстановительная - окисление и восстановление различных веществ с участием живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S, P, N и др.), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода
Деструктивная - разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты (деструкторы) - сапрофитные грибы и бактерии.
Транспортная - перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов.
Средообразующая - преобразование физико-химических параметров среды. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры.
Рассеивающая - функция, противоположная концентрационной - рассеивание веществ в окружающей среде. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п.
Информационная - накопление живыми организмами определённой информации, закрепление её в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.
Биогеохимическая деятельность человека - превращение и перемещение веществ биосферы в результате человеческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека. Например, использование концентраторов углерода - нефти, угля, газа.
Таким образом, биосфера представляет собой сложную динамическую систему, осуществляющую улавливание, накопление и перенос энергии путём обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.
Одним из центральных звеньев концепции биосферы является учение о живом веществе. Исследуя процессы миграции атомов в биосфере, В. И. Вернадский подошел к вопросу о генезисе (происхождение, возникновение) химических элементов в земной коре, а после этого и к необходимости объяснить устойчивость соединений, из которых состоят организмы. Анализируя проблему миграции атомов, он пришел к выводу, что “нигде не существуют органические соединения, независимые от живого вещества”. Позже он формулирует понятие “живого вещества”: “Живое вещество биосферы есть совокупность ее живых организмов… Я буду называть совокупность организмов, сведенных к их весу, химическому составу и энергии, живым веществом”. Главное предназначение живого вещества и его неотъемлимый атрибут – накопление свободной энергии в биосфере. Обычная геохимическая энергия живого вещества производится прежде всего путем размножения.
Научные идеи В. И. Вернадского о живом веществе, о космичности жизни, о биосфере и переходе ее в новое качество – ноосферу своими корнями уходят в 19-начало 20 в., когда философы и естествоиспытатели предприняли первые попытки осмыслить роль и задачи человека в общей эволюции Земли. Именно их усилиями человек начал свое продвижение к вершинам естественной эволюции живого, постепенно занимая экологическую нишу, отведенную ему природой.
В 30-е годы В. И. Вернадский из общей массы живого вещества выделяет человечество как его особую часть. Такое обособление человека от всего живого стало возможным по трем причинам. Во-первых, человечество является не производителем, а потребителем биогеохимической энергии. Такой тезис требовал пересмотра геохимических функций живого вещества в биосфере. Во-вторых, масса человечества, исходя из данных демографии, не является постоянным количеством живого вещества. И в-третьих, его геохимические функции характеризуются не массой, а производственной деятельностью. Характер усвоения человечеством биогеохимической энергии определяются разумом человека. С одной стороны, человек – это кульминация бессознательной эволюции, “продукт” спонтанной деятельности природы, а с другой – зачинатель нового, разумно направленного этапа самой эволюции.
Какие же характерные особенности присущи живому веществу? Прежде всего это огромная свободная энергия. В процессе эволюции видов биогенная миграция атомов, т. е. энергия живого вещества биосферы, увеличилась во много раз и продолжает расти, ибо живое вещество перерабатывает энергию солнечных излучений, атомную энергию радиоактивного распада и космическую энергию рассеянных элементов, приходящих из нашей Галактики. Живому веществу присуща также высокая скорость протекания химических реакций по сравнению с веществом неживым, где похожие процессы идут в тысячи и миллионы раз медленнее. К примеру, некоторые гусеницы в сутки могут переработать пищи в 200 раз больше, чем весят сами, а одна синица за день съедает столько гусениц, сколько весит сама
Для живого вещества характерно то, что слагающие его химические соединения, главнейшими из которых являются белки, устойчивы только в живых организмах. После завершения процесса жизнедеятельности исходные живые органические вещества разлагаются до химических составных частей. Живое вещество существует на планете в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему вновь образовавшееся генетически связано с живым веществом прошлых эпох. Это главная структурная единица биосферы, определяющая все другие процессы поверхности земной коры. Для живого вещества характерно наличие эволюционного процесса. Генетическая информация любого организма зашифрована в каждой его клетке. В. И. Вернадский классифицировал живое вещество на однородное и неоднородное. Первое в его представлении – это родовое, видовое вещество и т. п., а второе представлено закономерными смесями живых веществ. Это лес, болото, степь, т. е. биоценоз. Характеризовать живое вещество ученый предлагал на основе таких количественных показателей, как химический состав, средний вес организмов и средняя скорость заселения ими поверхности земного шара.
В. И. Вернадский приводит средние цифры скорости «передачи жизни в биосфере». Время захвата данным видом всей поверхности нашей планеты у разных организмов может быть выражено следующими цифрами (сутки):
Бактерия холеры 1,25
Инфузория 10,6 (максимум)
Диатомовые 16,8 (максимум)
Зеленый 166-183 (среднее)
планктон
Насекомые 366
Рыбы 2159 (максимум)
Цветковые растения 4076
Птицы (куры) 5600-6100
Млекопитающие:
дикая свинья 37600
слон индийский 376000
Жизнь на нашей планете существует в неклеточной и клеточной формах.
Неклеточная форма живого вещества представлена вирусами, которые лишены раздражимости и собственного синтеза белка. Простейшие вирусы состоят лишь из белковой оболочки и молекулы ДНК или РНК, составляющей сердцевину вируса. Иногда вирусы выделяют в особое царство живой природы – Vira. Они могут размножаться только внутри определенных живых клеток. Вирусы повсеместно распространены в природе и являются угрозой для всего живого. Поселяясь в клетках живых организмов, они вызывают их смерть. Описано около 500 вирусов, поражающих теплокровных позвоночных, и около 300 вирусов, уничтожающих высшие растения. Более половины болезней человека обязаны своим развитием мельчайшим вирусам (они в 100 раз меньше бактерий). Это полиомиелит, оспа, грипп, инфекционный гепатит, желтая лихорадка и др.
Клеточные формы жизни представлены прокариотами и эукариотами. К прокариотам относятся различные бактерии. Эукариоты – это все высшие животные и растения, а также одноклеточные и многоклеточные водоросли, грибы и простейшие.
Все экологические процессы протекают в системах, включающих в свой состав живое вещество, поэтому важно уметь отличать живое вещество от других видов веществ (неорганических, косных, биокосных и др.).
Живое вещество - это то, что образует совокупность тел всех независимо от их принадлежности к той или иной систематической группе. Общая масса (в сухом виде) живого вещества на планете Земля составляет (2,4-3,6) * 10 12 тонн.
Живое вещество неотделимо от и является его функцией, а также одной из самых могущественных геологических сил на . Оно представляет собой неразрывное молекулярно-биологическое единство, системное целое с характерными признаками, общими для всей эпохи его существования, а также для каждой отдельной геологической эпохи. Уничтожение отдельных компонентов живого вещества может привести к нарушению системы в целом, т. е. к экологической катастрофе и гибели системы живого вещества в целом.
Рассмотрим некоторые наиболее общие вещества вне зависимости от геологической эпохи его существования.
1. Система, состоящая из живого вещества (организм), способна к росту, т. е. она увеличивается в размерах.
2. Организм (живой) в течение времени своего существования сохраняет свои наиболее типичные признаки и способен передавать эти признаки по наследству, т. е. является носителем и передатчиком .
3. Живой организм в процессе своей жизни способен к развитию, которое делится на два периода - эмбриональное и постэмбриональное.
4. Живое вещество как отдельный организм, способно к размножению, благодаря чему обеспечивается существование данного вида в течение длительного (с исторических позиций) времени.
5. Для живого вещества характерен направленный обмен веществ.
Уровни организации живого вещества
Живое вещество как совокупность всех организмов, живущих на Земле, состоит из нескольких царств (Прокариоты, Животные, Растения, Грибы), которые находятся в сложных взаимоотношениях. Живое вещество имеет сложное строение и разные уровни организации. Рассмотрим некоторые из них в порядке усложнения.
1. Молекулярно-генный (суборганизменный) - особая форма организации живого, присущая всем без исключения организмам, представляющая собой совокупность различных органических и неорганических веществ, связанных между собой определенной структурой и системой биохимических процессов, позволяющих сохранять данную совокупность соединений как целостную систему, способную к росту, развитию, самосохранению и размножению в течение всего времени существования этого организма, т. е. до смерти.
2. Клеточный - все живое (кроме неклеточных форм жизни) образовано особыми структурами - клетками, которые имеют строго определенное строение, присущее как организмам из царства Растения, так и организмам из царств Животные и Грибы; некоторые организмы состоят из одной клетки, поэтому такие организмы при клеточном уровне соответствуют и новому уровню организации - организменному (см. пятый уровень организации).
3. Тканевый - характерен для сложных многоклеточных организмов, у которых произошла специализация клеток по выполняемым функциям, что привело к образованию тканей - совокупности клеток, имеющих одинаковое происхождение, близкое строение и выполняющих одинаковые или близкие по характеру функции; различают растительные и животные так, у растений выделяют покровные, основные, механические, проводящие ткани и меристемы (ткани роста); у животных - покровные, нервные, мышечные и соединительные ткани.
4. Органный - у высокоорганизованных организмов ткани образуют структуры, предназначенные для выполнения определенных функций, которые называются органами, а органы объединяются в системы органов (например, желудок входит в состав пищеварительной системы).
5. Организменный - системы органов объединены в , при функционировании которого реализуется жизнедеятельность конкретного живого существа; известно, что в природе существует большое число одноклеточных организмов.
6. Популяционно-видовой - особи одного вида образуют особые группировки, живущие на данной конкретной территории и занимающие определенную экологическую нишу, которые называются популяциями, а популяции одинаковых организмов образуют подвиды и виды.
7. Биогеоценотический - этот уровень организации живого вещества связан с тем, что на данной территории проживает определенное количество популяций различных видов (как животных, так и растений, грибов, прокариотов и неклеточных форм жизни), которые взаимосвязаны друг с другом различными связями, в том числе и пищевыми.
8. Биосферный - это высший уровень организации живого на планете Земля, представляющий собой всю совокупность живых существ, живущих на ней, которые взаимосвязаны друг с другом планетарным круговоротом химических элементов и химических соединений; нарушение этого круговорота может привести к глобальной катастрофе и даже к гибели всего живого.
Следовательно, 1-5 уровни организации характерны для отдельно взятого организма, а 6-8 - для совокупности организмов. Необходимо помнить, что человек - это составная часть живого вещества на планете Земля, но его деятельность из-за наличия разума значительно отличается от деятельности других организмов, и, тем не менее, он составная часть природы, а не ее «царь».
Краткая характеристика химического состава живого вещества
Живое вещество представляет собой сложную систему биоорганических, органических и неорганических соединений. В составе живого вещества обнаружены практически все устойчивые химические элементы, известные человеку, но в разных количествах. Эти подразделяют на биогенные и небиогенные, исходя из их роли в живых организмах.
Основу живого вещества составляют биоорганические и органические соединения. К биоорганическим веществам относят , нуклеиновые кислоты, витамины, и . Эти вещества называют биоорганическими потому, что эти соединения вырабатываются в организмах и без этих веществ жизнь принципиально невозможна (особенно это относится к белкам и нуклеиновым кислотам). Примером органических веществ, входящих в состав живого вещества, являются органические кислоты (яблочная, уксусная, молочная и др.), мочевина и другие химические соединения.
Общая характеристика клеточных организмов, их классификация по наличию ядра в клетке
Клеточные организмы преобладают над неклеточными и имеют сложную классификацию. При изучении строения клетки было обнаружено, что большинство клеточных форм организмов в составе клеток обязательно содержит особый органоид - ядро. Однако в клетках некоторых организмов ядро отсутствует. Поэтому клеточные организмы разделяют на две большие группы - ядерные (или эукариоты) и безъядерные (или прокариоты). В данном подразделе рассмотрим прокариоты.
Прокариотами (безъядерными) называют организмы, клетки которых не имеют отдельно сформированного ядра.
К безъядерным организмам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли, которые образуют царство Дробянки, входящее в надцарство Доядерные, или Прокариоты. В практическом отношении наибольшее значение имеют бактерии.
Тело бактерий состоит из одной клетки разной формы, которая имеет оболочку и цитоплазму. Ярко выраженные органоиды отсутствуют; в клетке содержится одна молекула ДНК; она замкнута в кольцо, место ее нахождения в цитоплазме называется нуклеоидом.
По форме клетки бактерии разделяют на кокки (шарообразные), бациллы (палочкообразные), вибрионы (дугообразно изогнутые), спириллы (изогнутые в форме спирали).
Бактерии размножаются обычным делением (в благоприятных условиях каждое деление осуществляется за 20-30 минут). При наступлении неблагоприятных условий клетка бактерии превращается в спору, обладающую высокой устойчивостью к воздействию различных факторов - температуры, влажности, радиации. Попадая в благоприятные условия, споры набухают, их оболочки разрываются и бактериальные клетки становятся жизненно активными.
По отношению к кислороду различают анаэробные (живут в средах, где нет молекулярного кислорода) и аэробные (для их жизни необходим О 2), существуют также бактерии, которые могут жить и в аэробной, и в анаэробной среде.
Вид, его критерии и экологическая характеристика
Живое вещество в природе существует в виде отдельных дискретных таксономических единиц - видов (биологических видов).
Биологический вид (вид) - совокупность особей, обладающих общими морфофизиологическими признаками, биохимическим, генетическим (наследственным) сходством, свободно скрещивающихся друг с другом и дающих плодовитое потомство, приспособленных к сходным условиям существования, занимающих в природе определенный ареал (область распространения), т. е. занимающих одну и ту же экологическую нишу.
Виды образованы популяциями и подвидами (последнее характерно не для всех видов). Биологический вид характеризуется следующими критериями:
1) генетическим, т.е. все особи данного вида обладают одинаковым набором хромосом;
2) биохимическим, т. е. для всех особей этого вида характерны одинаковые химические соединения ( , нуклеиновые кислоты и др.), которые отличаются от аналогичных соединений других видов;
3) морфофизиологическим, т. е. организмы одного вида имеют общие признаки внешнего и внутреннего строения и характеризуются одинаковыми процессами, обеспечивающими их жизнедеятельность;
4) экологическим, т. е. особи данного вида вступают в одинаковые (отличные от других видов) взаимоотношения с природной средой;
5) историческим - особи данного вида имеют одинаковое происхождение и в процессе внутриутробного развития проходят одинаковый цикл этого развития согласно биогенетическому закону;
6) географическим - особи данного вида проживают на определенной территории и приспособлены к существованию на данной территории.
В науке «экология» широко используют следующие разновидности термина «вид».
1. Вид вредный - наносящий человеку хозяйственный урон или вызывающий заболевания; понятие относительное, так как любой вид, живущий на планете, занимает определенную экологическую нишу и выполняет определенную экологическую роль; например, волк может наносить большой урон хозяйственной деятельности человека, но он является «санитаром» природы, играет большую роль в «отбраковке» нежизнеспособных особей тех видов, которыми он питается.
2. Вымерший вид - это вид, который исчез в результате процессов эволюции, например, птеродактиль.
3. Вымирающий вид - такой вид, свойства которого не соответствуют современным условиям существования и генетические возможности к приспособлению к жизни в новых условиях практически исчерпаны; такие виды могут сохраниться только в результате полного его окультивирования (заносится в Красную книгу).
4. Исчезающий вид - вид организмов, находящихся под угрозой вымирания за счет того, что численность сохранившихся особей недостаточна для воспроизводства вида, но генетически вид имеет благоприятные возможности для приспособления к условиям внешней среды (заносится в Красную книгу как вид, находящийся под угрозой).
5. Охраняемый вид - вид, преднамеренное нанесение вреда особям которого и нарушение среды его обитания запрещено определенными законодательными актами разного ранга (международными, государственными, местными), например соболь и др.
Структура вида состоит в том, что он образован отдельными особями, объединенными в популяции и подвиды. Наличие подвидов характерно только для тех видов, которые имеют большие ареалы, характеризующиеся разнообразными условиями.
Популяция - группа особей данного вида, способных к скрещиванию и производству полноценного потомства, проживающих на данной территории, имеющей естественные границы с другими территориями, что затрудняет скрещивание особей данной популяции с особями другой. Следует помнить, что экологической единицей вида является популяция.
Популяции разных видов, проживающих на данной территории, образуют биоценоз, в котором эти популяции связаны друг с другом различными связями, в том числе и пищевыми.
Неорганические вещества и их роль в живом веществе
Живое вещество, как и любое другое вещество, образовано атомами химических элементов, входящих в состав неорганических и органических соединений, совокупность которых образует живое вещество, качественно отличающееся и от неорганических, и от органических индивидуальных химических соединений.
Неорганическими называют вещества, в составе которых отсутствуют атомы углерода (кроме самого углерода, его оксидов, угольной кислоты, ее солей, родана, родановодорода, роданидов, циана, циановодорода, цианидов).
В состав организмов входят вода, некоторые соли натрия, калия, кальция и других химических элементов.
Краткая характеристика роли некоторых оксидов, гидроксидов и солей в живом веществе
Из оксидов в организмах большое значение имеет углекислый газ (углекислота, оксид углерода (IV), диоксид (двуокись) углерода). Это вещество является одним из продуктов дыхания (для всех организмов!). При растворении в воде (например, в цитоплазме, плазме крови и т. д.) углекислый газ образует угольную кислоту, которая при диссоциации распадается на гидрокарбонат-ионы (НСО 3) и карбонат-ионы (СО 2- 3), образующие (совместно) карбонатную буферную систему, стабилизирующую реакцию среды. Избыток СO 2 удаляется из организма в результате процессов, протекающих при (у всех организмов: и у растений, и у животных).
Важнейшими гидроксидами, содержащимися в живом веществе, являются угольная (Н 2 СO 3), фосфорная (Н 3 РO 4) и некоторые другие кислоты. Как указано выше (на примере угольной кислоты), эти гидроксиды способствуют созданию буферных систем в водных растворах, что приводит к стабилизации реакции среды в протоплазме или в других жидких средах, содержащихся в организме. Фосфорная кислота играет огромную роль в образовании различных фосфорсодержащих соединений (например, в образовании АДФ из АМФ или АТФ из АДФ; АТФ - аденозинтрифосфат, АДФ - аденозиндифосфат, АМФ - аденозинмонофосфат; эти вещества играют большую роль в процессах диссимиляции и ассимиляции).
Важна для организмов и хлороводородная (соляная) кислота (НСI). Она содержится в желудочном соке или в растворах, которые способствуют перевариванию пищи (например, в желудке человека).
В организмах находятся в диссоциированном состоянии, т. е. в виде ионов. Рассмотрим биологическую роль некоторых анионов (отрицательно заряженных ионов) и катионов (положительно заряженных ионов) в живом веществе.
Краткая характеристика биологической роли катионов
В живом веществе наибольшее значение имеют следующие катионы: К + , Са 2+ , Na + , Mg 2+ , Fе 2+ , Мn 2+ и некоторые другие.
1. Катионы натрия (Nа +). Эти ионы создают определенное осмотическое давление (Осмотическое давление возникает в водных растворах и является силой, под воздействием которой осуществляется осмос, т.е. односторонняя диффузия веществ через полупроницаемую мембрану). Кроме того, совместно с катионами калия (К+) за счет различной проницаемости клеточной мембраны, они создают мембранное равновесие, при котором возникает разность биохимических потенциалов, что обеспечивает проводимость клеток и тканей организма; участвуют в водном и ионном обмене организма в целом. В организм (клетку) поступают в виде водного раствора хлорида натрия. У животных и человека в результате потоотделения может теряться большое количество хлорида натрия, что резко снижает их работоспособность. Данные ионы совместно с некоторыми органическими и неорганическими анионами регулируют кислотно-щелочное равновесие (например, с ионами НСO — 3 , СН 3 СОО — и др.).
2. Катионы К + . Эти ионы совместно с ионами Nа + создают мембранное равновесие. Они активизируют белкового синтеза, а в организмах высших животных и человека влияют на биоритмы сердца. Ионы К + входят в состав макроудобрений - калийных и существенно влияют на продуктивность сельскохозяйственных растений.
3. Катионы Са 2+ . Данные ионы являются антагонистами ионов К + (т. е. проявляют противоположное действие по сравнению с последними). Они входят в состав мембранных структур, образуют пектиновые вещества, которые образуют межклеточное вещество в растительных организмах. Эти ионы в составе солей кальция участвуют в образовании важнейшей соединительной ткани - костной, которая образует скелет позвоночных животных и человека и некоторых др. организмов (например, кишечнополостных и др.). Осуществляют регуляцию процессов образования клеток, участвуют в реализации мышечных сокращений, играют большую роль в свертывании крови и в др. процессах.
4. Катионы Мg 2+ . Роль этих ионов аналогична (в ряде случаев) роли ионов Са 2+ и они содержатся в организмах в определенных соотношениях. Кроме того, ионы Мg 2+ входят в состав важнейшего фотосинтезирующего пигмента растений - хлорофилла, активизируют синтез ДНК и участвуют в реализации энергетического обмена.
5. Ионы Fе 2+ . Играют большую роль в жизни многих животных, так как входят в состав важнейшего дыхательного пигмента - гемоглобина, участвующего в процессе дыхания. Они входят в состав мышечного белка - миоглобина, принимают участие в синтезе хлорофилла, т.е. ионы Fе 2+ являются основой соединений, посредством которых реализуются многие окислительно-восстановительные процессы.
6. Ионы Си 2+ , Мn 2+ , Сг 3+ и ряд других ионов также принимают участие в окислительно-восстановительных процессах, реализующихся в различных организмах (эти ионы входят в состав сложных металлоорганических соединений).
Краткая характеристика биологической роли некоторых анионов
Наибольшее значение имеют анионы Н 2 РО — 4 , НРО 2- 4 , Сl — , I — , РО 3- 4 , Вг — , F — , НСО — 3 , NO — 3 , SО 2- 4 и ряд др. Кратко рассмотрим роль некоторых из этих ионов в различных организмах.
1. Нитрат- и нитрит-ионы (NO — 3 , NO — 2 , соответственно).
Ионы, содержащие азот, играют большую роль в организмах растений, так как в своем составе содержат связанный азот и используются (наряду с катионами аммония - NH + 4) для синтеза азотсодержащих «веществ жизни» - белков и нуклеиновых кислот. При поступлении избытка этих ионов в организм растения они накапливаются в них и, попадая (в составе пищи) в организм человека и животных, могут вызывать нарушения в обмене веществ этих организмов («нитратное и нитритное отравление»). Это делает необходимым оптимальное использование азотных удобрений при их внесении в почву.
2. Гидро- и дигидрофосфат-ионы (НРО 2- 4 , Н 2 РО 4 - соответственно).
Эти ионы участвуют в обмене веществ и являются необходимыми при синтезе нуклеиновых кислот, моно-, ди- и триаденозин-фосфатов, играющих большую роль в энергетическом обмене и синтезе органических веществ в различных организмах (растительных, животных и др.). Данные ионы участвуют в поддержании кислотно-основного равновесия, сохраняя в определенных пределах постоянство реакции среды.
3. Сульфат-ионы (SO 2 4) - источник серы, необходимый для синтеза серосодержащих природных альфа-аминокислот, используемых при получении белков. Необходимы для процессов синтеза некоторых витаминов, ферментов (в организмах растений). В организмах животных сульфат-ионы являются продуктом реакций обезвреживания химических соединений, образующихся в печени.
4. Галогенид-ионы (Сl — - хлорид-ионы, Вг - бромид-ионы, I — - иодид-ионы, F — - фторид-ионы). Они являются противоионами для катионов (особенно Сl —), то есть создают нейтральную систему с катионами. Система ионов (катионов и анионов) создает вместе с водой осмотическое давление и тургор; хлорид-ионы относятся к макроэлементам для животных, а остальные галогенид-ионы являются микроэлементами, т.е. необходимы любым организмам в небольших (микро-) количествах. Значение иодид-ионов состоит в том, что они входят в состав важнейшего гормона - тироксина, а избыток и недостаток этих ионов приводит к появлению различных заболеваний у человека (миксидема и базедова болезнь). Фторид-ионы влияют на обмен в костной ткани зубов, бромид-ионы входят в состав химических соединений, содержащихся в гипофизе.
Общая характеристика и классификация органических соединений, входящих в состав живого вещества, и их экологическая роль
Вещества, в состав которых входят атомы углерода (исключая углерод, его оксиды, угольную кислоту, ее соли, родан, родано-водород, роданиды, циан, циановодород, цианиды, карбонилы и карбиды), называются органическими.
Органические вещества имеют очень сложную классификацию. Некоторые из этих веществ не содержатся в организмах (ни в живых, ни в мертвых). Они были получены искусственным путем и в природе не встречаются. Ряд органических соединений не «усваивается» организмами, т.е. не разлагается в природе под воздействием редуцентов и детритофагов. К таким соединениям относят полиэтилен, СМС (синтетические моющие средства), некоторые ядохимикаты и др. Поэтому при использовании органических веществ, полученных человеком химическим путем, необходимо учитывать их способность подвергаться различным превращениям в природных условиях, т. е. «усвоение» этих веществ биосферой.
Органические вещества, содержащиеся в организме, имеют большое экологическое значение, недостаток, избыток или отсутствие того или иного вещества приводят либо к различным заболеваниям, либо к гибели данного организма. Наибольшее значение имеют , нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры и витамины.
34. Понятие о живом веществе биосферы. Функции живого вещества в биосфере.
Живым веществом биосферы называют совокупность всех живых организмов. Оно представляет собой открытую систему, для которой характерны рост, размножение, распространение, обмен веществ и энергии с внешней средой. Количественное выражение живого вещества - биомасса. Биомасса Земли составляет 2,423*1012 т, из них на растения приходится97% , на животных -3% .
Роль живого вещества в природе планеты велика. В целом живое вещество обеспечивает главную функцию биосферы - круговорот веществ в природе (циклическое перемещение и превращение воды, газов и химических элементов).
Биологический круговорот включает:
а) аккумуляцию элементов в живых организмах;
б) минерализацию веществ в результате разложения мертвых организмов.
В процессе круговорота живое вещество выполняет следующие функции:
1) ГАЗОВУЮ - постоянный газообмен с окружающей средой в процессе дыхания растений и животных и фотосинтеза растений;
2) КОНЦЕНТРАЦИОННУЮ - биогенная миграция атомов в живые организмы, и после их отмирания - в неживую природу;
3) ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНУЮ - обмен веществ и энергии с внешней средой; при диссимиляции окисляются органические вещества, выделяемая энергия аккумулируется в АТФ; при ассимиляции энергия АТФ и органические вещества используются для образования необходимых организму веществ;
4) БИОХИМИЧЕСКУЮ - химические превращения веществ и энергии, составляющие основу жизнедеятельности организмов.
35. Ноосфера – определение и характеристика. Этапы и условия становления ноосферы.
Человек своей деятельностью создает новую оболочку Земли - ноосферу (т.е. сферу разума жизни).
Сам термин «ноосфера» возник в 1926 г. в Париже во время обсуждения доклада Вернадского, где он излагал концепцию развития биосферы. Его предложил французский исследователь Э. Леруа.
НООСФЕРА - это новое, эволюционное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором ее развития.
Условия, необходимые для становления и существования ноосферы.
1. Заселение человеком всей планеты. На Земле действительно не осталось места, не подвергавшегося в той или иной степени воздействию человека.
2. Резкое преобразование средств связи и обмена между странами. Средства связи непрестанно развиваются и совершенствуются. Для обмена информацией широко применяется скоростная авиация, факсы, сеть «Интернет», телевидение, радио и т.д.
3. Усиление связей, в том числе политических, между всеми государствами Земли . Возникла Организация Объединенных Наций (ООН), которая помимо участия в ряде локальных конфликтных ситуаций создала ряд специальных международных организаций для обеспечения сотрудничества в различных областях культурной и практической деятельности.
4. Преобладание геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере. Человеческая: деятельность изменила состав речных, озерных и морских вод, определила глобальные климатические изменения, влияет на уровень мирового океана, сохранность озонового слоя Земли и т.д.
5. Расширение границ биосферы и выход в космос. Эта была мысль Вернадского, и она осуществилась, человек вышел в Космос.
6. Открытие новых источников энергии. Например, энергия атомного распада нашла применение в работе атомных реакторов, электростанций, атомных бомб.
7. Равенство людей всех рас и религий. После второй мировой войны произошло разрушение колониальных империй, созданных в конце XIX века (Африка, Южная Азия). Почти во всех странах мира люди разных вероисповеданий равноправны.
8. Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики. Роль народных масс в жизни большинства людей, несомненно, возрастает.
9. Свобода научной мысли и научного поиска от давления религиозных, философских и политических настроений и создание в общественном и государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли.
10. Подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания, голода, нищеты и ослабление влияния болезней. Процесс улучшения условий жизни идет очень неравномерно (в " разных странах по-разному). Положение с ослаблением влияния болезней достаточно сложно: появились новые болезни (рак, СПИД, аллергические и т.д.).
11. Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения. Первые шаги, несомненно, начали осуществляться со второй половины XX века к разумному использованию природных ресурсов.
12. Исключение войн из жизни общества. Это условие Вернадский считал чрезвычайно важным для создания и существования ноосферы. Оно еще не выполнено.
Таким образом, мы видим, что налицо почти все те конкретные признаки, на которые указывал Вернадский, позволяющие отличить ноосферу от существовавших ранее состояний биосферы. Процесс перехода биосферы в ноосферу будет постепенным и явится действующей стратегией выживания и достижения разумного будущего человечества.
По Вернадскому НООСФЕРА - это качественно новая форма организованности, возникающая при взаимодействии природы и общества.
В последние годы под НООСФЕРОЙ - понимается планетарное и космическое пространство, которое преобразуется и управляется человеческим Разумом, гарантирующим прогрессивное его развитие.
Возможно, уместнее было бы говорить о ноосфере, когда человек сможет разумно распоряжаться своим могуществом и обеспечить такое взаимодействие с окружающей средой, которое позволит развиваться и человеку, и природе, и обществу.
Лекция №2
Биосфера: определение и структура. Живое вещество
Определение и структура биосферы
Живое вещество биосферы
Законы биогенной миграции атомов и необратимости эволюции, законы экологии Б. Коммонера
Космический корабль Земля уникален среди планет Солнечной системы. В тонком слое, где встречаются и взаимодействуют воздух, вода и земля, обитают удивительные объекты - живые существа, среди которых и мы с вами. Согласно современным представлениям, биосфера - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.
По физическим природным условиям биосфера может быть подразделена на три среды: атмосферу, гидросферу и литосферу (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Общая структура Земли.
Основные компоненты геосферы Земли представлены втабл.2.1.
Пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни (В..И. Вернадский, 1926). Всю совокупность организмов на планете Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.
Косное вещество, по Вернадскому, - совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют.
Основные компоненты геосферы Земли Таблица 2.1
Биогенное вещество создается и перерабатывается жизнью, совокупностями живых организмов. Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть ). После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны.
Особой категорией является биокосное вещество. В. И. Вернадский (1926) писал, что оно «создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других». Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль.
Биокосное вещество планеты, таким образом, - это почва, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества. Следовательно, биосфера - это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. Жизнь на Земле - самый выдающийся процесс на ее поверхности, получающий живительную энергию Солнца и вводящий в движение едва ли не все химические элементы таблицы Менделеева.
Биосферу как место современного обитания организмов вместе с самими организмами можно разделить на три подсферы (рис. 2.2): аэробиосферу, населенную аэробионтами, субстратом жизни которых служит влага воздуха;
гидробиосферу - глобальный мир воды (водная оболочка Земли без подземных вод), населенный гидробионтами;
геобиосферу - верхнюю часть земной коры (литосфера), населенную геобионтами.
Гидробиосфера распадается на мир континентальных, главным образом пресных, вод - аквабиосферу (с аквабионтами)
и область морей и океанов -маринобиосферу (с маринобионтами).
Общая структура биосферы представлена на рисунке 2.2
Геобиосфера состоит: из области жизни на поверхности суши - террабиосферы (с террабионтами), которая подразделяется на:
фитосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев)
педосферу (почвы и лежащие под ними подпочвы, нередко сюда включают всю кору выветривания) с педобионтами;
узлитобиосферу - жизни в глубинах Земли (с литобионтами, живущими в порах горных пород).
Литобиосфера распадается на два слоя:
гипотеррабиосферу - слой, где возможна жизнь аэробов (или подтеррабиосфера),
теллуробиосферу - слой, где возможно обитание анаэробов (или глубинобиосфера). Жизнь в толще литосферы существует в основном в подземных водах.
В гидробиосфере слои связаны главным образом с интенсивностью света. Выделяют три слоя:
фотосферу- относительно ярко освещенный,
дисфотосферу- всегда очень сумеречный (до 1% солнечной инсоляции),
афотосферу - абсолютной темноты, где невозможен фотосинтез.
Лимитирующим фактором развития жизни в аэробиосфере служит наличие капель воды и положительных температур, а также твердых аэрозолей, поднимающихся с поверхности Земли.
От вершин деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков простирается тропобиосфера (с тропобионтами). Пространство - это более тонкий слой, чем атмосферная тропосфера.
Выше тропобиосферы лежит слой крайне разряженной микробиоты - альтобиосфера (с альтобионтами).
Над ней простирается пространство, куда жизнь проникает лишь случайно и не часто, где организмы не размножаются, - парабиосфера.
На больших высотах в горах, там, где уже невозможна жизнь высших растений и вообще организмов-продуцентов, но куда ветры приносят с более низких вертикальных поясов органическое вещество и где при отрицательных температурах воздуха еще достаточно тепла от прямой солнечной инсоляции для существования жизни, расположена высотная часть террабиосферы - эоловая зона .
Это царство членистоногих и некоторых микроорганизмов - эолобионтов.
Жизнь в океанах достигает их дна. Под ним, в базальтах, она едва ли возможна. В глубинах литосферы есть два теоретических уровня распространения жизни - изотерма 100°С, ниже которой при нормальном атмосферном давлении вода кипит, а белки свертываются, и изотерма 460°С, где при любом давлении вода превращается в пар, т. е. в жидком состоянии быть не может.
Жизнь в глубинах Земли фактически не идет дальше 3-4 км, максимум 6-7 км и лишь случайно в неактивных формах может проникнуть
глубже - в гипобиосферу («под-биосфера» - аналог парабиосферы в атмосфере).
Следует отметить, что здесь, где залегают биогенные породы, образно выражаясь, следы былых сфер, расположена метабиосфера.
Метабиосфера, начинаясь с поверхности Земли, простирается далеко вглубь литосферы, теряясь там, где процессы метаморфоза горных пород стирают признаки жизни.
Между верхней границей гипобиосферы и нижней парабиосферы лежит собственно биосфера - зубиосфера.
Ее наиболее насыщенный жизнью слой называют биофильмом, или, по В. И. Вернадскому (1926), «пленкой жизни».
Выше парабиосферы расположена апобиосфера, или «над-биосфера», где сравнительно обильны биогенные вещества (ее верхняя граница трудноуловима).
Под метабиосферой расположена абиосфера («небиосфера»).
Весь слой нынешнего или прошлого воздействия жизни на природу Земли называют мегабиосферой, а вместе
с артебиосферой (пространством человеческой экспансии в околоземной космос) - панбиосферой.
Таким образом, «поле существования жизни», особенно активной, по новейшим данным, ограничено в вертикальном пределе высотой около 6 км над уровнем моря, до которой сохраняются положительные температуры в атмосфере и могут жить хлорофиллоносные растения (6,2 км в Гималаях).
Выше, в эоловой зоне, обитают лишь жуки, ногохвостки и некоторые клещи, питающиеся зернами растительной пыльцы, спорами растений, микроорганизмами и другими органическими частицами, заносимыми ветром и т. д.
Еще выше живые организмы попадают лишь случайно (микроорганизмы могут сохранять жизнь в виде спор).
Нижний предел существования активной жизни традиционно ограничивают дном океана и изотермой 100°С в литосфере, расположенными соответственно на отметках около 11 км и, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове, около 6 км. Фактически жизнь в литосфере распространена до глубины 3-4 км. Таким образом, вертикальная мощность биосферы в океанической области Земли достигает более 17 км, в сухопутной - 12 км.
Парабиосфера еще более асимметрична, поскольку верхнюю ее границу определяет озоновый экран.
Более значительны колебания толщи мегабиосферы, охватывающей осадочные породы, но она не опускается на материках глубже отметок самых больших глубин океана, т. е. 11 км (здесь температура достигает 200°С), и не поднимается выше наибольших плотностей озонного экрана (22-24 км), следовательно, ее максимальная толщина 33-35км.
Теоретически пределы биосферы шире, поскольку в гидротермах дна океана (их назвали «черными курильщиками» из-за темного цвета извергающихся вод) на глубинах около 3 км обнаружены организмы при температуре до 250°С (рис. 2.3).
Рис. 2.3. «Черный курильщик», его высота около 120 м (для сравнения приведен силуэт «Адмиралтейства» в Санкт-Петербурге)
При давлении около 300 атмосфер вода здесь не кипит (пределы жизни ограничены точками превращения воды в пар и сворачивания белков). Перегретая жидкая вода обнаружена в литосфере до глубин 10,5 км. Глубже 25 км, по оценкам, должна существовать критическая температура 460°С, при которой при любом давлении вода превращается в пар и жизнь принципиально невозможна.
Живое вещество биосферы
Длительное время считалось, что живое отличается от неживого такими свойствами, как обмен веществ, подвижность, раздражаемость, рост, размножение, приспособляемость. Однако порознь все эти свойства встречаются и среди неживой природы, а, следовательно, не могут рассматриваться как специфические свойства живого.
Особенности живого Б. М. Медников (1982) сформулировал в виде аксиом теоретической биологии:
1. Все живые организмы оказываются единством фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в поколение (аксиома А. Вейсмана)*.
2. Генетическая программа образуется матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предшествующего поколения (аксиома Н.К. Кольцова).
3. В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате различных причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно такие изменения могут оказаться удачными в данной среде (1-я аксиома Ч. Дарвина).
4. Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипа многократно усиливаются (аксиома Н. В. Тимофеева-Ресовского).
5. Многократно усиленные изменения генетических программ подвергаются отбору условиями внешней среды (2-я аксиома Ч. Дарвина).
Из данных аксиом можно вывести все основные свойства живой природы, и в первую очередь такие, как дискретность и целостность - два фундаментальных свойства организации жизни на Земле. Среди живых систем нет двух одинаковых особей, популяций и видов. Эта уникальность проявления дискретности и целостности основана на явлении конвариантной редупликации.
Конвариантная редупликация (самовоспроизведение с изменениями ) осуществляется на основе матричного принципа (сумма трех первых аксиом). Это, вероятно, единственное специфическое для жизни, в известной для нас форме ее существования на Земле, свойство. В основе его лежит уникальная способность к самовоспроизведению основных управляющих систем (ДНК, хромосом, генов).
6. Редупликация определяется матричным принципом (аксиома Н. К. Кольцова) синтеза макромолекул (рис. 2.4).
