Особое место в учении В. И. Вернадского о биосфере занимает живое вещество. Под живым веществом В. И. Вернадский понимал все количество живых организмов планеты как единое целое. Жизнь — высшая форма организации материи. В то же время у живой материи практически нет таких свойств, каких не существовало бы у неживой материи. Живое отличается от неживого только совокупностью особенностей.
Существенным свойством живого является обмен веществ, энергии и информации. Организм потребляет из окружающей среды энергию и вещества и использует их для жизненно важных реакций, а затем возвращает в среду эквивалентное количество энергии и вещества, но уже в другой форме, менее пригодной для него. Живое вещество способно существовать только в потоке непрерывного обмена веществ, энергии и информации с окружающей средой. Прекращение движения в этом потоке хотя бы одного компонента прекращает жизнь организма.
Главной отличительной особенностью живого вещества в целом является способ использования энергии. Живые существа — уникальные природные объекты, могущие улавливать энергию, которая приходит из Космоса преимущественно в виде солнечного света, удерживать ее в виде сложных органических соединений (биомассы), передавать друг другу, трансформировать в механическую, электрическую, тепловую и другие виды энергии. Косные (неживые) тела не способны к столь сложным преобразованиям энергии, они преимущественно рассеивают ее: камень нагревается под действием солнечной энергии, но не может ни сойти с места, ни увеличить свою массу.
В широком и основном значении информация — это передача от одного живого объекта к другому различных сведений или иных воздействий, которые влияют на их жизнедеятельность. Кроме этого, каждый живой организм воспринимает и накапливает непрерывный поток информации второго рода, который поступает к нему из окружающей среды: звуки, запахи, зрительные образы, изменение температуры, освещенности и т.д.
Единство химического состава. Для живых организмов последний характеризуется наличием тех же химических элементов, которые содержатся и в объектах неживой материи. Однако соотношение элементов в живом и неживом неодинаково. Химический состав живых организмов во многом отличается от состава атмосферы и литосферы. Он ближе к химическому составу гидросферы по абсолютному преобладанию атомов водорода и кислорода. Но в отличие от гидросферы в организмах относительно велика доля углерода, кальция и азота. Живое вещество состоит почти на 98,8% из элементов, которые повсеместно присутствуют и в атмосфере и в гидросфере: кислорода, водорода, азота и углерода. Из оставшихся один процент приходится еще на четыре элемента, широко распространенных и весьма подвижных: кальций, калий, магний и кремний. Еще 0,2% приходятся на долю серы, фосфора, хлора, натрия, алюминия и железа и лишь 0,01% — на все остальные элементы.
Благодаря обмену веществ обеспечивается относительное постоянство химического состава всех частей организма.
Здесь уместно привести закон физико-химического единства живого вещества, сформулированный В.И. Вернадским: все живое вещество Земли физико-химически едино.
Логичным является следствие из этого закона: вредное для одной части живого вещества не может быть безразлично для другой его части (или: вредное для одних видов существ вредно и для других).
Самовоспроизведение. Каждая отдельно взятая биологическая система существует ограниченное время: поэтому поддержание жизни невозможно без воспроизведения себе подобных. В основе последнего лежит образование новых молекул и структур, которое обусловлено информацией, заложенной в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).
Процесс самовоспроизведения тесно связан с явлением наследственности: любое живое существо рождает себе подобных. Наследственность состоит в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение, что связано с относительной стабильностью, т.е. постоянством строения молекул ДНК. Однако важно подчеркнуть, что развитие биологических процессов не может быть жестко детерминированным, предопределенным во всех деталях. Поэтому особенности родителей передаются потомству не с абсолютной точностью, а всегда с некоторыми отклонениями, обычно незначительными (микромутации), иногда существенными (макромутации).
Изменчивость — противоположное наследственности свойство организма. Оно связано с его способностью приобретать новые признаки и свойства. В основе наследственной изменчивости лежат изменения так называемых биологических матриц — молекул ДНК. Благодаря изменчивости создается разнообразный материал для естественного отбора особей, наиболее приспособленных к конкретным условиям существования. При этом лучшие шансы на сохранение получают особи, которые более приспособлены и быстрее размножаются. Однако и здесь в реальной жизни нет жесткой детерминации, поэтому возможны любые случайности. Согласно Ч. Дарвину, изменчивость, наследственность и естественный отбор — главные факторы эволюции жизни, способствующие появлению новых ее форм, новых видов живых организмов.
Способность к росту и развитию присуща любому живому организму, который с момента зарождения растет, увеличиваясь в размерах и массе, но при этом сохраняет общие черты строения. Таким образом, рост сопровождается развитием и в результате возникает новое качественное состояние живого объекта. Важно отметить, что развитие живой формы материи в целом представлено как индивидуальным, так и историческим развитием. На стадии индивидуального развития постепенно и последовательно проявляются все свойства единого организма. Историческое развитие сопровождается образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Именно благодаря ему возникло все многообразие живых организмов на Земле.
Для нормального функционирования живого организма в меняющихся условиях окружающей среды необходимо внутреннее регулирование — саморегуляция различных процессов, полное подчинение их единому порядку поддержания постоянства внутренней среды — гомеостазу.
Чертой, присущей всему живому, является раздражимость. Она выражается реакциями живых организмов на внешнее воздействие и связано с передачей информации из внешней среды биологической системе любой сложности (организму, органу, клетке). Благодаря этому свойству организмы способны избирательно реагировать на условия окружающей среды (например, на тепло и холод). Наиболее яркой формой проявления раздражимости является движение. Реакции многоклеточных на раздражение (рефлексы) осуществляются с помощью нервной системы. Надо указать, что сочетания «раздражитель-реакция» могут накапливаться в виде опыта, т.е. научения и памяти и использоваться в последующей жизнедеятельности (по крайней мере у животных).
Дискретность является всеобщим свойством материи. Любая, в том числе биологическая, система состоит из отдельных, но, тем не менее, взаимодействующих частей, которые образуют структурно-функциональное единство. Живое вещество существует всегда дискретно — в форме обособленных друг от друга тел; они характеризуются трехмерной структурой, которая специфична для каждого вида. Именно по характеру этой структуры можно отличить, например, льва от кошки.
Структурная сложность живого начинается с гигантских полимерных молекул и продолжается на уровне клеток многоклеточных организмов и надорганизменных сообществ. Все живое на Земле характеризуется иерархичностью (соподчиненностью) структурной организации. Жизнедеятельность биологических систем на менее сложном уровне является предпосылкой осуществления свойств живого на более высоком уровне. Так, например, самовоспроизведение на уровне многоклеточного организма невозможно без деления клеток, и т.д. Указанная взаимосвязь и соподчиненность уровней организации живого является отражением иерархичного принципа строения биологических систем и лежит в основе биологической формы движения материи.
Итак, живое характеризуется исключительно высокой функциональной активностью. Она связана с его способностью к неограниченному развитию и количественному росту, названному В. И. Вернадским «напором жизни».
Функции живого вещества
Различают пять основных функций живого вещества в масштабах планеты Земля: энергетическую, газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и деструкционную.
Энергетическая функция состоит в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с излучением Космоса, и прежде всего с солнечной радиацией. Основой указанной функции является фотосинтез, в процессе которого происходит аккумуляция энергии Солнца и ее последующее перераспределение между компонентами биосферы. Накопленная солнечная энергия обеспечивает протекание всех жизненных процессов. За время существования жизни на Земле живое вещество превратило в химическую энергию огромное количество солнечной энергии. При этом существенная часть ее в ходе геологической истории накопилась в связанном виде (залежи угля, нефти и других органических веществ).
Благодаря газовой функции происходит миграция газов и их превращение, формируется газовый состав биосферы. Отметим, что преобладающая масса газов на планете имеет биогенное происхождение. Так, кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза. При этом количество молекул кислорода, выделяемых земными растениями, пропорционально количеству связываемых водой молекул диоксида углерода. Последний поступает в атмосферу за счет дыхания всех организмов. Другой, не менее мощный его источник — выделение по трещинам земной коры из осадочных пород за счет химических процессов под действием высоких температур.
Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов из окружающей среды, которые используются для построения тела. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде.
Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (это в основном соединения железа, марганца и др.). В результате происходят превращения большинства химических соединений, при этом преобладают биогенные процессы окисления и восстановления. На основе данной функции происходит самоочищение биосферы от загрязнения.
Благодаря деструкционной функции протекают процессы, связанные с разложением остатков мертвых организмов. При этом происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное.
Таким образом, живое вещество трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Живое вещество определило современный состав атмосферы, гидросферы, почв и, в значительной степени, осадочных пород Земли.