Свойства живого вещества биосферы

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.