Екологія - Потіш Л.А. - 7.3. Жива речовина. Геохімічна робота живої речовини

Згадаємо декілька визначень живої речовини творця цього поняття В.І. Вернадського: "Жива речовина біосфери є сукупністю усіх її живих організмів". Як учений, він розуміє, що об'єкт Його досліджень вимагає кількісних характеристик, а тому наголошує: "Я буду називати сукупність організмів, зведених до ваги, хімічного складу і енергії, живою речовиною". Жива речовина в його розумінні — це форма активованої матерії, і її енергія тим більша, чим більша маса живої речовини.

Які ж властивості живої речовини?

1. Жива речовина біосфери характеризується величезною вільною енергією, яку можна було б порівняти хіба з вогненним потоком лави, але енергія лави недовговічна.
2. У живій речовині, завдяки присутності ферментів, хімічні реакції відбуваються в тисячі, а деколи й у мільйони разів швидше, ніж у неживій. Для життєвих процесів характерне те, що одержані організмом речовина і енергія переробляються і віддаються ним у значно більших кількостях. Наприклад, маса комах, яких з'їдає синиця за день, дорівнює її власній масі, а деякі гусениці споживають і переробляють за добу в 200 разів більше їжі, ніж важать самі.
3. Індивідуальні хімічні елементи (білки, ферменти, а деколи й окремі мінеральні сполуки тощо) синтезуються лише в живих організмах.
4. Жива речовина намагається заповнити собою весь можливий простір.

В.І. Вернадський називає дві специфічні форми руху живої речовини:

• пасивну, яка створюється розмноженням і притаманна як тваринним, так і рослинним організмам;
• активну, яка здійснюється за рахунок напрямленого переміщення організмів (характерна для тварин і меншою мірою - рослин).

5. Жива речовина проявляє значно більшу морфологічну і хімічну різноманітність, ніж нежива. В природі відомо понад 2 млн органічних сполук, які входять до складу живої речовини, тоді як кількість мінералів неживої речовини становить близько 2 тисяч, тобто на три порядки нижче.

6. Жива речовина представлена дисперсними тілами — індивідуальними організмами, кожний з яких має свій власний генезис, свій генетичний склад. Розміри індивідуальних організмів коливаються від 20 мм у найдрібніших до 100 м (діапазон понад 109). Найбільшими з рослин вважаються секвої, а з тварин — кити.

На думку Вернадського, мінімальні і максимальні розміри організмів визначаються граничними можливостями їх газового обміну з середовищем.

7. Будучи дисперсною, жива речовина ніколи не трапляється на Землі в морфологічно чистій формі, наприклад, у вигляді популяційного виду. Вона може існувати лише у вигляді біоценозу: "...навіть простенький біоценоз якогось сухого соснячка на пісочку є угрупованням, яке складається приблизно із тисячі видів живих організмів" (Тимофєєв-Рисовський).

8. Принцип Реді (флорентійський академік, лікар і натураліст, 1626—1697): "все живе з живого" — є відмінною особливістю живої речовини, яка існує на Землі у формі безперервного чергування поколінь і характеризується генетичним зв'язком з живою речовиною всіх минулих геологічних епох. Неживі абіогенні речовини, як відомо, надходять до біосфери або з космосу, або ж виносяться порціями з оболонки Земної кулі. Вони можуть бути аналогічні за складом, але генетичного зв'язку у них немає.

9. Жива речовина в особі конкретних організмів, на відміну від неживої, здійснює упродовж свого історичного життя грандіозну роботу. По суті, лише біогенні речовини мета біосфери — це інтеґрал маси живої речовини Землі за геологічний час, тоді як маса неживої речовини земного походження є постійною величиною в геологічній історії: 1 г архейського граніту і сьогодні залишається 1 г тієї ж речовини, а та ж сама маса живої речовини, тобто 1 г, протягом мільярдів років існувала за рахунок зміни поколінь і весь цей час виконувала геологічну роботу.

У доаристотелівські часи вважали, що життя починається з абіогенезу (з таких мертвих тіл природи як камінь, скеля, вода, газ, земля). Аристотель, як писав В.І. Вернадський (1969), визнавав біогенез для людини, птахів, майже всіх ссавців та деяких нижчих тварин, окремих з хребетних, багатьох рослин. Він у виняткових випадках допускав гетерогенез (різнорідне зародження) і для вищих рослин, для тварин. Минуло два тисячоліття з часу смерті Аристотеля, утвердився в науці принцип Реді ("все живе з живого"), але й сьогодні йде пошук взаємозв'язків живої і неживої речовини, які слугують надійним механізмом невпинного руху життя в біосфері. Аби краще зрозуміти суть цих механізмів, слід з'ясувати, з яких речовин, крім живої, складається біосфера. Незважаючи на те, що уявлення про склад біосфери викладені В.І. Вернадським у праці "Хімічна будова біосфери Землі та її оточення":

· газова

· киснева

· окислювальна

· кальцієва

· відновлювальна

· концентраційна

· руйнування органічних речовин

· відновлювального розкладу

· метаболізму і дихання організмів.

Уся маса живої речовини, яка була на Землі хоча б протягом 1 млрд років, уже перевищує масу земної кори. Біомаса Землі (в сухій речовині) становить 2,44х1012т, тобто0,00001% земної кори (2х1019 т). Беручи до уваги, що останній мільярд років продукція земної кулі була близькою до сучасної, можна розрахувати її сумарну кількість 2х10пх109—2ХІ020 т, тобто в 10 разів більше маси земної кори. Слід брати до уваги, що жива речовина — надзвичайно активна хімічно діюча маса, а тому стає зрозумілою і її велетенська енергетична роль. Якщо врахувати, що на земну поверхню щорічно надходить 2ІХІ025 кДж сонячної енергії, то на поверхню, покриту зеленою рослинністю і водоймищами з їх фітопланктоном, припадає лише близько 40%, або 8,4х1028 кДж енергії. З урахуванням витрат сонячної енергії внаслідок відбивання та інших причин, а також енергетичного виходу фотосинтез не перевищує 2% . Загальна кількість енергії, яка запасається щороку у процесі фотосинтезу, виражається величиною порядку 20,9х1022 кДж.

Усі рослинні й тваринні організми складаються з тих самих елементів, що і тіла неживої природи, але в іншому співвідношенні. В клітинах знайдено близько 90 елементів періодичної системи Д.І. Менделєєва.

Найбільше (98% ) у клітинах водню, кисню, вуглецю і азоту. Вміст калію, натрію, кальцію, магнію, заліза, сірки, фосфору і хлору в клітинах складає десяті та соті частки відсотка (їх називають макроелементи), а цинку, міді, йоду, фтору, брому, срібла і т.д. — ще менше (табл. 7.2).

Елементи, вміст яких не перевищує в клітині 0,01%, називаються мікроелементами. Однак це не означає, що вони менш потрібні організмові, ніж інші. Встановлено, що за відсутності тих чи інших мікроелементів порушується обмін речовин між клітинами організму, а це призводить до різних захворювань. Усі хімічні елементи беруть участь у побудові організму у вигляді іонів або в складі молекул неорганічних чи органічних речовин. Серед неорганічних речовин важливе значення мають вода, мінеральні солі, кислоти, основи. Вода займає до 80 % об'єму клітини і виступає в ній як внутрішній екологічний фактор — середовище, де знаходяться органоїди клітини, розчинник, каталізатор для реакцій обміну; створює електропровідність. В організмі вода виконує транспортну, провідну функцію, є регулятором температури.

Вода в клітині перебуває у двох формах: вільній і зв'язаній. Завдяки зв'язаній воді клітина здатна витримувати низькі температури, її вміст у клітині — приблизно 5%. 95% припадає на вільну воду, яка є прекрасним розчинником, а більшість хімічних реакцій проходять тільки в розчинах.

Цікава і не до кінця вивчена властивість води зберігати інформацію. Очевидно, наші далекі предки знали про цю властивість, використовуючи воду при різних замовляннях.

Більшість неорганічних речовин у клітинах міститься у вигляді солей або дисоційованих на іони, або в твердому стані.

Вміст катіонів і аніонів у клітині відрізняється від їхньої концентрації в навколишньому середовищі і реґулюється клітинною мембраною. При загибелі клітини концентрація речовин у середовищі та цитоплазмі вирівнюється. Органічні речовини становлять 20—30% маси клітини. До них належать білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, жири, жироподібні речовини, АТФ та ін.