Основи екології - Олійник Я.Б. - 4.2. Основні властивості і глобальні функції живої речовини

Біосфера - це, з одного боку, сукупність живих організмів, що населяють планету, з іншого - сфера активної взаємодії атмосфери, гідросфери і літосфери. Із сучасних позицій біосферу можна розглядати як велетенський "суперорганізм", цілісну систему з ефективними механізмами саморегуляції, за допомогою яких її основні параметри підтримуються у відносно постійному стані. Активному обміну речовини й енергії у біосфері сприяють такі передумови: у ній у значній кількості є вода; на неї падає могутній потік сонячної енергії; у біосфері проходять поверхні розділення між речовинами у трьох фазах - твердій, рідкій, газоподібній.

Вирішальне значення має жива речовина. В.І. Вернадський підкреслював, що "жива речовина розсіяна у міріадах особин, що безперервно вмирають і народжуються". Але, незважаючи на величезну різницю форм і розмірів живих істот, всім їм притаманна одна й та сама властивість, яка проявляється у біосфері як фізико-хімічна єдність. Отже, найпершою і найважливішою властивістю живої речовини є її фізико-хімічна єдність, що набула статусу закону. Цю властивість В.І. Вернадський пояснював єдністю виникнення і подальшого розвитку життя, тобто на планеті виявляється фізико-хімічна "спорідненість" усіх різноманітних живих організмів.

На основі цього В.І. Вернадський сформулював закон фізико хімічної єдності живої речовини, який вважається одним з основних законів усього органічного світу. Згідно з ним, уся жива речовина біосфери має єдину фізико-хімічну природу, тобто немає такого фізичного або хімічного агента, котрий був би згубним (смертельно шкідливим) для одних організмів і зовсім нешкідливим для інших. Різниця може бути лише у швидкості реакції організмів на цей агент, тобто на будь-який фізичний або хімічний зовнішній вплив. Саме єдність і передбачає цю різницю, але вона виявляється тільки у кількісних, але не у якісних показниках. Сутність цього закону легко зрозуміти, якщо згадати, наприклад, як застосування засобів боротьби зі шкідниками у сільському господарстві згубно впливає і на культурні рослини (шкідливе для одних видів істот є шкідливим і для інших).

Внаслідок наявності у будь-якій популяції більш чи менш стійких до фізико-хімічного впливу видів швидкість відбору за витривалістю популяцій до шкідливого агента прямо пропорційна швидкості розмноження організмів та чергування поколінь. Тому, наприклад, тривале вживання пестицидів екологічно неприпустиме, оскільки шкідники, які розмножуються значно швидше, також швидше пристосовуються і виживають, а обсяги хімічних забруднень доводиться дедалі збільшувати.

Розвиваючи ідеї про роль живої речовини у формуванні біосфери, В.І. Вернадський, окрім фізико-хімічної єдності, виділив ще декілька властивостей живої речовини як унікального явища планети. Однією з них, наприклад, є наявність у хімічних зв'язках живої речовини величезної кількості вільної енергії, "Вільною енергією" вчений називав сонячну енергію, яку жива речовина накопичує і трансформує.

Ще одна дуже важлива властивість: жива речовина біосфери відрізняється набагато більшою швидкістю перебігу хімічних реакцій, ніж це відбувається у інших речовинах планети, завдяки участі ферментів. До того ж, хімічні реакції в живих організмах протікають досить упорядковано.

Властивістю живої речовини В.І. Вернадський вважав також можливість довільного руху, за допомогою чого жива речовина здатна заповнити собою увесь можливий простір навколо. Головним шляхом такого заповнення є "розтікання живого під тиском життя". В.І. Вернадський навіть виділив дві форми розтікання: пасивне - коли організми просто ростуть і розмножуються; активне - направлене переміщення тварин, рослин, мікроорганізмів і людини.

Ще однією дуже важливою властивістю живої речовини є те, що для неї характерне значно більше морфологічне і хімічне різноманіття, ніж для будь-якої іншої речовини. Причому це різноманіття постійно поновлюється, оскільки завдяки розмноженню існує на Землі у формі безперервного чергування поколінь. Також до властивостей живої речовини В.І. Вернадський відносив її здатність до еволюційного процесу, що має велике значення у підтриманні життя як планетарного явища. Завдяки еволюції з'явилася величезна кількість різноманітних видів, здатних існувати у тих чи інших умовах біосфери, навіть найбільш екстремальних. Саме шляхом еволюції у живих організмів сформувалися різні типи обміну речовин, здатність створювати органічну речовину з неорганічних сполук, потім утилізувати її і знов повертати у середовище для залучення у кругообіг. При цьому жива речовина стає посередником між Сонцем і поверхнею Землі.

В.І. Вернадський сформулював закон константності кількості живої речовини: кількість живої речовини біосфери у межах певного геологічного періоду є константою. Цей закон був доповнений правилом константності числа видів у ході еволюції біосфери: число видів, які народжуються, у середньому дорівнює числу видів, які вимирають, і загальна видова різноманітність у біосфері є константою. Усі перераховані властивості живої речовини (величезна вільна енергія, значна швидкість протікання хімічних реакцій, можливість довільного руху, прагнення заповнити собою увесь навколишній простір, різноманітність та ін.) є специфічними; вони переконливо свідчать, що у біосфері немає іншої речовини, більш потужної і активної, ніж жива речовина.

Створюючи своє фундаментальне вчення про біосферу, В.І. Вернадський підкреслював не лише специфічні властивості живої речовини, а й висловлював ідею про те, що саме живій речовині належить провідна роль у формуванні всього навколишнього середовища. Цю роль підтверджують глобальні (біосферні) функції живої речовини як засобу організації біосфери. Ідея В.І. Вернадського щодо глобальних функцій живої речовини була розвинута його послідовниками. У зв'язку з цим перелік основних функцій, визначених В.І. Вернадським, значно розширився, але ще й досі залишається не повним та потребує доповнення (табл. 4.2). Отже, основні глобальні функції живої речовини біосфери такі.

Таблиця 4.2. Основні глобальні функції живої речовини біосфери

Енергетична (біохімічна) функція полягає у поглинанні (скріпленні) і запасанні сонячної енергії в органічній речовині у процесі фотосинтезу, а хімічної енергії - шляхом розкладу речовин, насичених енергією, а також у передачі цієї енергії харчовими ланцюгами. Завдяки енергетичній функції живої речовини здійснюється зв'язок біосферно-планетарних явищ з космічним випромінюванням, найперше, із сонячною радіацією. В основі цієї функції лежить фотосинтетична діяльність зелених рослин, в результаті якої сонячна енергія акумулюється та перерозподіляється між окремими компонентами біосфери. Ця функція пов'язана із живленням, диханням, розмноженням та іншими процесами життєдіяльності організмів. За рахунок накопиченої сонячної енергії відбуваються всі життєві явища на Землі. За підрахунками, рослини щорічно накопичують 1842 o 101Б кДж енергії.

Середовищетвірна (газова) функція живої речовини полягає у перетворенні фізико-хімічних параметрів середовища, в результаті чого у ньому відбулися такі важливі події:

- було перетворено газовий склад первинної атмосфери та сформовано сучасну кисневу атмосферу Землі;

- було змінено хімічний склад вод первинного океану;

- були утворені деякі гірські породи у літосфері;

- на поверхні суші виник ґрунтовий покрив з його унікальною властивістю - родючістю;

- була створена поверхня випаровування у вигляді велетенської за площею листяної поверхні, що дало змогу біоті суші створити потужний континентальний вологообіг, котрий вона контролює на 70-75 %.

Іншими словами, газова функція полягає у здатності живої речовини змінювати і підтримувати певний газовий склад навколишнього середовища й атмосфери в цілому. Жива речовина контролює глобальні цикли міграції біогенів. З газовою функцією пов'язують два переломні періоди у розвитку біосфери. Перший стосується того часу, коли вміст кисню в атмосфері досяг приблизно 1 % від сучасного рівня, що зумовило появу перших аеробних організмів (тобто здатних жити тільки у середовищі, що містить кисень). Це відбулося приблизно 1,2 млрд років тому. Другий переломний період пов'язують із часом, коли концентрація кисню досягла приблизно 10 % від сучасної. Це створило умови для синтезу озону й утворення озонового шару у верхніх шарах атмосфери, що зумовило можливість освоєння організмами суші (до цього функцію захисту від згубного ультрафіолетового проміння виконувала вода, під шаром якої було можливе життя).

Ця функція живої речовини вважається значною мірою інтегральною, оскільки є результатом сумісної дії інших функцій і має різні масштаби прояву. Результатом середовищетвірної функції є і вся біосфера, і ґрунт як одне із середовищ існування, і більш локальні структури. Функція забезпечення стабільності екологічних умов на Землі інтегрує всі інші (енергетичну, концентраційну і деструктивну).

Концентраційна функція полягає у вибірковому вилученні і накопиченні живими організмами у процесі життєдіяльності певних видів біогенних речовин: а) для побудови тіла; б) для видалення з нього речовин при метаболізмі. Наприклад, частка кисню, вуглецю, водню та азоту становить 99 % маси живої речовини. Морські водорості, наприклад, концентрують йод, діатомові водорості та злаки - кремній, фіалки - цинк, ракоподібні - мідь та ін.

Можна сказати, що це функція "вихоплення" з навколишнього середовища живими організмами і накопичення атомів біогенних хімічних елементів. Концентраційна здатність живої речовини підвищує вміст атомів хімічних елементів в організмах, порівняно з навколишнім середовищем, в декілька разів. Вміст вуглецю в рослинах у 200 разів, а азоту - у ЗО разів перевищує їх рівень у земній корі. Результат концентраційної діяльності живої речовини - утворення покладів горючих копалин, рудних родовищ тощо.

Деструктивна функція - руйнування організмами і продуктами їх життєдіяльності як залишків органічної речовини, так і неорганічних сполук, тобто здебільшого йдеться про розклад організмів після смерті. Найсуттєвішу роль у цьому процесі виконують редуценти (деструктори) - сапротрофні гриби і бактерії. У результаті відбувається розкладання і мінералізація мертвої органіки та перетворення її на косну речовину, а також руйнування гірських порід і залучення утворених мінералів у біотичний кругообіг.

Окисно-відновна функція живої речовини біосфери полягає у хімічному перетворенні речовин та їх сполук. При цьому на поверхні Землі переважають біогенні процеси окиснення і відновлення різних речовин за допомогою живих організмів. У ґрунті, воді й повітрі утворюються нові речовини як результат окисно-відновних реакцій. Під впливом живих організмів відбувається інтенсивна міграція атомів елементів із змінною валентністю (Fе, МN, S, Р, N та ін.), створюються їх нові сполуки, відбувається відкладення сульфідів і мінеральної сірки, утворення сірководню та ін. З діяльністю мікроорганізмів пов'язане формування залізних і марганцевих руд, вапняків тощо.

Інформаційна функція живої речовини полягає у накопиченні, збереженні і передачі живими організмами молекулярної та сигнальної інформації, необхідної для існування видів та підтримки рівноваги в екосистемах. Ця інформація закріплюється у спадкових структурах і передається новим поколінням.

Транспортна функція - перенесення речовини та енергії у результаті активної форми руху організмів. Може здійснюватися на величезні відстані. З транспортною функцією значною мірою пов'язана концентраційна роль угруповань організмів, наприклад, у місцях їхнього скупчення (пташині базари або інші колоніальні поселення).

Дехто серед глобальних функцій живої речовини виділяє ще й розсіювальну функцію, яка прямо протилежна концентраційній і проявляється через трофічну і транспортну діяльність організмів. Йдеться про розсіювання різних речовин у навколишньому середовищі.

Перелічені специфічні властивості і глобальні функції живої речовини біосфери дають нам розуміння того, що життя на Землі пов'язано з концентрацією сонячної енергії, що жива речовина (у формі зеленого рослинного покриву) накопичує цю енергію, котра може зберігатися мільйони років у вигляді різноманітних паливно-сировинних ресурсів - газу, нафти, торфу, вугілля тощо. Одночасно з процесом концентрації (накопичування) енергії, Земля як відкрита система обмінюється енергією з Космосом. Саме завдяки цим процесам відбувається безперервна зміна біосфери, тобто еволюція, і у бік збільшення так званої "вільної енергії" біосфери. Цією "вільною енергією" В.І. Вернадський називав усю діяльність, яку здійснює жива речовина біосфери.

Отже, незважаючи на те, що жива речовина планети становить лише приблизно одну мільйонну частку від маси земної кори, за своїм активним впливом на навколишнє середовище вона відіграє найважливішу роль, тому біосфера якісно відрізняється від усіх інших оболонок нашої планети.