Живое вещество: функции живого вещества. Учение Вернадского о биосфере. Живое вещество и его функции

В основу концепции биосферы положено представление о живом веществе. Более 90 % всего живого вещества приходится на наземную растительность (98 % биомассы суши). Живое вещество- наиболее мощный геохимический и энергетический фактор, ведущая сила планетарного развития. Основной источник биохимической активности организмов — это солнечная энергия, используемая в процессе фотосинтеза зелеными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества. Органическое вещество обеспечивает пищей и энергией остальные организмы. Фотосинтез привел к накоплению в атмосфере свободного кислорода, образованию озонового слоя, защищающего от ультрафиолетового и жесткого космического излучения, он поддерживает современный газовый состав атмосферы. Жизнь на Земле всегда существовала в форме сложно организованных комплексов разнообразных организмов (биоценозов). Вместе с тем живые организмы и среда их обитания образуют целостные системы — биогеоценозы. Питание, дыхание и размножение организмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот вещества и энергии. С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов через живое вещество. Так, весь атмосферный кислород оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ за 300 лет. Большим разнообразием органических и химических соединений характеризуется состав самих организмов. Благодаря живому веществу на планете образовались почвы и органическое минеральное топливо (торф, уголь, возможно даже нефть).

Исследуя процессы миграции атомов в биосфере, В.И. Вернадский подошел к вопросу о генезисе (происхождении) химических элементов в земной коре, а затем 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. «Под именем живого вещества, — писал В.И. Вернадский в 1919 г., — я буду подразумевать всю совокупность всех организмов, растительности и животных, в том числе и человека».

Таким образом, живое вещество — совокупность живых организмов биосферы, численно выраженная в элементарном химическом составе, массе и энергии. В 1930-х гг. 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.

Если бы человек не выделился из природного животного мира, то его численность была бы порядка 100 тысяч. Такие протолюди жили бы в ограниченном ареале, и их эволюция определялась бы медленными процессами, происходящими в результате популяционно-генетических изменений, характерных для видообразования. Однако с появлением человека произошел качественный скачок в развитии природы на Земле. Есть все основания полагать, что это новое качество связано с разумом и сознанием homo sapiens. Таким образом, главным видовым отличием человека является его разум, и именно благодаря сознанию человечество развивалось своим путем. Это отразилось и на процессе размножения людей, так как для формирования социально зрелых форм сознания требуется длительное время — не менее 20 лет.

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 поколение 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. Этим клеткам изначально предначертано быть самими собой, за исключением яйцеклетки, из которой развивается целый организм. Таким образом, живое вещество по сути бессмертно.

В.И. Вернадский отмечал, что живое вещество неотделимо от биосферы, является ее функцией и одновременно «одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты». Круговорот веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Эти циклы и круговорот обеспечивают важнейшие функции живого вещества в целом. Ученый выделил пять таких функций:

Газовая функция - осуществляется зелеными растениями, выделяющими кислород в процессе фотосинтеза, а также всеми растениями и животными, выделяющими углекислый газ в результате дыхания;

Концентрационная функция - проявляется в способности живых организмов накапливать в своих телах многие химические элементы (на первом месте — углерод, среди металлов — кальций);

Окислительно-восстановительная функция - выражается в химических превращениях веществ в процессе жизнедеятельности. В результате образуются соли, окислы, новые вещества. С данной функцией связано формирование железных и марганцевых руд, известняков и т.п.;

Биохимическая функция - определяется как размножение, рост и перемещение в пространстве живого вещества. Все это приводит к круговороту химических элементов в природе, их биогенной миграции;

Функция биогеохимической деятельности человека - связана с биогенной миграцией атомов, многократно усиливающейся под влиянием хозяйственной деятельности человека. Человек разрабатывает и использует для своих нужд большое количество веществ земной коры, в том числе таких, как уголь, газ, нефть, торф, сланцы, многие руды. Одновременно происходит антропогенное поступление в биосферу чужеродных веществ, причем в количествах, превышающих допустимое значение. Это привело к кризисному противостоянию человека и природы. Главной причиной надвигающегося экологического кризиса считается технократическая концепция, рассматривающая биосферу, с одной стороны, как источник физических ресурсов, с другой — как сточную трубу для удаления отходов.

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.

Длительное время считалось, чтоживое отличается отнеживого 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 видеаксиом 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, какдискретность ицелостность- 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).

Редупликация определяется матричным принципом (аксиома Н. К. Кольцова) синтеза макромолекул (рис.2.4).

Рис.2.4.Схема редупликации ДНК (по Дж. Севейдж,1969)

Примечание. Процесс связан с разделением пар оснований (аденин-тимин и гуанин-цитозин: А-Т, Г-Ц) и раскручиванием двух цепей исходной спирали. Каждая цепь используется как матрица для синтеза новой цепи

Способность ксамовоспроизведению по матричному принципу молекулы ДНК смогли выполнить роль носителя наследственности исходных управляющих систем (аксиома А. Вейсмана). Кон-вариантная редупликация означает возможность передачи по наследству дискретных отклонений от исходного состояния (мутаций), предпосылки эволюции жизни.

Живое вещество по своей массе занимает ничтожную долю по сравнению с любой из верхних оболочек земного шара. По современным оценкам, общее количество массы живого вещества в наше время равно2420млрд т. Эту величину можно сравнить с массой оболочек Земли, в той или иной степени охваченных биосферой (табл.2.2).

Таблица2.2

Масса живого вещества в биосфере

По своему активному воздействию на окружающую среду живое вещество занимает особое место и качественно резко отличается от других оболочек земного шара, так же как живая материя отличается от мертвой.

В. И. Вернадский подчеркивал, что живое вещество-самая активная форма материи во Вселенной. Оно проводит гигантскую геохимическую работу в биосфере, полностью преобразовав верхние оболочки Земли за время своего существования. Все живое вещество нашей планеты составляет1/11000000часть массы всей земной коры. В качественном же отношении живое вещество представляет собой наиболее организованную часть материи Земли.

При оценке среднего химического состава живого вещества, по данным А. П. Виноградова(1975),В. Лархера(1978)и др., главные составные части живого вещества-это элементы, широко распространенные в природе (атмосфера, гидросфера, космос): водород, углерод, кислород, азот, фосфор и сера (табл.2.3,рис.2.5).

Таблица2.3

Элементарный состав звездного и солнечного вещества в сопоставлении с составом растений и животных

Рис.2.5.Соотношение химических элементов в живом

веществе, гидросфере, литосфере и в массе Земли в целом

Живое вещество биосферы состоит из наиболее простых и наиболее распространенных в космосе атомов.

Средний элементарный состав живого вещества отличается от состава земной коры высоким содержанием углерода. По содержанию других элементов живые организмы не повторяют состава среды своего обитания. Они избирательно поглощают элементы, необходимые для построения их тканей.

В процессе жизнедеятельности организмы используют наиболее доступные атомы, способные к образованию устойчивых химических связей. Как уже было отмечено, водород, углерод, кислород, азот, фосфор и сера являются главными химическими элементами земного вещества и их называютбиофшъньши. Их атомы создают в живых организмах сложные молекулы в сочетании с водой и минеральными солями. Эти молекулярные постройки представлены углеводами, липидами, белками и нуклеиновыми кислотами. Перечисленные части живого вещества находятся в организмах в тесном взаимодействии. Окружающий нас мир живых организмов биосферы представляет собой сочетание различных биологических систем разной структурной упорядоченности и разного организационного положения. В связи с этим выделяют разные уровни существования живого вещества-от крупных молекул до растений и животных различных организаций.

1.Молекулярный (генетический)-самый низкий уровень, на котором биологическая система проявляется в виде функционирования биологически активных крупных молекул-белков, нуклеиновых кислот, углеводов. С этого уровня наблюдаются свой-.ства, характерные исключительно для живой материи: обмен веществ, протекающий при превращении лучистой и химической энергии, передача наследственности с помощью ДНК и РНК. Этому уровню свойственна устойчивость структур в поколениях.

2.Клеточный- уровень, на котором биологически активные молекулы сочетаются в-единую систему. В отношении клеточной организации все организмы подразделяются на одноклеточные и многоклеточные.

3.Тканевый- уровень, на котором сочетание однородных клеток образует ткань. Он охватывает совокупность клеток, объединенных общностью происхождения и функций.

4.Органный- уровень, на котором несколько типов тканей функционально взаимодействуют и образуют определенный орган.

5.Организменный -уровень, на котором взаимодействие ряда органов сводится в единую систему индивидуального организма. Представлен определенными видами организмов.

6.Популяционно-видовой, где существует совокупность определенных однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания. На этом уровне происходят элементарные эволюционные изменения в целом.

7.Биоценоз и биогеоценоз (экосистема)-более высокий уровень организации живой материи, объединяющий разные по видовому составу организмы. В биогеоценозе они взаимодействуют друг с другом на определенном участке земной поверхности с однородными абиотическими факторами.

8.Биосферный- уровень, на котором сформировалась природная система наиболее высокого ранга, охватывающая все проявления жизни в пределах нашей планеты. На этом уровне происходят все круговороты вещества в глобальном масштабе, связанные с жизнедеятельностью организмов.

По способу питания живое вещество подразделяется на авто-трофы и гетеротрофы.

Автотрофами (от греч.autos - сам,trof - кормиться, питаться) называют организмы, берущие нужные им для жизни химические элементы из окружающей их костной материи и не требующие для построения своего тела готовых органических соединений другого организма. Основной источник энергии, используемый автотрофами,-Солнце.

Автотрофы подразделяются на фотоавтотрофы и хемоавто-трофы.Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет,хемоавтотрофы используют энергию окисления неорганических веществ.

К автотрофным организмам относятся водоросли, наземные земные растения, бактерии, способные к фотосинтезу, а также некоторые бактерии, способные окислять неорганические вещества (хемоавтотрофы). Автотрофы являются первичными продуцентами органического вещества в биосфере.

Гетеротрофы (от греческогоgeter -другой)-организмы, нуждающиеся для своего питания в органическом веществе, образованном другими организмами. Гетеротрофы способны разлагать все вещества, образуемые автотрофами, и многие из тех, что синтезирует человек.

Живое вещество устойчиво только в живых организмах, оно стремится заполнить собой все возможное пространство. «Давлением жизни» называл данное явление В. И. Вернадский.

На Земле из существующих живых организмов наибольшей силой размножения обладает гриб-дождевик гигантский. Каждый экземпляр данного гриба может дать до7,5млрд спор. Если каждая спора послужила бы началом новому организму, то объем дождевиков уже во втором поколении в800раз превысил размеры нашей планеты.

Таким образом, наиболее общее и специфическое свойствоживого- способность к самовоспроизведению, конвариантной редупликации на основе матричного принципа. Эта способность вместе с другими особенностями живых существ и определяет существование основных уровней организации живого. Все уровни организации жизни находятся в сложном взаимодействии как части единого целого. На каждом уровне действуют свои закономерности, определяющие особенности эволюции всех форм орга

низации живого. Способность к эволюции выступает как атрибут жизни, непосредственно вытекающий из уникальной способности живого к самовоспроизведению дискретных биологических единиц. Специфические свойства жизни обеспечивают не только воспроизведение себе подобных (наследственности), но и необходимые для эволюции изменения самовоспроизводящих структур (изменчивость).

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.