Функции живого вещества в биосфере (по В.И. Вернадскому)

Белки берут под контроль все химические реакции, протекающие в организме, создавая структуры биокатализаторов – ферментов или энзимов. Белки взаимодействуют с окружающей средой целенаправленно, выбрасывая из организма все отработанное и принимая только необходимое (функция узнавания). Белковые молекулы выполняют сокращение мышц, осуществляют функцию обоняния и вкуса, участвуют в фотохимических реакциях (функция зрения).

Другая функция биополимеров – нуклеиновых кислот РНК и ДНК – связана с сохранением и передачей по наследству свойств живого организма будущим поколениям. Эти носители Жизни входят в состав всех живых клеток.Нуклеиновые кислоты являются носителями закодированной в их структуре наследственной информации индивида и осуществляют синтез белка в живой клетке. Синтез белка на матрицах нуклеиновых кислот происходит непрерывно, пока клетка жива.

Академик В.И. Вернадский отметил следующие функции живого вещества.

Солнечный свет для биосферы является рассеянной энергией электромагнитной природы. Энергетическая функцияживого вещества заключается в поглощении им солнечной энергии (фотосинтез) или химической энергии (хемосинтез) с последующей передачей энергии по пищевой цепи. Каждый организм прямо или косвенно служит для кого-то источником питания. В то же время сам он существует за счет других организмов или продуктов их жизнедеятельности.

Деструктивная (разрушительная) функция заключается в разложении мертвого органического вещества до простых неорганических соединений, а также в химическом разложении горных пород грибами и бактериями и вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот.

Транспортная функция заключается в переносе вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении в результате активного движения живых организмов.

Концентрационная (накопительная) функция заключается в избирательном накоплении в живых существах рассеянных в природе веществ: углерода, азота, фосфора, кальция и многих других, включая тяжелые металлы. Раковины моллюсков, панцири диатомовых водорослей, скелеты животных – это примеры проявления концентрационной функции живого вещества.

Рассеивающая функция – противоположная концентрационной и проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении экскрементов.

Газовая функция заключаются в участии живых организмов в миграции газов и их превращениях.

Средообразующая функция заключается в поддержании и преобразовании параметров окружающей среды в рамках, благоприятных для существования организмов. Эта функция является результатом совместного выполнения других функций.

Информационная функция заключается в накоплении живыми организмами полезной информации, закреплении её в наследственных структурах и передаче последующим поколениям.

Потоки вещества и энергиив экосистемах

Сухой вес органических веществ, содержащихся в организмах экосистемы, называется биомассой. Для большинства наземных экосистем суммарная биомасса каждого последующего трофического уровня пищевой цепи уменьшается. Накопленная в течение года растениями в процессе фотосинтеза химическая энергия (или биомасса) называется чистой первичной продукцией (ЧПП). ЧПП меньше общей первичной продукции примерно на 20% – на величину энергии, которую растения используют для обеспечения собственной жизнедеятельности, роста и размножения (рис. 6.3).ЧПП – это главный источник питания для животных.

Рис. 6.3. Мировая годовая чистая первичная продукция растений наземных и морских экосистем

Наибольшимзначением чистой первичной продуктивности обладают эстуарии, болота и тропические леса (около 9000 ккал/м²∙год).

В функционирующей природной экосистеме не существует отходов. Все организмы, живые или мёртвые, потенциально являются пищей для других организмов (рис. 6.4): гусеница ест листву, дрозд питается гусеницами, ястреб съедает дрозда. Когда ястреб погибает, он перерабатывается редуцентами.

Рис. 6.4. Схема пищевой сети экосистемы суши

Последовательность организмов, в которой каждый из них съедает или разлагает другой организм, называется пищевой цепью (рис. 6.4). Пищевая цепь – это путь части потока солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, от растений через живые организмы в окружающую среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. Концепция пищевых цепей и пищевых сетей помогает проследить круговорот химических элементов и потоки энергии в экосистеме.

Энергия и вещество в пределах экосистемы передаётся с одного трофического уровня на другой. В круговороте веществ участвуют три группы организмов:

- продуценты (производители) – автотрофные организмы, создающие органические вещества из неорганических в процессе фото- или хемосинтеза;

- консументы (потребители) – гетеротрофные организмы, питающиеся за счет автотрофных организмов;

- редуценты (восстановители) – животные, питающиеся разлагающимися организмами. Редуценты возвращают минеральные соли в почву, делая их доступными для продуцентов, и таким образом замыкают биотический круговорот. Экосистемы не могут обходиться без редуцентов в отличие от консументов, которые отсутствовали в экосистемах в течение первых 2 млрд лет эволюции.

Рис. 6.5. Пример пирамиды пастбищной пищевой цепи

В пастбищной пищевой сети живые растения (продуценты) поедаются фитофагами (травядными – консументами 1-го порядка), а сами фитофаги являются пищей для хищников (консументов 2-го порядка) и паразитов (рис. 6.5).

Следует отметить, что экосистемы могут существовать и без консументов. В детритной пищевой сети отходы жизнедеятельности и мертвые организмы разлагаются редуцентами (детритофагами – крабы, шакалы, муравьи, грифы и деструкторами – грибы, бактерии) до простых неорганических соединений. Деструкторы являются завершающим звеном в круговороте веществ. Без редуцентов весь мир был бы погружен в слой органических отходов.

Рис. 6.6. Редуценты (детритофаги и деструкторы), питающиеся органикой поваленного дерева

Существует закон убывания биомассы на каждом последующем трофическом уровне. С каждого трофического уровня на следующий более высокий уровень по лестнице «продуцент – консумент – редуцент» передаётся только часть энергии. Количество энергии высокого качества, переходящей из одного трофического уровняв другой, колеблется от 2 до 30% в зависимости от экосистемы. Подсчитано, что в дикой природе в организмы следующего трофического уровня переходит в среднем 10% химической энергии предыдущего уровня. Оставшиеся 90% энергии используются для поддержания жизнедеятельности (около 20%), а остальная часть теряется как тепловая энергия низкого качества.

Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной высококачественной энергии в окружающую среду в виде теплоты. Пирамида энергетических потоков объясняет, почему можно прокормить большее число людей, если сократить пищевую цепь до прямого потребления зерновых (например, рис – человек). Наверное, было бы хорошо, если бы все люди на Земле перестали быть хищниками, а стали бы консументами 1-го уровня.

Химическая энергия, накопленная в глюкозе и других углеводородах, используется для поддержания жизнедеятельности всеми организмами экосистемы. Кислородпотребляющие (аэробные) организмы используют глюкозу и другие органические соединения в качестве пищи (консументы) или разлагают (редуценты) на СО₂ и воду с помощью клеточного дыхания.

С₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + энергия

Этот процесс не может отождествляться с процессом дыхания в обычном понимании. Клеточное дыхание – это постепенное сгорание (окисление) органических соединений, находящихся в клетках живых организмов. Освобождающаяся в процессе клеточного дыхания химическая энергия накапливается в молекулах АТФ и используется для обеспечения жизнедеятельности организмов. Большая часть накопленной энергии преобразуется в теплоту, которая рассеивается в окружающую среду.

В глобальном круговороте участвует множество химических элементов и соединений, наиболее важными из которых являются вода углерод, сера, азот и фосфор. С биогенными процессами связано поступление в атмосферу почти всего кислорода, а также СО₂, СН₄, N₂, H₂S и других газов.

Биогенная миграция химических элементов создала современную глобальную экосистему. За миллионы лет растения поглотили огромное количество СО₂ и одновременно обогатили атмосферу кислородом. Скелеты беспозвоночных образовали такие осадочные породы как известняк и мел, растительные осадки образовали каменный уголь и нефть. Биогенное происхождение имеет и почва.

 

Природа так обо всем позаботилась, что повсюду находишь чему научиться.

Леонардо да Винчи

На земной поверхности нет химической силы более могущественной по своим последствиям, чем живые организмы, взятые в целом.

В.И. Вернадский