Функции живого вещества, Биология

Печатать книгу

• Вспомните, какие функции на Земле выполняют живые организмы.
• Как вы думаете? Что произойдет, если на Земле исчезнут фотоавтотрофные организмы?
• Вы узнаете о функциях живого веществаи его значении вподдержании благоприятных условий для жизни на Земле.

В. И. Вернадский в своем учении показал, что живые организмы в биосфере выполняют ряд важных биогеохимических функций: энергетическую, газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную, деструкционную, средообразующую, транспортную.

Энергетическая функция —аккумулирование энергии в органическом веществе и перераспределение ее по пищевым цепям.

Как вы уже знаете, живые организмы не просто зависят от постоянного поступления энергии Солнца, но и выступают как гигантский накопитель и уникальный преобразователь этой энергии. Поэтому в основе этой функции лежит процесс фотосинтеза, осуществляемый фотоавтотрофными организмами.

Это единственный на нашей планете процесс, обеспечивающий превращение энергии солнечного света в энергию химических связей органическоговещества.С помощью фотосинтеза солнечная энергия, запасаемая зелеными растениями, обеспечивает жизнедеятельность всех гетеротрофов.

Энергетическая функция живого вещества связана и с такими процессами жизнедеятельности живых организмов, как питание, дыхание, выделение, размножение. В результате этих процессов идет превращение энергии.

!  Это интересно

Обнаружены целые экосистемы, функционирование которых основано на активности хемосинтезирующих бактерий. Они не зависят от продуктов фотосинтеза.

Это глубоководные системы, где в абсолютной темноте вблизи выходов горячей воды, богатой минеральными солями и серой, помимо бактерий, существуют и уникальные многоклеточные животные, напоминающие двустворчатых моллюсков длиной около 30 см, и трехметровые черви, получающие энергию от хемосинтезирующих бактерий.

Возможно, было время, когда солнечные лучи не могли проникнуть на Землю из-за интенсивной вулканической деятельности, и такие формы жизни были более разнообразными.

Газовая функция — способность живого вещества изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. Ведущая роль в осуществлении газовой функции принадлежит зеленым растениям.

Для синтеза органических веществ они используют углекислый газ и выделяют в атмосферу кислород. Все остальные организмы используют кислород в процессе дыхания и при этом пополняют запасы углекислого газа в атмосфере. В процессе функционирования живого вещества, кроме кислорода и углекислого газа, образуются такие газы, как азот, сероводород, метан.

Живое вещество поддерживает газовый состав современной атмосферы на определенном уровне.

Концентрационная функция — способность организмов избирательно накапливать в своем теле химические элементы, рассеянные в окружающей среде,повышая их содержание в организме по сравнению с окружающей средой на несколько порядков.

Любой живой организм в процессе своей жизнедеятельности поглощает из окружающей среды необходимые для него вещества и накапливает их в своем теле. Например, содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота — в 30 раз превышает их содержание в земной коре.

Диатомовые водоросли и кремневые губки накапливают кремний,водоросль ламинария — йод, а раковины некоторых моллюсков до 100 % фосфата кальция.

!  Это интересно

Активными концентраторами являются микроорганизмы. Одни бактерии концентрируют железо, другие — марганец, третьи — серебро. Бактерии способны увеличивать в среде обитания содержание железа в 650 тыс. раз, марганца — в 120 тыс. раз, ванадия — в 420 тыс. раз.

Эта удивительная способность позволила ученым предположить, что сообщества бактерий вносят существенный вклад в формирование месторождений металлов. Каждая тонна бурых водорослей содержит несколько килограммов йода.

Золото «собирают» дуб, кукуруза, хвощ, бурые и красные водоросли, а в 1 т золы полыни может содержаться до 85 г этого драгоценного металла. Моллюски концентрируют никель, осьминоги — медь, медузы — цинк и алюминий.

В условиях антропогенного загрязнения окружающей среды побочным следствием концентрационной функции может являться накопление в растениях, употребляемых в пищу,токсичных веществ, вредных для человека.

Часть энергии Солнца благодаря концентрационной функции живых организмов накапливается в земной коре в составе природного газа, нефти, каменного угля, торфа. Это связано с протеканием в бескислородной среде реакций восстановления, сопровождающихся образованием и накоплением сероводорода и метана.

Окислительно-восстановительная функция — окисление и восста­новление различных веществ с участием живых организмов. В ее основе лежит обмен веществ и энергии организма с внешней средой.

Так, в ходе синтеза органических веществ (процесс фотосинтеза) преобладают восстановительные реакции с поглощением энергии.

А при расщеплении органических соединений  и их окислении при взаимодействии с  кислородом (процесс дыхания) преобладают окислительные реакции, и выделяется энергия. 

Таким образом, жизнь в биосфере представляет собой непрерывный процесс синтеза и распада органических веществ, который объединяет все живые организмы на Земле в глобальную биологическую систему. Биосфера является сложной динамической системой, осуществляющей фиксацию, преобразование, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живым и косным веществом.

Деструкционная функция —способность живых организмов  разрушать отмершее органическое вещество до минеральных веществ, которые способны вовлекаться в новый цикл круговорота веществ. Последнюю фазу разложения до простых минеральных веществ осуществляют бактерии.

Именно в этом и состоит их главная роль в биосфере. Кроме разложения вещества органической природы, живые организмы способны разрушать и неорганические вещества — горные породы разного происхождения.

С помощью неорганических и органических кислот они разлагают минеральные вещества и избирательно извлекают из них кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, многие микроэлементы, вовлекая их в круговорот веществ. В. И.

Вернадский писал: «Мы не имеем на Земле более могучего дробителя материи, чем живое вещество». Поэтому биосфера — это не только фабрика по производству сложных органических веществ, но и громадная мельница, которая безостановочно работает. 

Средообразующая функция — преобразование физико-химических параметров окружающей среды вследствие жизнедеятельности живых организмов. Результатом данной функции является вся природная среда, которая создана живыми организмами.

Благодаря их деятельности сформировался современный состав гидросферы, атмосферы и почвы. От качественного состава атмосферного воздуха зависит радиационный фон и тепловой режим на планете.

Живые организмы биосферы поддерживают и сохраняют баланс благоприятных условий среды в определенном стабильном состоянии для полноценной жизнедеятельности.

Транспортная функция —перенос вещества и энергии в результате активной и пассивной форм движения организмов. Например, растения всасывают корнями воду и испаряют ее в атмосферу. Часто перенос веществ может осуществляться на огромные расстояния, например при миграциях и кочевках животных.

Транспортная функция может осуществляться также в процессе размножения и расселения живых организмов. Чем мельче организмы, тем выше скорость их размножения. Поэтому основной вклад в транспорт веществ в среде обитания вносят мелкие организмы.

Процесс размножения организмов и скорость их расселения ограничиваются условиями среды: наличием пищи, света, температуры.

Следовательно, живые организмы, выполняющие биогеохимические функции, являются важнейшей преобразующей силой на планете Земля. Подчеркивая активность живых организмов и их значимость в биосфере, В. И.  Вернадский писал: «Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы. Организмы — самая мощная геологическая сила». 

Повторим главное. Биосфера представляет собой сложную динамическую систему, осуществляющую обмен веществ благодаря постоянному притоку энергии. Живые организмы биосферы являются важнейшей биогеохимической силой, преобразующей планету.

Они выполняют ряд функций: энергетическую, газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную, деструкционную, средообразующую, транспортную. За счет этих функций живого вещества поддерживаются благоприятные условия для жизни на Земле.

    Ключевые вопросы

1. Какие функции выполняет живое вещество в биосфере? 2. Благодаря какой функции живого вещества образовались залежи горючих полезных ископаемых, известняков, руд? 3. Каково значение газовой функции живого вещества для биосферы? *4. Какая функция живого вещества осуществляется при поглощении бактериями молекулярного азота из воздуха?

    Сложные вопросы

1. Какие физиологические процессы лежат в основе энергетической и окислительно-восстановительной функций? Ответ обоснуйте. *2. Установите соответствие между функциями и характеристиками живого вещества в биосфере. Функции: 1) газовая; 2) окислительно-восстановительная; 3) концентрационная. Характеристики: а) выделение кислорода в процессе фотосинтеза фототрофами; б) высокое содержание солей кальция в раковинах моллюсков; в) окисление органических веществ в процессе дыхания; г) восстановление углекислого газа до углеводов в процессе фотосинтеза; д) накопление соединений кремния в клетках хвоща. *3. Выберите три предложения, в которых отражены функции живого вещества: 1. Живые организмы, выделяя и потребляя разные газы, поддерживают постоянство газового состава атмосферы. 2. Отношения волка и зайца — это отношения хищник—жертва. 3. В телах живых организмов накапливаются разные химические элементы. 4. В процессе жизнедеятельности организмов происходит окисление и восстановление химических соединений.

5. Возникновение и развитие жизни на Земле привело к формированию биосферы. 

Функции живого вещества в биосфере и свойства (Таблица)

С точки зрения современной науки, живое вещество обладает некоторыми специфическими свойствами и выполняет в биосфере определенные биогеохимические функции.

Свойства и особенности живого вещества биосферы:

— Живое вещество биосферы характеризуется большим запасом энергии.

— Резкое различие между живым и неживым веществом наблюдается в скорости протекания химических реакций (в живом веществе реакции идут в тысячи, а иногда в миллионы раз быстрее).

— Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения -белки, ферменты и др. – устойчивы только в живых организмах.

— Произвольное движение, в значительной степени саморегулируемое, является общим признаком всякого живого вещества в биосфере.

— Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Известно свыше 2 млн. органических соединений, входящих в состав живого вещества, в то время, как количество природных соединений (минералов) неживого вещества составляет около 2000, то есть на три порядка меньше.

— Живое вещество представлено в биосфере в виде индивидуальных организмов, размеры которых колеблются в огромных пределах. Величина самых мелких вирусов не превышает 20 нм (1 нм = 10-9м), самые крупные животные – киты – достигают 33м в длину, самое большое растение – секвойя – 100м в высоту.

Основные функции живого вещества таблица

Основные функции	Характеристика функций живого вещества биосферы
Энергетическая функция	заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. В основе этой функции лежит фотосинтетическая деятельность зеленых растений, в процессе которой происходит аккумуляция (накопление) солнечной энергии и ее перераспределение между отдельными компонентами биосферы. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле.
Газовая функция	обусловливает миграцию газов и их превращения, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и другие.
Концентрационная функция	проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды. В составе живого вещества преобладают атомы легких элементов: водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность химического состава биосферы и ее существенное отличие от состава неживого вещества планеты.
Окислительно-восстановительная функция	заключается в химическом превращении главным образом тех веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца и другие). При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.
Деструктивная функция	обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти, вследствие которой происходит минерализация органического вещества, то есть превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещество биосферы.
Средообразуюшая функция	заключается в преобразовании физико-химических параметров среды в результате процессов жизнедеятельности. ВернадскийВ.И. писал: «Организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена к нему».
Транспортная функция	это осуществление переноса вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. Живое вещество – единственный (помимо поверхностного натяжения) фактор, обусловливающий обратное перемещение вещества – снизу вверх, из океана – на континенты, реализующий тем самым «восходящую» ветвь биогеохимических циклов.
Информационная функция	Эта функция живого вещества выражается в том, что живые организмы и их сообщества накапливают информацию, закрепляют её в наследственных структурах и передают последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

_______________

Источник информации:  ЭКОЛОГИЯ / С.В.Алексеев, Спб. — 1997.

Функции живого вещества

Согласно концепции В.И. Вернадского, основной функцией живого вещества является космическая, которая состоит в связывании Земли с космосом и осуществлении процесса фотосинтеза, который переводит солнечную энергию в энергию химических связей.
В наше время по материалам современных исследований выделяют следующие функции.

Энергетическая

Заключается в процессе превращения солнечной энергии при фотосинтезе в энергию химических связей, которая затем передается по пищевым цепям.

За счет этого механизма протекают все жизненные явления на Земле. Поглощенная энергия перераспределяется в экосистеме, часть ее рассеивается в виде тепла, другая часть накапливается в отмершей органике.

Деструктивная

Заключается в минерализации мертвой органики, биохимическом разрушении горных пород, вовлечении составляющих их минералов в биотический круговорот. Способствует трансформации живого вещества в косное, а также образованию биогенного и биокосного вещества.
При этом разложение горных пород происходит избирательно, с включением в круговорот важнейших питательных элементов.

Концентрационная

Заключается в селективном накоплении в организмах определенных видов веществ. Большая часть живых организмов накапливает в своих телах биогенные элементы, благодаря чему химический состав живого вещества весьма специфичен. Концентрация биогенных элементов в нем на порядки выше, чем во внешней среде.

Противоположна по результатам концентрационной рассеивающая функция, выраженная в трофической и транспортной деятельности организмов, через процессы выделения, гибели организмов при миграциях, линьке.

Средообразующая

Состоит в преобразовании физико-химических аспектов неорганической среды в благоприятном направлении для существования организмов. Эта функция служит совместным результатом всех предыдущих.

В частности, результатом выполнения средообразующей функции были: изменение газового состава первичной атмосферы, химизма вод океана, формирование осадочных горных пород в литосфере, почвенного покрова.

Замечание 1

В.И. Вернадский характеризовал данную функцию живого вещества, как способность не только приспосабливаться к среде, но и приспосабливать саму среду к своим требованиям.

Дополнительные функции живого вещества

Эти функции так или иначе выводятся из основных, однако их тоже выделяют в качестве самостоятельных функций благодаря значению для развития Земли, а также, в меньшей степени, по историческим причинам.

Газовая

Определяет миграцию газов, их взаимные превращения, формирует газовый состав биосферы. Основная масса газов в атмосфере имеет биогенное происхождение. Живое вещество участвует в превращения азота, кислорода, углекислого газа, в синтезе сероводорода, метана и др. Данная функция определяется двумя основополагающими функциями – деструктивной и средообразующей;

Окислительно-восстановительная

Определяет химические превращения веществ, включающих атомы с переменной степенью окисления. Проявляется в биогенных реакциях окисления и восстановления. В основном связана с жизнедеятельностью бактерий. Служит важным проявлением средообразующей функции;

Транспортная

Определяет миграцию вещества против силы тяжести и его горизонтальные перемещения. Живое вещество способно осуществлять транспорт элементов снизу вверх, в том числе из океана на сушу.

При миграциях перемещающиеся организмы (в основном животные) перемещают значительные объемы веществ в горизонтальном направлении.

Замечание 2

Роль животных в природе – животные являются важнейшим компонентом природы, от целостности которого зависит и равновесие окружающей среды, экосистем и биосферы в целом, и в конечном итоге благополучие человека. В этом их главная роль.

Животные участвуют в формировании экосистем, биологическом круговороте веществ, биогенной миграции веществ на Земле в целом, почвообразовательном процессе, биологической борьбе в вредителями сельского хозяйства и лесных насаждений, естественном отборе, расселении и опылении растений, регулировании численности различных видов организмов и выполняют санитарную функцию.

Замечание 3

Роль растений в природе – в первую очередь это космическое связывание солнечной энергии в процессе фотосинтеза, которая используется консументами и человеком. Затем участие в почвообразовательном процессе, формировании экоклимата, участие в биологическом и геологическом круговороте веществ, регулировании гидрорежима поверхностных и грунтовых вод, противоэрозионном процессе и т.д.

Какие функции выполняет живое вещество в биосфере

Два с половиной миллиона лет назад на Земле появились первые формы жизни. Возможно, это произошло раньше, но историческое подтверждение имеется именно относительно этого периода. С тех пор на фоне изменения земной поверхности появилось более 5 млн видов живых организмов. Это – живое вещество, отличия которого от неживого очевидны.

Появление живого вещества послужило началом формирования такой земной оболочки как биосфера. Она находится в функциональной взаимосвязи с геологическими и биологическими телами, а также процессами энергообмена.

Понятие ввел в обиход В.И. Вернадский – ученый, занимающийся многими естественными науками. Изучая миграцию атомов, Вернадский заинтересовался происхождением химических веществ, присутствующих в земной коре. Он изучал процессы их синтеза, перехода из одного вещества и состояния в другое, разложение.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

В результате своей работы он пришел к выводу: ни одно органическое соединение не может появиться в природе и существовать самостоятельно без живого вещества. Вернадский под термином «живое вещество» подразумевал объединение всех организмов: растений, животных, человека.

Основываясь на его теории, справедливым является следующее определение:

Живое вещество – значительный энергетический и геохимический фактор, который играет решительную роль в развитии планеты.

В качестве источника энергии живые вещества используют солнце. Растения в присутствии его лучей способны к фотосинтезу – созданию органического вещества, которое в ходе дальнейшего кругооборота служит источником пищи и энергии для других организмов. Кроме этого, фотосинтез способствует поддержанию в атмосфере определенного уровня кислорода, созданию озонового слоя.

Жизнь на земле существует в виде биогеоценозов – совокупности существующих параллельно живых организмов вместе со средой их обитания.

Они питаются, размножаются, дышат, умирают в зависимости друг от друга, обеспечивая в результате этого постоянный круговорот атомов химических элементов.

Установлено, что весь запас кислорода в атмосфере проходит путь через живые существа на протяжении двух тысяч лет, а углекислый газ – всего за три сотни лет.  

Поскольку живые организмы в своем составе имеют большое количество химических соединений, в т.ч. органического происхождения, в верхнем слое земли сконцентрировано много минерального топлива, производителем которого не является человек. В данном ракурсе люди – потребители энергии, высвобождаемой при их использовании.

Человека Вернадский ставил несколько отдельно от двух других групп живых организмов по причинам:

1. Человеческая популяция не отличается демографическим постоянством.
2. В ходе своей жизни он не производит новые химические вещества и соединения, а потребляет их.
3. Основная характеристика – наличие разума.

К свойствам живого вещества относят:

• наличие свободного энергетического потенциала;
• возможность протекания химических реакций внутри организмов;
• устойчивость химических веществ внутри живых организмов;
• генетическая связь между поколениями;
• наличие эволюционных процессов;
• взаимная зависимость между живым веществом и средой обитания.

Перечисленные свойства объясняют биогенную мутацию атомов и освобождающуюся в этом процессе энергию.

Функции живого вещества в биосфере

Биогеохимические функции, возложенные на живые организмы, были названы В.И.Вернадским. По его учению пространство, состоящее из живых организмов и окружающего мира, носит название биосферы, которая является системой производной.

Перу Вернадского принадлежат работы «Биосфера», «Область жизни», «Биосфера и космос». В них ученый определил, что биосфера состоит из поверхностных водоемов, собственно поверхности земли и приземной воздушной оболочки – атмосферы. Это система, каждый элемент которой влияет на других участников и, в случае своей гибели, разрушит всю биосферу.

В понятии ученого развитие материи и есть жизнь, а от взаимодействия живых организмов зависит все происходящие на земле процессы.

Основными функциями живого вещества являются:

1. Энергетическая. Важная особенность, заключающаяся в запасании энергетического ресурса в ходе фотосинтеза и расходовании его путем рассеивания, а также предоставления в существующие цепи питания. Известно, что основной источник питания для биосферы – солнечное излучение, которое аккумулируется на земле. От него в полной мере зависят живые организмы, в том числе растения-автотрофы и гетеротрофы. В результате использования органики для питания, происходят ее распад и синтез новых веществ. Таким образом происходит биологический круговорот веществ. Получается, что живые организмы способны преобразовывать кору Земли, являясь частью целостной системы с атмосферой, гидросферой и литосферой.
2. Газовая. Живые вещества поддерживают на определенном уровне газовый состав атмосферы и отдельных биогеоценозов. Происходит это благодаря процессу фотосинтеза в живых растениях. Его интенсивность зависит от солнечного света и особенностей строения растений.
3. Концентрационная. Живые организмы концентрируют в себе химические элементы. Они могут их содержать в гораздо больших концентрациях, чем окружающая среда. Например, животные из класса позвоночных в своем скелете концентрируют фосфор, диатомовые водоросли – кремний, а ламинарии – йода. Этот пример объясняет залежи определенных полезных ископаемых: известняков, руды и т.п.
4. Окислительно-восстановительная. Живые вещества влияют на химические реакции, как восстановительного, так и окислительного характера. Например, под землей присутствуют горючие газы, которые образовались при разложении отмерших корней растений, а также павших огромных растительных особей.
5. Деструктивная. Сами живые вещества разрушают продукты своей жизнедеятельности. С этим явлением связан круговорот веществ в природе. Особую роль здесь играют деструкторы и редуценты, например, грибы и бактерии.
6. Транспортная. Живые организмы находятся в постоянном движении. В результате этого на далекие и близкие расстояния переносится энергия, а также содержащиеся в них химические вещества.
7. Средообразующая. В зависимости от индивидуальных свойств живых существ формируются характеристики окружающей природной среды.

Суть учения Вернадского

Вернадский – основатель учения о биосфере. В его теории она представляет собой:

• организованную систему;
• совокупность живых организмов – доминирующего фактора, формирующего актуальные характеристики планеты Земля;
• механизм, функционирование которого зависит от энергии космоса.

Основатель теории биогеохимии и учения о биосфере вынес на обсуждение материал, по сей день не утративший актуальность. Представители современного научного мира опираются на его постулаты и подтверждают, что за пределами биосферы жизнь в ее земном виде невозможна.

Антропогенная деятельность оказывает на окружающую среду негативное воздействие, в результате которого ухудшается экология, ставится вопрос о благополучном существовании Земли в целом. На фоне этого актуальность трудов В.И.Вернадского еще более возрастает.

Существование биосферы, а также природа происходящих в ней биогеохимических реакций напрямую зависит от астрономических закономерностей, от особенностей положения Земли и ее ориентации по отношению к Солнцу. Именно от пространственного расположения планеты зависит климат в той или иной ее точке, а, значит, жизненные циклы живых организмов.

Живое вещество сконцентрировано в пределах биосферы неравномерно. Меньше его становится по мере поднятия на высоту и погружения на глубину. Больше – на поверхности Земли, в приземном грунтовом слое и верхних слоях водных объектов.

Существует оценка общей живой массы – 2,43*10 т. При этом биомасса, располагающаяся на суше, делится на растения (они составляют 99,2%), а также животный мир, включая микроорганизмы (0,8%).

Учение Вернадского гласит, что роль «живого вещества» чрезвычайно высока. Именно вследствие его жизнедеятельности происходит изменение внешнего вида планеты.

Биосфера, в которой возможна жизнь, имеет определенные границы: 20 км от поверхности земли (включая слой озона, защищающего от вредного ультрафиолета).

Детализируя слои атмосферы, в которых возможна жизнь, говорят о тропосфере и нижней части стратосферы. Гидросфера включена в процесс на глубину 10-11 км, литосфера – на 3,5-7,5 км внутрь земли.

В свою очередь, это объясняется изменениями температуры по мере углубления в земные недра, а также особенностями пропитывания водой твердого грунта.

В.И.Вернадский представил биосферу как совокупность живого, биогенного вещества (возникает при жизнедеятельности организмов), косного и биокосного веществ (образуется при совместной жизнедеятельности живых организмов и неживых фракций).

Кроме этого, оказывает соответствующее влияние радиоактивное вещество, имеющее космическое происхождение.

Все виды веществ взаимосвязаны и играют определенную роль в биологии – живые организмы существуют и функционируют только в условиях целостной биосферы.

С другой стороны, живое вещество обладает степенью организованности и часто выступает в роли функции биосферы.

Средообразующие свойства

Процессы жизнедеятельности живых организмов происходят при непрерывном изменении окружающей среды. При этом не только меняется газовый состав атмосферы вследствие дыхания (и фотосинтеза), но и увеличивается количество перегноя и минеральных компонентов в почве.

Сказывается влияние также на климат и очистку сточных вод перед поступлением их в водоемы. Эту функцию исполняет особая живность – мелкие рачки и некоторые виды рыб, которые процеживают через себя потоки воды, выбирая пищу.

На изменение окружающей среды влияет и механическое воздействие, например, при антропогенной деятельности. Однако по своему результату оно не такое интенсивное как изменение физико-химических характеристик.

От растений зависит насыщенность воздуха влагой. Они сглаживают скачки температуры на поверхности грунта и помогают сохранить уровень увлажненности.

Наличие живых организмов влияет на электрические, температурные, физические свойства среды, обуславливают тепло- и электропроводность. Меняется не только состав воздуха, но и структура почв, содержание химических веществ в воде открытых водоемов.

Благодаря глобальному круговороту веществ в природе, который обуславливают живые организмы, в мире происходит постоянные их перемещения из одного места в другое.

Примечание

Неживые тела, согласно закону всемирного тяготения, могут передвигаться только вниз. Когда они задействованы в круговороте посредством живых организмов, становится возможным их перемещение вверх.

Согласно предложенным Вернадским заключениям, живое вещество способно выполнять следующие средообразующие функции:

• газовая;
• кислородная;
• окислительная;
• восстановительная;
• концентрационная

Газовая (и кислородная) осуществляется благодаря дыханию живых существ, процессам фотосинтеза растений и антропогенной деятельности человека.

Окислительная объясняется способностью влиять на процессы окисления посредством увеличения содержания кислорода в воздухе. Противоположный процесс – восстановительный. Он интенсифицируется при дефиците кислорода. При восстановительных реакциях образуется сероводород и метан. Благодаря его накоплениям ухудшаются и сводятся к нулю шансы на жизнь на глубине болот и в придонных толщах.

Концентрационная вызвана способностью живых организмов скапливать внутри себя отдельные химические элементы.

Средообразующие функции не существуют изолированно от других свойств. Они усиливают изменения физико-химических характеристик окружающей среды и поддерживают ее тенденции к стабилизации.

Основные глобальные и биохимические задачи, таблица

Источник: infotables.ru

Урок 16. состав и функции биосферы – Биология – 11 класс – Российская электронная школа

ВАЖНО!

Термин «биосфера» (от греч. bios – жизнь, sphaira – плёнка) был предложен австралийским учёным Э. Зюссом (1831–1914), который понимал под биосферой совокупность живых организмов Земли.

Учение о биосфере разработано российским учёным, академиком В. И. Вернадским (1863–1945). В. И. Вернадский распространил понятие биосферы не только на живые организмы, но и на геологические оболочки, заселённые ими. По В. И. Вернадскому Земля состоит из четырёх принципиальных типов материи.

• Все вещества биосферы подразделяются на четыре группы:
• – живое вещество – совокупность живых организмов Земли;
• – косное вещество – вещество неживой природы (песок, глина, гранит, базальт);
• – биокосное вещество – результат взаимодействия живых организмов с неживой природой (вода, почва, ил);
• – биогенное вещество – вещества, создаваемые в результате жизнедеятельности организмов (осадочные породы, каменный уголь, нефть).

Биосфера – оболочка Земли, основная роль в формировании которой принадлежит живым организмам. В состав биосферы входят верхние слои литосферы, нижний слой атмосферы (тропосфера) и вся гидросфера, связанные между собой сложными круговоротами веществ и энергии.

Нижний предел жизни на Земле (до глубины 3 км) ограничен высокой температурой земных недр, верхний предел (20 км) – жёстким излучением ультрафиолетовых лучей (все, что находится на высоте ниже 20 км, защищено от губительного излучения озоновым слоем).

Тем не менее, на границах биосферы можно найти, в основном, лишь микроорганизмы (обычно в виде спор); наибольшая же концентрация биомассы наблюдается у поверхности суши и океана, в местах соприкосновения оболочек – литосферы, гидросферы и атмосферы.

Организмы, составляющие биосферу, обладают поразительной способностью к размножению и распространению по планете.

Литосфера – «каменная оболочка» Земли – представляет собой верхнюю часть земной коры, изменённой в результате физического, химического и биологического воздействия. Состоит из осадочных пород, ниже которых находятся гранитный и базальтовые слои.

Нижняя граница жизни в литосфере проходит на уровне 4–7 км, ниже проникновение жизни ограничено воздействием высоких температур, отсутствием воды. Наиболее заселены поверхность Земли и верхний слой почвы.

Гидросфера «водная оболочка» образована Мировым океаном и водоёмами суши – реками, озёрам. Много воды находится в подземных водах и ледниках. Гидросфера заселена по всей толщине, живые организмы представлены бентосом, планктоном и нектоном.

1. Атмосфера подразделяется на тропосферу – нижнюю часть атмосферы, высота которой доходит до 20 км, выше находится стратосфера (до 100 км), ещё выше ионосфера.
2. Заселена только тропосфера, верхняя граница жизни проходит на высоте около 20 км, куда восходящие потоки воздуха заносят споры микроорганизмов.
3. В атмосфере, на высоте 15–35 км свободный кислород (О2) превращается в озон (О3), который отражает жёсткий ультрафиолет (свет с длиной волны менее 290 нм), вызывающий мутации в клетках живых организмов.
4. Функции живого вещества

1. Энергетическая функция, связана с превращением солнечной энергии в энергию химических связей образованного органического вещества.

2. Газовая функция. Фотосинтез, дыхание, деятельность азотфиксирующих и денитрифицирующих бактерий создали атмосферу Земли, содержащую 21 % кислорода, 0,03 % углекислого газа, около 80 % азота. Метан, сероводород – эти газы также биогенного происхождения.

3. Концентрационная функция живого вещества проявляется в захвате и накоплении живыми организмами определённых химических элементов – углерода, кислорода, водорода, азота, калия, натрия, кремния, йода и др.

4. Окислительно-восстановительная функция связана с химическими превращениями веществ в ходе окислительно-восстановительных реакций.

За время существования Земли сменились миллиарды поколений живых организмов. Все они использовали неорганические вещества, органические вещества, а также энергию.

Эти ресурсы не исчерпываются, поскольку существует круговорот, т. е. циклический переход вещества и энергии между разными организмами. Благодаря ему вещество нигде не скапливается и постоянно обновляется.

Рассмотрим круговорот воды, углерода, азота.

Круговорот воды

Вода – самое распространённое вещество в Биосфере. Основные её запасы сосредоточены в морях и океанах. Пресная вода сосредоточена в ледниках и вечных снегах, а также в подземных водах. Лишь незначительная часть пресных вод заключена в озёрах, реках, болотах и атмосферных осадках. Живые организмы не только потребляют воду, но и отдают её обратно в виде испарения или жидких выделений.

Испарение уходит в атмосферу, а жидкая вода стекает и скапливается в крупнейших водах бассейна. Под действием солнечной радиации вода в бассейне испаряется в атмосферу, переносится на большие расстояния и выпадает в виде осадков и становится доступной для всех живых существ.

Круговорот углерода

Источником его для фотосинтеза служит углекислый газ, находящийся в атмосфере или растворенный в воде. Углерод, связанный в горных породах, вовлекается в круговорот значительно медленнее.

В составе синтезированных растением органических веществ углерод поступает, затем в цепи питания через живые или мёртвые ткани растений и возвращается в атмосферу снова в форме углекислого газа в результате дыхания, брожения или сгорания топлива (древесины, нефти, угля и т. п.). Продолжительность цикла углерода равна трём – четырём столетиям.

Круговорот азота

Растения получают азот в основном из разлагающегося мёртвого органического вещества посредством деятельности бактерий, которые превращают азот белков в усваиваемую растениями форму. Другой источник – свободный азот атмосферы – растениям непосредственно недоступен. Но его связывают, т. е.

переводят в другие химические формы, некоторые группы бактерий и сине-зелёные водоросли, они обогащают им почву. Многие растения находятся в симбиозе с азотфиксирующими бактериями, обитающими в клубеньках на их корнях.

Из отмерших растений или трупов животных часть азота, за счёт деятельности денитрифицирующих бактерий превращается в свободную форму и вновь поступает в атмосферу.

Круговорот воды в природе

Функции живого вещества в биосфере

1. Энергетическая
– аккумулирование энергии и
перераспределение ее по пищевым цепям.

Жизнь возникает
в соответствии с принципом Ле
Шателье-Брауна, как ответ на рост
энтропии, то есть на рассеяние энергии
в окружающей среде. Поэтому концентрация
энергии – это наиболее естественная
функция жизни.

Наличие живой оболочки
планеты препятствует остыванию ее
поверхности, аккумулируя в себе энергию,
излучаемую в космос. Правда, сейчас
жизнь биосферы развивается в основном
в потоке солнечной энергии, аккумулируя
ее в себе и препятствуя прямому отражению
ее в космос.

Эта энергия передается по
пищевой цепи от одной формы жизни к
другой. По мере этого движения ее энтропия
значительно возрастает. В конечном
итоге она переходит в тепловую форму и
излучается за пределы планеты.

Поэтому
энтропия излучения, отраженного с
поверхности планеты, оказывается
существенно больше энтропии излучения,
поглощаемого планетой. Именно за счет
этой разницы энтропий существует жизнь
на планете.

Таким образом,
основным механизмом накопления энергии
в биосфере является реакция фотосинтеза. Имеется также довольно незначительный
процент хемосинтезирующих живых существ,
чей жизненный цикл опирается на энергию
химических соединений. Это разного рода
бактерии (железо-бактерии, серобактерии,
азотобактерии и др.).

Обнаружены целые
экосистемы, функционирование которых
основано на активности хемосинтезирующих
бактерий и не зависящих от продуктов
фотосинтеза.

Это глубоководные системы,
где в абсолютной темноте вблизи выходов
горячей воды, богатой минеральными
солями и серой, помимо бактерий существуют
и уникальные многоклеточные животные,
типа двустворчатых моллюсков длиной
около 30 см и трехметровые черви, получающие
энергию от хемосинтезирующих бактерий.

Возможно, было время, когда такие формы
жизни были более разнообразными и
заполняли всю поверхность Земли, до
которой ввиду интенсивной вулканической
деятельности не могли пробиться солнечные
лучи.

2.
Окислительно-восстановительная
– окисление вещества в процессе
жизнедеятельности и восстановление в
процессе разложения при дефиците
кислорода.

Наряду с
фотосинтезом в зеленых растениях на
Земле происходит почти равное ему по
масштабу окисление органических веществ
в процессе дыхания, брожения, гниения
с выделением воды, углекислого газа и
теплоты, которая после этого излучается
в космическое пространство.

Существенно
меньшая часть энергии Солнца
консервируется в земной коре, или, по
словам Вернадского, «уходят в геологию»,
формируя залежи каменного угля, нефти,
торфа и т.п.

Эти процессы связаны с
протеканием в бескислородной среде
реакций восстановления, сопровождающихся
образованием и накоплением сероводорода
и метана.

3. Газовая
– способность изменять и поддерживать
определенный газовый состав среды
обитания и атмосферы в целом.

Фотосинтез
привел к постепенному уменьшению в
атмосфере углекислоты и накоплению
кислорода и озона. При этом в развитии
биосферы наблюдалось по крайней мере
два переломных момента:

• первая точка Пастера (1,2 млрд. лет назад), когда количество кислорода достигло 1 % от современного уровня и появились первые аэробные организмы (живущие только в кислородной среде, в отличие от анаэробных, живущих в бескислородной среде);
• вторая точка Пастера, когда количество кислорода достигло 10 % от современного уровня , создались условия для синтеза озона и озонового слоя, что защитило организмы от ультрафиолетовых лучей. До этого данную функцию выполняли густые водяные облака.

4. Деструктивная
– разрушение погибшей биоорганики и
костных веществ.

Это один из
важнейших элементов круговорота веществ
в биосфере, обеспечивающего непрерывность
жизни путем превращения сложных
органических соединений в минеральные
вещества, необходимые для растений,
стоящих в самых первых звеньях пищевых
цепей. Практически все живые организмы
биосферы за исключением растений в той
или иной мере являются деструкторами
(разрушителями).

Однако главная роль в
этом процессе принадлежит грибам и
бактериям. Л.Пастер назвал бактерии
«великими могильщиками природы».

Одновременно жизнь участвует и в
разрушении костных веществ (в частности
горных пород), доводя их постепенно до
состояния, после которого они могут
быть вовлечены в круговорот жизни (так
измельченные горные породы являются
необходимым компонентом почвы).

5. Рассеивающая
– рассеяние живого вещества на больших
пространствах.

Например,
рассеяние гемоглобина крови кровососущими
или рассеяние органики экскрементов
или трупов разного рода деструкторами.

6. Концентрационная
– способность организмов концентрировать
в своем теле рассеянные элементы
окружающей среды.

Любое живое
существо в процессе своей жизнедеятельности
буквально по молекулам собирает из
окружающей среды необходимые для него
вещества и консервирует их в своей
структуре. Поэтому, например, концентрация
марганца в теле некоторых организмов
превышает его концентрацию в окружающей
среде в миллионы раз.

В условиях
антропогенного загрязнения окружающей
среды побочным следствием этого может
являться накопление растениями, которые
мы потребляем в пищу, веществ, которые
являются токсичными для нашего организма.

Результатом концентрационной деятельности
живых организмов являются залежи руд,
известняков, горючих ископаемых и т.п.

7. Транспортная
– перенос и перераспределение вещества
и энергии.

Это является
одним из механизмов рассеивающей функции
живого вещества. Часто такой перенос
осуществляется на громадные расстояния,
например, при миграциях и кочевках
животных. Это может также способствовать
и концентрации элементов среды, достаточно
вспомнить птичьи базары.

8. Средообразующая
– преобразование физико-химических
параметров окружающей среды.

В широком смысле
результатом данной функции является
вся природная среда. Она создана живыми
организмами, они же и поддерживают ее
в определенном стабильном состоянии.
Так состав атмосферы и гидросферы – это
продукт жизнедеятельности в биосфере.

Живые организмы создали особый тип
биокостного вещества – почвы. Коралловые
заросли создают в океанах целые острова.
Примером могут также служить леса, в
которых микроклимат существенно
отличается от микроклимата поля.

Анализ
показывает, что при отсутствии жизни
на Земле, условия на ней были бы такими,
что по нашим понятиям жизнь на ней была
бы попросту невозможной:

• ее атмосфера на 98 % состояла бы из углекислого газа (сейчас его около 0,03 %);
• на 1,9 % – из азота (сейчас на Земле 79 % азота, являющегося вопреки своему названию (азот – не поддерживающий жизни) основным элементом при построении аминокислот);
• кислорода практически не было бы (сейчас 21 %);
• средняя температура поверхности 290±50С°, не оставляющая никаких шансов на наличие воды в жидком состоянии.

Словом, условия
весьма похожие на условия планеты
Венера.

9. Информационная
– накопление информации и закрепление
ее в наследственных структурах.

Эта функция пока
еще мало изучена. Но, по всей видимости,
ее важность превосходит все остальные
функции живого вещества.