1.4.2. Живое вещество биосферы. Биосфера область активной жизни, охватывающая
 Скачать 1.37 Mb.
|
ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО БИОСФЕРЫ Биосфера – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу, и верхнюю часть литосферы. Термин впервые использовал В.И. Вернадский в 1914 г. Учение о биосфере изложено в его книге «Биосфера» в 1926 г. Биосфера - активная оболочка Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе и человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения В биосфере живые организмы (живое вещество) и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. Сфера жизни всего живого и человека в том числе, лицо планеты, область существования живого вещества. Область «жизни», пространство на поверхности земного шара, в котором обитают живые существа. Живая оболочка Земли, совокупность экосистем. Тонкая оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой в существенных чертах обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организмов. Глобальная единая система Земли, где весь основной ход геохимических и энергетических превращений определяется жизнью. Определения биосферы Идеи В. И. Вернадского : • Вначале сформировалась литосфера, затем Биосфера; • Живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох; • Живые организмы – главный фактор миграции химических элементов; • Основным движущим фактором является биохимическая энергия живого вещества; Количество организмов бесконечно и действуют они в течение бесконечно большого промежутка времени. Развитие концепции Биосферы Биосфера — область распространения жизни на космическом теле Более широкое определение Биосферы: Хотя существование жизни на других космических объектах, помимо Земли, пока неизвестно, считается, что биосфера может распространяться на них в более скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подлёдных океанах. Так, например, рассматривается возможность существования жизни в океане спутника Юпитера Европы. Аэробиосфера : субстрат для жизни в атмосфере микроорганизмов (аэробионтов) - атмосферная влага, источник энергии — солнечная энергия и аэрозоли. Геобиосфера: субстрат, а отчасти и среда жизни геобионтов - земная твердь. Гидробиосфера: весь глобальный слой воды (без подземных вод), населённый гидробионтами - распадается на слой континентальных вод - аквабиосферу (с аквабионтами) и область морей и океанов — маринобиосферу (с маринобионтами).. Верхняя граница жизни - озоновый экран ( 16 км от поверхности Земли на полюсах и 25 км над экватором), что связано с энергией излучения, губительной для всего живого. Наполнен жизнью только тонкий слой тропосферы (менее 100 м над Землей) , т. к. нет ни одного организма, который всегда бы жил только в воздушной среде). Нижняя граница жизни - зона температуры литосферы 100 °С (непреодолимая преграда). Живые организмы в трещинах и нефтеносных скважинах могут встречаться на глубине до 3 км от земной поверхности. В морях предельная для жизни температура соответствует глубине около 10 км. Границы биосферы Границы биосферы Границы биосферы Роль живого вещества в формировании современного химического состава атмосферы, гидросферы и литосферы, а также в осуществлении крупномасштабных циклических процессов химических превращений в Биосфере огромна . В результате фотосинтеза растительность Земли ежегодно образует около 10 14 тонн органического вещества/ Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов в Биосфере, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества составляет 10 -6 от литосферы. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты». Объект Биосферы Масса, т Земля 6 10 23 Литосфера 1,7 10 18 Био-вещество суши 2,5 10 12 Живое вещество В.И. Вернадский: Живое вещество - все количество живых организмов планеты как единое целое. Пансперми́я - гипотеза о появлении жизни на Земле в результате занесения из космического пространства так называемых «зародышей жизни» Согласно панспермии, рассеянные в мировом пространстве зародыши жизни (например, споры микроорганизмов) переносятся с одного небесного тела на другое с метеоритами или под действием давления света. Гипотеза панспермии никак не объясняет возникновения жизни, суть этой концепции в том, что жизнь как таковая просто является одним из фундаментальных свойств материи Концепция панспермии базируется на двух исходных положениях: - вечность жизни; - повсеместность распространения жизни во Вселенной. Гипотеза выдвинута Германом Рихтером в 1865 г., поддержана Г. Гельмгольцем и С. Аррениусом, У. Томпсоном (лорд Кельвин) и В.И. Вернадским. С. Аррениус, в частности, доказал путем расчетов принципиальную возможность переноса бактериальных спор с планеты на планету под действием давления света. После открытия космических лучей и выяснения действия радиации на биологические объекты позиция гипотезы весьма ослабла. С 1965 г., в межзвёздном пространстве были открыты более 140 различных органических молекул. В 1969 г. миссией Апполон-12 были найдены живые земные микроорганизмы. В последнее время особенно часто идеи панспермии упоминаются в контексте обмена веществом между Землёй и Марсом, когда на его поверхности ещё было много воды. Возникновение и развитие гипотезы Панспермии 1. В химически синтезированных молекулах количество правых и левых изомеров приблизительно равны, тогда как в живых организмах синтезируется только один изомер (хиральная чистота биологических молекул считается одной из фундаментальных характеристик живого). 2. Полученные в 2006 г. результаты по исследованию кометного вещества показали наличие в нем воды и простейших органических соединений, что указывает на кометы как на один из возможных переносчиков жизни во Вселенной. 3. Несколько лет назад в Гренландии были найдены бактерии возрастом 3,8 миллиарда лет, в то время как планете Земля 4,5 миллиарда лет, а за такой короткий промежуток времени жизнь просто не смогла бы возникнуть (академик РАН А.Ю. Розанов) Аргументы в пользу нехимического возникновения жизни 1. Его химический состав подтверждает единство природы : оно состоит из тех же элементов, что и неживая природа, только соотношение этих элементов различное и строение молекул другое. 2. Общим свойством жизни является присутствие в живом веществе активных белковых молекул . С химической точки зрения, живое и биогенное вещество биосферы представлено: - cпиртами , С n Н 2n+1 ОН; - жирными кислотами СН 3 (CH 2 )nСООН; - аминокислотами H 2 NCRCOOH, составляющими основу белка; - а также: пуринами, пиримидинами, сахарами - составными частями нуклеиновых кислот, содержащихся в каждой клетке (дезоксирибонуклеиновые кислоты – ДНК – в ядре клетки и рибонуклеиновые – РНК – в цитоплазме). Из органических соединений образуются сложные молекулы углеводов, белков, жиров, и нуклеиновых кислот. Химический аспект функционирования и системной организации живых организмов, обеспечивающих реализацию биохимических функций живого вещества (по В.И.Вернадскому) Биогенное вещество – мертвая органика, все формы детрита, биогенные горные породы, включая часть ископаемого топлива Биокосное вещество – смесь живого и биогенного веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, илы, природные воды, газо- и нефтеносные сланцы, битумные пески, часть осадочных пород) Биогенные элементы - элементы, образующие водорастворимые соединения, жизненно необходимые организмам. Макро-биогенные элементы - элементы, требующиеся организмам в сравнительно больших количествах. Микробиогенныеи элементы - элементы и их соединения, которые хотя и необходимы для жизнедеятельности биосистем, но требуются в крайне малых количествах. Растения , наиболее значимые микроэлементы : Fe, Mn, Cu, Zn, B, Si, Mo, Cl, Co, V для фотосинтеза: Fe, Mn, Cl, V ; для азотного обмена: Fe, Mо, В ; для других метаболических функций необходимы: Mn, В, Co, Cu, Si . Животным также необходимы все эти элементы (за исключением бора), кроме того им необходимы Se, Cr, Ni, F, I, Sn . Между макро- и микроэлементами нельзя провести четкую границу, так же как и между различными группами организмов. Распределение химических элементов в объектах биосферы 1. Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Этот принцип в наши дни нарушен человеком! 2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. При антропогенном измельчении средних размеров особей биоты земли (лес сменяется лугом, крупные животные мелкими) этот принцип начинает действовать аномально интенсивно. 3. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей средой, создающейся и поддерживающейся не Земле космической энергией Солнца. Вследствие нарушения двух первых принципов космические воздействия из поддерживающих биосферу могут превратиться в разрушающие ее факторы. Биогеохимические принципы Вернадского 1. Огромная свободная энергия. В неорганическом мире по количеству свободной энергии с ЖВ могут быть сопоставлены только недолговечные незастывшие лавовые потоки. 2. Скорости протекания химических реакций в ЖВ в тысячи и миллионы раз выше, чем в неживом. 3. Слагающие его индивидуальные химические соединения – белки, ферменты и пр. – устойчивы только в живых организмах (в значительной степени это характерно и для минеральных соединений, входящих в состав живого вещества). 4. Произвольное движение ЖВ, в значительной степени саморегулируемое. В. И. Вернадский выделял две специфические формы движения живого вещества: - пассивную, которая создается размножением и присуща как животным, так и растительным организмам; - активную, которая осуществляется за счет направленного перемещения организмов (она характерна для животных в большей степени, чем для растений). Живому веществу присуще стремление заполнить собой все возможное пространство Особенности живого вещества (ЖВ) 5. ЖВ обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. ЖВ не бывает представлено в одном агрегатном состоянии, тела организмов представлены во всех трех фазовых состояниях. 6. ЖВ существует в биосфере в виде дисперсных тел - индивидуальных организмов. Причем, будучи дисперсным, живое вещество никогда не находится на Земле в морфологически чистой форме (в виде популяций организмов одного вида), оно всегда представлено биоценозами. 7. ЖВ существует в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых эпох. При этом характерным для живого вещества является наличие эволюционного процесса, т. е. воспроизводство живого вещества происходит не по типу абсолютного копирования предыдущих поколений, а путем морфологических и биохимических изменений. Особенности живого вещества (ЖВ) 1. Энергетическая: поглощение солнечной энергии при фотосинтезе, химической энергии – при разложении энергонасыщенных веществ. Только живые существа могут улавливать энергию Солнца, удерживать ее в виде сложных органических соединений (биомассы), передавать друг другу, трансформировать в механическую, электрическую, тепловую и другие виды. 2. Концентрационная: избирательное накопление определенных видов вещества. Выделяют два типа концентрирования химических элементов ЖВ: - массовое повышение концентраций элементов в среде, насыщенной этими элементами ( например, S и Fe в живом веществе в районах вулканизма) ; - специфическое ( вне зависимости от среды ). 3. Деструктивная: минерализация необиогенного органического вещества, разложение неживого неорганического вещества, вовлечение образовавшихся веществ в биологический круговорот. 4. Средообразующая: преобразование физико-химических параметров среды ( главным образом за счет необиогенного вещества ). 5. Транспортная: пищевые взаимодействия ЖВ приводят к перемещению огромных масс химических элементов и веществ. Функции живого вещества в биосфере Общая биомасса живого вещества в значительной степени сосредоточена в растительных организмах суши (2.4·10 12 т). Концепция биохимической универсальности живых организмов как основы химической организованности Биосферы. Элемент O C H Ca K N Si P Mg S Cl Na Fe Al Кларк 70,0 18,0 10,0 0,5 0,3 0,3 0,15 0,07 0,07 0,05 0,02 0,02 0,02 0,02 Средний кларковый состав растительности суши,% (сырая масса) Это распределение элементов отражает средний состав всего живого вещества в Биосфере. Хотя химический состав разных видов организмов может варьировать, набор и соотношение основных элементов, в целом, сохраняются 6 самых легких элементов - H, O, N, C, P, S - с валентностями от 1 до 6 обеспечивают разнообразие химических соединений, составляющих основу живого вещества . Особая роль Углерод: - возможность использования 3-х связей для построения пространственных структур при разнообразии функциональных групп по 4-й связи; - тетраэдрическое строение макромолекул, сочетающееся по геометрии с ансамблями молекул воды. Вода: - универсальный растворитель; - амфотерность (кислотно-основная, Red-Ox); - структурированность. 1. Отбор единых атомов, обязательных для всех организмов Клетка - минимальная единица живых систем - содержит все необходимое для организации специфических системных превращений в условиях селективной изолированности от внешней среды и сопряженности химических реакций с системами энергообеспечения и аппаратом копирования. "Средняя" клетка содержит: - 70% воды; - 15% макромолекул (ок.3000) белков: 1% ДНК, 6% РНК (ок.1000 мол.); - 3% углеводов (ок.50 макромолекул); - 2% жиров (ок.40 мол-л); - 2% строительных блоков и промежуточных соединений (ок.500); - 1% неорганических соединений (ионов). 2. Клеточное строение Структурная иерархия в молекулярной организации клетки Виды химических связей, характерные для живого вещества 1. Ковалентная 2. Дисульфидная HOOC-C-C-SH + SH-C-C-COOH → HOOC-C-C-S-S-C-C-COOH 3. Ионная 4. Водородная Na + - Cl - 20 аминокислот; 5 азотистых оснований; пальмитиновая жирная кислота; 3-атомный спирт (глицерин); 1 амин (холин) -всего ок.30 3. Строгий отбор оптических изомеров Например: - полисахариды (целлюлоза, крахмал, гликоген), отличающиеся способом сборки блоков из D-глюкозы, - структуронесущие элементы или "депо" энергии; - белки - функции ферментов, структуронесущих элементов… 5. Дифференциация функционального назначения соединений на уровне макромолекул, построенных из ограниченного набора строительных блоков 4. Выбор по принципу комплексного использования минимального универсального набора строительных блоков (30) в процессах преобразования молекул, обеспечивающих разнообразные функции (D-сахара, L-аминокислоты) - фотосинтетическое фосфорилирование; - цикл Кребса - аэробное окисление пировиноградной кислоты; - гликолиз - анаэробное расщепление глюкозы с образованием молочной кислоты. 6. Использование единых систем запасания и высвобождения энергии, сопряженных с реакциями синтеза функционально важных молекул с участием АТФ Системная организация живых организмов: - единство основных химических процессов; - согласованность функционирования "молекулярных машин". 7. Универсальные молекулярные механизмы регуляции процессов, хранения информации и выправления дефектов репликации, построения мембран в отношение переноса вещества и трансформации энергии Важно, что такая устойчивость проявилась не на уровне отбора отдельных молекул, механизмов их превращений, и даже не на уровне отдельных видов организмов, а в их организации на уровне биогеоценозов. В то же время согласованность принципов функционирования организмов определяет общность факторов, могущих вызвать нарушения молекулярных превращений во всей системе живых организмов. Химические аспекты организации живых систем лежат в основе гомеостаза, патологии и эволюции живых систем. Эти универсальные механизмы, выработанные в ходе эволюции Биосферы, лежат в основе устойчивости биогеоценозов в переменных условиях внешней среды. Гомеостаз, патология и эволюция живых систем. Гомеостаз - состояние подвижного равновесия природных систем, поддерживаемое сложными приспособительными функциями, регулярным возобновлением основных ее структур, вещественного состава и внутренних свойств. Способность к гомеостазу сохраняется в определенном диапазоне изменения внешних параметров (аналог - буферная емкость в химических системах). Гомеостаз обеспечивается постоянной функциональной саморегуляцией во всех звеньях (орган, особь, простое и сложное сообщество), непосредственно или опосредованно путем изменения интенсивности и направленности химических реакций. Нарушения в функционировании "молекулярных машин" лежат в основе эволюции и патологии организмов: - если нарушения, стимулированные изменениями факторов внешней среды, приводят к появлению нового признака (в форме клюва, окраски, способности лучше воспринимать запахи и т.п.), дающего определенные преимущества данной особи, они могут закрепляться в потомстве и впоследствии приводить к эволюции вида. -если нарушения не совпадают с тенденцией изменения внешних условий, они могут приводить к патологии особи, болезни или гибели. - частичное или полное отсутствие необходимых форм во внешней среде; - попадание в организм чуждых веществ (ксенобиотиков) из-за отсутствия или недостаточности соответствующих защитных барьеров; - разрушение ковалентных и нековалентных связей под действием внешних факторов; - нарушение свойств воды (структурных, кислотно-основных, Red-Ox); - воздействие на структуру Ме-органических соединений (например, действие СО на гемоглобин утрата способности присоединения-отдачи кислорода); - нарушение ферментативной активности из-за блокировки функциональной группы фермента тиоловыми ядами (Hg, Ag, Pb, Sb, As): R-(SH) 2 + Me 2+ RSMe + 2H + ; - действие антидота, напр., комплексона ЭДТА в Na, Ca или смешанной форме, направлено на связывание блокирующего Ме в другое соединение; цианиды блокируют тканевое дыхание, воздействуя на цитохромоксидазу: белок-R-Fe 3+ ; антидот - Na 2 S 2 O 3 + NaNO 2 ; - нарушение проводимости нервного импульса. Факторы патологии Эти факторы могут быть инициированы техносферой, причем темпы ее развития намного опережают возможности естественной эволюции организмов. Соответственно, нарушение состава и потоков веществ в Биосфере, в отдельных экосистемах, может быть выше пределов устойчивости и явиться причиной патологии как на уровне отдельной особи, так и на уровне экосистемы. Негативное воздействие техносферы на структурные (численность и видовой состав, распределение абиотических компонент) и функциональные (объем и скорость циркуляции биогенных элементов, качество и количество энергии, интенсивность ее потока, процессы изменения абиотической среды и ее воздействия на живые организмы) характеристики экосистем не сводится к выбросу веществ, опасных для здоровья человека. Общие проблемы взаимоотношений Биосферы и техносферы следует рассматривать с позиций нормального функционирования естественно сложившихся экосистем. Воздействие техносферы на компоненты Биосферы Особая роль Живого вещества в эволюции Биосферы В.И. Вернадский: Биосфера - оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Существует обратное влияние жизни на среду обитания Идеи В. И. Вернадского : • Вначале сформировалась литосфера, затем Биосфера; • Живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох; • Живые организмы – главный фактор миграциихимических элементов; • Основным движущим фактором является биохимическая энергия живого вещества; • Количество организмов бесконечно и действуют они в течение бесконечно большого промежутка времени. Становление и развитие Биосферы Ноосфера В.И. Вернадский: «В Биосфере существует великая геологическая, быть может, космическая сила, планетное действие которой обычно не принимается во внимание в представлениях о космосе… Эта сила есть разум человека, устремленная и организованная воля его как существа общественного» Ноосфера - новая стадия эволюции Биосферы, становление которой связано с развитием общества • Заселение человеком всей планеты (практически реализовано) • Резкое преобразование средств связи и обмена между разными странами (реализовано) • Усиление связей, в том числе политических, между всеми государствами Земли (реализовано) • Преобладание геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере (отчасти реализовано) • Расширение границ биосферы и выход в Космос (предсказание по отношению к человеку частично сбылось) • Открытие новых источников энергии (реализуется) Этапы становления Ноосферы (по В.И. Вернадскому) • Равенство людей всех рас и религий (осуществляется с трудом ) • Увеличение роли народных масс в решении вопросов и внутренней политики (не реализовано) • Свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений (не реализовано) • Подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания, голода, нищеты и ослабить влияние болезней (далеко от реализации) • Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворять все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения (не реализовано) • Исключение войн из жизни человечества (далеко от реализации) Этапы становления Ноосферы (по В.И. Вернадскому) Сейчас все еще богатый и прекрасный мир разрушается из-за чрезмерной эксплуатации его хозяйственной деятельностью, колоссально возросшей в связи с произошедшим демографическим взрывом Поэтому «Ноосфера», мир где правит разум, еще не реализовалась….. Людмила Владимировна Филатова : Обращение к Человеку разумному |