В И Вернадский о живом веществе Владимир Иванович

В. И. Вернадский о живом веществе Владимир Иванович Вернадский (1863 -1945)

Благо людей и мира на Земле, безопасность планеты и торжество «царства разума» это дело всех и каждого. Владимир Иванович Вернадский (1863 -1945) Крупнейший естествоиспытатель и мыслитель XX века, выдающийся русский учёный, основоположник учения о биосфере и ноосфере. 2

Типы веществ биосферы «Вещество состоит из 7 глубоко разнородных природных частей…» 3

1. Совокупность живых организмов, живого вещества, рассеянного в миллиардах особей, непрерывно умирающих и рождающихся, обладающих колоссальной действенной энергией и являющихся могучей геологической силой 4

2. Биогенное вещество, источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть, газ) 5

3. 4. Вещество, образуемое процессами, в которых живое вещество не участвует Биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами. Это вода биосферы, нефть, почва. Организмы играют в них ведущую роль 6

5. 6. 7. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде Рассеянные атомы Вещество космического происхождения 7

8

В. И. Вернадский о “живом веществе” n n n Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В. И. Вернадский определяет как совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В. И. Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество. 9

Специфика живого вещества заключается в следующем: n n Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией. Резкое отличие между живым и неживым веществом биосферы наблюдается в скорости протекания химических реакций: в живом веществе реакции идут в тысячи и миллионы раз быстрее. 10

n Отличительной особенностью живого вещества является то, что 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). 11

n Произвольное движение живого вещества, в значительной степени саморегулируемое. 12

В. И. Вернадский выделял две специфические формы движения живого вещества: n n а) пассивную, которая создается размножением и присуща как животным, так и растительным организмам; б) активную, которая осуществляется за счет направленного перемещения организмов (она характерна для животных и в меньшей степени для растений). Живому веществу также присуще стремление заполнить собой все возможное пространство. 13

n Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Кроме того, в отличие от неживого абиогенного вещества живое вещество не бывает представлено исключительно жидкой или газовой фазой. Тела организмов построены во всех трех фазовых состояниях. 14

n Живое вещество представлено 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. 15

n 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. 16

n Живое вещество существует в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых эпох. 17

n Работа живого вещества в биосфере достаточно многообразна. По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах: 18

а) химической (биохимической) – I род геологической деятельности; n б) механической – II род геологической деятельности. n 19

n Биогенная миграция атомов I рода проявляется в постоянном обмене вещества между организмами и окружающей средой в процессе построения тела организмов, переваривания пищи. 20

n Биогенная миграция атомов II рода заключается в перемещении вещества организмами в ходе его жизнедеятельности (при строительстве нор, гнезд, при заглублении организмов в грунт), перемещении самого живого вещества, а также пропускание неорганических веществ через желудочный тракт грунтоедов, илоедов, фильтраторов. 21

22

n Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере очень важными являются три основных положения, которые В. И. Вернадский назвал биогеохимическими принципами: 23

Биогеохимические принципы 1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. 24

Первый принцип тесно связан со способностью живого вещества неограниченно размножаться в оптимальных условиях. n Идеальная геохимическая активность не реализуется из за ограниченности территории и ресурсов. n 25

2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. 26

n Вторая формулировка этого принципа гласит: При эволюции выживают те организмы, которые своею жизнью увеличивают геохимическую энергию. 27

3. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете лучистой энергией Солнца. 28

Функции живого вещества. n Одна из основных заслуг В. И. Вернадского состоит в том, что он впервые обратил внимание на роль живых организмов как мощного геологического фактора, на то, что живое вещество выполняет в биосфере различные биогеохимические функции. Благодаря этому обеспечиваются круговорот веществ и превращение энергии и, в итоге, целостность, постоянство биосферы, ее устойчивое существование. 29

Важнейшими функциями являются: 1. Энергетическая функция заключается в накоплении и преобразовании растениями энергии Солнца (бактерии-хемоавтотрофы преобразуют энергию химических связей) и передаче ее по пищевым цепям: от продуцентов - к консументам и, далее, - к редуцентам. При этом энергия постепенно рассеивается, но часть ее вместе с остатками организмов переходит в ископаемое состояние, "консервируется" в земной коре, образуя запасы нефти, угля и др. 30

2. В осуществлении газовой функции ведущая роль принадлежит зеленым растениям, которые в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют в атмосферу кислород. В то же время, большинство живых организмов (и растения в том числе) в процессе дыхания используют кислород, выделяя в атмосферу углекислый газ. Таким образом, участвуя в обменных процессах, живое вещество поддерживает на определенном уровне газовый состав атмосферы. 31

В зависимости от того, о каких газах идет речь, выделяется несколько газовых функций. n Кислородно-диоксидуглеродная – создание основной массы свободного кислорода на планете. Носителем данной функции является каждый зеленый организм. Выделение кислорода идет только при солнечном свете, ночью этот фотохимический процесс сменяется выделением зелеными растениями углекислого газа. 32

n Диоксидуглеродная, не зависимая от кислородной – образование биогенной угольной кислоты как следствие дыхания животных, грибов и бактерий. Значение функции возрастает в области подземной тропосферы, не имеющей кислорода. 33

n Озонная и пероксидводородная – образование озона (и, возможно, пероксида водорода). Биогенный кислород, переходя в озон, предохраняет жизнь от разрушительного действия радиации Солнца. Выполнение этой функции вызвало образование защитного озонового экрана. 34

n Азотная – создание основной массы свободного азота тропосферы за счет выделения его азотовыделяющими бактериями при разложении органического вещества. Реакция происходит в условиях как суши, так и океана. 35

n Углеводородная – осуществление превращений многих биогенных газов, роль которых в биосфере огромна. К их числу относятся, например, природный газ, терпены, содержащиеся в эфирных маслах, скипидаре и обусловливающие аромат цветов, запах хвойных. 36

3. Окислительно-восстановительная функция тесно связана с энергетической. Существуют микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности окисляют или восстанавливают различные соединения, получая при этом энергию для жизненных процессов. Велико их значение для образования многих полезных ископаемых. Например, деятельность железобактерий по окислению железа привела к образованию таких осадочных пород как железные руды; серобактерии, восстанавливая сульфаты, образовали месторождения серы. 37

4. Концентрационная функция заключается в способности живых организмов накапливать различные химические элементы. Например, осоки и хвощи содержат много кремния, морская капуста и щавель йод и кальций. В скелетах позвоночных животных содержится большое количество фосфора, кальция, магния. 38

Выделяют два типа концентраций химических элементов живым веществом: а) массовое повышение концентраций элементов в среде, насыщенной этим элементов, например, серы и железа много в живом веществе в районах вулканизма; б) специфическую концентрацию того или иного элемента вне зависимости от среды. 39

Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых микрооргнизмов по сравнению с природной средой содержание марганца увеличено в 1 200 000 раз, железа - в 65 000, ванадия - в 420 000, серебра - в 240 000 раз. Осуществление данной функции способствовало образованию залежей известняка, мела, торфа, угля, нефти. 40

5. Информационная функция – способность получать информацию путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой и способность хранить и перерабатывать эту информацию 41

1. n Средообразующая функция состоит в трансформации физико химических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условия благоприятные для существования организмов. Можно сказать, что она является совместным результатом всех рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота; деструктивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для организмов элементов. 42

n Средообразующие функции живого вещества создали и подерживают в равновесии баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность условий существования организмов, в том числе человека. Вместе с тем живое вещество способно восстанавливать условия обитания, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного воздействия. Эту способность живого вещества к регенерации экологических условий выражает принцип Ле Шателье. Принцип Ле Шателье: изменение любых переменных в системе в ответ на внешние возмущения происходит в направлении компенсации производимых возмущений. n n В теории управления аналогичное явление носит название отрицательных обратных связей. Благодаря этим связям система возвращается в первоначальное состояние, если производимые возмущения не превышают пороговых значений. Таким образом гомеостаз, устойчивость экосистемы, оказывается явлением не статическим, а динамическим. В результате средообразующей функции в географической оболочке произошли следующие важнейшие события: был преобразован газовый состав первичной атмосферы; изменился химический состав вод первичного океана; образовалась толща осадочных пород в литосфере; на поверхности суши возник плодородный почвенный покров (также плодородны воды океана, рек и озер). 43

Общие закономерности организации биосферы. n Принцип устойчивого неравновесия живых систем Э. Бауэра: все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и используют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и жизни при существующих внешних условиях. 44

Общие закономерности организации биосферы. n Закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадского утверждает, что миграция химических элементов во всех экосистемах, включая биосферу в целом, осуществляется при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом живущим сейчас и жившим ранее. 45

Общие закономерности организации биосферы. n n n Закон физико-химического единства живого вещества В. И. Вернадского: все живое вещество Земли физико химически едино. Закон константности живого вещества: количество живого вещества (для данного геологического периода) есть константа. Закон сохранения структуры биосферы (первый закон экодинамики Ю. Голдсмита): в живой природе наблюдается постоянное сохранение информационной и соматической структуры, хотя она и несколько меняется с ходом эволюции. 46

Общие закономерности организации биосферы. n n Закон стремления к климаксу (второй закон экодинамики Ю. Голдсмита): для сохранения структуры биосферы живое стремится к достижению состояния зрелости, или экологического равновесия. Принцип экологической комплементарности (дополнительности): никакая функциональная часть экосистемы не может существовать без других функционально дополняющих частей. 47

Общие закономерности организации биосферы. n Принцип экологической конгруэнтности (соответствия): функционально дополняя друга, живые составляющие экосистем вырабатывают для этого соответствующие приспособления, скоординированные с условиями абиотической среды. n Оба эти правила объединяются в рамках третьего закона экодинамики Ю. Голдсмита принцип экологического порядка или экологического мутуализма (взаимопомощи). 48

Общие закономерности организации биосферы. n n Закон самоконтроля и саморегуляции живого (четвертый закон экодинамики Ю. Голдсмита): живые системы и системы под управляющим воздействием живого способны к самоконтролю и саморегулированию в процессе их адаптации к изменениям в окружающей среде. Правило автоматического поддержания глобальной среды обитания: живое вещество в ходе саморегуляции и взаимодействия с абиотическими факторами автоматически поддерживает среду жизни, пригодную для ее развития. 49

Гомеостазис биосферы n Гомеостаз (от греч. homoios — тот же, statos — состоя ние) — способность биологических систем противостоять измене ниям и сохранять относительное динамическое постоянство своей структуры и свойств. Поддержание гомеостаза — непременное условие существования как отдельных клеток и организмов, так целых биологических сообществ и экосистем. В гомеостазе (устойчивости) живых систем выделяют: • выносливость (живучесть, толерантность) — способность переносить изменения среды без нарушения основных свойств системы; • упругость (резистентность, сопротивляемость) — спо собность быстро самостоятельно возвращаться в нормальное состояние из неустойчивого, которое возникло в результате внешнего неблагоприятного воздействия на систему. 50

n n Понятие «гомеостаз» широко используется в экологии для характеристики устойчивости различных систем. Гомеостаз популяции определяется поддержанием пространственной структуры, плотности и генетического разнообразия. Вследствие гомеостатической регуляции поддерживается постоянство состава и численности популяций в сообществах. На уровне экосистем гомеостаз проявляется в наиболее устойчивых формах взаимодействия между видами, что выражается в приспособленности к особенностям среды и поддержании циклов круговорота биогенов. Можно рассматривать даже гомеостаз биосферы, в которой взаимодействие разнообразных организмов поддерживает постоянство газового состава атмосферы, состав почв, состава и концентрации солей мирового океана и др. 51

n Гомеостаз обеспечивается работой механизмов регулирования, действующих по принципу отрицательной обратной связи. Тогда нарушения в функционировании живой сист мы , используя кибернетические термины, следует констатировать как появление в канале обратной связи «помех» или «шумов» . Роль помех могу т играть различные факторы, например погодные условия, деятельность человека и т. п. Резкие изменения характеристик окружающей среды, при которых они (или одна из них) выходят за границы допустимого, называют экологическим стрессом. Безусловно, конкретные механизмы регулирования различны для клетки организма, популяции и экосистемы, но всегда результатом саморегуляции и поддержания гомеостаза является сбалансированность и четкая согласованность функционирования всех элементов биологической системы. 52