Свойства живого вещества.

Живое вещество, понятие.

Лекция 3. ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО ПЛАНЕТЫ.

Учение В.И.Вернадского гласит, что живое вещество (совокупность живых организмов) определяет и подчиняет себе всецело другие планетарные процессы. Если его равномерно распределить на поверхности Земли, то живые организмы образуют пленку толщиной 5 мм. Но, тем не менее, их роль велика. Значительное место занимает зеленое живое вещество растений, т.к. оно автотрофно и способно аккумулировать энергию Солнца и преобразовывать ее в энергию химических связей органических соединений.

Живые организмы превращают космическую лучистую энергию в земную химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Своим дыханием, питанием, метаболизмом, смертью и разложением, длящимися уже сотни миллионов лет, они порождают грандиозный планетарный процесс – миграцию химических элементов, или их круговорот.

Живое вещество, согласно теории Вернадского – биогеохимический фактор планетарного масштаба, под воздействием которого преобразуется как окружающая абиотическая сфера, так и сами живые организмы. Толщи известняков, угольные месторождения, железные руды – все это проявление деятельности силы жизни.

Живое вещество, несмотря на огромное разнообразие, едино в своей атомной основе. Атомная миграция идет не только между самими организмами, но и из организма в окружающую среду и обратно. Этого бы не было, если бы химический состав организмов не был близок к химическому составу земной коры. А химический состав последнего определяется не только геологическими причинами, но и закономерностями космического характера (например, строение атомов). Поэтому по Вернадскому жизнь – это космический процесс. В организмах преобладают легкие элементы из таблицы Менделеева: H, C, N, O, Na, Mg, P, S, К, Ca и др.

Термин «живое вещество» введен в литературу В. И. Вер­надским. Под ним он понимал совокупность всех живых организ­мов, выраженную через массу, энергию и химический состав.

По Вернадскому, живое вещество состоит из семи разнообразных, но геологически взаимосвязанных частей: живое вещество; биогенное вещество; косное вещество; биокосное вещество; радиоактивное вещество; рассеянные атомы; вещество космического происхождения. В пределах биосферы везде встречается либо живое вещество, либо следы его биогеохимической деятельности. Газы атмосферы (кислород, азот, углекислота), природные воды, равно как и каустобиолиты (нефти, угли), известняки, глины и их метаморфические производные (сланцы, мраморы, граниты и др.) в своей основе созданы живым веществом планеты. Слои земной коры, лишённые в настоящее время живого вещества, но переработанные им в геологическом прошлом, Вернадский относил к области «былых биосфер». Биосфера мозаична по структуре и составу, отражая геохимическую и геофизическую неоднородность лика Земли (океаны, озёра, горы, ущелья, равнины и т.д.) и неравномерность в распределении живого вещества по планете как в прошлые эпохи, так и в наше время. Максимальное содержание живого вещества гидросферы приурочено к мелководьям, минимальное - к глубинным акваториям (абиссаль); на суше эта неравномерность проявляется в мозаике биогеоценотического покрова (леса, болота, степи, пустыни и др.) с минимумом плотности живого вещества в высокогорьях, пустынях и полярных областях.

Вещества неживой природы относятся к косным (например, ми­нералы). В природе, кроме этого, довольно широко представлены био­косные вещества, образование и сложение которых обусловливает­ся живыми и косными составляющими (например, почвы, воды).

Живое вещество – основа биосферы, хотя и составляет крайне незначительную ее часть. Если его выделить в чистом виде и рас­пределить равномерно по поверхности Земли, то это будет слой около 2 см или крайне незначительная доля от объема всей био­сферы, толща которой измеряется десятками километров. В чем же причина столь высокой химической активности и геологической роли живого вещества?

Прежде всего, это связано с тем, что живые организмы, благо­даря биологическим катализаторам (ферментам), совершают, по выражению академика Л. С. Берга, с физико-химической точки зре­ния что-то невероятное. Например, они способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при обычных для при­родной среды значениях температуры и давления. В промышлен­ных условиях связывание атмосферного азота до аммиака требует температуры порядка 500°С и давления 300-500 атмосфер.

В живых организмах на порядок или несколько порядков увели­чиваются скорости химических реакций в процессе обмена веществ. В. И. Вернадский в связи с этим живое вещество назвал чрезвы­чайно активизированной материей.

Живое вещество биосферы, его характеристика

В.И.Вернадский писал: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, вместе взятые».

Учение о живом веществе является одним из центральных звеньев концепции биосферы. 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». «Под именем живого вещества, - писал В. И. Вернад­ский в 1919 году, - я буду подразумевать всю совокуп­ность всех организмов, растительности и животных, в том числе и человека. С геохимической точки зрения эта со­вокупность организмов имеет значение только той массой вещества, которая ее составляет, ее химическим составом и связанной с ней энергией. Очевидно, только с этой точ­ки зрения имеет значение живое вещество и для почвы, так как, поскольку мы имеем дело с химией почв, мы имеем дело с частным проявлением общих геохимических процессов».

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

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, оно 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. При этом этим клеткам изначально предначертано быть самими собой, за исключением яйцеклетки, из которой развивается целый организм.

В.И.Вернадский отмечал, что живые организмы планеты – это наиболее постоянно действующая и могущественная по своим конечным последствиям химическая сила. Он указывал, что живое вещество неотделимо от биосферы, является ее функцией и одновременно «одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты». Круговорот отдельных 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. Происходит также круговорот азота, связанного с деятельностью микроорганизмов. В.И.Вернадский писал, что все газы, образующиеся в биосфере, теснейшим образом связаны своим происхождением с живым веществом, всегда биогенны и изменяются главным образом биогенным путем.

Концентрационная функция . Проявляется в способности живых организмов накапливать в своих телах многие химические элементы (на первом месте стоит углерод, среди металлов – кальций). Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов – характерная особенность живого вещества. Например, морские организмы активно накапливают микроэлементы, тяжелые металлы (ртуть, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы.

В.И.Вернадский различал:

1. Концентрационные функции I рода, когда живым веществом концентрируются из окружающей среды те химические элементы, которые содержатся во всех без исключениях организмах (Н, С, N, O, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Fe).

2. Концентрационные функции II рода, когда наблюдается накопление химических элементов, которые в живых организмах не встречаются, или могут встречаться в очень малых количествах. Например, голотурии способны накапливать ванадий. Дождевые черви могут накапливать цинк, медь, свинец и кадмий в своих тканях. Водоросли рода ламинария накапливают в себе йод.

Окислительно-восстановительная функция . Выражается в химических превращениях веществ в процессе жизнедеятельности организмов. В результате этого 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.

В.И.Вернадский выделял I-ую биохимическую функцию, которая связана с питанием, дыханием и размножением организмов и II-ую биохимическую функцию, которая связана с разрушением тел живых организмов после их смерти. При этом происходит ряд биохимических превращений: живое тело – биокосное – косное.

Функция биогеохимической деятельности человека . Связана с биогенной миграцией атомов, многократно усиливающейся под влиянием хозяйственной деятельности человека и его разума. Человек в ходе своей хозяйственной деятельности разрабатывает и использует для своих нужд большое количество веществ земной коры, в т.ч. таких как уголь, газ, нефть, торф, сланцы, многие руды. Одновременно происходит атропогенное поступление в биосферу чужеродных веществ в количествах, превышающих допустимое значение. Это привело 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.

В настоящее время мировое хозяйство ежегодно выбрасывает в атмосферу

 более 250 млн тонн мелкодисперсных аэрозолей,

 200 млн тонн оксида углерода,

 150 млн тонн диоксида серы,

 120 млн тонн золы,

 более 50 млн тонн углеводородов,

 2,5 млрд(!) тонн оксидов азота.

Естественный круговорот атомов в атмосфере просто не успевает за техногенными выбросами. Только за счет сжигания угля в энергетических установках в окружающую среду поступает мышьяка, урана, кадмия, бериллия в десятки раз, а ртути - в тысячи раз больше, чем вовлекается в природный биохимический круговорот.

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.

Вернадский приводит средние цифры скорости «передачи жизни в биосфере». Время захвата данным видом всей поверхности нашей планеты у разных организмов может быть выражена следующими цифрами (сутки):

Бактерия холеры (Vibrio cholerae ) 1,25

Инфузория (Lekconhrys patula ) 10,6 (максимум)

Диатомовые (Nittschia putrida ) 16,8 (максимум)

Зеленый планктон 166-183 (среднее)

Насекомые (Musca domestica ) 366

Рыбы (Pleurettes platessa ) 2159 (максимум)

Цветковые растения (Trifolium repens ) 4076

Птицы (куры) 5600-6100

Млекопитающие: крысы 2800

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 (дезоксирибонуклеиновая кислота) или РНК (рибонуклеиновая кислота), составляющей сердцевину вируса. Иногда вирусы выделяют в особое царство живой природы - Vira. Они могут размножаться только внутри определенных живых клеток. Вирусы повсеместно развиты в природе и являются опасным противником всего живого. Поселяясь в клетках живых организмов, они вызывают их смерть. Описано около 500 вирусов, поражающих теплокровных позвоночных и около 300 вирусов, нападающих на высшие растения. Более половины болезней человека обязаны своим развитием мельчайшим вирусам (они в 100 раз мельче бактерий). Достаточно назвать несколько страшных болезней, вызываемых вирусами, чтобы осознать угрозу этих мельчайших существ. Это полиомиелит, оспа, грипп, инфекционный гепатит, желтая лихорадка и др.

Клеточные формы жизни представлены прокариотами (организмы, не имеющие ограниченного мембраной ядра) и эукариотами (клетки которых содержат оформленные ядра). 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.

Понятие органическое или неорганическое вещество становится слишком мелким и на смену ему вводится понятие живое вещество биосферы .

В начале 20 века В.И. Вернадский дал определение этому понятию.

Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов в , вне зависимости от их систематической принадлежности.

Определение появилось не из-за масштабов.

Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4-3,6·10 12 т (в сухом весе) и составляет менее 10 −6 массы других оболочек Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты».

Основные свойства живого вещества биосферы

1. Способность очень быстро осваивать свободное пространство. Это связано как со способностью к размножению, особенно у простейших организмов, так и с тем, что многие организмы значительно увеличивают поверхность тела при росте (растения, например, или ареал сообщества).
2. Активное и пассивное движение. Активное движение живого вещества биосферы — самостоятельное передвижение организмов, требующее затрат энергии: рыба может плыть против течения, птицы летают, преодолевая силу тяжести и т.д.Пассивное движение живого вещества биосферы — движение, не требующее затрат энергии — под действием естественных природных сил -тяжести, гравитации и т.д.
3. Устойчивость живого вещества (организмов) при жизни и быстрое разложение (за счет действия редуцентов) после смерти.
   Если говорить о химических элементах, то как раз за счет этого свойства живого вещества они участвуют в различных — , и т.д.
4. Высокая степень адаптации живого вещества биосферы к окружающим условиям. То, что живые организмы освоили все 3 среды — наземную, водную и воздушную, уже никого не удивляет. Помимо этого есть микроорганизмы, способные выдерживать как высокие, так и очень низкие температуры.
5. Высокая скорость биохимических реакций живого вещества. Действительно, скорость реакций в живых организмах — не больше нескольких минут, скорость круговорота углерода — несколько лет (не больше 10).
   Вернадский считал, что осадочные породы образованы, в основном, продкутами жизнедеятельности живых организмов. А это слой толщиной порядка 3 км!
   

Высокая скорость обновления живого вещества . Под­считано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши -14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон), — 33 дня. В ре­зультате высокой скорости обновления за всю историю существо­вания жизни общая масса живого вещества, прошедшего через био­сферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли. Только неболь­шая часть его (доли процента) законсервирована в виде органичес­ких остатков (по выражению В. И. Вернадского, «ушла в геоло­гию»), остальная же включилась в процессы круговорота.

Функции живого вещества биосферы

1. Энергетическая функция
   Продуценты полгощают солнечную энергию, преобразуя неорганические вещества в органические, редуценты разлагают органические вещества до неорганических. Часть энергии в процессе преобразуется в тепло.
2. Концентрационная живого вещества
   В результате жизнедеятельности организмов накапливаются те или иные вещества.
3. Деструктивная
   Это следствие энергетической функции — органическое вещество разлагается в результате круговорота веществ и переходит в минеральную (неорганическую) форму.
4. Средообразующая функция живого вещества
   Живое вещество меняет, преобразует окружающую среду.

5. Транспортная
   Пищевые взаимодействия живого вещества приводят к перемещению огромных масс химических элементов и веществ против сил тяжести и в горизонтальном направле­нии.
   

Еще на эту тему:

Огромной заслугой В. И. Вернадского является обоснование нового содержания представлений о живом веществе. Живым веществом Вернадский называл «совокупность организмов, сведенных к их весу, химическому составу и энергии». Живое вещество по своей массе представляет собой ничтожную часть биосферы. Если все живое вещество Земли равномерно распределить по ее поверхности, то оно покроет нашу планету слоем толщиной 2 см. Однако именно живое вещество, по мнению В. И. Вернадского, выполняет ведущие функции в формировании земной коры.

Живое вещество обладает рядом специфических свойств:

1. Живое вещество характеризуется огромной свободной энергией.

2. В живом веществе химические реакции протекают в тысячи (иногда и в миллионы) раз быстрее, чем в неживом веществе. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе пользуются понятием исторического, а в косном веществе – геологического времени.

3. Химические соединения, входящие в состав живого вещества (ферменты, белки и др.), устойчивы только в живых организмах.

4. Живому веществу присуще произвольное движение – пассивное, обусловленное ростом и размножением, и активное – в виде направленного перемещения организмов. Первое является свойством всех живых организмов, второе характерно для животных и в редких случаях – для растений.

5. Для живого вещества характерно гораздо большее химическое и морфологическое разнообразие, чем для неживого.

6. Живое вещество в биосфере Земли находится в виде дисперсных тел – индивидуальных организмов. Размеры и масса живых организмов сильно колеблются (диапазон более 109).

7. Живое вещество возникает только из живого и существует на Земле в форме непрерывного чередования поколений.

Живые организмы в пределах биосферы распределены очень неравномерно. На большой высоте и глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются достаточно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности земли, в почве и поверхностном слое Мирового океана.

В. И. Вернадский выделил две формы концентрации живого вещества: жизненные пленки, занимающие огромные площади, и сгущения жизни, представленные небольшими площадями (например, пруд). Вся остальная часть биосферы является зоной разряжения живого вещества.

В океане можно выделить две жизненные пленки – планктонную и донную, которые находятся на границе раздела фаз. Планктонная лежит на границе атмосферы и гидросферы, донная – на границе гидросферы и литосферы. Сгущения жизни в океане различают трех типов: прибрежные, саргассовые и рифовые.

На суше также имеются различные формы концентрации жизни. Верхняя пленка жизни на суше – наземная, расположенная на границе атмосферы и литосферы. Под ней находится почвенная пленка жизни, представляющая собой сложную систему, населенную огромным количеством бактерий, простейших и других представителей живых организмов.

Сгущения жизни представлены на суше береговыми, пойменными и тропическими формами.

Важная закономерность наблюдается в соотношении видового состава живых организмов на Земле. Растения составляют 21 % от общего числа видов, образуя 99 % общей биомассы. Среди животных 96 % видов представлены беспозвоночными и только 4 % – позвоночные, из которых только 10 % – млекопитающие.

Таким образом, организмы, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития, в количественном отношении значительно преобладают.

Масса живого вещества очень мала по сравнению с массой неживого вещества и составляет всего 0,01-0,02 % от косного вещества биосферы. В то же время живое вещество играет главенствующую роль в геохимических процессах. Ежегодно благодаря жизнедеятельности растений и животных воспроизводится около 10 % биомассы. Живым веществом в биосфере выполняются важные функции:

1. Энергетическая функция – поглощение солнечной энергии и энергии при хемосинтезе, дальнейшая передача энергии по пищевой цепи.

2. Концентрационная функция – избирательное накопление определенных химических веществ.

3. Средообразующая функция – преобразование физико-химических параметров среды.

4. Транспортная функция – перенос веществ в вертикальном и горизонтальном направлениях.

5. Деструктивная функция – минерализация необиогенного вещества, разложение неживого неорганического вещества.

Живые организмы осуществляют миграцию химических элементов в биосфере в процессе дыхания, питания, обмена веществ и энергии.

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами