Живое вещество и биосфера

 Мы уже много раз употребляли этот образный термин «живое вещество», введенный в науку В. И. Вернадским. Под «живым веществом» он понимал совокупность всех живых организмов Земли, всю их суммарную живую массу. Не следует путать «живое вещество» Земли с ее биосферой - особой земной оболочкой, в которой существует и действует «живое вещество» и где проявляется его влияние. Кроме живого вещества в состав биосферы входит «биогенное вещество», т, е. органоминеральные, или органические, продукты, созданные «живым веществом» (например, каменный уголь, битумы, горючие газы, нефть). Есть и третий компонент биосферы - «биокосное вещество», созданное живыми организмами вместе с неживой природой. Таковы, скажем, биогенные осадочные породы, кислород, частично, может быть, азот атмосферы и т. п. «Живое вещество» Земли в настоящую эпоху представлено почти тремя миллионами видов животных, растений, микроорганизмов. Хотя на долю растений приходится «всего» 300 тыс. видов, именно растения благодаря фотосинтезу служат основой биосферы Земли. Из трех составляющих «живое вещество» микроорганизмы наиболее устойчивы к крайне суровым условиям внешней среды. Споры некоторых бактерий, например, остаются живыми в жесточайшем вакууме (10^-15 МПа), синезеленые водоросли великолепно себя чувствуют в активной зоне ядерных реакторов. Многие микроорганизмы, а также некоторые насекомые и высшие растения остаются жизнестойкими даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Живые бактерии встречаются на дне океана, внутри земной коры, в стратосфере - на высоте 20 км. Благодаря микроорганизмам создается впечатление, что жизнь - явление очень стойкое и почти ничто (кроме высоких температур в сотню градусов и выше) не может убить живое. Правда, животные и растения, особенно высшие, значительно уступают в стойкости вездесущим микроорганизмам.

 Общая «биомасса» всей суши составляет примерно три биллиона (2,7•10¹²) тонн. Из них на долю почвенных микроорганизмов приходится около миллиарда тонн. Общая масса животных суши не превышает 3 % от массы наземных растений (кстати сказать, по массе позвоночные составляют всего около 1 %.) Хотя в суммарной биомассе суши преобладает биомасса древесных сообществ, наибольший эффект в создании плодородия почв принадлежит почвообразующим бактериям и травянистым растениям. К сожалению, мы не можем пока достаточно уверенно распространить эту статистику на обитателей морей и океанов: изучение океанских глубин только начинается.

 Одно из характерных свойств «живого вещества» - это накопление и сохранение в своей биомассе энергии солнечного излучения. Именно эта солнечная энергия преобразуется в энергию органических соединений, в конечном счете в энергетическую базу жизни. Присутствие «живого вещества» придает энергетическим явлениям на поверхности Земли своеобразный оттенок. В ходе эволюции «живое вещество» Земли четко разделилось на два яруса. Нижний ярус образуют автотрофные организмы, извлекающие необходимые для жизни энергию и вещество непосредственно из неорганической среды. Таковы, например, почти вся растительность, анаэробные бактерии и т. п. Организмы второго, верхнего, яруса называются гетеротрофными. Они питаются существами нижнего яруса (растениями) или себе подобными гетеротрофами (таковы все хищники). Микроорганизмы могут быть и авто- и гетеротрофными. В конечном же счете, повторяем, жизнь Земли черпает свою энергию от Солнца. Накопленная «живым веществом» энергия по праву может быть названа свободной. Всякие действия живых существ есть проявление этой свободной энергии. Она же особенно ярко проявляет себя в размножении всего живого, в этом саморасширяющемся процессе самовосстановления. Как уже говорилось, источником энергии всех процессов, происходящих в биосфере, служит Солнце - его свет и тепло, а также другие виды солнечных излучений. Живые организмы, как подчеркивал В. И. Вернадский, превращают эту космическую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Живые организмы своим дыханием, своим питанием, своим обменом веществ, своею смертью и своим размножением, постоянным использованием своего вещества, а главное - длящейся сотни миллионов лет непрерывной сменой поколений, своим рождением и размножением порождают одно из грандиознейших планетных явлений, не существующих нигде, кроме биосферы. Этот великий планетарный процесс, по учению В. И. Вернадского, есть миграция химических элементов в биосфере, движение земных атомов, непрерывно длящееся больше двух миллиардов лет согласно определенным законам.

 Вихрь жизни, постоянно усиливающийся, вовлекает в круговорот веществ в природе все большие и большие количества неорганического материала. Благодаря этому «живое вещество» уже давно стало активнейшей геологической силой. За один год живые существа Земли пропускают сквозь себя почти столько же углерода, сколько находится его в земной коре. В морях и океанах образовались многокилометровые толщи осадочных пород. Масса углекислоты в органогенных известняках, этих породах, созданных «живым веществом», в 10 раз превышает массу ледяного панциря Антарктиды.

 Живые существа можно уподобить крошечным, но весьма многочисленным химическим заводам. Моллюски накапливают из морской воды медь, асцидии - ванадий, медузы - цинк, олово, свинец, губки - йод. Как уже говорилось, серные бактерии «производят» серу, а фуксы и ламинарии накапливают алюминий и т. д. В живых организмах скапливаются огромные количества неорганических веществ. Например, бора, калия, серы морские организмы содержат в десятки раз больше, чем морская вода; железа, серебра, брома - в сотни раз; кремния и фосфора - в тысячи; меди и йода - в десятки тысяч; цинка и марганца - в сотни тысяч раз! Отмирая, «живое вещество» оставляет сконцентрированные им химические элементы в поверхностных слоях Земли. Миллиарды тонн различных веществ отдаются организмами во внешнюю среду и снова захватываются ими. Из органических соединений, когда-то составлявших живые организмы, возникли энергетически ценные горные породы (например, нефть, торф, уголь).

 Живые существа не только накапливают химические элементы. В других ситуациях они, наоборот, распыляют их, участвуют в процессах выветривания. Все эти странствования химических элементов, увлеченных вихрем жизни, вся эта биогенная миграция химических элементов - одно из основных свойств биосферы. Оценивая с эволюционной точки зрения биогенную миграцию химических элементов, В. И. Вернадский пришел к двум эмпирическим обобщениям, названным им биогеохимическими принципами.

 1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

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

 В сущности в этих двух принципах выражается вполне конкретно главное качество жизни - ее агрессивность, напор, стремление «переработать» как можно большее количество неорганического вещества, Жизнь - «живое вещество» - поистине является одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты. В. И. Вернадский писал, что в течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможным для всего «живого вещества», которое тогда существовало. Это положение можно считать, если это окажется нужным, третьим биогеохимическим принципом (Примеч.- Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения.- М.: Наука, 1965, стр. 286.).

 «Живое вещество» Земли на всех уровнях своей организации способно принимать и использовать информацию, поступающую из внешней среды. Так, фотосинтез растений контролируется сигналами внешней среды, несущими информацию о будущем состоянии этой среды (например, колебаниях температуры, светового режима). «Живое вещество» «штампует» сложнейшие органические соединения, что немыслимо без генетической информации, закодированной в нуклеиновых кислотах. В сущности в живом организме постоянно взаимодействуют информация и энергия. Чем совершеннее живое существо, тем большую информацию оно способно использовать. Именно эта способность и дает преимущества одним существам перед другими. Животные, например, используют информацию, поступающую не только из неорганической среды, но и от других живых организмов (например, запах зайца настраивает волка на преследование, а запах волка помогает зайцу избежать опасности).

 «Живое вещество» активно противодействует возрастанию энтропии (так физики именуют меру вероятности осуществления данного состояния системы) (Примеч.- Энтропию можно также рассматривать как меру «беспорядка» в данной системе.). Жизнь постоянно и с великим упорством (по крайней мере в масштабах Земли) «упорядочивает» природу. Ход эволюции совершается от простого к сложному, от более вероятного к менее вероятному. Конечно, этот факт не противоречит второму началу термодинамики, согласно которому всякая замкнутая система стремится к тепловому равновесию, к состоянию максимальной устойчивости, т. е. к максимуму энтропии. Ведь биосфера - открытая саморегулирующаяся система, и если в ней энтропия уменьшается, то лишь за счет увеличения энтропии в окружающей среде.

 Из внешней среды в «живое вещество» поступает множество сигналов. Эта информация позволяет «живому веществу» наилучшим путем использовать накопленную им энергию. По-видимому, в ходе эволюции постоянно создается «перенасыщение» биосферы информацией. И как электрон в атоме, получив извне энергию, переходит на более высокий энергетический уровень, так и «живое вещество», накопив «избыточное» количество энергии, переходит на высший организационный уровень, совершив тем самым очередной эволюционный скачок.

 Жизнь сравнивают с вихрем, вовлекающим в круговорот все большие и большие количества неорганического вещества. Сравнение образное и точное: в биосфере действительно происходит усиливающийся от эпохи к эпохе биологический круговорот атомов. Наряду с образованием «живого вещества» и накоплением им энергии совершается и процесс противоположный - превращение сложных органических соединений в минеральные вещества (например, вода). При этом выделяется и энергия, отчасти в форме тепла, но главным образом в форме химической энергии, носителями которой являются природные воды и газы. В конце концов этот «вихрь жизни», это постепенное совершенствование живого вещества привели к качественно новому этапу в развитии биосферы - на земле появился человек.