Жива речовина і її енергія

Згадаємо декілька визначень живої речовини творця цього поняття В.І.Вернадського: “жива речовина біосфери є сукупність усіх її живих організмів”. Як учений він розуміє, що об’єкт його досліджень вимагає кількісних характеристик, а тому наголошує: “Я буду називати сукуп­ність організмів, зведених до ваги, хімічного складу і енергії, живою ре­човиною”.

Які ж властивості живої речовини? А.В.Лаппо, аналізуючи науко­вий доробок В.І.Вернадського, зупиняється на основних специфічних її особливостях.

1. Жива речовина біосфери характеризується величезною вільною енергією, яку можна було б порівняти хіба з вогненним потоком лави, але енергія лави недовговічна.

2. У живій речовині, завдяки присутності ферментів, хімічні реакції відбуваються в тисячі, а деколи і мільйони разів швидше, ніж у неживій. Для життєвих процесів характерне те, що одержані організмом речови­на і енергія переробляються і віддаються ним у значно більших кількостях. Наприклад, маса комах, яких з’їдає синиця за день, дорівнює її власній масі, а деякі гусениці споживають і переробляють за добу в 200 разів більше їжі, ніж важать самі.

3. Індивідуальні хімічні елементи (білки, ферменти, а деколи й окремі мінеральні сполуки тощо) синтезуються лише в живих організмах.

4. Жива речовина намагається заповнити собою весь можливий простір. В.І.Вернадський називає дві специфічні форми руху живої речовини: а) пасивну, яка створюється розмноженням і притаманна як тваринним, так і рослинним організмам; б) активну, яка здійснюється за рахунок напрямленого переміщення організмів (характерна для тва­рин і меншою мірою — рослин).

5. Жива речовина проявляє значно більшу морфологічну і хімічну різноманітність, ніж нежива. В природі відомо понад 2 млн органічних сполук, які входять до складу живої речовини, тоді як кількість мінералів неживої речовини становить близько 2 тис., тобто на три порядки нижче.

6. Жива речовина представлена дисперсними тілами — індивіду­альними організмами, кожний з яких має свій власний генезис, свій ге­нетичний склад. Розміри індивідуальних організмів коливаються від 20 нм у найдрібніших до 100 м (діапазон понад IO⁹). Найкрупнішими з рослин вважаються секвойї, а з тварин — кити. На думку Вернадського, мінімальні і максимальні розміри організмів визначаються граничними можливостями їх газового обміну з середовищем.

7. Будучи дисперсною, жива речовина ніколи не трапляється на Землі в морфологічно чистій формі, наприклад у вигляді популяційного виду. Вона може існувати лише у вигляді біоценозу: “...навіть простенький біоценоз якогось сухого соснячка на пісочку є угрупованням, яке складаєть­ся приблизно із тисячі видів живих організмів” (Тимофєєв-Рисовський).

8. Принцип Реді (флорентійський академік, лікар і натураліст, 1626- 1697): “все живе з живого” — є відмінною особливістю живої речовини, яка існує на Землі у формі безперервного чергування поколінь і харак­теризується генетичним зв’язком з живою речовиною всіх минулих геологічних епох. Неживі абіогенні речовини, як відомо, надходять до біосфери або з космосу, або ж виносяться порціями із оболонки зем­ної кулі. Вони можуть бути аналогічні за складом, але генетичного зв’яз­ку в загальному випадку у них немає.

9. Жива речовина в особі конкретних організмів, на відміну від не­живої, здійснює упродовж свого історичного життя грандіозну роботу. По-суті, лише біогенні речовини метабіосфери — це інтеграл маси живої речовини Землі за геологічний час, тоді як маса неживої речовини зем­ного походження є постійною величиною в геологічній історії: 1 г архейсь­кого граніту і сьогодні залишається 1 г тієї ж речовини, а та ж сама маса живої речовини, тобто 1 г, протягом міліардів років існувала за рахунок зміни поколінь і весь цей час виконувала геологічну роботу.

У доарістотслівські часи вважали, що життя починається з абіо­генезу (з таких мертвих тіл природи, як камінь, скеля, вода, газ, земля).

Для того щоб краще зрозуміти суть цих механізмів, слід з’ясувати, з яких речовин, крім живої, складається біосфера. Незважаючи на те що уявлення про склад біосфери, викладені В.І.Вернадським у праці “Хімічна будова біосфери Землі і її оточення”, останні десятиріччя уточ­нювалися і розвивалися, подаємо її у вигляді оригіналу: “Речовина її (біосфери. — авт.) складається із семи глибоко різнорідних природ­них частин, геологічно невипадкових”.

По-перше, із сукупності живих організмів, живої речовини, розсіяної в міріадах особин.

По-друге, з біогенної речовини — джерела потужної потенціальної енергії (кам’яне вугілля, бітуми, вапняки, нафта тощо).

По-третє, з коєної речовини — твердої, рідкої, газоподібної (камінь, вода, повітря), у відтворенні якої не беруть участі живі організми.

По-четверте, біокосної речовини, яка створюється одночасно живими організмами і коєними процесами, являючи собою динамічні зрівнова­жені системи перших і других. Такою є вся океанська і майже вся річна вода біосфери, ґрунт, кора вивітрювання і т.п.

По-п’яте, з речовини, яка перебуває в радіоактивному розпаді. Останні десятиліття випробування ядерної зброї й аварії на атомних електростанціях підтвердили наявність у живій і неживій природі ве­ликої кількості елементів радіоактивного розпаду.

По-шосте, з речовини, просякнутої розсіяними атомами, які безпосе­редньо утворюються із різних земних речовин під впливом сонячного випромінювання.

По-сьоме, з речовини космічного походження (космічний пил, метео­рити тощо).

Отже, речовина біосфери В.І.Вернадським розподіляється за де­кількома ознаками: за походженням (земна, космічна), характером ре­човини (жива, нежива), за характером вихідної речовини (біогенна, косна), за радіоактивністю, за ступенем дисперсності (розсіяні атоми). Слід зазначити, що сучасна жива речовина — цілком біогенного походження, оскільки вона трансформується вже з існуючих живих організмів. Для кількісної оцінки живої речовини В.І.Вернадський запропонував такі її параметри: хімічний склад, середня маса організмів і середня швидкість заселення усієї поверхні земної кулі.

Які ж функції живої речовини в біосфері? В.І.Вернадський нази­ває такі: а) газова; б) киснева; в) окислювальна; г) кальцієва; д) від- новлювальна; е) концентраційна; є) руйнування органічних речовин; ж) відновлювального розкладу; з) метаболізму і дихання організмів.

А.В.Лаппо, враховуючи набутий досвід останніх років та нові підходи, перегруповує названі В.І.Вернадським функції (табл.7.4).

Основні функції живої речовини в біосфері

Таблиця 7.4

Першою названа енергетична функція.

Уся маса живої речовини, яка була на Землі хоча б протягом 1 млрд років, вже перевищує масу земної кори. Дійсно, біомаса Землі (в сухій речовині) становить 2,44∙10¹² т, тобто 0,00001% земної кори (2∙10^,9 т). Беручи до уваги, що останній мільярд років продукція земної кулі була близькою до сучасної, можна розрахувати її сумарну кількість 2∙1O^,,∙1O⁹=2∙1O²° т, тобто в 10 разів більше маси земної кори. Слід бра­ти до уваги, що жива речовина — це надзвичайно активна хімічнодіюча маса, а тому стає зрозумілою і її велетенська енергетична роль.

Якщо врахувати, що на земну поверхню щорічно надходить 21 ∙IO²⁵ кДж сонячної енергії, то на поверхню, покриту зеленою рослинністю і во­доймищами з їх фітопланктоном, припадає лише близько 40%, або 8,4∙ IO²³ кДж енергії. З урахуванням витрат сонячної енергії внаслідок відбивання та інших причин, а також енергетичного виходу фотосинтез не переви­щує 2%. Загальна кількість енергії, яка запасається щороку у процесі фо­тосинтезу, виражається величиною порядку 20,9∙10²² кДж. В табл.7.5 наведені одиниці енергії, які використовуються в екології.

Таблиця 7.5

Одиниці енергії і деякі заокруглені дані, потрібні екологу

А. Одиниці потенціальної енергії.

Калорія(кал) — кількість тепла, необхідна для підвищення температури 1 л води па I^oC при 15"С.

Кілокалорія — кількість тепла, необхідна для підвищення температури 1 л води па Г'С при 15¹'C = 1000 кал.

Британська теплова одиниця (Btu) — кількість тепла, необхідна

для підвищення температури 1 фунта води па 1 F.

Джоуль (Дж) — енергія, необхідна для виконання роботи для

підняття 1 кг на висоту 10 см = 0,1 кгм.

Фут-фупт — енергія необхідна для виконання роботи для підняття

1 фунта па висоту в Іфут = 0,138 кгм.

Б. Одиниці потужності (енергія на одиницю часу).

Ват (Bt) — стандартна міжнародна одиниця потужності = ІДж/с — 0,239 кал/с.

Кіловат-година (кВттод) — стандартна одиниця електроенергії = 1000 Вттод Кінська сила (к.с.) = 0,7355 кВт.

Довідкові дані (середні або заокруглені величини)

Калорійність основних хімічних сполук їжі, ккал/г сухої маси

вуглеводи — 4

білки — 5 ліпіди — 9,2

Щоденна потреба в їжі (при сприятливій температурі)

Людина: 40 ккал/г живої маси = 0,04 ккал (близько 3000 ккал в день, дорослий масою 70 кг)

Дрібна птиця або ссавець: 10 ккал/г живої маси

Комаха: 0,5 ккал/г живої маси

Д. Енергетичний вміст горючих копалин (заокруглено):

1 г вугілля = 7,0 ккал

1 г бензину = 11,5 ккал

1 куб фут природного газу = 250 ккал

1 барель сирої нафти = 15∙10⁶ ккал

Значна частина захопленої рослинним покривом енергії (30-40% енергії, що йде на створення чистої продукції) використовується на ди­хання (табл.7.6). Отже, рослинність суші щорічно віддає на створення чистої продукції та дихання 4,2∙10^t8 кДж сонячної енергії. Дійсно, жива речовина біосфери чимось нагадує алмаз, у який потрапило сонячне проміння і довго не може повернутись назовні, “заблукавши” в склад­ному хитросплетінні кришталевої гратки.

Таблиця 7.6

Ефективність первинної продукції при оптимальних умовах

Рис 7.15. Продуктивність первинної продукції головних формацій рослинності земної кулі.

Рис 7.16. Порівняльні чисельні показники тваринного і рослинного світу різних екологічних формацій:

а — тундри; б — тайги; в — діброви; г — напівпустелі;

1 — фітомаса; 2 — зоомаса; 3 — споживання кисню тваринами; 4 — річні прирости рослинної маси.

У зв’язку з цим варто нагадати закон (принцип) “енергетичної провідності”, згідно з яким потік енергії, проходячи через трофічні рівні біоценозу, поступово втрачає свою силу. Відповідно до сформульовано­го у 1942 р. Р. Лендеманом закону піраміди енергії, або закону (прави­ла) 10%, з одного трофічного рівня екологічної піраміди на другий ви­щий рівень (по ланцюгу продуцент-консумент-редуцент) дістається в середньому близько 10% енергії, яка надійшла на попередній рівень екологічної піраміди. Зворотний потік, наприклад, від тварини до рос­лини набагато слабший — не більше 0,5% (навіть 0,25%) загального потоку.

Продуктивність основних рослинних формацій Землі зображена на рис.7.15. Як бачимо, найвищу продуктивність мають деякі естуарії, коралові рифи, добре удобрені плантації цукрової тростини тощо. Се­ред суходольних формацій найпродуктивнішою є формація дубових (рис.7.16).

7.4.1.2. Потоки енергії й енергетична класифікація екосистем

Потік сонячної енергії, який надходить до біосфери, приводить в дію біохімічний кругообіг. Як зазначено, на відміну від кругообігів води та інших речовин потік енергії рухається в одному напрямку. Якщо пада­ючий потік сонячної енергії має радіальний (вертикальний) напрямок, то подальший його шлях має здебільшого горизонтальний (латеральний) характер. Латеральні теплові потоки рухаються від перегрітого сонцем поля, лугу чи водного плеса до лісу чи парку. Правда, значна частина сонячного тепла повертається радіальним потоком назад в атмосферу. Особливо сильний радіальний потік відбитого від земної поверхні со­нячного тепла спостерігається погодної безхмарної ночі.

Великим енергетичним потенціалом відзначаються латеральні пото­ки повітряних мас (вітер), які, проникаючи в лісові чи лугові фітоценози, розхитують стовбури і стебла, розворушують листові пластинки чи квіти, піднімають і переносять насіння, охолоджують нагріте рослинне середо­вище, сприяючи тим самим подальшій трансформації збудженої механічної енергії в теплову чи хімічну.

Латеральні снігові замети сприяють накопиченню вологи у полеза­хисних смугах та узліссях лісових екосистем, що згодом підвищить енергію біохімічних процесів. Латеральні потоки енергії приливів спри­яють швидшому кругообігу мінеральних елементів живлення, пере­міщенню корму і відходів. Людство навчилося використовувати додат­кову енергію природи, створивши сучасні технології відновлювальної енергії.

Розглянемо радіальні і латеральні потоки енергії, джерелом яких є антропогенна діяльність. Передусім це радіальні потоки хімічних, металургійних, гірничопереробних підприємств і теплових електростанцій, які виносять в атмосферу величезну кількість токсичних викидів. Далі вони вже латеральними повітряними потоками (часто трансконтинен-

Рис. 7.17. Пошкоджені та знищені радіальними та латеральними потоками енергії хвойні ліси:

1 - Німеччина,? — Франція, 3 -- Швейцарія, 4 — Бельгія, 5 — Нідерланди,6 - Велика Британія. 7 — Данія, 8 — Норвегія,? — Швеція, 10 — Польща, 11 — Чехія, 12 — Словаччина, 13 — Австрія.

14 — Угорщина, 15 — Югославія, 16 — Румунія.

тальними) переносяться на великі віддалі і знову таки радіальними потоками опускаються на земну поверхню. Ці потоки механічної енергії є транспортом для хімічної енергії, яка проявляє себе в біологічних про­цесах конкретних наземних і водних біогеоценозів.

На рис.7.17, взятому з монографії відомого австрійського вченого- лісівника Г.Майєра ‘‘Ліси Європи”, показані пошкоджені і знищені цими смертоносними потоками хвойні ліси центральної і східної Європи. Ось як виглядає динаміка пошкоджень у ФРН (без колишньої НДР), %:

Рис. 7.18. Імпорт і експорт оксидів сірки: а — в ФРН з: Англії, Нідерландів, Бельгії, Франції, Швейцарії, Данії, Польщі, НДР, ЧССР, Австрії, Югославії, Північної Італії;

б — з ФРН B^, Англію, Нідерланди, Бельгію, Францію, Швейцарію, Данію, Польщу, НДР, ЧССР, Австрію, Югославію, Північну Італію.

Найбільше постраждали ялицеві ліси ФРН (табл.7.7). На рис.7.18 показані зовнішні потоки забруднень атмосферного басейну ФРН, а також ті, які направлені з країни. За даними вчених, 18 шведських озер були підкислені кислими дощами, що призвело до загибелі риби. В Норвегії і Данії пошкоджено 3-5% лісів. В Польщі полютантами пошкод­жено 1,5 млн га лісів (25% усієї лісової площі). Отже, радіально-лате- рально-радіальні потоки повітряних мас є носіями хімічної енергії, яка нагромаджується в наземних і водних екосистемах, створюючи її над­лишок, шкідливий для живої речовини.

Таблиця 7.7

Пошкодження лісів за видами дерев у ФРН

Великі міста та індустріальні центри є потужними джерелами ла­теральних теплових потоків, які переміщуються від ядра міста до його околиць. Часто разом з тепловими потоками переміщуються латераля- ми полютанти, здебільшого автотранспортні викиди, а також пил. У ве­ликих містах спостерігається розсіювання теплової енергії (ентропія), яка веде до ксерофілізації атмосферного і ґрунтового повітря та алкалізації (олужнення) міських ґрунтів. Ці латеральні теплові та полютанто- забруднюючі потоки енергії змінюють рослинний і тваринний світ при­родних ландшафтів, створюють нову живу речовину міст, яка поки що слабо вивчена.

Антропогенна енергія (механічна, теплова, хімічна) може концентру­ватися в окремих природних екосистемах, підвищуючи їх продуктивність (агроекосистеми) або ж, при невмілому включенні цієї енергії в при­родний потік, призводити до їхньої деградації.

Враховуючи, що енергія — спільний знаменник і вихідна рушійна сила всіх екосистем як сконструйованих людиною, так і природних, Ю.Одум (1985) пропонує прийняти енергію за основу для “первинної” класифікації екосистем (табл.7.8).

Таблиця 7.8

Класифікація екосистем за джерелами і рівнем надходження енергії

Отже, за рівнем надходження енергії в екосистеми їх поділяють на чотири групи:

1. Природні, якими рухає Сонце, несубсидовані.

2. Природні, якими рухає Сонце та інші природні джерела.

3. Урухомлені Сонцем і субсидовані людиною.

4. Індустріально-міські, які утримуються паливом (добутим із ко­рисних копалин, іншими органічними або ядерними).

Наведені Ю.Одумом приклади пояснюють особливості функ­ціонування цих систем, які можна було б віднести за ієрархічним ран­гом до біогеоценотичних комплексів і навіть біомів. У параметри біологічної системи не вкладається індустріально-міська екосистема, яка є однією із різновидів соціально-економічних систем. Якщо взяти до уваги біогеоценотичний рівень, то з урахуванням класифікації гемеробності екосистем, розглянутої в розділі 5, агемеробному стану відповідає перший і другий типи, олігогемеробному, мезогемеробному і еугемеробно.чу — третій тип, метагемеробному сумісно з еугемеробним і полігемеробним — четвертий тип екосистем. Енергетична різниця за станом гемеробії біогеоценозів також розглянута в розділі 5.

Зупинимося лише на індустріально-міській екосистемі, яку Ю.Одум в одній роботі називає “вінцем” досягнень людства, в іншій — його “пух­линою”. Тут, — наголошує вчений, — висококонцентрована потенційна енергія палива не просто доповнює, а заміняє сонячну енергію. При су­часних методах ведення міського господарства сонячна енергія у само­му місті не лише не використовується, а стає надто коштовною перешко­дою, оскільки вона нагріває бетон і сприяє утворенню смогу. їжу, про­дукт систем, які рухає Сонце, можна вважати зовнішньою їдальнею міста, оскільки переважну частину продуктів ввозять іззовні. Міста в міру зростання цін на паливо, напевно, стануть більше цікавитися викорис­танням сонячної енергії. Можливо, виникне новий тип екосистеми міста, якою буде рухати Сонце із допоміжною енергією палива.

T а б л и ц я 7.9.

Щільність споживання енергії, прямо пов’язаної із використанням

палива людиною

Однак дотепер щільно заселені індустріально-міські екосистеми, як зазначає автор, споживають колосальну кількість енергії (табл.7.9): принаймні на два-три порядки більше того потоку енергії, який підтримує життя в природних або иапівприродних екосистемах, урухом- лених Сонцем. Це пояснюється великою щільністю заселення одиниці площі в крупних містах, яка дає змогу їх мешканцям одержувати висо- коконцентровану енергію палива: 1 га високорозвинутого урухомлено- го паливом середовища споживає на рік близько 2,2 млрд ккал (2,2∙ IO⁹) або й більше.

Порівнюючи ці величини зі сонячною енергією, яка досягає поверхні Землі, бачимо, що залежно від широти вона коливається в межах l-2∙10^b ккал• м²-рік '.

Розхід енергії можна визначити з перерахунку на душу населення. Наприклад, в 1970 р. в США було спожито 17,4∙10^b ккал енергії палива (в тому числі і того, що витрачено на виробництво електроенергії). Поділимо, зауважує Ю.Одум, цю кількість на 200 млн чоловік і одержимо близько 87 млн ккал на людину в рік. Людина ж споживає всього щорічно 1 млн ккал енергії їжі. Отже, на домашнє господарство, промисловість, торгівлю, транспорт та інші види діяльності людини у США використо­вується у 86 разів більше енергії, ніж вимагають фізіологічні потреби людини. Слід зауважити, що у слаборозвинутих країнах споживання па­ливної енергії на душу населення значно нижче: в Індії, наприклад, в 50, а в Пакистані в 100 разів менше, ніж у США. В таких країнах ще величез­ну роль відіграє м’язова енергія людей і тварин.

7.5.