Raft Master » Научная библиотека » Биоэкология » Живой океан организован подобно живой клетке


  • 5-01-2013, 04:54
  • | Views: 968


Живой океан организован подобно живой клетке

Живой океан организован подобно живой клетке

Начиная знакомиться с океанами, не забудем, что на ранних стадиях геологической эволюции Земли они формировались по законам косного мира. Живыми без кавычек они становились по мере заселения, в ходе биологической эволюции и эволюции самой биосферы. В истории биосферы (первые три с половиной миллиарда лет), в поверхностных водах Земли обитали только лишь одноклеточные существа. С появлением в воде микроорганизмов океаны стали объектами биокосными. Именно в таком, обитаемом виде их можно сравнивать с живыми клетками.

На рис. 8.10, взятом из учебника по ботанике, видим классический образ клетки растения. Здесь показаны лишь три варианта клеточной формы из множества других, на "клеточку" из школьной тетради совсем не похожих. Но и этих изображений достаточно, чтобы заметить ярко выраженные структурные свойства, присущие большинству клеток. В пространстве клетки густая протоплазма распределена не равномерно: она примыкает к стенкам; к ним же жмутся и хлоропласты. Большую, внутреннюю часть пространства клетки занимают вакуоли с низкой концентрацией органических веществ; хлоропластов здесь нет. Такое распределение наиболее активных и слабо активных зон типично для всех систем, имеющих постоянный обмен со своей средой; такое строение закономерно.

Первейшая задача жизни - получать необходимые для роста питательные вещества, а они поступают извне, через внешнюю границу, проницаемую для молекул оболочку. В оболочку вмонтированы транспортные ферменты, энергетически активирующие и переносящие пищевые вещества внутрь и удаляющие наружу отходы клеточного метаболизма. У внутренних стенок начинается синтез новых клеточных веществ. Протоплазма здесь наиболее активна. По мере удаления от стенок интенсивность обменных процессов снижается, а в больших вакуолях обмен веществ вялый; здесь располагаются обводненные молекулярные хранилища. Клеточная протоплазма движется в основном круговым потоком, идущим вдоль поверхности клетки, омывая её пристеночную, метаболически активную область.

Взглянем на океан в одном из его "разрезов" (рис. 8.11). На рисунке показана схема круговых течений в поверхностной области. Эту схему можно считать графической моделью Атлантического или Тихого океана. Как следует из рисунка, в окружении косных берегов находится водная масса. Стрелками показаны две главные группы однонаправленных течений (в экваториальной и в приантарктической области). Выше и ниже экваториальных потоков видим замкнутые круговороты. Их центры обозначены буквами А (антициклонические, высокого давления) и Ц (циклонические - низкого давления). По периферии и в центре круговорота вода движется во взаимно противоположных направлениях В центре области атмосферное давление понижено и поэтому градиент давления направляет воздушные потоки над поверхностью вод к центру, а сила Кориолиса поворачивает их против часовой стрелки (в северном полушарии).

Из рисунка видно, что центры океанических колец смещены к западным берегам океана. У этих берегов развиты мощные, наиболее сильно влияющие на климат Земли течения. Это Гольфстрим в Атлантическом океане и Куросио в Тихом. Менее известны аналогичные течения южного полушария. Сходства циркуляторного, причем сдвинутого в стенкам, движения водной фазы в клетке и в океане нельзя не заметить. И хотя действующие в них механизмы имеют совершенно разное происхождение, первичный источник энергии в клетке и в океане общий - Солнце.

На рис. 8.12 показана схема, отражающая основные черты пространственного распределения жизни в океане. Здесь совсем другой, но тоже легко узнаваемый "клеточный" облик. Сходство с живой клеткой определятся здесь околограничным распределением метаболически активных процессов. В верхней левой части рисунка видим профиль распределения АТФ вдоль границы между океаном и атмосферой. В сравнительно тонком фотическом слое воды сосредоточен фитопланктон с сопутствующим бактериями и поедающими их мелкими животными (благодаря их присутствию концентрация АТФ в этом слое в 10 - 50 раз выше, чем в придонном слое океана). Вертикальный профиль АТФ (на рис слева) выявляет еще один максимум жизни на глубине около 500 м от поверхности. Ниже этого слоя концентрация АТФ снижается до минимума и еще раз повышается вблизи дна, за счет придонной жизни. В правой части рисунка показан вертикальный профиль распределения концентрации кислорода в воде.

Важная роль разнообразия организмов в мире жизни общеизвестна. Однако, среди "множества разнообразий"* есть разные по важности. В сфере жизни разнообразие особенно важно в тех случаях, когда на его основе возникают химические, физические и биологические, прямые и обратные связи между функционально разными частями объекта и формируется его системная организация. Так вот, химик и биогеофизик Т.А. Айзатуллин предложил индекс функционального разнообразия для оценки околограничных явлений в биокосных объектах (в том числе на основе различий между Гео и Био). В океане, в отдельно взятой взрослой живой клетке, в теле взрослого слона или кита четко выделяются три типа физических тел - жидкие (вода), твердые (кости, раковина, в океане его твердое ложе) и парные границы - Гео-Гео, Гео и Био, а соответственно и граничные поверхности между ними. В любом районе океана можно определить: 1) количество граничащих и взаимодействующих объектов, п, и 2) количество прямых и обратных связей, R , между ними:

R(n) = n (1 - п)

Здесь R выступает в роли индекса разнообразия* .

Применительно к физико-географическому процессу (ФГП) величина п показывает разнообразие объектов в геофизической (Гео-Гео) среде, a R/2 - количество системных взаимодействий в этом процессе или объекте.

Обратимся в этой связи к рисунку 8.13. На нем показана структура океана, отражающая разнообразие его основных физических интерфейсов (и соответственно около граничных взаимодействий). Как и в живой клетке, главные жизненно активные зоны океана примыкают к его граничным поверхностям - границе с атмосферой, с берегами, с дном. Это зоны высокой концентрации "живого вещества" и АТФ. И напротив, центральные области океанов бедны жизнью. Они функционально напоминают большие клеточные вакуоли.

Этот индекс может рассматриваться не только в контексте комбинаторного анализа, но также с точки зрения статистической термодинамики и теории информации. Количество прямых и обратных связей между взаимодействующими объектами определяет количество вероятных состояния системы: N = 2nl-n"i:i, меру статистических различий и максимальное количество информации в байтах, R = log2N = n (1- п).

На схеме, в кружках приведены оценки приграничных индексов R . Обозначены следующие границы: А - вода-атмосфера, S - вода берег, SM - вода - взвешенные в воде органические частицы, В - вода-дно, L - вода-живые организмы, I - вода-лед, IS - вода-остров, SS - вода-подводный источник (выброс) и С - обобщенное взаимодействие с космосом.

Если двигаться из некоторой точки, где число границ минимально (при Rmm п = 2), в другую точку (i) , вероятность (Р) очага жизни изменяется соответственно уравнению:

Р| = Р| / Pmin = (Ri / Rmin)a

Здесь Р, и Pmm представляют искомые вероятности, Rmin = 2, и a - эмпирически определяемая экспонента.

Опыт расчетов, поведенных по картам районов морского промысла, показывает хорошее совпадение с концентрацией организмов высших трофических уровней. При этом существенно, что повышенные значения R совпадают с параметром ФГП, выраженным через количество взаимодействий между физико-географическими характеристиками районов промысла (Lebedev et al, 1989, рр 262 - 264).

Сопоставление пространственного портрета живой клетки и портретов, в разных сечениях отражающих живой океан, показывает структурно-системное подобие двух этих далеко отстоящих один от другого уровней организации жизни. Их сходство определяется единством базовых законов природы и законов метаболизма. Принципы поточной организации клеток и океанов, общая в тех и других химическая и биохимическая кинетика, свойственная им колебательная природа процессов - все это имеет глубокое сходство.

На фоне системного подобия клеток и океанов ярко выступает целый ряд незаметных глазу, но важных различий. Колоссально различны характерные времена жизни клеток и океанов. Столь же разительно непохоже соотношение в них масс Гео и Био; специфична и их динамика. Действительно, яйцевая клетка или зародыш растения или животного представляют собой ювенильные биокосные объекты с наивысшей концентраций биоорганических веществ и небольшой долей Гео (клеточная и тканевая вода, минеральные вещества), с ярко выраженными свойствами жизни, готовые к росту и развитию. Косных веществ в виде тверди молодая клетка или зародыш растения не имеют. Напротив, океаны - это близкие к стационарному состоянию уровни организации гидросферы, в которых масса воды, растворенных минеральных солей и твердых биогенных отложений на много порядков величин превышает общую массу биоорганических веществ. Продолжая перечислять различия, отметим, что скорости и интенсивности физических (движение протоплазмы клеток и интенсивность водообмена), химических и биохимических процессов в живых клетках на много порядков величин выше, чем в океанах.

Авторы книги об океане, цитированной в начале второго раздела этой лекции, выражают созревшую к концу XX века догадку и осторожно её комментируют: "Мы решились сравнить океан с живой клеткой по той причине, что, поглощая внешнюю энергию, океан непрерывно совершает некоторую закономерную работу, некоторые ритмические циклы деятельности - механической, термодинамической, химической и биологической, что, находясь на разных широтах в условиях очень различных, он не теряет своего единства и имеет способы сохранять и поддерживать свои отличия от внешней среды" (Лебедев и др., 1974, с.7). В начале XXI века единство организации и жизни разных природных объектов, входящих в состав гидросферы и биосферы, подтверждается по многим характеристикам.




  • Вернуться



  • Еще по теме


    Экологический метаболизм


    Косные и живые тела в потоках воды и воздуха


    Внешняя и внутренняя среды в биоэкологических объектах


    Океан в океаносфере и биосфере


    Водообмен в косных и живых объектах биогидросферы

     

    Последние новости



    Пользовательский поиск

    Партнеры