Учение В. И. Вернадского о биосфере

Большой вклад в учение о биосфере внес академик В. И. Вернадский. Он понимал биосферу как сферу единства живых организмов и неживой природы. В качестве структурных компонентов биосферы Вернадский изначально выделял семь разнообразных, но геологически взаимосвязанных частей: живое вещество, биогенное вещество, косное вещество, биокосное вещество, радиоактивное вещество, рассеянные атомы, вещество космического происхождения. В настоящее время чаще всего различают три типа веществ: живое, косное и биокосное.

Живое вещество — вся совокупность живых организмов (включая человека), которая рассматривается как однородное живое вещество. Живое вещество как биогеохимический фактор количественно выражается в элементарном химическом составе, массе и энергии.

Косное вещество — продукты, образующиеся без участия живых организмов (мертвые пебиогенные горные породы и минералы).

Биокосное вещество — вещество, возникающее в результате совместной деятельности организмов и абиогенных процессов (почва, нефть, торф, известняки и др.).

Центральное место в учении о биосфере отводится живому веществу, особенности которого заключаются в следующем:

• — химические реакции протекают в живых организмах с удивительной упорядоченностью и в менее жестких условиях, чем вне организмов;
• — живое вещество способно заполнить собой все возможное пространство путем «растекания», реализуемого в двух формах: пассивной (рост и размножение организмов) и активной (направленное движение организмов);
• — живое вещество характеризуется значительно большим разнообразием, чем любое косное вещество, и постоянно обновляется. Оно проводит «геологическую работу» — увеличивает биомассу, меняет среду обитания, преобразовывает физико-химические параметры биосферы;

в биосфере живое вещество представлено в виде дискретных особей, но никогда не существует в виде обособленных организмов;

— характерной для живого вещества является способность к эволюционному процессу.

Живое вещество — краеугольный камень учения о биосфере В. И. Вернадского. Живые организмы создают в биосфере кругообороты важнейших биогенных элементов, которые попеременно переходят из живого вещества в неорганическую материю. В. И. Вернадский сделал вывод, что жизнь на нашей планете возникла вместе с формированием Земли, а не в более поздние сроки, а также не была занесена на нее извне. Для всего живого свойственна очень высокая функциональная активность, которая связана со способностью к неограниченному развитию и количественному росту, названная В. И. Вернадским «напором жизни».

Основными свойствами биосферы являются:

• — централизация (в центре — все живые организмы);
• — открытость (для получения энергии извне);
• — саморегуляция (способность восстановления исходного состояния);
• — разнообразие (сред, природных зон, видов живых организмов);
• — непрерывность протекания процессов (за счет кругооборота веществ).

Концепция В. И. Вернадского до сих пор остается наиболее цельным, завершенным, основополагающим учением, в котором он описал процесс эволюции биосферы. Им были сделаны важные выводы о том, что каждый организм может существовать только в тесной взаимосвязи с другими организмами и неживой природой; развитие живых организмов приводит к глубоким изменениям на Земле. В. И. Вернадский отмечал, что биосфера не только «работает и изнашивается», но и развивается в процессе работы, самоусовершенствуется, обогащается информацией.

Согласно учению В. И. Вернадского эволюция живого вещества происходит в сторону усложнения уровня организации, уменьшения прямой зависимости от среды обитания. Мировой эволюционный процесс приведет к перестройке биосферы в интересах природы и человечества — образованию ноосферы (сферы разума). Ученый подчеркивал глобальный характер единства человека и природной среды.

Учение В. И. Вернадского о биосфере и ноосфере признано ключевой, центральной концепцией современного естествознания. Однако в настоящее время выявился противоречивый характер взаимодействия человека и природы, который при чрезмерном вмешательстве человека в природную среду может привести к глобальному экологическому кризису и разрушению биосферы.

Устойчивость биосферы

Она основана на саморегуляции всех составляющих ее частей и процессов за счет способности возвращаться в исходное состояние после любых возмущающих воздействий. Биосфера очень устойчива: она существует примерно 3,8 млрд лет. За время существования на биосферу оказывалось мощное космическое и внутрипланетарное воздействие. В частности, за последние 570 млн лет отмечено шесть глобальных катастроф, вызвавших исчезновение многих видов живой природы. По биосфера всегда восстанавливала свое состояние и продолжала развиваться.

Важнейшую роль в поддержании жизни играет магнитное поле Земли, силовые линии которого окружают земной шар и образуют вокруг него магнитосферу, которая защищает живые организмы от космического излучения, опасного тем, что способно за относительно короткий срок разложить на ионы и электроны весь воздух атмосферы, а следовательно, уничтожить жизнь на планете. Защитником жизни выступает и образованный автотрофными организмами озоновый слой атмосферы, который препятствует проникновению коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца к поверхности Земли.

Устойчивость биосферы поддерживается и непрерывно протекающими процессами на Земле. Одним из них является участие организмов в разложении остатков растительной биомассы. Ткани и органы отмерших растений и животных иод воздействием организмов-редуцентов распадаются. Вещества, которые входили в состав организмов, вновь вовлекаются в круговорот веществ.

Еще один способ повышения устойчивости биосферы заложен в высоком видовом разнообразии живых организмов. В биосфере действуют сложные системы обратных связей и зависимостей.

Устойчивость поддерживается также неизменностью кругооборотов веществ в биосфере. Кругообороты оставались стабильными, несмотря на фундаментальные процессы: накопление кислорода, связывание инертного азота, осаждение кальция, образование кремнистых сланцев, накопление фосфора и т. д.

Отсюда следует вывод, что стабильное устойчивое состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, которое, согласно В. И. Вернадскому, «как бы само создает себе область жизни».

Одна из основ устойчивости биосферы заключена в наличии резервов при любых видах воздействий природной среды на организмы. Такие резервы и возможности их реализации заложены на всех уровнях организации — от молекулярного до биосферного.

Однако существует и предел устойчивости биосферы, выход за который грозит серьезными последствиями. Это подтверждается действием правила одного процента: изменение энергетики природной системы в среднем на 1% выводит последнюю из состояния гомеостаза (равновесия). Данное правило нашло свое подтверждение при проведении исследований в области глобального климата и других геофизических и биофизических процессов. Так, все крупномасштабные природные явления (извержения вулканов, мощные циклоны, процесс глобального фотосинтеза и т. п.), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1% энергии солнечного излучения, достигающего поверхности Земли. В случаях перехода энергетики процесса за этот порог возникают резкие аномалии — климатические отклонения, перемены в характере растительности, крупные лесные и стенные пожары, наводнения. Поэтому хозяйственная деятельность человека должна строиться с учетом сохранения устойчивого состояния биосферы.

Рассмотрим подробнее структурные компоненты биосферы.

Биогеоценозы выделяют в составе биосферы как экосистемы макроуровня. Распределение биогеоценозов на земном шаре зависит от условий их существования. В связи с этим различают следующие основные биогеоценозы мира (по Ю. Одуму): моря, эстуарии (устья рек, где пресная вода вливается в соленую морскую и перемешивается с ней приливами) и морские побережья, ручьи и реки, озера и пруды, пресноводные болота, пустыни, тундру, травянистые ландшафты, леса.

Термин «биогеоценоз» предложил В. Н. Сукачев, который понимал под ним «совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений — атмосферы, горной породы, гидрологических условий, растительности, животного мира, мира микроорганизмов и почвы»^[1]. Для этой совокупности характерны специфические взаимодействия компонентов, их особая структура и определенный тип обмена веществ и энергии (рис. 1.2).

Одним из важнейших свойств биогеоценоза является взаимосвязь и взаимозависимость его составляющих. Компоненты неживой природы воздействуют друг на друга (испарение воды из почвы и с водных поверхностей увеличивает влажность атмосферы, выпадение осадков пополняет содержание влаги в почве и водных объектах, от состава почвы зависит ее отражательная способность, которая влияет на прогреваемость атмосферы и т. д.). По замкнутому циклу происходит и взаимодействие компонентов живой природы (живые организмы становятся друг для друга либо пищей, либо средой обитания, либо фактором смертности; микроорганизмы являются возбудителями заболеваний и т. д.). Между компонентами живой и неживой природы также осуществляется постоянный обмен (почва представляет собой среду обитания животных, растений и микробов, атмосфера необходима для их дыхания, разлагающиеся остатки живых организмов минерализуются и т. д.). На уровне биогеоценоза происходят все процессы кругооборота веществ и потока энергии в биосфере.

Рис. 1.2. Схема взаимодействия компонентов в биогеоценозе.

• [1] Сукачев В. II. Структура биогеоценозов и их динамика // Структураи формы материи. М., 1967. С. 575.