Концепция биосферы В. И. Вернадского

В. И. Вернадский подчеркивает, что «сопоставление двух точек зрения — биологической и геохимической — в конце концов, углубляет и изменяет научный охват явлений жизни»¹. Его концепция биосферы опирается на понятие о живом веществе, которое он определяет как «совокупность всех живых организмов без исключения»², и подчеркивает, что пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни.

В. И. Вернадский выделяет в составе ноосферы семь составных частей, которые, хотя и глубоко разнородны, но «геологически не случайны» (табл. 16.1).

Таблица 16.1

Компоненты биосферы.

Сост. по: Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера. С. 236—238.

Все эти компоненты биосферы непрерывно взаимодействуют между собой, образуя целостную динамическую систему. Считается, что биомасса единовременно живущих организмов на Земле составляет 1,8—2,4 х х 10¹² т в пересчете на сухое вещество, причем ежегодно они продуцируют около 10¹¹ т сухого вещества³.

• 1 Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера. С. 116.
• 2 Там же. С. 24.
• 3 Филиппович Ю. Б. Основы биохимии. М.: Флинта, 1999. С. 15.

Основным системообразующим фактором, связывающим биосферу в единое целое, выступает живое вещество, которое может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы: «Жизнь может проявляться только в определенной среде, в определенных физических и химических условиях. Это как раз та среда, которая отвечает биосфере»¹.

Живое вещество выполняет в биосфере важные биогеохимические функции:

• — газовую — живое вещество поглощает и выделяет газы;
• — окислительно-восстановительную — живое вещество окисляет, к примеру, углеводы до углекислого газа и восстанавливает его до углеводов;
• — концентрационную — организмы-концентраторы накапливают в своих телах и скелетах азот, фосфор, кремний, кальций, магний.

Биосфере присущи многие функции, однако энергетическая является одной из главнейших. Хотя Солнце — главный источник энергии для биосферы, но растениям принадлежит ведущая роль в «перенаправлении» солнечной энергии до конечных потребителей — гетеротрофных животных.

Реализация этих функций приводит к тому, что живое вещество биосферы из минеральных веществ создает природные почвы и воды, поддерживает в равновесном состоянии атмосферу. Организмы берут из окружающей среды химические элементы для построения своих тел и возвращают их как в процессе жизни (при обмене веществ), так и после смерти в ту же самую среду. Тем самым и жизнь, и косное вещество находятся в непрерывном тесном взаимодействии, в круговороте химических элементов.

В. И. Вернадский включает в состав живого вещества также и Человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ:

• • во-первых, увеличивающейся с ходом геологического времени интенсивностью воздействия на живое и косное вещество;
• • во-вторых, специфическим характером воздействия Человечества на остальное живое вещество.

В. И. Вернадский неоднократно подчеркивает, что человек как живой организм не может быть отделен от биосферы: «Он геологически связан с материально-энергетической структурой биосферы. В действительности ни один живой организм в свободном состоянии на Земле не находится. Все эти организмы неразрывно и непрерывно связаны — прежде всего, питанием и дыханием — с окружающей их материально-энергетической средой. Вне ее в природных условиях они существовать не могут»^[1][2].

Мнение эксперта Живое вещество «по весу составляет ничтожную часть нашей планеты. По-видимому, это соотношение наблюдается в течение всего геологического времени, т. е. геологически вечно. Живое вещество сосредоточено в тонкой, более или менее сплошной, пленке на поверхности суши в тропосфере, в лесах и полях, и проникает весь океан. Количество его исчисляется примерно 0,25% биосферы по весу. На суше оно идет в сплошных скоплениях на глубину в среднем, вероятно, меньше 3 км»¹.

Именно поэтому Вернадский рассматривает «геохимическую работу живого вещества» в составе единого целого, каковым является система взаимосвязи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого. В биосферу он включал и все продукты жизнедеятельности, выработанные за время существования жизни, — так называемый «культурный слой», который особенно наглядно видно в городах. Здания, построенные человеком 1—3 века тому назад (миг в сравнении с геологической историей Земли!), уходят в землю на целые метры^[2][4].

Таким образом, В. И. Вернадский открыл биосферу не просто как биологическую оболочку Земли, но исследовал ее геологическую и геохимическую, а следовательно, планетообразующую роль.

Живое вещество составляет незначительную часть биосферы. Однако, несмотря на это, живое вещество играет важную роль в геологических процессах, благодаря которым изменяется облик Земли. Живой организм составляет неотъемлемую часть земной коры, он непосредственно участвует в геохимических процессах: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом», — подчеркивает В. И. Вернадский^[5]. Практически в биосфере все атомы подавляющего числа элементов периодической системы Менделеева прошли в своей истории через состояние живого вещества.

Жизнь на Земле в процессе своего существования принципиально изменила внешний облик планеты и его составляющие: ландшафт, климат, температуру Земли и т. д. Таким образом, биосфера — планетарная природная система. Совокупная жизнедеятельность живого вещества определяет особенности биосферы и в первую очередь — наличие круговорота энергии и вещества.

Как считал В. И. Вернадский, исследователи прошедших времен практически не рассматривали вклад живых организмов в энергетику биосферы, недооценивали их влияние на неживые тела.

Мнение эксперта.

«Биосферу определяют как область жизни, однако более точно ее следует определить как оболочку, в которой могут происходить изменения, вызванные приходящим солнечным излучением»^[6].

Энергетическая основа существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов — ближайшая к нам звезда, Солнце. Оно выступает основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Немецкий естествоиспытатель Ю. Майер указывал, что жизнь есть создание Солнечного луча. Эту идею развивает и В. И. Вернадский: можно «брать все живое вещество в целом, т. е. совокупность всех живых организмов без исключения, как единую особую область накопления свободной химической энергии в биосфере, превращения в нее световых излучений Солнца»¹. Это превращение солнечной энергии он рассматривает как свойство живого вещества, как его функцию в биосфере.

Решающее отличие живого вещества от косного заключается в ряде характеристик.

• 1. Скорость процессов в живом веществе гораздо более велика, чем в косных телах, и это требует разного понимания времени: изменения в живом веществе протекают в историческом времени, а процессы в косных телах — в геологическом. По Вернадскому, в историческом масштабе 1 тыс. лет можно приравнять к 300 млн лет геологического времени^[7][8].
• 2. С течением геологического времени увеличивается мощь живого вещества, повышается интенсивность его воздействия на косное вещество. Это воздействие, указывает В. И. Вернадский, проявляется прежде всего в том, что «существует непрерывная миграция атомов из биосферы в организмы и обратно»^[9].
• 3. Только в живом веществе качественно изменяются организмы, происходит процесс смены старых и появления новых видов живых организмов, которые вносили свой вклад в становление современной биосферы. Так, в конце кембрия на Земле исчезло 52% таксонов, в конце девона — 30, в конце пермия — 50, в конце триаса — 35 и в конце мела — 26%. Согласно научным публикациям катастрофические изменения в биосфере Земли (резкое уменьшение ее биоразнообразия) происходили примерно на границе галактических годов (галактический год равен приблизительно 250 млн лет). Это — 650, 435, 220 и 50 млн лет назад^[10]. В другие годы также регистрировалось вымирание видов, но меньшее по масштабу.

Информация к размышлению Учение об ароморфозах, идиоадаптациях и дегенерациях разработано А. Н. Северцовым (1925). Ароморфоз (греч. аго — поднимаю, morpha — форма) — усложнение организации, которое сохраняется при дальнейшей эволюции и приводит к возникновению новых крупных систематических групп.

Идиоадаптация (от греч. idios — свой, своеобразный и адаптация) — приспособление организмов к конкретной среде обитания, не сопровождающееся заметным изменением уровня организации.

Дегенерация (от лат. degenero — вырождаюсь) — упрощение структуры органов и тканей в процессе онтогенеза организмов, например, исчезновение хвоста у головастика при превращении его в лягушку; упрощение организации в процессе эволюции.

Механизм вымирания многих видов состоит в том, что «…в эпохи катастроф в живом мире происходят ароморфозы, а в спокойные эпохи — идиоадаптации. В результате идиоадаптаций на Земле появляется большое число видов, жестко приспособленных к узким экологическим нишам. Именно такие виды быстро вымирают»¹; в геологическом времени они представляются короткосуществующими видами.

4. Изменения окружающей среды — фактор адаптации к ней живых организмов благодаря происходящим в них изменениям: «Эволюционный процесс присущ только живому веществу. В косном веществе нашей планеты нет его проявлений»^[11][12].

По В. И. Вернадскому, живое вещество имеет «свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды», что подтверждается, в частности, непрерывным ростом ЦНС животных и повышением ее значения в биосфере, специфической организованностью биосферы. В упрощенной форме эту организованность, по его мнению, можно выразить так: ни одна из точек биосферы «не попадает в то же место, в ту же точку биосферы, в какой она когда-нибудь была раньше»^[13].

Фактически это — синергетическая идея необратимости изменений, присущих любому эволюционному процессу: приспособившись к новым условиям, животные или растения уже не могут вернуться, даже отчасти, к прежнему состоянию, которое пройдено рядом их предков. Так, вторичноводные животные — киты, ластоногие, освоив водную среду, не превращаются в рыб и не приобретают признаков, свойственных рыбам. Здесь действует закон необратимости эволюции, или «закон Долло»^[14].

Понятие биосферы В. И. Вернадский связывает с концепцией геологического и исторического пространства-времени, поэтому биосфера трехмерна и исторична. Осмысление биосферы только как современной «жизнедеятельной пленки» Земли не просто обедняет это понятие, но лишает биосферу важнейшей ее основы, а именно — бесконечно длительного процесса эволюции, неравномерного и весьма сложного исторического развития в его непрерывности, направленности и необратимости.

Насколько распространена биосфера?

Основная масса живых организмов сосредоточена на границе трех геологических оболочек Земли: газообразной (атмосфера), жидкой (гидросфера), твердой (литосфера).

Атмосфера — наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством. Через атмосферу происходит обмен вещества и энергии с космосом.

Тропосфера — нижний слой атмосферы, примыкающий к поверхности Земли (высота 9—17 км). Здесь происходит формирование и перемещение воздушных масс, образование циклонов и антициклонов, появление облаков и выпадение осадков. Эти процессы определяют погоду и климат у земной поверхности.

Стратосфера простирается до высоты 50—55 км. В пределах 15—60 км находится озоновый слой, сильно поглощающий солнечную радиацию. Озон способствовал распространению живого вещества на суше, и он же определяет верхний предел жизни в биосфере.

Ионосфера (выше 60 км) — оболочка, в которой практически отсутствует «живое вещество», она составляет область заряженных частиц, ионизированных вследствие облучения космическими лучами, — ионов и электронов.

В атмосфере наиболее заселен слой до 50 м, а вынос микроорганизмов на высоты более 15 км возможен благодаря конвекционным потокам. За пределами озонового слоя мощный поток ультрафиолетового излучения, видимо, убивает все живое. Однако защиту живых клеток от воздействия излучения и потоков ионизирующих частиц может, в частности, обеспечить железный метеорит диаметром менее 0,6 мкм и стенками толщиной не более 0,1 мкм.

Гидросфера — совокупность всех вод на Земле (глубинных, почвенных, атмосферных, речных, океанических и др.). Ее основную часть (96,53%) составляет Мировой океан. Океану присущ гомеостаз — способность сохранять постоянство химического состава. На протяжении тысячелетий соотношение основных химических компонентов воды в океане остается практически постоянным, поэтому В. И. Вернадский даже предлагал принять это соотношение в качестве константы для планеты Земля, подобно тому, как характерной константой вещества служит точка его плавления.

Литосфера — внешняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы 50—200 км. Та ее часть, которая сформирована за счет совместного воздействия на нее воды, воздуха и живых организмов, образует почву. Плодородную часть почвы (гумус) образуют остатки организмов после разложения. Составные части почвы: минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Нижняя граница распространения живых организмов в литосфере определяется температурой. Биологами установлено, что простейшие организмы могут жить при температурах до 100 °C, а обнаружение грибов в ядерных реакторах свидетельствует о возможности живого вещества переносить мощные потоки ионизирующего излучения.

Информация к размышлению Потомство одной бактерии способно захватить поверхность всей планеты всего за 1,47 суток, «растекаясь» со скоростью 33,1 м/с. Чтобы воспроизвести биологическую массу, равную массе земной коры, при беспрепятственном размножении бактериям нужно всего 1,6 суток, зеленым водорослям — 24,5 суток, слонам — 1300 лет¹.

В. И. Вернадский сформулировал три основных биогеохимических принципа эволюции биосферы как целостного образования.

Первый принцип: биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному значению. Этот принцип вытекает из факта устойчивости геологических процессов в историческом времени.

Освоение жизнью новых областей планеты Земля осуществляется за счет возрастающего разнообразия форм организации живых организмов. Постоянство среднего химического состава живого вещества с момента возникновения жизни и до сегодняшнего дня также выступает проявлением этого принципа и характеризует постоянство химической основы биологической эволюции.

Второй принцип: эволюция видов, приводящая в ходе геологического развития к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию составляющих биосферы. С позиций этого принципа само появление человека выступает как закономерный процесс, поскольку выделение Homo sapiens из животного мира обусловлено существенной интенсификацией процесса переработки окружающей среды.

Третий принцип: в течение всего геологического времени заселение планеты должно быть максимально возможным для всего живого вещества. Этот принцип основан на геометрической прогрессии размножения живых организмов. В. И. Вернадский показал: чем выше скорость заселения, тем энергичнее конкретный биологический вид перерабатывает окружающую среду. Этот принцип характеризует правило полной заселенности Земли в любое геологическое время: «Для некоторых бактерий скорость заселения, ограниченная скоростью деления цепочки клеток, приближается к скорости звука и соответствует тенденции к мгновенному потенциальному заселению всей поверхности Земли этим живым организмом»^[15][16].

Геологическая роль живого вещества проявляется в том, что оно производит на Земле не прекращающуюся ни на мгновение работу по изменению и переработке своего окружения.

В механизме формирования земной коры биосфера выступает активным началом, изменяющим состав всех геосфер: газовый состав атмосферы, минеральный состав литосферы, химический и структурный состав почвы, состав гидросферы.

Учение Вернадского о биосфере — существенный прорыв в представлениях о живой природе, в понимании ее неразрывной связи с деятельностью человека и человечества.

На основе анализа работ В. И. Вернадского могут быть выделены некоторые эмпирические обобщения относительно сущности и роли биосферы.

• 1. Целостность биосферы: «Твари Земли являются созданием космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического организма».
• 2. Гармония биосферы: «Все учитывается и все приспособляется с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил».
• 3. Существенная роль живого вещества в эволюции Земли: «Лик Земли как небесного тела, фактически сформирован жизнью».
• 4. Растекание жизни как проявление ее геохимической энергии: мелкие организмы размножаются быстрее, чем крупные организмы.
• 5. Постоянство количества живого вещества в биосфере и единство его химического аппарата с самых древних геологических периодов.
• 6. Повсеместное распространение жизни в биосфере.

Могут быть выделены и другие обобщения¹. Однако и отмеченных нами достаточно для того, чтобы показать новизну теоретических выводов В. И. Вернадского в сравнении с представлениями его предшественников. Таким образом, В. И. Вернадский обессмертил свое имя в науке, если бы создал только учение о биосфере. Однако ему принадлежит и другая концепция — концепции ноосферы.

• [1] Филиппович Ю. Б. Основы биохимии. С. 70.
• [2] Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера. С. 144.
• [3] Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера. С. 144.
• [4] Студенту, проживающему в Москве (или бывающему в ней), полезно посмотретьв Басманном переулке на церковь, построенную по проекту Петра I. Вокруг нее выкопанаглубокая яма, поскольку только таким образом можно обеспечить вход в зимнюю церковь («первый этаж» храма). Если бы этого не было, то входить в летнюю церковь («второйэтаж») можно было бы прямо с асфальтового тротуара.
• [5] Вернадский В. И. Указ. соч. С. 22.
• [6] Там же. С. 140.
• [7] Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера. С. 24.
• [8] Там же. С. 187.
• [9] Там же. С. 142.
• [10] Галанин А. В. Гипотеза пульсирующей Земли. Владивосток: Дальиаука, 2001. С. 20.
• [11] Галанин А. В. Гипотеза пульсирующей Земли. С. 51.
• [12] Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера. С. 146.
• [13] Там же. С. 181
• [14] В 1893 г. бельгийский палеонтолог-дарвинист Л. Долло сформулировал закон, согласнокоторому эволюционные процессы необратимы: организм (популяция и т. д.) не может вернуться к прежнему состоянию, уже осуществленному в ряде его предков. Однако до негоДарвин также аргументированно обсуждал вопрос о необратимости эволюции органическогомира.
• [15] Чернова Н. М., Галушин В. М., Константинов В. М. Основы экологии. М.: Просвещение, 1997. С. 8−9.
• [16] Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера. С. 140.