Учение В. И. Вернадского о биосфере

Человек за непродолжительное время сумел подчинить своим нуждам значительные ресурсы биосферы. Его хозяйственная деятельность начала вносить все большую дисгармонию в сложившиеся за миллионы лет потоки вещества и энергии. В последние десятилетия XX в. дестабилизирующее воздействие человека на природные экосистемы приобрело глобальные масштабы. Передовые умы человечества начали искать пути выхода из сложившейся неблагоприятной ситуации. Возникла острая необходимость в теоретическом обосновании этих путей, и тогда вспомнили о достаточно забытых научных трудах В. И. Вернадского, часть которых была опубликована только в конце 1970;х гг.

В чем же феномен идей Вернадского? Изучая его жизненный путь, научные труды, невольно приходишь к удивительной мысли: как будто он выполнял величайшее предназначение свыше — разъяснить людям сущность жизни на Земле и их место в окружающем мире.

В дореволюционной России основными научными центрами были университеты. Строгий отбор студентов, высокое качество преподавания, возможность стажировки в лучших научных центрах Европы и предопределили появление в XIX в. «могучей кучки» ученых с мировыми именами.

В 1885 г. Владимир Иванович окончил Петербургский университет со степенью кандидата наук и был оставлен для подготовки к профессорскому званию.

В 1890 г. в журнале «Природа» английский естествоиспытатель доктор Карутерс опубликовал статью о грандиозном переселении саранчи с берегов Африки в Аравию. Он подсчитал, что масса саранчи в одной из туч насекомых достигала 44 млн т, а площадь этой тучи — 5967 км² 162, с. 5]. Статья осталась незамеченной в научном мире, и только молодой ученый Вернадский увидел в этом явлении величайшее свойство биосферы — миграцию атомов.

Вернадский имел замечательную способность переходить от наблюдений и эксперимента к неожиданным обобщениям. В конце 1911 г. на Втором менделеевском съезде В. И. Вернадский выступил с докладом «О газовом обмене земной коры». Он обратил внимание на то, что состав окружающей нас атмосферы остается неизменным, несмотря на непрерывное поглощение и выделение различных газов. Он объяснил это замкнутостью круговых процессов газообмена. Кроме того, Владимир Иванович выдвинул предположение о существовании газообмена между Землей и Космосом, назвав это явление «дыханием Земли». Значительно позже учеными экспериментально была подтверждена утечка гелия и водорода в космическое пространство.

Выступая на одной из публичных лекций в голодном и холодном послереволюционном Петрограде, он сказал пророческие слова о том, что человечество подходит к великому перевороту в своей жизни, с которым не может сравниться все им пережитое, так как недалеко то время, когда человек получит в свои руки атомную энергию. Дорос ли он до умения использовать ту силу, которую неизбежно даст ему наука? Ученые не должны закрывать глаза на возможные последствия научной работы, научного прогресса. Они должны себя чувствовать ответственными за последствия их открытий. Они должны связать свою работу с лучшей организацией человечества. Насколько по-современному звучат эти слова, хотя сказаны были еще в 1922 г.

В 1926 г. вышла «работа всей жизни» — монография «Биосфера». Ее переводы издавались то в одной, то в другой стране. Автор получает мировое признание. Появление этой работы ознаменовало рождение новой науки о природе как сфере единства живого и неживого. Ранее биосфера рассматривалась только как совокупность живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Он впервые показал, что взаимодействие живого вещества с веществом неживым есть часть сложного механизма формирования и преобразования земной коры. Источником энергии для функционирования этого механизма является космическая энергия (в основном — лучистая энергия Солнца). «По существу, биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию, — пишет великий ученый, — лучи Солнца обусловливают главные черты механизма биосферы… Солнцем в корне переработан и изменен лик Земли, пронизана и охвачена биосфера» [5, с. 15].

До Вернадского жизнь рассматривалась как случайное явление на Земле. Наука не замечала влияния живого на ход земных процессов, они рассматривались как ряд случайностей. Изучение этого сложного взаимодействия привело к необходимости конкретизировать понятие «жизнь». Владимир Иванович писал: «Понятие „жизнь“ неразрывно связано с философскими и религиозными построениями, от которых биологи никак не могут избавиться. Оставляя в стороне представление „жизнь“, я постарался остаться на точной эмпирической основе и ввел в геохимию понятие „живое вещество“ как совокупность живых организмов, неразрывно связанных с биосферой, как неотделимая часть ее или функция».

Рассматривая строение нашей планеты, он писал: «Физические и химические свойства нашей планеты меняются закономерно в зависимости от их удаления от центра. В концентрических отрезках они идентичны, что может быть установлено исследованием» [5, с. 57]. Он предполагал, что глубокие области Земли имеют достаточно устойчивые геосферы (греч. geo — земля, sphaira — сфера, шар): ядро, мантия и наружная часть — земная кора [5, с. 58—62] (рис. 2.1).

Ядро Земли, считал Вернадский, находится под огромным давлением и состоит из тяжелых элементов в жидком и газообразном состоянии при температуре свыше 1000 °C. Плотность ядра Земли примерно составляет 8—10 г/см³. По современным оценкам, температура достигает 5000 °C, а плотность — 12 г/см³. Скачкообразное изменение скорости распространения сейсмических волн на границе мантии и ядра позволяет определить расстояние от поверхности Земли до наружной оболочки ядра, которое составляет примерно 2900 км.

Рис. 2.1. Геосферы Земли.

Масса ядра составляет до 32%, а объем — до 16% от массы и объема планеты. Мантия расположена между ядром и земной корой и имеет толщину в несколько сотен километров. Основными химическими элементами мантии являются кремний, магний, кислород, железо и алюминий. Вещество мантии во всех слоях является гомогенным (однородным), что связано с большим давлением. Энергия ядра и мантии на протяжении сотен миллионов лет не достигала земной поверхности, нет никаких данных о химической активности в этих геосферах.

Наружная поверхность мантии является изостатической (греч. isos — одинаковый, statos — покой), ниже которой должно существовать равновесие вещества и энергии.

Земная кора находится выше изостатической поверхности и состоит из базальтовой и гранитной оболочек, имеющих различную плотность (до 3 г/см³). Гранитная оболочка глубиной до 15 км состоит из кислых кристаллических пород и богата радиоактивными элементами. В более глубоких слоях (15—34 км) залегают породы со стекловидным строением. Ниже расположены тяжелые породы с плотностью 3,4—4,4 г/см³. Современная геология выделяет два типа земной коры: океаническую и континентальную. Океаническая кора имеет толщину до 25 км и состоит из слоя осадочных пород, подстилающихся базальтами. Континентальная кора в глубину достигает 80 км и имеет три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый.

Выступая в начале 1927 г. на торжественном собрании Академии наук, В. И. Вернадский изложил одно из самых выдающихся обобщений — теорию рассеяния химических элементов. Земное вещество, помимо всех известных химических соединений, содержит всегда огромное количество атомов, не входящих в молекулярные группировки. В морской воде, например, рассеяно около 50 элементов. Там содержание марганца не превышает 10~⁷%, что на первый взгляд кажется ничтожным. Однако благодаря этому и с помощью геохимической энергии жизни создаются отложения марганцевых руд, содержащих миллионы тонн металла. Углубляясь в изучение процессов в биосфере, Вернадский приходит к выводу, что круговорот элементов обеспечивается не только космической энергией, но и энергией атомной, освобождающейся при ядерном распаде. Он делает предположение о том, что рассеяние химических элементов связано с проявлением атомной энергии.

Летом 1927 г. в Берлинском университете В. И. Вернадский выступает с не менее грандиозным докладом «Геохимическая энергия жизни в биосфере». Доклад преследовал две цели: обратить внимание ученых на не замеченный наукой процесс круговорота элементов в биосфере и привлечь исследователей к его изучению. Владимир Иванович говорил, что можно без преувеличения утверждать, что химическое состояние наружной коры нашей планеты, биосферы, всецело находится под влиянием жизни, определяется живыми организмами. Несомненно, что энергия, придающая биосфере ее обычный облик, имеет космическое происхождение. Она исходит от Солнца в форме лучистой энергии. Однако именно живые организмы, совокупность жизни, превращают эту космическую лучистую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Это живые организмы, которые своим дыханием, своим питанием, своей смертью и своим разложением, 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 планетный процесс есть миграция химических элементов в биосфере, движение земных атомов, непрерывно длящееся больше двух миллиардов лет по определенным законам.

Эти глубочайшие мысли Вернадский продолжал в докладе «Эволюция видов и живое вещество», сделанном им в 1928 г. перед Ленинградским обществом естествоиспытателей. Миграцией химических элементов он называет всякое их перемещение. В биосфере миграция происходит в результате различных процессов: извержения вулканов, перемещения жидких, твердых и газообразных веществ при испарении и выпадении осадков, движении рек и морских течений, под воздействием ветров и т. п. Существует еще одна миграция, которая вызвана силами жизни при прохождении атомов через организм при осуществлении процессов жизнедеятельности (питание, дыхание и т. д.). Вернадский называл ее биогенной миграцией. Взятая в целом, она является одним из самых грандиозных и характерных процессов биосферы, основной чертой ее организованности. Он отмечал, что эффект биогенной миграции зависит как от количества атомов, так и от интенсивности их движения.

Далее Вернадский выделял третью форму миграции атомов. Он говорил, что она генетически и непосредственно не связана с вхождением или прохождением атомов через тело организма. Эта биогенная миграция производится техникой их жизни. Ее, например, производит работа роющих животных, следы которой известны с древнейших геологических эпох; таковы же отражения социальной жизни животных — постройки термитов, муравьев или бобров. Наивысшего же развития достигла эта форма биогенной миграции химических элементов во время возникновения цивилизованного человечества за последний десяток тысяч лет. Этим путем создаются новые, небывалые на нашей планете вещества, например свободный металл, так меняется лик Земли, исчезает девственная природа.

Он утверждал, что биологический вид должен иметь не только биологическое, но и биогеохимическое определение. Биогеохимия опирается в основном на количественные показатели: средний вес и средний состав химических элементов отдельных организмов и их сообществ, среднюю биогеохимическую энергию, обеспечивающую миграцию химических элементов в среде обитания. Вес и количество атомов — видовые признаки организма, дополняющие традиционные биологические. Понятия в биогеохимии «живое однородное вещество» и в биологии «вид» тождественны, хотя и выражены по-разному.

Обобщая результаты исследований, В. И. Вернадский сформулировал три биогеохимических принципа.

• • биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению;
• • эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию в биосфере устойчивых форм жизни, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов;
• • геохимическая неизменность биосферы неразрывно связана с непрерывным эволюционным изменением живого вещества — высокая устойчивость и изменяемость являются двумя важнейшими сторонами процессов функционирования биосферы.