Типы вещества в биосфере

В книге «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения» В. И. Вернадский рассмотрел 7 типов вещества, слагающих биосферу: «Вещество ее состоит из 7 глубоко разнородных природных частей, геологически не случайных». Это:

• • «совокупность живых организмов, живого вещества, рассеянного в миллиардах особей, непрерывно умирающих и рождающихся, обладающих колоссальной действенной энергией (биогеохимической энергией) и являющихся могучей геологической силой…»;
• • «биогенное вещество, источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть и т. д.). Живые организмы в нем после его образования геологически малоактивны»;
• • «вещество, образуемое процессами, в которых живое вещество не участвует: косное вещество, твердое, жидкое, газообразное…»;
• • «биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамические равновесные системы тех и других. Таковы вся океаническая и почти вся другая вода биосферы, нефть, почва, кора выветривания и т. д. Организмы играют в них ведущую роль…»;
• • «вещество, находящееся в радиоактивном распаде…»;
• • «все вещество биосферы… проникнуто шестой формой вещества — рассеянными атомами, которые непрерывно создаются из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений…» (современная наука считает, что химические элементы не могут находиться в земной коре в атомарном состоянии, они образуют те или иные соединения);
• • «…вещество космического происхождения…» (В. И. Вернадский, 1987. С. 51—52).

Биогеохимические принципы

Живое вещество, по В. И. Вернадскому, есть совокупность живых организмов, биогенная миграция атомов — это миграция, связанная с деятельностью живых организмов. Для понимания той работы, которую совершает живое вещество на планете, важны три положения, которые Вернадский назвал «биогеохимическими принципами».

1. «Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению» (В. И. Вернадский, 1987. С. 262).

Первый принцип тесно связан со способностью живого вещества неограниченно размножаться в оптимальных условиях. Следствием этого и является максимальное проявление биогенной миграции атомов в биосфере. Одно из проявлений геологической активности живого вещества — скорость размножения организмов (табл. 2).

Таблица 2

Скорость размножения организмов (по В. И. Вернадскому)

Примечание. Для многих протистов Д показывает количество поколений в сутки.

В начале XIX в. немецкий натуралист-зоолог К. Эренберг дал картину поразительной силы воспроизведения одноклеточных диатомовых водорослей. Одна диатомея, если не встретит препятствий, за восемь дней может образовать массу материи, равную объему Земли, а в течение следующего дня удвоить эту массу. Бактерия холеры способна теоретически за тридцать часов покрыть сплошной пленкой всю поверхность планеты. Инфузория туфелька может за пять лет выработать протоплазму, по объему в десятки тысяч раз превышающую нашу планету.

Идеальная геохимическая активность не реализуется прежде всего из-за ограниченности территории, заполненной живым веществом с определенной плотностью, а также потока солнечных лучей, достигающих земной поверхности. По подсчетам В. И. Вернадского, в каждый момент на Земле существует около 10²⁰—10²¹ г живого вещества, которое «вечно разрушается и создается главным образом, не ростом, а размножением. Поколения создаются в промежутки от десятков минут до сотен лет. Ими обновляется вещество, охваченное жизнью. То, что находится каждую минуту в наличности, составляет ничтожную долю созданного в году, так как колоссальные количества создаются и разрушаются даже в течение суток» (В. И. Вернадский, 1967. С. 261). Это динамическое равновесие поддерживается трудно охватываемым мыслью количеством живого вещества, созданного за несколько миллиардов лет истории планеты. «Все вещество биосферы может, без сомнения, в течение краткого момента геологического времени пройти через живые организмы» (В. И. Вернадский, 1987. С. 274).

2. «Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни устойчивых в биосфере, вдет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы» (В. И. Вернадский, 1987. С. 262). Вторая формулировка этого принципа такова: «При эволюции видов выживают те организмы, которые своею жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию…» (В. И. Вернадский, 1980. С. 260).

Второй принцип затрагивает проблему направленности эволюции организмов. Преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность усваивать новые формы энергии или «научились» полнее использовать химическую энергию, заключенную в других организмах. Эволюционный процесс идет с различной скоростью для отдельных видов. Наряду с изменчивыми организмами, приспосабливающимися к новым условиям среды, существуют организмы, которые морфологически и химически не меняются. Организмы, не меняющие биогенную миграцию атомов, составляют небольшую часть. Уменьшению биогенной миграции препятствует борьба за существование. Так, паразиты усиливают свое положение в борьбе за существование за счет увеличения энергии размножения на фоне упрощения морфологической структуры.

Обосновать данный принцип в свое время В. И. Вернадский в достаточной степени не мог. Позднее В. А. Ковда (1985) показал, что зольность растений возрастает от представителей древних таксонов к молодым. По А. П. Хохрякову (1981), у высших растений от примитивных видов к цветковым происходит интенсификация смен органов в ходе индивидуального развития: у лепидодендронов менялась часть листьев, у папоротникообразных — тоже листья, но больше в единицу времени, у примитивных голосеменных — саговниковых — только листья без оснований, у хвойных — периодически ветви и кора, у цветковых идет переход от многолетних древесных форм к однолетним. Эти переходы усиливают биогенную миграцию атомов в биосфере.

3."…В течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможное для всего живого вещества, которое тогда существовало" (В. И. Вернадский, 1987. С. 262). Этот принцип также связан с «давлением» жизни — безостановочным захватом живым веществом любой территории, где возможно существование. В противоположность глубоко укоренившимся представлениям о первичности организма и производности всех остальных форм существования живого В. И. Вернадский обосновал идею о том, что первичная биосфера с самого начала была сложной неоднородной системой. В ее состав входили не только первичные виды, но и первичные биоценозы, так как ни один вид не мог бы самостоятельно исполнять основные геохимические функции биосферы. Одновременно образуется несколько форм жизни, которая изначально могла функционировать лишь в форме биологического круговорота веществ и потоков трансформации энергии.

Согласно распространенной точке зрения, экспансия жизни на планете происходила медленно: наземные растения в карбоне и перми были распространены преимущественно на болотистых приморских равнинах, а засухоустойчивая растительность сформировалась лишь в кайнозое.

Одна из научных гипотез утверждает, что развитый растительный покров на континентах доказывается не только многочисленными находками в палеозойских континентальных отложениях, но и тем, что условия осадконакопления принципиально не отличались от современных. Происходила ли прогрессирующая экспансия жизни в ходе геологической истории? И современные данные не позволяют однозначно ответить на этот вопрос.