Особенности биосферы как живой оболочки земного шара

В. И. Вернадский в своих работах дал неск ко определений биосферы, везде подчеркивая две ее отличительные особенности. Первая особенность: «биосфера представляет оболочку оль жизни — область существования живого вещества», вторая: «биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию — электрическую, химическую, механическую, тепловую».

В. И. Вернадский показал, что важнейшей особенностью биосферы является жизнь, преобразующая лик Земли. Интенсивность воздействия живого вещества на поверхностные оболочки планеты целиком и полностью определяется особыми, только живым организмам присущими, свойствами. В течение всего геологического времени живое вещество в биосфере выполняет ряд функций: газовую, окислительно-восстановительную, концентрационную (для различных химических элементов), разрушения органических соединений, метаболизма и дыхания, транспортную, энергетическую. Функции живого вещества в биосфере многообразны, но это многообразие имеет единую сущность. Биосфера неразрывно связана с Космосом, в наибольшей степени с Солнцем. Существует постоянный энергетический обмен биосферы с Космосом. Жизнь на Земле определяется Солнцем.

В своем глобальном, космическом проявлении «сфера жизни» выступает как гигантский аккумулятор и уникальный трансформатор лучистой энергии Солнца. Именно биосфера — приемник космического излучения на нашей планете — осуществляет активную связь Земли с Космосом. Если бы на Земле не было жизни, не было биосферы, работа солнечного луча сводилась бы лишь к перемещению газообразных, жидких и твердых, тел по поверхности планеты и к временному их нагреванию. Сол-нечная энергия не совершала бы на Земле созидательной дея-тельность так как не могла бы ни удержаться на поверхности планеты, ни преобразоваться в необходимую для этого форму. Зеленые хлорофилловые растения создают в биосфере органические вещества, характеризующиеся высокой сложностью химического строения и большими запасами заключенной в них энергии. Явление фотосинтеза было открыто задолго до В. И] Вернадского. Однако исследователи фотосинтеза, в том числе I и К. А. Тимирязев, обращали внимание прежде всего лишь на биологическую сторону процесса: самоподдержание жизни в ре-) зультате усвоения энергии излучений. В. И. Вернадский показал, что роль фотосинтеза еще больше: он служит причиной изменения всего облика Земли. Преобразуя космическую (главным образом солнечную) энергию з свободную земную (химическую, механическую, тепловую, электрическую и пр.), живое вещество постоянно нарушает то относительное химическое равновесие, которое присуще поверхности планеты. Усвоение солнечной энергии осуществляется только растительным миром. Но удерживает и преобразует ее все живое вещество планеты. Количество солнечной энергии, поглощаемой живым веществом, колоссально: ежегодно в процессе фотосинтеза растения связывают 1,7 * 10¹⁸ ккал энергии, хотя живое вещество составляет лишь ничтожную часть массы биосферы, около 0,0001% (Н. Ф. Реймерс, 1990).

Поглощая постоянно из окружающей среды энергию (зеленые растения непосредственно в форме квантов солнечного света, другие организмы в форме подготовленного растениями органического материала), живые существа накапливают ее, в результате количество энергии в биосфере увеличивается. Поэтому общее направление природных процессов в поверхностной оболочке планеты противоположно тому, которое следовало бы из второго начала термодинамики. Энтропия биосферы уменьшается, упорядоченность ее соответственно возрастает неуклонно с ходом геологического времени. Организованность биосферы — удивительная, тончайшая слаженность, гармония стихийных сил и всего живого на планете — наиболее ярко проявляется во взаимной приспособляемости организма и среды, их взаимосогласованности и взаимовлияния. Одна часть этого взаимодействия — зависимость организма от среды обитания — была полно раскрыта биологами от ЖБ. Ламарка и Ч. Дарвина до К. А. Тимирязева и И. В. Мичурина. Но обратное явление — влияние жизни на среду — почти не привлекало внимание исследователей до В. И. Вернадского. Раскрывая глубочайшее влияние живого вещества на ход химических превращений в биосфере, В. И. Вернадский и его последователи (Я. В. Самойлов, А. П. Виноградов) указывают, что связь живого и неживого в биосфере взаимна, организм имеет дело со средой, к которой не только он приспособлен, но которая также приспособлена к нему. Конечно, речь идет не об отдельном организме, а о совокупности больших комплексов живых существ или даже обо всем; живом веществе планеты.

В геохимической эволюции биосферы первостепенную роль играет живое вещество. Этот вывод, считал В. И. Вернадский, должен лечь в основу современного естествознания, привести к новому пониманию природы и существенно изменить старое ньютоновское представление о мироздании (как о господстве одних лишь физико-механических закономерностей), где жизни и сознанию отведена ничтожная роль.

Биосфера — своеобразный «механизм», в котором связь и соотношение между живым и неживым веществом подчиняются точным математическим закономерностям, таким же непреложным, как законы движения небесных светил или же перемещений в системах атомов. Точное количественное выражение явлений жизни становится возможным тогда, когда от рассмотрения' отдельных особей мы переходим к целым биоценозам, а затем и ко всему живому веществу планеты. Материально-энергетический «напор жизни» на среду подобен напору газа—живое вещество стремится занять максимальный объем, распространиться на вою свободную территорию. Растекаясь по земной поверхности, оно переносит вместе с собой энергию, полученную от Солнца. Такое растекание жизни по поверхности планеты осуществляется благодаря процессу размножения. Размножение— главное и основное свойство жизни, посредством которого осуществляется постоянный обмен веществом и энергией между организмом и средой.

Процесс материально-энергетического обмена в биосфере строго ритмичен. Этот ритм определяется постоянством астрономических явлений — постоянством периода обращения Земли вокруг своей оси (с суточной периодичностью связано размножение одноклеточных) и Солнца (с годовой периодичностью, как правило, связано размножение многоклеточных). Скорость. размножения зависит также от скорости распространения солнечной энергии в среде обитания организмов, от размеров последних, от количества заключенной в них геохимической энергии.

Постоянный темп размножения живого вещества задается устойчивостью всех химических реакций земной коры. Изменение этой устойчивости означало бы нарушение всех веками установившихся циклов химических превращений на Земном шаре. Среднее количество неделимых живых организмов, появляющееся в биосфере благодаря размножению в единицу времени, представляет собой меру геохимической энергии живого вещества. У различных биологических видов количество присущей им энергии, а следовательно, и производимой ими работы раз лично и служит, отмечал В. И. Вернадский, важнейшим видовым признак Геохимическую энергию жизни можно представить как кинетическую. Когда вся свободная площадь будет заселена, дальнейшее воспроизведение потомства прекратится, кинетическая энергия размножения перейдет в потенциальную. Таким образом, процесс размножения подчиняется правилу инерции, т. е. может быть задержан только внешними силами (недостатком места для обитания или пищи, неподходящей температурой).

Неразрывная связь планеты и организма имеет, таким образом, не только качественную, но и количественную сторону. Точные представления о геохимической энергии живых организ-мов, выраженные математически, позволяют совершенно по-иному взглянуть на органический мир: за видимостью и случайностью невообразимого многообразия жн. шейных форм раскрыва-ется их глубокое внутреннее (необходимое и закономерное) взаимодействие. Жизнь строго согласована в своих тончайших проявлениях, это часть одного стройного целого—материального мира.

Биосфера — закономерный продукт эволюции Земли. К такому выводу В. И. Вернадский пришел, исследовав химический состав и химическую эволюцию земной коры и убедившись в том, что они не могут быть объяснены чисто геологическими причинами без учета роли живого вещества в геохимической миграции атомов.

Биосфера Земли представляет собой глобальную открытую систему со своими «входом» и «выходом». Ее «вход» — это поток солнечной энергии, поступающий из космоса, «выход» — те образованные в процессе жизнедеятельности организмов вещества, которые в силу каких-либо причин вышли из биогеохимического круговорота иногда на многие миллионы лет, например залежи угля, нефти, горючих сланцев, торфа и т. п.

Сейчас биосферу Земли рассматривают как кибернетическую систему, обладающую свойством саморегуляции. 50 лет назад таких терминов еще не существовало, но В. И. Вернадский говорил об «организованности» биосферы (а в ранних работах — о ее «механизме»). Одним из наиболее характерных проявлений «организованности», т. е. саморегулирования биосферы как кибернетической системы, Вернадский считал озоновый экран, находящийся за ее пределами и поглощающий губительные для жизни ультрафиолетовые лучи. Состав газовой оболочки нашей планеты полностью регулируется жизнью.

Пример саморегулирующейся системы представляет собой Мировой океан. Реки ежегодно вносят в него 2,5 млн т карбонатов кальция, а солевой состав океанической воды существенно не меняется. Это происходит потому, что водные (морские) обитатели используют большую часть растворимых карбонатов для построения своих скелетов, а после отмирания организмов карбонаты и нерастворимой форме осаждаются на дно. Так, в результате создания кальциевых покровов нашей планеты стабилизируется состав океанских вод. Этот механизм действует в биосфере многие миллионы лет.

Таким образом, саморегулирование биосферы Земли обеспечивается живыми организмами. Это позволяет считать биосферу централизованной кибернетической системой. Под таким названием объединяют системы, в которых один элемент или одна подсистема играет доминирующую роль в обеспечении функционирования системы в целом. Этот элемент называют ведущей частью системы, или ее центром. Живые организмы в биосфере играют роль такого центра. Согласно закону необходимого разнообразия Винера — Шеннона — Эшби (основному кибернетическому закону), кибернетическая система только тогда обладает устойчивостью для блокирования внешних и внутренних возмущений, когда она имеет достаточное внутреннее разнообразие.

Биосфера характеризуется значительным разнообразием природных условий, которое определяется широтными и сезонными изменениями интенсивности поступления солнечной энергии, а также рельефом Земли. Разница абсолютных отметок поверхности Земли составляет больше 19 км: от +8848 м (гора Джомолунгма, или Эверест) до —11 022 м (Марианская впадина в Тихом океане). Но основное разнообразие биосферы Земли создается живыми организмами.

Между средой и организмами происходит непрерывный обмен веществ, и поэтому в каждый данный момент различные точки среды отличаются друг от друга по физико-химическому составу. Диффузия никогда не может вполне выровнять эти различия, пока существует причина, производящая их.

Сейчас считают, что в биосфере представлено более 2 млн видов живых организмов, каждый из которых, в свою очередь, включает в себя миллионы и миллиарды особей, дисперсно распределенных в пространстве. Каждый вид по-своему взаимодействует с окружающей средой. Деятельность живых организмов и создает удивительное разнообразие окружающей нас природы — биосферы, которое служит определенной гарантией сохранения жизни на нашей планете. Несмотря на многочисленные геологические катастрофы, происшедшие в истории биосферы, нигде не обнаружено азойных (лишенных жизни) отложений. В материале, накопленном геологией, отражена непрерывность развития жизни в течение всей геологической истории. Внутреннее разнообразие биосферы обеспечило ее устойчивость даже к самым значительным катастрофическим потрясениям. Число родов высших растений составляло: в силуре—1, в девоне — 36, в интервале от карбона до триаса— 150 — 200, от юры до неогена— 250 — 300. Следовательно, даже в небольшом периоде геологической истории на примере высших растений наблюдается отчетливая тенденция к возрастанию внутреннего разнообразия биосферы.

'Итак, биосфера Земли — саморегулируемая кибернетическая система, обладающая свойствами гомеостата. Такие представления о биосфере сложились на основе развития идей В. И. Вернадского.

Биосфере свойственна мозаичносгь строения. Живое вещество функционирует в пределах отдельных участков биосферы. Английским ученым А. Тэнсли они были названы экосистемами. Сейчас экосистему определяют как комплекс взаимосвязанныхорганизмов разных видов и изменяемой ими абиотической среды, обладающей способностью к саморегуляции и полному самовозобновлению биоты. Экосистема—это фундаментальная общность живого и среды его обитания. Размеры экосистем могут быть любыми, например экосистема глобального масштаба — биосфера Земли.

Экосистемы находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и все вместе образуют гигантский круговорот веществ и потоков энергиив пределах биосферы. В нем участвуют следующие основные элементы: водород, кислород, углерод, азот, кальций, калий, кремний, фосфор, сера, стронций, барий, цинк, молибден, медь и никель. Биогеохимический круговорот веществ в биосфере незамкнут. Степень воспроизводства циклов достигает 90 — 98%. В масштабе геологического времени неполная замкнутость биогеохимических циклов приводит к дифференциации элементов и накоплению их в атмосфере, гидросфере или осадочной оболочке Земли.

Важнейшая особенность биосферы состоит в том, что авто-трофные организмы, поглощая солнечную энергию, превращают *бедные энергией неорганические вещества в крупномолекулярные богатые энергией органические соединения и снабжают ими все живое. В процессе передачи с одного трофического уровня «а другой энергия постепенно рассеивается. После окончательного разложения органических остатков она частично накапливается в земной коре в виде алюмосиликатов.

Обновление всего живого вещества биосферы Земли осуществляется в среднем за 8 лет. При этом вещество наземных растений (фитомасса суши) обновляется примерно за 14 лет. В океане циркуляция вещества происходит во много раз быстрее: вся масса живого вещества обновляется за 33 дня, в то время как фитомасса океана — каждый день! Процесс полной смены вод в гидросфере осуществляется за 2800 лет. В атмосфере смела кислорода происходит за несколько тысяч лет, а углекислого газа — за 6,3 года. Эти цифры блестяще подтверждают основной тезис В. И. Вернадского о ведущей роли живого вещества в Оиогеохимических процессах, причем биогеохимический эффект деятельности живого вещества в биосфере проявляется не толь-ко в течение геологического времени (миллионы и миллиарды лет), но ясно выражен даже в пределах времени исторического ттсячи лет и менее). Наряду с этим некоторые вещества, участвующие в биогеохимическом круговороте, имеют значительно меньшие скорости миграции. Так, время, необходимое для фотосинтетического разложения массы воды Мирового океана, исчисляется 5 — 6 млн лет. Миллионолетиями измеряется также продолжительность общепланетарных циклов углерода, азота Н фосфора.

Биосферу как динамическую систему отличает неравновесность. Еще в 1935 г. современник Вернадского известный биолог Эрвин Бауэр (1890— 1942) писал: «…только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях.. .». Этот принцип обозначается как «принцип устойчивого неравновесия живых систем» и называется принципом Бауэра. К неравновесным системам относятся атмосфера и океан в связи с непостоянством их химического состава, который В основном регулируется жизнедеятельностью организмов Земли.

Отличительной особенностью биосферы является ее оводнен-ность. Вода без жизни в биосфере практически не существует. Безжизненны лишь ничтожные по массе воды вулканов, богатые серной или соляной кислотой, и, возможно, некоторые рассолы. В водной среде осуществляются практически все химические процессы, происходящие в биосфере. Именно поэтому химически чистая вода в биосфере представляет собой столь же большую редкость, как и вода, лишенная жизни.

Содержание воды в тканях живых организмов примерно в пять раз больше, чем во всех реках Земного шара. Половина поды, содержащейся в корнях растений, обновляется в течение нескольких минут. В результате этого круговорот воды на суше определяется почти исключительно транспирациеи растений: они испаряют большую часть воды, выпавшей на сушу в виде атмосферных осадков, а в океане весь объем воды профильтровывается планктонными ракообразными за полгода, но верхний слой воды (0 — 500 м) —за 20 дней.

Живое вещество, т. е. совокупность всех живых организмов планеты, глубочайшим образом связано с окружающей средой биогенным током атомов. Известно было и до В. И. Вернадского, что живые организмы участвуют в круговороте многих химических элементов, в образовании так называемых «органогенных» горных пород и минералов. Но только автор «Биосферы» показал, что проявления жизни глубочайшим образом меняют течение всех химических реакций в земной коре. Живое вещество изменяет историю почти всех химических элементов, чуть ли не каждый из них проходит через биохимическое звено. Химические процессы в биосфере протекают или при непосредственном участии живых организмов, или в среде, физико-химические свойства которой во многом обусловлены деятельностью орга;

ниэмов на протяжении всей геологической истории. Масштабы геохимической работы живого вещества таковы, что в течении краткого момента времени через живые организмы может прой| га все вещество биосферы. Так, весь кислород земной атмосфе ры — продукт процесса фотосинтеза — обновляется благодаря жизнедеятельности зеленых хлорофилловых растений каждый 2 тыс. лет, а все молекулы углекислоты, участвующие в процесс се фотосинтеза, — каждые 300 лет. Живое вещество совершения изменяет химию моря. Одной из форм живого вещества явля ется подземная жизнь, идущая на глубине более 3 км, связан ная с водой и каустобиолитами.

После смерти и разрушения живых организмов большая часть составляющих их атомов опять возвращается в живое вея щество. Но некоторая, очень незначительная их часть на дол-гое время выходит из жизненного цикла за пределы биосферы,.

«Вся земная кора целиком, на всю доступную нашему наблю-дению глубину изменена этим путем», — писал В. И. Вернад ский. «И даже неорганическая материя биосферы, — отмечал он, — есть в значительной мере создание жизни».

Первый биогеохимический принцип по Вернадскому, обоб-щающий наши знания об особом энергетическом характере яв-леннй жизни, состоит в том, что «биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к макси-мальному своему проявлению». Живое вещество растекается подобно газу по всей свободной территории, оказывая давление на окружающую среду, обходя встречающиеся на его пути преграды, а размножение организмов может быть остановлено лишь действием внешних сил. С первым биогеохимическим принципам тесно связан и второй, указывающий на магистральный путь эволюции видов в биосфере, который, несмотря на всю его неравномерность, кажущуюся случайность, временные зигзаги и отступления, всегда идет в сторону «создания форм, все более усиливающих влияние жизни на окружающую среду». В ходе эволюции выживают те организмы, которые увеличивают биогеохимическую энергию жизни в земной коре, усиливают «давление жизни» на неорганическую природу.

Усиление влияния живого вещества на среду происходило дискретно, — скачками. В прошлые геологические эпохи такими «скачками» биогенной миграции атомов были: появление скелета у позвоночных в начале кембрия, смена леса тайнобрачных растений лесом явнобрачных в конце мела, появление птиц в мезозое. «Организованность» биосферы возрастала. Но самый большой и самый значительный по своим, последствиям скачок живая природа совершила в четвертичное время, когда из недр природного мира вышел его покоритель и преобразователь — человек.

Естественной закономерностью дальнейшей эволюции биосферы станет превращение ее в ноорферу. В статье В. И. Вер-надского «Несколько слов о ноосфере» (1944) сформулированы, основные понятия о ноосфере и условиях ее появления. Ноосфера характеризуется прежде всего глобальным заселением Земного шара человечеством. Человек, заселяя планету, преобразует ее облик, становится мощной геологической силой. История человечества неразрывно связана с развитием биосферы. Человек, как всякое живое вещество, есть закономерная часть биосферы. Цивилизация человеческого общества как форма организации новой геологической силы, создавшейся в биосфере, не может прерваться и уничтожиться. Это большое природное явление, отвечающее биологически сложившейся «организованности» биосферы.

Ноосфера — высшая стадия развития биосферы, сфера разума. Человек начинает оказывать влияние на ход процессов в охваченной его воздействием сфере Земли, изменяя ее. Однако, будучи частью биосферы, человек зависит от законов природы, хотя благодаря достижениям науки и техники эта зависимость стала несколько меньше. Человек стал мощным, социально организованным фактором природы, эффективность воздействия которого на окружающую природу и самого человека растет в геометрической прогрессии. По мере развития человечества в такой же прогрессии растут побочные эффекты этого развития: истощение невозобновляемых природных ресурсов, загрязнение окружающей среды, разрушение природных экосистем и замена их антропогенными, нарушение исторически сложившихся природных равновесий. Теперь сохранение человечества зависит от наших знаний о природе и разумных действий, направленных на охрану и улучшение окружающей среды. Вступление человечества в новую эру своего развития — эпоху ноосферы — не может произойти автоматически. Это будет длительный процесс выработки новых принципов, согласования действий людей; потребуется коренная перестройка всего нашего бытия, смена стандартов и идеалов. Взаимодействие человека с природой должно основываться на научных знаниях связей, существующих между средой и биотой, на основе целесообразности, оптимизации состояния человека и природы. Человек должен научиться создавать способные к самовозобновлению и саморегуляции специфические биогеоценозы — антропогенные ландшафты, отличающиеся повышенной стабильностью и способностью к биологической очистке; поддерживать общий баланс биосферы на уровне, обеспечивающем оптимальное развитие человеческого общества. Человек должен как можно скорее и полностью перевести промышленное и сельскохозяйственное производство на безотходную технологию и создать замкнутые циклы водопо-требления с целью сокращения и полной ликвидации вредных выбросов и отходов, попадающих в окружающую среду. Эксплуатация естественных ресурсов должна быть рациональной, обеспечивающей их 'восстановление и расширенное воспроизводст;

25во. Для решения этих задач необходимы всесторонние исследования экологических процессов, которые позволят выяснить особенности современных биогеохимических циклов глобальных загрязнений. Осуществление перечисленных работ позволит сделать первый шаг па пути к переходу биосферы в ноосферу.

Выделяют три особенности биосферы. Во-первых, это область, в которой имеется в значительных количествах жидкая вода. Во-вторых, на нее падает мощный поток энергии Солнца. В-третьих, в биосфере имеются поверхности раздела между веществами, находящимися в жидком, твердом и газообразном состояниях.

Все организмы с активным метаболизмом в основном представляют собой сложные системы органических макромолекул, диспергированных в водной среде. Способность организмов приспосабливаться к окружающим условиям так велика, что даже в пустынях или по краям ледяного щита Антарктиды можно найти живые существа. В этих областях только в их телах и содержится вода. Хотя такие ксерофитные организмы могут длительное время сохранять в себе большие запасы воды, им все же нужен временами дождь или роса. Казалось бы самые жаркие пустыни формально можно было отнести к парабиосфере. Однако и в самых сухих, абсолютно безводных пустынях Африки иод слоем сухого песка встречаются насекомые (некоторые жуки-чернотелки), существующие за счет приносимых ветром сухих пылевидных остатков растений, питаясь ими, такие насекомые получают так называемую «метаболическую воду», образующуюся за счет окисления органических веществ пищи.

Источником энергии, от которого зависит вся жизнь на Земле, является Солнце. На современной Земле энергия солнечного излучения включается в круговорот только через фотосинтез, осуществляемый хлорофиллоносными организмами: зелеными растениями, дианобактериями (сине-зелеными водорослями), зелеными и пурпурными серобактериями. Все эти организмы, разумеется, обитают в той части биосферы, которая получает днем солнечную энергию. Это атмосфера, поверхность суши, верхний слой почвы толщиной несколько миллиметров и верхние слои морских и континентальных водоемов. Однако биосфера не кончается там, куда не доходит свет. Благодаря силе тяжести поток энергии распространяется до максимальных глубин мирового океана. Сюда непрерывно падают комочки экскрементов, сброшенные при линьке шкурки, мертвые и живые организмы.

Протяженность биосферы ограничена и ввысь. В горах хлорофиллоносные растения, видимо, не могут жить выше 6200 м. Этот предел частично определяется недостатком жидкой воды, а частичнонизким парциальным давлением двуокиси углерода, которое на такой высоте более чем вдвое ниже, чем на уровне моря. На еще больших высотах можно найти некоторых животных, например пауков. По-видимому, они питаются ногохвостками и, возможно, клещами, а те, в свою очередь, довольствуются зернами пыльцы и другими органическими частицами, заносимыми сюда ветром. Эту область эколог Л. Стоун, изучавший жизнь на больших высотах, назвал эоловой зоной.

Наибольшая плотность жизни в зонах соприкосновения оболочек, особенно между тропосферой и литосферой. Гораздо легче жить на поверхности раздела сред, особенно если одна из них твердая. Но и на границе воздух вода (в стоячих лужах и болотах) довольно обильно развиваются микроорганизмы. Весьма вероятно, что поверхностные свойства твердых тел, соприкасавшихся с водой, имели немаловажное значение для возникновения жизни на Земле и для ее развития на ранних стадиях.