Структура биосферы в рамках различных подходов

Учение В. И. Вернадского о биосфере представляет собой обобщение естественнонаучных знаний, оно вобрало в себя эволюционные взгляды Ч. Дарвина, периодический закон Д. И. Менделеева, теорию единства пространства и времени А. Эйнштейна, идеи о неразрывной связи живой и неживой природы многих отечественных и зарубежных ученых.

Автор нового учения — Владимир Иванович Вернадский в своих «Очерках геохимии» отмечает, что идеи о значении жизни как совокупно действующего явления, влияющего на ход планетарных процессов, появляются уже в трудах естествоиспытателей XVII века, в частности у X. Гюйгенса. К разработке подобных идей были причастны Ж.Л. де Бюффон, Ф. Вик д’Азир и Ж. Ламарк. Так, в «Гидрогеологии» Ламарка содержится попытка естественнонаучного описания жизни в качестве планетарного явления.

Далее Вернадский выделяет теорию нептунистов: «Теснейшим образом связанная с водой жизнь имела свое почетное место в созидании окружающей нас природы. Жизнь для нептунистов была огромной силой, а не случайным явлением в истории планеты».

Предшественником естественно-научного подхода в описании биосферы по праву может считаться и А. Гумбольдт — один из крупнейших естествоиспытателей XIX века. И в своих ранних работах, и в позднем синтетическом произведении «Космос» он обобщил понимание того, что «…живое вещество есть неразрывная и закономерная часть поверхности планеты, неотделимая от ее химической среды».

Хорошо рисовавший и наделенный могучим воображением австрийский геолог Э. Зюсс мысленно увидел нашу планету из космоса, выделив особые сферы: гидросферу — природные воды, литосферу — земную кору, биосферу. В его понимании биосфера — это лик Земли, земные ландшафты. Значение этого термина в работах Зюсса скорее метафорическое. Глубокой научной разработки здесь оно не получило.

В монографии «Происхождение Альп» он говорит о «самостоятельной биосфере» как об особой оболочке Земли, образованной живыми организмами. В заключительной главе большого трехтомного труда «Лик Земли» (1909) автор пишет, что понятие «биосфера» возникло как следствие идей Ж. Ламарка и Ч. Дарвина о единстве органического мира.

С работ Зюсса датируется начало биологического представления о биосфере, как о совокупности организмов, населяющих Землю, как о живой оболочке планеты. Такого взгляда придерживались многие русские географы, например Н. М. Сибирцев (1899), Д. Н. Анучин (1902), П. И. Броунов (1910), А. А. Григорьев (1948), английский исследователь и философ Дж. Бернал (1969). Французские учёные Э. Леруа (1927) и П. Тейяр де Шарден (1965, 1969) также взяли за основу определение Зюсса, однако трактуют его в идеалистическом плане. Согласно Тейяру, биосфера — живой пласт планеты, одна из стадий воплощения Бога.

Наиболее логично охарактеризовал геосферы английский океанолог Дж. Меррей в начале нашего века: «В настоящее время естествоиспытатели обозначают термином „биосфера“ тот покров из живого вещества, который одевает земной шар всюду, где соприкасаются и смешиваются между собой атмосфера, гидросфера и литосфера. На суше живые существа не поднимаются над ее поверхностью слишком высоко и не проникают очень глубоко внутрь ее. В океане дело обстоит иначе. Жизнь существует всюду, во всей массе океанических вод — от экватора до полюсов и от поверхности до самого дна…» Мысли Меррея стали исходной точкой для русского ученого Вернадского, началом учения о том, что живое вещество и среда жизни составляют единое целое — биосферу.

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Жан Батист Ламарк (1744−1829) — французский естествоиспытатель, натуралист, создатель первой целостной, последовательно разработанной теории эволюции живой природы, предшественник Чарльза Дарвина. Ж. Ламарк первым пришел к представлениям о биосфере как о поверхностной оболочке Земли. Рассматривая жизнедеятельность организмов, в которых наиболее сильно действуют флюиды магнетизма и электричества, в качестве геологического фактора в истории Земли, он указал на их значение в создании всех веществ на поверхности планеты. Согласно Ламарку, вся поверхность Земли, водные массы и атмосфера — это огромное поле деятельности Природы, а один из наиболее очевидных результатов этой деятельности — постоянно происходящее разрушение разнообразных сложных веществ. В рамках развиваемой концепции такое разрушение само по себе не нуждается в каких-либо дополнительных объяснениях, поскольку происходит в силу «внутренних» (или «естественных») причин. Ламарк подчеркивал, что у живых тел обнаруживаются все сложные неорганические вещества, встречающиеся в природе, и что в местах, не заселенных организмами, минералы весьма однородны. В «Гидрогеологии» Ламарк все минералы земной коры, включая даже граниты, рассматривал как продукты жизнедеятельности организмов. Возвращаясь к «Гидрогеологии», следует подчеркнуть в свете современных исторических знаний, что и у Ж. Ламарка были предшественники.

Д. Вудворд, видимо, первым в 1695 г. высказал идею о каких-то общих закономерностях, управляющих взаимодействием живых организмов, и роли их в образовании окаменелостей.

За ним Ж. Бюффон в первом томе «Естественной истории», вышедшем в 1749 г., развил и конкретизировал идеи о роли жизни в реологических процессах.

Ф. Вик д’Азир в 1786 г. писал о проникновении живых организмов во все внешние земные оболочки и о том, что они буквально наполняют эти оболочки и активно влияют на происходящие в них процессы.

Только за этим последовала «Гидрогеология» Ж. Ламарка. Ламарк примыкал к деистической форме материализма. (Деисты, критикуя религию — библейские представления, утверждали, что все явления природы происходят по естественным законам и отвергали непосредственное вмешательство бога в дела природы.). Он признавал бога лишь в качестве безличной первопричины мира. В отличие от сторонников креационизма — теистов К. Линнея и Ж. Кювье, считавших, что виды животных и растений были созданы творцом и потому имеют качественно-определенные грани, в отличие от этого деист Ж. Ламарк: считал, что виды организмов возникают и развиваются по законам природы, причем между видами объективных граней не существует, и они незаметно переходят одни в другие.

Ламарк в своем толковании природы выступает как ученый и философ-материалист.

Для современного биолога представляют большой интерес взгляды Ламарка о качественной специфике живого. «Можно положительно утверждать, — говорит Ламарк, — что между неорганическими и живыми телами лежит огромная пропасть, не позволяющая ни расположить их в один ряд, ни связать переходом, что тщетно пытались сделать». Кроме того, Ламарк устанавливает существенные различия между животными и растениями, считая раздражимость исключительной способностью первых.

Исторической заслугой Ламарка является установление важных законов материалистической биологии о влиянии упражнения и неупражнения органов на их развитие (первый закон) и о наследовании приобретенных в течение жизни свойств и признаков (второй закон).

В книге В. Я. Шипунова о структурных компонентах биосферы в качестве единомышленников В. И. Вернадского названы Ф. Рихтгофен, В. В, Докучаев, П. И. Броунов, Р. И. Аболин и даже А. А. Григорьев.

Свои идеи о биосфере он изложил в работе «Биосфера», вышедшей в 1926 г. Дальнейшая разработка концепции биосферы отражена в ряде работ: «Очерки геохимии» (1927), «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения» (1965), «Живое вещество» (1978).

В учении о биосфере определению ее структуры первоначально не было уделено достаточного внимания. В. И. Вернадский ограничился лишь довольно беглым обзором геологических оболочек и геосфер Земли. В дальнейшем основные усилия были направлены на исследование отдельно суши и океана, а также биосферы как целого с ее геохимией, круговоротами веществ и потоком энергии, порождающим эти круговороты, с одной стороны, и на изучение элементарных экосистем — биогеоценозов с их энергетико-вещественными свойствами, с другой. Если провести аналогию с организмом, то в поле зрения попали прежде всего индивид как целое, самые крупные его блоки и отдельные клетки, а составленные ими ткани, органы и системы органов — вся внутренняя иерархия систем — оказались вне поля пристального внимания ученых.

Под биосферой Вернадский понимал тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера располагается на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы. В атмосфере верхние границы жизни определяются озоновым экраном — тонким (в несколько миллиметров) слоем озона на высоте примерно 20 км. Океан населен жизнью целиком, до дна самых глубоких впадин в 10−11 км. В твердую часть Земли жизнь проникает до 3 км (бактерии в нефтяных месторождениях). Занимаясь созданной им биогеохимией, изучающей распределение химических элементов по поверхности планеты, В. И. Вернадский пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента из таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество. Он сформулировал три биогеохимических принципа:

• 1. Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Этот принцип в наши дни нарушен человеком.
• 2 Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Этот принцип при антропогенном измельчании средних размеров особей биоты Земли (лес сменяется лугом, крупные животные мелкими) начинает действовать аномально интенсивно.
• 3. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, создающейся и поддерживающейся на Земле космической энергией Солнца. Вследствие нарушения двух первых принципов космические воздействия из поддерживающих биосферу могут превратиться в разрушающие ее факторы.

Данные геохимические принципы соотносятся со следующими важными выводами Вернадского:

• * каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой природой;
• * жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись по планете, стимулируя перераспределение энергии и вещества.

Основная задача в изучении эволюции биосферы, по мнению Вернадского, заключалась в установлении связи «эволюции видов с механизмом биосферы, с ходом биогеохимических процессов».

Существование подобной связи не вызывало у него сомнений, так как «основные числа, характеризующие эти процессы, являются видовыми признаками, меняющимися в процессе эволюции». К числу этих признаков он относил общую биомассу вида, его химический состав и геохимическую энергию. Позднее, конкретизируя эти мысли, Вернадский характеризовал эволюцию химической и энергетической структур биосферы как интегральный результат преобразований, происходящих на видовом уровне организации жизни. Факторы и движущие силы видообразования, по-видимому, и представляют собой ведущие источники преобразования всей биосферы. Поэтому необходимо исследовать, как «эволюция видов переходит в эволюцию биосферы». В связи с этим при постановке проблемы эволюции биосферы Вернадский использовал основные результаты исследований эволюции органического мира, в том числе и дарвинистские представления о причинах видообразования. Он считал необходимым учитывать и детерминирующее влияние структуры биосферы на эволюцию каждого вида. Изучение влияния структуры биосферы на эволюцию видов, по мнению Вернадского, представляет определенный интерес и для эволюционной теории, так как позволяет объяснить некоторые закономерности биологической эволюции действием «целой совокупности физических законов и механизмов функционирования биосферы». Таким образом, Вернадский впервые выдвинул задачу синтеза основных положений эволюционной теории с созданным им учением о биосфере. С одной стороны, для познания механизмов эволюции биосферы следует опираться на данные эволюционной теории о субстрате эволюции органического мира и ее движущих силах. С другой стороны, изучение структуры биосферы должно способствовать углублению знаний о закономерностях органической эволюции. Эти положения являются ключевыми для понимания взглядов Вернадского на сложные взаимодействия эволюционных преобразований, происходящих на разных уровнях организации жизни.

Биосфера Вернадского неразрывно связана с его концепцией пространства-времени, т. е. она трехмерна и геоисторична. Сведение её к современной жизнедеятельной плёнке планеты не просто обедняет понятие биосферы, а лишает её самой основы — бесконечной длительности эволюции, сложности неравномерного исторического развития, его непрерывности, направленности и необратимости. Нынешний срез биосферы, какой бы сложной и экологически дробной она нам ни представлялась, в своём вхождении в ландшафты Земли, в литосферу, в гидросферу (вплоть до человека в космосе) только вершина древа — гигантского пути, идущего из геологического прошлого, без знания которого вся ослепительная красота современной мозаики жизни безродна и слепа.

Биосфера, как считает В. И. Вернадский, сразу возникла как система, состоящая из примитивнейших безъядерных (прокариотических) организмов — прокариот. Однако одни из них питались готовыми органическими веществами — это были гетеротрофные бактерии. Другие же могли использовать энергию химических связей для созидания органического вещества. Такие организмы названы хемотрофами. Вместе они и создали систему пищевой (трофической) зависимости или биологический круговорот. Время возникновения круговорота, а, следовательно, жизни все дальше отодвигается вглубь веков. Ранее считалось, что архей — древнейшая эра жизни (2,8 млрд. лет назад), сейчас же говорим о катархейской эре (уже 3,8 млрд лет назад). Для В. И. Вернадского же жизнь на Земле — геологически вечное явление.

Верхняя граница биосферы, по Вернадскому (1965), проходит на высоте 15−20 км, охватывая всю тропосферу и нижнюю часть стратосферы: озон находится у полюсов в слое 8−30 км, в тропиках 15−35 км. Снизу Биосфера ограниченна отложениями на дне океанов (до глубины свыше 10 км) и глубиной проникновения в недра Земли организмов и воды в жидком состоянии. Подстилающая литосфера, верхняя стратосфера, ионосфера и космическое пространство служат биосфере средой. Основной энергетический источник, обеспечивающий функционирование биосферы, — энергия Солнца. Таким образом, биосфера — это особая термодинамическая открытая оболочка Земли, вещество, энергетика и организация которой и обуславливаются взаимодействием её биотического и абиотического компонентов. Она, следовательно, включает совокупность организмов и их остатки, а также части атмосферы, гидросферы и литосферы, населённые организмами и изменяемые их деятельностью.

В науке принято говорить о структуре биосферы:

• — Атмосфера. Это воздушная оболочка, состоящая из азота и кислорода, углекислого газа и озона. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и особенно биологические процессы на земной поверхности и в водной среде.
• — Гидросфера. Вода важная составная часть всех компонентов биосферы и один из необходимых факторов существования живых организмов.
• — Литосфера. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, сосредоточена в почвенном слое, глубина которого обычно не превышает нескольких метров. Почвы представлены минеральными веществами, образующимися при разрушении горных пород, и органическими веществами — продуктами жизнедеятельности организмов.