Основы учения о биосфере как единой системы

Основные идеи Вернадского о биосфере сложились к началу 20-х годов и были опубликованы в 1926 г. в книге «Биосфера», состоящей из двух очерков: «Биосфера в космосе» и «Область жизни». По Вернадскому, биосфера — организованная, динамическая и устойчиво уравновешенная, самоподдерживающаяся и саморазвивающаяся система. Основной чертой ее организованности является биогенная миграция химических элементов, производимая силами жизни, источником энергии которой является лучистая энергия Солнца. Вернадский так определил пространство, охватываемое биосферой Земли: вся гидросфера до максимальных глубин океана, верхняя часть литосферы материков до глубины 2−3 км, нижняя часть атмосферы (по крайней мере, до верхней границы тропосферы) [1].

Вместе с другими геосферами биосфера образует единую планетарную экологическую систему высшего порядка, в которой действует единый планетарный механизм. В первой стадии происходит поглощение растениями солнечной энергии, углекислоты, воды и минеральных веществ. Вторая стадия — многократная трансформация и утилизация органических веществ, образовавшихся в виде биомассы, животными и микробами. Третья стадия — распад органических веществ до исходных минеральных продуктов с помощью микроорганизмов-минерализаторов. Динамическое равновесие всех этих процессов в масштабах планеты определяет существование жизни, направление биохимических процессов в твердых породах, воде и атмосфере планеты. На Земле есть и места, где это равновесие особо ранимо (например, в тропиках).

В начале XX в. изучение Вернадским роли живых организмов в химических процессах на поверхности Земли соотносилось с исследованием геохимии отдельных химических элементов, входящих в состав горных пород. Связующим звеном явились вопросы геохимии углерода. Поэтому ученый заинтересовался ролью отдельных видов — млекопитающих, птиц, рыб, растений; особенно его внимание привлек человек.

Изначальная, со студенческих пор полученная установка исследователя на изучение роли организмов в окружающей среде каждый раз получала все новый и новый материал в пользу значительного участия жизни в эволюции вещества планеты. Деятельность грызунов в степи, наблюдения за дождевыми червями, минерализующими органику почвы, геохимическая деятельность водорослей в водоемах — эти и другие наблюдения составляли творческую лабораторию ученого, в которой формировался биологический подход к осмыслению геохимических циклов земного вещества.

В 1907;1910 гг. — первые публикации Вернадского по живому веществу. Постоянные размышления над биологическими вопросами в их связи с идеями генетической минералогии и геохимии привели Вернадского к развернутой постановке проблем биогеохимии и учения о живом веществе в виде системы взаимосвязанных вопросов, догадок, предположений. Формировалась программа будущих научных исследований ученого, определившая эволюцию его научных интересов [8].

Что общего между почвой, осадочными породами, мировым океаном, подземными водами? Что позволяет объединить их в единое целое? Вернадский отвечает: общей является геохимическая работа живого вещества.

Живое представляется для Вернадского в виде зелени, охватившей всю планету пленкой жизни. Развитие живого в биосфере привело к огромному разнообразию органических соединений, число которых измеряется миллионами, в то время как число неорганических соединений (минералов) измеряется тысячами. Развитие живого вещества сопровождается его ростом. Но в природе протекает и обратный процесс — разрушение сложных органических соединений. Животные более энергично, чем растения минерализуют органические вещества. Противоположные процессы образования и разрушения органического вещества образуют единый биологический круговорот атомов на Земле.

Живые организмы, неживое вещество во всех его проявлениях заселяют особую планетарную оболочку — биосферу. Учение о живом веществе у Вернадского перерастает в учение о биосфере — цельное научное обобщение громадного количества фактов о происхождении, структуре и динамике окружающей среды [10, 13].

До Вернадского организмам тоже отводилась определенная роль в жизни Земли. Среди осадочных пород выделяли особо органогенные породы: угли, ракушечники, диатомиты, торф и др. Однако подавляющее большинство других пород не связывали с деятельностью организмов. В особенности, как считали, не было никаких оснований связывать с жизнью граниты. Поэтому высказывание Вернадского о том, что граниты — это былые биосферы, многим показалось абсурдным. Причина этого — в рассмотрении биологами отдельного живого существа, роль которого представлялась весьма малой по сравнению с грандиозной деятельностью неживой природы: работой рек, ледников, ветра.

Вернадский ввел в науку понятие «живое вещество», — стало возможным оценить деятельность живого на планете в целом. «Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы, действенная его энергия по сравнению с энергией косного вещества в историческом времени огромна. Захватывая энергию Солнца, живое вещество создает химические соединения, при распадении которых эта энергия освобождается в форме, могущей производить химическую работу».

Для полного описания особенностей живого вещества Вернадский вводит в научный оборот понятия «сгущение жизни», «давление жизни», «всюдность жизни». Он говорит: «Живое вещество — совокупность организмов — подобно массе газа, растекается по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде, обходит препятствия, мешающие его передвижению, или ими овладевает, их покрывает».

С 1915 г. идея живой материи приобретает у Вернадского практическое значение, экономический и социальный аспекты.

На Украине Вернадским организованы первые экспериментальные работы по живому веществу. Обнаружено, что химический состав живых организмов зависит от химизма среды обитания. Живое вещество имеет избирательную способность по отношению к химическим элементам. Вернадский предложил различать экологические типы растений. Экспериментальные работы проводятся в лаборатории по живому веществу (организованной с помощью А. Душечкина — впоследствии академика АН УССР — на базе бывшей лаборатории сахарозаводчиков), в лаборатории технической химии Киевского университета, в лаборатории Таврического университета, на Салгирской плодоводческой станции, в ботаническом кабинете Киевского университета (под руководством доцента Н. Г. Холодного здесь велись работы по выделению чистых культур диатомовых водорослей).

Киевское общество любителей природы оборудовало для научной работы Старосельскую биологическую станцию, арендовавшую участок в районе урочища «Черторой». Из-за угрозы смыва станции при разливе Днепра ее позднее перенесли в район села Староселье (10 км от Киева) в урочище «Гористое». В конце 1921 г. станция была передана Украинской Академии наук. Именно здесь Вернадский при изучении водорослей фиксирует явления, позже названные им «сгущением живого вещества», «давлением жизни», «всюдностью жизни». На Старосельской биологической станции началась многолетняя дружба и научное сотрудничество Вернадского с Холодным. Эвтрофикация и бурное развитие водорослей убеждает его в интенсивности размножения низших организмов. 27 ноября 1919 г. в дневнике появляется запись: «Работал над живым веществом. Иногда мне кажется, что вся эта работа очень мало дает в результатах и что я не справлюсь с тем ее размахом, какой даю я в ней. Нахожу новые и новые пропуски и убеждаюсь в ошибочной оценке, сделанного до меня. Встречаешь свои мысли и постоянно их находишь — иногда совершенно неожиданно. Сколько моих мыслей, действительно „моих“. Сколько их возникло из фактов или из чтения? Сколько из них воспоминаний прочитанного или услышанного, отзвучавших иначе, чем у других, в моей душе? И сейчас для идеи о количественном постоянстве жизни я все нахожу новых и новых предшественников. Можно дать связную картину людей, подходивших к этой идее в прошлом, и это мнение было для меня мерилом того, что я далеко не охватил сделанного до меня. Нет истории этой идеи? Никто не проводил ее последовательно? Оказала она то влияние на человеческую мысль, какое мне в ней видится?».

Живые организмы не ограничены от неорганической неживой «косной» материи, они образуют вместе с ней особые системы, которые Вернадский назвал биокосными. Это подсистемы биосферы, в которых живое вещество и неорганическая материя проникают друг в друга; сама биосфера — наиболее крупная биокосная система. Первую биокосную систему — почву — открыл еще в XIX в. его учитель В. В. Докучаев, — благодаря такому подходу русское почвоведение завоевало ведущее место в мировой науке. В почве живые организмы, твердые, жидкие и газообразные вещества тесно между собой связаны и взаимообусловлены.

Летом 1884 г. Вернадский изучает почвы Украины. В 1890 г. он обследует почвы Кременчугского уезда Полтавской области. В частых геологических и минералогических экскурсиях он продолжает анализировать почвенные условия в различных районах страны, за рубежом. Участвует в составлении первой в России 10-верстной почвенной карты Полтавской губернии. Впервые ставит перед почвоведами и геохимиками задачу изучения образования почв как мощного геохимического механизма нашей планеты. Почва приобретает у Вернадского новый, биосферный смысл; в особенности уникальна его работа о влиянии деятельности роющих животных на физические и химические свойства чернозема [20].

Живое вещество превращает происходящие в почве химические процессы в биогеохимические, нарушает соотношение между почвой и подпочвой, влияет на зернистость и рыхлость почвы. Вернадский указывает на зависимость вертикальной миграции почвенного населения от суточного вращения Земли и времен года, называет основные направления исследований влияния живых организмов на почву: роль живого вещества в формировании физических и химических свойств почвы, роль живого вещества в формировании почвенных дисперсий, роль живого вещества в процессе концентрации и рассеивании химических элементов в почве и др.

Определение в почве редких химических элементов поможет исследованию биологических процессов, так как почва является единственным источником редких элементов для сухопутных организмов. Анализировать почву необходимо со всем ее содержанием, со всеми ее организмами, их остатками и другими органическими материалами. «Вероятно, большая часть химических элементов находится в ней в виде живых организмов. Живое вещество не только управляет химическими процессами почвы, но и само входит в ее состав».

В своей работе «Об участии живого вещества в создании почв» Вернадский впервые обосновал фундаментальную идею об органогенном парагенезисе, которая имеет большое прикладное значение. Еще в 1909 г. он ввел в науку понятие о парагенезисе химических элементов в земной коре. Явлением органогенного парагенезиса Вернадский объяснил накопительную и распылительную в отношении химических элементов функцию живого вещества.

Вернадский изучает радиоактивные элементы во всех объектах окружающей среды. По его мнению, это поможет понять многие проблемы, связанные с геологией и геохимией планеты, более целенаправленно вести поисковые работы на радиоактивные элементы [20].

С развитием работ все большее внимание у него привлекает вопрос о космической роли живой материи. Лишайники на горных породах: Вернадский впервые изучает их в связи с их способностью изменять лучеиспускание и нагревание горных пород. Затем он обнаружил связь между стадиями разрушения пород и семействами или родами поселявшихся на них растений. Не являются ли лишайники и мхи своеобразными космическими агентами, влияющими на тепловой режим нашей планеты?"Ибо биосфера является той единственной земной оболочкой, в которую непрерывно проникают космическая энергия, космическое излучение и прежде всего лучеиспускания Солнца, поддерживающие динамическое равновесие, организованность: «биосфера живое вещество».

В истории биосферы выделяются четыре крупных этапа: появление первичных автотрофов (новый способ питания, важнейший компонент биосферы); возникновение животных с кальциевым скелетом (усиление одной из биогеохимических функций); формирование лесных биогеоценозов (возникновение биогеоценозов, наиболее эффективно осуществляющих аккумуляцию солнечной энергии); создание ноосферы (резкое изменение всех биогеохимических и энергетических процессов в биосфере).

Продолжением его мыслей об истории биосферы стал доклад «Об условиях появления жизни на Земле», прочитанный Вернадским 12 декабря 1930 г. в Ленинградском обществе естествоиспытателей. В этом докладе Вернадский дал четкое разграничение биогеохимических функций биосферы. Весь набор геохимических функций биосферы осуществляется всеми организмами в целом. В конце доклада ученый утверждает: «Лишь со времени выступления в биосфере цивилизованного человечества один организм оказался способным одновременно вызывать разнообразные химические процессы, но он достигает это разумом и техникой, а не физиологической работой своего организма». Наблюдая пласты древних осадочных пород, залежи известняка, железных и марганцевых руд, каменного угля, основоположник геохимии хорошо понимал роль живого вещества в их образовании. И вот что привлекло его внимание. Исследуя глубокие, самые древние пласты Земли, в которых были обнаружены следы живого вещества, он всегда встречал мощные проявления природопреобразующей деятельности живых организмов. Данные палеогеологических изысканий, считал Вернадский, — свидетельство множественности проявления жизни во всех горизонтах времени. Высока интенсивность работы разнообразных форм живого вещества, как далеко в прошлое мы бы ни возвращались. Это не может быть характеристикой только процесса эволюции, начатого одним только организмом или небольшой группой однородных организмов. Так около 60 лет назад Вернадский закладывает научные основы полифилии — гипотезы об изначальном многообразии жизни.

Полифилисты считают, что жизнь возникла не в одном каком-то месте и не в одной — единственной первоначальной форме, а сразу во многих местах, и в разнообразных формах, нуждающихся друг в друге. Многие другие ученые считали и считают иначе — жизнь возникла в одном месте Земли, а главное — в одной-единственной форме, из которой впоследствии путем долгой эволюции развилось и сложилось все современное многообразие ее проявлений. Но если это так, возражает Вернадский, появление жизни, живого вещества не было бы закономерным. Оно зависело бы от одного-единственного случая, от случайного и маловероятного стечения обстоятельств. Впервые в естествознании обоснована идея о том, что первичная биосфера с самого начала была сложной системой, поэтому в древности были как индивидуальные, так и надындивидуальные формы организации живого: виды и биоценозы. В рамках первичного биоценоза стало возможным выживание и размножение первичных форм жизни. Жизнь — это свойство, присущее экосистеме в целом, а не только отдельным организмам.

Земная кора представляет собой преобразованные остатки былых биосфер. Окаменевшими продуктами жизнедеятельности являются громадные залежи горючих ископаемых, осадочные породы и, возможно, гранитная оболочка Земли.

Вернадский выдвинул идею об эволюции биосферы как результате постоянного взаимодействия органического мира и окружающей его среды в процессах круговорота вещества и трансформации энергии: «Эволюционный процесс живых веществ непрерывно в течение всего геологического времени охватывает всю биосферу и различным образом, менее резко, но сказывается на ее косных природных телах. Уже по одному этому мы можем и должны говорить об эволюционном процессе самой биосферы в целом». Им выделены в эволюции биосферы, следующие основные тенденции: расширение области миграции элементов в результате захвата жизнью все новых зон обитания; усиление преобразующего влияния жизни на окружающую среду; общее ускорение темпов миграции элементов; появление качественно новых форм миграции элементов, непосредственно не связанных с обменом внутри организмов; резкое усиление отдельных биогеохимических функций; концентрация громадного количества солнечной энергии в приповерхностной оболочке Земли; общее усложнение структуры биогеохимического круговорота, связанное с появлением новых потоков миграции элементов.

За время геологической истории росло число видов организмов, они становились сложнее и совершеннее (от одноклеточных к млекопитающим). Эволюционировали биокосные системы: разнообразнее и сложнее становились почвы, илы, ландшафты. Увеличение сложности и разнообразия прежде всего, проявляло себя в геологии: усложнялся минеральный состав руд, увеличивались кларки концентрации. Эти процессы происходили при непрерывном поступлении солнечной энергии, радиоактивной энергии, возможно и других (неизвестных нам сегодня) видов энергии. С помощью биологического круговорота атомов солнечная энергия превращалась в химическую.

Вернадский считал, что основная задача в изучении эволюции биосферы заключается в установлении связи эволюции видов с эволюцией биосферы. Эти процессы характеризуются едиными признаками, к которым он относил биомассу, химический состав и геохимическую энергию. Видообразование рассматривается им не только как изменение морфологических и физиологических признаков организмов, но и как изменение их веса, химического состава и геохимической энергии. Для измерения влияния организмов на среду Вернадским введено понятие «геохимическая энергия» и предложены формулы для ее вычисления. В результате эволюции биосферы в поверхностных оболочках Земли накапливается энергия. Ее увеличение происходит в результате: фотосинтеза и выделения кислорода, обладающего высокой химической активностью; захвата растениями новых областей жизни, превращения их в области аккумуляции солнечной энергии в процессах фотосинтеза; аккумуляции солнечной энергии в горючих ископаемых и биогенных минералах.

Огромная, многогранная деятельность Вернадского, его беззаветный труд на ниве науки, многочисленные рукописи и работы, хранящие его творческое наследие, еще не изучены должным образом. Чем глубже проникают историки науки в замыслы и дела ученого, тем яснее становятся масштабы этой незаурядной личности, тем более значительными оказываются высказанные им идеи, намеченные им перспективы. Среди таких, недостаточно глубоко понятых современниками и актуальнейших ныне мыслей ученого — суждение В. И. Вернадского о закономерном переходе биосферы Земли в ноосферу. Небольшая работа, содержащая фундаментальные идеи о ноосфере, была написана в 1944 году, незадолго до смерти академика. По сути дела, перед нами — завещание ученого. Вернадского глубоко волновали выводы, которые он сделал из событий, свидетелем и участником которых ему довелось быть в течение жизни. Ненавидя войну, как только может ненавидеть ее ученый и гуманист, всю жизнь свою положивший на достижение блага для всех людей, он остро осознавал пагубность милитаризма. Значительно раньше многих своих коллег по научной деятельности понял он и возможные последствия бурно развивающейся технической практики, всемирный, глобальный характер ее влияния на естественные процессы, происходящие в биосфере.

Тогда, более сорока лет тому назад, эта его тревога многим казалась надуманной, недостаточно обоснованной. Возникшая в конце XIX — начале XX века эйфория человечества, самоупоение его собственными научно-техническими достижениями еще не развеялась. Лозунг борьбы с природой, покорения природы, призывы завоевать власть над землей воспринимались еще без всяких оговорок, тем более — без критики и осмысления возможных последствий такой «победы».

Но Вернадский не только предупреждал мир, людей о грозной опасности, которую таит в себе бесконтрольное и бездумное вмешательство в естественный кругооборот вещества, во взаимодействие физической, биологической и химической форм движения материи на планете, — он подсказывал и пути, которыми надлежит продвигаться вперед, чтобы избежать гибельного для живого вещества подавления природы. Необходимо осуществить планомерный, продуманный, руководимый Разумом переход от биосферы к ноосфере. НОО — разум. Значит, ноосфера — это целесообразно выстроенная, развивающаяся под руководством Разума, под влиянием плановой человеческой деятельности оболочка планеты Земля, объединяющая в целостную систему все рассматриваемые до сих пор раздельно оболочки — литосферу, гидросферу, атмосферу и биосферу. Заложенные Вернадским основы учения о ноосфере — великое достижение человеческой мысли, стремящейся преодолеть современные всемирные (глобальные) кризисы человеческого общества, среди которых на одном из первых мест — экологический кризис.

Термин «ноосфера» предложил в 1927 г. Е. Леруа. Под ноосферой он понимал закономерный этап в развитии органического мира, когда доминирующая роль в биосфере принадлежит духовному творчеству человека и продуктам его труда. Ноосфера Вернадского — также закономерный этап в развитии биосферы, но в его пределах разум человека становится общепланетарной силой, преобразующей лик Земли: «В XX веке впервые в истории Земли человек узнал и охватил всю биосферу, закончил географическую карту Земли, расселился по всей ее поверхности. Человечество своею жизнью стало единым целым». Вернадский применяет понятие «ноосфера» с середины 30-х годов, причем в строго материалистическом смысле. Ноосфера Вернадского — это не отвлеченное царство разума, как ее объясняли П. Тейяр и Е. Леруа. В ноосфере человек преобразует Землю не только в соответствии со своими потребностями, но и с учетом законов биосферы; ноосфера — естественное тело, компонентами которого будут литосфера, гидросфера, атмосфера и органический мир, преобразованные разумной деятельностью человека (в последующем в ноосферу должно будет включено и космическое пространство). Главные движущие силы этих процессов — народные массы, опирающиеся на достижения науки. Союз науки и народных масс — решающий фактор создания ноосферы. В XX в. слились в единый поток величайшие научные и социальные преобразования. Большая роль отводится науке: «Перед учеными стоят для ближайшего будущего небывалые для них задачи сознательного направления организованности ноосферы, отойти от которой они и не смогут, так как к этому направляет их стихийный ход роста научного знания». В одной из работ академика А. Л. Яншина перечисляются шесть основных условий (предпосылок) образования ноосферы: 1) превращение человечества в единое целое; 2) преобразование средств связи и обмена; 3) открытие новых источников энергии; 4) подъем благосостояния трудящихся; 5) установление равенства всех людей; 6) исключение войн из жизни общества [2].

Статья Вернадского «Несколько слов о ноосфере» заканчивается словами: «Сейчас мы переживаем новое геологическое эволюционное изменение биосферы. Мы входим в ноосферу. Мы вступаем в нее — в новый стихийный геологический процесс — в грозное время, в эпоху разрушительной мировой войны.

Но важен для нас факт, что идеалы нашей демократии идут в унисон со стихийным геологическим процессом, с законами природы, отвечая ноосфере.

Можно смотреть, поэтому на наше будущее уверенно. Оно в наших руках. Мы его не выпустим".

Сразу после создания Украинской Академии наук Вернадский впервые в мировой научной литературе заявил о влиянии деятельности человека на развитие биосферы и опасность ее разрушения. Эта проблема особенно актуальна сегодня. В наши дни свыше 5 миллиардов людей живут практически на ВСЕЙ Земле. Даже нечеловечески суровые ледяные плато Антарктиды пересечены сегодня гусеницами тракторных поездов. Человек осуществляет реакции, несвойственные биосфере, получает вещества, никогда в ней не существовавшие и часто неустойчивые. Даже небольшой технологической ошибки, аварии достаточно, чтобы вызвать бедствия на обширных территориях. Так чтобы превратить Балтийское море в биологическую пустыню, в него достаточно вылить 200 тысяч тонн нефти, — то есть столько, сколько было потеряно во время аварии танкера в марте 1978 г. у берегов Франции. При современных темпах сжигания кислорода биосфера вскоре будет не в силах восполнить его дефицит: через 100 лет, если не принять сегодня ограничения, в атмосфере будет кислорода не 21%, как сейчас, а всего лишь 8%. Глобальное проявление экологического кризиса требует научно обоснованных концепций и предложений по рациональному природопользованию. Учение о живом веществе, о биосфере и ноосфере приобретают значение теоретической основы охраны и экологической оптимизации окружающей среды.