Идеи В.И. Вернадского о биосфере
Особая роль в развитии учения о биосфере - оболочке Земли, строение и организованность которой обусловлены жизнедеятельностью организмов, - принадлежит русскому ученому академику В.И. Вернадскому. По его утверждению, биосфера - планетарное явление космического характера. "Мысль о жизни как о космическом явлении, - пишет В.И. Вернадский, - существовала уже давно. В конце XVII в. голландский ученый X. Гюйгенс в книге "Космотеорос", переведенной в России по инициативе Петра I, сделал следующее научное обобщение: "жизнь есть космическое явление, в чем - то резко отличное от косной материи". Вернадский назвал это обобщение "принципом Гюйгенса".
В. И. Вернадский в студенческие годы в Петербурге был учеником В. В. Докучаева, которого справедливо называют основоположником современной физической географии. Докучаев первым в конце XIX в. отметил присущую географии потребность синтезировать знания частных наук для комплексного изучения природы земной поверхности. Приведем его слова, подытоживающие достижения естествознания XIX в. и намечающие новые задачи географии:
"Не подлежит сомнению, что познание природы - ее сил, стихий, явлений и тел — сделало в течение XIX столетия такие гигантские шаги, что само столетие нередко называют веком естествознания, веком натуралистов. Но, всматриваясь внимательнее в эти величайшие приобретения человеческого знания, нельзя не заметить одного весьма существенного и важного недочета. Изучались, главным образом, отдельные тела - минералы, горные породы, растения и животные - и явления, отдельные стихии - огонь (вулканизм), вода, земля, воздух, в чем наука достигла удивительных результатов, но не их соотношение, не та генетическая, вековечная и всегда закономерная связь, какая существует между силами, телами и явлениями, между мертвой и живой природой, между растительными, животными и минеральными царствами, с одной стороны, и человеком, его бытом, и даже духовным миром - с другой. А между тем именно эти соотношения, эти закономерные взаимодействия и составляют сущность познания естества, ядро истинной натурфилософии — лучшую и высшую прелесть естествознания".
Вся "Биосфера" Вернадского пронизана идеей взаимодействия не только земных, но и космических тел и явлений. И главную роль среди них играют живые организмы, "живое вещество" планеты. "Своеобразным, единственным в своем роде, отличным и неповторяемым в других небесных телах представляется нам лик Земли - ее изображение в космосе, вырисовывающееся извне, со стороны, из дали бесконечных небесных пространств", - так начинает Вернадский свою книгу "Биосфера".
Понимание идей Вернадского пришло только в 60-е гг. XX-го столетия. Оно крепло по мере осознания человечеством угрозы экологического кризиса. Решение глобальных экологических проблем невозможно без понимания законов, управляющих живыми организмами в биосфере.
Вернадский раскрывает ведущую роль живых организмов в трансформации солнечной энергии и преобразовании веществ, слагающих наружные оболочки Земли. "По существу, биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию, - пишет Вернадский, — лучи Солнца обусловливают главные черты механизма биосферы. Солнцем в корне переработан и изменен лик Земли, пронизана и охвачена вся биосфера".
"Живое вещество, - по словам Вернадского,- выполняет космическую функцию, связывая Землю с космосом. Вещество биосферы благодаря им (т. е. солнечным лучам) проникнуто энергией; оно становится активным, собирает и распределяет в биосфере полученную в форме излучений энергию, превращает ее в конце концов в энергию в земной среде свободную, способную производить работу. Лик Земли ими меняется, ими в значительной мере лепится. Он не есть только отражение нашей планеты, проявление ее вещества и ее энергии - он одновременно является и созданием внешних сил космоса".
Вернадский подчеркивает, что, используя солнечную энергию, живое вещество выполняет гигантскую химическую работу. Поскольку речь идет о преобразовании живыми организмами земных веществ, Вернадский назвал эти процессы биогеохимическими: "Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхности. Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном, интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших соединений. И этот процесс длится без перерыва десятки миллионов лет..."
Понятие биосферы, по мнению В. И. Вернадского, было сформулировано (без употребления самого термина) Ж. Б. Ламарком в начале XIX в. А. Гумбольдт выделял сферу жизни как неотъемлемую часть географической оболочки. Наконец, Э. Зюсс в 1875 г. при рассмотрении основных оболочек Земли полагал, что в области взаимодействия верхних сфер и литосферы можно выделять самостоятельную оболочку - биосферу. Э. Зюсс впервые ввел этот термин в науку.
Определяя биосферу, Вернадский вводит понятие живое вещество — совокупность всех живых организмов. Область распространения живого вещества включает нижнюю часть воздушной оболочки (атмосферу), всю водную оболочку (гидросферу) и верхнюю часть твердой оболочки (литосферу).
Вернадский четко обозначает верхний и нижний пределы распространения жизни. Верхний - обусловливается лучистой энергией, приходящей из космоса, губительной для живых существ. Речь идет о жестком ультрафиолетовом излучении; оно задерживается озоновым экраном, нижняя граница которого проходит на высоте около 15 км: это верхняя граница биосферы.
Нижний предел жизни связан с повышением температуры в земных недрах. На глубине 3-3,5 км температура достигает 100 °С. Наибольшую мощность биосфера имеет в океане: от поверхности до максимальных глубин в нем обитают живые существа.
Для биосферы характерно не только присутствие живого вещества. Она обладает также следующими тремя особенностями: во-первых, в ней в значительном количестве содержится жидкая вода; во-вторых, на нее падает мощный поток солнечной энергии; в-третьих, в биосфере проходят поверхности раздела между веществами, находящимися в трех фазах - твердой, жидкой и газообразной. Все это служит предпосылкой для активного обмена веществом и энергией, в котором большую роль играют живые организмы. Живые организмы - это трансформаторы лучистой энергии, особый механизм, строящий материю живой оболочки земной коры - биосферы.
Биосфера - главная арена жизни и хозяйственной деятельности человека.
ЗЕМНЫЕ ОБОЛОЧКИ ПО ВЕРНАДСКОМУ В.И., 1926
| Термодинамические | 1. Верхняя. Ничтожное давление, низкая Температура. Выше 600 км. 2. Поверхностная. Давление вблизи 1 атм. Температуры от -50 до +500С. 3. Верхняя метаморфическая. Температура ниже критической для воды. Давление не влияет на свойства твердых тел. 4. Нижняя метаморфическая. Температура выше критической для воды. Давление делает вещество пластичным. 5. Магмосфера. Граница земной коры. Температура ниже критических для всех тел. 6. Борисосфера. Температура критическая для всех тел. |
| Фазовые | 1. Высокая стратосфера. Разреженные газы, ионы, электроны. Выше 100 км от поверхности Земли. 2. Стратосфера. Разреженные газы выше 15 км от поверхности Земли. 3. Тропосфера. Обычный газ - от 0 до 15 км от Земли. 4. Гидросфера. Жидкая вода. 0-4 км ниже поверхности. 5. Литосфера. Кристаллическое твердое вещество. 6. Стекловатая литосфера. Пластическое стекло, пронизанное газами. Высокая температура и давление. 7. Магматическая. Вязкая жидкость с газами в горячей твердой среде 8. Закритический газ. Газ под большим давлением. |
| Химические | 1. Водородная. Выше 200 км от поверхности Земли. 2. Гелиевая. 110-200 км от поверхности Земли. 3. Азотная. Больше 70 км от поверхности. 4. Азотно-кислородная атмосфера. 0-70 км от поверхности. 5. Гидросфера. 0-4 км ниже поверхности. 6. Кора выветривания. Свободный О2, Н2О, СО2. 7. Стратисфера. Измененная древняя кора выветривания. До 5 км ниже поверхности Земли. 8. Гранитная. Пара и ортограниты. 9. Базальтовая. Ниже 5 км от поверхности. 10. Кремне-железная. Ядро Земли |
| Парагенетические | 1. Атомные. Свободные атомы устойчивы. 2. Газовая. Молекулы и атомы газов 3. Области жизни и коллоидов. 4. Молекулы и кристаллы. Химические соединения. 5. Магматическая. Отсутствие твердых соединений, много газов |
| Лучистые | 1. Электронная. Свободные электроны. 2. Ультрафиолетовая. Коротковолновые излучения, проникающие космические лучи. Газообразные продукты радиоактивного распада. 3. Световая. Световые и тепловые излучения. Инертные продукты радиоактивного распада. 4. Тепловая и радиоактивная. Радиоактивные излучения. 5. Тепловая. Радиоактивные процессы отсутствуют. |
Энергия, выделяемая организмами, есть в основном, а может быть, и целиком энергия Солнца.
Итак, биосфера сочетает как сугубо земные, так и космические процессы, отражает их изменения в истории космоса. Биосферу нельзя понять, изучая явления, происходящие только в ней, без учета связей земных процессов со всем космическим пространством.
Живое вещество. По мнению В. И. Вернадского, «живой организм» биосферы должен изучаться целиком, как особое тело. Через организмы регулируются все химические процессы на поверхности планеты. Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих земную кору. Из них организмы создают миллионы разнообразнейших соединений, и этот процесс длится без перерыва миллиарды лет. Чем больше изучаются химические явления на земной поверхности, тем больше доказательств того, что нет случаев, где химические превращения независимы от жизни. Становится ясным, что прекращение биологической жизни приведет к прекращению и геохимической жизни. Тогда установится химическое спокойствие, временами нарушаемое поступлением из земных глубин газов, лав и других веществ. Но эти вещества быстро примут формы, характерные для безжизненной планеты. И даже нагревание Солнцем и деятельность воды мало изменили бы картину, ибо с прекращением жизни исчезнет свободный кислород, увеличится содержание углекислого газа в атмосфере. Да и вода, лишенная биогенного кислорода, при температуре и давлении на поверхности Земли, в инертной газовой среде стала бы химически безразличным телом. Так, жизнь является великим нарушителем спокойствия, инертности и косности нашей планеты.
Зеленые растения - это та часть единого «живого вещества», которая непосредственно использует солнечные лучи и создает энергетически активные химические соединения, т. е. «живое вещество» первого порядка. Даже по своей морфологии (гр. тоrphe - форма) зеленые организмы приспособлены к исполнению своей космической функции - улавливанию солнечного луча. Свет как будто лепит формы листа. Условия биосферы обеспечивают встречу луча с зеленым растением.
Превращение солнечной энергии в химическую в зеленых, хлорофиллоносных организмах - главное свойство живого вещества, его основная функция.
С зеленой частью биосферы неразрывно связан и весь остальной живой мир. Дальнейшую переработку созданных растениями химических соединений осуществляет живое вещество второго порядка - животные. Их деятельность можно рассматривать как развитие единого процесса превращения солнечной энергии в работающую энергию Земли. После смерти организмы попадают в иное термодинамическое поле среды и разрушаются, выделяя энергию. Следовательно, совокупность всех живых организмов, все «живое вещество» - это область превращения световых излучений Солнца и накопления солнечной энергии в виде химической энергии.
Значение этого процесса огромно. Непрерывно падает на Землю поток солнечного света и непрерывно работает по всей поверхности Земли (и суши, и моря) аппарат его улавливания » превращения - живое вещество. Живое вещество, подобно массе газа, растекается по земной поверхности и в окружающей среде, обходит препятствия и овладевает пространством.
Размножение организмов, обеспечивающее это движение, идет с определенным темпом. Размножение организмов - важнейшее проявление «механизма земной коры», и в нем главное отличие живого от мертвого.
Несмотря на чрезвычайную изменчивость жизни, размножение, рост и т. д., работа по превращению солнечной энергии в земную подчиняется стройным математическим закономерностям, мере и гармонии, какие мы видим в движениях небесных светил и в системах атомов.
Область жизни - вся поверхность планеты. По выражению В. И. Вернадского: Жизнь «всюдна» и стремится охватить все доступное пространство, расширяясь в геологическом времени. Растекание жизни есть проявление ее внутренней энергии. Эта энергия переносит химические элементы и создает из них новые тела - это геохимическая энергия жизни. Наблюдая за заселением пустых пространств, человек может созерцать движение солнечной энергии, превращенной в земную - биохимическую".
При отсутствии препятствий во внешней среде любые организмы, особенно бактерии, могли бы создать с непостижимой быстротой невероятные количества сложнейших химических соединений, являющихся вместилищем огромной химической энергии. Так, обитающие в морской воде шаровые бактерии объемом 10-12 см3 менее чем за 1,5 суток образовали бы пленку, покрывающую земной шар. Скорость продвижения шаровых бактерий по земной поверхности была бы равна 33 100 см/с. Эта скорость может рассматриваться как потенциальная скорость распространения жизни. С такой скоростью бактерия могла бы за 1,47 суток путем размножения совершить полный оборот вокруг земного шара.
Скорость передачи жизни на наибольшее доступное ей расстояние есть характерная для каждого вида организмов постоянная величина; она отражает пределы возможного распространения вида, ограниченные размерами данной планеты. Как вес тела зависит от того, на какой планете оно находится, так и скорость распространения жизни на Земле должна отличаться от таковой на других планетах (если она там есть). Жизнь в биосфере есть чисто земное планетное явление, ограниченное пределами физических свойств планеты, и прежде всего ее размерами. Предельное, одинаковое для всех организмов расстояние, по которому может распространяться жизнь, равно длине земного экватора - 40 075 721 м. Скорость продвижения организмов зависит от их размеров и темпов размножения.
Для самых мелких организмов скорость продвижения жизни близка к скорости звука - 33 100 см/с, для крупных она составляет доли сантиметра в секунду; для индийского слона, например, 0,09 см/с. Кроме того, существует максимально возможное число особей для каждого вида, которое никогда не может быть превышено, Nmax. Эта величина соответствует максимальному заполнению данным организмом земной поверхности. Скорость достижения Nmax(v) для каждого вида своя и зависит от числа организмов, появляющихся в единицу времени (Δ) и определяется формулой
Газовый обмен организмов, т. е. дыхание, также имеет важнейшее значение. Газы в биосфере те же, что образуются при газовом обмене в живых организмах: О2 N2, СО2, Н2О, Н2, СН4, NН3. И это не случайность. Свободный кислород образуется только благодаря зеленым организмам.
Тесная связь газов с жизнью указывает но то, что газовый состав биосферы - чисто земное явление, определяемое фотосинтезом и дыханием организмов в масштабе планеты.
Количество организмов, появляющихся путем размножения в единицу времени, не может выйти за пределы, нарушающие свойства газов, т. е. число организмов в 1 см3 среды не может превышать числа газовых молекул в нем (около 2,7 ·1019). В биосфере идет борьба не только за пищу, но и за нужный газ, так как последний контролирует размножение.
В каждый момент живое вещество в биосфере разрушается и вновь создается, главным образом не ростом, а размножением. Поколения создаются в сроки от десятков минут до сотен лет. Ими обновляется биосфера. Главное условие жизни определяется полем существования зеленой растительности, т. е. областью планеты, пронизанной солнечным светом. Здесь же собраны не только автотрофные, но и гетеротрофные организмы, так как в своем существовании они тесно связаны с продуктами жизни зеленых организмов - кислородом и органическими веществами.
На протяжении миллионов лет геологического времени шло и сейчас идет постоянное проникновение живого вещества в обе стороны от зеленого покрова. Мы живем в стадии медленного расширения поля жизни. Может быть, одним из проявлений этого является биохимическое создание новых форм лучистой энергии гетеротрофными организмами. К таковым можно отнести свечение микроскопических организмов в морских глубинах или свечение поверхности моря, которое позволяет фитопланктону синтезировать органические вещества в часы, когда до него не доходит солнечный свет.
Глубоководные экспедиции встречали зеленые растения (водоросли На1ionella в Тихом океане) на глубине 2 км, т. е. там, куда не проникают лучи Солнца. Эти факты еще ждут объяснений. Но если бы оказалось, что живое вещество способно трансформировать лучистую энергию не только в химическую, но и во вторичную лучистую, возможно, это расширило бы область жизни. Кроме того, в глубоководных зонах океана могут доминировать хемоавтотрофные организмы.
Новой в биосфере является и световая энергия, созданная человеком: электричество, например. Но пока в фотосинтезе планеты она практически не играет никакой роли, так как составляет ничтожную долю по сравнению с солнечной энергией, используемой растениями.