I. Учение Вернадского о биосфере
Лекция 7. Понятие биосферы
В развитие биологии в ХХ веке большой вклад внесли русские ученые. Русская биологическая школа имеет славные традиции. Первая научная модель происхождения жизни создана А.И. Опариным. В.И. Вернадский был учеником выдающегося почвоведа В.В. Докучаева, который создал учение о почве как своеобразной оболочке Земли, являющейся единым целым, включающим в себя живые и неживые компоненты. По существу, учение о биосфере было продолжением и распространением идей Докучаева на более широкую сферу реальности.
Значение учения о биосфере Вернадского для экологии определяется тем, что биосфера представляет собой высший уровень взаимодействия живого и неживого и глобальную экосистему. Результаты Вернадского поэтому справедливы для всех экосистем и являются обобщением знаний о развитии нашей планеты.
Термин «биосфера» введен в науку австрийским геологом Э. Зюссом в 1875 г. Он выделил четыре геологические оболочки Земли: атмосферу воздушную оболочку, гидросферу – водную оболочку, литосферу – твердую оболочку и биосферу – живую оболочку. В.И. Вернадский, изучавший взаимодействие живых и неживых систем, переосмыслил понятие биосферы. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого.
Под биосферойВернадский 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 слоем озона на высоте примерно 20 км. Океан населен жизнью до дна самых глубоких впадин в 10-11 км. В твердую оболочку Земли жизнь проникает до 3 км (бактерии в нефтяных месторождениях).
Свои выводы о структуре и функциях биосферы он изложил в виде эмпирических обобщений, которые позже были названы учением о биосфере. Основные эмпирические обобщения Вернадского выглядят так:
1. Первым выводом из учения о биосфере является принцип целостности биосферы. «Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в механизме биосферы»[1]. Строение Земли, по Вернадскому, есть согласованный механизм. «Твари Земли являются созданием сложного космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма»[2]. Само живое вещество не является случайным созданием.
2. Принцип гармонии биосферы и ее организованности. В биосфере, по Вернадскому, «все учитывается и все приспособляется с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества и атомов энергии»[3].
3. Закон биогенной миграции атомов: в биосфере миграция химических элементов происходит при обязательном непосредственном участии живых организмов. Биосфера в основных своих чертах представляет один и тот же химический аппарат с самых древних геологических периодов. Лик Земли фактически сформирован жизнью.
4. Космическая роль биосферы в трансформации энергии. Вернадский подчеркивал важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии.
5. Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества. Размеры популяции возрастают до тех пор, пока среда может выдерживать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность колеблется вблизи равновесного уровня.
6. Растекание жизни есть проявление ее геохимической энергии. Живое вещество, подобно газу, растекается по земной поверхности в соответствии с правилом инерции. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.
7. Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности, а пределы жизни - физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловливается излучением, присутствие которого убивает жизнь и от которого предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 4330 С (от минус 2520 С до плюс 1800 С) является предельным тепловым полем.
8. Всюдность жизни в биосфере. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени.
9. Постоянство количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого вещества (1.5 х 1021 г и 1020 -1021 г). Это обобщение справедливо в рамках значительных геологических отрезков времени, и оно следует из того, что живое вещество является посредником между Солнцем и Землей и, стало быть, либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики.
В структуре биосферы Вернадский выделил пять элементов: 1) живое вещество – совокупность живых организмов планеты; 2) косное вещество, сформированное без участия жизни; 3) биогенное вещество, созданное в процессе жизнедеятельности организмов (нефть, уголь, газы атмосферы, известняки и т.д.); 4) биокосное вещество – результат взаимодействия живых организмов с неживой средой (почва, илы, озерная вода)[4]; 5) вещество космического происхождения.
Как следует из учения о биосфере, она выполняет следующие функции: 1) энергетическую – в процессе фотосинтеза растения поглощают энергию Солнца; 2) газовую – в процессе фотосинтеза поглощается углекислый газ и выделяется кислород, в процессе дыхания наоборот поглощается кислород и выделяется углекислый газ, также из атмосферы поглощается молекулярный азот и выделяется затем в процессе денитрификации; 3) окислительно-восстановительную - в биосфере происходит взаимопревращение атомов с изменением валентности (например, соединений металлов); 4) концентрационную – живые организмы накапливают в своих телах элементы таблицы Менделеева, в результате чего после их отмирания образуются, например, полезные ископаемые; 5) деструкционную – разложение остатков мертвых организмов и их минерализация.
II. Круговорот веществ в биосфере
Считается, что в природе два основных круговорота – большой (геологический) и малый (биогеохимический).
1. Большой геологический круговорот обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Магматические породы поднимаются из недр земли в результате вулканической деятельности и движения плит, превращаются у поверхности в осадочные породы, затем в подвижных зонах снова опускаются в зону высоких температур, где снова переплавляются в магму. И движение повторяется вновь. К большому круговороту относится также круговорот воды: влага, испарившаяся с поверхности океана, выпадает дождем над сушей, откуда вода вновь стекает в океан.
1. Малый круговорот веществ (биогеохимический) совершается в пределах биосферы, движимый живыми существами. В отличие от энергии, которая однажды использованная организмом, превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в биосфере, что и называется биогеохимическими круговоротами. Из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, около 40 нужны живым организмам. Наиболее важные для них и требующиеся в больших количествах - углерод, водород, кислород, азот. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется организмами при дыхании. Азот извлекается из атмосферы благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и возвращается в нее другими бактериями.
Круговороты элементов и веществ осуществляются за счет саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части экосистем. Эти процессы являются безотходными, так как в природе нет ничего бесполезного или вредного.
Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах ее развития, как и правило увеличения замкнутости биогеохимического круговорота в ходе сукцессии. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимического круговорота. Еще большую роль на биогеохимический круговорот оказывает человек. Но его роль осуществляется в противоположном направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ, и в этом проявляется его геологическая сила, разрушительная по отношению к биосфере на сегодняшний день.
Когда более 3 млрд лет тому назад на Земле появилась жизнь, атмосфера состояла из вулканических газов. В ней было много углекислого газа и крайне мало кислорода (если он вообще был), поэтому первые организмы были анаэробными. Так как продукция в среднем превосходила дыхание, за геологическое время в атмосфере накапливался кислород и уменьшалось содержание углекислого газа. Сейчас содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается в результате сжигания больших количеств горючих ископаемых и уменьшения поглотительной способности «зеленого пояса». Последнее является результатом уменьшения количества самих зеленых растений, а также связано с тем, что пыль и загрязняющие частицы в атмосфере отражают поступающие в атмосферу лучи.
В результате антропогенной деятельности степень замкнутости биогеохимических круговоротов уменьшается. Хотя она довольно высока (для различных элементов и веществ она не одинакова), но тем не менее не абсолютна, что и показывает пример возникновения кислородной атмосферы. Иначе невозможна была бы эволюция, ведь наивысшая степень замкнутости биогеохимических круговоротов наблюдается в тропических экосистемах - наиболее древних и консервативных.
Таким образом, следует говорить не об изменении человеком того, что не должно меняться, а скорее о влиянии его на скорость и направление изменений и на расширение их границ, нарушающее правило меры преобразования природы. Последнее формулируется следующим образом: в ходе эксплуатации природных систем нельзя превышать некоторые пределы, позволяющие этим системам сохранять свойства самоподдержания. Нарушение меры как в сторону увеличения, так и уменьшения приводит к отрицательным результатам. Например, избыток вносимых удобрений столь же вреден, сколь и недостаток. Это чувство меры утеряно современным человеком, считающим, что в биосфере ему все позволено.
Надежды на преодоление экологических трудностей связывают, в частности, с разработкой и введением в эксплуатацию замкнутых технологических циклов. Создаваемые человеком циклы превращения материалов считается желательным устраивать так, чтобы они были подобны естественным циклам круговорота веществ. Тогда одновременно решались бы проблемы обеспечения человечества невосполнимыми ресурсами и проблема охраны природной среды от загрязнения, поскольку ныне только 1-2% веса природных ресурсов утилизируется в конечном продукте.
Теоретически замкнутые циклы превращения вещества возможны. Однако полная и окончательная перестройка индустрии по принципу круговорота вещества в природе не реальна. Хотя бы временное нарушение замкнутости технологического цикла практически неизбежно, например, при создании синтетического материала с новыми, неизвестными природе свойствами. Такое вещество вначале всесторонне апробируется на практике, и только потом могут быть разработаны способы его разложения с целью внедрения составных частей в природные круговороты.