ченными системами. Они обладают сложными структурами, которые поддерживали и воспроизводили себя благодаря слабо выраженному взаимодействию хими-

ческих и поведенческих процессов. Со времен Дарвина биологи рассматривали естественную эволюцию как основной источник порядка.

21.8. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТНОШЕНИЙ МЕЖДУ ТРОФИЧЕСКИМИ УРОВНЯМИ В БИОЦЕНОЗАХ

Между видами существует связь, основанная на конкуренции за места обитания, за пищу и на «сожительстве» (например, лишайники как симбиоз грибов и водорослей). Широко распространена связь «паразит — хозяин», а также передача наследственных признаков через вирусы

èбактериофаги (у бактерий).

Âсовременной биологии одно из центральных мест занимают проблемы кооперативных эффектов и самоорганизации, соотношения «случая» и «необходимости». С появлением понятий биоценоза и биогеоценоза в биологических исследованиях стали применяться методы математического моделирования, а использование ЭВМ для анализа процессов в сложных системах существенно продвинуло вперед науку о биосфере и экологию.

По распределению и численности видов имеется огромная информация, но ее нужно перевести на математический язык. Вводят «макроскопические характеристики», описывающие популяцию. Это число особей, соответствующее параметру порядка сложной системы. Оно «управляет» судьбой особей «в среднем». Если n — число особей (их плотность), то изменение его от скорости (числа) рождений

g и числа смертей d можно записать как: dn/dt = g – d. В простейшем случае g = γn, d = δn, где коэффициенты не зависят от общей численности, а определяются доступностью пищи, климатом, температурой и т.п. Если эти

внешние условия поддерживаются постоянными, то уравнение dn/dt = αn = (γ – δ) n описывает растущую или убывающую по экспоненте популяцию. Значит, стационарного решения нет, и рост не зависит от плотности, поэтому они должны зависеть от плотности. Наиболее важным из всех факторов, которые мы проигнорировали,

вероятно, является истощение источников питания, который можно учесть введением в уравнения члена: –βn2. Тогда получается уравнение Ферхюльста: dn/dt = α0n – βn2. Здесь предполагается, что пища поступает с постоянной скоростью.

При этом могут встретиться ситуации: конкуренция– сосуществование; хищник–жертва; симбиоз. При сосуществовании различные виды не питаются одной и той же пищей, не поедают друг друга, размножаются в разных местах. Тогда уравнения для численности записываются

êàê: dn/dt = α1n — β1n2, dm/dt = α2m — β2m2. Ситуация усложняется, если виды живут или пытаются жить за счет

одного и того же источника пищи или зависят от одних и тех же жизненных условий. Пример: растения, извлекающие фосфор из почвы. При этом одни закрывают листьями другие, лишая их солнечного света, или птицы, которые строят гнезда в одних и тех же дуплах и т.п. Математически это соответствует установлению генерации в лазере или автокаталитической реакции между двумя группами молекул. Решение показывает, что выживет только один тип, наиболее приспособленный. Это выживание может быть достигнуто улучшением индивидуальных констант и адаптацией. Если перекрываются источники пищи N, M:

dN/dt = γ1(N0 – N) – μ11n – μ12m,

dM/dt = γ2(M0 – M) – μ21m — μ22n,

ãäå γ1N0 è γ2M0 — скорости поступления пищи, а (–γ1N), (–γ2M) — убыль пищи за счет внутренних причин типа гниения.

Рассматривая правые части уравнений («силы») в плоскости n, m, можно найти условия, при которых возможно сосуществование. Обобщение на случай многих видов и источников пищи производится аналогично. Поэтому понятно, какую важную роль играют экологические ниши для выживания видов и почему виды так приспособлены к ним. Примером такого сосуществования служит распределение растительности по высоте, что изучается специально в биогеографии. Эта модель проста, но позволяет сделать оценки относительно динамики популяций при введении еще одного параметра, отвечающего за появление новых видов.

Гены могут претерпевать мутации, образуя аллели. Мутации происходят случайно, но частота их может меняться под воздействием внешних факторов (повышение температуры, добавление химических агентов, ультрафиолетовое облучение и т.п.), поэтому можно считать, что мутации оказывают «мутационное давление», благодаря которому возникают особи новых типов. Новые свойства сначала будут рецессивными и только через несколько поколений станут доминантными.

Пусть число особей новых типов, возникших из-за случайной мутации, равно u. Их показатели рождения и гибели иные, и новая популяция возникнет только при наличии флуктуаций, которые будем описывать некой флуктуирующей силой и введем ее в уравнения роста популяций:

dnj/dt = γjnj – δjnj + Fj (t).

Пусть F(t) зависит от прежней популяции и факторов окружающей среды. Такие уравнения можно записать для разных типов, возникающих в системе. Так, система «подвидов» подвергается «давлению отбора», и это можно учесть, используя вышеприведенные уравнения, если считать, что условия окружающей среды (пища) остались прежними. Тогда для любого из подвидов, пользующихся тем же источником пищи, получим уравнение:

dnj/dt = αj (g0 – ∑gl nl) nj – χjnj + Fj (t).

Если скорость мутаций у определенных видов мутантов мала, то выживут только наиболее приспособленные. Как отмечал Хакен, размножение видов можно заменить циклом А–В–С–…, который постулировался при описании эволюции макромолекул. Итак, возникновение новых видов благодаря мутациям (флуктуирующей силе) и отбору (вынуждающей силе) можно рассматривать как аналог неравновесного фазового перехода второго рода, т.е. аналогично процессам в лазере.

Модель Вольтерра–Лотки была одной из первых экологических моделей. В любом биоценозе происходит

219

взаимодействие между всеми его элементами: особи одного вида взаимодействуют с особями и своего вида, и других видов. Эти взаимодействия могут быть мирными, а могут иметь связь типа «хищник — жертва». Было замечено, что численность хищных рыб колеблется в обратной пропорции относительно колебаний численности мелких рыбешек, которые служат им пищей. Анализ этих колебаний позволил математику Вито Вольтерра вывести уравнения (1926 г.). Если бы в биоценозе было только два вида (очень большое упрощение), то даже и в этом случае динамика численности каждого из видов сильно отличалась бы от картины их независимого существования.

Примером анализа таких структур может служить эволюция численности зайцев и волков, которая характеризуется колебаниями во времени. Изменение численности животных установлено по числу заготовленных шкурок. Абстрагируясь от различных обстоятельств, так или иначе влияющих на число зверей, можно проанализировать важнейшую зависимость: зайцы едят траву, а волки — зайцев. Если бы жили одни зайцы, и корма было достаточно, то их численность росла бы по экспоненциальному закону, а если бы жили только волки, то они вымирали бы. При их совместном существовании скорость изменения численности зайцев и волков связана с частотой их столкновений, т.е. пропорциональна количеству тех и других с некоторым коэффициентом. Уже эти соображения приведут к системе уравнений, и при определенных условиях система «хищник — жертва» придет в равновесие.

В случае неожиданной флуктуации (смерть волка или зайца, отстрел во время охоты и т.д.) равновесие нарушается, и система приходит в движение. Она ведет себя как колебательная система, численности «хищников» и «жертв» начинают колебаться синфазно, с отставанием. Объяснение простое: рост численности зайцев приводит к увеличению питания для волков, но уменьшает количество травы, так что вскоре численность волков вырастает, а зайцев — уменьшается. Количество травы увеличивается, но запасы пищи для волков уменьшаются, и их численность падает. Тогда поголовье зайцев снова растет, и процесс повторяется. Режим колебаний с определенным периодом оказывается устойчивым. Уравнения, описывающие такую систему:

dn/dt = α1n – αnm, dm/dt = βmn – 2χ2m,

где первое уравнение описывает число жертв n, второе — число хищников m.

Эти уравнения имеют периодическое решение. Стационарное решение соответствует полному вымиранию, и оно единственное устойчивое. В природе такое может случи- ться, но биологи указывают на возможность животных– жертв найти убежище, не доступное хищникам, так что некоторая часть их выживет. Модель может усложняться введением нескольких типов жертв, которыми может питаться один хищник, и другими вариантами.

Cитуация «симбиоз» тоже моделируется, как и ситуации «хищник–жертва» è «конкуренция–сосуществование». Симбиоз отражает кооперацию отдельных видов в борьбе за существование, когда один вид помогает или покровительствует другому (как, например, кооперация пчел или деревьев). Поскольку скорость размножения одного вида

зависит от наличия другого, то, пренебрегая внутривидовым подавлением –β1n2 è – β2m2, имеем:

dn/dt = (α1 + α1′m) n – δ1n, dm/dt = (α2 + α2′n) m – δ2m. Здесь стационарный случай соответствует n = m = 0.

В этих простых схемах не хватает очень многих факторов — смены климата и погоды, связи возраста особи и смертности, колебаний запасов пищи в разное время года и на разных территориях и т.д. Но использование даже простых моделей при разных, эмпирически учтенных тех или других параметрах дает интересные результаты.

Строя математические модели и проводя полевые испытания, ученые пытаются понять, каким образом паразиты и их хозяева коэволюционировали в тесные сообщества. Компьютерные модели этих процессов соответствуют «гонке вооружений» в ходе эволюции. Паразиты должны все время приспосабливаться, чтобы получить от хозяина больше ресурсов для роста своей популяции, а хозяин всячески старается этого не допустить. Биологиэволюционисты считают, что существование полов с эволюционной точки зрения неудачно, и половые различия должны бы постепенно исчезнуть, но этого не происходит. Вероятно, потому, что пол является неким «секретным оружием», сохраняющим большую устойчивость хозяина: ведь паразит приспосабливается обычно к определенному его типу. Как только хозяева становятся жертвами, численность менее распространенных типов хозяев увели- чивается, и наоборот. Исследования 90-õ годов показали, что бесполые рыбы чаще поражаются паразитами, чем разнополые. Те же результаты получены и на птицах — наличие паразитов наносит ущерб яркому оперению, и самки не выбирают таких самцов.

Созидательный характер симбиоза показала Л.Маргулис, исследуя роль естественного отбора в эволюции. Она предположила, что эукариотические клетки, имеющие внутренние органеллы, произошли от симбиоза более простых безъядерных клеток. Митохондрии и хлоропласты содержат иные гены, чем ядра клеток эукариот, но похожи на гены некоторых бактерий. Возможно, им не нужно было изобретать дыхание и фотосинтез методом «проб и ошибок». Большинство травоядных животных зависит от микроорганизмов, живущих в их кишечнике и переваривающих потребляемую животными клетчатку. Эволюционную схему, показывающую, как травоядные животные могли развиться от симбиоза их предков и микроскопических паразитов растений, очертил П.Прайс. Паразит приобрел способность производить ферменты для переваривания веществ, составляющих организм его хозяинарастения. Животное, вступив в симбиоз с паразитом, смогло использовать для себя продукты ферментации растительной массы. Успех в освоении новых пищевых ресурсов обеспечил преимущества в естественном отборе таких животных.

Жизнь даже небольшого озера невероятно сложна и многообразна, так что описать и «проверить алгеброй» эту достаточно простую систему почти невозможно, хотя такие попытки имеют место. Во многих странах разработаны системы моделирования гидробиоценозов — акватроны, соединенные напрямую с ЭВМ, которые сами ведут наблюдения и подсчитывают объекты, т.е. система сама кор-

220

ректирует модель. Например, для учета химико-биоло- гических превращений нужно знать интенсивность роста водорослей, фотосинтеза, смертность каждого вида, скорость разложения органического вещества. Конечно, такие разработки очень дороги, но в конечном счете обещают значительный экономический результат.

Химическое равновесие в биосфере опирается на биотический круговорот. Хотя отдельные циклы изучены недостаточно, ясно, что система находится на грани порядка и хаоса и может быть выведена из этого состояния неустойчивого равновесия даже малым воздействием. Ряд ученых (Л.Маршалл, М.И.Будыко, Л.Беркнер и др.) счи- тают, что резкое уменьшение углекислоты в атмосфере с появлением фотосинтеза приводило к похолоданию и оледенению Земли и, естественно, к нарушению существовавших циклов. Собственно, это сейчас и делает индуст-

риально вооруженный человек. Биосфера сформировалась по своему плану, без участия человека, и биогеоценозы пока еще находят резервы, чтобы справиться с вмешательством человека, но неизвестно, насколько их хватит.

Качественно новый этап развития биосферы начался с появлением человека в конце третичного периода, хотя сначала его деятельность мало отличалась от деятельности других существ. Беря у биосферы все необходимое, человек отдавал ей то, что могли использовать другие, т.е. вклю- чился в биотический круговорот. Добывание огня выделило человека из ряда других животных. При этом человек не только сумел расселиться в районы холодного климата, пережить оледенения и защититься от хищников, но и научился уничтожать органические остатки, заменив в чемто микроорганизмы. Так с малых шагов началось ускоряющееся изменение равновесия в биосфере.

21.9. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ САМООРГАНИЗОВАННОЙ КРИТИЧНОСТИ

Системы, состоящие из многих взаимодействующих элементов, постоянно самоорганизуются, и могут достичь некоторого критического состояния, в котором даже малое событие вызывает цепную реакцию, могущую привести к катастрофе. Когда происходит что-то непредвиденное или катастрофа, то всегда ищут какую-нибудь причину. Например, когда узнали о гибели динозавров по отпечаткам на окаменелостях, одни палеонтологи приписали это исчезновение падению крупного метеорита, другие — извержению вулкана. Землетрясение геологи связывают с неустойчивостью вдоль разлома земной коры. Когда рушится рынок акций, находят где-то неконтролируемую продажу товара.

При исследовании сложных систем пользуются часто теми же методами, что и при исследовании простых систем, так как они разработаны хорошо и проверены. Большую систему делят на малые подсистемы, изучают каждую из них по отдельности и считают, что реакция или отклик в каждой из них пропорционален внешнему возмущению. И описывают динамику больших систем в терминах равновесного состояния, которое изредка нарушается внешним воздействием. Но оказалось, что многие хаотические системы не поддаются такому анализу. П.Баком, К.Визенфельдом и Ч.Тангом из университета в Санта-Барбаре (США) был разработан метод самоорганизованной критичности.

Согласно этой теории, многие составные части системы эволюционируют естественным образом к критическому состоянию, в котором малое возмущение может вызвать цепную реакцию, способную повлиять на любое число элементов системы. И хотя в составных частях происходит больше незначительных событий, чем катастроф, цепные реакции разных масштабов вошли в динамику системы. То есть малые события вызывает тот же механизм, что и крупные. Кроме того, составные части системы никогда не достигают равновесия, а эволюционируют от одного метастабильного состояния к другому. Считается, что глобальные характеристики не зависят от микроскопи- ческих механизмов, поэтому их нельзя понять, разбивая большую систему на подсистемы, и анализируя части отдельно. Эта модель исследовалась и улучшила понимание

процессов в эволюции земной коры, на рынке акций, в экосистемах и других больших системах, которые ранее анализировали по частям.

Идея теории самоорганизованной критичности началась с наблюдений и опытов с кучей песка. Параллельно в Исследовательском центре IBM Г.Хелд проводил эксперименты по компьютерному моделированию. Он разработал устройство, которое медленно и равномерно — по одной песчинке — насыпало песок на круглую подложку. Песчинки сначала остаются в месте падения, потом громоздятся в кучу, а когда склон становится очень крутым, достигается критическое состояние и одна песчинка вызывает катастрофу — песчинки образуют лавину. Лавина является разновидностью цепной реакции или ветвящегося процесса. Песчинка падает сначала спокойно, но, достигнув неустойчивых песчинок, вызывает лавину. Как только «активные» песчинки скатятся с кучи, процесс прекратится. Куча сохраняет свою крутизну и высоту, потому что вероятности прекращения активности и ее ветвления в среднем равны. Если крутизна будет меньше критической, то лавины будут слабее, а при большей — значительно возрастут.

Эксперименты с мокрым песком показали, что сначала лавины будут меньшего размера, чем в сухой куче, и крутизна превзойдет критическую, но затем резко произойдут обвалы и падения. Такая система неустойчива по многим параметрам, а ее критическое состояние весьма устойчиво («суб- и суперкритические» крутизны стремятся стать «критическими», сбрасывая лишние песчинки). Хотя песок сыплется с постоянной скоростью, его количество меняется со временем, и график этой величины — хаоти- ческий сигнал разных длительностей.

Сигнал называют фликкер-шумом èëè шумом мерцания

òèïà (1/f), если прошлые события в памяти сохраняются. «Белый», или «случайный», шум означает отсутствие корректировки динамики с прошлыми событиями. Шум мерцания широко распространен в природе: в активности Солнца и излучении галактик, в протекающем через резистор токе, в потоке воды в реке. Шум мерцания содержит наборы всех длительностей и всех амплитуд сигналов, возникающих, когда система, находящаяся в критическом

221

состоянии, порождает цепные реакции всех амплитуд и длительностей.

Построенная в то же время математическая модель помогла понять динамику землетрясений, экосистем и турбулентности в жидкости. Еще в 1956 г. геологи Бено Гутенберг и Чарлз Рихтер (введший шкалу Рихтера) установили закон связи числа сильных и слабых землетрясений, который носит их имена. Согласно этому закону, число землетрясений, высвобождающих за год определенное количество энергии Å, пропорционально Å–b, ãäå b 1,5 и не зависит от географического района. Следовательно, сильные землетрясения происходят реже слабых, и все они связаны с одним и тем же процессом. В качестве последнего обычно называют механизм проскальзывания: блоки коры слипаются, а затем скользят относительно других блоков, образуя разломы. При скольжении блоков возникшее напряжение снимается и распространяется на соседние районы.

Этот механизм был проверен на опытах, поставленных

âИнституте твердого тела в Черноголовке (под Москвой) В.Бобровым и М.Лебедкиным, наблюдавшими «землетрясения», амплитуда и частота которых были связаны степенным законом. Они провели опыты с алюминиевым и с ниобиевым стержнями и получили близкие результаты, хотя механизмы процессов в земной коре и модели отли- чались. Потом была создана компьютерная модель земной коры, состоящая из двух плит — упругой и жесткой, взаимодействующих посредством трения. На этой модели результаты проверялись еще и еще раз, при этом записывались распределения сил до и после взаимодействия, а не детали динамики. Сначала регистрировались слабые «землетрясения», потом система эволюционировала к критическому состоянию, в котором регистрируются как слабые, так и сильные «землетрясения». Равномерное увеличение силы в целом уравновешивалось высвобождением ее на границе. Энергия, выделяемая во время землетрясения, связана в модели с числом событий проскальзывания, происходящих после возникновения одиночной неустойчивости в каком-то «эпицентре». Если посчитать число землетрясений каждой величины за длительный период, то получается закон Гутенберга–Рихтера (рис.47). Катастрофические землетрясения представлены частью графика, относящейся к более высоким значениям энергии, а слабые — к низким. С.Обухов из Института теоретической физики им.Ландау показал, что в четырех и более измерениях отдельные ветвящиеся процессы независимы и b = 1,5. Это подтверждает предположение о том, что земная кора находится в критическом состоянии. Эта модель проверялась по данным разных стран разными учеными — в Японии, во Франции, в России, США.

Эта модель не только объясняет эволюцию землетрясений, но и описывает распределение их эпицентров. Степенные законы и ранее применяли для анализа распределений таких объектов, как горы, облака, галактики, вихри

âтурбулентных потоках. Показатель степени числа r вычисляется по числу объектов внутри сферы радиуса r. Такое распределение называют фракталом, и число фрак-

талов в природе велико. Авторы описываемой теории считают фракталы мгновенными «срезами» самоорганизующихся критических процессов. Фрактальные структуры и шум мерцания — пространственные и временные «отпечатки» самоорганизованной критичности.

Задача прогнозирования землетрясений осложнена зависимостью от начальных условий; кроме того, иногда сказывается влияние событий, далеких от эпицентра. Численные эксперименты показали, что неопределенность начальных условий растет со временем по степенному, а не по экспоненциальному закону, как в системах с развитым хаосом, т.е. соответствует эволюции на грани хаоса или состоянию «слабого хаоса». В этом проявляется самоорганизованная критичность, и поэтому некоторые прогнозы возможны. Например, если погода есть явление хаоти- ческое, и 100 обсерваторий собирают достаточно информации на двухдневный прогноз, то 1000 обсерваторий могли бы обеспечить прогноз на 4 дня. Если погода — явление слабохаотическое, то 1000 обсерваторий обеспечили бы прогноз на 20 дней вперед. Вместо погоды можно говорить о куче песка или землетрясениях. Например, если известно, что распределение автомобилей на дорогах описывается шумом мерцания, то движения с попеременными остановками и троганием с места можно рассматривать как крити- ческие лавины, которые распространяются по потоку автомобилей.

В рассмотренных выше случаях теория самоорганизованной критичности применялась к системам с сохраняющимся числом частиц. Анализируя игру Конуэя «Жизнь», имитирующую возрастание сложности в биосистеме, авторы данной теории установили, что распределение живых ячеек является фракталом, который можно описать степенным законом с показателем степени 1,7. Таким образом, число живых ячеек колебалось со временем так же, как размеры лавин в куче песка, и система самоорганизовалась в критическое состояние.

Флуктуации в экономике, как заключили Ф.Андерсон и Б.Артур, также могут быть вызваны лавинами в самоорганизованном критическом состоянии системы. Б.Мандельброд из корпорации IBM проанализировал такие показатели, как индекс Доу-Джонса, и обнаружил флуктуации, соответствующие шуму мерцания. Различные метастабильные состояния экономики могут быть рассмотрены как метастабильные состояния кучи песка или земной коры. В других экономических моделях состояния более устойчивы, и большие агрегатные флуктуации могут возникать только от внешних ударов, влияющих на разные секции одинаково. Но причины их отыскать трудно, пример тому — депрессия 30-х годов. В модели самоорганизованной критичности причины могут быть и при отсутствии таких «толчков». Большие флуктуации являются внутренним и неизбежным свойством динамики этой модели экономики. Такая проверка была проделана, и оказалось, что при изменении спроса на продукт нескольких компаний слу- чайным образом на малую величину может возникнуть «лавина» в продаже и производстве.

222

Глава 22. КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НА БИОСФЕРНОМ УРОВНЕ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ

22.1. БИОСФЕРНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ. ОСНОВЫ УЧЕНИЯ ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ

Биосферный уровень — высшая форма организации жизни на Земле. На этом уровне происходит объединение всех круговоротов веществ и превращения энергии в единый круговорот. Живое организовано по типу иерархичных систем: переход с одного уровня на другой связан с сохранением функциональных механизмов, действовавших на предыдущем уровне, и с появлением новых структур и функций, новых качеств. Уровень представлен биосферой — областью активной жизни. Она охватывает аэросферу (нижнюю часть атмосферы), гидробиосферу (гидросферу),

террабиосферу (поверхность суши) и литобиосферу (верхнюю часть литосферы). Биосфера — достаточно тонкий слой: микробная жизнь распространена до высот в 22 км над поверхностью, а в глубинах океанов наличие жизни обнаружено до 10–11 км ниже уровня моря. В земную кору жизнь проникает меньше, микроорганизмы найдены при бурении до глубин 2–3 км. Случайно живая материя попадает и в слои, лежащие рядом «над» и «под», их называют ïàðà- è метабиосферой, соответственно. Но «пленка жизни» покрывает всю Землю, даже в пустынях и льдах обнаружены следы живого. Распределение жизни крайне неравномерно. В почве (верхние слои литосферы), гидросфере и нижних слоях атмосферы — самое большое коли- чество живого вещества.

Разработка учения о биосфере имеет свою историю. Одним из первых естествоиспытателей, смотревших на Землю, как на целое, был М.В.Ломоносов. Он писал в работе «О слоях земных», что «чернозем не первообразная и не первозданная материя, но произошел от согнития животных и растущих тел со временем», что бурый уголь, каменный уголь и чернозем — результаты влияния организмов на грунт. Ломоносов дал общий очерк геологии Земли, доказывал ее древность как планеты. В то время даже окаменелости — ископаемые остатки организмов — далеко не всеми воспринимались как следы некогда бывшей жизни. В 1802 г. Ламарк в «Гидрогеологии» указывал на роль живых организмов в геологических процессах. В книге А.Гумбольдта «Космос», начавшей выходить с 1845 г., собрано много материала о влиянии живого на геологические структуры.

Зарождение отечественной агрохимии связано с Д.И.Менделеевым. Он исследовал проблемы питания растений и повышения урожайности сельскохозяйственных структур. Эффективностью минеральных и органических удобрений занимался и А.Н.Энгельгардт, а также Д.Н.Прянишников. Возникшая в начале ХХ в. геохимия исходила из принципов эволюции. Почвенным лесообразованием занимался В.А.Обручев, положив начало мерзлотоведению, он изучал тектонику и геологию. В.В.Докучаев своей работой «Русский чернозем» открыл почвоведение как научную дисциплину, стоящую на стыке геологии, биологии и химии. У него почва — как особое природное тело, имеющее огромное значение для сельского хозяйства. Он дал первую в мире классификацию почв, изложил учение о ëàíä-

шафтно-географичесих зонах, разработал планы борьбы с засухой, предусмотрев в них ряд агрономических и лесомелиоративных мер. Вместе с ним работали М.М.Сибирцев

èП.А.Костычев. Сибирцев участвовал во многих экспедициях в южные степи России, написал первый учебник «Почвоведение» (1889 г.). Костычев показал связь свойств почв с жизнедеятельностью растений и микроорганизмов, роль человека в изменении этих связей. Он установил (1886 г.) решающую роль низших организмов в образовании перегноя (гумуса). Немецкий ученый Г.Гельригер показал опытным путем симбиоз бобовых культур с клубеньковыми бактериями (1888 г.), что оказалось важным в агрономии.

Русский ученый В.Р.Вильямс доказал роль биологи- ческий факторов (природных сообществ высших зеленых растений и микроорганизмов) в формировании плодородия почв. Он впервые подчеркнул значение биологического круговорота элементов в формировании не только органи- ческой, но и минеральной части почв, разработал научные основы травопольной системы земледелия (1914 г.). Доку- чаев, преподававший минералогию, определил жизненные интересы В.И.Вернадского еще в студенческие годы. Вернадский стал известен благодаря своим минералогическим работам, он исследовал эволюцию минералов земной коры (1908 г.), создал геохимическую классификацию химических элементов, разработал учение о миграции атомов в земной коре. Он заложил основы генети- ческого направления в минералогии, и именно общие проблемы минералогии и геологии привели его к концепции биогеохимии (1917 г.). Вернадский нарисовал целостную картину механизма формирования земной коры с учетом определяющего влияния жизни.

Учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов — геохимический фактор планетарного масштаба и значения, создал В.И.Вернадский. Термин «биосфера», введенный (1875) Э.Зюссом, относился к совокупности организмов, обитающих на поверхности Земли. В понятие живых организмов Вернадский включил и человека. Он выделял в биосфере косное (солнечная энергия, горные породы, минералы и т.д.) и биокосное (почвы, поверхностные воды

èорганическое) вещества. Хотя живое вещество по весу и объему составляет незначительную часть биосферы, оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением нашей планеты. Ему принадлежат современные понятия биосфера è ноосфера — области действия жизни на Земле и разума человека.

По Вернадскому, биосфера — это живое вещество планеты и преобразованное им косное вещество. Живой организм — неотъемлемая часть земной коры, могущая изменять ее. Живое вещество — совокупность организмов, участвующих в геохимических процессах. Организмы берут из окружающей среды химические элементы, строят из них тела, возвращают их в ту же среду и в процессе жизни и после своей смерти. Потому живое вещество связывает

223

биосферу воедино, является системообразующим ôàê- тором. Изменения в живом веществе происходят существенно быстрее, чем в косном, поэтому в нем пользуются понятием исторического времени, а в косном — геологи- ческого. В ходе геологических времен растет мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество, и только в живом веществе за эти времена происходят качественные изменения. И живое вещество, возможно, имеет свой процесс эволюции, вне зависимости от изменения среды.

Понятие «биосфера» — фундаментальное понятие биогеохимии, а не биологическое и не геологическое. Биосфера организует процессы на Земле и около Земли, в ней происходят биоэнергетические процессы и обмен веществ вследствие жизнедеятельности.

Вернадский сделал из принципа Реди — все живое от живого — такой вывод. Если «жизненный цикл» отдельного организма конечен, и его существование не беспредельно, то живое как целое можно считать геологически бессмертным. Геологически жизнь вечна, поэтому, если отдельный индивидуум со временем теряет возможность совершать работу и прекращает свое существование, то сам процесс жизни отличается непрерывным ростом возможности совершать внешнюю работу. Эту идею он выразил в двух принципах, которые назвал биогеохимическими:

1.Свободная (биогеохимическая) энергия стремится

âбиосфере к максимальному проявлению.

2.При эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают свободную энергию.

Эти принципы выражают закон только живой природы

и не противоречат термодинамике. Вернадский показал, что весь поток живого вещества от самых простейших до самых развитых форм, включая разум человека и общественный труд, — та форма движения материи, где действует

закон убывания энтропии, тогда как она растет для неорганической материи, объясняя космическую эволюцию Земли. Рождение биосферы он рассматривал как пла- нетарно-космическую «особую точку» — качественный скачок, до которого на Земле преобладали процессы неживой природы, а после которого стали преобладать процессы в живой. Под действием лучистой энергии возникает и необратимо развивается органическая жизнь. И эти два вида материи связаны в единое целое.

Вернадский считал, что жизнь на Земле возникла одновременно с формированием планеты: «Твари Земли являются созданием космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма». Среди множества закономерностей, имеющих место в биологии, геологии, биохимии и геохимии, Вернадский выделил основные эмпирические принципы:

1.Принцип целостности биосферы обеспечивается самосогласованностью всех процессов в биосфере. Жизнь ограничена узкими пределами — физическими константами, уровнями радиации и пр. Гравитационная постоянная определяет размеры звезд, температуру и давление

âних. Если она станет меньше, звезды будут иметь меньшие массы, их температура станет недостаточной для протекания ядерных реакций; а — чуть больше, звезды перейдут свою «критическую массу», выйдут из общего круговорота и превратятся в черные дыры. Постоянная электромаг-

нитного взаимодействия определяет химические превращения, отвечает за электронную оболочку атомов и прочность связей в молекулах. Константа слабого взаимодействия, отвечающего за превращения элементарных частиц, при своем изменении «подорвет» весь наш мир.

Константа сильного взаимодействия, отвечающего за стабильность ядер атомов, тоже не должна меняться. Иначе — в звездах реакции пойдут по-другому, они могут не дойти до образования углерода и азота. Да и непонятно, возможна ли будет вообще жизнь нашего типа.

2.Принцип гармонии биосферы и ее организованности

связан с предыдущим. Законы преобразования энергии на Земле, законы движения атомов есть отражение гармонии Космоса, ритмичности движения небесных тел. Основа существования биосферы — положение Земли в Космосе, наклон земной оси к эклиптике, определяющий климат и жизненные циклы всех организмов. Солнце — основной источник энергии биосферы и регулятор биологических процессов. Как отметил еше Ю.Р.Майер, «жизнь есть создание солнечного луча».

3.Космическая роль биосферы в трансформации энергии — «Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли». Биосфера является одним и тем же космическим аппаратом с самых древнейших геологических времен. Жизнь оставалась постоянной, менялась

ååформа. Само живое вещество — не случайное создание. Источники энергии геологических явлений: космическая, преимущественно солнечная; планетная, связанная со строением и космической историей Земли; внутренняя энергия материи — радиоактивность. Живое вещество трансформирует солнечную энергию в химическое молекулярное движение и в сложность биологических структур.

4.Растекание жизни — проявление ее геохимической энергии, аналог закона инерции неживой материи. Мелкие организмы размножаются быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.

5.Автотрофные организмы все нужное для жизни берут из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования зеленых автотрофных организмов определяется областью проникновения солнечных лучей.

6.Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере роста их количества.

7.Формы нахождения химических элементов: горные породы и минералы, магмы, рассеянные элементы, живое вещество. Земная кора — сложный механизм, где постоянно движутся атомы и молекулы, происходят разнообразные геохимические круговороты, определяемые в значительной мере деятельностью живого. Закон бережливости в использовании химических тел: раз вошедший элемент проходит ряд состояний, и организм использует только необходимое количество элементов.

8.Жизнь на Земле полностью определяется полем

устойчивости зеленой растительности. Пределы жизни определяются физико-химическими свойствами соеди-

224