83) Биосфера

За последние два десятилетия это слово все чаще встречается вбиологической, геологической, философской литературе. Научное понятие«биосфера» становится одним из самых популярных в современноместествознании. По-видимому, и впредь биосфере будут посвящатьсямногочисленные и разнообразные научные, философские, научно-популярныетруды. Что такое биосфера? Каковы ее особенности и закономерностисуществования? Какое значение имеет учение о биосфере и какие у негоперспективы? На эти вопросы ответить непросто. Не только потому, что они частичноне разработаны до конца. Обилие научных исследований и разработок,посвященных биосфере, создает значительные трудности из-за разноголосицыавторов, произвольных толкований некоторых терминов и понятий, ошибок иупущений. Наиболее полная и глубокая концепция биосферы принадлежит Вернадскому.Несмотря на большое количество ученых, изучающих биосферу, учениеВернадского об этой оболочке продолжает оставаться наиболее цельным,завершенным, основополагающим. Хотя не все ученые и не во всем с нимсогласны. В учении о биосфере речь идет о той части нашей планеты,которая пронизана солнечными лучами и жизнью. Биосфера определяетизменчивый и прекрасный облик Земли, соединяет в своем лоне все живое иосвещается изнутри светом человеческого разума. Мы всецело принадлежимбиосфере – и телом, и духовной жизнью, прошлым и будущим, став органом еесамопознания и преобразования. Вернадский первым из ученых понял это. Правда, сам он никогда неутверждал свое первенство. Напротив, постоянно упоминал о своихпредшественниках. Раньше об этой оболочке планеты говорили только вскользь, в перечнесфер Земли, как бы оставляя данную тему для более детальных чистобиологических разработок. Вернадский ввел вместо понятия «жизнь» понятие «живого вещества».Живое вещество – совокупность живых организмов. Это не что иное, какнаучное, эмпирическое обобщение всех известных и легко и точно наблюдаемыхбесчисленных, эмпирически бесспорных фактов. Понятие «жизнь» всегда выходитза пределы понятия «живое вещество» в области философии, фольклора,религии, художественного творчества. Все это отпало в «живом веществе». Вернадский рассматривал биосферу как особое геологическое тело,строение и функции которого определяются особенностями Земли (планетыСолнечной системы) и космоса. А живые организмы, популяции, виды и всеживое вещество – это формы, уровни организации биосферы. Если количество живого вещества очень мало по сравнению с косной ибиокосной массами биосферы, то породы, созданные живым веществом (биогенныепороды) составляют огромную часть ее массы, идут далеко за пределыбиосферы. Со временем они теряют все следы жизни и переходят в гранитнуюоболочку. Гранитная оболочка Земли – область былых биосфер. Вернадский говорил, что надо исследовать не только внутреннююструктуру живого вещества, его составные части, но и более крупныеструктуры: биосферу, взаимодействующие сферы Земли и земную кору – областьбылых биосфер, великую каменную летопись геологической истории, хранилищеинформации о прошлом Земли, об истории жизни. «Решать биологические вопросы изучением только одного – во многомавтономного организма нельзя, – писал Вернадский. – Мы знаем, что организмв биосфере – не случайный гость: он часть сложной закономернойорганизованности». Живое вещество является носителем и создателем свободной энергии, ни водной земной оболочке в таком масштабе не существующей, как в биосфере. Этасвободная энергия – биогеохимическая энергия – охватывает всю биосферу иопределяет в основном всю ее историю. Она вызывает и резко меняет поинтенсивности миграцию химических элементов, строящих биосферу, иопределяет ее геологическое значение. В последнее время все большее признание получает новая формабиогеохимической энергии, называемая энергией человеческой культуры иликультурной биогеохимической энергией. Эта энергия связана сжизнедеятельностью человеческих обществ рода Homo и других гоминид, близкихк нему. Она вызывает нового рода миграции химических элементов, поразнообразию и мощности далеко оставляющие за собой обычнуюбиогеохимическую энергию живого вещества планеты. Роль живого вещества в биосфере очень велика. Оно активно регулируетгеохимическую миграцию атомов. Благодаря ему за сотни миллионов летгеологической истории сохраняется стабильность биосферы и осуществляетсяэволюция как живых организмов, так и всей биосферы в целом. Этот особый видпостоянно изменчивого равновесного состояния Вернадский называлдинамическим равновесием. Динамическое равновесие характерно не только для биосферы. По-видимому, в таком состоянии находятся атмосфера и ионосфера, а также всяземная кора и подстилающие ее верхи мантии Земли. В отличие от геосферы, в биосфере динамическое равновесие болеенеустойчивое. Другими словами, биосфера не только «работает иизнашивается», но и развивается в процессе работы, самоусовершенствуется,все более полно, активно и в большем масштабе накапливает, трансформируетэнергию, усложняет свою организацию, обогащается информацией. Источниками энергии геологических явлений являются:

1) космическая, преимущественно солнечная;

2) планетная, связанная со строением и космической историей Земли;

3) внутренняя энергия материи – радиоактивная.

Особая роль у живого вещества, активно трансформирующего солнечнуюлучистую энергию в химическое молекулярное движение и в сложностьбиологических структур. Развивая учение о биосфере, Вернадский пришел к следующим выводам(биогеохимическим принципам):

1) «Биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится кмаксимальному своему проявлению». Вовлекая неорганическое вещество в «вихрь жизни», в биологический круговорот, жизнь способна со временем проникать в ранее недоступные ей области планеты и увеличивать свою геологическую активность. Действительно, палеонтологи, восстанавливая историю живых существ, приводят доказательства увеличения разнообразия видов, появления новых, более сложных форм, способствующих еще более полному освоению солнечной энергии, активизации биосферы.

2) «Эволюция видов, приводящая к созданию форм, устойчивых в биосфере, должна идти в направлении, увеличивающем проявление биогенной миграции атомов в биосфере». Этот биогеохимический принцип Вернадского утверждает высокую приспосабливаемость живого вещества, пластичность, изменчивость во времени. В своих работах Вернадский не ограничился общим описанием биосферы ивыяснением ее общих закономерностей. Он провел и частные, детальныеисследования, выразив, как мы знаем, в формулах и цифрах активность живоговещества, а также проследив судьбу некоторых химических элементов вбиосфере. Он показал место биосферы в системе других геосфер планеты.Учению Вернадского о биосфере суждено было стать ключевой, центральнойконцепцией современного естествознания. Для познания биосферы и ноосферы (или техносферы, то есть сферы, гдепроявляется человеческий разум и осуществляются человеком техническиепреобразования) наиболее оправдан и, можно сказать, фундаменталенгеологический подход, прежде всего геохимический, предложенный Вернадским илежащий в основе его учения, обобщающего другие более частные концепциибиосферы. Не случайно сравнительно недавно известный американский ученыйДж.Хатчинсон подчеркнул: «Концепция биосферы, которую мы принимаем сейчас,в основном опирается на идеи Вернадского...» И еще. Вернадский связал учение о биосфере с деятельностью человека нетолько геологической, но и вообще с многообразными проявлениями бытияличности и жизни человеческого общества: «В сущности, человек, являясьчастью биосферы, только по сравнению с наблюдаемыми на ней явлениями можетсудить о мироздании. Он висит в тонкой пленке биосферы и лишь мысльюпроникает вверх и вниз». Все мы, люди – неразрывная часть живого вещества,приобщенная к его бессмертию, необходимая часть планеты и космоса,продолжатели деятельности жизни, дети Солнца.

84)Понятие «живое вещество», обозначающее совокупность живых организмов биосферы, введено В. И. Вернадским. По сравнению с другими веществами биосферы "(биогенным, косным, биокосным, радиоактивным веществом, рассеянными атомами и веществом космического происхождения) живое вещество играет наибольшую роль и выполняет ряд функций. В. И. Вернадский отмечал, что между косной, безжизненной, частью биосферы, косными природными телами и живыми организмами, ее населяющими, идет непрерывный обмен веществом и энергией.

Энергетическая функция. Постоянный поток солнечной энергии, поглощаемый зелеными растениями, преобразуется в энергию химических связей. Синтезированные органические вещества (сахара, белки и др.), последовательно переходя от одних организмов к другим в результате их питания, переносят заключенную в них энергию. Растения поедаются растительноядными животными, которые, в свою очередь, становятся жертвами хищников и т. д. Этот переход и есть последовательный и упорядоченный поток энергии в биосфере.Энергия определяется как общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Ее свойства описываются следующими законами термодинамики. Первый — закон сохранения энергии — гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается вновь. Второй — закон энтропии (от греч. entropia — поворот, превращение) — можно сформулировать следующим образом: энергия любой системы стремится к состоянию термодинамического равновесия или максимальной энтропии. Если температура какого-либо тела или поверхности, допустим валуна или участка суши, выше температуры воздуха, то данная система стремится к равновесию. Валун или участок суши будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой воздушной среды. Энергия любого живого организма может быть рассеяна в тепловой форме. В конечном итоге наступает состояние термодинамического равновесия и дальнейшие энергетические процессы становятся невозможными. Чтобы не наступило состояние максимальной энтропии, организм или система должны постоянно извлекать энергию извне и постоянно стремиться к нарушению термодинамического равновесия. В противном случае наступает гибель организма и необратимая деградация системы.Некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии. Эффективность превращения энергии света в потенциальную энергию химических соединений в зеленом листе всегда меньше 100% (рис. 3.2).Жизнь сводится к непрерывной последовательности роста, самовоспроизведения и синтеза сложных химических соединений. Без переноса энергии, сопровождающего эти процессы, невозможно было бы ни существование самой жизни, ни образование надорганизменных систем всех уровней организации. Если бы солнечная энергия на планете только рассеивалась, то жизнь на Земле была бы невозможной. Чтобы биосфера существовала, она должна получать и накапливать энергию извне. И эта работа выполняется организмами. Часть энергии, запасенной организмами и не израсходованная в биосфере, с их отмиранием «складируется> в виде торфа, углей, горючих сланцев и других полезных ископаемых, используемых в теплоэнергетике. Человек, извлекая эту «складированную» энергию и возвращая ее биосфере, активизирует в ней теплоэнергетические процессы, которые в конечном итоге могут привести к «парниковому эффекту».Средообразующая функция. Биосфера, согласно учению В. И. Вернадского, есть целостное единство, планетная система, все элементы которой взаимосвязаны и взаимодействуют. В этой системе центральную роль играет живое вещество, поскольку с ним генетически связаны все структурные части биосферы и благодаря прошлой или настоящей деятельности живых организмов образованы. Окружающая живое вещество физико-химическая среда изменена вследствие его функционирования до такой степени, что биотические и абиотические процессы оказались неразделимыми. В результате нх взаимовлияния живые организмы преобразуют среду своего обитания или поддерживают ее в таком состоянии, которое удовлетворяет условиям их существования.Биогеохимические функции. Средообразующая роль живого вещества в биосфере имеет, по В. И. Вернадскому, химическое проявление и выражается в соответствующих биогеохимических функциях, которые свидетельствуют об участии живых организмов в химических процессах по изменению вещественного состава биосферы.Живое вещество выполняет следующие биогеохимические функции: газовые, концентрационные, окислительно-восстановительные, биохимические и биогеохимические, связанные с деятельностью человека (Вернадский, 1965).Газовые функции. Они заключаются в участии живых организмов в миграции газов и их превращениях. В зависимости от того, о каких газах идет речь, выделяются следующие газовые функции:

1) кислородно-диоксидуглеродная — создание подавляющей массы свободного кислорода на планете. Носителем данной функции является каждый зеленый организм. Выделение кислорода идет только при солнечном свете, ночью этот фотохимический процесс сменяется выделением  зелеными  растениями  углекислого  газа;

2) диоксидуглеродная, не зависимая от кислородной,— образование биогенной угольной кислоты как следствие дыхания животных, грибов и бактерий. Значение функции возрастает в области подземной тропосферы, не имеющей кислорода (азотно-диоксидуглеродная тропосфера) ;

3) озонная и пероксидводородная — образование озона (и возможно, пероксида водорода). Биогенный кислород, переходя в озон, предохраняет жизнь от разрушительного действия радиации Солнца. Выполнение этойфункции обеспечило возникновение защитного озонового экрана;

4)   азотная — создание основной массы свободного азота тропосферы за счет выделения его азотвыделяющими бактериями при разложении органического вещества. Реакция происходит в условиях как суши, так и океана;

5)   углеводородная — осуществление превращений многих биогенных газов, роль которых в биосфере огромна. К их числу относятся, например, природный газ, терпены, содержащиеся в эфирных маслах, скипидареи обусловливающие аромат цветов, запах хвойных. Вследствие выполнения живым веществом газовыхбиогеохимических функций в течение геологического развития Земли сложились современный химический состав атмосферы с уникально высоким содержанием кислорода и низким содержанием углекислого газа, а также умеренные температурные условия (табл. 3.2). Следует отметить, что в соответствии с гипотезой О. Г. Сорохтина не весь кислород атмосферы имеет биогенное происхождение, 30% его поступило в воздушный бассейн в- результате дегазации недр.Концентрационные функции. Эти функции связаны с аккумуляцией живыми организмами из внешней среды химических элементов: водорода, углерода, азота, кислорода, кальция, магния, натрия, калия, фосфора и многих других, включая тяжелые металлы. Отмирание живого вещества, естественная смерть или случайная гибель организмов, особенно массовая, приводят к аномально высокому содержанию большинства из них в почве и литосфере вплоть до образования горных пород однородного химического состава, например торфа, углей, известняков, сапропелей, мела, железных руд осадочного происхождения.Окислительно-восстановительные функции. Вследствие выполнения этих функций осуществляются химические превращения веществ, содержащих атомы с переменной валентностью (соединений железа, марганца и т.д.). Окислительная функция выражается в окислении с участием бактерий и, возможно, грибов всех бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере. Например, так образуются болотные железные руды, бурые железистые конкреции, ожелезненные горизонты почвы.Восстановительная функция противоположна по своей сути окислительной. Благодаря ей в результате деятельности анаэробных бактерий в нижней трети профиля заболоченных почв, практически лишенной кислорода, образуются оксидные формы железа.Биохимические функции. Эти функции связаны с жизнедеятельностью живых организмов — их питанием, дыханием, размножением, смертью и последующим разрушением тел. В результате происходит химическое превращение живого вещества сначала в биокосное, а затем, после умирания, в косное. Следует различать разрушение тел организмов после их смерти, идущее повсеместно и вызываемое микробами, грибами и некоторыми насекомыми, и разрушение, связанное с массовым захоронением растительных и животных остатков после их смерти или гибели. В последнем случае совместное или последовательное выполнение живым веществом концентрационных и биохимических функций приводит к геохимическому преобразованию литосферы.Биогеохимические функции, связанные с деятельностью человека. Эти функции обеспечили большие изменения химических и биохимических процессов в биосфере, способствуют становлению ее нового эволюционного состояния — ноосферы. Уже сегодня местное (локальное) и планетарное загрязнение в результате развития теплоэнергетики, промышленности, транспорта и сельского хозяйства может привести к необратимым последствиям в биосфере, так как человек интенсивнее, чем другие организмы, изменяет условия среды.Кроме указанных, к функциям живого вещества в биосфере следует отнести также водную, которая связана с биогенным круговоротом воды, имеющим важное значение в круговороте воды на планете.Выполняя перечисленные функции, живое вещество приспосабливается к окружающей среде и приспосабливает ее к своим биологическим потребностям. При этом живое вещество и среда его обитания развиваются как единое целое, однако контроль за состоянием среды осуществляют живые организмы. Такого рода биологический контроль за состоянием биосферы на глобальном уровне стал основой гипотезы Геи, предложенной американскими физиком Дж. Лавлоком и микробиологом Л. Маргулисом. Согласно этой гипотезе, организмы, прежде всего микроорганизмы, вместе со средой обитания образуют сложную систему регуляции — «коричневый пояс», поддерживающий на Земле условия, благоприятные для жизни.