Живое вещество и биосфера

В системе современного научного мировоззрения понятие биосферы занимает ключевое место во многих науках. Сам термин «биосфера» был введен в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом для обозначения самостоятельной сферы нашей планеты, в которой существует жизнь. Зюсс определил биосферу как совокупность организмов, ограниченную в пространстве и времени и обитающую на поверхности Земли. Но он не придавал значения среде обитания этих организмов.

Тем не менее Зюсс не был первооткрывателем, так как учение о биосфере имеет свою предысторию. Одним из первых вопрос о влиянии живых организмов на геологические процессы рассмотрел Ж.Б. Ламарк в книге «Гидрогеология» в 1802 г. В ней говорилось, что все вещества, находящиеся на поверхности Земли и образующие ее кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов. Затем был грандиозный многотомный труд Александра Гумбольдта «Космос» (первая книга вышла в 1845 г.), где множество фактов доказывало взаимодействие живых организмов с теми земными оболочками, в которые они проникают. Поэтому Гумбольдт рассматривал в качестве единой оболочки Земли, целостной системы атмосферу, гидросферу и сушу с обитающими там живыми организмами.

Но о геологической роли биосферы, ее зависимости от планетарных факторов Земли, ее строении и функциях еще не было сказано ничего. Разработка учения о биосфере неразрывно связана с именем российского ученого Владимира Ивановича Вернадского. Его концепция складывалась постепенно, от его первой студенческой работы «Об изменении почвы степей грызунами» к «Живому веществу», «Биосфере», «Биогеохимическим очеркам». Итоги своим размышлениям Вернадский подвел в последние десятилетия своей жизни в книгах «Химическое строение биосферы Земли» и «Философские мысли натуралиста». Именно Вернадскому удалось доказать связь органического мира нашей планеты, выступающего в виде единого нераздельного целого, с геологическими процессами на Земле, он открыл и изучил биогеохимические функции живого вещества.

Ключевым понятием в концепции Вернадского стало живое вещество, под которым ученый понимал совокупность всех живых организмов нашей планеты, включая человека. В состав живого вещества он включал также часть окружающей все живое внешней среды, необходимой для поддержания нормальной жизнедеятельности, выделения и части, теряемые организмами, умершие организмы, а также органические смеси, находящиеся вне организмов. Важнейшим отличием живого вещества от костной материи Вернадский считал молекулярную дисимметрию живого, открытую еще Пастером (молекулярную хиральность, в современной терминологии). Только используя это понятие, Вернадскому удалось доказать, что не только окружающая среда влияет на живые организмы, но и жизнь способна действенно формировать среду своего обитания. Действительно, на уровне отдельного организма или биоценоза влияние жизни на окружающую среду проследить очень сложно. Но, введя новое понятие, Вернадский вышел на качественно новый уровень анализа жизни и живого -— биосферный.

Биосфера — это живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов Земли) и преобразованная им среда обитания (костное вещество, абиотические элементы), в которую входят гидросфера, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры. Таким образом, это не биологическое, геологическое или географическое понятие, а фундаментальное понятие биогеохимии -— новой науки, созданной Вернадским для изучения геохимических процессов, проходящих в биосфере при участии живых организмов. В новой науке биосферой стали называть один из основных структурных компонентов организованности нашей планеты и околоземного космического пространства. Это —сфера, в которой протекают биоэнергетические процессы и происходит обмен веществ вследствие деятельности жизни.

Благодаря новому подходу, Вернадский стал изучать жизнь как могучую геологическую силу нашей планеты, действенно формирующей сам облик Земли. Живое вещество послужило тем звеном, которое соединяло историю химических элементов с эволюцией биосферы. Введение нового понятия также позволяло поставить и решить вопрос о механизмах геологической активности живого вещества, источниках энергии для этого.

Живое и костное вещества постоянно взаимодействуют в биосфере Земли — в непрерывном круговороте химических элементов и энергии. Вернадский писал о биогенном токе атомов, который вызывается живым веществом и выражается в постоянном процессе дыхания, питания, размножения. Например, круговорот азота связан с превращением в нитраты молекулярного азота атмосферы. Нитраты усваиваются растениями, и в составе их белков попадают к животным. После смерти растений и животных их тела попадают в почву, где гнилостные бактерии разлагают органические останки до аммиака, который затем окисляется в азотную кислоту. На Земле идет непрерывное обновление био­массы (за 7 —- 8 лет), при этом в круговорот вовлекаются абиотические элементы биосферы. Например, воды Мирового океана прошли через биогенный цикл, связанный с фотосинтезом, не менее 300 раз, свободный кислород атмосферы обновлялся не менее 1 млн раз.

Также Вернадский отмечал, что биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к своему максимальному проявлению, а эволюция видов ведет к появлению новых видов, увеличивающих биогенную миграцию атомов. Вернадский также впервые отметил, что живое вещество стремится к максимальному заселению среды обитания, причем количество живого вещества в биосфере остается стабильным на протяжении целых геологических эпох. Эта величина не менялась по крайней мере последние 60 млн лет. Число видов при этом также оставалось неизменным. Если в каком-то месте Земли число видов убавляется, то в другом месте -— прибавляется. В наши дни исчезновение огромного числа растений и животных связано прежде всего с распространением человека и его неразумной деятельностью по преобразованию природы. Население Земли растет за счет гибели других видов.

Благодаря биогенной миграции атомов живое вещество выполняет свои геохимические функции. Современная наука классифицирует их по пяти категориям:

• концентрационная функция -— выражается в накоплении определенных химических элементов как внутри живых организмов, так и благодаря их деятельности. Результатом этого стало появление запасов полезных ископаемых (известняки, нефть, газ, уголь и т. д.);

• транспортная функция -— тесно связана с первой функцией, так как живые организмы переносят нужные им химические элементы, которые затем накапливаются в местах их обитания;

•

• энергетическая функция -— обеспечивает потоки энергии, пронизывающие биосферу, что дает возможность осуществлять все биогеохимические функции живого вещества. Важнейшую роль в этом процессе играют растения с их механизмом фотосинтеза, который преобразует солнечную энергию в биогеохимическую энергию живого вещества биосферы. Эта энергия тратится на все грандиозные преобразования облика планеты;

• деструктивная функция -— функция разрушения и переработки органических останков, в ходе этого процесса накопленные организмами вещества возвращаются в природные циклы, идет круговорот веществ в природе;

• средообразующая функция -— преобразование окружающей среды под действием живого вещества. Мы можем смело утверждать, что весь современный облик Земли -— состав атмосферы, гидросферы, верхнего слоя литосферы, большая часть полезных ископаемых, климат -— является результатом действия жизни. Так, зеленые растения обеспечивают Землю кислородом и накапливают энергию, микроорганизмы участвуют в минерализации органических веществ, образовании ряда горных пород и в почвообразовании.

При всей грандиозности задач, которые решает живое вещество и биосфера Земли, сама биосфера (по сравнению с другими геосферами) представляет собой очень тонкую пленку. Сегодня принято считать, что в атмосфере микробная жизнь имеет место примерно до высоты 20-22 км над земной поверхностью, а наличие жизни в глубоких океанических впадинах опускает эту границу до 8-11 км ниже уровня моря. Углубление жизни в земную кору много меньше, и микроорганизмы обнаружены при глубинном бурении и в пластовых водах не глубже 2-3 км. В состав биосферы Вернадский включал:

• живое вещество;

• биогенное вещество—, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами (каменный уголь, нефть, газ и т. д.);

• костное вещество, сформированное без участия живого, к нему относятся атмосфера, гидросфера и литосфера;

• биокостное вещество -— результат взаимодействия живых организмов и небиологических процессов (например, почва, озерная вода);

• вещества, находящиеся в процессе радиоактивного распада;

• рассеянные атомы, выделяющиеся из земного вещества под влиянием космических излучений;

• вещество космического происхождения, включающее отдельные атомы и молекулы, проникающие на Землю из космоса.

Разумеется, жизнь в биосфере распространена неравномерно, существуют так называемые сгущения и разрежения жизни. Наиболее густо населены нижние слои атмосферы (50 м от земной поверхности), освещенные слои гидросферы и верхние слои литосферы (почва). Также следует отметить, что тропические области заселены намного плотнее, чем пустыни или ледяные поля Арктики или Антарктики. Глубже в земную кору, в океан, а также выше в атмосферу количество живого вещества уменьшается. Таким образом, эта тончайшая пленка жизни покрывает абсолютно всю Землю, не оставляя ни одного места на нашей планете, где бы не было жизни. При этом нет резкой границы между биосферой и окружающими ее земными оболочками.

Долгое время идеи Вернадского замалчивались, и вновь к ним вернулись лишь в середине 1970-х годов. Во многом это про­изошло благодаря трудам российского биолога Г.А. Заварзина, который доказал, что основным фактором становления и функционирования биосферы были и остаются многосторонние трофические связи. Они установились не менее чем 3, 4-3, 5 млрд лет назад и с тех пор определяют характер и масштабы круговорота элементов в оболочках Земли.

В начале 1980-х годов английским химиком Джеймсом Лавлоком и американским микробиологом Линн Маргулис была предложена очень интересная концепция «Геи-Земли». Согласно ей, биосфера представляет собой единый суперорганизм с развитым гомеостазом, делающим его относительно независимым от флуктуации внешних факторов. Но если саморегулирующаяся система «Геи-Земли» впадает в состояние стресса, близкое к границам саморегуляции, даже небольшое потрясение может толкнуть ее к переходу в новое состояние или даже к полному уничтожению сисетемы. В истории нашей планеты уже не раз случались такие глобальные катастрофы. Самая известная из них -— исчезновение динозавров около 60 млн лет назад. Сейчас Земля вновь переживает глубокий кризис, поэтому так важно продумать стратегию дальнейшего развития человеческой цивилизации.

Рекомендуемая литература

1. Биология охраны природы /Под ред. М.Сулея, Б.Уилкокса. - М.: Мир, 1983. – 430 с.

2. Дажо Р. Основы экологии. – М., 1975. – 415 с.

3. Дарвин Ч. Путешествие натуралиста вокруг света /Соч.Т.1. – М.-Л, 1935. – 422 с.

4. Жизнеспособность популяций. Природоохранный аспект /Под ред. М.Сулея. - М.: Мир, 1989. - 224 с.

5. История биологии. С начала ХХ века до наших дней. – М., 1975. – 659 с.

6. История биологии. С древнейших времен до начала ХХ века. – М., 1972. – 536 с.

7. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Академический проект, 2000. - Изд. 2-е, испр. и доп. – 639 с.

8. Кашкаров Д.Н. Основы экологии животных. – М.-Л., 1938. – 602 с.

9. Коли Г. Анализ популяций животных. – М., 1979. - 362 с.

10. Концепции современного естествознания. - Ростов н/Д: Феникс, 1997. – 448 с.

11. Ларин В.И., Мнакацанян Р.А., Честин И.Е., Шварц Е.А. Охрана природы России: от Горбачева до Путина. – М., 2003. - 416 с.

12. Методологические аспекты исследования биосферы. – М., 1975. - 456 с.

13. Новиков Г.А. Очерк истории экологии животных. – Л.: Наука, 1980. – 287 с.

14. Перерва В.И., Ковалев Г.К., Орлов Г.А. Сохранение биологического разнообразия России. Правовая и нормативно-методическая документация. Проект ГЭФ «Сохранение биологического разнообразия». - М.: АО «Окаэкос», 1999. – 470 с.

15. Садохин А.П. Концепции современного естествознания. - М.: Эксмо, 2005. – 462 с.

16. Северцов С.А. Проблемы экологии животных. Т. 1. – М., 1951. - 171 с.

17. Солбриг О., Солбрик Д. Популяционная биология и эволюция. - М.: Мысль, 1982. – 488 с.

18. Шмальгаузен И.И. Пути и закономерности эволюционного процесса. - М: Наука, 1983. - 360 с.