Учение о биосфере

Учение о биосфере — тонкой оболочке Земли, состав, структура и энергетика которой в существенных чертах обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организмов, — вершина научных достижений В.

Учение Вернадского стало основой современного представления о взаимосвязях и сопряженной эволюции всех структур биосферы. Именно этой идеологией руководствуются ученые, разрабатывающие международные и национальные программы «Международное гидрологическое десятилетие», «Всемирная климатическая программа», «Международная биологическая программа». Естественно, учение о биосфере служит научной основой рационального хозяйствования и решения экологических проблем. Вернадский считал, что появление человека ознаменовало новый этап развития биосферы, и теперь от него зависит ее судьба. Следовательно, человечеству необходимо выработать единую стратегию взаимодействия с природой, сформировать экологическое сознание, новое мышление, создать качественно новые технологии.

В 20-х годах XX в. В. И. Вернадским было разработано учение о биосфере как глобальной единой системе Земли, где основной ход геохимических и энергетических превращений определяется жизнью.

Вернадский писал, что участие каждого отдельного организма в геологической истории Земли нрчтожнр, мало, однако живых

17

существ на Земле бесконечно много, и они, обладая высоким потенциалом размножения, активно взаимодействуют со средой обитания и в конечном счете представляют в совокупности особый, глобальный фактор развития, преобразующий верхние оболочки Земли.

Живые организмы бесконечно разнообразны, распространены повсеместно, воспроизводятся во многих поколениях, обладают избирательностью биохимической деятельности и исключительно высокой химической активностью по сравнению с другими компонентами природы.

Совокупность организмов на планете Вернадский назвал живым веществом, которое характеризуется суммарной массой, химическим составом и энергией. О роли живых организмов на Земле Вернадский писал: «Можно без преувеличения утверждать, что химическое состояние наружной коры нашей планеты, биосферы, всецело находится под влиянием жизни, определяется живыми организмами; несомненно, что энергия, придающая биосфере ее обычный облик, имеет космическое происхождение. Она исходит из Солнца в форме лучистой энергии. Но именно живые организмы, совокупность жизни, превращают эту космическую лучистую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира.

По мнению ученого, неизбежен единственно правильный подход к биосфере как к целостной глобальной экологической системе, обладающей определенной структурой и устойчивостью, присущими ей особенностями формирования и развития. Такое понимание биосферы особенно важно сейчас, когда техногенное воздействие человека на природу достигло небывалых масштабов и способно вызвать планетарные изменения среды обитания человека.

В пределах биосферы практически каждый химический элемент проходит через цепочку живых организмов, включается в систему биогеохимических превращений. Так, весь кислород планеты — продукт фотосинтеза — обновляется через каждые 2000 лет, а углекислота — через 300 лет.

Биохимические процессы в организмах также представляют собой сложные, организованные в циклы цепи реакций. На воспроизведение их в неживой природе потребовались бы огромные энергетические затраты, в живых же организмах они протекают при посредстве белковых катализаторов — ферментов, понижающих энергию активации молекул на несколько порядков. Так как материалы и энергию для обменных реакций живые существа черпают в окружающей среде, они преобразуют среду уже тем, что живут. Вернадский подчеркивал, что живое вещество проводит гигантскую геолого-химическую работу в биосфере, полностью преобразуя верхние оболочки Земли за время своего существования.

Более 99% энергии, поступающей на поверхность Земли, составляет излучение Солнца, эта энергия растрачивается в громадном большинстве физических и химических процессов в гидросфере, атмосфере и литосфере: перемещение воздушных и водных масс, испарение, перераспределение веществ, поглощение и выделение газов и т.

На Земле существует один-единственный процесс, при котором энергия солнечного излучения не только тратится и перераспределяется, но и связывается, запасается иногда на очень длительное время, — это создание органического вещества в процессе синтеза. Так, сжигая в топках каменный уголь, мы освобождаем и используем солнечную энергию, запасенную растительностью сотни миллионов лет назад.

Таким образом, основная планетарная функция живого вещества на Земле заключается в связывании и запасении солнечной энергии, которая затем идет на поддержание множества других геохимических процессов в биосфере.

Биохимическую функцию биосферы Вернадский рассматривал как всеобщее проявление жизни на Земле. Ни один отдельно взятый вид организмов не мог выполнить эту роль. Для обеспечения всего разнообразия форм биогенной миграции химических элементов необходимо было развитие определенного комплекса организмов. Отсюда возникает проблема эволюции биосферы как единого целого в процессе историко-геологического развития нашей планеты.

Таким образом, современная биосфера — итог длительного исторического развития всего органического мира в его взаимодействии с неживой природой. Благодаря этому в биосфере возникла сложная сеть взаимосвязанных процессов и явлений; благодаря взаимодействию абиотических и биотических факторов биосфера находится в постоянном движении и развитии. Она прошла значительную эволюцию со времени появления человека, т. е. на протяжении последних 2 млн лет. Однако если первоначально по своему воздействию на природу человек мог рассматриваться лишь как один из второстепенных факторов, то по мере развития цивилизации и роста ее технической оснащенности его роль стала сравнима с действием мощных геологических процессов. Это обстоятельство заставляет самым серьезным образом относиться к возможным отдаленным последствиям как производственной, так и природоохранной деятельности человека.

В результате техногенной деятельности человечества биосфера Земли коренным образом преобразуется и становится, по определению Вернадского, ноосферой — «сферой разума».

Конечно, вряд ли можно ожидать, что эпоха ноосферы возникнет на Земле стихийно. Сам по себе может развиваться лишь процесс деградации. И он уже идет, и на территории России в том числе. Загрязнение атмосферы, воды и почвы во многих наших городах и регионах во много раз превышает безопасные для здоровья людей нормы. Очистные сооружения на промышленных предприятиях и сельскохозяйственных объектах, а также в канализационных системах зачастую находятся в предаварийном состоянии. Учащающиеся нарушения их нормального функционирования приводят к катастрофам.

О глобальной экологической катастрофе вследствие бесконтрольного и ничем не ограниченного роста производства и потребления в промышленно развитых странах настоятельно предупреждал русский ученый Н. Моисеев. В обобщенном виде его предупреждение можно изложить следующим образом: если в ближайшем будущем человечество не изменит кардинально своего поведения в планетарном масштабе в отношении природы и во взаимоотношениях на личностном, межнациональном и межгосударственном уровнях, то уже к середине наступившего XXI в. на Земле могут сложиться такие экологические условия, при которых род человеческий не сможет существовать.

Особую тревогу вызывает тот факт, что биосфера до сих пор не отреагировала на произошедшее за последние сто лет существенное увеличение — на 20—21 % — доли углекислого газа в атмосфере планеты. Поскольку этот газ служит пищей для растительных организмов, в результате естественных процессов общий объем биомассы Земли должен был значительно возрасти. Но этого почему-то не произошло, а отсутствие такой реакции — грозный симптом.

Возможно, это свидетельствует о том, что биосфера уже утратила (или начинает утрачивать) присущую ей способность компенсировать происходящие в ней возмущения, под воздействием которых она может перейти в новое состояние, непригодное для существования человека.

Однако, к величайшему сожалению, эта весьма вероятная угроза всему человечеству до сих пор не стала предметом рассмотрения ни в ООН, ни в каких-либо иных международных организациях. И ни одно правительство в мире, включая наше, на официальном уровне не признает и не опровергает существование такой угрозы. Политики как бы не замечают ее.

Корпорации, базирующиеся в странах «золотого миллиарда», кровно заинтересованы в поддержании такого мирового экономического порядка, при котором 14% населения Земли потребляют 86% мировых природных ресурсов.

Замалчивание политическими деятелями неизбежных катастрофических последствий такого «устойчивого развития» для судьбы всего человечества помогает сохранять это соотношение и лишает обделенное большинство жителей Земли даже призрачной надежды на то, что когда-нибудь это соотношение изменится.

Возможно, в каких-нибудь странах абсолютной бедности, где сегодня проживают около 60% населения Земли, среднедушевой годовой доход увеличился на несколько десятков долларов США, а в странах относительной бедности, жители которых составляют более четверти всего человечества, — на несколько сотен долларов. Но преодолеть отсталость они не смогут. Чтобы удовлетворить платежеспособный спрос «золотомиллиардников», транснациональные корпорации будут и впредь откачивать из развивающихся стран все лучшее, что у них есть.

Остановить разрушительное воздействие нынешней постиндустриальной системы общественного жизнеустройства на природу можно лишь при выработке и поэтапной реализации всеми странами новой социально-экономической доктрины. Ее определяющим принципом должно быть признание природных ресурсов, водных и воздушных бассейнов общечеловеческим достоянием. Через этот принцип должно быть реализовано неотъемлемое право каждого человека на доступ к природным благам.

Важно обратить внимание на Хартию Земли и возможность ее принятия в качестве официального документа ООН. «Хартия (Декларация) Земли» содержит фундаментальные принципы для создания справедливого, устойчивого и мирного глобального общества в XXI в. Этот документ — своеобразный аналог Декларации прав человека в области окружающей среды. И, конечно, новая

гонка вооружений, в частности продолжение США широкомасштабных экспериментов в сфере целенаправленного и мощного воздействия на околоземную среду радиоволнами высокой частоты, т. е. фактически создания геофизического оружия, несущего колоссальную потенциальную опасность для человечества, совершенно несовместима с Хартией Земли.

Россия, как известно, по своему национально-природному богатству более чем в 2 раза превосходит и США, и Западную Европу. Но если Европа использует это богатство на 50%, то Россия — всего на 2%.

Россия способна внести свой весомый вклад в ноосферную безопасность планеты, следуя новой экоэтике XXI в. Для этого ей предстоит укреплять подлинно коллективную безопасность не только на трех уровнях (в постсоветском пространстве СНГ, в расширенном и измененном формате НАТО и параметрах «Шанхайской шестерки»), но и на общепланетарном уровне.

Круговорот основных элементов в биосфере — это многократное участие веществ в процессах, происходящих в атмосфере и гидросфере, в том числе в тех слоях, которые входят в биосферу планеты. Особое значение имеют круговороты кислорода, углерода, азота, серы и фосфора. Биогеохимический цикл кислорода — планетарный процесс, связывающий атмосферу и гидросферу с земной корой. Узловыми звеньями круговорота являются: образование свободного кислорода при фотосинтезе в зеленых растениях, потребление кислорода для дыхания всеми живыми организмами, окисления органических остатков и неорганических веществ (например, сжигание топлива) и другие химические преобразования, которые ведут к образованию таких окисленных соединений, как углекислый газ, вода, и последующему вовлечению их в новый цикл фотосинтетических превращений.

В круговороте кислорода отчетливо проявляется активная геохимическая деятельность живого вещества, его ведущая роль в этом циклическом процессе. Исходя из массы органического вещества, синтезированного в течение года (с учетом 15%, потраченных на процесс дыхания), можно заключить, что ежегодное продуцирование кислорода зеленой растительностью планеты составляет около 300 х 109 т. Лишь немногим более 25% этого количества выделяется растительностью суши, остальное — фотосинтезирующими организмами Мирового океана (свободный кислород присутствует не только в атмосфере, в растворенном состоянии он содержится и в природных водах). Суммарный объем вод Мирового океана равен 137 х 109 л, а в 1л воды растворено от 2 до 8 см3 кислорода. Следовательно, в водах Мирового океана находится от 2,7 до 10,9 х 1012 т

растворенного кислорода. Часть органического вещества захороня- ется, вследствие чего из годичного круговорота выводится связанный кислород.

На суше в процессе фотосинтеза происходит фиксация углекислого газа растениями с образованием органических веществ и выделением кислорода. Остатки растений и животных разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Подобный круговорот углерода совершается и в водной среде. Фиксируемый растениями углерод в значительном количестве потребляется животными, которые, в свою очередь, при дыхании выделяют его в виде углекислого газа.

Круговорот углерода в гидросфере — процесс более сложный, чем в атмосфере, поскольку возраст этого элемента в форме углекислого газа зависит от поступления кислорода в верхние слои воды как из атмосферы, так и из нижележащей толщи, так как между сушей и Мировым океаном происходит постоянный обмен углерода. Преобладает вынос этого элемента в форме карбонатных и органических соединений с суши в океан. Поступление углерода из Мирового океана на сушу совершается в несравненно меньших количествах, и то лишь в форме углекислого газа, диффундирующего в атмосферу, а затем переносимого воздушными течениями.

В круговороте азота чрезвычайно большую роль играют микроорганизмы: азотфиксаторы, нитрификаторы, денитрофикаторы. Все остальные организмы влияют на цикл азота только после ассимиляции его в состав своих клеток. Азот фиксируют также пурпурные и зеленые фотосинтезирующие бактерии, различные почвенные бактерии.

В биосфере в целом фиксация азота из воздуха составляет в среднем за год 140—700 мг/м3. В основном это биологическая фиксация, и лишь небольшое количество азота (в среднем не более 35 мг/м3 в год) регистрируется в результате электрических разрядов и фотохимических процессов.

Высокая интенсивность фиксации отмечена в некоторых загрязненных озерах с множеством синезеленых водорослей. В океане, где продуктивность ниже, фиксация азота в расчете на 1 м3 меньше, чем на суше. Однако общее количество фиксированного азота весьма значительно и важно для глобального круговорота.

В круговороте азота из огромного запаса этого элемента в атмосфере и литосфере принимает участие только фиксированный азот, усваиваемый живыми организмами суши и океана. В круговороте азота принимают участие: азот биомассы, азот биологической фиксации бактериями и живыми организмами, ювенильный (вулканогенный) азот, атмосферный (фиксированный при грозах) и техногенный.

На огромных массивах, где не ведется деятельность человека, растения берут необходимый им азот из вносимого в почву азота извне (нитраты с дождями, аммиак из воздуха), из возвращаемого в почву азота (остатки животных, растений, экскременты животных), а также из разнообразных азотфиксирующих организмов.

Наибольшее количество азота и зольных элементов содержится в биосфере лесной растительности, почти во всех типах растительности масса зольных элементов в 2—3 раза превышает массу азота. Исключение составляют тундровые растения, в которых содержание азота и зольных элементов примерно одинаково. Наибольшее количество оборачивающихся в течение года элементов (т. е. емкость биологического круговорота) — во влажных тропических лесах, затем — в черноземных степях и широколиственных лесах умеренного климата (в дубравах).

В биосфере хорошо развит процесс циклических превращений серы и ее соединений.

Резервуарный фонд серы обширен в почве и отложениях, меньший — в атмосфере. Основную роль в обменном фонде серы играют особые микроорганизмы, каждый вид которых выполняет определенную реакцию окисления и восстановления; в результате из глубоководных отложений к поверхности перемещается сероводород. В глобальном масштабе в регуляции круговорота серы участвуют геохимические и метеорологические процессы (эрозия, осадкообразование, выщелачивание, дождь, адсорбция, десорбция и т. д.), биологические процессы (продукция биомассы и ее разложение), взаимосвязь воздуха, воды и почвы. Сульфат аналогично нитрату и фосфату — основная, доступная форма серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в белки (сера входит в состав ряда аминокислот).

На круговорот азота и серы все большее влияние оказывает промышленное загрязнение воздуха, сжигание ископаемого топлива значительно увеличило содержание в воздухе летучих окислов азота (NO и М02) и серы (S02), особенно в городах. Их концентрация становится опасной для биотических компонентов экосистем.

Геохимический цикл фосфора в большей мере отличается от циклов углерода и азота. Содержание этого элемента в земной коре составляет 0,093%. Это в несколько десятков раз больше, чем азота, но в отличие от последнего фосфор не является одним из главных элементов оболочек Земли. Тем не менее его геохимический цикл включает разнообразные пути миграции в земной коре, интенсивный биологический круговорот и миграцию в гидросфере.

Фосфор — один из главных органогенных элементов. Его органические соединения играют важную роль в процессах жизнедеятельности всех растений и животных, входят в состав нуклеиновых кислот, сложных белков, фосфолипидов мембран, служат основой биоэнергетических процессов. Фосфор концентрируется живым веществом, где его содержание в 10 раз больше, чем в земной коре. На поверхности суши протекает интенсивный круговорот фосфора в системе «почва—растения—животные—почва». В связи с тем что минеральные соединения фосфора труднорастворимы и содержащийся в них элемент почти недоступен растениям, последние преимущественно используют его легкорастворимые формы, образующиеся при разложении органических остатков. Круговорот фосфора происходит и в системе «суша—Мировой океан»: происходит вынос фосфатов с речным стоком, взаимодействие их с кальцием, образование фосфоритов, залежи которых со временем выходят на поверхность и снова включаются в миграционные процессы.

Человек должен планировать свою хозяйственную деятельность с учетомщикличности природных процессов. Особенно тщательно это следует делать в земледелии, пастбищном животноводстве, водоснабжении, навигации. Распашка, внесение минеральных удобрений, загрязнение нефтью и тяжелыми металлами обедняют фауну почвы. Нарушаются и даже полностью выпадают звенья нормальных пищевых цепей и биогеохимических циклов. Реакция почвы на вмешательство человека необычайно велика.

Запасов неорганических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности населяющих их организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись как в течение жизни организмов, так и после их смерти. Ведь общество обра

зует с неорганической средой определенную систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, образует круговорот.

Основным механизмом удержания солнечной энергии и образования фитомассы, включающей огромные количества углерода, воды и распространенных биофилов, становятся биогеоценозы лесных и травянистых ландшафтов.

К невозобновимым ресурсам относятся богатства недр. Использование этих ресурсов возможно только один раз (хотя некоторые металлы могут служить вторичным сырьем), и оно неизбежно приводит к истощению их запасов, такие виды ресурсов имеют конечные запасы, и пополнение их на Земле практически невозможно из-за отсутствия условий, в которых они возникли много миллионов лет назад, или происходит оно очень медленно.

К возобновимым ресурсам принадлежат почва, растительность, животный мир, а также некоторые минеральные ресурсы, например, соли, осаждающиеся в озерах и морских лагунах, они могут воспроизводиться в природных процессах и поддерживаться в некотором постоянном количестве, определяемом уровнем их ежегодного воспроизводства и потребления.

Однако иногда при расточительном использовании некоторые виды возобновимых ресурсов могут перейти в разряд невозобновимых или на их возобновление потребуется слишком много времени. Например, состав почв, повышающих плодородие при их рациональном использовании, может резко ухудшиться при неправильных методах обработки, а эрозия, возникающая при этом, часто физически уничтожает почвенный слой. То же можно сказать и о ресурсах растительного и животного мира. При хищническом использовании нарушается способность биологических систем к самовоспроизводству, и тогда эти ресурсы становятся практически невозобновимыми.

Благодаря непрестанному функционированию системы «атмосфера—почва—растения—животные—микроорганизмы» сложился биогеохимический круговорот многих химических элементов и их соединений на суше, в атмосфере и внутриконтинентальных водах. Его суммарные характеристики сопоставимы с суммарным речным стоком суши, суммарным поступлением вещества из верхней мантии в биосферу планеты. Именно поэтому живое вещество на Земле уже многие миллионы лет — фактор геологического значения.

Природа таит неограниченные возможности для удовлетворения потребностей человека. Однако только силой научного познания в процессе производственной деятельности человек заставляет

природные ресурсы служить удовлетворению своих потребностей.

Человек использовал ресурсы (прежде всего пищу, воду, воздух) с самого начала своего существования, однако на первых порах он не прилагал усилий для их воспроизводства. Ресурсы определяли области расселения раннего человека. Под ресурсами для простого воспроизводства доиндустриального общества понимаются естественные производительные силы традиционных многовековых форм ведения хозяйства, в котором использовались главным образом вещества, не прошедшие глубокой обработки: камень, дерево, натуральные волокна и т. д. Индустриальное общество базируется на природных ресурсах, нужных не столько для поддержания жизни человека, сколько для производства товаров и услуг, обеспечивающих более развитые потребности отдельных людей и общества в целом. Подавляющая часть ресурсов расходуется в процессе расширенного воспроизводства.