Учение В.И. Вернадского о биосфере

Одним из выдающихся естествоиспытателей, посвятивших себя изучению процессов, протекающих в биосфере, был академик Владимир Иванович Вернадский. Он стал основоположником научного направления, названного им биогеохимией, которое легло в основу современного учения о биосфере.

В XIX в. в России постепенно складывалось представление о единстве человека и природы, о тех проблемах, с которыми неизбежно столкнется человечество при необузданном стремлении всецело подчинить себе природу. Вообще, идея цельного знания, основанного на органической полноте жизни, принадлежит русской философии. Она легла в основу направления общественной жизни, получившего название «русский космизм». Именно тогда в научной среде засверкали имена психолога и физиолога И.М.Сеченова, химика Д.И.Менделеева, почвоведа В.В.Докучаева, основоположника космонавтики

К.Э.Циолковского. К плеяде этих выдающихся ученых принадлежит и В.И.Вернадский.

Советский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863- 1945) - академик Петербургской академии наук (1912), первый президент АН УССР. Профессор Московского университета (1898-1911), один из организаторов и председателей (1915-1930) «Комиссии по изучению естественных производительных сил России». Автор трудов по философии естествознания, науковедению, создатель учения о биосфере и ее эволюции, о мощном воздействии человека на окружающую среду и о преобразовании современной биосферы в ноосферу - сферу разума.

Владимир Иванович уже в гимназические годы проявлял большой интерес к естественным наукам: химии, зоологии, ботанике. На свое семнадцатилетие Володя попросил отца подарить ему английское издание одной из книг Ч.Дарвина. И поэтому вполне логичным шагом было поступление его на естественное отделение физико-математического факультета Петербургского университета, где читали лекции такие корифеи науки, как А.М. Бутлеров, Д.И.

По окончании университета Владимир Иванович был оставлен для подготовки к профессорскому званию и назначен хранителем минералогического кабинета университета. После двухлетней заграничной командировки по странам Европы в 1891 г. он защищает магистерскую диссертацию о роли глинозема в силикатах, а в 1897 г. - докторскую диссертацию на тему: «О явлении скольжения кристаллического вещества».

В начале XX в. В.И. Вернадским были подняты проблемы совместной эволюции человека и биосферы с позиции развития Земли как космического тела. Уже в то время ученый был одержим идеей познать и раскрыть роль человека в естественноисторнческом процессе. К этому периоду он завершил создание своей «биогеохимии». Зерна, брошенные В.В. Докучаевым и Д.И. Менделеевым, дали первые ростки.

Кстати, термин «геохимия» появился еще в 1842 г. благодаря швейцарскому химику Кристиану Фридриху Шенбейну. Геохимия занималась изучением процессов трансформации вещества земной коры, историей преобразования тех или иных геологических пород. В.И. Вернадский ввел в геохимию исторический принцип. Его исследования привели к осознанию роли жизни и живого вещества в геологических процессах. Облик Земли, ее атмосфера, осадочные породы, ландшафты - все это результат жизнедеятельности. Особую роль в становлении лика нашей планеты В.И. Вернадский отводил человеку. Он представил деятельность человечества как стихийный природный процесс, зародившийся в глубинах истории.

Будучи глубоким теоретиком, В.И. Вернадский стоял у истоков таких новых и общепризнанных ныне наук, как радиогеология, биогеохимия, науковедение, учение о биосфере и ноосфере.

В 1926 г. В.И. Вернадский опубликовал в Ленинграде книгу под названием «Биосфера», которая ознаменовала рождение новой науки о природе, о взаимосвязи с ней человека.

Основа концепции биосферы - представление о живом веществе. Более 90 % всего живого вещества приходится на наземную растительность (98 % биомассы суши). Живое вещество - наиболее мощный геохимический и энергетический фактор, ведущая сила планетарного развития. Основной источник биохимической активности организмов - это солнечная энергия, используемая в процессе фотосинтеза зелеными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества, которое, в свою очередь, обеспечивает пищей и энергией остальные организмы. Фотосинтез привел к накоплению в атмосфере свободного кислорода, образованию озонового слоя, защищающего от ультрафиолетового и жесткого космического излучения. Он поддерживает современный газовый состав атмосферы. Жизнь на Земле всегда существовала в форме сложно организованных комплексов разнообразных организмов (биоценозов). Вместе с тем живые организмы и среда их обитания образуют целостные системы - биогеоценозы. Питание, дыхание и размножение организмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот вещества и энергии. С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов через живое вещество. Так, весь атмосферный кислород оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ за 300 лет. Состав самих организмов характеризуется большим разнообразием органических и вообще химических соединений. Благодаря живому веществу на планете образовались почвы и органическое минеральное топливо (торф, уголь, возможно, нефть).

В.И. Вернадский впервые показал, что химическое состояние наружной коры нашей планеты всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами, с деятельностью которых связан великий планетарный процесс - миграция химических элементов в биосфере. Эволюция видов, отмечал ученый, приводящая к созданию форм жизни, устойчива в биосфере и должна идти в направлении увеличения биогенной миграции атомов.

Биосфера представляет собой сложнейшую планетарную оболочку жизни, населенную организмами, составляющими в совокупности живое вещество. Это самая крупная (глобальная) экосистема Земли - область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете. Совокупная деятельность живых организмов в биосфере проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км), верхнюю часть литосферы (кора выветривания) и всю гидросферу до глубинных слоев океана. В.И. Вернадский отмечал, что «пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни». На развитие жизни, а следовательно, и на границы биосферы оказывают влияние многие факторы и прежде всего наличие кислорода, углекислого газа, воды в ее жидкой фазе. Ограничивают область распространения жизни и слишком высокие или низкие температуры. Элементы минерального питания также влияют на развитие жизни. К ограничивающему фактору можно отнести и сверхсоленую среду (превышение концентрации солей в морской воде примерно в 10 раз). Лишены жизни подземные воды с концентрацией солей свыше 270 г/л.

В планетарной биосфере выделяют континентальную и океаническую биосферы, которые отличаются геологическими, географическими, экологическими, биологическими, физическими и другими условиями. Нижний предел распространения живого ограничивается дном океана (глубина около 11 км) или изотермой в 100 °С в литосфере (по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове, эта цифра составляет около 6 км). Фактически, жизнь в литосфере прослеживается до глубины 3-4 км.

На основе работ В.И. Вернадского и других исследователей, внесших большой вклад в изучение биосферы планеты, предлагается различать три основные ее формы. Формы биологической систематики, включающие популяции, виды, роды, семейства и т.д., принятые в ботанике и зоологии. Биогеографические формы - территории, характеризующие географическое распространение и распределение растений и животных, специфику флоры и фауны. Это биогеографические зоны, области и т.д. Отдельно выделяются ботанико-географические и зоогеографические территории, дающие представление о составе и характере флоры и фауны. Экологические формы, известные под названиями экосистем (биогеоценозов), экотопов, биотопов и др.

Напомним, что биотоп - участок с однородными экологическими условиями, занятый определенными биоценозами, экотоп - местообитание сообщества. В отличие от биотопа, понятие «экотоп» включает внешние по отношению к сообществу факторы среды. Это совокупность абиотических условий неорганической среды данного участка, представляющего собой местообитание конкретного сообщества. Экологические формы определяют специфику изучения биосферы в экологических аспектах.

Вещественный состав биосферы также разнообразен. В.И.Вернадский включает в него семь глубоко разнородных, но геологически не случайных частей (рис. 7.1): живое вещество; биогенное вещество - рождаемое и перерабатываемое живыми организмами (горючие ископаемые, известняки и

т.д.); косное вещество, образуемое без участия живых организмов (твердое, жидкое и газообразное); биокосное вещество - косное вещество, преобразованное живыми организмами (вода, почва, кора выветривания, илы); вещество в радиоактивном распаде (элементы и изотопы уранового, ториевого и актиноуранового ряда); вещество рассеянных атомов земного происхождения и космических излучений; вещество космического происхождения в форме метеоритов, космической пыли и др.

В строении и морфологии биосферы исключительно важное значение для развития живого вещества имеют следующие ее элементы (сверху вниз): слой живого вещества, так называемая «пленка жизни»; педосфера, или почвенный покров;

Рис. 7.1. Основные типы веществ, слагающих биосферу Земли

ландшафтно-экологические системы - функциональные системы, включающие живые организмы и среду их обитания; кора выветривания, т.е. зона разрушения и преобразования горных пород, их минерально-геохимических изменений в верхней части земной коры под воздействием различных факторов; древняя биосфера (палеобиосфера) - комплекс горных пород, рельефа и других ландшафтных компонентов, залегающих ниже современной биосферы и погребенных под ее новейшими образованиями. Это горные породы, рудные и нерудные минералы, химические элементы, широко используемые в промышленности; многочисленные минералы верхней части земной коры и биосферы: глины, известняки, бокситы и т.д.; природные воды осадочной оболочки; миллионы органических и органоминеральных соединений: уголь, графит, гумусовые вещества, нефть, природные газы;

¦ минеральные ресурсы биосферы и земной коры, распространенные в форме свободных элементов: меди, серебра, золота, висмута, платины и т.д. Все они - главный источник сырья для металлургии, химической промышленности и многих других отраслей. Их добыча и использование в экономике растут год от года.

Из сказанного вытекает, что биосфера является результатом сложнейшего механизма геологического и биологического развития и взаимодействия косного и биогенного вещества. С одной стороны, это среда жизни, а с другой - результат жизнедеятельности. Главная специфика современной биосферы - это четко направленные потоки энергии и биогенный (связанный с деятельностью живых существ) круговорот веществ.

Разрабатывая учение о биосфере, В.И. Вернадский пришел к выводу, что главным трансформатором космической энергии является зеленое вещество растений. Только растения способны поглощать энергию солнечного излучения и синтезировать первичные органические соединения. Для объяснения большой суммарной энергии биосферы ученый произвел расчеты, которые действительно показали огромное значение фотосинтезирующих растений в создании общей органической массы. Он подсчитал, что поверхность Земли составляет меньше одной десятитысячной поверхности Солнца. Общая же площадь трансформационного аппарата зеленых растений в зависимости от времени года составляет уже от 0,86 до 4,2 % площади поверхности Солнца. Разница колоссальная. Этот зеленый энергетический потенциал и лежит в основе сохранения и поддержания всего живого на нашей планете.

В.И. Вернадский, так же как и Ламарк 140 лет назад, попытался дать главные исчерпывающие признаки каждого царства живого. И чем больше он вникал в проблему, тем более ясно становилось, что вырисовывается новый разрез мира. Вернадский составил таблицу из 16 пунктов, где рассмотрел несходство живого и неживого в физическом, химическом и термодинамическом смысле.

Анализ таблицы показал, что в природе нет никаких переходов от неживого к живому: они настолько противоречивы, что живое ни при каких условиях не может происходить из неживого. Организм и косную материю разделяет непроходимая стена. Принцип итальянского естествоиспытателя и врача Франческо Реди, гласящий, что живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом проходит резкая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие, получил свое подтверждение.