БИОСФЕРА КАК ЦЕЛОСТНАЯ СИСТЕМА

УЧЕНИЕ В.И. ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ

Первым термин «биосфера» (bios — жизнь, sphera — шар) употребил Ж.Б. Ламарк — знаменитый французский естествоиспытатель, ботаник, зоолог, геолог, автор «философии зоологии», понимавший природу как единое целое и считавший, что область жизни и ее влияние на процессы, происходящие на Земле, это и есть биосфера. В более расширенном понимании как зону жизни на нашей планете использовал этот термин австрийский геолог, президент Академии наук Австрии Э. Зюсс в 1875 г. в работе о происхождении Альпийской горной системы. Однако он не дал ни определения этого термина, ни обоснования его применения, ни объяснения его связи с земной корой.

Компоненты биосферы — атмосфера, гидросфера, литосфера — выполняют важнейшие функции по обеспечению жизни на Земле.

Биосфера возникла около 4,5 млрд лет назад и прошла несколько этапов эволюционного развития — от первоначального круговорота органического вещества к биологическому круговороту — непрерывному обмену веществом и энергией между живыми организмами и окружающей средой в течение всей жизни организмов и после их смерти. Важнейшими компонентами биосферы являются: живое вещество (растения, животные, микроорганизмы), биогенное вещество органического происхождения (уголь, торф, почвенный гумус, нефть, мел, известняк и др.), косное вещество (горные породы неорганического происхождения), биокосное вещество (продукты распада и переработки горных пород живыми организмами).

Создание учения о биосфере Земли, ее значимости в формировании современного облика нашей планеты принадлежит одному из наиболее крупных ученых мира первой половины XX в. академику В.И. Вернадскому.

Владимир Иванович Вернадский (1863—1945) — российский и советский ученый-естествоиспытатель, мыслитель и общественный деятель конца XIX — первой половины XX в. Один из представителей русского космизма, создатель науки биогеохимии. В круг его интересов входили многие науки — геология, почвоведение, кристаллография, минералогия, геохимия, радиогеология, биология, палеонтология, биогеохимия, метеоритика, философия и история. Кроме того, он занимался организаторской научной и общественной деятельностью.

Труды В.И. Вернадского не просто внесли огромный вклад в развитие многих разделов естествознания, но принципиально изменили научное мировоззрение XX в., определили положение человека и его научной мысли в эволюции биосферы, позволили по-новому взглянуть на окружающую нас природу как среду обитания человека, поставили много актуальных проблем и наметили пути их решения в будущем. Одно из величайших достижений естествознания XX в. — учение Вернадского о биосфере, области жизни, объединяющей в едином взаимодействии живые организмы (живое вещество) и косное вещество. Первым стал разрабатывать эту тему учитель Вернадского В.В. Докучаев. Он же обратил внимание на единство материальной и духовной культуры человека с окружающей природной средой. Докучаева волновали в первую очередь практические аспекты этой проблемы, а Вернадский создал теоретически стройную концепцию перехода биосферы в ноосферу в результате разумных научных преобразований человеком среды жизни.

Живое и косное вещество. Фундаментом научного мировоззрения Вернадского служит понятие живого вещества: «В явления жизни я ввел вместо понятия “жизнь” понятие живого вещества, сейчас, мне кажется, прочно утвердившееся в науке. Живое вещество есть совокупность живых организмов... Понятие “жизнь” всегда выходит за пределы понятия “живое вещество” в области философии, фольклора, религии, художественного творчества. Это все отпало в живом веществе»1.

Согласно представлениям Вернадского, живые организмы без пропусков заполняют всю поверхность планеты. Размножением, питанием и дыханием они создают определенное давление на среду, меняют течение всех химических реакций, участвуют в круговороте всех химических элементов. В биосфере они выполняют строго определенные биогеохимические функции для поддержания жизни на Земле. Вернадский отмечает два подхода к изучению явлений жизни — био- геохимический, когда живое вещество рассматривается как математически выраженная совокупность средних живых организмов, и подход других биологических наук, которые изучают главным образом отдельные усредненные живые организмы.

Наряду с понятием живого вещества Вернадский вводит понятие косного вещества: «Материально-энергетическое вещество, строящее биосферу, резко неоднородно. Мы в нем с этой точки зрения должны различать главную массу вещества ее, не входящую в живое вещество; вещество, которое я буду называть косным, не живым»[1] [2]. Косное вещество — горные породы, жидкие и газообразные тела — в совокупности с живым веществом образуют биосферу. Между живым и косным веществом устанавливается непрерывная связь во время дыхания, питания, размножения живого вещества за счет миграции атомов из косных тел биосферы в живые и обратно. Живые организмы в природе существуют в виде популяций — исторически сложившихся естественных совокупностей особей данного вида, связанных взаимоотношениями и адаптацией в условиях определенного района или иного места обитания (биотопа). В естественных природных условиях численность и плотность популяции определяются регулирующими (управляющими) экологическими факторами.

Экологическая система (экосистема) — это совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых совместно обитающих различных видов организмов и условий их существования. В экосистеме связаны биоценоз (сообщество совместно живущих организмов) и биотоп (среда обитания). На рис. 6.1 перечислены основные типы природных экосистем на Земном шаре.

Основные типы природных экосистем

Рис. 6.1. Основные типы природных экосистем

Биогеоценоз (от греч. биос — жизнь, Гея — Земля, ценоз — общий) — природная система живых организмов и окружающей их абиотической среды, связанная обменом — веществами, энергией и информацией. Это понятие, предложенное академиком Владимиром Николаевичем Сукачевым, принято считать синонимом понятия экосистемы.

В состав биогеоценоза входят:

  • • растительный компонент (фитоценоз);
  • • животный компонент (зооценоз);
  • • микроорганизмы (микробиоценоз);
  • • почва и почвенно-грунтовые воды, во взаимодействии с растительным, животным компонентами и микроорганизмами образующие эдафотоп;
  • • атмосфера, которая, взаимодействуя с другими компонентами, образует климатоп; понятие «климатоп» трактуется как характеристика биогеоценоза, сочетание физических и химических характеристик воздушной или водной среды, существенных для населяющих эту среду организмов. Климатоп задает в долговременном масштабе основные физические характеристики существования животных и растений, определяя круг организмов, которые могут существовать в данной экосистеме;
  • • неживая природа, представляющая собой косное вещество — экотоп, которое понимается как определенная территория или акватория со всем набором и особенностями почв, грунтов, микроклимата и других факторов в неизмененном организмами виде. Примерами экотопа могут служить наносные грунты, новообразовавшиеся вулканические или коралловые острова, вырытые человеком карьеры и другие заново образовавшиеся территории. В этих случаях климатоп является частью экотопа.

Можно сказать, что биогеоценоз — пространственно обособленная, целостная элементарная единица биосферы, все компоненты которой взаимосвязаны. Основными компонентами биогеоценоза являются три группы организмов — растения, животные и бактерии, с помощью которых вещества движутся от одного компонента к другому, отражая известную общую закономерность круговорота веществ в природе.

В.И. Вернадский называл биосферу «пленкой жизни», тонкой оболочкой планеты, в которой состав, структура и перемещение энергии в основном обусловлены деятельностью «живого вещества», т.е. совокупности живых организмов — бактерий, растений и животных. По его мнению, жизнь может проявляться только в определенной среде, обеспечивающей дыхание и питание организмов. По способу питания Вернадский разделил живое вещество на две группы:

  • • автотрофные организмы — в своем питании независимые от других организмов, использующие неорганическое вещество. Это зеленые растения, жизнь которых зависит от интенсивности солнечного излучения, составляющие основу биомассы живого вещества; бактерии, живущие вне солнечного воздействия в почвах, илах, воде, играющие громадную роль в накоплении энергии;
  • • гетеротрофные организмы — в своем питании использующие органическое вещество, созданное другими организмами.

Живое вещество распределено на планете неравномерно. «Сгущение жизни» наиболее велико в приземном слое и составляет несколько десятков метров в высоту, а по горизонтали наибольшее в экваториальных тропических лесах и наименьшее в пустынях и зонах полюсов.

Верхняя граница жизни располагается на высоте 15—40 км и определяется озоновым экраном, поглощающим коротковолновые, ультрафиолетовые лучи, убивающие все формы жизни. Нижнюю границу жизни Вернадский определял не глубже 3 км от земной поверхности. Водная среда — гидросфера Земли целиком входит в биосферу. В самых глубоких океанических впадинах обнаружены живые организмы. «Сгущение жизни» в Мировом океане отмечается на мелководьях, например в Саргассовом море площадью около 100 000 км2, в шельфовых, прибрежных водах до 500 м глубиной, где пышно цветет жизнь — водоросли, кораллы, многочисленные рыбы, моллюски, иглокожие и мшанки. Эти богатые жизнью территории занимают менее 5% площади Мирового океана. В глубинных участках океана «сгущение» жизни отмечается только в верхних слоях, где и происходит фотосинтез. Животная жизнь здесь бедна и представлена планктонными организмами и малочисленными видами рыб. Данные последних лет говорят о наличии в Мировом океане «пустынь» со слабым проявлением жизни.

В биосферу входят и нижние слои атмосферы Земли, причем «сгущение жизни» увеличивается к приземному слою и обычно не превышает 30—35 м, т.е. зоны развития древесной растительности, и только в секвойевых лесах достигает 80—90 м. Таким образом, толщина биосферы не превышает в общей сложности 25 км.

Определение Вернадского биосферы дополнялось и уточнялось со временем, и сейчас наиболее удачное определение биосферы принадлежит В.А. Ковде (1969): биосферу Земли следует понимать «как древнюю, крайне сложную, многокомпонентную общепланетарную термодинамически открытую, саморегулирующуюся систему живого вещества и неживой материи, аккумулирующей состав и динамику земной коры, атмосферы и гидросферы». К сожалению, в этом определении не отражена роль антропогенного фактора, ибо сейчас накапливается все больше и больше фактов, что саморегуляция биосферы нарушается деятельностью человека и в недалеком будущем ее благополучие будет в значительной степени зависеть от разумной деятельности человеческого общества.

Роль живого вещества в формировании и жизни биосферы. В формировании современного облика нашей планеты ведущую роль сыграли живые организмы — растения, животные, микроорганизмы. Живое вещество, преобразуя солнечное излучение, вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Химический состав живого вещества весьма сложен и насчитывает более 80 элементов. В весовом отношении первое место принадлежит кислороду — около 65%, водороду — около 10%, далее следуют углерод, кремний, алюминий, железо, кальций, барий, марганец, сера, фосфор, азот, магний, кальций, натрий, хлор, цинк, бром, йод, ванадий и др. Сотни растений и животных способны накапливать в своем теле витамины, пестициды и радиоактивные вещества в концентрациях, в сотни и даже тысячи раз превышающих концентрации этих веществ в окружающей среде.

Отмирая, они образуют концентрированные отложения тех или других веществ. Например, мел, сланцы, известняки, каменный уголь, нефть, торф, сапропель являются продуктами жизнедеятельности организмов. Вернадский еще в начале XX в. говорил, что месторождения руд, железа, марганца, фосфора и других элементов имеет биогенное происхождение, их создали микроорганизмы-концентраторы — диатомовые водоросли, железобактерии, серобактерии и др.

Вернадский пришел к заключению, что биомасса всех живущих на планете организмов составляет около 1015 т, что по отношению к массе земной коры ничтожно мало и составляет менее 0,1%. Несмотря на это, роль живого вещества в перемещении химических элементов планеты, как и в преобразовании неживой материи и вовлечении ее в биосферный круговорот, огромна. Столь существенное воздействие живых организмов на все протекающие в биосфере процессы в основном связано с необыкновенно большой способностью их к размножению. Вернадский подсчитал, что если поставить те или другие организмы в исключительно благоприятные условия жизни, то они способны «захватить поверхность планеты» в следующие сроки: бактерии (на примере холерного вибриона) — 125 суток, инфузории туфельки — 67,3 суток, зеленый планктон (фитопланктон) — 183 суток, большие водоросли — 79 лет, цветковые растения (на примере клевера) — 11 лет, мухи домашние — 1 год, курицы — 18 лет, свиньи домашние — 8 лет, свиньи дикие (кабан) — 56 лет, крысы (пасюк) — 8 лет, слоны — 1000 лет.

Но в природе существует масса факторов, сдерживающих размножение тех или других организмов, — недостаток пищи, хищники, неблагоприятные условия среды и т.д., из-за чего маловероятно создание идеальных условий для размножения какого-то одного вида.

Заслуга в утверждении биогенного происхождения кислорода, азота и углекислоты в атмосфере также принадлежит Вернадскому. Подсчитав объем свободного кислорода в атмосфере, его ежегодное поступление в атмосферу в результате фотосинтетической деятельности зеленых растений и потребление кислорода животными и микроорганизмами, он определил сроки образования зеленого покрова Земли. Данный срок примерно совпал с геологическим возрастом осадочных пород. Это убедило ученого в том, что появление кислорода в атмосфере Земли является результатом деятельности «живого вещества».

Вернадский назвал основные компоненты, слагающие биосферу:

  • • живое вещество — растительный мир, зеленая оболочка Земли, животный мир, активно потребляющий растительную массу, и микроорганизмы;
  • • биогенное вещество — осадочные породы органического происхождения, подразделяющиеся на фитогенные, состоящие в основном из растительных остатков, например каменный уголь, и зоогенные породы, состоящие из остатков животных организмов, например меловые отложения;
  • • косное вещество — горные породы в основном магматического неорганического происхождения, слагающие земную кору;
  • • биокосное вещество — результат распада и переработки горных и осадочных пород животными организмами. Классическим примером биокосного вещества является почва — поверхностный слой земной коры, которому присущи свойства живой и неживой природы. Почва состоит из отдельных слоев (горизонтов), возникающих в результате преобразования материнской породы (литосферы) под воздействием воздуха, воды и живого вещества, в первую очередь растений и микроорганизмов. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие — способность обеспечивать растения питательными веществами и влагой;
  • • радиоактивные вещества, поступающие в биосферу в результате естественных ядерных превращений и при извержении вулканов; они мигрируют в воде, воздухе и почве и, естественно, попадают в живые организмы;
  • • рассеянные атомы — не все атомы в результате биосферных процессов связываются в определенные химические соединения, какая- то часть их рассеяна в биосфере;
  • • вещества космического происхождения — космическая пыль, метеориты. Как показали исследования последних лет, за сутки на Землю выпадает несколько десятков тонн метеоритного вещества. Это вещество оказывает существенное влияние на газовый, ионный и аэрозольный состав верхней атмосферы. В метеоритах обнаружены железо, натрий, магний, кальций, кремний, азот и др. Космическая пыль составляет около 1% массы межзвездного вещества и, несомненно, играет заметную роль в прохождении солнечного излучения.

Ученому принадлежит заслуга в изучении закономерностей прохождения химических процессов в биосфере и миграции веществ при прямом или косвенном участии живых организмов и соответственно в создании новой самостоятельной науки — биогеохимии. Он показал, что биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к своему максимальному проявлению. «На земной поверхности нет химической силы, более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. И чем больше мы изучаем химические явления биосферы, тем более мы убеждаемся, что на ней нет случаев, где бы они были независимы от жизни... С исчезновением жизни не оказалось бы на земной поверхности силы, которая могла бы давать непрерывно начало новым химическим соединениям»1.

Вернадский высказал положение, согласно которому организмы животных и растений не повторяют состава среды, а извлекают из нее необходимые элементы, концентрируя их в своих телах. Позднее это положение было подтверждено. Так, выявлены растения, накапливающие азот, животные, концентрирующие в своих организмах известь; речной камыш способен «собирать» и использовать нефтяную пленку; ряд растений и животных аккумулируют в своих телах радиоактивные вещества и т.д. Это положение также подтверждает существенная разница в химическом составе осадочных пород земной коры, почвенного покрова и растительности.

Распределение микроэлементов на нашей планете неравномерно, писал Вернадский. Последующие исследования полностью подтвердили это положение. Были выявлены биогеохимические провинции, наиболее богатые или обедненные микроэлементами. Например, на территории Республики Марий Эл не хватает йода и ранее среди населения была сильно распространена базедова болезнь, эндемичный зоб. Обогащение пищевой соли йодом позволило почти полностью ликвидировать эту болезнь. В Новой Зеландии нехватка некоторых микроэлементов затрудняла выращивание пшеницы и разведение овец. После того как в Новую Зеландию начали ввозить недостающие микроэлементы, урожаи пшеницы резко возросли и гибель овец прекратилась.

Впервые в истории науки четко прозвучало: «Человек в настоящее время становится все более и более могучей геологической силой, оказывающей на современную биосферу всевозрастающее воздействие... Мощь человека связана не с его материей (биомассой), а с его мозгом, с его разумом и направленным этим разумом трудом»[3] [4]. Синтезируя все высказанные мысли о роли человека в современной жизни биосферы, еще в 1926 г. Вернадский писал: «В геологической истории биосферы перед человеком открывается огромное будущее, если он поймет это и не будет употреблять свой разум и свой труд на самоистребление».

Введя понятие «ноосфера», Вернадский поставил в непрерывную взаимосвязь две основные планетарно-космические силы — живое вещество и разум человека. «Живое вещество есть совокупность живых организмов», поэтому «человечество как живое вещество неразрывно связано с биосферой»1. В понятие ноосферы ученый вкладывал именно позитивно разумную деятельность человека. Мощь интеллекта двойственна, в связи с чем понятие «ноосфера» употребляется именно как созидательная деятельность интеллекта, «разумного» в отличие от «безумного», хотя и интеллектуального.

Вернадский разработал учение о биосфере, которая есть «область жизни, комплексная земная оболочка, охваченная и организованная жизнью. Включает живое вещество (совокупность организмов) и неживое, охваченное и организованное деятельностью живого, благодаря чему земная оболочка в целом характеризуется специфической геологической и физико-химической организованностью»[5] [6]. Природа, биосфера есть среда существования человека. Под воздействием человеческого разума биосфера превращается в ноосферу — «сферу взаимодействия природы и общества, в которой человеческая деятельность становится главным определяющим фактором развития»[7]. При этом биосфера есть объективно существующая реальность, а ноосфера (эпоха ноосферы) есть проект, для реализации которого необходимо выполнение ряда условий — отсутствие войн, единое экономическое и информационное пространство, реальное равенство людей, более высокий уровень культуры и образования и т.д. Ноосфера есть возможность нового этапа человеческой эволюции, но она может не состояться, если не будут соблюдаться соответствующие условия.

Человек должен соответствовать своему родовому названию «человек разумный». «Воспитание может основываться или на религиозной подкладке, или на гуманитарной, или на гражданской. Это потому, что одна из его задач — и самая главная — осмыслить жизнь, и цель жизни должна проходить через, сквозь все воспитание»[8]. Поэтому воспитание готовит людей для жизни. Но такое воспитание не должно быть абстрактным: «Мне кажется, должно быть аксиомой: воспитание человека может быть основано только на связи с изучением жизни, историей человека»[9]. Ученый был убежден, что человек биологически связан не только с биосферой, но и с другими людьми: «Задача человека заключается в доставлении наибольшей пользы окружающим»1. Лишь при таком подходе можно говорить о переходе биосферы в ноосферу, ибо созидание, а не разрушение есть цель человека.

Сегодня учение Вернадского о биосфере оценено по достоинству. С каждым годом оно приобретает все большее значение и играет особую роль при долгосрочном прогнозировании изменений окружающей природной среды под воздействием деятельности человека.

  • [1] Вернадский В.И. Несколько слов о ноосфере // Владимир Вернадский. Жизнеописание. Избранные труды. Воспоминания современников. Суждения потомков ; сост.Г.П. Аксенов. М.: Современник, 1993. С. 508.
  • [2] Там же. С. 430.
  • [3] Вернадский В.И. Очерки геохимии // В.И. Вернадский Начало и вечность жизни.М.: Сов. Россия, 1989.
  • [4] Цит. по: Соколов Б.С. Вернадский и XX век // Природа. 1988. № 2.
  • [5] Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. М.: Рольф, 2002.
  • [6] Философский энциклопедический словарь. М.: Сов. энциклопедия, 1989. С. 814.
  • [7] Гиренок Ф.И. Ускользающее бытие. М.: ИФ РАН, 1994. С. 38.
  • [8] Вернадский В.И. Антология гуманной педагогики. М. : Изд. дом Ш. Амонашвили,2001.С. 131.
  • [9] Там же.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >