Глава 7
Учение В.И. Вернадского о биосфере

Главным в переосмыслении понятия "биосфера", которое было сделано В.И. Вернадским, - это понимание биосферы как сферы единства живого и неживого. Такое толкование определило взгляд В.И. Вернадского на проблему происхождения жизни на Земле¹. Им рассматривались три основных варианта:

• жизнь возникла до образования Земли и была занесена на нее;
• жизнь зародилась после образования Земли;
• жизнь возникла вместе с формированием Земли.

Из этих вариантов В.И. Вернадский придерживался последнего и считал, что нет убедительных научных данных, доказывающих, что в какие-то времена на Земле не существовало живое. В.И. Вернадский был убежден, что биосфера была на нашей планете всегда. Знания, полученные созданной им биогеохимии при изучении распределения химических элементов на поверхности Земли, привели его к выводу, что", за исключением радиоактивных элементов, все химические элементы периодической системы Д.И. Менделеева входят в живое вещество. В.И. Вернадский сформулировал три биогеохимических принципа:

121

• биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению;
• эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов;
• живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, создающейся и поддерживающейся на Земле космической энергией Солнца.

Вследствие нарушения двух первых принципов космические воздействия из поддерживающей биосферы могут превратиться в разрушающие ее факторы.

Данные геохимические принципы соотносятся со следующими важными выводами Вернадского: каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой природой; жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись по планете, стимулируя перераспределение энергии и вещества.

Первым и самым всеобъемлющим выводом из учения о биосфере, который сделал В.И. Вернадский, был: "Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом", иными словами, - это принцип целостности биосферы. В.И. Вернадский писал: "Твари Земли являются созданием сложного космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма" (Вернадский В.И., 1967, с. 11 и с. 22). Это означает, что Земля - не просто сложение отдельных составных частей, а действующий согласованный "механизм". Что же говорит в пользу этого вывода? Это узкие пределы существования жизни: физические постоянные, уровни радиации и т. п. Физические постоянные, например, константа всемирного тяготения, определяющая размеры звезд, температуру и давление в них, влияющие на ход реакции в этих звездах. Если она будет несколько меньше, то звезды не будут иметь температуры, необходимой для осуществления в их недрах термоядерного синтеза; если же температура будет несколько выше, то звезды превзойдут некую "критическую массу" и обратятся в черные дыры.

Константа сильного взаимодействия определяет величину ядерного заряда в звездах. Если ее изменить, то цепочки ядерных реакций не смогут привести ("дойти") к образованию азота и углерода.

Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет конфигурацию электронных оболочек и прочность химических связей - ее изменение делает Вселенную мертвой, что находится в соответствии с "антропным" принципом, по которому при создании моделей развития мира следует учитывать реальность существования человека.

Очень важной глобальной константой является соленость Мирового океана при условии, что вода - это "всемирный" растворитель, соленость морской воды в среднем 35 % остается постоянной многие миллионы лет. Экологическая значимость этого факта до конца еще не определена.

122

Дальнейшими исследованиями было подтверждено, что с экологической точки зрения живой мир - это единая система, пронизанная взаимообусловленными связями, в виде трофических цепей, потоков энергии и информации. Эти связи настолько взаимно необходимы, что если их небольшая часть будет разрушена, то это может повлечь за собой разрушение и всего остального.

Второй важнейший принцип, выявленный В.И. Вернадским, - это принцип гармонии биосферы и ее организованности; в ней все учитывается и все приспособляется с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества и атомов энергии (Вернадский В.И., 1967, с. 24).

Еще одна важная закономерность, показанная в основополагающей работе В.И. Вернадского "Биосфера" (1967, с. 22), - это космическая роль биосферы в трансформации энергии. "Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли". Этим самым В.И. Вернадский подчеркивал важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии.

Космическая энергия вызывает "давление жизни", которое достигается размножением. Установлено, что размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества. Размеры популяции возрастают до тех пор, пока, как было установлено, среда может выдерживать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие, и численность колеблется уже вблизи равновесного уровня.

Выше мы уже приводили выводы В.И. Вернадского относительно роли живого в эволюции Земли как геологического образования. Лик нашей планеты по существу сформирован жизнью.

Растекание же жизни есть проявление ее геохимической энергии, что также было доказано В.И. Вернадским. Живое вещество, подобно газу, растекается по земной поверхности в соответствии с правилом инерции. Мелкие организмы размножаются, как известно, гораздо быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.

Одно из принципиальных свойств биосферы мы рассмотрим подробно, как базовое для создания первичного органического вещества. Это свойство или понятие об автотрофности. Поле существования автотрофных зеленых организмов определяется областью проникновения солнечных лучей, а сами эти организмы извлекают все нужные им для жизни химические элементы из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма.

В.И Вернадский установил, что жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности, а пределы

123

жизни - физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни ограничивается некими крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловливается жесткой лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый экран. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 433° С (от - 252° С до 180° С) является предельным тепловым полем.

Биосфера, в толковании В.И. Вернадского, в основных своих чертах представляет собой особый химический "аппарат", по своей конструкции и способу действия неизменяемый с самых древних геологических времен. Жизнь в своей сути оставалась в течение всего геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Само живое вещество не является случайным созданием, а возникло закономерно.

Чрезвычайно важный вывод из работ В.И. Вернадского, имеющий огромную экологическую перспективность, - это "всюдность жизни" в биосфере. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, изменяя свои формы, приобретая новые "способности", захватила биосферу, и этот "захват" не закончился до нынешнего времени и, как показывают исследования, будет продолжен в будущем. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени.

Формы нахождения химических элементов, по В.И. Вернадскому, на нашей планете: горные породы и отдельные минералы; магма - огненно-жидкий расплав силикатного состава; рассеянные элементы и живое вещество. "Закон бережливости" в использовании живым веществом простых химических тел гласит: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний и организм вводит в себя только необходимое количество элементов.

Обобщение о постоянстве количества живого вещества в биосфере является справедливым в рамках значительных геологических отрезков времени и оно, по В.И. Вернадскому, следует из того, что живое вещество является посредником между Солнцем и Землей и стало быть либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого вещества (1,5 × 10²¹ г и 1 × 10²⁰ - 10²¹ г соответственно).

Мы уже останавливались на исключительно важном понятии - об устойчивом равновесии, которому В.И. Вернадский уделил значительное внимание в своих работах. Всякая система достигает устойчивого равновесия, когда ее свободная энергия равняется или приближается к нулю, т. е. когда вся возможная в условиях системы работа произведена. Рассмотрение экологической роли человека в биосфере привело В.И. Вернадского к выдвижению идеи автотрофности человека. На первый взгляд для такого типичного представителя животного мира, типичного гетеротрофа, как человек, не возникает мысли о возможности

124

существования его в виде автотрофного организма. Однако это так, если исключить возможность формирования человеком искусственной среды обитания, внутри которой осуществляется пусть даже не собственно человеком, а опосредованно синтез первичного органического вещества из простых соединений и соответствующее редуцирование детрита и отходов.

Современные экологические обобщения работ естествоиспытателей приводят к ряду весьма важных обобщений свойств биологических систем: высочайшая компактность ДНК (5 × 10^-15 г); в ДНК, содержащейся в оплодотворенной яйцеклетке, например, кита заключена информация для подавляющего большинства признаков этого животного, которое весит 5 × 10⁷ г (масса возрастает на 22 порядка) (Горелов А.А., 1998, с. 46);

• способность упорядочения хаотического теплового движения молекул и тем самым противодействия возрастанию энтропии. Живое потребляет отрицательную энтропию и работает против теплового равновесия, увеличивая при этом энтропию окружающей среды. Чем более сложно устроено живое вещество, тем больше в нем скрытой энергии и энтропии;
• осуществление обмена с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Живое способно ассимилировать полученные извне вещества, т. е. перестраивать их, уподобляя собственным материальным структурам, и за счет этого многократно воспроизводить их;
• в метаболических функциях большую роль играют петли обратной связи, образующиеся при автокаталитических реакциях. В то время как в неорганическом мире обратная связь между "следствиями" (конечными продуктами) нелинейных реакций и породившими их "причинами" встречается сравнительно редко, в живых же системах обратная связь (как установлено молекулярной биологией) является скорее правилом, чем исключением (Пригожий И. и др., 1986, с. 209). Автокатализ, кросс-катализ и автоингибиция (процесс, противоположный катализу,- если присутствует данное вещество, он не образуется в ходе реакции) имеют место в живых системах. Для создания новых структур нужна положительная обратная связь, а для устойчивого существования (гомеостаза) - отрицательная;
• жизнь качественно превосходит другие формы существования материи в плане многообразия и сложности химических компонентов и динамики процессов, протекающих в "живом" превращении. Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем упорядоченности и асимметрии в пространстве и времени. Структурная компактность и энергетическая экономичность живого - результат высочайшей упорядоченности на молекулярном уровне;

125

• в саморегуляции неживых систем молекулы просты, а механизмы реакций сложны; в самоорганизации живых систем, напротив, схемы реакций просты; а молекулы сложны;
• у живых систем есть прошлое, у неживых его нет. "Целостные структуры атомной физики состоят из определенного числа элементарных ячеек, атомного ядра и электронов и не обнаруживают никакого изменения во времени, разве что испытывают нарушение извне. В случае такого внешнего нарушения они, правда, как-то реагируют на него, но если нарушение было не слишком большим, они по прекращению его снова возвращаются в исходное положение. Но организмы - не статические образования. Древнее сравнение живого существа с пламенем говорит о том, что живые организмы, подобно пламени, представляют собой такую форму, через которую "материя в известном смысле проходит как поток" (Гейзенберг Ф., 1989, с. 233);
• жизнь организма зависит от двух факторов - последовательности, определяемой генетическим аппаратом, и изменчивости, зависящей от условий окружающей среды и реакции на них индивида. Интересно, что сейчас жизнь на Земле не могла бы возникнуть из-за кислородной атмосферы и противодействия других организмов. Раз зародившись, жизнь находится в процессе постоянной эволюции;
• способность к избыточному самовоспроизводству. "Прогрессия размножения столь высока, что она ведет к борьбе за жизнь и ее последствию - естественному отбору" (Ч. Дарвин, 1939, с. 666).

Вышеперечисленные главнейшие признаки живых систем и подробная систематизация различных форм жизни создала предпосылки для изучения живого вещества как целого, что собственно впервые осуществил в своих работах о биосфере великий ученый современности В.И. Вернадский.

По А.А. Горелову (1998), в настоящее время существует концепция, объясняющая эволюцию видов эволюцией природных систем. Если отдельным видам требуется для осуществления эволюционных изменений значительное время, то при переходе на уровень экосистем выясняется, что для их эволюции уже требуется несоизмеримо меньше времени. В данном случае естественный отбор протекает среди природных систем, которые меняются в целом, детерминируя изменения всех входящих в систему видов. Естественно, что такая концепция могла возникнуть только после появления теории эволюции Ч. Дарвина, так как необходимо было привыкнуть рассматривать экосистемы как целое.

Эволюцию экосистем называют экогенезом, понимаемым как совокупность процессов и закономерностей необратимого развития биогеоценозов и биосферы в целом. Одной из таких закономерностей можно назвать увеличение роли живого вещества и продуктов его жизнедеятельности в геологических, геохимических и физико-географических процессах и усиление преобразующего воздействия жизни на атмосферу, гидросферу, литосферу. В качестве примера достаточно упомянуть о создании кислородной атмосферы на планете. К другим

126

закономерностям относят прогрессирующее накопление аккумулированной солнечной энергии в поверхностных оболочках Земли, увеличение общей биомассы и продуктивности биосферы и ее информационной емкости, возрастание дифференцированности физико-географической структуры биосферы, расширение сферы действия биотического круговорота и усложнение его структуры, а также трансформирующее воздействие человеческой деятельности.

Последнее заключение имеет чрезвычайно важное значение для нынешней экологической ситуации на нашей планете. Если принимается наличие концепции эволюции, в соответствии с которой высшие уровни организации детерминируют эволюцию низших, то в этом случае оказывается, что интенсивное воздействие человека на биосферу может стать импульсом для нарастающих эволюционных изменений на всех нижележащих уровнях экосистем, сообществ, популяций, видов и даже в отдельных случаях особей (организмов).

127