Учение о биосфере В.И. Вернадского

(Геохимические процессы изучает геохимия - наука о химическом составе, о законах распространения и перемещения химических элементов в Земле).

Живые организмы в процессе жизнедеятельности  берут из окружающей среды необходимые вещества и выделяют продукты уже иного состава. Таким образом, они активно воздействуют на среду обитания. Они воздействуют также и на водную оболочку планеты. Часть воды, попавшая на растения, разлагается на кислород и водород; водород используется для синтеза органических веществ, а кислород выбрасывает как ненужный продукт.

Признаки  влияния жизни заметны в масштабах всей планеты, начиная с верхней границы тропосферы (на высоте 8-16 км) и до нижней границы осадочных отложений в литосфере: (до глубины 2-3 км) и на дне самых глубоких впадин океана.

Это и есть собственно биосфера. Основная масса организмов сконцентрирована в самом нижнем слое тропосферы и в самом верхнем слое земной коры. Здесь происходит наиболее активное взаимодействия организмов с горными породами, водами и воздухом. В морях и океанах тоже наиболее плотно заселен самый верхний слой воды, примерно до глубины 200 м. Таким образом, область концентрации жизни представляет собой по сравнению с размером Земли очень тонкую пленку на ее поверхности. Здесь совершаются сложнейшие процессы взаимодействия живой и неживой материи. Этот тонкий, наиболее деятельный слой биосферы называют ландшафтной сферой.

Для понимания  той работы, которую совершает  живое вещество в биосфере, очень  важными являются три основных положения, которые Владимир Иванович называл  “биогеохимическими принципами”.

В формулировке В.И.Вернадского ⁴ они звучат следующим образом:

• I принцип:”Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению”.
• II принцип: “Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы” (или в другой формулировке: “При эволюции видов выживают те организмы, которые своею жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию”).
• III принцип: “В течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможное для всего живого вещества, которое тогда существовало”.

Для Вернадского I биогеохимический принцип был тесно  связан со способностью живого вещества неограниченно размножаться в оптимальных условиях. “Вихрь атомов”, который представляет собой жизнь, по определению Жоржа Кювье, стремится к безграничной зкспансии. Следствием этого и является максимальное проявление биогенной миграции атомов в биосфере.

II биогеохимический  принцип, по существу, затрагивает  кардинальную проблему современной  биологической теории – вопрос  о направленности эволюции организмов. По мысли Вернадского, преимущества  в ходе эволюции получают те  организмы, которые приобрели  способность усваивать новые формы энергии или “научились” полнее использовать химическую энергию, запасенную в других организмах. В ходе биологической эволюции, таким образом, увеличивается “КПД” биосферы в целом. Чисто математически это показал В.В.Алексеев, который на основе расчетов пришел к следующим выводам: “Эволюция должна идти в направлении увеличения скорости обмена веществом в системе”. И далее: “Становится понятным, почему образовались ферменты, роль которых заключается в резком увеличении скоростей реакций, идущих при обычных условиях исключительно медленно”.

II биохимический  принцип Вернадского получает  подтверждения на самом разнообразном  эмпирическом материале. Так,  в 1956 году почвовед В.Л.Ковда  изложил результаты химического  исследования более 1300 образцов золы современных высших растений. На этом обширнейшем фактическом материале автор пришел к выводу, что (за несколькими исключениями) зольность растений возрастает от представителей древних таксонов к более молодым. Эта закономерность – одно из частных проявлений II биогеохимического принципа. Вообще же его проявления в биосфере очень многообразны и довольно неожиданны. Через биосферу постоянно протекает энергия. Только непрерывное поступление энергии Солнца на Землю обеспечивает нормальное функционирование биосферы. Растения улавливают энергию Солнца в форме видимых лучей и приводят ее в результате фотосинтетических процессов в энергию химических связей, затем она переходит в теплоту и излучается через поверхность тела животных в мировое пространство в форме инфракрасных лучей. Получается поток энергии через биосферу.

Между Землей и космосом происходит непрерывающийся  обмен энергией. Однако веществом Земля и космос не обмениваются.

Кислород, углерод, азот и вода в пределах Земли  совершают круговорот. Практически чуть ли не все элементы таблицы Менделеева принимают участие в круговороте веществ.

Биосфера  представляет собой не однородную тонкую пленку на поверхности Земли, она имеет мозаичное строение.

Участки земной поверхности, относительно однородные по составу растительности, животного населения, микроорганизмов, строению почвенного   покрова,   горных   пород,   лежащих   непосредственно   под почвенным покровом, климатических условии и влажности, составляют экосистему.

Экосистемы  Земли - холодных Арктических пустынь и тундр, лесной зоны умеренных широт, степей и прерий, пустынь, саванн и редколесий, влажно-тропических лесов, океанов и морей - взаимосвязаны и находятся  во взаимодействии, т.е. вся биосфера представляет собой единое целое - одну глобальную экосистему.

3. Концепция В.И.Вернадского о биосфере и ноосфере

В 1923 году Вернадский в своих лекциях по геохимии, прочитанных  в Париже, впервые указал на явление дисимметрии нашей планеты на примере "подвижной части земной коры" - астеносферы в районе Тихого океана:' "Существование дисимметрии (не сплошных оболочек) указывает, что их происхождение тесно связано с геологическими явлениями в истории нашей планеты, имеющих планетарный характер. Оно отражается коренным образом на всех явлениях, имеющих место на Земле, и на всех исканиях, с Землей связанных" (В.И. Вернадский). Вернадский впервые получил количественный показатель, подтверждающий дисимметрию планеты и указал на возможность нахождения "дисимметричных явлений" даже в Космосе.

Он  так же отмечал, что особую роль в биосфере играют биологические круговороты, где важнейшим процессом является фотосинтез, осуществляемый растительностью планеты, которая оказывает влияние на все компоненты природного комплекса биосферы - атмосферу, гидросферу, почву, животный мир. Велика роль растений в жизни человеческого общества. Они создают необходимую среду существования и снабжают ее различными веществами. Перенос вещества и энергии осуществляется затем посредством пищевых цепей.

К своеобразной разновидности круговоротов в биосфере относятся ее ритмические изменения. Ритмикой называется повторяемость во времени комплекса процессов, которые каждый раз развиваются в одном направлении. При этом различают две ее формы: периодическую - это ритмы одинаковой длительности (время оборота Земли вокруг оси) и циклическую -ритмы переменной длительности. Периодичность в биосфере проявляется во многих процессах: тектонических, осадконакоплении, климатических, биологических и многих других. Ритмы бывают разной продолжительности: геологические, вековые, внутривековые, годовые, суточные и т.д.

Ритмичность - это форма своеобразной пульсации  биосферы как целостной системы, причем ритмы как и круговороты веществ, замкнуты в себе. Знание и учет ритмических явлений необходимы при рациональном природопользовании и охране естественных ресурсов нашей планеты.

Развивая  учение о биосфере, Вернадский пришел к следующим выводам: "Биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к максимальному своему проявлению". Вовлекая неорганическое вещество в "вихрь жизни", в биологический круговорот, жизнь способна со временем проникать в ранее недоступные ей области планеты и увеличивать свою геологическую активность.

Вернадский  рассматривал биосферу как область  жизни, основа которой -взаимодействие живого и костного вещества. Он писал: "Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей".

Взаимодействие  живого и косного вещества характеризуется прежде всего тем, что часть энергии косного вещества усваивается, ассимилируется живым веществом. Эта новая геологическая сила изменяет организацию поверхности Земли. Количество накопленной потенциальной энергии увеличивается. Живое вещество становится, таким образом, регулятором действительной энергии биосферы.

В биосфере виды и роды растительных и животных организмов взаимосвязаны, продолжительность средней жизни есть производное отбора, которое оптимально гарантирует выживание и компенсирует потомство. Величина необходимой поглощаемой энергии у автотрофных и гетеротрофных организмов лимитируется этой основной закономерностью эволюционного процесса. "...В земной коре в результате жизни и всех ее проявлений происходит увеличение действительной энергии" (В.И.Вернадский).

"...Это  увеличение активной энергии  сказывается хотя бы в увеличении сознательности и в росте влияния в биосфере в геохимических процессах

единого комплекса жизни. Оно создание, медленно шедшее в геологическом времени, такой геологической силы, какой является характерное для нашей психозойской эры цивилизованное человечество, ясно это показывает" (В.И.Вернадский).

"...Организмы  представляют живое вещество, т.е.  совокупность всех живых организмов, в данный момент существующих, численно выраженное в элементарном химическом составе, в весе, в энергии. Оно связано с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием, питанием и размножением" (В.И.Вернадский). Самая существенная особенность биосферы это биогенная миграция атомов химических элементов вызываемых лучистой энергией Солнца и проявляющихся в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов. Эта биогенная миграция атомов подчиняется двум биогеохимическим процессам:

1. Стремится   к   максимальному   явлению:   возникает   "всюдность" 
   жизни.
2. Приводит к выживанию организмов, увеличивающих биогенную 
   миграцию атомов.

'Эволюция  видов, приводящая к созданию  форм, устойчивых в биосфере, должна идти в направлении, увеличивающем проявление биогенной миграции атомов в биосфере" (В.И.Вернадский). Это биохимический принцип Вернадского утверждает высокую приспосабливаемость живого вещества, пластичность, изменчивость во времени.

В своих  работах Вернадский не ограничился  общим описанием биосферы и выяснением ее общих закономерностей. Проведя детальные исследования и выразив в формулах и цифрах активность живого существа, а так же проследив судьбу некоторых химических элементов в биосфере, например, общая масса живого вещества на Земле была подсчитана им в 1927 году, он представил приближенную величину порядка Юг., или же Ют. Вернадский писал: "Живое вещество по весу составляет ничтожную часть планеты.  По-видимому, это наблюдается  в течение всего геологического времени, т. е. геологически вечно.

Оно сосредоточено  в тонкой, более или менее сплошной пленке на поверхности суши в тропосфере - в полях и лесах - и проникает весь океан. Количество его исчисляется долями, не превышающими десятых долей процента биосферы по весу, порядка близкого к 0,25%. На суше оно идет в больших скоплениях на глубину в среднем, вероятно, меньше 3 км. Вне биосферы ее нет". Однако эта величина оказалась завышенной. С тех пор разные исследователи производили свои оценки биомассы на Земле, которые приводили к разным величинам.

Научное и практическое значение Вернадского как основателя учения о биосфере состоит в том, что он впервые глубоко обосновал единство человека и биосферы.

Согласно современным  представлениям, биосфера - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера  охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхние горизонты литосферы. Продукты жизнедеятельности живых существ относятся к весьма подвижным веществам, которые перемещаются в пространстве далеко за пределы обитания организмов. Поэтому естественно, что распределение живых организмов более ограничено в пространстве, чем вся биосфера в целом.

Возникновение жизни и биосферы представляют собой  проблему современного естествознания. Постепенное развитие живого вещества в пределах биосферы, к переходу ее в ноосферу ( от греческого "ноос" -разум). Под ноосферой понимают сферу взаимодействия природы и общества.

Ноосфера ("ноос" - по-гречески означает разум, дух.) - новое эмоциональное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека   становится   решающим   фактором   ее   развития.   Для   ноосферы

характерно  взаимодействие человека и природы: связь законов природы с законами мышления и социально-экономическими законами.

Иногда  можно услышать мнение, будто бы введенное Вернадским понятие ноосферы не содержит в себе чего-либо нового и исчерпывается учением о географической среде обитания человечества. Однако вряд ли справедливо подобное отождествление. Категории "географическая среда" и "ноосфера" относятся не к совпадающим вещам, не перекрываются по смыслу. Географическая среда - та оболочка Земли, которая воздействует на условия жизни, производства, культуры, быта людей. Ноосфера - оболочка Земли на которую воздействуют производство, культура, быт людей; сюда относятся и бывшие погребенные слои Земли, изменившиеся под влиянием прошлых антропогенных воздействий, не включенные в нынешнюю географическую среду. Ноосфера отражает планетарное воздействие общественного производства на верхние оболочки Земли; не все эти изменения входят непосредственно в географическую среду. Разрушение озонового слоя органическими растворителями и хладагентами уже идет, по элементом географической среды еще не стало, поскольку пока не влияет на производство, культуру, формы общения людей. Это - факт ноосферы, а не географической среды.