1.2. 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. И. Вернадского. Биосфера, по мнению ученого, состоит из семи взаимосвязанных веществ: живого, биогенного, косного, биокосного, радиоактивного, космического, рассеянных атомов. Везде в ее пределах встречаются либо само живое вещество, либо следы его биохимической деятельности. Воздух, вода, нефть, уголь, известняки, глины, сланцы, мрамор и гранит созданы живыми веществами планеты. Верхние слои земной коры, лишенные в настоящее время жизни, в другие геологические эпохи были переработаны живыми организмами. Самой простой структурой современной активной части биосферы является биогеоценоз.

Учение Вернадского лежит в основе 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, формировать экологическое сознание, новое мышление, создавать качественно новые технологии.

В 20-х гг. XX в. В. И. Вернадским было разработано учение о биосфере как глобальной единой системе Земли, где весь основной ход геохимических и энергетических превращений определяется жизнью. Ранее большинство процессов, меняющих в течение геологического времени лик нашей планеты, рассматривались как чисто физические, химические или физико-химические явления (размыв, растворение, осаждение, гидролиз и т. п.). Вернадский впервые создал учение о геологической роли живых организмов, показав, что деятельность живых существ является главным фактором преобразования земной коры. Идеи Вернадского в должной мере были оценены лишь во второй половине XX в., когда возникла концепция экосистем.

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

Всю совокупность организмов на планете Вернадский назвал “иным 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. Это живые организмы, которые своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом, своей смертью и своим разложением, постоянным использованием своего вещества, а главное, длящейся сотни миллионов лет непрерывной сменой поколений, своим рождением, размножением порождают одно из грандиознейших планетных явлений, не существующих нигде, кроме биосферы”.

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 вся 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. п.

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. Этот процесс – 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.

Биохимическая функция биосферы рассматривается Вернадским как всеобщее проявление жизни на Земле. Ни один отдельно взятый вид организмов не мог играть 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.

Границы биосферы определяются областью распространения организмов в атмосфере, гидросфере, литосфере (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Область распространения организмов в биосфере:

1 – уровень озонового слоя, задерживающего жесткое ультрафиолетовое излучение; 2 – граница снегов; 3 – почва; 4 – животные, обитающие в пещерах; 5 – бактерии в нефтяных залежах

Литосфера – это земная кора, внешняя твердая оболочка земного шара, образованная осадочными и базальтовыми породами. Основная масса организмов, обитающих в литосфере, сосредоточена в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров.

Гидросфера – водная оболочка Земли, составленная Мировым океаном, который занимает примерно 70,8 % поверхности земного шара. В гидросферу биосфера проникает практически на всю глубину Мирового океана.

Атмосфера – воздушная оболочка Земли, состоящая из смеси газов, в которой преобладают кислород и азот. Наибольшее значение для биологических процессов имеют: кислород атмосферы, используемый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего живого вещества; углекислый газ, используемый при фотосинтезе; озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения.

В атмосфере различают: тропосферу – примыкающий к поверхности Земли нижний слой атмосферы высотой около 15 км, в который входят взвешенные в воздухе водяные пары; стратосферу – слой над тропосферой высотой около 100 км; в стратосфере под действием жесткого излучения Солнца из молекулярного кислорода образуется атомарный кислород, который затем, соединяясь с кислородом, превращается в озон, образующий озоновый слой, задерживающий космические и УФ-лучи, губительно действующие на живые организмы.

Таким образом, современная биосфера является итогом длительного исторического развития всего органического мира в его взаимодействии с неживой природой. В процессе этого развития 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 2–3 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 сравнимой 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”. Ноосфера – новое геологическое явление на нашей планете, в ней человек впервые становится крупнейшей геологической силой. Ноосфера – мир разумных, научно обоснованных поступков в глобальном масштабе.

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.