Вклад ученых в изучение биосферы

В развитие биологии в XX в. большой вклад внесли русские ученые. Русская биологическая школа имеет славные традиции. Первая научная модель происхождения жизни создана А.И. Опариным. В.И. Вернадский был учеником выдающегося почвоведа В.В. Докучаева, который создал учение о почве как своеобразной оболочке Земли, являющейся единым целым, включающим в себя живые и неживые компоненты. По существу, учение о биосфере было продолжением и распространением идей Докучаева на более широкую сферу реальности. Развитие биологии в этом направлении привело к созданию экологии.

Значение учения о биосфере Вернадского для экологии определяется тем, что биосфера представляет собой высший уровень взаимодействия живого и неживого и глобальную экосистему. Результаты Вернадского поэтому справедливы для всех экосистем и являются обобщением знаний о развитии нашей планеты.

Основные положения учения

Существует два основных определения понятия «биосфера», одно из которых и дало начало применению данного термина. Это понимание биосферы как совокупности всех живых организмов на Земле. В.И. Вернадский, изучавший взаимодействие живых и неживых систем, переосмыслил понятие биосферы. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого.

Такое толкование определило взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни. Из нескольких вариантов 1) жизнь возникла до образования Земли и была занесена на нее; 2) жизнь зародилась после образования Земли; 3) жизнь возникла вместе с формированием Земли Вернадский придерживался последнего и считал, что нет убедительных научных данных, что живое когда-либо не существовало на нашей планете. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Иными словами, биосфера была на Земле всегда.

Под биосферой Вернадский понимал тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера располагается на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы. В атмосфере верхние границы жизни определяются озоновым экраном — тонким (в несколько миллиметров) слоем озона на высоте примерно 20 км. Океан населен жизнью целиком до дна самых глубоких впадин в 10—11 км. В твердую часть Земли жизнь проникает до 3 км (бактерии в нефтяных месторождениях).

Занимаясь созданной им биогеохимией, изучающей распределение химических элементов по поверхности планеты, Вернадский пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента из таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество. Он сформулировал три биогеохимических принципа.

1. Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Этот принцип в наши дни нарушен человеком.

2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Этот принцип при антропогенном измельчании средних размеров особей биоты Земли (лес сменяется лугом, крупные животные — мелкими) начинает действовать аномально интенсивно.

3. 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 поддерживающих биосферу могут превратиться в разрушающие ее факторы.

Данные геохимические принципы соотносятся со следующими важными выводами Вернадского:

1. Каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой природой.

2. 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.

Эмпирические обобщения Вернадского

1. Первым выводом из учения о биосфере является принцип целостности биосферы. «Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в механизме биосферы» (Вернадский В.И. Биосфера...). Строение Земли, по Вернадскому, есть согласованный механизм. «Твари Земли являются созданием сложного космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма». Само живое вещество не является случайным созданием.

Узкие пределы существования жизни — физические постоянные, уровни радиации и т.п. — подтверждают это. Как будто кто-то создал такую среду, чтобы жизнь стала возможна. Какие условия и константы имеются в виду? Гравитационная постоянная, или константа всемирного тяготения, определяет размеры звезд, температуру и давление в них, влияющие на ход реакций. Если она будет чуть меньше, звезды станут недостаточно горячими для протекания в них термоядерного синтеза; если чуть больше — звезды превзойдут «критическую массу» и обратятся в черные дыры. Константа сильного взаимодействия определяет ядерный заряд в звездах. Если ее изменить, цепочки ядерных реакций не дойдут до азота и углерода. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет конфигурацию электронных оболочек и прочность химических связей; ее изменение делает Вселенную мертвой. Это находится в соответствии с антропным принципом, по которому при создании моделей развития мира следует учитывать реальность существования человека.

Экология также показала, что живой мир — единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимозависимостей. Если даже небольшая часть ее погибнет, разрушится и все остальное.

2. Принцип гармонии биосферы и ее организованности. В биосфере, по Вернадскому, «все учитывается и все приспособляется с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какие мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества и атомов энергии».

3. Закон биогенной миграции атомов: в биосфере миграция химических элементов происходит при обязательном непосредственном участии живых организмов. Биосфера в основных своих чертах представляет один и тот же химический аппарат с самых древних геологических периодов. «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом... Все минералы верхних частей земной коры — свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси Fe и А1 (бурые железняки и бокситы) и многие сотни других — непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни» (там же, с. 21). Лик Земли фактически сформирован жизнью.

4. Космическая роль биосферы в трансформации энергии. Вернадский подчеркивал важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии. «Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли».

5. Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества. Размеры популяции возрастают до тех пор, пока среда может выдерживать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность колеблется вблизи равновесного уровня.

6. Растекание жизни есть проявление ее геохимической энергии. Живое вещество, подобно газу, растекается по земной поверхности в соответствии с правилом инерции. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.

7. Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности, а пределы жизни — физико-химическими свойствами соединений, строящих о организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловливается излучением, Присутствие КОТОРОГО убивает жизнь и от которого предохраняет озоновый  щит.

Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 433 "С (от —252 "С до +180 °С) является (по Вернадскому) предельным тепловым полем.

8. Всюдность жизни в биосфере. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени.

9. Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний, и организм вводит к себя только необходимое количество элементов. Формы нахождения химических элементов:

    1) горные породы и минералы;

    2) магмы;

    3) рассеянные элементы;

    4) живое вещество.

10. Постоянство количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого веществ; (1,5х1021 г и 1020—1021 г). Это обобщение справедливо  в рамках значительных геологических отрезков времени, и оно 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.

11. Всякая система достигает устойчивого равновесия, когда ее свободная энергия равняется или приближается к нулю, т.е. когда вся возможная в условиях системы работа произведена.

12. Идея автотрофности человека. Автотрофными называют организмы, которые берут все нужные им для жизни химические элементы из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования зеленых автотрофных организмов определяется областью проникновения солнечных лучей. Вернадский сформулировал идею автотрофности человека, которая приобрела интересный поворот в рамках обсуждения проблемы создания искусственных экосистем в космических кораблях. Простейшей такой экосистемой будет система «человек — 1 или 2 автотрофных вида». Но данная система является неустойчивой, и для надежного обеспечения жизненных потребностей человека необходима многовидовая система жизнеобеспечения.

В создании искусственной среды в космических кораблях вопрос ставится так: каков минимум разнообразия, необходимый для заданной временной стабильности? Здесь человек начинает ставить задачи, противоположные тем, которые он решал ранее. Создание таких искусственных систем явится важным этапом развития экологии. В их построении соединяются инженерная нацеленность на создание нового и экологическая направленность на сохранение имеющегося, творческий подход и разумный консерватизм. Это и будет осуществлением принципа «проектирования вместе с природой».

Пока искусственная биосфера представляет собой очень сложную и громоздкую систему. То, что в природе функционирует само собой, человек может воспроизвести только ценой больших усилий. Но ему придется это делать, если он хочет осваивать космос и совершать длительные полеты. Необходимость создания искусственной биосферы в космических кораблях поможет лучше понять биосферу естественную.