Учение Владимира Вернадского о биосфере и эволюции живого вещества

Учение о биосфере Земли - одно из крупнейших и наиболее интересных обобщений современного естествознания. Оно является научной основой для исследования природных объектов и комплексного подхода при организации современного производства.

Землю нередко сравнивают с космическим кораблем, а человека - с пассажиром. В бескрайних просторах космоса, в известной нам части Вселенной, только одна Земля - планета жизни. И только на ней могут жить люди. Системой жизнеобеспечения для них является биосфера - область существования живого вещества - совокупности живых организмов

Колыбель Ноmо основа его физического и духовного развития, источник всех природных ресурсов - все это биосфера. И в познании законов ее эволюции и организованности лежит ключ к разумному преобразованию трудом и социальной мыслью человека.

Величие В.И. Вернадского в том, что он впервые понял и научно обосновал единство человека и биосферы.

Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) - крупный отечественный ученый, минералог и кристаллограф, один из основоположников геохимии и биогеохимии. Основные его идеи по проблеме биосферы сложились в начале текущего столетия: он излагал их в лекциях в Париже. В 1925г. появилась статья В.И. Вернадского Ход жизни в биосфере а в 1926 г. вышла книга Биосфера Затем различные стороны учения В.И. Вернадский неоднократно рассматривал в статьях и в большой, опубликованной только через 20 лет после его смерти, монографии Химическое строение биосферы Земли и ее окружения

Рассмотрим некоторые самые основные положения учения В.И. Вернадского о биосфере.

В основе учения лежит представление о планетарной геохимической роли живого вещества в образовании биосферы как продукта длительного превращения вещества и энергии в ходе геологического развития Земли.

Прежде всего, В.И. Вернадский определил пространство, охватываемое биосферой Земли.

Биосфера (греч биос жизнь сфера шар) - оболочка Земли, в которой развивается жизнь разнообразных организмов, населяющих поверхность суши, почву, нижние слои атмосферы, гидросферу.

Будучи человеком щепетильным в вопросах научной этики, В.И. Вернадский неоднократно повторял, что термин биосфера принадлежит не ему, что впервые его еще в начале прошлого века употребил французский биолог Ж.-Б. Ламарк, разработавший первую эволюционную концепцию. Определенный геологический смысл в 1875г. вложил в термин биосфера австрийский ученый Э. Зюсс. Однако связанное с этим термином законченное учение создал В.И. Вернадский.

Планета Земля характеризуется наличием трех поверхностных геосфер - гидросферы, литосферы, атмосферы.

Гидросфера, или водная оболочка Земли, представлена океанами, морями, озерами, реками и искусственными водоемами. Водная оболочка покрывает около 71 % поверхности земного шара, наибольшая глубина в западной части Тихого океана достигает 11,5 км (Марианская впадина).

Литосфера, или земная кора, представляет собой внешнюю твердую оболочку земного шара мощностью до нескольких десятков километров.

Атмосфера, или воздушная оболочка, состоит из нескольких слоев: тропосферы до 15 км высоты над поверхностью Земли; стратосферы, с озоновым экраном, простирающейся до 100 км высоты; ионосферы, представляющей слой разреженного газа, высотой до 500 км.

Биосфера охватывает, таким образом, верхнюю часть литосферы (до 15 км глубины), всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы (тропосферу и нижние слои стратосферы, до 25 км высоты). Следовательно, в целом биосфера представляет слой распространения жизни мощностью по вертикали около 40 км, хотя реальные границы распространения живого более сужены.

Биосфера имеет мозаичное строение, слагаясь из экосистем, которые представляют собой уменьшенную модель биосферы. Сама же биосфера - глобальная экологическая система.

Совокупность живых организмов, населяющих биосферу, В.И. Вернадский называет живым веществом. Красной нитью в учении проходит мысль о том, что живое вещество функция биосферы а биосфера - результат развития живого вещества.

В любой экосистеме живое вещество представлено тремя группами организмов: 1) автотрофы (продуценты) - самопитающиеся (от греч трофе питаюсь аутос сам, от лат продуцентис производящий).

Это растения, которые используют световую энергию, чтобы продуцировать все сложные органические соединения своего тела из простых неорганических, присутствующих в окружающей среде; 2) гетеротрофы (консументы) - питающиеся другими существами (от греч гетерос другой; от лат консумо потребляю).

К ним относятся самые разнообразные существа - от простейших до млекопитающих, включая человека. Животные, питающиеся непосредственно продуцентами, называются консументами первого порядка, или первичными. Их самих употребляют в пищу вторичные консументы. Бывают консументы более высоких порядков, причем некоторые виды соответствуют нескольким таким уровням. Первичные консументы называются растительноядными, или фитофагами. Консументы второго и более высоких порядков – плотоядные; 3) миксотрофы (редуценты) - разлагающие живые вещества (от греч миксис смешение; от лат редукцио возврат).

Эти организмы (преимущественно бактерии, грибы, простейшие) в процессе жизнедеятельности разлагают органические остатки до минеральных веществ.

Суммарная масса (биомасса) живых организмов оценивается примерно в 2,4.1012 т.

Кроме живого вещества Вернадский различал еще 3 категории веществ, т.е. всего 4: 1) живое вещество; 2) биогенное вещество - то, что возникло из живого (каменный уголь, нефть, торф, мел); 3) биокосное вещество - преобразованная организмами неорганика (почва, осадочные породы); 4) косное вещество - все, что не имело связи с живым (застывшая лава, вулканический пепел).

Энергетический баланс биосферы и среды жизни

В пределах биосферы существуют четыре среды жизни: две мертвые (вода и воздух), одна биокосная (почва) и одна живая (организм). Для агрономической практики ключевое значение имеет почва — биокосное тело, где неживая минеральная основа непрерывно взаимодействует с живыми организмами. Все обитатели этих сред делятся на монобионтов (живущих в одной среде), дибионтов (в двух средах) и полибионтов (освоивших три или четыре среды).

Численность организмов и скорость их развития в любой экосистеме зависят от объема поступающей энергии и интенсивности циркуляции веществ. Биосфера представляет собой энергетически незамкнутую систему, которая постоянно поглощает энергию из внешней среды. Поток солнечного света улавливается молекулами живых клеток и преобразуется в энергию химических связей. При фотосинтезе созданные химические вещества последовательно передаются от растений к растительноядным животным, а затем — к плотоядным организмам первого, второго и последующих порядков.

Перенос энергии в экосистемах строго подчиняется началам термодинамики. Часть потенциальной химической энергии пищи расходуется организмом на осуществление жизненных функций, а часть неизбежно теряется в виде тепла, увеличивая энтропию — показатель неупорядоченности системы. Чтобы не допустить максимальной энтропии и гибели системы, организмы должны извлекать из окружающей среды отрицательную энтропию (негэнтропию), работая против градиента. В основе этого процесса лежит автотрофное питание растений: в ходе фотосинтеза за счет энергии Солнца повышается упорядоченность минеральных и деградировавших органических веществ.

• Среды жизни в биосфере — 4 (вода, воздух, почва, организм)
• Возраст Земли — более 4,2 млрд лет
• Первые следы жизни — около 3 млрд лет назад

Этапы эволюции биосферы и формирование первых организмов

За миллиарды лет своего существования биосфера прошла сложный эволюционный путь. Осадочные горные породы сохранили четкую последовательность напластований с характерными ископаемыми остатками. Меловой и каменноугольный слои получили свои названия по преобладающим породам, а юрская, девонская, пермская, кембрийская и другие системы — по местностям, где их впервые описали. Исследование радиоактивного распада урана и превращения его в свинец (радиогеохронологический метод) позволило определить начало и продолжительность геологических периодов. Самые древние породы найдены в Сибири и Австралии, а общий возраст Земли составляет немногим более 4,2 млрд лет.

Появление жизни на Земле рассматривается как эмпирическое обобщение и процесс космического масштаба. На этапе формирования планеты извне на нее попало вещество углистых хондритов, богатое водой и органическими соединениями — нуклеотидами, аминокислотами и порфиринами, составляющими ядра молекул хлорофилла. Это способствовало формированию гидросферы и обеспечило высокую начальную концентрацию органики в первичных водоемах.

Первые следы жизни зафиксированы в слоях литосферы, образовавшихся около 3 млрд лет назад. Согласно распространенной гипотезе, синтезу сложных органических молекул (аминокислот) предшествовало их образование из метана, аммиака, водорода и паров воды в условиях высоких температур, ультрафиолетового излучения и вулканической активности. Неравномерное распределение этих веществ в воде привело к выпаданию коацерватов — первичных коллоидных сгущений.

Коацерваты стали первыми предбиологическими системами, которые обладали следующими свойствами:

• способностью к делению;
• избирательным поглощением веществ из окружающего раствора;
• избавлением от ненужных соединений.

Эти свойства сформировали основу для обмена веществ, переноса энергии и информации. В результате качественного скачка коацерватные капли получили способность к самовоспроизведению и превратились в простейшие живые организмы. Первичный этап развития биосферы характеризовался появлением в гидросфере одноклеточных прокариотов (безъядерных организмов), которые затем дифференцировались по нескольким направлениям:

• на одноклеточные и многоклеточные организмы;
• на растения и животных;
• на особей мужского и женского пола;
• на продуцентов, консументов и редуцентов.

Постепенное увеличение в воде количества кислорода за счет жизнедеятельности организмов и его диффузия в атмосферу сделали возможным быстрое распространение жизни и развитие эукариотических (обладающих оформленного ядром) клеток, что привело к эволюции более сложных живых систем.

Примерно 600 млн. лет назад произошел эволюционный взрыв новых форм жизни таких, как губки, кораллы, черви, моллюски, морские водоросли и др. Таким образом, длительный период (3500 – 400 млн. лет назад) вода была главной средой жизни, а эволюция в ней дошла до высших растений и позвоночных животных.

Вторым этапом эволюции биосферы можно считать появление у гидробионтов паразитов (временных вредных сожителей) и симбионтов (постоянных полезных сожителей). Это привело к формированию второй среды жизни — организма. Явление симбиоценоза (и паразитоценоза) продолжало развиваться и с появлением новых сред жизни (воздух, почва).

Некоторые «сожители» вошли в столь тесные отношения с «хозяином», что стали своеобразными «органами» его тела. Например, человек получает витамин В1 от кишечной палочки. Известно, что в ряде случаев, если нет симбионтов, не развивается иммунитет.

Третий этап эволюции биосферы — выход организмов из водной среды на сушу, где под их непосредственным влиянием сформировались новые среды жизни — воздух и почва. Около 400 млн лет назад имели место две фазы каледонского тектонического цикла, связанного с обнажением больших площадей мелководных морских акваторий. Органические остатки морских организмов, по-видимому, и были той первичной основой, на которой могли появиться сначала земноводные, а затем и сухопутные формы растений.

Выход растений на сушу представлял собой настоящую революцию в истории биосферы, так как развитие окислительной атмосферы в результате фотосинтеза способствовало возникновению многоклеточности, обеспечило выход жизни на сушу, стало причиной появления минералов в окисленной форме. Образование почвы изменило структуру поверхностного слоя планеты, создав условия для мощного развития растительности. Это создало предпосылки для выхода на сушу различных животных.

В ископаемых остатках этого периода уже встречаются:

• скорпионы;
• клещи;
• насекомые.

Началось формирование наземных позвоночных. Некоторые амфибии приобрели способность размножаться вне воды. Появились первые пресмыкающиеся. Насекомые начали завоевывать воздушную среду.

Таким образом, около 400 - 350 млн лет тому назад в биосфере сформировались четыре среды жизни, существующие и поныне: вода, почва, воздух и организм. На протяжении последующей истории Земли шло развитие этих сред жизни, обогащался их химический состав, возникали новые обитатели.

Особое значение в эволюции живого вещества имел переход от бесполого размножения к половому и появление живорождения. Четвертым этапом эволюции биосферы следует считать появление живорождения у животных, которое привело к возникновению принципиально нового типа дибионтных организмов: до рождения развивающихся в специальных органах тела матери, а после рождения ведущих свободный образ жизни в воде, воздухе или почве.

На протяжении последнего миллиона лет в биосфере появляется человек, внесший коренные изменения в ход ее дальнейшего развития. Поэтому пятым этапом эволюции биосферы следует считать социальный, когда человек из обычного биологического вида стал биосоциальным существом.

На данном этапе эволюции биосферы развивающийся человек все более активно входит в различные биоценозы и экосистемы. Он истребляет одни виды, приручает и окультуривает другие, создает новые сорта растений и породы животных. С самого начала своего разумного существования человек отличался неразумием по отношению к природе.

Сегодняшний период развития биосферы, нередко именуемый техносферой, ставит задачи срочного принятия мер по охране окружающей среды:

• внедрение малоотходных технологий;
• оборотное водоснабжение;
• рациональное природопользование.

Шестой этап эволюции биосферы связан с ее переходом под влиянием разумной деятельности человека в состояние ноосферы (сферы Разума). Развитие жизни (биогенез), по представлениям В.И. Вернадского, пойдет по пути развития разума (ноогенеза).

В связи с развитием общества и усилением его отрицательных воздействий на биосферу, особенно с наступлением эпохи научно-технической революции, приведшей биосферу в состояние глобального экологического кризиса, переход биосферы в ноосферу отодвинулся на неопределенное время. Техносферу не следует считать особым этапом развития биосферы, а лишь результатом воздействия человека на окружающую среду в условиях развития современного общества, задерживающего переход к ноосфере.

Следует отметить, что предотвратить изменение среды невозможно, как невозможно остановить прогресс человеческого общества. Очевидно, необходимо так управлять процессами взаимоотношений между человеком и биосферой, чтобы они были взаимно выгодны и чтобы развитие общества не привело к деградации биосферы.

В.И. Вернадскому принадлежит, в частности, идея о возможности превращения человеческого общества из гетеротрофной категории в социально автотрофную. В данном случае понятие автотрофность означает относительную независимость человека от продуктов, создаваемых биосферой. В силу своих биологических особенностей человек не может перейти к автотрофной ассимиляции, но общество способно осуществлять так называемый автотрофный способ производственной деятельности, под которым подразумевается:

• замена высокомолекулярных природных соединений низкомолекулярными.

Идея автотрофности привлекает тем, что подобное функционирование общества может быть минимально связано с нарушением природной среды.

Дальнейшее развитие биосферы и превращение ее в ноосферу не может быть стихийным процессом, а требует четкого управления; при стихийном развитии биосферы вероятны катастрофические в ней изменения из-за появления необратимых процессов, и губительных для всего живого веществ. Для управления процессом развития биосферы необходимы правильные представления о самих процессах ее развития. Ключевым здесь является вопрос теоретического осмысления природы глобального экологического кризиса.

В академик РАН Н.Н. Моисеев на основе эмпирических обобщений представил вариант видения эволюции Вселенной — универсальный эволюционизм. Принятый Н.Н. Моисеевым подход восходит к В.И. Вернадскому, который в работе «О состоянии пространства в геологических явлениях. На фоне роста науки ХХ столетия» (1943 г.) привел описательную модель мира в виде системы:

Проецируя на человеческое общество предлагаемый эволюционно-бифуркационный механизм эволюции Вселенной, Н.Н. Моисеев определяет экологические кризисы как состояние бифуркации процесса развития человечества и, в целом, биосферы. По Н.Н. Моисееву эволюционно-бифуркационный процесс взаимодействия человечества с биосферой является, в сущности, движителем исторического процесса.

В связи с этим Н.Н. Моисеев вводит понятие оптимально устроенного общества, то есть общества, находящегося в состоянии равновесия с биосферой. В силу стихийности процесса развития, на основе мутагенеза технология функционирования «оптимального» общества со временем «обрастает» принципами, деформирующими его, и устремляющими общество к состоянию бифуркации (взрыва, революции, нестационарности), из которого человечество выходит на новый уровень сложности структуры и функционирования общественного организма, на новый уровень разума человечества.

Переходя к рассмотрению современного состояния мирового сообщества, Н.Н. Моисеев определяет изжившим себя рыночный механизм хозяйствования, даже в его «исправленном, улучшенном» виде, каким он (рыночный механизм) представляется творцам концепции устойчивого развития. Максимум того, что может дать реализация этой концепции - оттянуть «время буйства» очередного бифуркационного состояния, последствия которого непредсказуемы и в любом случае катастрофичны.

Главный шанс мирового сообщества и на этот раз благополучно выйти из экологического кризиса, не допустив его развития до «апогея бифуркации», академик Н.Н. Моисеев видит в срочном формировании человечеством системы экологических табу - экологических императивов, блокирующих развитие Глобального экологического кризиса.

Сегодня уровень потенциала Коллективного Разума человечества позволяет, по Н.Н. Моисееву, сформировать упомянутую систему экологических императивов уже в обозримом будущем. На это указывает ряд ключевых событий и инициатив:

• беспрецедентный характер Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро (1992 г.);
• инициативы различных экологических движений, подобные инициативам движения «Друзья Земли» Голландии, обозначившие систему мер, предупреждающие превышение Голландией предельных норм загрязнения биосферы и расходования невозобновимых ресурсов.

Этому способствует стремительно возрастающая мощь информационно-аналитической компоненты Коллективного Разума в связи с развитием компьютерной техники и информатики.

Менее вдохновляющая ситуация - в части духовной компоненты человечества, замечает Н.Н. Моисеев. В этой связи он обращает внимание на огромный духовный ресурс «нормативов жизни» человечества - Ветхого и Нового заветов, основополагающих документов мировых религий Востока.

Разумеется, точка зрения Н.Н. Моисеева на процессы в биосфере дает представление лишь об одном из вариантов модели этих процессов в переходный период эволюции Земли - от биосферы к ноосфере. Но, будучи представленной здесь даже в самых общих чертах, она дает представление о единстве, взаимоувязанности процессов в неживой и живой природе, в интеллектуальной и духовной сферах, о неоднозначности сегодняшнего ответа на вопрос о возможности управления человечеством процессами в биосфере.