Вчення Володимира Вернадського про біосферу та еволюцію живої речовини

Учення про біосферу Землі — одне з найбільших і найбільш цікавих узагальнень сучасного природознавства. Воно є науковою основою для дослідження природних об'єктів і комплексного підходу при організації сучасного виробництва.

Землю нерідко порівнюють із космічним кораблем, а людину — з пасажиром. У безкраїх просторах космосу, у відомій нам частині Всесвіту, тільки одна Земля — планета життя. І тільки на ній можуть жити люди. Системою життєзабезпечення для них є біосфера — область існування живої речовини — сукупності живих організмів.

Колиска Homo, основа його фізичного і духовного розвитку, джерело всіх природних ресурсів — усе це біосфера. І в пізнанні законів її еволюції та організованості лежить ключ до розумного перетворення працею і соціальною думкою людини.

Велич В.І. Вернадського в тому, що він уперше зрозумів і науково обґрунтував єдність людини і біосфери.

Володимир Іванович Вернадський (1863-1945) — видатний вітчизняний вчений, мінералог і кристалограф, один із основоположників геохімії та біогеохімії. Основні його ідеї з проблеми біосфери сформувалися на початку поточного століття: він викладав їх у лекціях у Парижі. У 1925 р. з'явилася стаття В.І. Вернадського «Хід життя в біосфері», а в 1926 р. вийшла книга «Біосфера». Потім різні сторони вчення В.І. Вернадський неодноразово розглядав у статтях і у великій, опублікованій тільки через 20 років після його смерті, монографії «Хімічна будова біосфери Землі та її оточення».

Розглянемо деякі найосновніші положення вчення В.І. Вернадського про біосферу.

В основі вчення лежить уявлення про планетарну геохімічну роль живої речовини в утворенні біосфери як продукту тривалого перетворення речовини та енергії в ході геологічного розвитку Землі.

Перш за все, В.І. Вернадський визначив простір, що охоплюється біосферою Землі.

Біосфера (грец. «біос» — життя, «сфера» — куля) — оболонка Землі, у якій розвивається життя різноманітних організмів, що населяють поверхню суші, ґрунт, нижні шари атмосфери, гідросферу.

Будучи людиною педантичною в питаннях наукової етики, В.І. Вернадський неодноразово повторював, що термін «біосфера» належить не йому, що вперше його ще на початку минулого століття вжив французький біолог Ж.-Б. Ламарк, який розробив першу еволюційну концепцію. Певний геологічний зміст у 1875 р. вклав у термін «біосфера» австрійський вчений Е. Зюсс. Однак пов’язане з цим терміном завершене вчення створив В.І. Вернадський.

Планета Земля характеризується наявністю трьох поверхневих геосфер — гідросфери, літосфери, атмосфери.

Гідросфера, або водна оболонка Землі, представлена океанами, морями, озерами, річками та штучними водоймами. Водна оболонка покриває близько 71 % поверхні земної кулі, найбільша глибина в західній частині Тихого океану сягає 11,5 км (Маріанська западина).

Литосфера, або земна кора, являє собою зовнішню тверду оболонку земної кулі потужністю до кількох десятків кілометрів.

Атмосфера, або повітряна оболонка, складається з кількох шарів: тропосфери до 15 км висоти над поверхнею Землі; стратосфери, з озоновим екраном, що простягається до 100 км висоти; іоносфери, що являє собою шар розрідженого газу висотою до 500 км.

Біосфера охоплює, таким чином, верхню частину літосфери (до 15 км глибини), всю гідросферу та нижню частину атмосфери (тропосферу і нижні шари стратосфери, до 25 км висоти). Отже, в цілому біосфера являє собою шар розповсюдження життя потужністю по вертикалі близько 40 км, хоча реальні межі розповсюдження живого є вужчими.

Біосфера має мозаїчну будову, складаючись з екосистем, які являють собою зменшену модель біосфери. Сама ж біосфера — глобальна екологічна система.

Сукупність живих організмів, що населяють біосферу, В.І. Вернадський називає живою речовиною. Червоною ниткою у вченні проходить думка про те, що жива речовина — функція біосфери, а біосфера — результат розвитку живої речовини.

У будь-якій екосистемі жива речовина представлена трьома групами організмів: 1) автотрофи (продуценти) — саможивлення (від грец. «трофе» — харчуюся, «аутос» — сам; від лат. «продуцентіс» — той, що виробляє).

Це рослини, які використовують світлову енергію, щоб продукувати всі складні органічні сполуки свого тіла з простих неорганічних, присутніх у навколишньому середовищі; 2) гетеротрофи (консументи) — ті, що живляться іншими істотами (від грец. «гетерос» — інший; від лат. «консумо» — споживаю).

До них належать найрізноманітніші істоти — від найпростіших до ссавців, включаючи людину. Тварини, що живляться безпосередньо продуцентами, називаються консументами першого порядку, або первинними. Їх самих вживають у їжу вторинні консументи. Бувають консументи більш високих порядків, причому деякі види відповідають кільком таким рівням. Первинні консументи називаються рослиноїдними, або фітофагами. Консументи другого і більш високих порядків — м'ясоїдні; 3) міксотрофи (редуценти) — ті, що розкладають живі речовини (від грец. «міксіс» — змішання; від лат. «редукціо» — повернення).

Ці організми (переважно бактерії, гриби, найпростіші) у процесі життєдіяльності розкладають органічні рештки до мінеральних речовин.

Сумарна маса (біомаса) живих організмів оцінюється приблизно у 2,4.1012 т.

Окрім живої речовини Вернадський розрізняв ще 3 категорії речовин, тобто всього 4: 1) жива речовина; 2) біогенна речовина — те, що виникло з живого (кам'яне вугілля, нафта, торф, крейда); 3) біокосна речовина — перетворена організмами неорганіка (ґрунт, осадові породи); 4) кісна речовина — все, що не мало зв'язку з живим (застигла лава, вулканічний попіл).

Енергетичний баланс біосфери та середовища життя

У межах біосфери існують чотири середовища життя: два мертві (вода та повітря), одне біокосне (ґрунт) і одне живе (організм). Для агрономічної практики ключове значення має ґрунт — біокосне тіло, де нежива мінеральна основа безперервно взаємодіє з живими організмами. Усі мешканці цих середовищ поділяються на монобіонтів (тих, що живуть в одному середовищі), дибіонтів (у двох середовищах) і полібіонтів (які освоїли три або чотири середовища).

Чисельність організмів і швидкість їхнього розвитку в будь-якій екосистемі залежать від обсягу енергії, що надходить, та інтенсивності циркуляції речовин. Біосфера являє собою енергетично незамкнену систему, яка постійно поглинає енергію із зовнішнього середовища. Потік сонячного світла вловлюється молекулами живих клітин і перетворюється на енергію хімічних зв'язків. При фотосинтезі створені хімічні речовини послідовно передаються від рослин до рослиноїдних тварин, а потім — до м'ясоїдних організмів першого, другого та наступних порядків.

Перенесення енергії в екосистемах суворо підпорядковується началам термодинаміки. Частина потенційної хімічної енергії їжі витрачається організмом на здійснення життєвих функцій, а частина неминуче втрачається у вигляді тепла, збільшуючи ентропію — показник невпорядкованості системи. Щоб не допустити максимальної ентропії та загибелі системи, організми повинні вилучати з навколишнього середовища від'ємну ентропію (негентропію), працюючи проти градієнта. В основі цього процесу лежить автотрофне живлення рослин: під час фотосинтезу за рахунок енергії Сонця підвищується впорядкованість мінеральних та деградованих органічних речовин.

• Середовища життя в біосфері — 4 (вода, повітря, ґрунт, організм)
• Вік Землі — понад 4,2 млрд років
• Перші сліди життя — близько 3 млрд років тому

Етапи еволюції біосфери та формування перших організмів

За мільярди років свого існування біосфера пройшла складний еволюційний шлях. Осадові гірські породи зберегли чітку послідовність нашарувань із характерними викопними рештками. Крейдовий і кам'яновугільний шари отримали свої назви за переважаючими породами, а юрська, девонська, пермська, кембрійська та інші системи — за місцевостями, де їх вперше описали. Дослідження радіоактивного розпаду урану і перетворення його на свинець (радіогеохронологічний метод) дозволило визначити початок і тривалість геологічних періодів. Найдавніші породи знайдені в Сибіру та Австралії, а загальний вік Землі становить трохи більше ніж 4,2 млрд років.

Поява життя на Землі розглядається як емпіричне узагальнення та процес космічного масштабу. На етапі формування планети ззовні на неї потрапила речовина вуглистих хондритів, багата на воду й органічні сполуки — нуклеотиди, амінокислоти та порфірини, що складають ядра молекул хлорофілу. Це сприяло формуванню гідросфери та забезпечило високу початкову концентрацію органіки в первинних водоймах.

Перші сліди життя зафіксовані в шарах літосфери, що утворилися близько 3 млрд років тому. Згідно з поширеною гіпотезою, синтезу складних органічних молекул (амінокислот) передувало їх утворення з метану, аміаку, водню та парів води в умовах високих температур, ультрафіолетового випромінювання та вулканічної активності. Нерівномірний розподіл цих речовин у воді призвів до випадання коацерватів — первинних колоїдних згущень.

Коацервати стали першими предбіологічними системами, які мали такі властивості:

• здатність до поділу;
• вибіркове поглинання речовин із навколишнього розчину;
• позбавлення непотрібних сполук.

Ці властивості сформували основу для обміну речовин, перенесення енергії та інформації. В результаті якісного стрибка коацерватні краплі отримали здатність до самовідтворення і перетворилися на найпростіші живі організми. Первинний етап розвитку біосфери характеризувався появою в гідросфері одноклітинних прокаріотів (без'ядерних організмів), які потім диференціювалися за кількома напрямками:

• на одноклітинні та багатоклітинні організми;
• на рослини та тварини;
• на особин чоловічої та жіночої статі;
• на продуцентів, консументів і редуцентів.

Поступове збільшення у воді кількості кисню завдяки життєдіяльності організмів та його дифузія в атмосферу зробили можливим швидке поширення життя та розвиток еукаріотичних (що мають оформлене ядро) клітин, що призвело до еволюції складніших живих систем.

Приблизно 600 млн. років тому стався еволюційний вибух нових форм життя, таких як губки, корали, черви, молюски, морські водорості та ін. Таким чином, тривалий період (3500 – 400 млн. років тому) вода була головним середовищем життя, а еволюція в ній дійшла до вищих рослин і хребетних тварин.

Другим етапом еволюції біосфери можна вважати появу у гідробіонтів паразитів (тимчасових шкідливих співмешканців) та симбіонтів (постійних корисних співмешканців). Це призвело до формування другого середовища життя — організму. Явище симбіоценозу (і паразитоценозу) продовжувало розвиватися і з появою нових середовищ життя (повітря, ґрунт).

Деякі «співмешканці» увійшли в настільки тісні стосунки з «хазяїном», що стали своєрідними «органами» його тіла. Наприклад, людина отримує вітамін В1 від кишкової палички. Відомо, що у низці випадків, якщо немає симбіонтів, не розвивається імунітет.

Третій етап еволюції біосфери — вихід організмів з водного середовища на суходіл, де під їхнім безпосереднім впливом сформувалися нові середовища життя — повітря і ґрунт. Близько 400 млн років тому мали місце дві фази каледонського тектонічного циклу, пов'язаного з оголенням великих площ мілководних морських акваторій. Органічні рештки морських організмів, мабуть, і були тією первинною основою, на якій могли з'явитися спочатку земноводні, а потім і сухопутні форми рослин.

Вихід рослин на суходіл був справжньою революцією в історії біосфери, оскільки розвиток окислювальної атмосфери в результаті фотосинтезу сприяв виникненню багатоклітинності, забезпечив вихід життя на суходіл, став причиною появи мінералів в окисленій формі. Утворення ґрунту змінило структуру поверхневого шару планети, створивши умови для потужного розвитку рослинності. Це створило передумови для виходу на суходіл різних тварин.

У викопних рештках цього періоду вже зустрічаються:

• скорпіони;
• кліщі;
• комахи.

Почалося формування наземних хребетних. Деякі амфібії набули здатності розмножуватися поза водою. З'явилися перші плазуни. Комахи почали завойовувати повітряне середовище.

Таким чином, близько 400 - 350 млн років тому в біосфері сформувалися чотири середовища життя, що існують і понині: вода, ґрунт, повітря та організм. Протягом подальшої історії Землі йшов розвиток цих середовищ життя, збагачувався їхній хімічний склад, виникали нові мешканці.

Особливе значення в еволюції живої речовини мав перехід від безстатевого розмноження до статевого та поява живородіння. Четвертим етапом еволюції біосфери слід вважати появу живородіння у тварин, яке призвело до виникнення принципово нового типу дібіонтних організмів: до народження вони розвиваються у спеціальних органах тіла матері, а після народження ведуть вільний спосіб життя у воді, повітрі або ґрунті.

Протягом останнього мільйона років у біосфері з'являється людина, яка внесла докорінні зміни в хід її подальшого розвитку. Тому п'ятим етапом еволюції біосфери слід вважати соціальний, коли людина зі звичайного біологічного виду стала біосоціальною істотою.

На даному етапі еволюції біосфери людина, що розвивається, все більш активно входить у різні біоценози та екосистеми. Вона винищує одні види, приручає та окультурює інші, створює нові сорти рослин і породи тварин. З самого початку свого розумного існування людина вирізнялася нерозумністю по відношенню до природи.

Сьогоднішній період розвитку біосфери, який нерідко іменують техносферою, ставить завдання термінового вжиття заходів з охорони навколишнього середовища:

• впровадження маловідходних технологій;
• оборотне водопостачання;
• раціональне природокористування.

Шостий етап еволюції біосфери пов'язаний з її переходом під впливом розумної діяльності людини у стан ноосфери (сфери Розуму). Розвиток життя (біогенез), за уявленнями В.І. Вернадського, піде шляхом розвитку розуму (ноогенезу).

У зв'язку з розвитком суспільства та посиленням його негативних впливів на біосферу, особливо з настанням епохи науково-технічної революції, що привела біосферу до стану глобальної екологічної кризи, перехід біосфери в ноосферу відсунувся на невизначений час. Техносферу не слід вважати особливим етапом розвитку біосфери, а лише результатом впливу людини на навколишнє середовище в умовах розвитку сучасного суспільства, що затримує перехід до ноосфери.

Слід зазначити, що запобігти зміні середовища неможливо, як неможливо зупинити прогрес людського суспільства. Очевидно, необхідно так керувати процесами взаємин між людиною і біосферою, щоб вони були взаємно вигідними і щоб розвиток суспільства не призвів до деградації біосфери.

В.І. Вернадському належить, зокрема, ідея про можливість перетворення людського суспільства з гетеротрофної категорії на соціально автотрофну. У цьому разі поняття автотрофність означає відносну незалежність людини від продуктів, створюваних біосферою. Через свої біологічні особливості людина не може перейти до автотрофної асиміляції, але суспільство здатне здійснювати так званий автотрофний спосіб виробничої діяльності, під яким мається на увазі:

• заміна високомолекулярних природних сполук низькомолекулярними.

Ідея автотрофності приваблює тим, що подібне функціонування суспільства може бути мінімально пов'язане з порушенням природного середовища.

Подальший розвиток біосфери і перетворення її на ноосферу не може бути стихійним процесом, а потребує чіткого керування; при стихійному розвитку біосфери ймовірні катастрофічні в ній зміни через появу незворотних процесів і згубних для всього живого речовин. Для керування процесом розвитку біосфери необхідні правильні уявлення про самі процеси її розвитку. Ключовим тут є питання теоретичного осмислення природи глобальної екологічної кризи.

Академік РАН М.М. Моїсеєв на основі емпіричних узагальнень представив варіант бачення еволюції Всесвіту — універсальний еволюціонізм. Прийнятий М.М. Моїсеєвим підхід сягає В.І. Вернадського, який у праці «Про стан простору в геологічних явищах. На тлі росту науки ХХ століття» (1943 р.) навів описову модель світу у вигляді системи:

Проєктуючи на людське суспільство запропонований еволюційно-біфуркаційний механізм еволюції Всесвіту, М.М. Моїсеєв визначає екологічні кризи як стан біфуркації процесу розвитку людства і, в цілому, біосфери. За М.М. Моїсеєвим еволюційно-біфуркаційний процес взаємодії людства з біосферою є, по суті, рушієм історичного процесу.

У зв'язку з цим М.М. Моїсеєв вводить поняття оптимально влаштованого суспільства, тобто суспільства, що перебуває в стані рівноваги з біосферою. Через стихійність процесу розвитку, на основі мутагенезу технологія функціонування «оптимального» суспільства з часом «обростає» принципами, що деформують його і спрямовують суспільство до стану біфуркації (вибуху, революції, нестаціонарності), з якого людство виходить на новий рівень складності структури та функціонування суспільного організму, на новий рівень розуму людства.

Переходячи до розгляду сучасного стану світової спільноти, М.М. Моїсеєв визначає таким, що вичерпав себе, ринковий механізм господарювання, навіть у його «виправленому, покращеному» вигляді, яким він (ринковий механізм) представляється творцям концепції сталого розвитку. Максимум того, що може дати реалізація цієї концепції — відтягнути «час буйства» чергового біфуркаційного стану, наслідки якого непередбачувані і в будь-якому разі катастрофічні.

Головний шанс світової спільноти і цього разу благополучно вийти з екологічної кризи, не допустивши її розвитку до «апогею біфуркації», академік М.М. Моїсеєв вбачає у терміновому формуванні людством системи екологічних табу — екологічних імперативів, що блокують розвиток Глобальної екологічної кризи.

Сьогодні рівень потенціалу Колективного Розуму людства дозволяє, за М.М. Моїсеєвим, сформувати згадану систему екологічних імперативів уже в осяжному майбутньому. На це вказує низка ключових подій та ініціатив:

• безпрецедентний характер Конференції ООН з навколишнього середовища та розвитку в Ріо-де-Жанейро (1992 р.);
• ініціативи різних екологічних рухів, подібні до ініціатив руху «Друзі Землі» Голландії, що окреслили систему заходів, які попереджають перевищення Голландією граничних норм забруднення біосфери та витрачання невідновлюваних ресурсів.

Цьому сприяє потужність інформаційно-аналітичної компоненти Колективного Розуму, що стрімко зростає у зв'язку з розвитком комп'ютерної техніки та інформатики.

Менш надихаюча ситуація — у частині духовної компоненти людства, зауважує М.М. Моїсеєв. У цьому зв'язку він звертає увагу на величезний духовний ресурс «нормативів життя» людства — Старого і Нового заповітів, основоположних документів світових релігій Сходу.

Зрозуміло, точка зору М.М. Моїсеєва на процеси в біосфері дає уявлення лише про один із варіантів моделі цих процесів у перехідний період еволюції Землі — від біосфери до ноосфери. Але, будучи представленою тут навіть у найзагальніших рисах, вона дає уявлення про єдність, взаємопов'язаність процесів у неживій і живій природі, в інтелектуальній та духовній сферах, про неоднозначність сьогоднішньої відповіді на питання про можливість керування людством процесами в біосфері.