Вернадский в и общее понятие о биосфере. Строение биосферы

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

Эти представления базируются на учении В. И. Вернадско­го (1863-1945) о биосфере, являющимся крупнейшим из обоб­щений в области естествознания в XX в. Исключительная зна­чимость его учения во весь рост проявилась лишь во второй половине прошлого века. Этому способствовало развитие эко­логии, и прежде всего глобальной экологии, где биосфера яв­ляется основополагающим понятием.

Учение В. И. Вернадского о биосфере - это целостное фун­даментальное учение, органично связанное с важнейшими про­блемами сохранения и развития жизни на Земле, знаменую­щее собой принципиально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморегулирующейся системы в прошлом, настоящем и будущем.

По представлениям В. И. Вернадского, биосфера включа­ет живое вещество (т. е. все живые организмы), биогенное (уголь, известняки, нефть и др.), косное (в его образовании живое не участвует, например магматические горные поро­ды), биокосное (создается с помощью живых организмов), а также радиоактивное вещество, вещество космического про­исхождения (метеориты и др.) и рассеяние атомы. Все эти семь различных типов веществ геологически связаны между собой.

Сущность учения В. И. Вернадского заключена в признании исключительной роли «живого вещества», преобразующего об­лик планеты. Суммарный результат его деятельности за геоло­гический период времени огромен. По словам В. И. Вернадско­го, «на земной поверхности нет химической силы более посто­янно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в це­лом». Именно живые организмы улавливают и преобразуют лу­чистую энергию Солнца и создают бесконечное разнообразие на­шего мира.

Вторым главнейшим аспектом учения В. И. Вернадского является разработанное им представление об организованно­сти биосферы, которая проявляется в согласованном взаимо­действии живого и неживого, взаимной приспособляемости организма и среды. «Организм, - писал В. И. Вернадский, - имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена и к нему» (В. И. Вернадский, 1934).

В. И. Вернадский обосновал также важнейшие представ­ления о формах превращения вещества, путях биогенной ми­грации атомов, т. е. миграции химических элементов при уча­стии живого вещества, накоплении химических элементов, о движущих факторах развития биосферы и др.

Важнейшей частью учения о биосфере В. И. Вернадского являются представления о ее возникновении и развитии. Со­временная биосфера возникла не сразу, а в результате дли­тельной эволюции в процессе постоянного взаимо­действия абиотических и биотических факторов. Первые фор­мы жизни, по-видимому, были представлены анаэробными бактериями. Однако созидательная и преобразующая роль жи­вого вещества стала осуществляться лишь с появлением в био­сфере фотосинтезирующих автотрофов - цианобактерий и си-незеленых водорослей (прокариотов), а затем и настоящих во­дорослей и наземных растений (эукариотов), что имело ре­шающее значение для формирования современной биосферы. Деятельность этих организмов привела к накоплению в биосфере свободного кислорода, что рассматривается как один из важнейших этапов эволюции.

Параллельно развивались и гетеротрофы, и прежде все­го - животные. Главными датами их развития являются вы­ход на сушу и заселение материков (к началу третичного пе­риода) и, наконец, появление человека.

В сжатом виде идеи В. И. Вернадского об эволюции био­сферы могут быть сформулированы следующим образом:

Вначале сформировалась литосфера - предвестник ок­ружающей среды, а затем после появления жизни на суше - биосфера.

В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (т. е. лишен­ные жизни). Следовательно, современное живое вещество ге­нетически связано с живым веществом прошлых геологиче­ских эпох.

Живые организмы - главный фактор миграции хими­ческих элементов в земной коре, «по крайней мере, 90% по весу массы ее вещества в своих существенных чертах обуслов­лено жизнью» (В. И. Вернадский, 1934).

Грандиозный геологический эффект деятельности ор­ганизмов обусловлен тем, что их количество бесконечно ве­лико и действуют они практически в течение бесконечно боль­шого промежутка времени.

Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.

Венцом творчества В. И. Вернадского стало учение о ноо­сфере, т.е. сфере разума.

В целом, учение о биосфере В. И. Вернадского заложило основы современных представлений о взаимосвязи и взаимо­действии живой и неживой природы. Практическое значение учения о биосфере огромно. В наши дни оно служит естест-. веннонаучной основой рационального природопользования и охраны окружающей среды.

Впервые термин биосфера (bios - жизнь, sphera - шар) употребил Ж. Б. Ламарк - знаменитый французский естествоиспытатель, ботаник, зоолог, геолог, автор «философии зоологии», понимавший природу как единое целое и считавший, что область жизни и ее влияние на процессы, происходящие на земле, это и есть биосфера. В более расширенном понимании, как зону жизни на нашей планете, использовал этот термин австрийский геолог, президент Академии наук Австрии Эдвард Зюсс в 1875 г. в работе о происхождении Альпийской горной системы. Однако он не дал ни определения этого термина, ни обоснования его применения, ни его связи с земной корой.)

Несомненно, что создание учения о , ее громадной значимости в формировании современного облика нашей планеты принадлежит нашему замечательному соотечественнику, одному из наиболее крупных ученых мира первой половины XX века, академику Владимиру Ивановичу Вернадскому.

Получив в 1922 г. приглашение прочитать в Сорбонне цикл лекций по геохимии, Владимир Иванович синтезировал свои представления о миграции химических на нашей планете и изложил основы учения о биосфере. Вернувшись домой, В. И. Вернадский публикует в 1926 г. монографию «Биосфера», которая через три года переиздается в Париже. Однако работа над проблемами биосферы не прекращается и в окончательном виде она завершается только в последние годы жизни великого ученого.

В настоящей работе не представляется возможным изложить в полном объеме глубину и, я бы сказал, величие учения о биосфере и мы ограничимся лишь конспективным изложением 12 наиболее важных, наиболее принципиальных положений В. И. Вернадского о биосфере.

I. Научное определение биосферы принадлежит В. И. Вернадскому. Он очень образно называл биосферу «пленкой жизни», тонкой оболочкой планеты, состав, структура и перемещение в которой в основном обусловлены деятельностью «живого вещества», под которым Владимир Иванович понимал всю совокупность - бактерий, растений и животных. Он писал, что жизнь может проявляться только в определенной среде, обеспечивающей дыхание и питание организмов. По способу питания В. И. Вернадский делит живое вещество на две группы:

а) Организмы автотрофные - в своем питании независимые от других организмов, использующие неорганическое вещество. Это зеленые растения, жизнь которых зависит от интенсивности солнечного излучения, составляющие основу биомассы живого вещества; бактерии, живущие вне солнечного воздействия в почвах, илах, играющие громадную роль в накоплении энергии.

б) Организмы, использующие органическое вещество, созданное другими организмами (гетеротрофные организмы).

Распределение живого вещества на планете неравномерно. «Сгущение жизни» наиболее велико в приземном слое и не превышает несколько десятков метров в высоту, а по горизонтали наиболее велико в экваториальных тропических лесах и наименьшее в пустынях и зонах полюсов.

Верхняя граница жизни определяется озоновым экраном, поглощающим коротковолновые, ультрафиолетовые лучи, убивающие все формы жизни. Он располагается па высоте в 15-40 км. Нижнюю границу жизни В. И. Вернадский определял не глубже 3 км от земной поверхности. Водная среда - целиком входит в биосферу. В самых глубоких океанических впадинах обнаружены живые организмы. «Сгущение» жизни в отмечается на мелководьях, например, в Саргассовом море площадью около 100 000 км 2 , в шельфовых, прибрежных водах до 500 м глубиной, где отмечается пышное развитие жизни, где густые леса водорослей, кораллов, где разнообразна фауна рыб, иглокожих и мшанок, но эти богатые жизнью территории занимают менее 5% площади Мирового океана. В глубинных же участках океана «сгущение» жизни отмечается только в верхних слоях, где имеются одноклеточные зеленые водоросли и происходит фотосинтез. Животная жизнь здесь бедна и представлена планктонными организмами и очень малочисленными видами рыб. Данные последних лет говорят о наличии в Мировом океане своеобразных «пустынь» со слабым проявлением жизни.

В биосферу входят и нижние слои , причем «густота» жизни повышается к приземному слою и обычно не превышает 30-35 м, т. е. зоны развития древесной растительности, и только в секвойевых лесах достигает 80-90 метров. Таким образом, толщина биосферы не превышает в общей сложности 25 км.

Определение В. И. Вернадского биосферы дополнялось и уточнялось рядом ученых, и, пожалуй, сейчас наиболее удачное определение биосферы принадлежит В. А. Ковде (1969), который пишет, что мы должны «понимать биосферу как древнюю, крайне сложную, многокомпонентную общепланетарную термодинамически открытую, саморегулирующуюся систему живого вещества и неживой материи, аккумулирующей состав и динамику земной коры, атмосферы и гидросферы». В этом определении, с нашей точки зрения, только не хватает роли антропогенного фактора, ибо сейчас все больше и больше накапливается фактов, что саморегуляция биосферы нарушается деятельностью человека и в недалеком будущем ее благополучие будет в значительной степени зависеть от разумной деятельности человеческого общества.

II. Роль живого вещества в формировании и жизни биосферы. Впервые в истории науки В. И. Вернадский показал, что в формировании современного облика нашей планеты ведущую роль сыграли живые организмы - растения, животные, микроорганизмы. Живое вещество, преобразуя солнечное излучение, вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Действительно, химический состав живого вещества достаточно сложен и насчитывает более 80 различных элементов. В весовом отношении наибольшее место принадлежит кислороду - около 65%, водороду - около 10%, далее идут углерод, кремний, алюминий, железо, кальций, барий, марганец, сера, фосфор, азот, магний, кальций, натрий, хлор, цинк, бром, йод, ванадий и другие. Установлены десятки, даже сотни растений и животных, способных накапливать в своем теле целый ряд витаминов, пестицидов и радиоактивных веществ в концентрациях, в сотни и даже тысячи раз превышающих концентрации этих веществ в окружающей организмы среде. Отмирая, они образуют концентрированные отложения тех или других веществ. Сейчас совершенно ясно, что мел, сланцы, известняки, каменный уголь, торф, сапропель являются продуктами жизнедеятельности организмов. Доминирующее большинство геологов считают также органического происхождения и с каждым годом эта точка зрения укрепляет свои позиции. В. И. Вернадский еще в начале этого века говорил, что большинство месторождений руд, железа, марганца, фосфора и других элементов имеет биогенное происхождение, их создали микроорганизмы-концентраторы (диатомовые водоросли, железобактерии, серобактерии и другие).

Впервые, несмотря на недостаточность фактических материалов, В. И. Вернадский попытался определить биомассу (вес) всех живущих на планете организмов и пришел к заключению, что она составляет около 10 15 тонн, что по отношению к массе земной коры ничтожно мало и составляет меньше 0,1%. Несмотря на это, роль живого вещества в перемещении химических элементов планеты, как и в преобразовании неживой материи, и вовлечении ее в биосферный круговорот, огромна.

Столь существенное воздействие живых организмов на все протекающие в биосфере процессы, по мнению В. И. Вернадского, в основном связано с необыкновенно большой способностью их к размножению. Используя имеющиеся в литературе данные, Владимир Иванович подсчитал, что если поставить те или другие организмы в исключительно благоприятные условия их жизни, то они способны «захватить поверхность планеты» в следующие сроки:

Бактерии (на примере холерного вибриона) — 125 суток;

Туфельки — 67,3 суток;

Зеленый планктон (фитопланктон) — 183 суток;

Большие водоросли — 79 лет;

Цветковые растения (на примере клевера) — 11 лет;

Мухи домашние — 1 год;

Курицы — 18 лет;

Свиньи домашние — 8 лет;

Свиньи дикие (кабан) — 56 лет;

Крысы (пасюк) — 8 лет;

Слоны — 1000 лет;

В. М. Корсунская, Н. М. Верзилин (1975) пишут, что бактерии делятся каждые 23 минуты, то есть 64 раза в сутки, самка термитов в одну минуту откладывает 60 яичек, или 86 000 в сутки. Л. И. Зенкевич (1970) определил скорость размножения зеленых водорослей в океане, и она оказалась настолько большой, что за сутки полностью восстанавливаются все съеденные животными водоросли.

К счастью, в природе существует масса факторов, сдерживающих размножение тех или других организмов, - недостаток пищи, конкуренция, хищники, неблагоприятные условия среды и т. д., что практически делает маловероятным создание идеальных условий для размножения какого-то одного вида. Однако и сейчас, главным образом для насекомых, повреждающих сельскохозяйственные культуры, создаются весьма благоприятные условия для массового развития, и если не принять меры, то урожай может быть уничтожен полностью.

Заслуга В. И. Вернадского в определении роли живого вещества в становлении и жизни биосферы громадна. Только одного этого уже достаточно для того, чтобы говорить о величии заслуг В. И. Вернадского перед наукой.

III. В. И. Вернадскому принадлежит заслуга в утверждении биогенного происхождения кислорода, азота и углекислоты в атмосфере.

Подсчитав объем свободного кислорода в атмосфере и определив ежегодное поступление кислорода в атмосферу в результате фотосинтетической деятельности зеленых растений и потребление кислорода животными и микроорганизмами, можно было говорить о сроках образования зеленого покрова нашей планеты. Этот срок примерно совпал с геологическим возрастом появления осадочных пород, что и убедило Владимира Ивановича, что появление кислорода в атмосфере земли является результатом деятельности «живого вещества».

IV. В. И. Вернадским были определены основные компоненты, слагающие биосферу.

По представлению, биосфера состоит из семи взаимосвязанных частей.

1. Живое вещество - растительный мир, зеленая оболочка земли, животный мир, активно потребляющий растительную массу, и микроорганизмы.

2. Биогенное вещество - осадочные породы органического происхождения. Они довольно хорошо подразделяются на фитогенные, состоящие в основном из растительных остатков, например, каменный уголь, и зоогенные породы, состоящие из остатков животных организмов, например, меловых отложений.

3. Косное вещество - горные породы, в основном магматического неорганического происхождения, слагающие земную кору.

4. Биокосное вещество, возникающее в результате распада и переработки горных и осадочных пород животными организмами. Классическим примером биокосного вещества является почва, поверхностный слой земной коры, которому присущи свойства как живой, так и неживой природы. Почва состоит из отдельных слоев (горизонтов), возникающих в результате преобразования материнской породы (литосферы) под воздействием , воды и живого вещества, в первую очередь растений и микроорганизмов. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, способность обеспечивать растения питательными веществами и влагой. Отцом науки о почвах является учитель В. И. Вернадского, Василий Васильевич Докучаев, построивший классификацию почв по генетическому принципу, рассматривая почвообразовательные процессы «как вечно изменяющиеся функции» природных факторов - , растительности, рельефа, животного населения и т. д.

5. Радиоактивное вещество. В. И. Вернадский считает, что в результате естественных ядерных превращений и при извержении в биосферу поступает довольно большое количество различных радиоактивных веществ, которые мигрируют в воде, воздухе и почве и, естественно, попадают в живые организмы. Интенсивность поступления радиоактивных веществ в биосферу, видимо, имеет какую-то цикличность, о которой, однако, мы знаем еще очень мало.

6. Рассеянные . Далеко не все атомы в результате бурно идущих биосферных процессов связываются в определенные химические соединения, какая-то часть их рассеяна в биосфере. При благоприятных условиях рассеянные атомы могут вовлекаться в те или другие химические процессы и давать неожиданные химические группировки.

7. Вещества космического происхождения - космическая пыль, метеориты. Как показали исследования последних лет, за сутки на землю, выпадает несколько десятков тонн метеоритного вещества. Это вещество оказывает существенное влияние на. газовый, ионный и аэрозольный состав верхней атмосферы. В метеоритах обнаружено железо, натрий, магний, кальций, кремний, азот и др. Космическая пыль составляет около 1% массы межзвездного вещества и, несомненно, играет определенную роль в прохождении солнечных лучей к земле.

V. В. И. Вернадскому принадлежит заслуга в изучении закономерностей прохождения химических процессов в биосфере и миграции веществ при прямом или косвенном участии живых организмов. Сейчас это направление вылилось в самостоятельную крупную науку - биогеохимию.

VI. В. И. Вернадский показал, что биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. «На земной поверхности нет химической силы, более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. И чем больше мы изучаем химические явления биосферы, тем более мы убеждаемся, что на ней нет случаев, где бы они были независимы от жизни… С исчезновением жизни не оказалось бы на земной поверхности силы, которая могла бы давать непрерывно начало новым химическим соединениям».

VII. В. И. Вернадский высказал очень интересное положение, что организмы животных и растений не повторяют состава среды, а извлекают из нее необходимые им элементы, концентрируя их в своих телах. Сейчас уже накоплено много фактов, подтверждающих это положение. Выявлены растения, накапливающие азот, животные, концентрирующие в своих организмах известь; камыш речной способен «собирать» и использовать нефтяную пленку; ряд растений и животных аккумулируют в своих телах радиоактивные вещества и т. д. и т. п. Подтверждение этому мы видим в существенной разнице в химическом составе осадочных пород земной коры, почвенного покрова и растительности.

VIII. Распределение микроэлементов на нашей планете неравномерно - писал В. И. Вернадский. Последующие исследования А. П. Виноградова (1957, 1959, 1967), А. О. Войнара (1960, 1962), В. А. Ковда (1971, 1972, 1973 и др.) это полностью подтвердили и дали возможность наметить ряд биогеохимических провинций, ряд регионов, наиболее богатых или обедненных микроэлементами. Например, в республике Марий Эл не хватает йода и здесь ранее была сильно распространена базедова болезнь, эндемичный зоб. Сейчас обогащение пищевой йодом позволило почти полностью ликвидировать эту болезнь. Известен поучительный пример нехватки некоторых микроэлементов в Новой Зеландии, затруднявшей выращивание пшеницы и разведение овец. После того, как в Новую Зеландию начали ввозить недостающие микроэлементы, урожаи пшеницы резко возросли и гибель овец прекратилась.

IX. В. И. Вернадский впервые в истории науки достаточно четко сказал: «Человек в настоящее время становится все более и более могучей геологической силой, оказывающей на современную биосферу всевозрастающее воздействие». «Мощь человека связана не с его материей (биомассой), а с его мозгом, с его разумом и направленным этим разумом трудом».

Как бы синтезируя все высказанные мысли о роли человека в современной жизни биосферы, еще в 1926 году Владимир Иванович писал: «В геологической истории биосферы перед человеком открывается огромное будущее, если он поймет это и не будет употреблять свой разум и свой труд на самоистребление». К сожалению, в настоящее время из-за неразумной траты энергии, материалов и средств на вооружение расходуется громадное количество химических и редких элементов и идет засорение биосферы. Генеральный секретарь Организации Объединенных Наций Курт Цальдхайм сказал, что в 1975 г. на нашей планете израсходовано на вооружение более 300 миллиардов долларов.

Вполне естественно, что использование этих средств на улучшение благосостояния человечества и разумное использование природных ресурсов без нарушения законов, управляющих жизнью биосферы, сделало бы человечество более счастливым.

Мы вполне отдаем себе отчет, что изложить на нескольких страницах учение В. И. Вернадского о биосфере, где синтезированы успехи трех наук - геологии, химии и биологии, задача весьма сложная и практически трудно выполнимая, но надеемся, что общее представление о значении учения В. И. Вернадского о биосфере в проблеме нормализации отношений между природой и обществом читатель все же получил.

Работая в последние годы своей жизни над книгой о химическом строения биосферы и круговороте веществ в биосфере, развивающей и уточняющей положения, высказанные в монографии, опубликованной в 1926 году, Вернадский назвал ее «моей главной книгой», «книгой жизни». Умер В. И. Вернадский 6 января 1945 г. в возрасте 82 лет.

При жизни В. И. Вернадского его учение о биосфере не получило широкого признания и распространения. Вернадского считали выдающимся минералогом, кристаллографом, геологом широкого профиля, Основоположником геохимии, биогеохимии, радиогеологии, ученым, много сделавшим в гидрогеологии и истории естествознания, в создании учения о биосфере. Сейчас его учение о биосфере оценено по достоинству. С каждым годом оно приобретает все большее и большее значение, дорабатывается, углубляется и имеет особое значение при долгосрочном прогнозировании изменений окружающей природной среды под воздействием деятельности-человека.

Одним из крупнейших и наиболее интересных обобщений В.И. Вернадского в области естествознания было разработанное им учение о биосфере Земли и неизбежности ее преобразования в сферу деятельности человеческого разума - ноосферу.

В.И. Вернадский был человеком щепетильнейшим в вопросах научной этики. Поэтому он в разных своих работах указывает, что термин «биосфера» принадлежит не ему, поскольку впервые был употреблен еще в начале прошлого века Жаном Батистом Ламарком. Определенный геологический смысл вложил в него в 1875 г. австрийский ученый Эдуард Зюсс. Однако связанное с этим термином законченное учение создали не Ламарк, не Зюсс, а наш соотечетственник Владимир Иванович Вернадский.

Основные его идеи по этой проблеме сложились в самом начале 20-х годов, во время его лекций в Париже, и были опубликованы в 1926 г. в книге «Биосфера», которая состоит из двух очерков. Первый из них озаглавлен «Биосфера в космосе», второй - «Область жизни». После этого различные стороны учения о биосфере рассматривались В.И. Вернадским во многих статьях и в большой, опубликованной только через 20 лет после его смерти монографии «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения».

Мы коснемся лишь некоторых, самых основных положений учения Вернадского о биосфере.

Прежде всего, Вернадский определил пространство, охватываемое биосферой Земли: это вся гидросфера до максимальных глубин океана, верхняя часть литосферы материков до глубины 2 - 3 км (на таких глубинах в подземных водах еще встречаются живые микроорганизмы) и нижняя часть атмосферы, по крайней мере, до верхней границы тропосферы. В ранних работах В.И. Вернадский определил биосферу как область Земли, охваченную жизнью, но потом отказался от этого термина, поскольку слово «жизнь» может пониматься в разных аспектах. Он ввел в науку интегральное понятие «живое вещество» и стал называть биосферой область существования па Земле «живого вещества». Он собрал и проанализировал все существовавшие данные для определения суммарного веса этого вещества и пришел к выводу, что сейчас на нашей планете оно составляет величину от 1020 до 1021 г, т. е. от 1 до 10 тыс. триллионов тонн.

В.И. Вернадским был тщательно исследован энергетический баланс различных планет Солнечной системы, и особенно - вопрос о величине тепловой электромагнитной энергии, получаемой Землей от Солнца. По его подсчетам, она оказалась равной 170 х 1012 кВт, Далее он рассмотрел биосферу как область превращения этой космической энергии, выяснил закономерности распространения «живого вещества» в биосфере, изучил количественные закономерности размножения различных таксономических групп организмов и геохимическую энергию «живого вещества», прибегая, где это только возможно, к выведению математических формул изучавшихся им процессов. Очень интересны некоторые чисто биологические выводы В.И. Вернадского. Так, после детального исследования роли газов в жизненных процессах он пришел к заключению, что в мире организмов, в биосфере, идет жесточайшая борьба за существование - не только за пищу, но и за нужный газ, и эта последняя борьба - основная, так как именно она нормирует размножение. Дыханием определяется максимальная возможная геохимическая энергия жизни на гектар площади.

Много внимания в своих работах по биосфере В.И. Вернадский уделял зеленому «живому веществу» растений, потому что только оно делает организм автотрофным, только оно способно захватывать лучистую энергию Солнца и с ее помощью создавать первичные органические соединения. Рассмотрев объем и энергетические коэффициенты различных групп растительности, В.И. Вернадский пришел к выводу, что «зеленые протисты океана являются главными трансформаторами солнечной энергии в химическую энергию нашей планеты», причем этого результата зеленое органическое вещество моря достигает благодаря высокой скорости размножения. Надо сказать, что более поздние подсчеты, конца 70-х годов, показали, что роль зеленого планктона океанов В.И. Вернадский несколько переоценил. В современную эпоху три четверти первичных органических соединений создает автотрофная растительность континентов и лишь одну четверть - планктонные и бентосные водоросли морей и океанов.

Для объяснения большой суммарной энергии биосферы В.И. Вернадский произвел интересные подсчеты. Оказалось, что вся поверхность Земли составляет несколько меньше 0,0001% поверхности Солнца, но зеленая площадь ее трансформационного аппарата, т. о. поверхность листьев деревьев, стеблей, трав и поверхность зеленых водорослей, дает уже числа совершенно другого порядка. В разные времена года она составляет от 0,86 до 4,2% площади Солнца.

Произведенные в самые последние годы красноярскими биофизиками подсчеты с применением новейшей аппаратуры и спутниковой информации подтверждают порядок цифр, вычисленных более полувека назад В. И. Вернадским.

Количество энергии, заключенной в «живом веществе» нашей планеты, может быть учтено. По подсчетам известного шведского ученого Сванте Аррениуса, только зеленая растительность континентов в форме своих горючих соединений заключает 1,6-1017 больших калорий. В.И. Вернадский считал, что для всей биосферы эта величина больше и достигает 1018 или даже 1019 больших калорий. При этом улавливается зеленым веществом биосферы лишь 0,02 - 0,03% солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, что рисует заманчивые перспективы ее более полного использования.

Значительная часть энергии «живого вещества» идет на образование в пределах биосферы новых вадозных минералов, вне биосферы неизвестных, а часть захороняется в виде самого органического вещества, образуя в конечном счете, залежи бурых и каменных углей, горючих сланцев, нефти и газа. «Мы имеем здесь дело, - пишет В. И. Вернадский, - с новым процессом - с медленным проникновением внутрь планеты лучистой энергии Солнца, достигшей поверхности Земли. Этим путем «живое вещество» меняет биосферу и земную кору. Оно непрерывно оставляет в ней часть прошедших через него химических элементов, создавая огромные толщи неведомых помимо его вадозных минералов или пронизывая тончайшей пылью своих остатков косную материю биосферы».

В.И. Вернадский считал, что земная кора представляет собой в основном остатки былых биосфер и даже ее гранито-гнейсовый слой образовался в результате метаморфизма и переплавления пород, некогда возникших под влиянием «живого вещества». Лишь базальты и другие основные магматические породы он считал глубинными, не связанными по своему генезису с биосферой.

Новейшие космические исследования заставляют внимательно отнестись к этой мысли В.И. Вернадского. На Луне не было жизни, и там не оказалось гранита. Лунные «моря» залиты базальтом, а лунные «материки» сложены анортозитами, т. е. магматическими породами основного состава. Породы поверхности Венеры, о составе которых мы впервые узнали несколько лет назад, тоже оказались базальтовыми... Много внимания в своих работах уделил В.И. Вернадский формам нахождения в биосфере различных химических элементов, делению «живого вещества» биосферы по источникам питания организмов на авто-, гетеро-, и миксотрофное, изучению поля устойчивости жизни в гидросфере и на суше, геохимическим циклам сгущения жизни и «живым пленкам» гидросферы.

В более ранних работах 20-х годов В.И. Вернадский считал объем и вес «живого вещества» биосферы неизменными на протяжении всей биологической истории Земли. Он предполагал, что в процессе биологической эволюции менялись только формы проявления жизни. Уже в то время и даже в еще более ранних работах он много писал о больших изменениях биосферы под влиянием деятельности человека, об антропогенных факторах геологических процессов, он считал это явление новым, наложенным на стационарное существование биосферы. В более поздних работах (с середины 30-х годов) В.И. Вернадский пересмотрел эту свою точку зрения и пришел к выводу, что биосфера по массе «живого вещества», его энергии и степени организованности в геологической истории Земли все время эволюционизировала, изменялась, что влияние деятельности человека явилось естественным этапом этой эволюции и что под ее влиянием биосфера неизбежно должна коренным образом измениться и перейти в новое состояние, которое он назвал уже не биосферой, а ноосферой - сферой, формирующейся под воздействием человеческого разума.

Можно смело сказать, что учение о переходе биосферы в ноосферу - вершина творчества В.И. Вернадского. При разработке этого учения он использовал и синтезировал не только геологический и биологический, но также социально-исторический материал.

В.И. Вернадский начал применять понятие «ноосфера» лишь с середины 30-х годов, причем в строго материалистическом смысле. У В.И. Вернадского ноосфера - это не отвлеченное царство разума, как трактовали этот термин его авторы, французы П. Тейяр де Шарден и Е. Леруа, а исторически неизбежная стадия развития биосферы. Еще в 1926 г. в статье «Мысли о современном значении истории знания» он писал: «Созданная в течение всего геологического времени, установившаяся в своих равновесиях биосфера начинает все сильнее и глубже меняться под влиянием научной мысли человечества».

Вот эту-то биосферу Земли, измененную научной мыслью и преобразованную для удовлетворения потребностей численно растущего человечества, он и назвал впоследствии ноосферой.

Подчеркнуть это очень важно потому, что в справочниках, энциклопедиях и в популярной литературе появилось много неверных определений этого термина, совершенно не соответствующих взглядам В.И. Вернадского.

К общей идее, лежащей в основе учения о ноосфере, В. И. Вернадский пришел еще в самых ранних своих работах конца прошлого века. Она складывалась в виде определенной концепции творческого характера человеческого разума, не только отражающего внешний мир, но и активно воздействующего через труд па условия существования людей.

С начала ХХ века В.И. Вернадский приступил к детальному исследованию вопроса о геологической активности человечества. Изучая в это время сначала в рамках генетической минералогии и геохимии, а позднее и биогеохимии разнообразные геохимические процессы, протекающие на нашей планете, он неизменно, с характерной для него последовательностью и глубиной, обращается к выяснению роли человека в этих процессах. В таких трудах, как «История минералов земной коры», «Живое вещество в химии моря», «Живое вещество в земной коре», «Биосфера», «Автотрофность человечества», окончательно определился круг его идей, составивших фундамент развитого им впоследствии учения о ноосфере.

Приступив ужо в 30-х годах к разработке этого учения, В.И. Вернадский прежде всего попытался дать ответ на вопрос о том, в чем заключаются те реальные условия или предпосылки образования ноосферы, которые уже созданы или создаются в ходе исторического развития человечества. По его мнению, эти предпосылки сводятся к следующему. Человечество стало единым целым. Мировая история как общий процесс охватила весь земной шар. Практически покончено с уединенными, мало зависимыми друг от друга культурными историческими областями обитания. Сейчас «нет ни одного клочка Земли, где бы человек не мог прожить, если б это было ему нужно». Плавающие станции во льдах Северного Ледовитого океана и станции на поверхности Антарктиды - лучшее доказательство справедливости этой мысли.

По мысли В. И. Вернадского, ноосфера - это единое организованное целое, все части которого на самых различных уровнях гармонично связаны и действуют согласованно друг с другом. Необходимым условием этого является быстрая, надежная, преодолевающая самые большие расстояния связь между этими частями, постоянно идущий материальный обмен между ними, всесторонний обмен информацией. Это условие, отмечал В. И. Вернадский, в основном уже создано, хотя возможности его дальнейшего совершенствования далеко еще не исчерпаны.

В своих выводах он исходил из того, что создание ноосферы предполагает столь коренное преобразование человеком окружающей его природы, что ему никак не обойтись без колоссальных количеств энергии. «В самом конце прошлого столетия неожиданно была открыта новая форма энергии, существование которой предвидели немногие умы, - атомная энергия, которой принадлежит ближайшее будущее и которая даст человечеству еще большую мощь, размеры которой едва ли мы можем сейчас предвидеть». Это было написано еще в 30-х годах! А сейчас мы уже видим, как человечество овладело атомной энергией, как с каждым годом расширяется ее применение в мирных целях.

Ноосфера создается разумом и трудом народных масс. Поэтому одним из важнейших условий этого процесса является подъем благосостояния трудящихся. Хотя эта задача, поставленная в масштабах всей планеты, далека еще от своего решения, однако потенциальные возможности для этого имеются уже сейчас.

Охватывая всю планету как целое, ноосфера по самому своему существу не может быть привилегией какой-либо одной нации. В настоящее время, писал Вернадский, «идея равенства всего человечества и равноправия черных, желтых и белых рас пустила глубокие корни в общее и научное сознание мира». Недалеко то время, когда позорные явления неоколониализма и национального гнета навсегда исчезнут с нашей планеты и в жизни общества окончательно воцарится новая эпоха, которая будет характеризоваться не подавлением слабых сильными, а «мирной связью всего человечества на почве экономической и культурной жизни».

Ноосфера, по мысли Вернадского, - это новая геологическая оболочка Земли, создаваемая на научных основаниях. Ноосфера является результатом действия слившихся в единый поток величайших революционных преобразований как в области науки, так и в социальных отношениях.

Одним из выдающихся естествоиспытателей, посвятивших себя изучению процессов, протекающих в биосфере, был академик Владимир Иванович Вернадский (1864-1945). Он является основоположником научного направления, названного им биогеохимией , которое легло в основу современного учения о биосфере.

Исследования В.И. Вернадского привели к осознанию роли жизни и живого вещества в геологических процессах. Облик Земли, ее атмосфера, осадочные породы, ландшафты — все это результат жизнедеятельности живых организмов. Особую роль в становлении лика нашей планеты Вернадский отводил человеку. Он представил деятельность человечества как стихийный природный процесс, истоки которого теряются в глубинах истории.

Будучи выдающимся теоретиком, В.И. Вернадский стоял у истоков таких новых и общепризнанных ныне наук, как радиогеология, биогеохимия, учение о биосфере и ноосфере, науковедение.

В 1926 г. В.И. Вернадский опубликовал книгу «Биосфера», которая ознаменовала собой рождение новой науки о природе и взаимосвязи с ней человека. Биосфера впервые показана как единая динамическая система, населенная и управляемая жизнью, живым веществом планеты: «Биосфера — организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью». Ученый установил, что взаимодействие живого вещества с веществом косным есть часть большого механизма земной коры, благодаря которому происходят разнообразные геохимические и биогенные процессы, миграции атомов, осуществляется их участие в геологических и биологических циклах.

В.И. Вернадский подчеркивал, что биосфера является результатом геологического и биологического развития и взаимодействия косного и биогенного вещества. С одной стороны, это среда жизни, а с другой — результат жизнедеятельности. Специфика современной биосферы — это четко направленные потоки энергии и биогенный (связанный с деятельностью живых существ) круговорот веществ. Вернадский впервые показал, что химическое состояние наружной коры нашей планеты всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами, с деятельностью которых связан великий планетарный процесс — ми фация химических элементов в биосфере. Эволюция видов, приводящая к созданию форм жизни, устойчива в биосфере и должна идти в направлении увеличения биогенной миграции атомов.

В.И. Вернадский отмечал, что пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни. На развитие жизни, а следовательно, на границы биосферы оказывают влияние многие факторы, и прежде всего наличие кислорода, углекислого газа, воды в ее жидкой фазе. Ограничивают область распространения жизни также слишком высокие или низкие температуры, элементы минерального питания. К ограничивающим факторам можно отнести и сверхсоленую среду (превышение концентрации солей в морской воде примерно в 10 раз). Лишены жизни подземные воды с концентрацией солей свыше 270 г/л.

Согласно представлениям Вернадского, биосфера состоит из нескольких разнородных компонентов. Главный и основной — это живое вещество, совокупность всех живых организмов, населяющих Землю. В процессе жизнедеятельности живые организмы взаимодействуют с неживым (абиогенным) - косным веществом. Такое вещество образуется в результате процессов, в которых живые организмы не принимают участия, например, изверженные горные породы. Следующий компонент - биогенное вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф, известняк, мел, лесная подстилка, почвенный гумус и т.д.). Еше одно составляющее биосферы - биокосное вещество — результат совместной деятельности живых организмов (вода, почва, кора выветривания, осадочные породы, глинистые материалы) и косных (абиогенных) процессов.

Косное вещество резко преобладает по массе и объему. Живое вещество по массе составляет ничтожную часть нашей планеты: примерно 0,25 % биосферы. Причем «масса живого вещества остается в основном постоянной и определяется лучистой солнечной энергией заселения планеты». В настоящее время этот вывод Вернадского называется законом константности.

В.И. Вернадский сформулировал пять постулатов, относящихся к функции биосферы.

Первый постулат: «С самого начала биосферы жизнь, в нее входящая, должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, поскольку связанные с жизнью ее биогеохимические функции по разнообразию и сложности не могут быть уделом какой-нибудь одной формы жизни». Другими словами, первобытная биосфера изначально отличалась богатым функциональным разнообразием.

Второй постулат: «Организмы проявляются не единично, а в массовом эффекте... Первое появление жизни... должно было произойти не в виде появления одного какого-нибудь вида организмов, а их совокупности, отвечающей геохимической функции жизни. Должны были сразу появиться биоценозы».

Третий постулат: «В общем монолите жизни, как бы ни менялись его составные части, их химические функции не могли быть затронуты морфологическим изменением». То есть первичная биосфера была представлена «совокупностями» организмов типа биоценозов, которые и были главной «действующей силой» геохимических преобразований. Морфологические изменения «совокупностей» не отражались на «химических функциях» этих компонентов.

Четвертый постулат: «Живые организмы... своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом... непрерывной сменой поколений... порождают одно из грандиознейших планетных явлений... — миграцию химических элементов в биосфере», поэтому «на всем протяжении протекших миллионов лет мы видим образование тех же минералов, во все времена шли те же циклы химических элементов, какие мы видим и сейчас».

Пятый постулат: «Все без исключения функции живого вещества в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами».

Разрабатывая учение о биосфере, В.И. Вернадский пришел к выводу, что главным трансформатором космической энергии является зеленое вещество растений. Только они способны поглощать энергию солнечного излучения и синтезировать первичные органические соединения.

Основные положения учения В.И. Вернадского о биосфере (1863-1945)

К понятию «» (без самого термина) еще в начале XIX в. подошел Ламарк. Позднее (1863 г.) французский исследователь Реют применил термин «биосфера» для обозначения области распространения жизни на земной поверхности. В 1875 г. австрийский геолог Зюсс назвал биосферой особую оболочку Земли, включающую совокупность всех организмов, противопоставив ее другим

земным оболочкам. Начиная с работ Зюсса, биосфера трактуется как совокупность населяющих Землю организмов.

Законченное учение о биосфере было создано нашим соотечественником академиком Владимиром Ивановичем Вернадским . Основные идеи В. И. Вернадского в учении о биосфере сложились в начале XX в. Он излагал их в лекциях в Париже. В 1926 г. его идеи о биосфере были сформулированы в книге «Биосфера», состоящей из двух очерков: «Биосфера и космос» и «Область жизни». Позднее эти же идеи были развиты в большой монографии «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения», которая, к сожалению, была опубликована только через 20 лет после его смерти.

Прежде всего В.И. Вернадский определил пространство, которое охватывает биосфера Земли, — вся гидросфера до максимальных глубин океанов, верхняя часть литосферы материков до глубины около 3 км и нижняя часть атмосферы до верхней границы тропосферы. Он ввел в науку интегральное понятие живое вещество и стал называть биосферой область существования на Земле «живого вещества», представляющего собой сложную совокупность микроорганизмов, водорослей, грибов, растений и животных. По существу, речь идет о единой термодинамической оболочке (пространстве), в которой сосредоточена жизнь и
осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды (пленка жизни). Он показал, что биосфера отличается от других сфер Земли тем, что внутри нее происходит геологическая деятельность всех живых организмов. Живые организмы, преобразуя солнечную энергию, являются мошной силой, влияющей на геологические процессы.

Специфическая черта биосферы как особой оболочки Земли — непрерывно происходящий в ней кругооборот веществ, регулируемый деятельностью живых организмов. По мнению В.И. Вернадского, в прошлом явно недооценивали вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Хотя живое вещество по объему и массе составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.

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

• Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к своему максимальному проявлению. Этот принцип в наши человеком дни нарушен.
• Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, происходит в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.
• 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.

Перечисленные геохимические принципы соотносятся со следующими важными выводами В.И. Вернадского: каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой природой; жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете.

Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты и, в первую очередь, ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат Земли, а последний, в свою очередь, — жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на Земле.

Живое вещество планеты Земля

Главная идея В.И. Вернадского заключается в том, что высшая фаза развития материи на Земле — жизнь — определяет и подчиняет себе другие планетарные процессы. По этому поводу он писал, что можно без преувеличения утверждать, что химическое состояние наружной коры нашей планеты, биосферы, всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами.

Если равномерно распределить все живые организмы на поверхности Земли, то они образуют пленку толщиной 5 мм. Несмотря на это, роль живого вещества в истории Земли не меньше роли геологических процессов. Вся масса живого вещества, которое было на Земле, например, в течение 1 млрд лет, уже превышает массу земной коры.

Количественной характеристикой живого вещества является суммарное количество биомассы. В.И. Вернадский, проведя анализы и расчеты, пришел к выводу, что количество биомассы составляет от 1000 до 10 ООО трлн т. Оказалось также, что поверхность Земли составляет несколько меньше 0,0001 % поверхности Солнца, но зеленая площадь ее трансформационного аппарата, т.е. поверхность листьев деревьев, стеблей трав и зеленых водорослей, дает числа совершенно иного порядка — в различные периоды года она колеблется от 0,86 до 4,20% поверхности Солнца, чем и объясняется большая суммарная энергия биосферы. В последние годы аналогичные подсчеты с применением новейшей аппаратуры провел красноярский биофизик И. Гительзон и подтвердил порядок цифр, более полувека назад определенный В.И. Вернадским.

Значительное место в работах В.И. Вернадского по биосфере отведено зеленому живому веществу растений, поскольку только оно автотрофно и способно аккумулировать лучистую энергию Солнца, образуя с ее помощью первичные органические соединения.

Значительная часть энергии живого вещества идет на образование в биосфере новых вадозных (неизвестных вне ее) минералов, а часть захороняется в виде органического вещества, образуя, в конечном счете, залежи бурого и каменного угля, горючих сланцев, нефти и газа. «Мы имеем здесь дело, — писал В.И. Вернадский, — с новым процессом, с медленным проникновением внутрь планеты лучистой энергии Солнца, достигшей поверхности Земли. Этим путем живое вещество меняет биосферу и земную кору. Оно непрерывно оставляет в ней часть прошедших через него химических элементов, создавая огромные толщи неведомых, помимо него, вадозных минералов или пронизывая тончайшей пылыо своих остатков косную материю биосферы».

По мнению ученого, земная кора представляет собой в основном остатки былых биосфер. Даже гранитно-гнейсовый ее слой образовался в результате метаморфизма и переплавления пород, возникших когда-то под воздействием живого вещества. Только базальты и другие основные магматические породы он считал глубинными и по своему генезису не связанными с биосферой.

В учении о биосфере понятие «живое вещество» является основополагающим. Живые организмы превращают космическую лучистую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Своим дыханием, питанием, метаболизмом, смертью и разложением, длящимся сотни миллионов лет, непрерывной сменой поколений они порождают существующий только в биосфере грандиознейший планетарный процесс — миграцию химических элементов.

Живое вещество, согласно теории В. И. Вернадского, — биогеохимический фактор планетарного масштаба, под воздействием которого преобразуется как окружающая абиотическая среда, так и сами живые организмы. Во всем пространстве биосферы происходит порожденное жизнью непрестанное перемещение молекул. Жизнь решающим образом воздействует на распределение, миграцию и рассеяние химических элементов, определяя судьбу азота, калия, кальция, кислорода, магния, стронция, углерода, фосфора, серы и других элементов.

Эпохи развития жизни: протерозой, палеозой, мезозой, кайнозой отражают не только формы жизни на Земле, но и ее геологическую летопись, ее планетарную судьбу.

В учение о биосфере органическое вещество наряду с энергией радиоактивного распада рассматривается как носитель свободной энергии. Жизнь же рассматривается не как механическая сумма индивидуумов или видов, а как по сути — единый процесс, охватывающий все вещество верхнего слоя планеты.

Живое вещество изменялось в течение всех геологических эпох и периодов. Следовательно, как отмечал В.И. Вернадский, современное живое вещество генетически связано с живым веществом всех прошлых геологических эпох. В то же время в рамках значительных геологических отрезков времени количество живого вещества не подвержено заметным изменениям. Эта закономерность была сформулирована ученым как константное количество живого вещества биосферы (для данного геологического периода).

Живое вещество выполняет в биосфере следующие биогеохимические функции: газовую — поглощает и выделяет газы; окислительно-восстановительную — окисляет, например, углеводы до углекислого газа и восстанавливает его до углеводов; концентрационную — организмы-концентраторы накапливают в своих телах и скелетах азот, фосфор, кремний, кальций, магний. В результате выполнения этих функций живое вещество биосферы из минеральной основы создает природные воды и почвы, оно создало в прошлом и поддерживает в состоянии равновесия атмосферу.

При участии живого вещества идет процесс выветривания, и горные породы включаются в геохимические процессы.

Газовая и окислительно-восстановительная функции живого вещества тесно связаны с процессами фотосинтеза и дыхания. В результате биосинтеза органических веществ автотрофными организмами было извлечено из древней атмосферы огромное количество углекислого газа. По мере увеличения биомассы зеленых растений изменился газовый состав атмосферы — уменьшилось содержание углекислого газа, и увеличилась концентрация кислорода. Весь кислород атмосферы образован в результате процессов жизнедеятельности автотрофных организмов. Живое вещество качественно изменило газовый состав атмосферы — геологической оболочки Земли. В свою очередь, кислород используется организмами для процесса дыхания, в результате чего в атмосферу вновь поступает углекислый газ.

Таким образом, живые организмы создали в прошлом и поддерживают миллионы лет атмосферу нашей планеты. Увеличение концентрации кислорода в атмосфере планеты повлияло на скорость и интенсивность окислительно-восстановительных реакций в литосфере.

Многие микроорганизмы непосредственно участвуют в окислении железа, что приводит к образованию осадочных железных руд, или к восстановлению сульфатов с образованием биогенных месторождений серы. Несмотря на то, что в состав живых организмов входят те же химические элементы, соединения которых образуют атмосферу, гидросферу и литосферу, организмы не повторяют полностью химический состав среды.

Живое вещество, активно выполняя концентрационную функцию, выбирает из среды обитания те химические элементы и в таком количестве, которое ему необходимо. Благодаря осуществлению концентрационной функции живые организмы создали многие осадочные породы, например, залежи мела и известняка.

В биосфере, как и в каждой экосистеме, постоянно осуществляется кругооборот химических элементов. Таким образом, живое вещество биосферы, выполняя геохимические функции, создает и поддерживает равновесие биосферы.

Эмпирические обобщения В.И. Вернадского

Первым выводом из учения о биосфере является принцип целостности биосферы. Строение Земли представляет собой согласованную систему. Живой мир — единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимозависимостей. Если лаже небольшая часть ее погибнет, разрушится и все остальное.

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

Роль живого в эволюции Земли. Лик Земли фактически сформирован жизнью. «Все минералы верхних частей земной коры — свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси железа и алюминия (бурые железняки и бокситы) и многие сотни других — непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни».

Космическая роль биосферы в трансформации энергии. В. И. Вернадский подчеркивал важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии.

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 выдержать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность колеблется вблизи равновесного уровня.

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.

Понятие автотрофности. Автотрофными называются организмы, которые берут все нужные им для жизни химические элементы из окружающей их костной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования этих автотрофных зеленых организмов определяется областью проникновения солнечных лучей.

Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности, а пределы жизни — физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их нерушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организма. Верхний предел жизни обусловливается лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры.

Биосфера в основных своих чертах представляет один и тот же химический аппарат с самых древних геологических периодов. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Само живое вещество не является случайным созданием.

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

Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел. Раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний, и организм вводит в себя только необходимое количество элементов.

Постоянство количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого вещества. Живое вещество является посредником между Солнцем и Землей и, стало быть, либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики.

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

В. И. Вернадский сформулировал идею автотрофности человека , которая приобрела важное значение в рамках обсуждения проблемы создания искусственных экосистем в космических кораблях. Создание таких искусственных экосистем явится важным этапом развития экологии. В их построении соединяется инженерная цель — создание нового — и экологическая направленность на сохранение имеющегося, творческий подход и разумный консерватизм. Это и будет осуществлением принципа «проектирования вместе с природой».

Пока искусственная экосистема представляет собой очень сложное и громоздкое построение. То, что в природе функционирует само собой, человек может воспроизвести только ценой больших усилий. Но ему придется это делать, если он хочет освоить космос и совершать длительные полеты. Необходимость создания искусственной экосистемы в космических кораблях поможет лучше понять экосистемы естественные.

Биосфера, согласно учению академика В.И. Вернадского, представляет собой наружную оболочку Земли, включающую все живое вещество и область его распространения (среду обитания). Верхняя граница биосферы — защитный озоновый слой в атмосфере на высоте 20—25 км, выше которого жизнь невозможна ввиду воздействия ультрафиолетового излучения. Нижней границей биосферы являются: литосфера до глубины 3—5 км и гидросфера до глубины 11—12 км (рис. 1.3).

Р ис 1.3. Строение биосферы (по В.И. Вернадскому)

Компоненты биосферы: атмосфера, гидросфера, литосфера — выполняют важнейшие функции по обеспечению жизни на Земле.

Биосфера возникла около 4,5 млрд лет назад и прошла несколько этапов эволюционного развития: от первоначального круговорота органического вещества к биологическому круговороту — непрерывному обмену веществом и энергией между живыми организмами и окружающей средой в течение всей жизни организмов и после их смерти.

Важнейшими компонентами биосферы являются:

Живое вещество (растения, животные, микроорганизмы);

Биогенное вещество органического происхождения (уголь, торф, почвенный гумус, нефть, мел, известняк и др.);

Косное вещество (горные породы неорганического происхождения);

Биокосное вещество (продукты распада и переработки горных пород живыми организмами).

По В.И. Вернадскому, живое вещество является носителем свободной энергии биосферы и связано с неживым веществом биогенной миграцией атомов. Биомасса сухого вещества живых организмов Земли, включающих около 500 тыс. видов растений и 1,5 млн видов животных, чрезвычайно велика и составляет, примерно, 2,4232*10 12 т. Ежегодный прирост живого вещества на Земле составляет около 8,8*10 11 т. Через эти живые организмы прошло большое количество элементов верхней части литосферы, атмосферы и гидросферы.

Важным во взаимоотношениях организмов является пищевой — трофический фактор (от греч. trophe — пища). Первичное органическое вещество создают зеленые растения {продуценты — производители), используя солнечную энергию. Они потребляют углекислый газ, воду, соли и выделяют кислород.

Потребителей (консументов) можно разделит на два порядка:

I — организмы, питающиеся растительной пищей;

II — организмы, питающиеся животной пищей.

Редуценты (восстановители) — организмы, питающиеся разлагающимися организмами, бактерии и грибы. Здесь особенно велика роль микроорганизмов, до конца разрушающих органические остатки и превращающих их в конечные продукты (минеральные соли, углекислый газ, воду, простейшие органические вещества), поступающие в почву и вновь потребляемые растениями.

Все животные и растения избирательны к составу пищи в зависимости от необходимости в тех или иных минеральных элементах. Животные и растения — необходимые факторы среды по отношению к другим животным и растениям, они взаимно необходимы.

Любой организм приспособлен к существованию в достаточно узких пределах изменения условий окружающей среды, причем выход параметров среды за сложившиеся границы влечет за собой угнетение жизнедеятельности данного вида или его гибель. Границы распространения организма (ареал) обусловлены соблюдением необходимых требований данного организма к условиям (факторам) среды. Каждый вид занимает то место, которое обусловлено его требованиями к территории, пище, воспроизводству и другими функциями организма. Эта совокупность параметров среды для обитания вида, место, занимаемое им в биосфере, называется экологической нишей. Все факторы в экологической нише взаимосвязаны: изменение одного из них влечет за собой изменение других.

Способность живых организмов адаптироваться к факторам среды характеризуется экологической валентностью, или пластичностью.

Живые организмы находятся в постоянном взаимодействии с окружающей средой, состоящей из множества меняющихся во времени и пространстве явлений, условий, элементов, называемых экологическими факторами среды. Это любые условия окружающей среды, оказывающие длительное или кратковременное влияние на живые организмы, реагирующие на эти влияния приспособительными реакциями. Они делятся на абиотические (факторы неживой природы) и биотические (факторы живой природы). Принятый сегодня вариант классификации экологических факторов среды представлен в табл. 1.2.

Таблица 1.2
Классификация экологических факторов среды

Абиотические	Биотические
Климатические: свет, температура, влага, движение воздуха, давление	Фитогенные: растительные организмы
Эдафогенные («эдафос» — почва): механический состав, влагоемкость, воздухопроницаемость, плотность	Зоогенные: животные
Орографические: рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона	Микробиогенные: вирусы, простейшие, бактерии, риккетсии
Химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов	Антропогенные: деятельность человека (в том числе строительная)

Характеристики основных абиотических факторов, которые необходимо учитывать при реставрации памятников архитектуры, приведены в Приложении 1.1. Это состав атмосферы; соотношение баллов 12-ти бальной сейсмической шкалы с магнитудой землетрясений; сейсмическая шкала; шкала силы ветра.

Биотические экологические факторы определяют взаимоотношения организмов. Указанные факторы в этом случае называют трофическими, т.е. пищевыми.

Экологические факторы под действием вновь полученных химических веществ, которых нет в природе, и техногенных компонентов, созданных человеком, сильно изменены. Появляются вещества-загрязнители, что приводит к нарушению сапрофитного (поддерживающего равновесие в экосистеме) взаимодействия в природной среде. Это часто сопровождается гибелью животных, растений, приводит к нарушению функций, гибели всего живого и опустыниванию земли. Преобладающими видами в микробиоте становятся патогенные микроорганизмы, которые можно отнести к биологическим загрязнителям. Негативно изменяется состав атмосферы, повышается агрессивность подземных и грунтовых вод. На планете наблюдаются потепление, нарушение озонового слоя, учащаются кислотные дожди.

Все перечисленные факторы оказывают влияние не только на живые организмы (в том числе и человека), но и на памятники, и неучет даже одного из них может сказаться на качестве реставрации и даже привести к гибели памятника.

Живые организмы в природе существуют в виде популяций — исторически сложившихся естественных совокупностей особей данного вида, связанных взаимоотношениями и адаптацией в условиях определенного района или иного места обитания (биотопа). В естественных природных условиях численность и плотность популяции неслучайны, они определяются регулирующими (управляющими) экологическими факторами. Способность среды поддерживать нормальную жизнедеятельность организма или популяции называется емкостью экоси стемы.

Экологическая система (экосистема) — это совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых совместно обитающих различных видов организмов и условий их существования. В экосистеме связаны биоценоз (сообщество совместно живущих организмов) и биотоп (среда обитания). Основные типы природных экосистем на Земном шаре перечислены на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Основные типы природных экосистем

Академик В.Н. Сукачев предложил понятие биогеоценоз (от греч. биос — жизнь, Гея — Земля, ценоз — общий) — природная система живых организмов и окружающей их абиотической среды, связанная обменом — веществами, энергией и информацией. Сейчас термины «экосистема» и «биогеоценоз» принято считать практически синонимами.

В состав биогеоценоза входят:

Растительный компонент (фитоценоз);

Животный компонент (зооценоз);

Микроорганизмы (микробиоценоз);

Почва и почвенно-грунтовые воды, во взаимодействии с растительным, животным компонентами и микроорганизмами образующие эдафотоп;

Атмосфера, которая, взаимодействуя с другими компонентами, образует климатоп;

Неживая природа, представляющая собой косное вещество — экотоп.

Таким образом, биогеоценоз — пространственно обособленная, целостная элементарная единица биосферы, все компоненты которой тесно связаны между собой. Основными компонентами биогеоценоза являются три группы организмов — растения, животные и микробы, с помощью которых вещества движутся от одного компонента к другому, отражая известную общую закономерность круговорота веществ в природе.

Экологические компоненты биогеоценоза (или ландшафта, или средообразующие компоненты) в экологии рассматриваются как основные материально-энергетические составляющие экологических систем. К ним, по Н.Ф. Реймерсу (рис 1.5.), относятся: энергия, газовый состав (атмосфера), вода (жидкая составляющая), почвосубстрат, автотрофы-продуценты (растения) и организмы — гетеротрофы (консументы и редуценты). Сегодня к этому перечню экологических компонентов прибавляют информацию.

Рис. 1.5. Экологические компоненты (по Н.Ф. Реймерсу)

В то же время все экологические компоненты являются природными ресурсами, качество которых определяет качество жизни человека, а антропогенное нарушение взаимодействий между ними может это качество снизить.

В реальных экосистемах круговорот обычно бывает незамкнутым, так как часть веществ уходит за пределы экосистемы, а часть поступает извне. Но в целом принцип круговорота в природе сохраняется. Более простые экосистемы объединены в общую планетарную экосистему (биосферу), в которой круговорот веществ проявляется в полной мере — жизнь на Земле возникла миллиарды лет назад, и если бы не было замкнутого потока необходимых для жизни веществ, их запасы давно исчерпались бы и жизнь прекратилась.

Вмешательство человека отрицательно влияет на процессы круговорота. Например, вырубка лесов или нарушение процессов ассимиляции веществ растениями в результате загрязнений приводят к снижению интенсивности усвоения углерода. Избыток органических элементов в воде, возникающий под действием промышленных стоков, вызывает загнивание водоемов и перерасход растворенного в воде кислорода, что исключает возможность развития здесь аэробных (потребляющих кислород) бактерий. Сжигая ископаемое топливо, фиксируя атмосферный азот в продуктах производства, связывая фосфор в синтетических моющих средствах человек нарушает круговорот этих элементов.

Круговорот веществ в природе подразумевает общую согласованность места, времени и скоростей процессов, идущих на разных уровнях — от популяции до биосферы. Такую согласованность явлений природы называют экологическим равновесием; это равновесие подвижное, динамическое.

В экологической системе (без вмешательства человека) поддерживается равновесие, исключающее необратимое уничтожение тех или иных звеньев в трофических цепях. Человек в процессе своей деятельности постоянно воздействует на экосистему в целом, а также на ее отдельные звенья. Это может проявляться в виде введения в экосистему новых компонентов, в том числе загрязняющих веществ, либо уничтожения отдельных компонентов (отстрел животных, вырубка лесов и т.д.). Не всегда и не сразу эти воздействия ведут к распаду всей системы, нарушению ее стабильности. Но сохранение системы не означает, что она осталась неизменной. Система трансформируется, и оценить количество и направление возникших изменений крайне сложно.

В результате производственной деятельности человека возник новый процесс обмена веществ и энергией между природой и обществом (при сохранении биологического обмена) — антропогенный обмен, который существенно изменяет общепланетарный круговорот веществ, резко ускоряя его. Антропогенный обмен отличается от биотического круговорота своей незамкнутостью, он носит открытый характер. На входе антропогенного обмена находятся природные ресурсы, а на выходе — производственные и бытовые отходы. Экологическое несовершенство антропогенного обмена заключается в том, что коэффициент полезного использования природных ресурсов, как правило, чрезвычайно низок, а отходы производства загрязняют природную среду. Более того, многие из них не разлагаются до природного состояния. Масштабы и скорость антропогенного обмена резко возрастают, вызывая заметное напряжение в биосфере.

На последнем этапе развития биосферы в мощную силу превратилась человеческая деятельность, необратимо и целенаправленно меняющая природную среду. Сформировалась биотехносфера — следствие социального и научно-технического развития человечества. Взаимоотношения между природой и человеком во многих случаях несбалансированы, ведут к угнетению окружающей среды (в частности, разрушению среды архитектурно-исторической), что может привести к деградации биосферы.

Сформированную строителями новую систему можно назвать природно-техногенной (ПТС). Процесс ее формирования, если он не откорректирован в соответствии с экологическими компонентами (другими словами, в соответствии с законами развития экосистемы), как правило, приводит к нарушению естествен-

ных взаимодействий в природной системе, в основном, за счет привнесения в нее «чуждых» компонентов, которые могут быть восприняты экосистемой как загрязнители. Недоучет этих взаимодействий при осуществлении строительной деятельности недопустим, так как он приводит к снижению качества строительства и ухудшает качество среды проживания.

Экологически необоснованная деятельность строителей и реставраторов наносит невосполнимый ущерб природному ландшафту и информационному компоненту экосистемы. Как отмечает Пруцын О.И., происходит разрушение архитектурно-исторической среды*: «Нарушается силуэтность пространственных композиций, гармоничная соподчиненность всего построения, ансамблевое единство. Силуэтность и пропорциональность, достигнутые в историческом периоде, необходимо полностью сохранить, ибо, благодаря классическим соотношениям они могут легко сочетаться с любой предстоящей застройкой».

Не следует забывать, что ландшафт — это всеобъемлющая и вневременная реальность, в которой существовал человек в доурбанистическую эпоху. Именно безукоризненное чувство ландшафта было присуще людям в прошлые века, когда постройки срастались с природным окружением. Архитектура прошлого и сегодня представляет собой школу мастерства зодчества и градостроительства на Руси. Уже начиная с XI в. власти города обязывали застройщиков соблюдать градостроительные правила и законы, регулирующие взаимосвязь между архитектурой и природой. На Руси с XI в. действовал византийский «Закон градский», записанный в кормчих книгах**. Среди его положений были, например, такие: «Только тогда здание можно увидеть по-настоящему, когда оно располагается на стройном месте. Прежде чем строить, осмотри внимательно местность. Выбери такое место, чтобы здание не мешало природе». Или такие: «...повелеваем, чтобы обновляющий ветхий двор не отнимал у соседа света и не лишал его их вида, не изменял первоначального образа»; «...не загораживай насильственно вида соседу, если он прямо видит море, стоя на своем дворе». И сегодня в строительной и реставрационной деятельности основополагающей должна стать «природная» логика.

На этапе развития разумного отношения к сохранению природы должно произойти постепенное превращение биотехносферы в ноосферу — сферу разума, которая, по В.И Вернадскому, является неизбежным и закономерным этапом развития биосферы.

Доказательством начала такого превращения является принятая ООН концепция «устойчивого развития», «устойчивого строительства», «устойчивой реставрации», напрямую связанная с понятием «устойчивость экологическая». Последняя подразумевает способность экосистемы сохранять свою структуру и функциональные особенности при воздействии внешних факторов. Нередко «устойчивость экологическая» рассматривается как синоним экологической стабильности.

Ниже рассмотрены основные понятия и требования, относящиеся к категории экологической устойчивости. Их понимание необходимо для решения актуальных задач природопользования в сферах строительной и реставрационной деятельности, создания комфортной среды проживания и определения стратегии деятельности в сфере «устойчивого развития», «устойчивого строительства», «устойчивой реставрации».

* Пруцын О., Рымашевский Б., Борусевич В. Архитектурно-историческая среда. — М.: Стройиздат, 1990.

** Алферова Г.В. Кормчая книга как ценнейший источник древнерусского градостроительного искусства//Византийский временник, 1973. - Т. 35.