168384 (Биосферный уровень и его экология), страница 2

Какие же именно “геохимические функции” имел в виду Вернадский? Он определил их такими терминами: газовая, кислородная, окислительная, кальциевая, восстановительная, концентрационная, разрушение органических соединений, восстановительное разложение, метаболизм и дыхание. Функций этих было достаточно, чтобы “былая биосфера” сыграла свою определяющую роль в становлении оболочек Земли – атмосферы, гидросферы, литосферы и геосферы. Современная наука о биосфере те же функции классифицирует по пяти категориям: энергетическая, концентрационная, деструктивная, средообразующая, транспортная.

Естественно возникает вопрос, какой же механизм функционировал и продолжает обеспечивать способность биосферы выполнять геологические, а также и экологические функции?

Ответ на этот вопрос дает четвертый постулат Вернадского: трофико-метаболические связи между компонентами биосферы, обеспечивающие глобальный круговорот элементов, а самой биосфере – целостность единой живой системы – “огромного организма”.

Длительное время концепция биосферы В.И. Вернадского замалчивалась: она не соответствовала господствовавшей догме А.И. Опарина, утверждавшей идею постепенного морфо-функционального усложнения живой материи путем замены одних форм на другие – “более приспособленные”.

Правда, идея структурной целостности биосферы и изначального ее функционального многообразия продолжала жить в отечественной биологии: в трудах о биогенетическом покрове планеты В.Н. Сукачева, в концепции геомериды, или живого покрова Земли В.Н. Беклемишева, в теории живой материи Э.С. Бауэра.

Опытные данные, обобщенные В.И. Вернадским

1. Первым выводом из учения о биосфере является принцип целостности биосферы. “Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе, как о едином целом в механизме биосферы”⁴. Строение Земли, по Вернадскому, есть согласованный в своих частях механизм. “Твари Земли являются созданием космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма”⁵.

Узкие пределы существования жизни – физические постоянные, уровни радиации и т.п. – подтверждают это. Как будто кто-то создал такую среду, чтобы жизнь стала возможна. Какие условия и константы имеются в виду? Гравитационная постоянная, или константа всемирного тяготения, определяет размеры звезд, температуру и давления в них, влияющие на ход реакций. Если она будет чуть меньше, звезды станут недостаточно горячими для протекания в них ядерных реакций; если чуть больше, звезды превзойдут “критическую массу” и обратятся в черные дыры, выпав тем самым из круговорота материи. Константа сильного взаимодействия определяет ядерный заряд в звездах. Если ее изменить, цепочки ядреных реакций не дойдут до углерода и азота. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет конфигурацию электронных оболочек и прочность химических связей; ее изменение делает Вселенную мертвой. К этому добавляется еще антропный принцип, с которым мировые константы как бы подгоняются к возможности существования жизни.

2. С принципом целостности биосферы и неразрывной связи в ней живых и косных компонентов связан и принцип гармонии биосферы и ее организованности. В биосфере, по Вернадскому, “все учитывается и все приспособляется с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества и атомов энергии”⁶.

3. Роль живого в эволюции Земли. “На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем организмы, взятые в целом… Все минералы верхних частей земной коры – свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси Fe и Al (бурые железняки и бокситы) и многие сотни других непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни⁷”. Лик Земли как небесного тела, заключает Вернадский, фактически сформирован жизнью.

4. Космическая роль биосферы в трансформации энергии. Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли.

5. 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.

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

7. Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества.

8. Формы нахождения химических элементов: 1) горные породы и минералы; 2) магмы; 3) рассеянные элементы; 4) живое вещество. 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.

9. Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности. Пределы жизни определяются в конце концов физико-химическими свойствами соединений, стоящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловливается лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 433ºС (от -252ºС до +180ºС) является предельным тепловым полем.

10. 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.

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

12. Постоянство количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество свободного живого вещества (1,5х10²¹ гр. и 10²⁰-10²¹ гр.). Скорость передачи жизни не может перейти пределы, нарушающие свойства газов. Идет борьба за нужный газ.

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

Подлинное возрождение идеи В.И. Вернадского о структуре и функциях как древней, так и современной биосферы произошло в середине 1970-х гг. благодаря трудам отечественного микробиолога Г.А. Заварзина. Он не только четко назвал механизмы функционирования биосферы и фактор, объединяющий ее в единую систему – трофические связи между организмами, но и расшифровал сложнейшую систему этих многосторонних связей. Главный вывод его исследований гласит: биосфера создавалась не на базе дивергентной эволюции входящих в нее организмов, а путем появления новых и усложнения уже имевшихся трофических связей между организмами, всегда существовавшими не отдельно, а в составе сообществ – экосистем различного масштаба. Отсюда следовал вывод: элементарной структурно-функциональной единицей эволюции биосферы всегда были не отдельные особи и даже не вида, а экологические сообщества, которые преобразовывались не за счет удаления из них “неприспособленных”, а аддитивным путем, т.е. присоединением новых элементов, “сопрягающим это сообщество с новыми факторами внешней среды”. Отсюда и другой не менее важный вывод: “Изучение эволюции микробных систем представляется необходимым для понимания геологических проблем и истории Земли в целом”. Главный вывод исследований как Г.А. Заварзина, так и многих зарубежных экологов, микропалеонтологов, геохимиков – Т. Брока, Дж. Шопфа, Е. Баргхорна, П. Клауда и других – сводится к тому, что главным фактором становления и функционирования биосферы были и остаются многосторонние трофические связи, установившиеся не менее, чем 3,4–3,5 млрд. лет тому назад, и определявшие характер и масштабы круговорота элементов в оболочках Земли.

Из сказанного следует, что ключевую роль в понимании существования живой природы на биосферном уровне играет экологический фактор. Именно ему отводил и В.И. Вернадский решающую роль, когда говорил об условиях функционирования и сохранения живого как “единого целого”, “как монолита жизни”. Особенно четко роль экологического фактора обозначилась тогда, когда биосфера обрела новую форму существования – форму неосферы.

Экология и биосфера

Слово “экология” в буквальном смысле означает науку о “доме” (от греч. “ойкос” – жилище, местообитание). Как входящая в биологический цикл, экология – наука о местообитании живых существ, их взаимоотношении с окружающей среды. Экология изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, сообществ, экосистем. Термин “экология” предложил немецкий зоолог Э. Геккель в 1866 г., но подлинного расцвета эта наука достигла в ХХ веке, и развитие далеко не закончено.

Если учение о биосфере сразу подняло биологию с уровня отдельных видов к целостности высшего порядка, то экология изучает различные уровни целостности, промежуточные между организменным и глобальным. Выделяют аутоэкологию, которая исследует взаимодействие отдельных видов со средой, и синэкологию, которая изучает сообщества. Сообществом, или биоценозом, называют совокупность растений и животных, населяющих участок среды обитания. Совокупность сообщества и среды носит название экологической системы, или биогеоценоза.

Основные понятия аутоэкологии – популяция, местообитание, экологическая ниша. Популяцией называется группа организмов, относящихся к одному или близким видам и занимающая определенную область, называемую местообитанием. Совокупность условий, необходимых для существования популяции, носит название экологической ниши. Экологическая ниша определяет положение вида в целях питания.

В зависимости от характера питания стоится пирамида питания, состоящая из нескольких трофических уровней. Низший занимают автотрофные организмы, питающиеся неорганическими соединениями, прежде всего растения. На более высоком уровне располагаются гетеротрофные организмы, использующие в пищу биомассу растений. Затем идут гетеротрофы второго порядка, питающиеся гетеротрофами первого порядка, т.е. травоядными животными и т.д.

Один из важнейших принципов экологии – принцип устойчивости, в соответствии с которым чем больше трофических уровней и чем они разнообразнее, тем устойчивей биосфера.

Экология показала также, что живой мир – не совокупность живых существ, а единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимоотношений. Если даже небольшая часть его погибнет, погибнет и все остальное. В то же время, как писал Н. Винер, “сообщество простирается лишь до того предела, до которого простирается действительная передача информации”⁸.

К важнейшим выводам экологии можно отнести следующие, отмечавшиеся еще Вернадским. 1) Каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи со средой, т.е. с другими организмами и неживой природой. 2) Жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись на планете, стимулируя перераспределение энергии и вещества. 3) Размеры популяции возрастают до тех пор, пока среда может выдержать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность колеблется вблизи равновесного уровня.

Принцип равновесия играет в живой природе огромную роль. Равновесие существует между видами и смещение его в одну сторону, скажем, уничтожение хищников, может привести к исчезновению жертв, у которых не будет хватать пищи. Естественное равновесие существует и между организмом и окружающей его неживой средой. Великое множество равновесий поддерживают общее равновесие в природе.

Равновесие в живой природе не статично, как равновесие кристалла, а динамично, представляя собой движение вокруг точки устойчивости. Если эта точка не меняется, то такое состояние называется гомеостазом (“гомео” – тот же, “стасис” – состояние). Гомеостаз – механизм, посредством которого живой организм поддерживает параметры своей внутрен-

ней среды, противодействуя внешним воздействиям, на таком постоянном уровне, который обеспечивает нормальную жизнь. Кровяное давление, частота пульса, температура тела – все это обусловлено гомеостатическими механизмами, которые работают настолько хорошо, что мы обычно их не замечаем. В пределах “гомеостатического плато” действует отрицательная обратная связь, за пределами его – положительная обратная связь, и система гибнет.

Все, о чем говорилось ранее, касалось биосферы в ее естественном состоянии, когда она существовала и функционировала как подлинный “монолит жизни”, самой жизнью создаваемый и управляемый.

Ситуация коренным образом изменилась, когда появился главный компонент биосферы – человек. Он вступил как новая мощная геологическая сила, положившая начало перестройке биосферы: началась эпоха неосферы.

Термин “неосфера” был еще в 1927 г. предложен французскими учеными и философами Э. Леруа и П. Тейяром де Шарденом. Однако они вложили в этот термин особое содержание, истолковав его как некий надбиосферный “мыслительный пласт”, как единый покров, окутывающий планету. Другое истолкование термину “неосфера” дал В.И. Вернадский, понимая под ним ту часть нашей планеты и околопланетного пространства, которая несет на себе печать разумной деятельности человека: так же, как и биосфера, неосфера становится геологической силой, влияющей на все сферы Земли. Таким образом, Вернадский расширил учение о взаимном влиянии живых организмов и среды, т.е. представления о предмете экологии, включив в них проблемы воздействия неосферы на биосферу. В результате экология из чисто биологической превратилась в междисциплинарную область не только естественно-научного, но и философского знания.

Естественно возникает вопрос, каков же путь, приведший к новому экологическому учению?

Все началось с того момента, когда человечество, выйдя из младенческой стадии своей истории, методом проб и ошибок начало “обустраиваться” в природе, подчиняя себе ее ресурсы, и не заботясь о последствиях своих побед над нею. Вскоре и систематизированное Знание стало пособником человека в покорении природы: лозунг “знание – сила” оказался настолько воодушевляющим, что полностью усыпил бдительность.

Какое же, конкретно, знание давало силу, создавало реальные “возможности” “не ждать милостей у природы”, а брать их у нее силой, забывая при этом, что брать их надо у хрупкой живой природы – биосферы, каждый компонент которой – это звено одной целостной неделимой системы?

Успехи физики, химии и технических наук сделались научной основой создания энергетики нового типа. Вошли в строй гидроэлектростанции на 2-4 млн. кВт установленной мощности. Резко возросла в энергетическом балансе доля ядерного топлива: к 2000 году в мировой структуре электроэнергетики она составила 40-45 процентов.