В.И. Вернадский о «живом веществе». Функции живого вещества в биосфере. Биотический круговорот

Живое вещество - совокупность ее живых организмов в биосфере. Термин введён В.И. Вернадским, который выделял живое вещество в ряду других типов веществ, слагающих биосферу (биогенное, косное, биокосное и др.) Живое вещество представляет собой ничтожную часть биосферы, однако именно живому веществу принадлежит, по мнению Вернадского, главная роль в формировании земной коры. В состав живого вещества входят как органические (в химическом смысле), так и неорганические, или минеральные, вещества.

Вернадский писал: "Специфика живого вещества заключается в следующем: Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией. В неорганическом мире по количеству свободной энергии с живым веществом могут быть сопоставлены только недолговечные незастывшие лавовые потоки.

Резкое отличие между живым и неживым веществом биосферы наблюдается в скорости протекания химических реакций: в живом веществе реакции идут в тысячи и миллионы раз быстрее.

Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения - белки, ферменты и пр. - устойчивы только в живых организмах (в значительной степени это характерно и для минеральных соединений, входящих в состав живого вещества).

Произвольное движение живого вещества, в значительной степени саморегулируемое. В.И. Вернадский выделял две специфические формы движения живого вещества: а) пассивную, которая создается размножением и присуща как животным, так и растительным организмам; б) активную, которая осуществляется за счет направленного перемещения организмов (она характерна для животных и в меньшей степени для растений). Живому веществу также присуще стремление заполнить собой все возможное пространство. Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Кроме того, в отличие от неживого абиогенного вещества живое вещество не бывает представлено исключительно жидкой или газовой фазой. Тела организмов построены во всех трех фазовых состояниях.

Живое вещество представлено в биосфере в виде дисперсных тел - индивидуальных организмов. Причем, будучи дисперсным, живое вещество никогда не находится на Земле в морфологически чистой форме - в виде популяций организмов одного вида: оно всегда представлено биоценозами.

Живое вещество существует в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых эпох. При этом характерным для живого вещества является наличие эволюционного процесса, т.е. воспроизводство живого вещества происходит не по типу абсолютного копирования предыдущих поколений, а путем морфологических и биохимических изменений. Работа живого вещества в биосфере достаточно многообразна.

По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:

а) химической (биохимической) - I род геологической деятельности;

б) механической - II род такой деятельности.

Биогенная миграция атомов I рода проявляется в постоянном обмене вещества между организмами и окружающей средой в процессе построения тела организмов, переваривания пищи. Биогенная миграция атомов II рода заключается в перемещении вещества организмами в ходе его жизнедеятельности (при строительстве нор, гнезд, при заглублении организмов в грунт), перемещении самого живого вещества, а также пропускание неорганических веществ через желудочный тракт грунтоедов, илоедов, фильтраторов.

Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере очень важными являются три основных положения, которые В.И. Вернадский назвал биогеохимическими принципами:

Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.

Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете лучистой энергией Солнца.

Выделяют пять основных функций живого вещества:

Энергетическая. Заключается в поглощении солнечной энергии при фотосинтезе, а химической энергии - путем разложения энергонасыщенных веществ и передаче энергии по пищевой цепи разнородного живого вещества. Концентрационная. Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества. Выделяют два типа концентраций химических элементов живым веществом: а) массовое повышение концентраций элементов в среде, насыщенной этим элементов, например, серы и железа много в живом веществе в районах вулканизма; б) специфическую концентрацию того или иного элемента вне зависимости от среды.

Деструктивная. Заключается в минерализации необиогенного органического вещества, разложении неживого неорганического вещества, вовлечении образовавшихся веществ в биологический круговорот.

Средообразующая. Преобразование физико-химических параметров среды (главным образом за счет необиогенного вещества).

Транспортная. Перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.

Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы. Живое вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени. Воздавая должное памяти великого основоположника учения о биосфере, следующее обобщение А.И. Перельман предложил назвать "законом Вернадского":

"Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО2, H2S и т.д.) преимущественно обусловлены живым веществом как тем, которое в настоящее время населяет данную систему, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории".

Главная функция биосферы заключается в осуществлении круговорота химических элементов. Глобальный биотический круговорот совершается при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов.

В круговороте веществ, как в многократном участии веществ в процессах, протекающих в атмосфере, литосфере, гидросфере, различают малый круг биотического обмена (био-геоценотический) и большой (биосферный).

Большой круг биотического обмена — это безостановочный планетарный процесс циклического, неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиеся экологические системы биосферы. Большой круг биотического обмена наиболее ярко проявляется в круговороте воды и циркуляции атмосферы.

Малый биотический круговорот происходит на основе большого и заключается в циркуляции веществ между растениями, животными и микроорганизмами.

Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой как бы единый процесс. Втягивая в свои многочисленные орбиты косную среду, биотический круговорот веществ обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы.

В основе круговорота веществ лежит наличие в биосфере двух основных типов питания: аутотрофного и гетеротрофного.

 

Аутотрофы извлекают необходимые для жизни химические вещества из окружающей среды и при помощи солнечной энергии включают их в органическое вещество.

Гетеротрофы разлагают органическое вещество до углекислого газа, воды и минеральных солей и возвращают их в окружающую среду. Этим обеспечивается круговорот веществ, который возник в процессе эволюции как необходимое условие существование жизни. При этом световая энер­гия солнца трансформируется живыми организмами в другие формы энергии — химическую, механическую, тепловую. Определенная часть солнечной энергии рассеивается в виде тепла.

Деятельность и взаимоотношения всех живых существ в природе основываются на односторонне направленном потоке энергии и круговороте веществ.

Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии солнца создают органические вещества, которые другими живыми существами (гетеротрофами — потребителями и деструкторами) разрушаются с тем, чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы для новых органических синтезов.

Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит воде, ее циркуляции между океаном, атмосферой и верхним слоем литосферы. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на огромные расстояния. Выпадая на поверхности сушит в виде осадков, она способствует раз­рушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря. Подсчитано, что с поверхности Земли за минуту испаряется около 1 млрд. тонн воды. На образование 1 г водяного пара затрачивается 2,248 кДж энергии, которая возвращается в атмосферу. Циркуляция воды между океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании биотического круговорота и жизни на Земле, а так же является важнейшим условием взаимодействия растений и животных с неживой природой. Благодаря этому процессу происходит постепенное разрушение литосферы, перенос компонентов в глубины Мирового океана.

Энергия биотического круговорота невелика по сравнению с энергией, расходуемой в абиотических биогеохимических процессах. Благодаря ей осуществляется значительный объем работы по перемещению химических элементов.

Примерами биотического круговорота могут служить круговорот углерода и азота в биосфере.

Круговорот азота также охватывает все области биосферы. Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы, высшие растения могут использовать азот только после его соединения с водородом или кислородом. Важнейшую роль при этом играют азотфиксирующие бактерии. Азот вовлекается в биогенный круговорот двумя путями: 1) путем растворения разных оксидов азота в дождевой воде и поступления его таким образом в почвы, воду и океан; 2) путем биологической фиксации азота клубеньковыми бактериями, свободными азотфиксирующими микроорганизмами. Азот в живых организмах занимает очень важное место, он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Молекулярный азот атмосферы могут усваивать лишь некоторые микроорганизмы и сине-зеленые водоросли, переводя его в азотистые соединения. Азотфиксация является важнейшим биологическим процессом, играющим важную роль в круговороте азота в природе и обогащающим почву и водоемы связанным азотом.

Остатки организмов на поверхности Земли и погребенные в толще пород подвергаются разрушению при участии многочисленных микроорганизмов. В этих процессах органический азот подвергается многочисленным превращениям. В результате процесса денитрификации при участии бактерий вновь образуется элементарный азот, возвращающийся непосредственно в атмосферу.

При разложении белков образуются также аммиак и его производные, попадающие также в воздух и воду океана. В биосфере в результате нитрификации — окисления аммиака и других азотсодержащих органических соединений при участии бактерий — образуются различные оксиды азота, которые являются основой образования азотной кислоты. Азотная кислота, соединяясь с металлами, дает соли. В результате деятельности денитрофицирующих бактерий соли азотной кислоты восстанавливаются до азотистой кислоты и далее до свободного азота.

Биогенная миграция атомов

В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, основа которой — взаимодействие живого и косного вещества: «живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее опре­деляющей... Организмы представляют живое вещество, т.е. совокупность всех живых организмов, в данный момент существующих, численно выраженное в элементарном химическом составе, в весе, энергии. Оно связано с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием, питанием, размножением». Таким образом, по мнению В.И. Вернадского, биогенная миграция атомов химических элементов, вызываемая солнечной энергией и проявляющаяся в процессе обмена веществ, роста и размножения организмов, является главной функцией биосферы.

Биогенная миграция подчиняется следующим биогеохимическим закономерностям:

1) стремится к максимальному проявлению, в результате чего возникает «всюдностъ» жизни;

2) приводит к выживанию организмов, увеличивающих биогенную миграцию атомов.

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

Живые организмы осуществляют миграцию элементов из литосферы в гидросферу и почву, обмен между элементами, гидросферой, почвой и атмосферой, между сушей и морем, круговорот воды, углерода, азота и других веществ, входящих в состав живого вещества.

В основе круговорота химических элементов лежит наличие в биосфере двух основных типов питания — аутотрофного и гетеротрофного, способность организмов аккумулировать солнечную энергию в другие формы энергии, а также способность живых организмов совершать химические реакции с такой скоростью, которая превышает скорость реакций в неживой природе во много раз. Непрерывность и накопление результатов деятельности живых организмов в этом направлении обеспечивается их способностью к размножению. По мнению В.И. Вернадского, «...жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхности, Под влиянием ее эти атомы находятся в непрерывном интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших соединений. И этот процесс длится без перерыва десятки миллионов лет, от древнейших, археозойских эр, до нашего времени. На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а поэтому и более могущественной по своим конечным результатам, чем живые организмы, взятые в целом». Достаточно сказать, что на Земле ежегодно образуется около 4х10п тонн органического вещества. В биосфере практически все атомы почти всех химических элементов про­шли через состояние живого вещества. Такие элементы, как йод, фосфор, сера, калий, почти целиком находятся в живом веществе, непрерывно обращаясь в живых организмах. Кислород и азот атмосферы, практически вся углекислота имеют органическое происхождение.

Вихрь жизни захватывает химические элементы из окружающей среды, перемещает их из одних живых тел в другие, из атмосферы в гидросферу и литосферу и благодаря солнечной энергии удерживает их в биохимическом круговороте.

Эволюция понятия «ноосфера»

Учение о ноосфере, основателем которого считается В.И.Вернадский, получило в России широкое распространение. Оно даже предлагается как основа для всемирной стратегии "устойчивого развития" (Рио-де-Жанейро, 1992 г.), направленного на разрешение глобального экологического кризиса. Но мало кто имеет сколь либо ясное представление о том, что же такое “ноосфера”. Это не удивительно, поскольку учение о ноосфере Вернадского – не более чем околонаучный миф, рожденный в эпоху строительства коммунизма с целью его естественнонаучного обоснования. Так, в "Биологическом энциклопедическом словаре" это утверждается непосредственно: "…поскольку характер отношений общества и природы определяется и социальным строем, постольку сознательное формирование Н. (ноосферы. – Г.К., Г.Р.) органически связано со становлением коммунистического общества". В постсоветской России понятие ноосферы приобрело и иной, метафизический смысл. Например, в одной из тольяттинских больниц, возглавляемой академиком РАЕН, создана лаборатория "Ноосферных знаний и технологий", в которой "производится снятие наговоров, порчи, венца безбрачия" и иные услуги подобного рода. Судя по рекламным объявлениям в прессе, “ноосфера” стала прибежищем, различного рода "народных целителей", экстрасенсов, мастеров белой и черной магии, "преобразующих" среду с помощью "духовной составляющей мира".

Само понятие “ноосферы” было предложено французским ученым Эдуардом Леруа, а развито двумя его современниками и коллегами – Пьером Тейяр де Шарденом и В.И.Вернадским. Их взгляды на ноосферу оцениваются, обычно, как противоположные, хотя для этого нет достаточных оснований.

П.Тейяр де Шарден (1987) рассматривает ноосферу в контексте единой философской доктрины, как этап цикла развития материи (универсума) от начальной точки сингуляции (альфы) до конечной (омеги). Его взгляды в России критиковались как идеалистические. Однако, Тейяр де Шарден был не только теософом, но и крупным биологом, палеонтологом, взгляды которого пронизаны эволюционизмом. Он считал, что эволюция – "…основное условие, которому должны отныне подчиняться и удовлетворять все теории, гипотезы, системы, если они хотят быть разумными и истинными. Свет, озаряющий все факты, кривая, в которой должны сомкнуться все линии – вот что такое эволюция". Такой подход стал реальностью в 70-80-х годах XX века, когда представления о возникновении материи в результате "большого взрыва" стали научной теорией. Физики пытаются проследить возникновение и эволюцию частиц и атомов, астрономы – космических тел, химики – молекулярную эволюцию, вплоть до возникновения жизни, биологи – развитие не только органического мира, но и психики, социологи – глобальные тенденции развития человека.

Учение о ноосфере Тейяр де Шардена можно свести к следующим основным положениям:

Возникновение разума – закономерный результат развития материи, подготовленный всем ходом развития мира. Эти представления близки к развиваемым в рамках "антропного принципа".

Возникновение человеческого разума– качественно новый этап эволюции живой материи, переход эволюции от биологической фазы к социальной, духовной; превалирование духовного начала над материальным в организации и функционировании биосферы.

Человек, как носитель разума, не приспосабливается к среде, как другие животные, а изменяет и подчиняет ее себе, "…устраняет и покоряет всякую форму жизни, не являющуюся человеческой".

По мере развития "планетаризации" человека, деятельность его принимает глобальный характер, "…затрагивает саму жизнь в ее органической целостности".

Социальная эволюция объективно направлена на единение человечества, социальную и духовную конвергенцию рас, народов, разных слоев общества, на формирование "единомыслящего" в мировоззренческом плане человека.

Ноосфера представляет собой результат деятельности всего человечества, начиная с момента появления человека; на современном этапе она, как и биосфера, включает "былые ноосферы".

В состоянии ноосферы эволюция "…приобретает свободу располагать собой - продолжить себя или отвергнуть", завершить развитие разума путем глобальной катастрофы.

Формирование ноосферы – естественный процесс, независящий от воли человека, но он может быть ускорен деятельностью человека. "От нас зависит сделать стихийный процесс сознательным, превратить область жизни – биосферу, в царство разума – в ноосферу" (Э.Леруа).

Учение Тейяр де Шардена было отвергнуто не только нашей "официальной наукой", но и западным миром как антихристианское. Ему была запрещена преподавательская деятельность в университете в Сорбонне и он был вынужден покинуть Францию, прожив бoльшую часть жизни в Китае, а затем в США. Основные его произведения были опубликованы после смерти, последовавшей в 1951 г.

Практически все перечисленные выше положения разделялись В.И.Вернадским, который, несомненно был знаком с ними в результате личного общения с Леруа и Тейяр де Шарденом. Воззрения Вернадского на ноосферу отличались тем, что он решающее значение придавал научному познанию законов организации биосферы, трансформации ее под влиянием деятельности человека, а так же сознательной деятельности по ускорению становления ноосферы. Однако последнее обстоятельство относилось в большей степени к будущему, нежели к настоящему, которое он воспринимал достаточно критично.

В.И.Вернадский обратился к идее ноосферы в конце своей жизни – основная его работа по этой проблеме была опубликована в 1944 г. (Вернадский, 1989). Его представления трудно назвать "учением о ноосфере". Это скорее общая концепция о закономерности развития биосферы в состояние, контролируемое человеческим разумом. Представления Вернадского о ноосфере по многим позициям близки к развивавшимся Тейяр де Шарденом. Истинные воззрения Вернадского на ноосферу оценить сложно – он был верующим человеком, но, естественно, воздерживался от противостояния официальной идеологии построения коммунизма в одной стране (с работами К.Маркса, по собственному признанию, он был знаком недостаточно). Труды Вернадского, как и Тейяр де Шардена, не были признаны при жизни, хотя “Сталинский план преобразования природы” целиком укладывался в ноосферные представления Вернадского. "Учение о ноосфере" было востребовано позднее, когда официальная коммунистическая доктрина о построении коммунизма была скомпрометирована и возникла необходимость в ином, естественнонаучном ее обосновании. Этому способствовала и вера Вернадского в неограниченные возможности научно-технического прогресса, реальности достижения полной независимости человечества от природы, перехода его к автотрофности. Экологический авантюризм обосновывался необходимостью ускорения наступления ноосферы путем разумного преобразования природы. Положение о возможности сознательного, разумного превращения биосферы в ноосферу, казалось, уже само по себе исключает неблагоприятные последствия подобного развития. Из объективного характера трансформации биосферы в ноосферу был сделан вывод о возможности гармонического сосуществования человека и природы и, как следствие, о коэволюции природы и общества. Это "достижение" отечественной экологии, не соответствующее ни историческому опыту, ни законам эволюции, вошло во многие учебники. Оно было подвергнуто критическому анализу в работе В.И.Данилова-Данильяна (1998), показавшего полнейшую научную несостоятельность такой "коэволюции".

Следует различать научные аспекты представлений о ноосфере Тейяр де Шардена и Вернадского от их интерпретаций как со стороны теософов, так и "марксистко-ленинских" материалистов. Как научная концепция, она описывает "гоминизированный" этап развития биосферы и представляет учение, связывающее естествознание (биосферологию) с наукой об обществе, неизбежность слияния которых в единую науку предсказывал еще Карл Маркс. Как всякое отражение объективной реальности, ноосферология имеет свои законы и принципы, основанные на изучении периодов становления ноосферы. На основании их можно предположить развитие ноосферных тенденций биосферы в будущем. В частности, современный мир находится на грани глобального экологического кризиса, о приближении которого человечество не подозревало 40-50 лет тому назад. Не исключено, что этот кризис, если его не удастся предотвратить, приведет к диссипативному изменению траектории развития биосферы. Как всякий объективный процесс, ноосферогенез не зависит от воли человека, хотя его темпы могут быть изменены разумной деятельностью. Согласно закону прохождения фаз развития, для становления ноосферы требуются определенные предпосылки, уровень развития человечества, о которых мы не имеем представления. Как показал опыт "перехода от феодализма к коммунизму", минуя стадию развитого капитализма, нельзя насиловать историю. И дело не в материально-технических возможностях, в конечном счете, – это дело "техники". Дело – в психологии человека. Грандиозный эксперимент по построению коммунизма был взорван изнутри силами, которые именовались "частнособственническим перерождением". Россия, фактически, возвратилась в исходную точку (в точку "альфы"?), несмотря на атомные электростанции, спутники и прочие достижения научной мысли.