Теоретическая часть

Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) по праву может быть причислен к плеяде отечественных философов науки, потому что во всех его исследованиях присутствует не только научная постановка проблем и научный контекст, но и философская рефлексия над процессами, которые раскрывает наука переднего края, осмысление ее методологии. Он был новатором, создавшим отрасли геохимии, биохимии и радиогеологии, разработал учение о биосфере, что явилось одним из крупнейших достижений мировой науки первой половины XX в., а также рассматривал процесс перехода биосферы в ноосферу. Примечательно, что собственное мировоззрение ученый характеризовал как философский скепсис.

Родившись в Петербурге в семье профессора политической экономии, Вернадский получил первоначальное образование в Петербургской классической гимназии, считавшейся одной из лучших в России. В ней очень хорошо преподавались языки, история, философия. В дальнейшем он читал литературу на пятнадцати языках, а некоторые свои статьи писал по-французски, по-английски и по-немецки. Высшее образование Вернадский получил на физико-математическом факультете Петербургского университета, где его профессорами были светила русской науки Менделеев, Сеченов, Бутлеров. Вехи биографии ученого включают в себя пребывание в должности хранителя Минералогического кабинета Московского университета, защиту докторской диссертации (1887), степень профессора Московского университета, избрание членом Государственного совета от Московского университета, титул экстраординарного академика. По инициативе и под председательством Вернадского создается комиссия по изучению естественных производительных сил России при Академии наук. В конце 1921 г. ученый основал в Москве Радиевый институт и был назначен его директором. В 1926 г. вышла в свет его знаменитая работа «Биосфера».

С понятием биосферы Вернадский связывал пленку жизни, возникшую на поверхности планеты, способную поглощать энергию космоса и трансформировать с ее помощью земное вещество. Сравнение Земли и Луны позволяет наглядно продемонстрировать эффективность живого вещества – биосферы. Сама биосфера как пленка жизни, окружившая внешнюю оболочку земли, многократно усилила и ускорила эволюционные процессы за счет способности утилизировать солнечную энергию. Живое вещество выступило в качестве катализатора процесса развития. Согласно выводам Вернадского, на протяжении всей истории Земли количество живого вещества было практически постоянным благодаря так называемым геохимическим циклам или круговоротам веществ в природе.

В рамках теоретической части рассматриваются три главы (третья, пятнадцатая и шестнадцатая) монографии В. И. Вернадского.

2.1. Часть 1. Геологическое и геохимическое проявление земли как планеты в солнечной системе и в млечном пути. Биосфера и связанные с ней геологические оболочки земли.

Глава III Общие понятия о биосфере.

Биосфера – геологическая оболочка Земли как планеты. Организованность ее. Живое вещество как ее геологическая функция. Астрономические условия ее существования неизменны в течение геологического времени. Биосфера начала формироваться не позднее, чем 3,8 млрд. лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы. Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как сказал В. И. Вернадский: «Человек становится могучей геологической силой».

Биосфера – резко ограниченная геологической земной оболочкой, имеющая определенную структуру, характерную для земных планет. Эту структуру удобно назвать организованностью, по характеру идущих в ней геологических процессов.

Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей. Планетный характер нашей Земли – основные астрономические элементы ее: наклон ее оси вращения к эклиптике, прежде всего, и расстояние ее в течение года от Солнца, одного из основных источников энергии биосферы и одного из основных регуляторов всех геологических, химических и биологических явлений в биосфере. Планетный характер Земли больше всего сказывается в биосфере. Климатические изменения в геологическом времени идут в биосфере в течение более 2 млрд. лет, причем жизнь в биосфере не уменьшается по своей мощности, но расширяется и проникает в новые, раньше безжизненные области планеты.

Биосфера – представляет собой область, где вода господствует и по массе, и по своему геологическому значению и где она свободно переходит из твердого в жидкое и газообразное состояние.

В работе [1] В.И. Вернадский проводит анализ энергетических источников составляющих частей вещества биосферы, который выделен в виде таблице 1.

Таблица 1 - Анализ энергетических источников составляющих частей вещества биосферы по книге «жизни» В. И. Вернадского

№	Части вещества биосферы Земли	Типы энергии
	Живое вещество	Биогеохимическая энергия
	Биогенное вещество	Чрезвычайно могучая потенциальная энергия
	Косное вещество	Носители свободной энергии на поверхности биосферы
	Биокосное вещество	Геохимическая энергия живого вещества – биогеохимическая энергия
	Вещество, находящееся в радиоактивном распаде	Энергия радиоактивного распада вещества
	Рассеянные атомы	Энергия изменения земного вещества под воздействием космического излучения
	Вещество космического происхождения	Разные формы космической энергии

На рисунках 1 и 2 (приложения 1 и 2) представлены блок-схемы семи составляющих частей вещества биосферы.

1. Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4…3,6·10¹² т (в сухом весе) и составляет менее одной миллионной части всей биосферы (ок. 3·10¹⁸ т), которая, в свою очередь, представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик Земли. Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широты.

2. Биогенное вещество — вещество, создаваемое и перерабатываемое живым организмом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д.

3. Косное вещество — твердое, жидкое и газообразное, из которых только газообразное и жидкое являются на поверхности биосферы носителями свободной энергии.

4. Биокосное вещество — вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.

5. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде в форме немногих относительно прочных радиоактивных элементов, причина распада которых нам неизвестна и может быть – это есть общее свойство всех химических элементов в меньшей степени. Это вещество, в такой форме дисперсно рассеянное, является одной из самых мощных сил, меняющих всю энергетику биосферы.

6. Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений, непрерывно охватывающих планету, по-видимому, из просторов Млечного Пути.

7. Вещество космического происхождения, среди которого мы можем различить, с одной стороны, отдельные атомы и, может быть, даже молекулы, входящие в ионосферу из электромагнитного поля Солнца, а с другой стороны, проникновение потока отдельных атомов и молекул, приходящих к нам из космических пространств, может быть того облака космической пыли, которое охватывает всю нашу Солнечную систему.

2.2. Часть 2. Геохимическая структура биосферы. Планетная роль живого вещества. Глава XV. Планетное значение жизни. Симметрия как геометрическое проявление эмпирических состояний пространства. Состояние пространства косных природных тел нашей планеты. Глава XVI Состояния пространства, отвечающие живому веществу.

Живое вещество — вся совокупность живых организмов в биосфере, вне зависимости от их систематической принадлежности.

Термин введён В. И. Вернадским.

Это понятие не следует путать с понятием «биомасса», которое является частью биогенного вещества.

Характеристики живого вещества

В состав живого вещества входят как органические (в химическом смысле), так и неорганические, или минеральные, вещества. Вернадский писал:

«Идея о том, что явления жизни можно объяснить существованием сложных углеродистых соединений – живых белков, бесповоротно опровергнута совокупностью эмпирических фактов геохимии... Живое вещество – это совокупность всех организмов».

Живое вещество развивается там, где может существовать жизнь, то есть на пересечении атмосферы, литосферы и гидросферы. В условиях, не благоприятных для существования, живое вещество переходит в состояние анабиоза.

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. – всегда стерически левые.

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.

Значение и функции живого вещества

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 транспортной 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.

Функции живого вещества:

1. Энергетическая функция

Поглощение солнечной энергии при фотосинтезе и химической энергии при разложении энергонасыщенных веществ, передача энергии по пищевым цепям.

В результате осуществляется связь биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле. Недаром Вернадский назвал зеленые хлорофилльные организмы главным механизмом биосферы.

Поглощенная энергия распределяется внутри экосистемы между живыми организмами в виде пищи. Частично энергия рассеивается в виде тепла, а частично накапливается в отмершем органическом веществе и переходит в ископаемое состояние. Так образовались залежи торфа, каменного угля, нефти и других горючих полезных ископаемых.

2. Деструктивная функция

Эта функция состоит в разложении, минерализации мертвого органического вещества, химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот, т.е. обусловливает превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещество биосферы.

Особо следует сказать о химическом разложении горных пород. «Мы не имеем на Земле более могучего дробителяматерии, чем живое вещество», — писал Вернадский. Пионеры жизни на скалах — бактерии, синезеленые водоросли, грибы и лишайники — оказывают на горные породы сильнейшее химическое воздействие растворами целого комплекса кислот — угольной, азотной, серной и разнообразных органических. Разлагая с их помощью те или иные минералы, организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие питательные элементы — кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы.

3. Концентрационная функция

Так называется избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов веществ для построения тела организма или удаляемых из него при метаболизме. В результате концентрационной функции живые организмы извлекают и накапливают биогенные элементы окружающей среды. В составе живого вещества преобладают атомы легких элементов: водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих эле­ментов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность химического состава биосферы и ее существенное отличие от состава неживого вещества планеты. Наряду с концентрационной функцией живого организма вещества выделяется противоположная ей по результатам — рассеивающая. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Напри­мер, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина крови рассеивается, например, через кровососущих насекомых.

4. Средообразующая функция

Преобразование физико-химических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в результате процессов жизнедеятельности в условиях, благоприятных для существования организмов. Эта функция является совместным результатом рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота; деструктивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для живых организмов элементов. Очень важно отметить, что в результате средообразующей функции в географической оболочке произошли следующие важнейшие события: был преобразован газовый состав первичной атмосферы, изменился химический состав вод первичного океана, образовалась толща осадочных пород в литосфере, на поверхности суши возник плодородный почвенный покров. «Организм имеет дело со средой, к которой не только он приспособлен, но которая приспособлена к нему», — так характеризовал Вернадский средообразующую функцию живого вещества.

Рассмотренные четыре функции живого вещества являются главными, определяющими функциями. Можно выделить еще некоторые функции живого вещества, например:

— газовая функция обусловливает миграцию газов и их пре­вращения, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др. Хорошо видно, что газовая функция является совокупностью двух основополагающих функций — деструктивной и средообразующей;

— окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении главным образом тех веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца, азота и др.). При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления. Обычно окислительная функция живого вещества в биосфере проявляется в превращении бактериями и некоторыми грибами относительно бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере в более богатые кислородом соединения. Восстановительная функция осуществляется при образовании сульфатов непосредственно или через биогенный сероводород, производимый различными бактериями. И здесь мы видим, что данная функция является одним из проявлений средообразующей функции живого вещества;

— транспортная функция - перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. Еще со времен Ньютона известно, что перемещение потоков вещества на нашей планете определяется силой земного тяготения. Неживое вещество само по себе перемещается по наклонной плоскости исключительно сверху вниз. Только в этом направлении движутся реки, ледники, лавины, осыпи.

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».

За счет активного передвижения живые организмы могут перемещать различные вещества или атомы в горизонтальном направлении, например за счет различных видов миграций. Перемещение, или миграцию, химических веществ живым веществом Вернадский назвал биогенной миграцией атомов или вещества.