Возникновение и развитие биосферы

Учение В.И. Вернадского о биосфере

Одним из выдающихся естествоиспытателей, который посвятил себя изучению протекающих в биосфере процессов, был академик В.И.Вернадский. Он стал основоположником научного направления, названного им биогеохимией, которое легло в основу современного учения о биосфере.

В. И. Вернадский доказал, что, как бы слаб ни был каждый организм в отдельности, все они, вместе взятые, на протяжении длительного отрезка времени выступают как мощный геологический фактор, играющий существенную роль в жизни нашей планеты. Геологическая деятельность живых организмов проявляется как следствие следующих их особенностей: они теснейшим образом связаны с окружающей средой и взаимодействуют с ней в процессе обмена веществом и энергией; обмен веществ организмов со средой осуществляется в процессе биологического круговорота; суммарный эффект результатов деятельности организмов проявляется на протяжении очень длительных (в сотни миллионов лет) отрезков времени.

В 1926 году Вернадский опубликовал в Ленинграде книгу под названием «Биосфера», которая ознаменовала рождение новой науки о природе, о взаимосвязи с ней человека. В этой работе биосфера впервые показана как единая динамическая система, населенная и управляемая жизнью, живым веществом планеты. «Биосфера - организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью». В работах по биосфере ученый показал, 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 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 - миграция химических элементов в биосфере.

Биосфера представляет собой сложнейшую планетарную оболочку жизни, населенную организмами, составляющими в совокупности живое вещество. Это самая крупная (глобальная) экосистема Земли - область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете. Совокупная деятельность живых организмов в биосфере проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км), верхнюю часть литосферы (кора выветривания) и всю гидросферу до глубинных слоев океана. В. И. Вернадский отмечал, что «пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни». Предел протяженности биосферы на Земле выражается цифрой 33-35км, хотя теоретически он может быть более широким.

Вещественный состав биосферы также разнообразен. В. И. Вернадский включает в него семь глубоко разнородных, но геологически не случайных частей: живое вещество; биогенное вещество (рождаемое и перерабатываемое живыми организмами); косное вещество, образуемое без участия живых организмов; биокосное вещество (косное вещество, преобразованное живыми организмами); вещество радиоактивного распада; рассеянные атомы земного вещества и космических излучений; вещество космического происхождения в форме метеоритов, космической пыли и др. Разрабатывая учение о биосфере, В.И. Вернадский пришел к выводу, что главным трансформатором космической энергии является зеленое вещество растений.

 

Возникновение и развитие биосферы

Живое вещество всегда, в течение всего геологического времени, было и остается составной частью биосферы, источником энергии, ею захватываемой из солнечных излучений,- веществом, находящимся в активном состоянии, имеющим основное влияние на ход и направление геохимических процессов химических элементов во всей земной коре.

(В. И. Вернадский)

Так как речь идет о самых ранних этапах нашей планеты, очень слабо пока освещенных как геохимическими, так и геологическими данными, то накопление информации о первичных формах жизни происходит очень медленными темпами, и мы еще долго будем ограничены при рассмотрении проблем генезиса биосферы теоретическими разработками и косвенными фактами и наблюдениями, значение которых в выборе той или иной теоретической модели может быть достаточно весомым, но ни в одном случае не может быть решающим.

Рационалистический подход к проблеме происхождения жизни, как уже говорилось, независимо предложенный А. И. Опариным в 1924 г. и Дж. Холдейном в 1929 г., породил лавину исследований как теоретического, так и экспериментального направления, целью которых было исчерпать все мыслимые возможности сочетания условий на формирующейся планете и, последовательно повторив их в лабораторных условиях, хотя бы в общих чертах восстановить стадии перехода от высокоактивных органических соединений к первому простейшему организму.

В. И. Вернадский не мыслит возникновения жизни как единичного живого объекта, как живой отдельности, жизнь, по его мнению, с самого своего возникновения связана с биосферой, проблема происхождения жизни на Земле есть одновременно проблема возникновения биосферы.

Жизнь, следовательно, сразу же возникает в совокупностях разнообразных форм, находящихся в сложных отношениях друг к другу и к окружающей среде. Системность взгляда на проблему ощущается во всей ее мощи, и интересных задач для будущего исследования такой подход ставит много больше, чем линейная схема А. И. Опарина.

Прежде всего, об исторической неразрывности возникновения жизни и образования биосферы. Сейчас мы имеем все основания полагать, что жизнь возникла в водной стихии, так как в противном случае она не была бы защищена от губительного коротковолнового ультрафиолетового облучения. Наличие воды на первичной Земле, хотя бы в небольших количествах, пригодных для возникновения жизни, в свете современных представлений сомнений не вызывает. Водный слой толщиной в 10-12 м уже образует экран, способный защитить жизнь от проникающего излучения, которое ставит в то же время пределы ее дальнейшему распространению.

Концентрация живого вещества в воде до эпохи образования озонового экрана, возникающего в ходе образования кислородной атмосферы, автоматически должна привести нас к заключению о том, что биосфера делает свои первые шаги также в водной среде. Таким образом, на первых порах она пространственно однородна и, можно думать, структурно обеднена по сравнению с современной, включая лишь два структурных компонента — живое вещество и косное вещество.

Распространяясь в его пределах и дифференцируясь по разным экологическим нишам, живое вещество до выхода на сушу имело достаточно времени, чтобы заполнить эти ниши и образовать равновесное состояние, при котором эволюция живого вещества до расширения биосферы и выхода в новую сухопутную среду шла, надо думать, чрезвычайно медленно. Таким образом, хотя биосфера возникла вместе с жизнью, но, как и жизнь, она не возникла в современной своей форме и испытала значительные модификации до геологической эпохи фанерозоя — эпохи явной жизни, начавшейся около 600 миллионов лет назад. Дальнейшие этапы формирования современной структуры биосферы — распространение ее на сушу и образование ее пространственной неоднородности, складывание современной структуры биосферы и появление биокосного, а затем и биогенного вещества, реконструируются с не меньшей предположительностью и без твердой опоры на определенно установленные факты.

Предполагается, что первыми организмами, перешедшими к фотосинтезу, были сине-зеленые водоросли, которые и начали создавать кислородную атмосферу планеты, но весьма вероятно, что процесс ее образования шел крайне медленно: во всяком случае, только начиная с самого раннего кембрийского периода фанерозоя мы сталкиваемся с мощными следами наземной жизни, что говорит уже о наличии озонового экрана, защищающего наземное живое вещество от космической радиации. Любопытно, что начиная с этого же периода фиксируются многочисленные находки остатков животных со скелетными образованиями. Наиболее вероятная последовательность возникновения фундаментальных структурных уровней рисуется сейчас в виде двух этапов. Соображения В. И. Вернадского о возникновении жизни в виде сложного комплекса организмов и биогенных условий, по-видимому, правильны и подтверждаются всем последующим развитием науки. Таким образом, биосферный структурный уровень живой природы следует считать первичным, одним из древнейших. Возникновение жизни нельзя рассматривать как появление первого организма, ее можно рассматривать только как появление совокупности организмов.

Эволюцию биосферы Земли можно представить в виде трех последовательно сменяющихся этапов.

Первый этап – восстановительный. Он начался в космических условиях и завершился появлением на Земле первой гетеротрофной биосферы. На этом этапе протекали каталитические и радиохимические реакции синтеза сложных органических соединений, отсутствовал свободный кислород, основным источником живых организмов была радиация. Этот период, вероятно, был коротким по времени.

Второй этап – слабоокислительный – характеризовался появлением фотосинтеза. Он длился более 2 млрд. лет и закончился около 1.8 млрд. лет назад. Свободного кислорода образовывалось еще мало, и атмосфера состояла из углекислого газа.

Третий этап – окислительный – связан с появлением фотоавтотрофной биосферы. Он начался с медленного роста содержания кислорода в атмосфере и завершился значительным ускорением эволюции организмов. Увеличение продукции кислорода привело к появлению растительного покрова и животных на континентах, что резко увеличило продукцию фотосинтеза. Под воздействием живого вещества сформулировался современный химический состав атмосферы и растворенного вещества гидросферы.

Биологическая эволюция, будучи необратимым процессом, предопределила необратимость эволюции биосферы в целом и создала предпосылки для ее перехода в качественно новое состояние - ноосферу, или сферу разума, когда все происходящие в биосфере изменения контролируются человеком.