Биосфера - живая оболочка земли

Лекция 6

Вернадский В. И. о биосфере

Биосфера и космос

Живая оболочка Земли собирает из небесных пространств бесконечное число излучений, из которых видимые нам - являются лишь их ничтожной частью. «Лик Земли становится видным благодаря проникающим в него световым излучениям небесных светил, главным образом Солнца», - писал В. И. Вернадский (1926). Из невидимых излучений, охватывающих все мыслимое пространство, нам известны пока немногие; их значение в биосфере едва начинает осознаваться. Почти невозможно представить космическую среду мира, в которой мы живем, и сейчас мы далеки от удовлетворительного ее познания. Исходя из изучения длины волны, различают огромную область космических излучений. Эта область, по оценкам В. И. Вернадского, «охватывает сейчас около сорока октав», причем видимая часть солнечного спектра является лишь одной из них. Космические лучи, принимаемые нашей планетой и строящие ее биосферу, лежат в пределах четырех с половиной октав солнечного света: одна октава световых, три - тепловых и половина октавы – ультрафиолетовых лучей.

Рис. 6.2. Распространение жизни в биосфере (по Е. А. Крискунову и др., 1995)

Ультрафиолетовые коротковолновые излучения (180 -200 нм) в значительной мере задерживаются в разреженной части атмосферы - стратосфере (лат. stratum - настил, второй слой). Здесь происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходят ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц, различных свечений. Коротковолновые излучения разрушают все живое, в то время как длинноволновые организмам не вредят. Задерживая коротковолновое излучение, стратосфера охраняет от него область жизни. Поглощает эти лучи главным образом озоновый экран. Интересно, что образование самого озонового слоя обусловлено появлением кислорода - продукта жизни. Жизнь, создает биохимическим путем свободный кислород, тем самым создает защитный экран озона, предохраняющий биосферу от губительных излучений. Как бы ни разрушался озон, он постоянно восстанавливается из кислорода, который поступает в нижние слои атмосферы в достаточном количестве.

Инфракрасные тепловые излучения Солнца необходимы для существования жизни. Тепловая энергия Солнца превращается на Земле в механическую, химическую, электрическую и другие виды энергии. Проявления этих превращений видны на каждом шагу: фотосинтез, жизнь организмов, движение ветра, морских течений и рек, разрушение скал, работа осадков и т. д. Атмосфера, океан, озера, реки, дождь и снег - все это аппарат, который производит колоссальную работу по трансформации тепловой энергии.

Однако как ультрафиолетовые, так и инфракрасные лучи Солнца участвуют в биохимических процессах только косвенным путем. Энергия «извлекается» из солнечной радиации «живым веществом» Земли.

Видимый свет - основной источник жизни на планете. Почему же лишь малая часть космических излучений ответственна за процесс фотосинтеза, от которого зависит жизнь на Земле? Вся биологическая активность связана в основном с одними и теми же длинами волн видимого света (380 - 750 нм). Полагают, что это не случайно. Существуют две гипотезы.

Согласно первой гипотезе, живое вещество состоит из огромных молекул, конфигурация которых поддерживается в основном водородными и другими слабыми связями. Коротковолновые излучения с мощной энергией разрушают эти связи и выбивают электроны из атомов (ионизирующее излучение). Энергия же излучения с длиной волны больше, чем у видимого света, активно поглощается водой, которая составляет основную долю массы живых организмов. Длинноволновые лучи не могут изменить струк­туру органических молекул. Только средневолновое излучение видимой части спектра способно вызывать необходимые изменения в биологических системах.

Вторая гипотеза предполагает, что видимый свет был «выбран» организмами как наиболее доступный. Основная часть солнеч­ного света, достигающего нашей планеты, лежит в пределах именно этой области. Коротковолновое излучение экранируется озоном, а значительная часть длинноволновой инфракрасной радиации поглощается водяными парами и углекислым газом, не успевая достигнуть земной поверхности.

Видимый свет создает «приспособленность окружающей среды» для жизни. Пригодность условий для жизни и соответствие живых систем физическим условиям среды - явления взаимосвязанные. Если бы эта взаимосвязь отсутствовала, то жизнь была бы невозможной.

С космическими излучениями биосфера получав • новые, неизвестные для земного вещества свойства и формирует измененную силами космоса картину земной поверхности. Вещество биосферы благодаря им становится активным и распределяет аккумули­рованную солнечную энергию, превращая ее в другую, способную производить работу.

Живое вещество

По мнению В. И. Вернадского, «живой организм» биосферы должен изучаться целиком как особое тело. Через организмы регулируются все химические процессы на поверхности планеты. Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих земную кору. Из них организмы создают миллионы разнообразнейших соединений, и этот процесс длится без перерыва сотни миллионов лет. Чем больше изучаются химические явления на земной поверхности, тем больше доказательств того, что нет случаев, где бы они были независимы от жизни. Становится ясным, что прекращение биологической жизни привело бы к прекращению и геохимической жизни. Установилось бы химическое спокойствие, которое временами нарушалось бы лишь привнесением из земных глубин газов, лав и других веществ. Но эти вещества быстро приняли бы формы, характерные для безжизненной планеты. И даже нагревание Солнцем и деятельность воды мало изменили бы картину, ибо с прекращением жизни исчез бы свободный кислород, увеличилось бы содержание углекислого газа в атмосфере. Да и вода, лишенная биогенного кислорода, при температуре и давлении на поверхности Земли, в инертной газовой среде стала бы химически безразличным телом. Так жизнь является великим нарушителем спокойствия, инертности и косности нашей планеты

Зеленые растения - это та часть единого «живого вещества», которая непосредственно использует солнечные лучи и создает энергетически активные химические соединения, т. е. «живое вещество» первого порядка. Даже по своей морфологии (гр. morphе - форма) зеленые организмы приспособлены к исполнению своей космической функции - улавливанию солнечного луча. Свет как будто лепит формы листа, как из пластичного материала. Условия биосферы обеспечивают встречу луча с зеленым растением.

Эволюция биосферы

Начало эволюции (лат. evolutio - развитие) - это начало жизни. В. И. Вернадский считал жизнь явлением вечным, подобно мате­рии или энергии. Хотя в основе его учения о биосфере и лежат представления о глубочайшей взаимосвязи живого и неживого, он полагал, что барьер между косной и живой материей непроходим.

Возникновение жизни на Земле - вопрос дискуссионный. По мнению В. И. Вернадского, в обозримой геологической истории образование живого вещества из неживого на Земле произойти не могло. Отправной точкой его воззрении в этой области был принцип, сформулированный флорентийским врачом Франческо Реди в 1668 г.: «Все живое от живого». Доказательство тому он видел в работах Л. Пастера и П. Кюри об особенностях молекулярного строения органического вещества. Живое вещество обладает свойством оптической диссимметрии (гр. dys - нарушение, symmetric - зеркальное расположение), т. е. является фильтром способным отделять правовращающие молекулы от левовращающих. Благодаря концентрации молекул одинаковой симметрии живое вещество способно поляризовать световые лучи. В неживом веществе молекулы, поляризующие свет, могут быть смешаны в произвольных пропорциях. В. И. Вернадский уделял большое внимание этому факту, высказав гипотезу о том, что диссимметричные структуры стабильны в основном в живом веществе.

Отстраняясь от каких-либо экстраполяции и гипотез, основываясь только на эмпирических (гр. empeiriа - опыт) обобщениях, он говорил, что на Земле нет условий, которые могли бы обеспечить возникновение жизни не биогенным путем из косного вещества, т.е. нет условий для абиогенеза (гр. abiogenesis - небиологическое происхождение). Позднее, под влиянием успехов в абиогенном синтезе органических веществ, он склонялся к признанию абиогенеза, но не одного какого-то вида, а сразу комплекса организмов разных геохимических функций и в условиях, предшествовавших геологическому времени. В 1931 г. он утверждал, что «принцип Реди» безусловно верен, но справедлив лишь в условиях биосферы и даже считал возможным абиогенез в нынешних условиях, который, однако, нельзя наблюдать в силу недостаточности уровня знаний. В своей работе «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения», опубликованной впервые в 1965 г., он писал: «Надо искать не следов начала жизни на нашей планете и вообще на планетах, но материально-энергетические условия для проявления планетной жизни». Таким образом, В. И Вернадский в последних своих работах допускал идею абиогенеза в опреде­ленных условиях догеологической истории планеты.

Для В. И. Вернадского было несомненным существование

биосферы в течение 2 млрд. лет, но была ли она раньше - он – сомневался. Теперь возраст биосферы, по последам косвенным данный оценивается приблизительно в 4 млрд. лет.

"За последние полвека накоплено много материалов, расширяющих наши познания о появлении жизни на Земле.

Во-первых, можно считать доказанным отсутствие жизни на Марсе и Венере, на которых В. И. Вернадский предполагал возможность существования живого вещества. Теперь изучено достаточно много космической материи, состоящей из различных смесей право- и левовращающих молекул. Результаты доказывают, что земная жизнь не привнесена на Землю с ближайших планет.

Во-вторых, получены и достаточно хорошо изучены природные органические вещества абиогенного происхождения. В книге М. Руттена (1974) описаны опыты по получению аминокислот из водорода, аммиака и метана в бескислородной среде под действием электрических разрядов и ультрафиолетового излучения. В России подобные опыты проводил А. И. Опарин (1936). Вскоре такие соединения были обнаружены в грозовых тучах после молний и в стерильно отобранных горячих вулканических пеплах (Е. К. Мархинин, 1980). При этом в одинаковых по химическому составу органических веществах биогенного и абиогенного происхождения наблюдается диссимметрия, т. е. всегда преобладает одна группа молекул, чаще всего левовращающих. Эти факты указывают на стирание граней между живым веществом и его абиогенными аналогами. Поэтому ученые второй половины XX века (А, И. Опарин, Дж. Бернал, М. Руттен, Р. С. Юнг и др.), не допуская занесения жизни на Землю с других планет, признавали абиогенез на Земле.

По-видимому, абиогенез мог происходить в условиях, отличных от ныне существующих, при первичной бескислородной атмосфере. В настоящее время проблема сводится к выяснению времени превращения абиогенных органических соединений в биогенные и к выяснению причин появления резко диссимметричной структуры ДНК в живом веществе. Вероятно, что нарушение зеркальной симметрии - необходимый этап эволюции. Физик В. И. Гольданский (1986) считает, что появление диссимметрии в органическом веществе уже обеспечивает возможность начальных форм размножения. В последние годы, однако, получают подтверждение идеи В. И. Вернадского и о возможном космическом происхождении живого вещества. Исследования в Антарктиде обнаружили большое количество метеоритов на поверхности льда, В них были найдены различные аминокислоты, нуклеотиды, которые не могли образоваться во льдах Антарктиды. Можно предполагать, что абиогенные органические вещества существуют и в далеких космических просторах. Таким образом, если не живое вещество, то его «матрица» в виде абиогенного органического вещества существует в космосе и может переноситься на звездные расстояния. Поэтому идею В. И. Вернадского о «вечности» жизни в современном представлении можно сформулировать так: жизнь -это этап эволюции материи, возможность, присущая всем пространствам и временам.

Академик Н. Н. Моисеев (1994) высказывает такую точку зрения: картину мира можно представить как эволюцию единой системы - Вселенной - от начального взрыва до появления живого вещества и разума, а в конце концов и общества. Развитие этой системы происходит за счет внутренних взаимодействий, присущих самой системе. Имеет место грандиозный процесс самоорганизации, в котором появление живого вещества является одним из важнейших этапов. В пользу этого говорят последние исследования в физике. Обнаружено, что мировые константы (скорость света, гравитационная постоянная и др.) обладают удивительным свойством. Их изменение даже на малые доли процента привело бы к такому изменению мирового процесса самоорганизации, которое исключило бы появление структур, дающих возможность возникновения живого вещества (как Солнечная система, например). Иными словами, «живое вещество» определяет вел тины мировых констант, а мировые константы дают возможность возникновения живого вещества. Этот парадокс заставляет трактовать роль живого вещества в мироздании по-иному: мир таков потому, что мы есть. Следовательно, можно предполагать, что «Вселенная, может быть, является не самостоятельной системой, а лишь составляющей некой суперсистемы, в которой одним из принципов отбора является возможность появления живого вещества» (Н. Н. Моисеев, 1994).

В допущениях абиогенеза на нашей планете на уровне предположений остается этап перехода от косного к живому веществу, который знаменуется появлением метаболизма (гр. metabole - перемена) и размножения. С этого момента возникает процесс переноса энергии и информации из поколения в поколение.

Эволюция живого вещества шла по пути усложнения структуры биологических сообществ, увеличения число видов и совершенствования их приспособленности.

Усложнение жизни связано с развитием многоклеточных организмов. В этом отношении наиболее признана колониальная гипотеза. Считают, что образовавшиеся в результате деления клетки не разошлись в пространстве, а образоваликолонии. Позже в клетках возникли различия в химическом составе, а затем и в функциональной специализации. Многоклеточные организмы совершенствовались и приобретали различия в течение многих миллионов лет. Совершенствовался круговорот веществ в непрерывном обмене веществом и энергией между организмами и средой, в процессах рождения и смерти. Завладевая все новыми областями земной коры, организмы приспосабливались к новым физико-химическим условиям, что неизбежно приводило к гибели части организмов и дальнейшему естественному отбору. Эволюционный процесс сопровождался повышением эффективности преобразования энергии и вещества организмами, популяциями и сообществами. И в этой эволюции четко прослеживается постепенное развитие и усложнение нервней системы. Достигнутый уровень мозга, - писал В. И. Вернадский, - не идет уже вспять - только вперед. Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, ознаменовавший своим появлением новый этап развития жизни - антропогенез (гp. antropos - человек) (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Эволюция биосферы

Появление человека привело к ускорению процесса эволюции биосферы. В истории антропогенеза неоднократно происходили качественные перестройки. В первой половине каменного века - палеолите (гр. palaios - древний, lithos - камень) у человека сформировались зачатки нравственности. Стадо антропоидов постепенно стало превращаться в человеческое общество. Естественный отбор перешел с уровня организма на уровень племен, народов, цивилизаций. Нечто подобное произошло и во второй половине каменного века - неолите (гр. neos - новый): преодолев глобальный экологический кризис, который привел к исчезновению крупных копытных, в том числе мамонтов, люди освоили земледелие и скотоводство, создали новую экологическую нишу.

Выходы из кризисов происходили естественным путем, и на них уходили десятки тысяч лет. Человечество все активнее перестраивало экосистемы, все больше вовлекало в биогеохимические циклы запасы планеты - остатки былых биосфер. В. И. Вернадский воспринимал все это как естественный процесс развития, в 1925 г. он писал: «Измененная культурой поверхность не есть что-то чуждое Природе и в ней наносное, но есть естественное и неизбежное проявление жизни как природною явления». Анализируя возможности все возрастающей мощи цивилизации, он пришел к выводу о том, что человечеству как разумной части живого вещества придется взять на себя ответственность за будущее планеты. Будущее требует активного вмешательства разума в судьбу биосферы. Во взаимодействии природы и общества все должно измениться: и биогеохимические циклы, и способность природы обеспечивать потребности человечества, а может быть, и природа самого человека и общества. Все это должно делаться целенаправленно с участием разума.

Новое состояние биосферы ученый назвал ноосферой (гр. noos - разум). Термин был введен Эдуардом Леруа (1927), позднее им широко пользовался Пьер Тейяр де Шарден (1930).

Библиографический список

1. Цветкова Л.И., Алексеев М.И., Усанов Б.П. и др. Экология / Под ред. Л.И. Цветковой. – М.: Изд-во АСВ; СПб.: Химиздат, 1999. – 488 с.

 

 

Дополнительные материалы

Важнейшей частью учения В. И. Вернадского о биосфере являются представления о ее возникновении и развитии.

 

Биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов. Первыми формами жизни, по-видимому, были анаэробные бактерии, затем в процессе развития живого вещества появились фотосинтезирующие автотрофы, настоящие водоросли, наземные растения и животные. В кратком виде идеи В. И. Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом:
1) вначале сформировалась литосфера – предвестник окружающей среды, а затем после появления жизни на суше – биосфера;
2) в течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные (лишенные жизни) геологические эпохи. Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох;
3) 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»;
4) грандиозный геологический эффект деятельности организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени;
5) основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.

 

Согласно учению В. И. Вернадского (1863 – 1945), биосферу слагают следующие категории веществ: живое, биогенное, биокосное и косное. Особой категорией является биокосное вещество. В. И. Вернадский считал, что оно создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя силы динамического равновесия тех и других. Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль. Биокосным веществом биосферы являются почва, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности живого вещества.

 

Живое вещество – это совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, вне зависимости от их систематической принадлежности. Живое вещество характеризуется определенным биологическим и химическим составом; на 98% оно представлено биомассой растений, грибов и микроорганизмов суши. Животные составляют только 1,4% общей массы живого вещества, при этом в биомассе океана на долю животных приходится 93,7%, в биомассе суши – 0,8%.

 

Общее количество видов в биосфере определяют в пределах от 5 до 30 млн. Достоверно описано около 1,8 млн видов, из них две трети приходится на насекомых. Считается, что почти три четверти (74% известных и неизвестных диких видов животных и растений мира) обитает в областях тропического климата, причем, по подсчетам биологов, по меньшей мере 50% видов обитают в тропических лесах, которые в настоящее время быстро сокращаются и нарушаются. На долю умеренного климата приходится 24%, полярного – 2% мирового видового разнообразия.

 

Одним из основных свойств живого вещества, обусловливающих его высокую средообразующую деятельность, является стремление заполнить собой все окружающее пространство.

К основным уникальным особенностям живого вещества, обусловливающим его крайне высокую средообразующую деятельность, можно отнести стремление заполнить собой все окружающее пространство, или «всюдность жизни», по В. И. Вернадскому. Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением (например, гриб-дождевик гигантский при отсутствии факторов, ограничивающих его потенциальные возможности размножения, уже во втором поколении в 800 раз превысил бы размеры нашей планеты), так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ. Так, площадь листьев растений на 1 га составляет 8–10 га и более.

Верхняя граница биосферы, проходящая в атмосфере, обусловлена таким фактором, как ультрафиолетовое излучение.

Фактором, ограничивающим распространение жизни в атмосфере, является ультрафиолетовое излучение Солнца, убивающее живые организмы. Верхней границей биосферы служит защитный озоновый слой, имеющий максимальную плотность озона на высоте 20–25 км и задерживающий ультрафиолетовые лучи.

Вещество, которое создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя силы динамического равновесия тех и других, В. И. Вернадский характеризовал как биокосное вещество.

Главными составными частями живого вещества являются широко распространенные в природе химические элементы: водород, углерод, кислород, азот, фосфор и сера, атомы которых в соединении с водой и минеральными веществами создают в живых организмах сложные молекулы – белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. Однако средний элементарный состав живого вещества отличается от состава земной коры и гидросферы высоким содержанием углерода (см. рис.).

Соотношение химических элементов в живом веществе, гидросфере, литосфере и в массе Земли в целом

 

Живые организмы не повторяют состава среды своего обитания, они избирательно поглощают элементы, необходимые для построения своих тканей.

Причин необходимости сохранения биоразнообразия много: потребность в биологических ресурсах для удовлетворения нужд человечества (пища, материалы, лекарства и др.), этический и эстетический аспекты (жизнь самоценна) и т.д. Однако главная причина сохранения биоразнообразия состоит в том, что оно выполняет ведущую роль в обеспечении устойчивости экосистем и биосферы в целом (поглощение загрязнений, стабилизация климата, обеспечение пригодных для жизни условий). Биоразнообразие выполняет регулирующую функцию в осуществлении всех биогеохимических, климатических и других процессов на Земле. Биологическое разнообразие – это основа функционирования экосистем, от которой зависят дикие виды, а также люди. Принцип стабильности экосистем гласит: видовое разнообразие обеспечивает стабильность (устойчивость) экосистем. Каждый вид, каким бы незначительным он ни казался, вносит свой вклад в обеспечение устойчивости не только «родной» локальной экосистемы, но и биосферы в целом.

 

Живое вещество биосферы представляет собой сочетание различных биологических систем разной структурной упорядоченности и разного организационного положения. Выделяют разные уровни существования живого вещества – от крупных молекул до крупных многоклеточных организмов, от биологических микросистем до макробиосистем. Самым низким уровнем, на котором биологическая микросистема проявляется в виде функционирования биологически активных крупных молекул (белков, нуклеиновых кислот, углеводов), является молекулярный. С этого уровня наблюдаются свойства, характерные исключительно для живой материи: обмен веществ, протекающий при превращении лучистой и химической энергии; передача наследственности с помощью ДНК и РНК.

 

По мнению В. И. Вернадского, высший тип целостности, управляемый за счет тесной взаимосвязи законов природы, мышления и социально-экономических законов общества, является ноосферой.

Понятие ноосферы было введено в употребление Э. Леруа и П. Тейяром де Шарденом в 1927 г. Они характеризовали ноосферу как особый, надбиосферный «мыслительный пласт», который «окутывает планету». В 30–40-х гг. В. И. Вернадский дальше развил и углубил учение о ноосфере. Он понимал под ноосферой качественно новую форму организованности, которая возникла в результате взаимодействия биосферы и общества как новое эволюционное состояние биосферы. По Вернадскому, ноосфера – высший тип целостности, управляемый за счет тесной взаимосвязи законов природы, мышления и социально-экономических законов общества.
По мнению В. И. Вернадского, ноосфера – это высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного общества, с периодом, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития.
Четыре основных положения учения В. И. Вернадского о ноосфере:
1) ноосфера – исторически последнее состояние геологической оболочки биосферы, преобразованной человеком;
2) ноосфера – сфера разума и труда;
3) изменения в биосфере обусловлены как сознательной, так и бессознательной деятельностью человека;
4) дальнейшее развитие ноосферы связано с развитием социально-экономических факторов: мир, наука (мирные условия существования и развитие науки).

 

Лекция 6

Вернадский В. И. о биосфере

Биосфера - живая оболочка земли

Автором термина «биосфера»является французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк, который употребил его в 1803 г. в труде по гидрогеологии Франции для обозначения совокупности организмов, обитающих на земном шаре. Затем термин был забыт. В 1875 г. его «воскресил» профессор Венского университета геолог Эдуард Зюсс (1831 - 1914) в работе о строении Альп. Он ввел в науку представление о биосфере как особой оболочке земной коры, охваченной жизнью. В таком общем смысле впервые в 1914 г. использовал этот термин и В. И. Вернадский в статье об истории рубидия в земной коре.

Учение В. И. Вернадского о биосфере было еще впереди. Его книга «Биосфера», переведенная затем на французский и английский языки, вышла в 1926 г. Статьи по этой тематике он публиковал до конца жизни. Изучение геохимической роли живого вещества В. И. Вернадский считал своей основной научной задачей. Но его главные мысли о биосфере, глубина и значение

его идей только теперь начинают осознаваться обществом [1]. К сожалению, как зарубежные, так и отечественные исследова­тели раньше мало опирались на труды В. И. Вернадского, часть из которых впервые была опубликована только в конце 70-х гг. Идеям В. И.Вернадского предстоит сыграть ключевую роль в формировании мировоззрения современного человека, в понимании им своего места в природе и ответственности за будущее биосферы,

в формировании новой экологической морали и этики.

В. И. Вернадский (1863-1945)

 

Естественно, что в своих построениях В. И. Вернадский опирался на эмпирические данные своего времени, которые во многом устарели с позиций современности. Но главные его мысли об уникальной роли «живого вещества», которое неразрывно связано с окружающей материей и космическим пространством, учение о биосфере как развивающейся и самоорганизующейся системе еще долго будут служить науке [1].

Многие затронутые им проблемы остаются до сих пор нерешенными или спорными: возникновение жизни, ноосфера и др. Их актуальность в наши дни свидетельствует о могуществе и гениальности теоретических обобщений В. И. Вернадского, который во многом опередил свое время.

Взглянем на нашу планету глазами В. И. Вернадского. Он подчеркивал, что не строил никаких гипотез, а пытался описать картину планетного процесса на основе эмпирических обобщений. «Основные физические и химические свойства нашей планеты меняются закономерно в зависимости от их удаления от центра. В концентрических отрезках они идентичны, что может быть установлено исследованием» (В. И. Вернадский, 1926). Возможно выделить большие концентрические области и дробные внутри них, называемые земными оболочками, или геосферами (гр. g еo -земля, sphaira - поверхность шара).Можно предполагать, что в глубоких областях Земли имеются достаточно устойчивые равновесные системы: ядро и мантия, а над ними - земная кора.

Вещество ядра, мантии и земной коры, вероятно, отделено друг от друга, и если переходит из одной области в другую, то очень медленно (рис. 6.1).

Ядро земного шара имеет иной химический состав, чем земная кора, в которой находимся мы. Можно лишь предполагать

Рис. 6.1. Схема геосфер Земли

что веществоядра находится под давлением в тысячи атмосфер и состоит из тяжелых элементов (возможно, из железа) в вязком и газообразном состоянии при высокой температуре - свыше

1000 °С (по современным оценкам, до 5000 °С). Удельный вес ядра, по-видимому, 8-10 г/см³, если исходить из того, что удельный вес верхних оболочек около 3, а в среднем для планеты - около 6 (в настоящее время считают, что плотность ядра свыше 12 г/см³). Предполагаемая глубина до поверхности металлического ядра -около 2900 км, что соответствует скачкообразному изменению скорости распространения сейсмических волн, которые на такой глубине входят в другую область.

Мантия - вторая концентрическая область Земли - была названа Э. Зюссом симой (гр. sym - совместная). Она имеет толщину мощностью в сотни или тысячи километров. Важную роль в ней играют пять химических элементов: кремний (Si), магний (Мg)_; кислород (О), железо (Fe) и алюминий (AI). Материя мантии во всех концентрических слоях является гомогенной (гр. hоmos- одинаковый), что связано с очень большим давлением, когда перестает существовать различие между твердым, жидким и газообразным состоянием. Такая материя не может иметь кристаллическое строение и, вероятно, напоминает стекловатую структуру или массу металла под большим давлением.

Энергия этих областей может быть только потенциальной и в течение геологического времени (сотни миллионов лет) не достигала земной поверхности. Нет никаких данных, которые указывали бы на химическую активность и отсутствие равновесия в ядре и мантии.

Область мантии отделяет от земной коры изостатическая поверхность (гp. isos - одинаковый, statos - состояние покоя). Ниже изостатической поверхности должно существовать равновесие вещества и энергии. Эту поверхность удобно принять за нижнюю границу земной коры, которая отделяет глубинную область устойчивых равновесий от верхней области постоянных изменений на планете.

Земная кора - область планеты, лежащая выше изостатической поверхности. Материя земной коры в пределах одного и того же концентрического слоя, на одинаковом расстоянии от центра планеты, в отличие от материи первых двух областей, может быть различной. На это указывает распределение силы тяжести. Участки коры разной плотности (от 1 для воды до 3,3 для основных пород) сосредоточены именно в этой в верхней части планеты. Из недр земной коры на поверхность Земли проникает свободная энергия - теплота, связанная с атомной энергией радиоактивных химических элементов, сосредоточенных главным образом в этой области, В земной коре различает несколько концентрических оболочек. Поверхности их разграничения не являются строго шаровыми, и разделение их иногда затруднительно. Каждая такая оболочка характеризуется своими физическими и химическими динамическими равновесиями. Ниже поверхности Земли, вероятно, существуют три оболочки. Верхняя из них -гранитная оболочка - состоит из кислых пород и относительно богата радиоактивными элементами (до глубины 9-15 км). В более глубоких слоях (до 34 км) происходят изменения кристаллического состояния вещества и залегают основные породы, аналогичные стеклу. Ниже 60 км лежат тяжелые породы с удельным весом 3,4 - 4,4.

Геосферы - установленные эмпирическим путем земные оболочки - можно классифицировать по разным признакам. В. И. Вернадский выделил 6 термодинамических оболочек, определяемых независимыми переменными - температурой и давлением; 8 фазовых оболочек, характеризуемых фазовым состоянием веществ, т. е. твердым, жидким, газообразным, стекловатым и др.; 10 химических оболочек, различающихся химическим составом.

Вне этой схемы остается живая оболочка - биосфера. В биосфере кроме двух независимых переменных - температуры и давления - появляются такие независимые переменные, как солнеч­ная энергия и «живое вещество». Живые организмы, привнося в физико-химические процессы лучистую энергию Солнца, резко отличаются от остальных независимых переменных. Они меняют существовавшие на планете физико-химические равновесия. Организмы представляют собой особые автономные вторичные системы динамических равновесий в первичном термодинамическом поле Земли. Так, например, организмы удерживают свою собственную температуру в среде другой температуры, имеют свое внутреннее давление, отличное от внешнего. С точки зрения химии, их особенность проявляется в том, что вещества, образующиеся в организмах, не могут получиться из тех же элементов в косной, окружающей их среде, а попадая во внешнюю среду, неизбежно в ней разрушаются. При этом выделяется свободная энергия и нарушается термодинамическое равновесие. В организмах происходят такие реакции, которые не могут происходить в абиотической среде. Например, восстановление СО₂ и расщепление Н₂О одновременно возможны только в живых организмах: это основа биохимических процессов. Таким образом, все химические равновесия в биосфере изменяются в присутствии живых организмов, не нарушая при этом общие законы равновесий.

Живое вещество может рассматриваться как одна из независимых переменных энергетического поля планеты. Очень вероятно, что в живом веществе основную рель играют не только состав и форма, но и симметрия атомов и молекул. Поэтому симметрия расположения атомов имеет в формировании оболочек планеты такое же значение, как и другие независимые переменные.- В. И. Вернадский считал, что земные оболочки можно классифицировать также и по этому признаку, названному им парагенетическим (гр. paragenesis - закономерность в соотношении элементов). Он выделил 5 парагенетических оболочек. Кроме того, несомненно, что строение биосферы является результатом взаимо­действия космических излучений и энергии планеты. Поэтому В. И. Вернадский выделил вокруг Земли еще 5 лучистых оболочек. Классификация земных оболочек - геосфер, построенная В. И. Вернадским на основе эмпирических данных эго времени, должна рассматриваться только как первое приближение к реальности и подлежит изменениям и дополнениям по мере расширения наших знаний о природе и строении планеты (табл. 6.1).

Биосфера - это живая оболочка Земли, совокупность эко­систем, третья парагенетическая оболочка. Пределы биосферы обусловлены полем возможного существования жизни, которая может проявляться то