Что вернадский называл пленкой жизни
Вернадский о распределении живого вещества в биосфере. «Сгущения» и «плёнки» жизни в океане.
Живое вещество – основа биосферы (хотя и составляет крайне незначительную её часть). В живых организмах на несколько порядков увеличиваются скорости химических реакций в процессе обмена веществ. Вернадский в связи с этим назвал живое вещество чрезвычайно активизированной материей. К основным уникальным особенностям живого вещества, обуславливающим его крайне высокую средообразующую деятельность, можно отнести следующие: 1). Способность быстро занимать всё свободное пространство. Вернадский назвал это всюдностью жизни. 2). Движение не только пассивное, но и активное. 3). Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти, сохраняя при этом высокую физико-химическую активность. 4). Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям. 5). Высокая скорость протекания реакций. 6). Высокая скорость обновления живого вещества. Все свойства живого вещества обусловливаются концентрацией в нём больших запасов энергии.
Вернадский выделил очаги наибольшей концентрации жизни, назвав их плёнками и сгущениями живого вещества. Под плёнками живого вещества понимается его повышенное количество на больших пространствах. В океане выделяют 2 плёнки: поверхностную (планктонную) и донную (бентосную). Мощность поверхностной плёнки обусловливается слоем воды, в котором возможен фотосинтез. Донная плёнка образована в основном гетеротрофными экосистемами, и поэтому её продукция представлена вторичной, а количество её зависит от поступления органического вещества с поверхностной плёнки.
В наземных экосистемах также выделяют 2 плёнки живого вещества: приземную, заключённую между поверхностью почвы и верхней границей растительного покрова и почвенную, наиболее насыщенную жизнью.
В океане выделяют следующие сгущения жизни: 1). Прибрежные: располагаются на контакте водной и наземно-воздушной среды. Особенно высокопродуктивны экосистемы эстуариев. 2). Коралловые рифы. 3). Саргассовые сгущения. 4). Апвеллинговые: приурочены к районам океана, где имеет место восходящее движение водных масс от дна к поверхности. Они несут много донных отложений и в результате активного перемешивания хорошо обеспечены О2. 5). Рифтовые глубоководные сгущения: высокая продуктивность здесь обязана благоприятным температурным условиям.
Участие каждого отдельного организма в геологической истории Земли ничтожно мало. Однако живых существ на Земле бесконечно много, они обладают высоким потенциалом размножения, активно взаимодействуют со средой обитания и, в конечном счете, представляют в своей совокупности особый, глобальных масштабов фактор, преобразующий верхние оболочки Земли.
Всю совокупность организмов на планете В. И Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.
Косное вещество,по В. И Вернадскому, это совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют.
Биогенное веществосоздается и перерабатывается жизнью, совокупностями живых организмов. Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть). После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны.
Особой категорией являетсябиокосное вещество.Оно создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других. Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль. Биокосное вещество планеты – это почва, кора, выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества.
Биосфера, таким образом, это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную экосистему планеты, поддерживающую глобальный круговорот веществ.
Совокупность живых организмов – биота биосферы обладает мощной средообразующей функцией. Ее работа направлена на обеспечение условий жизни всех ее членов. Она слагается из газовой, концентрационной, окислительно-восстановительной, биохимической и информационной функций живого вещества
(К основным уникальным особенностям живого вещества, обуславливающим его крайне высокую средообразующую деятельность, можно отнести: 1). Способность быстро занимать всё свободное пространство. Вернадский назвал это всюдностью жизни. 2). Движение не только пассивное, но и активное. 3). Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти, сохраняя при этом высокую физико-химическую активность. 4). Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям. 5). Высокая скорость протекания реакций. 6). Высокая скорость обновления живого вещества. Все свойства живого вещества обусловливаются концентрацией в нём больших запасов энергии)
Гипотеза Геи: организмы, особенно микроорганизмы вместе с физической средой, образуют сложную систему регуляции, поддерживающую на Земле условия, благоприятные для жизни. Организмы постоянно изменяют физическую и химическую природу инертных веществ, отдавая в среду новые соединения и источники энергии. Пример – коралловый атолл. Из простого сырья, предоставляемого морем, кораллы и растения строят целые острова. Организмы контролируют даже состав атмосферы. Это распространение биологического контроля на глобальный уровень стало основой гипотезы Геи: состав атмосферы Земли с высоким содержанием кислорода и низким содержанием двуокиси углерода, а также умеренные температурные условия и условия кислотности на поверхности Земли определялись буферной активностью ранних форм жизни. Она продолжалась координированной активностью растений и микроорганизмов, сглаживающей колебания физических факторов, которые проявились бы в отсутствие хорошо организованных живых систем. Организмы играли основную роль в развитии и регуляции геохимической среды, благоприятной для них.
Закон константности количества живого вещества В. И. Вернадского; количество живого вещества биосферы (для данного геологического периода) есть константа. Этот закон практически есть количественное следствие закона внутреннего динамического равновесия для масштаба глобальной экосистемы биосферы. Понятно, что поскольку живое вещество, согласно закону биогенной миграции атомов, есть энергетический посредник между Солнцем и Землей, то либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики. Закон физико-химического единства живого вещества исключает слишком значительные перемены в последнем свойстве. Значит, для живого вещества планеты неизбежна количественная стабильность. Она характерна и для числа видов — см. правило константности числа видов.
Как аккумулятор солнечной энергии, живое вещество должно одновременно реагировать как на внешние (космические) воздействия, так и на внутренние изменения. Увеличение или снижение количества живого вещества в одном месте биосферы должно приводить к синхронному процессу с обратным знаком в другом регионе в силу того, что освободившиеся биогены могут быть ассимилированы остальной частью живого или будет наблюдаться их недостаток. Однако следует учитывать скорость процесса, в случае антропогенного изменения намного более низкую, чем прямое нарушение природы человеком. Кроме того, не всегда происходит адекватная замена. Она идет согласно правилу (принципу) экологического дублирования, т. е. с уменьшением размеров особей и обычно с увеличением их эволюционной примитивности. Снижение же размеров особей, участвующих в энергетических процессах, вводит в действие большую группу термодинамических закономерностей из всех групп приведенных выше обобщений. Меняется вся структура живого вещества и его качество, что в конечном итоге не может идти на пользу человеку — одному из участников процесса жизни.
Первым и самым всеобъемлющим выводом изучения о биосфере, который сделал В.И. Вернадский, был: «Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом», иными словами, — это принцип целостности биосферы. В.И. Вернадский писал: «Твари Земли являются созданием сложного космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма» [20].
Это означает, что Земля — не просто сложение отдельных составных частей, а действующий согласованный «механизм». Что же говорит в пользу этого вывода? Это узкие пределы существования жизни: физические постоянные, уровни радиации и т. п. Физические постоянные, например, константа всемирного тяготения, определяющая размеры звезд, температуру и давление в них, влияющие на ход реакции в этих звездах. Если она будет несколько меньше, то звезды не будут иметь температуры, необходимой для осуществления в их недрах термоядерного синтеза; если же температура будет несколько выше, то звезды превзойдут некую «критическую массу» и обратятся в черные дыры.
Константа сильного взаимодействия определяет величину ядерного заряда в звездах. Если ее изменить, то цепочки ядерных реакций не смогут привести («дойти») к образованию азота и углерода.
Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет конфигурацию электронных оболочек и прочность химических связей — ее изменение делает Вселенную мертвой, что находится в соответствии с «антропным» принципом, по которому при создании моделей развития мира следует учитывать реальность существования человека.
Очень важной глобальной константой является соленость Мирового океана. При условии, что вода — это «всемирный» растворитель, соленость морской воды в среднем 35 % остается постоянной многие миллионы лет. Экологическая значимость этого факта до конца еще не определена (?!).
Дальнейшими исследованиями было подтверждено, что с экологической точки зрения живой мир — это единая система, пронизанная взаимообусловленными связями, в виде трофических цепей
Учение В. И. Вернадского о биосфере
Впервые термин биосфера (bios — жизнь, sphera — шар) употребил Ж. Б. Ламарк — знаменитый французский естествоиспытатель, ботаник, зоолог, геолог, автор «философии зоологии», понимавший природу как единое целое и считавший, что область жизни и ее влияние на процессы, происходящие на земле, это и есть биосфера. В более расширенном понимании, как зону жизни на нашей планете, использовал этот термин австрийский геолог, президент Академии наук Австрии Эдвард Зюсс в 1875 г. в работе о происхождении Альпийской горной системы. Однако он не дал ни определения этого термина, ни обоснования его применения, ни его связи с земной корой.)
Несомненно, что создание учения о биосфере Земли, ее громадной значимости в формировании современного облика нашей планеты принадлежит нашему замечательному соотечественнику, одному из наиболее крупных ученых мира первой половины XX века, академику Владимиру Ивановичу Вернадскому.
Получив в 1922 г. приглашение прочитать в Сорбонне цикл лекций по геохимии, Владимир Иванович синтезировал свои представления о миграции химических элементов на нашей планете и изложил основы учения о биосфере. Вернувшись домой, В. И. Вернадский публикует в 1926 г. монографию «Биосфера», которая через три года переиздается в Париже. Однако работа над проблемами биосферы не прекращается и в окончательном виде она завершается только в последние годы жизни великого ученого.
В настоящей работе не представляется возможным изложить в полном объеме глубину и, я бы сказал, величие учения о биосфере и мы ограничимся лишь конспективным изложением 12 наиболее важных, наиболее принципиальных положений В. И. Вернадского о биосфере.
I. Научное определение биосферы принадлежит В. И. Вернадскому. Он очень образно называл биосферу «пленкой жизни», тонкой оболочкой планеты, состав, структура и перемещение энергии в которой в основном обусловлены деятельностью «живого вещества», под которым Владимир Иванович понимал всю совокупность живых организмов — бактерий, растений и животных. Он писал, что жизнь может проявляться только в определенной среде, обеспечивающей дыхание и питание организмов. По способу питания В. И. Вернадский делит живое вещество на две группы:
а) Организмы автотрофные — в своем питании независимые от других организмов, использующие неорганическое вещество. Это зеленые растения, жизнь которых зависит от интенсивности солнечного излучения, составляющие основу биомассы живого вещества; бактерии, живущие вне солнечного воздействия в почвах, илах, воде, играющие громадную роль в накоплении энергии.
б) Организмы, использующие органическое вещество, созданное другими организмами (гетеротрофные организмы).
Распределение живого вещества на планете неравномерно. «Сгущение жизни» наиболее велико в приземном слое и не превышает несколько десятков метров в высоту, а по горизонтали наиболее велико в экваториальных тропических лесах и наименьшее в пустынях и зонах полюсов.
В биосферу входят и нижние слои атмосферы Земли, причем «густота» жизни повышается к приземному слою и обычно не превышает 30—35 м, т. е. зоны развития древесной растительности, и только в секвойевых лесах достигает 80—90 метров. Таким образом, толщина биосферы не превышает в общей сложности 25 км.
Определение В. И. Вернадского биосферы дополнялось и уточнялось рядом ученых, и, пожалуй, сейчас наиболее удачное определение биосферы принадлежит В. А. Ковде (1969), который пишет, что мы должны «понимать биосферу Земли как древнюю, крайне сложную, многокомпонентную общепланетарную термодинамически открытую, саморегулирующуюся систему живого вещества и неживой материи, аккумулирующей состав и динамику земной коры, атмосферы и гидросферы». В этом определении, с нашей точки зрения, только не хватает роли антропогенного фактора, ибо сейчас все больше и больше накапливается фактов, что саморегуляция биосферы нарушается деятельностью человека и в недалеком будущем ее благополучие будет в значительной степени зависеть от разумной деятельности человеческого общества.
II. Роль живого вещества в формировании и жизни биосферы. Впервые в истории науки В. И. Вернадский показал, что в формировании современного облика нашей планеты ведущую роль сыграли живые организмы — растения, животные, микроорганизмы. Живое вещество, преобразуя солнечное излучение, вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Действительно, химический состав живого вещества достаточно сложен и насчитывает более 80 различных элементов. В весовом отношении наибольшее место принадлежит кислороду — около 65%, водороду — около 10%, далее идут углерод, кремний, алюминий, железо, кальций, барий, марганец, сера, фосфор, азот, магний, кальций, натрий, хлор, цинк, бром, йод, ванадий и другие. Установлены десятки, даже сотни растений и животных, способных накапливать в своем теле целый ряд витаминов, пестицидов и радиоактивных веществ в концентрациях, в сотни и даже тысячи раз превышающих концентрации этих веществ в окружающей организмы среде. Отмирая, они образуют концентрированные отложения тех или других веществ. Сейчас совершенно ясно, что мел, сланцы, известняки, каменный уголь, торф, сапропель являются продуктами жизнедеятельности организмов. Доминирующее большинство геологов считают нефть также органического происхождения и с каждым годом эта точка зрения укрепляет свои позиции. В. И. Вернадский еще в начале этого века говорил, что большинство месторождений руд, железа, марганца, фосфора и других элементов имеет биогенное происхождение, их создали микроорганизмы-концентраторы (диатомовые водоросли, железобактерии, серобактерии и другие).
Впервые, несмотря на недостаточность фактических материалов, В. И. Вернадский попытался определить биомассу (вес) всех живущих на планете организмов и пришел к заключению, что она составляет около 10 15 тонн, что по отношению к массе земной коры ничтожно мало и составляет меньше 0,1%. Несмотря на это, роль живого вещества в перемещении химических элементов планеты, как и в преобразовании неживой материи, и вовлечении ее в биосферный круговорот, огромна.
Столь существенное воздействие живых организмов на все протекающие в биосфере процессы, по мнению В. И. Вернадского, в основном связано с необыкновенно большой способностью их к размножению. Используя имеющиеся в литературе данные, Владимир Иванович подсчитал, что если поставить те или другие организмы в исключительно благоприятные условия их жизни, то они способны «захватить поверхность планеты» в следующие сроки:
Бактерии (на примере холерного вибриона) — 125 суток;
Инфузории туфельки — 67,3 суток;
Зеленый планктон (фитопланктон) — 183 суток;
Большие водоросли — 79 лет;
Цветковые растения (на примере клевера) — 11 лет;
Мухи домашние — 1 год;
Свиньи домашние — 8 лет;
Свиньи дикие (кабан) — 56 лет;
Крысы (пасюк) — 8 лет;
В. М. Корсунская, Н. М. Верзилин (1975) пишут, что бактерии делятся каждые 23 минуты, то есть 64 раза в сутки, самка термитов в одну минуту откладывает 60 яичек, или 86 000 в сутки. Л. И. Зенкевич (1970) определил скорость размножения зеленых водорослей в океане, и она оказалась настолько большой, что за сутки полностью восстанавливаются все съеденные животными водоросли.
К счастью, в природе существует масса факторов, сдерживающих размножение тех или других организмов, — недостаток пищи, конкуренция, хищники, неблагоприятные условия среды и т. д., что практически делает маловероятным создание идеальных условий для размножения какого-то одного вида. Однако и сейчас, главным образом для насекомых, повреждающих сельскохозяйственные культуры, создаются весьма благоприятные условия для массового развития, и если не принять меры, то урожай может быть уничтожен полностью.
Заслуга В. И. Вернадского в определении роли живого вещества в становлении и жизни биосферы громадна. Только одного этого уже достаточно для того, чтобы говорить о величии заслуг В. И. Вернадского перед наукой.
III. В. И. Вернадскому принадлежит заслуга в утверждении биогенного происхождения кислорода, азота и углекислоты в атмосфере.
Подсчитав объем свободного кислорода в атмосфере и определив ежегодное поступление кислорода в атмосферу в результате фотосинтетической деятельности зеленых растений и потребление кислорода животными и микроорганизмами, можно было говорить о сроках образования зеленого покрова нашей планеты. Этот срок примерно совпал с геологическим возрастом появления осадочных пород, что и убедило Владимира Ивановича, что появление кислорода в атмосфере земли является результатом деятельности «живого вещества».
IV. В. И. Вернадским были определены основные компоненты, слагающие биосферу.
По представлению, биосфера состоит из семи взаимосвязанных частей.
1. Живое вещество — растительный мир, зеленая оболочка земли, животный мир, активно потребляющий растительную массу, и микроорганизмы.
2. Биогенное вещество — осадочные породы органического происхождения. Они довольно хорошо подразделяются на фитогенные, состоящие в основном из растительных остатков, например, каменный уголь, и зоогенные породы, состоящие из остатков животных организмов, например, меловых отложений.
3. Косное вещество — горные породы, в основном магматического неорганического происхождения, слагающие земную кору.
4. Биокосное вещество, возникающее в результате распада и переработки горных и осадочных пород животными организмами. Классическим примером биокосного вещества является почва, поверхностный слой земной коры, которому присущи свойства как живой, так и неживой природы. Почва состоит из отдельных слоев (горизонтов), возникающих в результате преобразования материнской породы (литосферы) под воздействием воздуха, воды и живого вещества, в первую очередь растений и микроорганизмов. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, способность обеспечивать растения питательными веществами и влагой. Отцом науки о почвах является учитель В. И. Вернадского, Василий Васильевич Докучаев, построивший классификацию почв по генетическому принципу, рассматривая почвообразовательные процессы «как вечно изменяющиеся функции» природных факторов — климата, растительности, рельефа, животного населения и т. д.
5. Радиоактивное вещество. В. И. Вернадский считает, что в результате естественных ядерных превращений и при извержении вулканов в биосферу поступает довольно большое количество различных радиоактивных веществ, которые мигрируют в воде, воздухе и почве и, естественно, попадают в живые организмы. Интенсивность поступления радиоактивных веществ в биосферу, видимо, имеет какую-то цикличность, о которой, однако, мы знаем еще очень мало.
6. Рассеянные атомы. Далеко не все атомы в результате бурно идущих биосферных процессов связываются в определенные химические соединения, какая-то часть их рассеяна в биосфере. При благоприятных условиях рассеянные атомы могут вовлекаться в те или другие химические процессы и давать неожиданные химические группировки.
7. Вещества космического происхождения — космическая пыль, метеориты. Как показали исследования последних лет, за сутки на землю, выпадает несколько десятков тонн метеоритного вещества. Это вещество оказывает существенное влияние на. газовый, ионный и аэрозольный состав верхней атмосферы. В метеоритах обнаружено железо, натрий, магний, кальций, кремний, азот и др. Космическая пыль составляет около 1% массы межзвездного вещества и, несомненно, играет определенную роль в прохождении солнечных лучей к земле.
V. В. И. Вернадскому принадлежит заслуга в изучении закономерностей прохождения химических процессов в биосфере и миграции веществ при прямом или косвенном участии живых организмов. Сейчас это направление вылилось в самостоятельную крупную науку — биогеохимию.
VI. В. И. Вернадский показал, что биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. «На земной поверхности нет химической силы, более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. И чем больше мы изучаем химические явления биосферы, тем более мы убеждаемся, что на ней нет случаев, где бы они были независимы от жизни… С исчезновением жизни не оказалось бы на земной поверхности силы, которая могла бы давать непрерывно начало новым химическим соединениям».
VII. В. И. Вернадский высказал очень интересное положение, что организмы животных и растений не повторяют состава среды, а извлекают из нее необходимые им элементы, концентрируя их в своих телах. Сейчас уже накоплено много фактов, подтверждающих это положение. Выявлены растения, накапливающие азот, животные, концентрирующие в своих организмах известь; камыш речной способен «собирать» и использовать нефтяную пленку; ряд растений и животных аккумулируют в своих телах радиоактивные вещества и т. д. и т. п. Подтверждение этому мы видим в существенной разнице в химическом составе осадочных пород земной коры, почвенного покрова и растительности.
VIII. Распределение микроэлементов на нашей планете неравномерно — писал В. И. Вернадский. Последующие исследования А. П. Виноградова (1957, 1959, 1967), А. О. Войнара (1960, 1962), В. А. Ковда (1971, 1972, 1973 и др.) это полностью подтвердили и дали возможность наметить ряд биогеохимических провинций, ряд регионов, наиболее богатых или обедненных микроэлементами. Например, в республике Марий Эл не хватает йода и здесь ранее была сильно распространена базедова болезнь, эндемичный зоб. Сейчас обогащение пищевой соли йодом позволило почти полностью ликвидировать эту болезнь. Известен поучительный пример нехватки некоторых микроэлементов в Новой Зеландии, затруднявшей выращивание пшеницы и разведение овец. После того, как в Новую Зеландию начали ввозить недостающие микроэлементы, урожаи пшеницы резко возросли и гибель овец прекратилась.
IX. В. И. Вернадский впервые в истории науки достаточно четко сказал: «Человек в настоящее время становится все более и более могучей геологической силой, оказывающей на современную биосферу всевозрастающее воздействие». «Мощь человека связана не с его материей (биомассой), а с его мозгом, с его разумом и направленным этим разумом трудом».
Как бы синтезируя все высказанные мысли о роли человека в современной жизни биосферы, еще в 1926 году Владимир Иванович писал: «В геологической истории биосферы перед человеком открывается огромное будущее, если он поймет это и не будет употреблять свой разум и свой труд на самоистребление». К сожалению, в настоящее время из-за неразумной траты энергии, материалов и средств на вооружение расходуется громадное количество химических и редких элементов и идет засорение биосферы. Генеральный секретарь Организации Объединенных Наций Курт Цальдхайм сказал, что в 1975 г. на нашей планете израсходовано на вооружение более 300 миллиардов долларов.
Вполне естественно, что использование этих средств на улучшение благосостояния человечества и разумное использование природных ресурсов без нарушения законов, управляющих жизнью биосферы, сделало бы человечество более счастливым.
Мы вполне отдаем себе отчет, что изложить на нескольких страницах учение В. И. Вернадского о биосфере, где синтезированы успехи трех наук — геологии, химии и биологии, задача весьма сложная и практически трудно выполнимая, но надеемся, что общее представление о значении учения В. И. Вернадского о биосфере в проблеме нормализации отношений между природой и обществом читатель все же получил.
Работая в последние годы своей жизни над книгой о химическом строения биосферы и круговороте веществ в биосфере, развивающей и уточняющей положения, высказанные в монографии, опубликованной в 1926 году, Вернадский назвал ее «моей главной книгой», «книгой жизни». Умер В. И. Вернадский 6 января 1945 г. в возрасте 82 лет.
При жизни В. И. Вернадского его учение о биосфере не получило широкого признания и распространения. Вернадского считали выдающимся минералогом, кристаллографом, геологом широкого профиля, Основоположником геохимии, биогеохимии, радиогеологии, ученым, много сделавшим в гидрогеологии и истории естествознания, в создании учения о биосфере. Сейчас его учение о биосфере оценено по достоинству. С каждым годом оно приобретает все большее и большее значение, дорабатывается, углубляется и имеет особое значение при долгосрочном прогнозировании изменений окружающей природной среды под воздействием деятельности-человека.