Экосистема

Поскольку эволюция и возникновение новых видов предполагают существование своего начала, постольку закономерно возникает вопрос: а есть ли такое начало у жизни? Если есть, то где его искать - на Земле или в Космосе? Может ли возникнуть живое из неживого?

Над этими вопросами на протяжении столетий задумывались многие религиозные деятели, представители искусства, философы и ученые. В.И. Вернадский подробно рассматривает наиболее интересные точки зрения, которые выдвигались выдающимися мыслителями разных эпох, и приходит к выводу, что никакого убедительного ответа на эти вопросы пока не существует. Сам он как ученый вначале придерживался эмпирического подхода к решению указанных вопросов, когда утверждал, что многочисленные попытки обнаружить в древних геологических слоях Земли следы присутствия каких-либо переходных форм жизни не увенчались успехом. Во всяком случае некоторые останки жизни были обнаружены даже в докембрийских слоях, насчитывающих 600 миллионов лет. Эти отрицательные результаты, по мнению В.И. Вернадского, дают возможность высказать предположение, что жизнь как материя и энергия существует во Вселенной вечно и поэтому не имеет своего начала.

Биогенная миграция химических элементов и биогеохимические принципы.

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

· химической (биохимической) - I род геологической деятельности;

· механической - II род такой деятельности.

Геологическая деятельность I рода - построение тела организмов и переваривание пищи, - конечно, является более значительной. Классическим стало функциональное определение жизни, данное Фридрихом Энгельсом: "жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь".

Сейчас появилась возможность вычислить скорость этого обмена. Так, в пшенице, например, полная смена атомов происходит для фосфора за 15 суток, а для кальция - в 10 раз быстрее: за 1,5 суток! Собственно говоря, постоянный обмен веществ между живым организмом и внешней средой и обусловливает проявление большинства функций живого вещества в биосфере. По подсчетам биолога П.Б. Гофмана-Кадошникова, в течение жизни человека через его тело проходит 75 т воды, 17 т углеродов, 2,5 т белков, 1,3 т жиров. Между тем по геохимическому эффекту своей физиологической деятельности человек отнюдь не самый важный вид разнородного живого вещества биосферы. Геохимический эффект физиологической деятельности организмов обратно пропорционален их размерам, и наиболее значимой оказывается деятельность прокариотов - бактерий и цианобактерий.

Большое значение имеет также количество пропускаемого через организм вещества. В этом отношении максимальный геохимический эффект на суше имеют грунтоеды, а в океане - илоеды и фильтраторы. Еще Чарлз Дарвин подсчитал, что слой экскрементов, выделяемых дождевыми червями на плодородных почвах Англии, составляет около 5 мм в год! Таким образом, почвенный пласт мощностью в 1 м дождевые черви полностью пропускют через свой кишечник за 200 лет. В океане с дождевыми червями по "пропускной способности" могут конкурировать их близкие родственники, представители того же типа кольчатых червей - полихеты, а также ракообразные. Достаточно 40 экземпляров полихет на 1 м2, чтобы поверхностный слой донных осадков мощностью в 20 - 30 см ежегодно проходил через их кишечник. Субстрат при этом существенно обогащается кальцием, железом, магнием, калием и фосфором по сравнению с исходными илами.

Копролиты (ископаемые остатки экскрементов) известны в геологических отложениях, начиная с ордовика, однако бесспорно, что большинство их при геологических описаниях не учитывается. Происходит это из-за слабой изученности вопроса и из-за отсутствия диагностических признаков для определения копролитов.

Между тем, в донных отложенияк современных водоемов фекальные комочки беспозвоночных распространены очень широко и нередко являются основной частью осадка. В южной Атлантике, например, илы почти нацело слагаются фекалиями планктонных ракообразных, а по берегам Северного моря донные осадки, образованные фекалиями мидий, имеют мощность до 8 м.

Биогенная миграция атомов II рода - механическая - отчетливо проявляется в наземных экосистемах с хорошо развитым почвенным покровом, позволяющим животным создавать глубокие укрытия (гнездовые камеры термитов, например, расположены на глубине 2 - 4 м от поверхности). Благодаря выбросам землероев, в верхние слои почвы попадают первичные невыветрившиеся минералы, которые, разлагаясь, вовлекаются в биологический круговорот. Недаром известный геолог Г.Ф.Мирчинк (1889 - 1942) называл сурка-тарбагана "лучшим геологом Забайкалья" - его норы окружены "коллекциями" горных пород, добытых с глубины нескольких метров!

К биогенной миграции II рода можно отнести и перемещение самого живого вещества. Сюда относятся сезонные перелеты птиц, перемещения животных в поисках корма, массовые миграции животных. Естественно, что все эти разнообразные формы движения живого вызывают и транспортировку небиогенного вещества. Вернадский, как мы видели, подразделял процессы, осуществляемые в биосфере живым веществом, по характеру самих процессов. Несколько иначе подошел к этому вопросу современник Владимира Ивановича Н.А.Андрусов. "Химическая деятельность организма вообще, имеющая геологическое значение ,- писал Андрусов,- может быть сведена к двум категориям: во-первых, к образованию на наружной поверхности или внутри твердых выделений, способных сохраняться; во-вторых, к образованию жидких и газообразных выделений, способных вступать в различные химические реакции с окружающим неорганическим миром". По существу, эту же мысль развивала на современном материале микробиолог Т.В. Аристовская. Она указала, что миграция атомов химических элементов может быть как прямым, так и косвенным результатом жизнедеятельности организмов (в первую очередь бактерий). В таблице совмещены классификационные подходы Вернадского (горизонтальные ряды) и Андрусова - Аристовской (вертикальные столбцы). Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере, очень важными являются три основных положения, которые Владимир Иванович называл "биогеохимическими принципами".

I принцип: "Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению".

II принцип: "Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы" (или в другой формулировке: "При эволюции видов выживают те организмы, которые своею жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию").

III принцип: "В течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможное для всего живого вещества, которое тогда существовало". Для Вернадского I биогеохимический принцип был тесно связан со способностью живого вещества неограниченно размножаться в оптимальных условиях. "Вихрь атомов", который представляет собой жизнь, по определению Жоржа Кювье, стремится к безграничной экспансии. Следствием этого и является максимальное проявление биогенной миграции атомов в биосфере.

Объекты, входящие в Солнечную систему

Центральное тело нашей планетной системы - Солнце - желтый карлик, сосредоточило в себе 99,866% всей массы Солнечной системы. Оставшиеся 0,134% вещества представлены девятью большими планетами и несколькими десятками их спутников (в настоящее время их открыто более 60), малыми планетами - астероидами (примерно 100 тысяч), кометами (около 10¹¹ объектов), огромным количеством мелких фрагментов - метеороидов и космической пылью. Механически эти объекты объединены в общую систему силой притяжения превосходящей массы Солнца. Ряд зависимостей показывают принадлежность различных по величине и физико-химическим свойствам тел к единому семейству. Средняя плотность объектов Солнечной системы изменяется в пределах от 0,5 г/см³ для ядер комет до 7,7 г/см³ для металлических астероидов и метеоритов.

В.И. Вернадский дал миру своеобразное философское направление общечеловеческого значения: активно-эволюционную, ноосферную, космическую мысль

Учение о биосфере

Учение о биосфере Земли является одним из крупнейших и наиболее интересных обобщений ученого в области естествознания. Вернадский В.И. был человеком тонким в вопросах научной этики. Поэтому в своих работах он указывает, что термин «биосфера» принадлежит не ему, а впервые был употреблен в начале 19 века Жаном Батистом Ламарком, а определенный геологический смысл вложил в него в 1875 году австралийский ученый Эдуард Зюсс. Но связанное с этим термином законченное учение создал именно В.И. Вернадский, вложив в это термин совершенно иной, гораздо более глубокий смысл.

Учение о биосфере созданное В.И. Вернадским в 1926 году, рассматривает «живые организмы»как нечто целое и единое», «как живое вещество, то есть совокупность всех живых организмов в данный момент существующих, численно выраженное в элементарном химическом составе, в весе энергии».

Для совокупности населяющих Землю организмов ввел термин «живое вещество», а биосферой стал называть всю ту среду, в которой это живое вещество находится, то есть всю водную оболочку Земли, поскольку живые организмы существуют и на самых больших глубинах Мирового океана, нижнюю часть атмосферы, в которой летают насекомые, птицы, живут люди, а также верхнюю часть твердой оболочки Земли - литосферы, в которых живые бактерии в поземных водах встречаются до глубины порядка двух километров, а человек своими шахтами проник до еще больших глубин.

В.И. Вернадский определяет биосферу как одну из геосфер, которая коренным и необратимым образом изменена под влиянием живых существ их современной и ранее протекавшей жизнедеятельности. По Вернадскому к биосфере относятся нижние слои стратосферы, вся тропосфера, верхняя часть литосферы, сложенная осадочными породами и гидросфера. Над земной поверхностью биосфера поднимается до высоты примерно 23 км, а ниже поверхности простирается до глубины 12 км. В различных слоях стратосферы находятся более или менее мощные отложения углей, нефти и газа. В растительном происхождении углей никто не сомневается, однако в отношении нефти и подземного газа есть расхождения; некоторые геологи не считают их органическими по своему происхождению. В.И. Вернадский считал и нефть, и подземные газы результатом жизнедеятельности живых компонентов биосферы. В последнее десятилетие при изучении нефти было выяснено, что в нефти существуют некоторые живые бактерии, таким образом, жизнь проникает в более или менее глубокие слои стратосферы.

Таким образом, понятие биосферы очень объемно в смысле радиальных размеров этой оболочки, очень глубоко в отношении понимания роли жизни во всех частях биосферы в ее широком понимании, а также исторично, так как стратосфера может рассматриваться как результат развития биосферы в течение всего геологического времени.

Каждый живой организм в биосфере - природный объект - есть живое природное тело. Живое вещество биосферы есть совокупность живых организмов в ней живущих.

В биосфере существует «пленка жизни», в которой концентрация живого вещества максимальна. Это поверхность суши, почвы и верхние слои вод Мирового океана. Кверху и книзу от нее количество живого вещества в биосфере Земли резко убывает.

Много внимания в своих работах по биосфере В.И. Вернадский уделял зеленому живому веществу растений, потому что только оно автотрофное, только оно способно захватывать лучистую энергию Солнца и с ее помощью создавать первичные органические соединения. Рассмотрев объем и энергетические коэффициенты различных групп растительности, В.И. Вернадский пришел к выводу, что «зеленые просторы океана являются главными трансформаторами солнечной энергии нашей планеты».

Значительная часть энергии «живого вещества» идет на образование в пределах биосферы новых вадозных минералов, вне биосферы не известных, а часть захороняется в виде самого органического вещества, образуя в конечном счете залежи бурых и каменных углей, горючих сланцев, нефти и газа. «Мы имеем здесь дело, пишет В.И. Вернадский, - с новым процессом - с медленным проникновением внутрь планеты лучистой энергии Солнца, достигшей поверхности Земли. Этим путем «живое вещество» меняет биосферу и земную кору. Оно непрерывно оставляет в ней часть прошедших через него химических элементов, создавая огромные толщи неведомых минералов или пронизывая тончайшей пылью своих остатков косную материю биосферы».

В.И. Вернадский считал, что земная кора представляет собой в основном остатки былых биосфер, и даже ее гранитно-гнейсовый слой образовался в результате метаморфизма и переплавления пород, некогда возникших под влиянием живого вещества. Лишь базальты и другие основные магматические породы он считал глубинными, не связанными по своему генезису с биосферой.

Много уделено внимания формам нахождения в биосфере различных химических элементов, делению «живого вещества» биосферы по источникам питания организмов на авто - гетеро и микотрофное, излучению поля устойчивости жизни или пределов жизни, особенностям жизни в гидросфере и на суше, геохимическим циклам сгущений жизни и живых пленок гидросферы.

Именно, геологический и космический ракурсы рассмотрения роли живого вещества на планете привели В.И. Вернадского к выводу об огромной мощности биосферы (в несколько километров) и разнородности ее состава.

Вопрос о пределах биосферы В.И. Вернадским связывается с сохранением пределов жизни. Представления о них претерпевают коренные изменения буквально с каждым новым днем развития науки. Еще вчера мы были убеждены, что температура кипения в 100 ^оС невозможна для жизни какого - либо живого существа. Сегодня же впечатляют все новые открытия мира термофильных организмов, обнаруженных в вулканических жерлах, гейзерах и подводных изменениях, для некоторых из них стоградусная температура «холодновата» для нормального деления клеток (размножения), они живут и при температуре +250 ^оС и даже при +350 ^оС. Есть сведения о возможности перенесения бактериями температуры абсолютного нуля (-273 ^оС).

Велика пластичность жизни, но все же пределы ее объективно существуют, и они определяют пределы развития биосферы, ее структуру и функции. Верхняя граница биосферы охватывает всю тропосферу и ограничивается озоновым слоем (23-25км), который своеобразным экраном защищает все живое от губительного воздействия ультрафиолетовой радиации. Нижняя граница очень изрезана; биосфера включает всю гидросферу суши и Мировой океан, на материках проникает в среднем в земную кору до глубин 16 км. Здесь она сопрягается с областью “былых биосфер”, - так В.И. Вернадский назвал сохранившиеся остатки биосферы прошлых геологических периодов. Это накопление известняков, углей, горючих сланцев, остаточных горных пород.

Былые биосферы - документированное доказательство геологически вечного развития биосферы. В большом геологическом цикле движения вещества ископаемые остатки биосфер прошлого выходят на дневную поверхность, разрушаются, захватываются живыми организмами в новые биогенные циклы круговорота, затем снова выходят из него и опускаются в глубокие горизонты земной коры, где подвергаются метаморфизации, переплавке, и где отдают запасенную в них солнечную энергию. Так длится миллиарды лет, сколько существует биосфера.

Возраст биосферы приближается к геологическому возрасту Земли как планеты Солнечной системы.

Пространство - время живого в биосфере

Пространство и время - две основные формы движущейся материи - в трудах В.И. Вернадского являлись стратегической целью, некоторой «Сверхзадачей» всей его натурфилософии. Глубина проникновения в строение окружающей действительности и широкий исторический охват рассмотрения каждого ее аспекта не могли не привести естествоиспытателя к отысканию фундаментальных свойств реальности, которые наиболее полно выражаются в понятиях пространства и времени.

Время и пространство отдельно не встречаются, они нераздельны. Мы не знаем ни одного явления, которое бы не занимало части пространства и части времени. Только для логического удобства представляем мы отдельно пространство и отдельно время, только так, как наш ум вообще привык поступать при разрешении какого-нибудь вопроса. В действительности ни пространства, ни времени в отдельности мы не знаем нигде, кроме нашего воображения. Что же это за части неразделимые - чего, очевидно того, что только и существует - это материи, которую мы разбиваем на две основные координаты: пространство и время.

Как только натуралист спрашивает себя, каким образом проявляются пространство и время в отдельно взятых уровнях организации движущейся материи, ему нельзя обойтись без ответа на вопрос: изменяются ли их специфические черты в этих конкретных формах или остаются стабильными. Как известно, здесь возможны два ответа, каждый из которых связан с определенной исторической традицией. Первая из них берет свое начало от Ньютона, в теории которого пространство и время абсолютны и независимы от движения материальных образований. Пространство суть лишь бесконечное вместилище тел, а время - некие единые мировые часы, на фоне хода которых существуют и происходят события всех масштабов. С такой точки зрения биосфера и жизнь, несмотря на то, что представляет собой вполне определившейся уровень организации материи, теряет всякую качественность, их специфика в расчет не принимается, и они как исчезающая малость растворяются в абсолютной общности.

Согласно второй традиции, истоки которой лежат в натурфилософии Лейбница, пространство и время - неотъемлемые атрибуты материи. Не имеет смысла утверждать о существовании пространства без самих тел природы и о времени до образования тел. Пространство есть порядок расположения материальных образований, а время - порядок их следования.

Именно в русле этой второй системы взглядов лежат исследования природы пространства и времени Вернадским. В его трудах получает свою специфическую пространственно-временную определенность биологический уровень движения материи. Он считает, что время начинает свой отчет именно с момента создания биосферы. «Мы говорим об историческом, геологическом, космическом и т.п. временах. Удобно отличать биологическое время, в пределах которого проявляются жизненные явления.

Это биологическое время отвечает полутора-двум миллиардам лет, на протяжении которых нам известно на Земле существование биологических процессов, начиная с археозоя».

Ныне срок существования биосферы почти совпал с возрастом самой планеты как космического тела (порядка 4,5 млрд. лет). Тем самым подтверждается предвидение Вернадского о геологической вечности биосферы. И соответственно вскрылся более глубокий пласт его мыслей о биологическом времени: исходя из общей методологической установки об атрибутивности пространства и времени, можно сказать, что до возникновения биосферы нет отсчета времени, ибо главной, определяющей длительностью в биосфере следует считать время биологическое. Отсюда следует логический вывод, противоположный ньютоновской традиции: не жизнь существует на фоне пространства и времени необъятной Вселенной, а Вселенная - на фоне времени жизни. Иными словами, то привычное, ставшее незамечаемым воздухом науки и обыденного знания, само собой разумеющееся представление, по которому жизнь появилась в определенный момент уже шедшего времени, это представление подвергается у Вернадского глубокому переосмыслению. Время, привычное нам, т.е. необратимо однонаправленное, связанное с прогрессивной эволюцией и текущее в нас самих, как существах, частью принадлежащих к биосфере, и есть реальное и истинное, длительность же большинства безжизненных процессов во избежание путаницы нельзя возводить в ранг времени.

В биосферных процессах, как ни в каких других природных явлениях, подвластных наблюдению и точному исследованию, наиболее полно и отчетливо проявляются основные качественные признаки времени: необратимость и однонаправленная последовательность. Биосфера никогда не возвращается в прежнее состояние. Двигателем ее необратимости служит ее биологическая составляющая, непрерывно и последовательно эволюционирующая от прошлого к будущему. Причиной ее движения служит способность живого вещества трансформировать солнечную энергию. Некоторая ее часть, падающая на поверхность земли, уже не возвращается в мировое пространство, а переходит в другие формы энергии, накапливаясь в биосфере.

Это глобальный процесс, не прерываясь ни на миг, идет миллиарды лет. Он служит материально - энергетическим субстратом течения необратимого биологического времени.

Резкое отличие биологического времени от всех других его форм основано на отличительных, ярких, но не поддающихся пока удовлетворительному объяснению чертах, связанных с чисто биологическим уровнем организации материи, а именно с необратимостью и однонаправленной прогрессивностью. Обе эти качественные характеристики биологического времени и свойственный только живому особенный характер биопространства позволили сделать Вернадскому эмпирическое обобщение о специфичности биологического пространства - времени.

В учении о биосфере ключевым понятием служит понятие организованности биосферы, в которой живое вещество выступает как функция проявления биохимической энергии организмов. Именно она позволяет организовать абиотические составляющие биосферы через посредство информационных процессов, которые и составляют, по-видимому, сущность функционирования живого вещества.

Биосфере, которая в целом представляет собой биокосное тело, живое вещество, по весу и объему несравнимое с косным, управляет материально-энергетическими процессами поверхностной оболочки планеты, формируя при этом собственное, независимое от других времен, время - пространство жизни.

Придя к идее инвариантности пространства и времени жизни, Вернадский рассмотрел не только качественные их стороны, но и количественные. Он исследовал возможные подходы к определению собственной метрики времени, связанной с жизненными процессами. В философии, обыденном знании считается, что течение времени неопределимо само по себе, неуловимо. Можно лишь найти такой процесс, который поможет маркировать течение времени.

Вернадский связывает метрику времени с делением самих организмов, с их размножением, как наиболее ярком проявлении биохимической энергии. Ритм этого, как говорил ученый, деления задается скоростью прохождения отдельных неделимых жизни и всей биосферы. Наиболее наглядно выявляется фактор времяобразования в делении микроорганизмов, которые обладают стабильной скоростью размножения. «Смена поколений, - писал Вернадский, - есть своеобразное биологическое проявление времени, резко отличающее одно живое вещество от другого, с различным для каждого масштабом сравнения. Возможно, найти для них и общий масштаб». Если принять тот масштаб, о котором идет речь, то необходимо признать, что время биосферы есть поток, состоящий из квантов, которым проходит каждая живая клетка. Сама возможность деления клеток обусловлена существованием на субатомном уровне квантованного времени, наличием порции времени, меньше которой не бывает и которыми живое отмеряет, членит пространство определенным метрическим шагом. Такой состав и строение пространства - времени определяет мощность потока биосферного времени, который соответствует количеству одновременно делящихся и живущих клеток живого вещества.

С чисто философской стороны лейбницианскую традицию атрибутивности пространства и времени исследовали многие. Наиболее близко к такой постановке проблемы пространства и времени подошел В. Муравьев. Здесь впервые поставлен вопрос об изменении формы проявления времени в зависимости от прогрессивного развития движущейся материи. И хотя рассуждение ведется на уровне самых абстрактных категорий, тем не менее в нем содержится реальный смысл. Если есть развитие, то оно не может не сказываться на изменении формы времени, которая не может находиться в раз навсегда данной, застывшей форме. Если время представляет собой в наиболее усредненном виде составляющую всех мировых сил, считает философ, то среди них должны быть активные элементы, изменяющие строение времени.