Текст книги "Биосфероведение"

Космос очень тесно связан с биосферой и имеет для неё фундаментальное значение. Как в энергетическом отношении, так и в информационно-организационном.

Действует как ближний, так и дальний космос. Уже планеты Солнечной системы влияют на биосферу. И, прежде всего, спутник Земли – Луна. Лунные месячные циклы известны и животному, и растительному миру. Китайцы издревле сажают растения, сообразуясь с фазами Луны. Неспроста и год разбит на месяцы. Можно вспомнить лунно-солнечный календарь Ветхого Завета.

Однако самое большое значение для биосферы имеет наша родная звезда Солнце. Без мощного потока его лучевой энергии невозможно представить жизнь на Земле. Это энергетическая основа существования всей биосферы. Кроме того, Солнце оказывает и регулирующее действие на биосферу. Известно значение вспышек, выбросов (протуберанцев) и других явлений, циклически возникающих на Солнце.

Неотразимо могучее влияние на биосферу Земли Галактических ритмов, в том числе Галактического года. Действие потоков космических лучей и электромагнитных излучений, достигающих Земли из глубин нашей Галактики, давно замечено наукой. Воздействует на биосферу и более отдаленный космос. Чего только стоят загадочные вспышки сверхновых звёзд или энергия квазаров!

Много здесь неизвестного, много таинственного, но занавес приоткрыт: мы увидели, что Космос теснейшим образом связан с биосферой. Поэтому биосферологи, начиная с Вернадского и говорят, что биосфера открыта Космосу, чутко отзывается на его действие и передает это действие Земле. Биосферу можно уподобить чуткому космическому органу Земли, который в виде пленки квазижидкого кристалла на большом твёрдом кристалле Земли реагирует на любые импульсы Космоса.

Мы уже знаем, что биосфера представляет собой системное целое. Посмотрим, как взаимодействуют основные системы биосферы, обеспечивая её целостность.

Биосферу не зря называют организмом: в организме всё взаимосвязано. И в самом деле, множество фактов убеждают нас, что системы биосферы закономерно связаны подобно тому, как в организме человека связаны кровеносная и нервная системы, гормональная и иммунная, и другие.

Вот несколько примеров единства биосферы. В эпоху наземных испытаний ядерного оружия европейцы заметили такое «правило»: всякий раз как на атоллах Тихого океана производят ядерный взрыв – через четыре месяца в молоке европейских женщин обнаруживается радиоактивный стронций. Ещё пример. В северном полушарии ядохимикатом ДДТ травили насекомых – через некоторое время в Антарктиде, в организме пингвинов обнаруживают значительные количества этого яда. Яд пингвины получили с рыбой, которой питаются. Или другое: в океане плавает нефть – и через какое-то время в атмосфере снижается количество кислорода.

Ещё пример. Биосфера, вбирая солнечную энергию, создаёт энергетическую структуру, которая находится в равновесном состоянии. Растительный покров биосферы способен существовать только при определённой температуре окружающей среды, создаваемой солнечной энергией. Только в условиях общего энергетического равновесия биосферы растения могут брать для фотосинтеза свою долю энергии (0,25 %) из общего «котла». В свою очередь, растения создают условия для поддержания общего энергетического равновесия биосферы. С помощью математического моделирования академик Н.Н. Моисеев показал, как может нарушиться это равновесие. Он определил, что если понизить температуру поверхности Земли на 3–4 градуса, то весь земной шар покроется льдом. А повышение температуры Земли на 4–5 градусов приведёт к необратимому процессу тотального плавления ледников планеты и к затоплению значительной части суши.

Посмотрим теперь, как единый организм биосферы действует на протяжении значительных геологических периодов. Чтобы лучше разобраться в жизнедеятельности этого организма, позволим себе представить биосферу в виде глобальной кибернетической системы. Не забывая однако, что это будет упрощённое схематическое изображение биосферы, которая, обладая свойствами кибернетической системы, ими не исчерпывается и к ним не сводится.

Биосфера имеет свойство поддерживать гомеостаз, то есть сохранять устойчивость и целостность. Для этого она имеет «устройства» регуляции и саморегуляции, которые помогли ей выжить на протяжении миллиардов лет, несмотря на катастрофы, случавшиеся на Земле.

Английский кибернетик Эшби установил фундаментальный принцип: всякая кибернетическая система тем устойчивее, чем выше сложность её организации, чем богаче она разнообразием своих элементов. Этот кибернетический закон как нельзя лучше применим и к биосфере, которая отличается исключительным разнообразием и сложностью своих подсистем.

И, прежде всего (и более всего) это относится к центральной подсистеме биосферы – биоте (то есть всему живому на Земле или «живому веществу» по-Вернадскому), которая, являясь самым сложным и самым активным звеном биосферы, постоянно стремится к повышению своей организации, к возрастанию сложности.

Биота или живое вещество – это тот центр, в котором сходятся все энергии, все силы, влияния и вещества, поступающие как от Земли, так и из Космоса. Именно живое вещество – та удивительная материя, которая всё это воспринимает, чутко улавливает – и строит биосферу, воздействуя на окружающее.

Биоту можно назвать регулирующим центром биосферы, поддерживающим её гомеостаз (устойчивость). Поэтому биосферу считают централизованной кибернетической системой. Но она вместе с тем – и открытая термодинамическая система. Получая на «входе» из Космоса солнечную энергию, вещество (метеориты, космическую пыль и тому подобное) и другие воздействия, из недр Земли – вещество, тепло и радиоактивную энергию, биосфера на «выходе» приводит в движение колоссальное количество атомов земного вещества, производя геологическую работу по изменению лика Земли, её внешних оболочек. Благодаря именно этой работе сохраняется состав атмосферы, солёность морей, преобразуются в почву горные породы, образуются новые минералы. Эту работу, эти биогеохимические процессы Вернадский называл «биогенной миграцией атомов». Не было бы действия живого вещества – не было бы этих изменений природы. В связи с этим он писал: «Биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами[4]4
  «Трансформаторы» здесь – преобразователи.


[Закрыть], переводящими космические излучения в действенную земную энергию – электрическую, химическую, механическую, тепловую и так далее».

Производя геологическую работу, сама биота находится в «вечном» круговороте: остатки живых организмов разлагаются и затем снова входят в состав новых организмов. В круговороте находится как бы одно и тоже количество атомов. Но это не так: часть живого вещества выпадает из биотического круговорота, так как он частично разомкнут. Выпавшие из биотического круговорота остатки живого вещества «превращаются, теряя всякие следы жизни, в гранитную оболочку, выходят из биосферы. Гранитная оболочка Земли есть область былых биосфер». (Вернадский)

Та часть биологической энергии, которая после циркуляции и превращений в биологических структурах «отходит от дел», накапливается в земной коре в виде алюмосиликатов, которые названы «геохимическими аккумуляторами». (А.В. Лапо)

Теперь должен быть ясен смысл научных определений биосферы. Чтобы полнее выразить суть биосферы, дадим два определения. По В.Д. Малиновскому, биосфера – это глобальная открытая динамическая оболочечная система Земли со свойством саморегуляции (гомеостаза). Кибернетически централизованная система, в которой живое вещество играет роль ведущего центра в функционировании системы в целом.

Другое определение – по Лапо – более развёрнутое. Биосфера – это «пронизанная жизнью и сформированная ею наружная оболочка Земли, развитие которой определяется постоянным притоком космической (главным образом солнечной) энергии. Биосфера Земли характеризуется присутствием жидкой воды и широким развитием низкотемпературных реакций… Биосфера продуцирует наружу – газовую оболочку, вовнутрь планеты – оболочку осадочных пород („былые биосферы“, или „метабиосферу“)».

В завершение общей характеристики биосферы следует сказать, что только в её условиях мог появиться человек, носитель разума. Человек с помощью биосферы создал свою цивилизацию, подошёл вместе с биосферой в своём развитии к порогу новой стадии развития биосферы – к порогу ноосферы, сферы разума. Но об этом в третьем разделе книги.

Глава 3. О границах биосферы

О зарождении биосферы. Освоение жизнью трёх разнофазных оболочек Земли. Особая роль магнитосферы. Об областях и границах биосферы.

Приведём исходные «паспортные» данные биосферы. Родилась она на Земле, как установлено наукой – три с половиной миллиардов лет назад. Научная общественность не сомневается, что мать биосферы – Земля. А вот насчёт отца мнения расходятся. Правда, Вернадский и другие великие умы сходились на том, что биосфера, как и жизнь, имеет космическое происхождение.

Обстоятельства рождения тоже не прояснены: откуда и как появился генетический код? Почему живое использует только левовращающие основания и аминокислоты? И так далее. Но на одном Вернадский настаивал – биосфера появилась чуть ли не одновременно с жизнью на Земле, а именно: жизнь, едва сама зародившись, уже имела биосферный, экосистемный характер. То есть, при зарождении она уже существовала в виде первичных экосистем, представляющих собой сообщество разных организмов, состоящих из множества различных видов. Таким образом, Вернадский постулирует изначальный видовой полифилетизм в биосфере в отличие от дарвиновского монофилетизма. Современная наука всё более это подтверждает. Так Т. Чеховская пишет: «…палеонтологами было доказано многоствольное происхождение большинства хорошо изученных групп животных: рыб, пресмыкающихся, млекопитающих». Академик Б.С. Соколов констатирует: «В целом становится ясно, что эволюционное развитие шло не одним-единственным путём. Мы не знаем, как связать родственные стволы многих беспозвоночных: ниже границы кембрия сейчас опущены корешки целого ряда ветвей эволюционного дерева, и они не сходятся… И сойдутся ли вообще?!»[5]5
  Т. Чеховская. Р. Щербаков. Ошеломляющее разнообразие жизни. М. 1990. С. 81–82.


[Закрыть]

А теперь приведём количественную характеристику биосферы. Современная биосфера (со всеми её геологическими слоями-оболочками) имеет массу около 0,05 % массы Земли. Объём – около 0,4 % объёма Земли. Масса живого вещества биосферы составляет 3·10^-8 % – 5·10^-8 % массы Земли или 0,7·10^-4 % – 1,0·10^-4 % массы биосферы.

Норвежский учёный В.М. Гольдшмидт привёл такое сравнение: «если литосферу представить в виде каменной чаши весом 13 фунтов, то гидросфера, заключённая в этой чаше, весила бы 1 фунт, атмосфера соответствовала бы весу медной монеты, а живое вещество, почтовой марки». (цитируется по А.И. Перельман)

Биосфера, охватывает три внешние, резко отличающиеся оболочки Земли: газообразную (атмосферу), жидкую (гидросферу) и твёрдую (литосферу). Живое любит разнообразие – вот оно и заселило все эти три разных фазы вещества, три разных оболочки Земли. Возможно, эта трёхфазность биосферы и была одним из тех необходимых важнейших условий, обусловивших появление жизни на Земле.

К этим трём оболочкам следует добавить ещё одну, особую – магнитосферу. Это не вещественная оболочка, а полевая. Правда, она содержит плазменное вещество, но об этом расскажем в соответствующей главе. Важно то, что эта оболочка пронизывает все три названные оболочки, всю биосферу, всю толщу земную вплоть до её ядра. Исходит из ядра и уходит в космическую окрестность Земли. Такие особенности магнитосферы как невещественность, всепроникаемость, взаимосвязь с электромагнетизмом космоса, делают её совершенно особенным, необходимым фактором для биосферы, главным для жизни. Фактором, вероятно обусловившим самые фундаментальные свойства живого, а именно – связанные с его пространственно-временной структурой и информатикой. В настоящее время наука установила, что живое не может существовать без геомагнитного поля, без магнитосферы.

Насколько полно и тесно биосфера связана с перечисленными оболочками? Здесь «пальму первенства» надо отдать гидросфере. Только гидросфера целиком, на всю свою толщу пронизана жизнью. Недаром замечено особое сродство воды к жизни. Вода будто бы специально создана для того, чтобы благодаря ей могла существовать жизнь. Другие оболочки охвачены жизнью лишь частично.

Вопрос – насколько другие оболочки входят в биосферу – связан с вопросом о границах биосферы. Чем определяются и где проходят границы биосферы? Пространствами Земли? Конечно. Но прежде всего они определяются свойствами живых организмов, позволяющими заселять эти пространства. Коль живое вещество – ведущее звено биосферы, то им и определяются границы биосферы.

Живое вещество всюдно: оно в воздухе, в море, на земле и под землёй, в пещерах, в подземных водах, на ледниках гор и полюсов. Оно способно выживать в разных, подчас экстремальных условиях. В отсутствии кислорода, в полной темноте, в холоде, при больших дозах радиации. Например, термофильные бактерии живут при 140 °C, есть свидетельства, что они выживают даже при 270 °C. Живут в кислотных и засоленных средах. Бактерии и споры обнаружены на высоте 85 км, хотя озоновый экран располагается на высоте 23–25 км. Жак Пикар наблюдал живые существа в Марианской впадине на глубине 11 километров, а именно: голотурий («морские огурцы»), некоторых рыб, и другие организмы. Под толщей льда в Антарктиде обнаружены цианобактерии. В отложениях морского ила, в толще до 0,5–1,0 км, в нефтяных скважинах до 1,7 км, в подземных водах на глубине до 3 км тоже находят живые организмы.

Вернадский, определяя границы биосферы, различал в ней две области:

а) область устойчивости жизни: где жизнь ещё сохраняется, но не живёт в полную силу (не размножается и так далее);

б) область существования жизни: где жизнь может прогрессировать количественно и качественно.

Последователь Beрнадского Н. Б. Вассоевич разделил биосферу на четыре области: а) апобиосфера – биосфера, ограниченная озоновым экраном;

б) парабиосфера – биосфера, ограниченная областью устойчивости жизни;

в) собственно биосфера – область существования жизни;

г) метабиосфера – осадочные породы, большая часть литосферы, «былые биосферы» по Вернадскому.

Если говорить о биосфере, определяя её границы областью существования жизни, а не областью её устойчивости, то её общие границы можно определить так:

– на суше – до 3 км в глубину,

– в океанах – на всю толщу воды при средней глубине 3,8 км. Кроме того, прибавляют 0,5 км толщи дна.

В атмосфере около 9 км в полярных широтах и 11–18 км в экваториальных.

Суммарно, в океане толщина биосферы определена в пределах 13–22 км, на материках – 12–21 км.

Глава 4. Живое вещество, его основные свойства

Живое вещество – главное звено биосферы. Классификации веществ биосферы. Основное свойство живого вещества – биогенная миграция атомов. О других важнейших свойствах живого вещества.

Жизнь часто предстаёт невидимкой, искоркой-пылинкой – она в массе своей состоит из мелочей: бактерий, одноклеточных грибов, спор, вирусов. Но она – главный герой на сцене биосферы. От неё коренным образом зависит существование биосферы.

Вернадский, взглянув на жизнь всеохватно (как бы одновременно из космоса и из недр), увидел какую незаменимую геологическую работу планетарных масштабов совершает жизнь. Как она передвигает и трансформирует земное вещество, как приводит в движение сложнейший организм биосферы, как согласно миллиарды лет сотрудничает с Землёй – и уверенно провозгласил её главным, центральным звеном биосферы. Он писал, что с исчезновением жизни «лик Земли стал бы также неизменен и химически инертен, как является неподвижным лик Луны».

Главное звено биосферы, которое и само работает, и заставляет работать на себя неживую систему целой планеты, Вернадский назвал живым веществом. Тут следует пояснить, почему живое названо живым веществом. Во-первых, для учёного всегда важна возможность измерить изучаемый объект. Как измерить жизнь? Она неизмерима. А если апеллировать к живому веществу, то его можно измерять по весу, количеству энергии, химическому составу. Во-вторых, с геологической точки зрения всё вещественное считается минералом: и воздух, и вода, и твёрдые породы, и живые тела. Наконец, можно избежать и терминологическую путаницу: ведь слово жизнь имеет широкое значение.

В биосферологии все вещества биосферы подразделяют на три типа.

1. Живое вещество – все живые тела планеты.

2. Биогенное вещество – вещество, образованное жизнью; оно имеет два подтипа – неогенное (новое) и палеогенное вещество (древнее). Неогенное вещество (биокосное) – недавно возникшее благодаря деятельности живого вещества. Это почва, ил, торф. Палеогенное вещество – давний продукт живого вещества, уже окаменевший, превратившийся в толще земной коры в условиях большого давления и высоких температур в осадочные породы, в твёрдые минералы: мел, яшма, уголь, марганцевые и железные руды, даже гранит и другие.

3. Абиогенное вещество (косное) – всё неживое вещество биосферы, которое и в прошлом не было живым. Оно либо вышло из недр, как продукт магматической активности, либо поступило из космоса (в виде метеоритов, частиц, пыли. За год на Землю из космоса поступает до 1 млн. тонн вещества), либо это продукты распада радиоактивных веществ.

Все эти три типа веществ находятся в определённой взаимосвязи и составляют вещественную основу биосферы.

Что же представляет собой живое вещество? Это самое удивительное, сложное и загадочное вещество. Природу живой материи наука до сих пор не расшифровала, хотя и много знает о ней. Но мы будем рассматривать живое вещество не с точки зрения его природы, а с точки зрения его биосферного значения. В этом отношении главным свойством живого вещества, этой «формы активизированной материи» (Вернадский), насыщенной огромной свободной энергией, следует назвать его способность приводить в движение потоки химических элементов, то есть осуществлять биогенную миграцию атомов – такой процесс, в котором атомы неживых веществ захватываются и приводятся в движение силой жизни. (Вспомните парадигму биосфероведения!)

Этот процесс необходим для продолжения жизни, для существования биосферы, для самой Земли. Благодаря именно биогенной миграции атомов формируется газовый состав атмосферы, солевой состав океанов, облик материков, горные породы, климат и так далее.

Это основное свойство живого вещества реализуется и в важнейшем биосферном процессе – в проникновении космической энергии вглубь Земли. «Все глубже и глубже в течение геологического времени благодаря этому воздействию живого вещества проникает внутрь планеты изменённая лучистая космическая энергия». (Вернадский)

Владимир Иванович установил два важнейших закона биогенной миграции атомов. Он назвал их биогеохимическими принципами.

1. Биогенная миграция атомов в биосфере стремится к максимальному проявлению. Действительно, живое вещество стремится распространится по всей планете, занять разные среды и ниши. В результате биологической эволюции увеличивается «всюдность» жизни.

2. Биологическая эволюция (появление новых устойчивых форм жизни в биосфере) «должна идти в направлении, увеличивающем проявление биогенной миграции атомов в биосфере». То есть, в процессе эволюции создаются такие организмы, которые способствуют увеличению биогенной миграции атомов, общей силы жизни в биосфере.

А теперь дадим развернутую характеристику живого вещества. Назовём более конкретные его свойства.

1) Живое вещество обладает огромной свободной энергией (сравнимой с энергией раскалённой лавы).

2) Скорость химических реакций в живом веществе в тысячи и более раз превышает скорость химических реакций в неживом веществе.

3) Биологические молекулы живого вещества устойчивы лишь в организме.

4) Живое вещество способно к самодвижению.

5) Биологические молекулы более разнообразны, чем не биологические (2 млн. против 2 тыс.).

6) Корпускулярность живого вещества, существующего только в виде организмов, живых тел.

7) Организмы всегда входят в экосистемы (в биоценозы).

8) Живое следует принципу Реди: всё живое – из живого.

9) Живое вещество способно эволюционировать, усложняться.

Как мы видим по этим свойствам, живое вещество резко отличается от неживого. Эту несводимость живого к неживому Вернадский особенно подчёркивал и называл её «геологической вечностью жизни».

Следует сказать ещё о двух свойствах живого вещества без которых оно не было бы живым. Одно из них заключается в способности живого чрезвычайно чувствительно реагировать на внешние факторы. Так глаз регистрирует отдельные фотоны, насекомые видят ультрафиолетовый свет, лягушка реагирует на считанное количество атомов золота – в их присутствии у неё расширяются сосуды брюшка, всё живое чувствует электрические и магнитные поля и так далее.

Другое важное свойство всякой живой системы, будь то организм или экосистема, заключается в способности к саморегуляции. Оба этих свойства относятся к информационным свойствам живого вещества и имеют фундаментальное значение в биосферных процессах.