Эволюция Биосферы

«Организованность»  биосферы, тесно связанная с пониженным значением ее энтропии, наиболее ярко проявляется во взаимной приспособляемости  организма и среды, их взаимосогласованности и взаимовлиянии. Первая сторона такого взаимодействия – зависимость организма от среды – была полно раскрыта от Ламарка до Мичурина. Но обратное явление – отражение жизни на среде – почти не привлекало внимание до В.И.Вернадского. Указывая, что связь живого и неживого в биосфере является взаимной, ученый писал: «Организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена и к нему». Конечно, здесь имеется ввиду не отдельный организм, а совокупность проявления больших комплексов живых существ или даже все живое вещество планеты.

Биосфера – не только «организованность». Она –  своеобразный «механизм», в котором  связь и соотношение между  живым и неживым веществом  подчиняется точным, строго математическим закономерностям. Точное количественное выражение в явлениях жизни становятся возможными только тогда, когда от рассмотрения отдельных особей мы переходим к  целым биоценозам, а затем и  ко всему живому веществу планеты. Улавливая  и перерабатывая космическую  – прежде всего солнечную –  энергию, живое вещество переносит  эту энергию по земной поверхности, а также с вешней в глубинные  оболочки планеты. Геохимически эта работа жизни осуществляется благодаря размножению организмов. Материально-энергетический «напор жизни» на среду подобен напору газа: живое вещество преодолевает сопротивление среды, стремится занять максимальный объем, распространиться на всю свободную территорию. Размножение – главный и основной вид того метаболического «вихря» атомов, благодаря которому не прекращается материально-энергетическая связь между организмом и средой, и в которой ярче всего проявляется геохимическая энергия жизни.

Постоянство темпа  размножения живого вещества обусловило большую устойчивость всех химических реакций земной коры. Изменение этой устойчивости «означало бы нарушение  всех веками установившихся циклов химических превращений в земном шаре». Среднее  количество особей, появляющееся в  биосфере благодаря размножению  в единицах времени, является мерой  геохимической энергии живого вещества или мерой производимой им работы. У различных биологических видов  количество присущей им энергии различно и является, отмечал В.И. Вернадский, важнейшим видовым признаком.

Неразрывная связь  планеты и организма имеет, таким  образом, не только качественную, но и  количественную сторону. Взятые в целом, в масштабе планеты, явления жизни, указывал Вернадский, построены на мере и числе. Размер планеты, ее геологические параметры и константы обуславливают вес, количество, размер потомства, быстроту его воспроизведения. «Планета и организм, - заключает ученый,- неразрывно численно связанны. Число должно также охватить область живого на нашей планете, как оно охватывает область больших явлений космоса».

Важное свойство биосферы – наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ  и связанную с ним неисчерпаемость  отдельных химических элементов  и их соединений. При отсутствии круговорота, например, за короткое время  был бы исчерпан основной «строительный  материал» живого – углерод, который  практически единственный способен образовывать межэлементные связи  и создавать огромное количество органических соединений.

Биосфера – система, характеризующаяся большим разнообразием. Разнообразие – важнейшее свойство всех экосистем. Биосфера как глобальная экосистема характеризуется максимальным среди других систем разнообразием. Последнее обусловливается многими  причинами и факторами. Это и  разные среды жизни; и разнообразие природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и другим свойствам; и наличии регионов, различающихся  по химическому составу; и, самое  главное, объединение в рамках биосферы большого количества элементарных экосистем  со свойственным им видовым разнообразием.

Живое вещество, его средообразующие свойства и функции в биосфере

Этот термин в  литературу ввел В.И. Вернадский. Под  ним он понимал совокупность всех живых организмов, выраженную через  массу, энергию и химический состав. Живое вещество – основа биосферы, хотя и составляет незначительную ее часть.

В живых организмах на порядок или несколько порядков увеличиваются скорости химических реакций в процессе обмена веществ. В.И.Вернадский в связи с этим живое вещество назвал чрезвычайно  активизированной материей.

Свойства живого вещества. Живое вещество способно быстро занимать (осваивать) все свободное  пространство. В.И. Вернадский назвал это  всюдностью жизни. Данное свойство дало основание В.И. Вернадскому сделать вывод, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным (константой). Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением, так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела.

И до В.И. Вернадского  было известно, что живые организмы  участвуют в круговороте многих химических элементов, в образовании  так называемых органогенных горных пород и минералов. Но только Вернадский указал на участие живого вещества в круговороте всех химических элементов. В.И. Вернадский показал, что проявления жизни глубочайшим образом меняют течение всех химических реакций  в земной коре, что живое вещество изменяет историю почти всех химических элементов, что чуть ли не каждый из них проходит в общей цепи превращений  через биогеохимическое звено. Жизнедеятельность  организмов – это глубокий и мощный геологический процесс. Химические реакции в биосфере протекают  или при непосредственном участии  живых организмов или в среде, физико-химические особенности которой  во многом обусловлены деятельностью  организмов на протяжении всей геологической  истории. Масштабы геохимической работы живого вещества таковы, что в течение  краткого момента времени через  живые организмы может пройти все вещество биосферы. Так, весь кислород земной атмосферы, являясь продуктом  процесса фотосинтеза, обновляется  благодаря зеленым хлорофилловых  растений каждые 2000 лет, а все молекулы углекислоты, участвующей в процессе фотосинтеза, - каждые 300 лет.

После смерти и разрушения живых организмов большая часть  составляющих их атомов опять возвращается в живое вещество. Но некоторая, очень  незначительная их часть на долгое время выходит из жизненного цикла за пределы биосферы. « Вся земная кора целиком, на всю доступную нашему наблюдению глубину, изменена этим путем»,- писал ученый. И даже неорганическая материя биосферы, отмечал он, «есть в значительной мере создание жизни».

Живое вещество, несмотря на огромное разнообразие слагающих  его организмов, едино в своей  вещественной, атомно-изотопической  основе. Но процесс атомной миграции связывает между собой не только сами организмы. Ни на секунду не прекращается биогеохимическая миграция из организма  в среду и обратно. Эта миграция была бы невозможна, если бы химический элементарный состав организмов не был  близок к химическому составу  земной коры. Но последний, отмечал  ученый, определяется, в конечном счете, не чисто геологическими причинами, а факторами и закономерностями космического характера – строением  атомов. Космические, ядерные процессы оставили свой след и на облике планеты, и на материальном субстрате планетного явления – жизни.

Поэтому изучение химического  состава биосферы представляет большой  интерес и имеет важное научное  значение. В.И. Вернадский разработал широкую  программу таких исследований. Ученый установил средний химический состав живого вещества. Оказалось, что в  организмах явно преобладают легкие элементы: H, C, N, O, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca (из тяжелых распространенным является лишь один - из тяжелых распространенным является лишь один – Fe). Эти элементы дают в организмах также соединения, которые, как правило, вне живого вещества не наблюдаются. Особое значение в жизни организмов имеют радиоактивные элементы.

Средообразующие функции живого вещества. Всю деятельность живых организмов в биосфере можно, с определенной долей условности, свести к нескольким основополагающим функциям, которые позволяют значительно дополнить представление об их преобразующей, биосферно-геологической роли.

В.И. Вернадский выделял  девять функций живого вещества. Основные из них – газовая, кислородная, окислительная, восстановительная, концентрационная.

Газовая – способность  изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и  атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало  аккумуляцию его в биогенном  веществе (органические остатки, известняки и т. п.). В результате этого шло  постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси в атмосфере с  десятков процентов до современных 0,03%.

Кислородная – близка к газовой функции, связана с накоплением в атмосфере кислорода и уменьшением его в результате горения и дыхания.

Окислительная –  связана с интенсификацией под  влиянием живого вещества процессов  окисления, благодаря обогащению среды  кислородом.

Восстановительная – связана с интенсификацией  процессов восстановления прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода. Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море). Данный процесс в связи с деятельностью человека прогрессирует.

Концентрационная  – способность организмов концентрировать  в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей организмы  средой на несколько порядков (по марганцу, например, в теле отдельных организмов – в миллионы раз). Результат концентрационной деятельности – залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и  т.п.

Средообразующая функция является результатом совместного действия других функций. С ней, в конечном счете, связано преобразование физико-химических параметров среды. Эту функцию можно рассматривать в широком и более узком планах.

В широком понимании  результатом данной функции является вся природная среда. Она создана  живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии  ее параметры практически во всех геосферах.

В более узком  плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании почв. В.И.Вернадский, как отмечалось выше, почву называл биокосным телом, подчеркивая тем самым большую роль живых организмов в ее создании и существовании.

Таким образом, совокупная деятельность всех форм жизни активно  преобразует свойства основных сред жизни, соответствующих газовой  каменной и жидкой геологическим  оболочкам земного шара. По меткому  выражению В.И. Вернадского «живое вещество само создает себе область  жизни».

В обобщающем виде роль живого вещества сформулирована в виде «Закона биогенной миграции атомов» (В.И. Вернадского): «Миграция  химических элементов на земной поверхности  и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии  живого вещества, или же она протекает  в среде, геохимические особенности  которой обусловлены живым веществом, существовавшим и существующим в  биосфере со времени ее образования…». В соответствии с этим законом  понимание процессов, протекающих  в биосфере, невозможно без учета  биотических и биогенных факторов. Воздействуя на живое население  Земли, люди тем самым изменяют условия  миграции атомов, а, следовательно, воздействуют на основополагающие геологические  процессы.

Живое и неживое  вещество. Биологическое время. Единство живого и неживого диалектично. Но оно  в то же время включает в себя и глубокое качественное отличие  живых тел от всей остальной природы. Явления жизни принципиально  не сводимы к физико-химическим системам. Будучи особой формой взаимосвязи химических элементов, живое вещество характеризуется  не только особым атомным, но и своеобразным изотопным составом, что было теоретически предсказано Вернадским и практически подтверждено уже после его смерти.

Но еще более  значительной особенностью живого вещества является его отличие от «косной» среды по пространству – времени. Живому веществу как высшему, наиболее сложному и развитому уровню организации  материи соответствует особое, только ему присущее пространство – время.

В окружающей нас  природе, отмечал В.И. Вернадский, мы имеем дело не с идеальным (геометрическим), а с реальным - физико-химическим и биологическим пространством, особенности которого определяются сложными законами поведения атомов, изотопов и элементарных частиц. К  соображениям о характере биологического пространства – времени Вернадский шел долгим путем, изучая проявления в живой и неживой природе  законов симметрии. Своеобразие  ее в организмах ученый связывал с  «геометрическим строением физического  пространства, занимаемого телами живого организма». Вернадский высказал научную  гипотезу, согласно которой геометрический субстрат живого вещества отвечает одному из пространств геометрии Римана. Для этого пространства характерны кривые линии и кривые поверхности; полярные векторы (т.е. отсутствие центра симметрии и сложные симметрии); неравенство правизны и левизны. « Это пространство конечно, замкнутое, резко отделяющееся от окружающего».

В особых пространственных геометрических формах В.И. Вернадский долгое время видел наиболее существенное отличие живого от неживого. Но уже в 40-е гг., он пришел к выводу, что это отличие лежит еще более глубоко: в пространстве – времени.

Жизненное (биологическое) время проявляется, согласно Вернадскому, в трех процессах: 1) Во времени индивидуального  бытия; 2) В смене поколений без  изменения форм жизни (промежуток в  смене поколений ученый принимал за единицу биологического времени  данного вида); 3) В эволюционном процессе, скачками меняющем форму организмов одновременно со сменой поколений. Время  индивидуального бытия живых  организмов связано с неуклонно  идущим процессом старения и смертью.

Особые свойства биологического времени связаны  также с «организованностью»  живой системы. В такой системе (будь это отдельный организм или  вся биосфера в целом) «нет никогда  тождественности состояния во времени, создается всегда новое, близкое  к прошлому, но не тождественное  состояние». Ни одна из точек такой  системы не занимает в течение  сколь угодно продолжительного времени  то же самое место, т.к. «организованный  процесс отличается постоянной новизной, необратимостью и направленностью».