Учение о биосфере2003/03/06 · Появление понятия о сфере...

Министерство образования Российской Федерации Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

Б.В. Поярков О.В. Бабаназарова

Учение о биосфере

Курс лекций

1

Ярославль 2003

Поярков Б.В., Бабаназарова О.В. Учение о биосфере

ББК П 41

Рецензенты: И.И. Мочалов, доктор философских наук, академик РАЕН

им. В.И. Вернадского, главный научный сотрудник Отдела истории наук о Земле Института истории естествознания

и техники им. С.И. Вавилова РАН; Н.А. Шобанов, доктор биологических наук,

ведущий научный сотрудник Института биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина

П41 Поярков Б.В., Бабаназарова О.В.

Учение о биосфере: Курс лекций / Яросл. гос. ун-т. Ярославль, 2003. 408 с. ISBN 5-8397-0292-7

Рассмотрена история возникновения и развития учения о биосфере,

теоретические основы этого учения: биосфера как природная система, ее основные свойства и внутреннее строение, а также протекающие в ней природные процессы, история развития биосферы с точки зрения синер-гетики и переход ее в ноосферу.

Книга рассчитана на студентов вузов геолого-географических и био-логических специальностей, а также на тех любознательных людей, кто интересуется строением и функционированием “космического корабля”, экипажем которого является все человечество.

Табл. Ил. 13. Библиогр.: 95 назв. ББК

ISBN 5-8397-0292-7 © Ярославский

государственный университет, 2003

© Поярков Б.В., Бабаназарова О.В., 2003

2

3

До сих пор в картине научно постро-енного Космоса жизнь исчезала или играла ничтожную роль. Она не была связана с Космосом, как необходимое закономерное звено

В.И. Вернадский Включение жизни – через биогеохи-

мию – в научную картину Космоса приоб-ретает значение и интерес не только для ученого, но и для философа и для всякого образованного человека

В.И. Вернадский До сих пор историки, вообще ученые

гуманитарных наук, а в известной мере и биологи, сознательно не считались с зако-нами природы биосферы – той земной оболочки, где может только существо-вать жизнь. Стихийно человек от нее не-отделим

В.И. Вернадский

Поярков Б.В., Бабаназарова О.В. Учение о биосфере Поярков Б.В., Бабаназарова О.В. Учение о биосфере

4 4

5

Содержание

1. Введение ....................................................................................... 11

Семинар 1...................................................................................... 25

2. История возникновения учения о биосфере.......................... 26

Рождение термина "биосфера" ................................................. 27

Появление понятия о сфере обитания жизни ......................... 28

Возникновение замысла о создании новой картины мира....... 30

Воплощение А. Гумбольдтом замысла в труде “Космос” .....31

Воплощение замысла В.И. Вернадским в учении о биосфере ... 37

Семинар 2.1. История возникновения учения о биосфере........ 61

Литература.................................................................................. 61

Семинар 2.2. Воплощение В.И. Вернадским замысла в учение о биосфере ................................................................................... 62

Литература.................................................................................. 62

3. Сведения о системном анализе и синергетике...................... 63

Краткая история развития системных представлений ........ 65

Выделение систем........................................................................ 70 Виды систем............................................................................... 71 Типы систем............................................................................... 74 Свойства системы...................................................................... 75

Краткие сведения о синергетике ............................................... 77 Зарождение и развитие синергетики ....................................... 78 Основные результаты, полученные синергетикой................ 84

Семинар 3.1. Краткая история развития системных представлений. Выделение систем ........................................ 93

Семинар 3.2. Краткие сведения о синергетике ....................... 94

Литература.................................................................................. 94


6

4. Выделение биосферы как сложной природной системы ................................................................... 95

Цель выделения биосферы ........................................................... 96

Границы биосферы..................................................................... 101 Верхняя граница биосферы .................................................... 103 Нижняя граница биосферы..................................................... 103

Семинар 4.................................................................................... 108

Литература................................................................................ 108

5. Основные свойства биосферы как системы ...................... 109

Открытость .............................................................................. 109 Потоки энергии........................................................................ 109 Потоки вещества ..................................................................... 114

Полуизолированность ................................................................ 118

Динамичность, неравновесность и нелинейность................. 124

Семинар 5.1................................................................................. 126

Литература................................................................................ 126

6. Общие особенности биосферы, возникшие под внешним влиянием.......................................................... 127

Влияния, обусловленные особенностями Земли как планеты............................................................................ 127

Влияния, возникающие в связи с небесной механикой............ 130 Вращение Земли вокруг своей оси ........................................ 131 Обращение Земли вокруг Солнца.......................................... 132 Возникновение приливов и отливов...................................... 133 Вращение Солнечной системы вокруг центра инерции

Галактики .......................................................................... 133

Влияния процессов происходящих на Солнце.......................... 135

О пространстве-времени биосферы ........................................ 136 Явления симметрии................................................................. 138 Изучение времени ................................................................... 147

7

Семинар 6.1. Внешние влияния на биосферу........................... 150

Семинар 6.2. Об особенностях пространства-времени биосферы ................................................................................ 150

Литература................................................................................ 151

7. Внутреннее строение биосферы ............................................. 152

Вещества, слагающие биосферу............................................... 153

Формы нахождения химических элементов........................... 162

Естественные тела биосферы................................................. 163 Атмосфера................................................................................ 165 Мировой океан ........................................................................ 169 Ландшафтная сфера ................................................................ 175 Литосфера ................................................................................ 179

Феномены, рождающиеся при взаимодействии естественных тел глобальной размерности ...................... 182 Климат ...................................................................................... 182 Литогенез ................................................................................. 185 Эволюция живого вещества ................................................... 187

Процессы, свойственные естественным телам биосферы .. 200 Геологические процессы ........................................................ 201 Геофизические процессы........................................................ 207 Геохимические процессы ....................................................... 210 Биологические процессы ........................................................ 217 Биогеохимические процессы.................................................. 220

Семинар 7.1. Типы вещества биосферы .................................. 229

Семинар 7.2. Естественные тела биосферы .......................... 230

Семинар 7.3. Феномены, возникающие при взаимодействии естественных тел глобальной размерности ...................... 230

Семинар 7.4. Процессы, свойственные естественным телам биосферы .................................................................... 230

Литература................................................................................ 231


8

8. Потоки энергии в биосфере .................................................... 232

Основные понятия и законы термодинамики......................... 233

Энергетическое взаимодействие биосферы с окружающей ее средой ................................................................................. 234

Экзогенные потоки энергии ...................................................... 235 Эндогенные потоки энергии .................................................. 236

Энергетическое обеспечение геологических и геохимических процессов ................................................................................ 239

Энергетическое обеспечение геофизических процессов......... 241

Энергетическое обеспечение биологических и биогеохимических процессов................................................. 246

О запасах свободной энергии в биосфере ................................ 249

Семинар 8.1. Энергетическое взаимодействие биосферы с внешней средой .................................................................... 253

Семинар 8.2. Энергетическое обеспечение различных биосферных процессов........................................................... 254

Литература................................................................................ 254

9. Примеры круговоротов химических элементов и их соединений в биосфере.................................................... 255

Круговорот воды........................................................................ 257

Круговорот кислорода............................................................... 266

Круговорот углерода ................................................................. 273

Круговорот азота...................................................................... 281

Круговорот фосфора................................................................. 289

Семинар 9.................................................................................... 295

Литература................................................................................ 295

9

10. О развитии биосферы с точки зрения синергетики ........ 296

Изучение геохимических круговоротов с позиций синергетики........................................................... 301

Применение синергетики в исследованиях возникновения и развития живого вещества............................................... 303

Синергетика и исследование общественных систем............. 304

Семинар 10.1. Развитие биосферы с позиций синергетики.. 310

Семинар 10.2. Развитие живого вещества и общества с позиций синергетики........................................................... 310

Литература................................................................................ 310

11. Основные этапы развития биосферы................................. 311

Добиосферный этап развития Земли ...................................... 316

Современные взгляды на возникновение биосферы ............... 321

Древнейший этап развития биосферы .................................... 327

Неопротерозойский этап в развитии биосферы................... 337

Раннепалеозойский этап развитие биосферы ........................ 341

Позднепалеозойский этап развития биосферы ...................... 344

Современный этап развития биосферы .................................. 352

Семинар 11.1. Добиосферный этап развития Земли.............. 363

Семинар 11.2. Современные взгляды на возникновение биосферы и ее древнейший этап развития ........................ 364

Семинар 11.3. Неопротерозойский этап развития биосферы. Ранеепалеозойский этап развития биосферы. Позднепалеозойский этап развития биосферы. Современный этап развития биосферы.............................. 365

Литература................................................................................ 367

12. Переход биосферы в ноосферу ............................................. 368

Представления В.И. Вернадского о ноосфере......................... 368


10

Об особенностях восприятия научным сообществом учения о биосфере ................................................................. 370

Современное восприятие представлений В.И. Вернадского о ноосфере .............................................................................. 376 Взгляды тех, кто "pro"............................................................. 376 Анализ взглядов тех, кто "contra" .......................................... 383

Семинар 12.1. Представления В.И. Вернадского о ноосфере .............................................................................. 390

Семинар 12.2. Современное восприятие представлений В.И. Вернадского о ноосфере................................................ 391

Литература................................................................................ 391

13. Заключение.............................................................................. 392

Литература .................................................................................... 396

1. Введение

1. Введение

1. Введение

зучение любого курса начинается с трех основных моментов. Во-первых, надо выяснить, что скрывает-ся за словами, стоящими в его названии. Во-

вторых, – понять суть содержания курса, то есть прояснить для себя, с чем же придется иметь дело. В-третьих, для чего этот курс нужен, что он дает для будущей профессиональной дея-тельности?

ИОбъяснение названия. В название курса входят два слова –

учение и биосфера. Словом учение в русском языке обычно на-зывают “отдельную часть, отрасль науки, образующую нечто целое” (Даль, 1955, с. 528). Синонимами термина учение явля-ются такие термины, как концепция, теория, система, доктри-на. Все они предназначены для обозначения целостного изло-жения системы взглядов, которая рисует научную картину мира. Поэтому употребление термина учение подчеркивает, что на-стоящий курс призван дать целостное мировоззренческое пред-ставление о биосфере. Слово биосфера буквально означает сфе-ру жизни. Сейчас этим словом обозначают особую оболочку нашей планеты, в которой обитает живое вещество. Под живым веществом, вслед за В.И. Вернадским, мы будем понимать всю совокупность живых организмов, которые обитают на нашей планете и объединены в единое целое своим химическим взаи-модействием с окружающей средой, или, как еще говорят, своей биогеохимической функцией.

Традиционно исследованием живых организмов с давних пор занималась биология. Биологи подробнейшим образом изу-чают организмы, различая среди них по самым разным, в основ-ном морфологическим признакам, те или иные отряды, семейст-ва, роды, виды. Понятно и общепринято в настоящее время, что

11


12

эти признаки формируются как под воздействием внутренних факторов, присущих самим живым существам, так внешних факторов среды обитания. Но сейчас взглянем на живые орга-низмы с другой точки зрения. Посмотрим, а как же вся их сово-купность влияет на окружающую их среду, как они все вместе воздействуют на планету. Посмотрим, что же объединяет их в единое целое, несмотря на все существующие между ними раз-личия. Для этого нам нужно расстаться с привычным обликом живых существ, не делить их на ежиков, подсолнухи и бакте-рии…, а рассматривать их как особый вид вещества материи, свойственный планете Земля. Нам надо попытаться определить их функцию по отношению к планетарному телу. Под таким уг-лом зрения и предложил рассматривать живые организмы В.И. Вернадский. Ему удалось показать, что объединяющим началом всего живого является его биогеохимическая функция.

Этот новый взгляд на окружающий нас мир позволил лик-видировать разобщенность между отдельными научными дис-циплинами, которая возникла в последние два столетия. Обще-известно, что на нашей планете живое и косное вещества сосед-ствуют. Исторически сложилось так, что с точки зрения биологов они не равно важны, живое несравненно важнее. По-этому декларируемое “единство” живого и косного вещества в практике биологических исследований обычно не соблюдается. Биологи специально не изучают косные вещества, которые на-ходятся как в составе живых тел, так и вне этих тел. Они пере-дают их наукам о Земле. Получается разрыв между науками. В учении о биосфере, живое биоорганическое и косное, в основ-ном неорганическое, вещества считают равно важными, так как без обоих жизнь невозможна. Итак, в биологии в основном изучают жизнь (организмы, био без гео), в учении о биосфере – жизнь на Земле (био вместе с гео). Такой подход чрезвычайно расширяет горизонт исследований земной жизни и живой при-роды и приводит его в соответствие с уровнем естествознания ХХ в. Это позволяет установить целый ряд ориентиров в реше-нии главной задачи современного человечества – доказательно сформулировать условия, при которых вполне возможно пре-

1. Введение

13

одолеть современные глобальные кризисы и тем самым обеспе-чить выживание человечества.

Величие В.И. Вернадского и состоит в том, что он положил начало изучению жизни на Земле, увидев то начало, которое объединяет в единое целое все живые организмы и с окружаю-щей их средой.

Таким образом, учение о биосфере – это целостная система взглядов о той оболочке нашей планеты, в которой обитают все живые организмы, ее свойствах, строении и функционировании. О связях и взаимодействии этой оболочки с другими частями Земного шара и с Космосом, о ее эволюции.

Образно говоря, биосферу можно представить себе в виде огромного сложно устроенного космического корабля, летящего в безвоздушном пространстве Космоса. Членами экипажа этого космического корабля являются все земные живые организмы, и мы в том числе. В учении о биосфере рассматривается не только строение и функционирование этого корабля, но и то, как он возник в безграничных просторах Вселенной и как живое веще-ство сумело обеспечить бесперебойную работу его систем жиз-необеспечения в условиях постоянного воздействия Космоса.

Предмет курса. Для того чтобы понять суть содержания курса, необходимо получить ответы на следующие вопросы: что (какой объект) изучают в данном курсе, какова цель этого изучения, т.е. для чего его изучают. Далее под каким углом зре-ния рассматривается объект при последовательном продвиже-нии к цели. И, наконец, какие при этом используются методы. Ответы на эти вопросы и составляют предмет данного курса (его объект, цель, угол зрения, метод).

Объект исследования данного курса – биосфера, т.е. та обо-лочка нашей планеты, в которой обитает живое вещество. Эта оболочка охватывает верхнюю часть земной коры, всю гид-росферу и нижнюю часть атмосферы. Выделять оболочки на нашей планете можно по разным основаниям. Если мы возьмем в качестве такого основания агрегатное состояние вещества (твердое, жидкое, газообразное), то выделим литосферу, гидро-сферу и атмосферу. Можно в качестве основания взять присут-ствие живых организмов с их биогеохимической функцией, то-


14

гда мы выделим биосферу. Отличительной особенностью био-сферы как объекта изучения является то, что она представляет собой сложную систему, состоящую из весьма разнородных частей, каждая из которых подчиняется своим собственным за-конам и изучается отдельными науками: геологией, биологией, гидрологией, метеорологией и т. д. Химия и физика каждой из этих частей будут очень сильно различаться между собой.

Цель. При изучении биосферы как сложной системы, со-стоящей из весьма разнородных частей, важен синтез наших зна-ний о каждой из них. Но синтез таких разнородных данных мож-но осуществить только в том случае, если ясна цель такого синтеза. Что же мы хотим получить в результате? При определе-нии цели важно себе ясно представлять, что научные знания о любом объекте исследования, результаты любой научной работы являются не конечной, а всего лишь промежуточной целью. Конечная же цель – построение на основе полученных знаний вашей будущей профессиональной практической деятельно-сти. При определении цели важно различать цель, которую ста-вил перед собой В.И. Вернадский, создавая свое учение о био-сфере, и цель данного курса. О цели, которую преследовал В.И. Вернадский, было сказано выше.

Цель данного курса – не только познакомить вас с устрой-ством и функционированием целостного организма биосферы, но и заложить основы умений применять эти мировоззренческие знания, как при изучении других наук, так и при своей будущей профессиональной деятельности в сфере природопользования, которое является ядром любых социально-экономических сис-тем.

Угол зрения. Мы будем рассматривать биосферу с точки зрения того, что необходимо знать о ней для построения неис-тощительного природопользования, чтобы было и нам, и вну-кам. Почему выбрана именно такая точка зрения? В качестве ответа на этот вопрос приведем слова известного американского ученого-эколога Роберта Риклефса: “Если мы хотим достичь ка-кого-то согласия с Природой, то нам в большинстве случаев придется принимать ее условия” (Риклефс, 1979, с. 9). Эти усло-вия как раз и определяются основными законами организован-

1. Введение

15

ности и функционирования биосферы, которым подчиняются вот уже несколько миллиардов лет все живые организмы. Перед ними, в конечном счете, вынужден будет склониться и человек и строить свою хозяйственную деятельность в соответствии с этими условиями. А выяснить, что же это за такие условия, как раз и помогает учение о биосфере.

Методы, которые используются в данном курсе, выбраны, исходя из его пограничного положения между фундаменталь-ными естественнонаучными знаниями и сферой практической деятельности, которая называется природопользованием. Во-первых, это методы системной организации фактических дан-ных, которые лежат в основе учения о биосфере. Они представ-ляют собой методы целенаправленного синтеза, иначе говоря обобщения, в результате которого самые разные разрозненные факты укладываются в целостную научную картину мира. Эти методы мы будем изучать на примере биосферы. Но вы должны себе ясно представлять, что методы системной организации от-носятся к тем общенаучным методам, которые входят в золотой фонд современной науки. Они вам понадобятся не только для овладения данным курсом, но могут помочь и при изучении других научных дисциплин, а главное, они пригодятся в вашей будущей профессиональной деятельности.

Имейте в виду, что специалистов ценят не столько по тому количеству знаний, которые они запомнили, сколько по тому, что они умеют делать, насколько они владеют методами совре-менной науки и умеют применять свои знания и умения для ре-шений чисто практических задач.

Поэтому при изучении курса нами будут использованы те методы, которые развивают умения практического применения фундаментальных знаний. К ним в первую очередь относятся умения анализировать большие массивы информации и отби-рать из нее то, что необходимо и достаточно для достижения поставленной цели. Уметь определять, какой именно информа-ции не хватает для достижения цели. Это лежит в основе умения ставить проблемы. Проблемой называется такой вопрос, кото-рый в начале надо изучить, а потом решить. А что изучать, как раз и показывает выявленный вами недостаток информации.


16

Цели анализа будут определяться в заданиях к семинарским занятиям. При выполнении этих заданий вы должны будете про-анализировать тот или иной раздел курса под заданную цель.

Но мало уметь анализировать фактический материал под за-данную цель, надо уметь материал, целенаправленно отобран-ный при анализе, обобщить, т.е. представить его в виде целост-ной картины, которая наглядно демонстрировала бы, что же получилось в результате (когда мы достигли поставленной це-ли).

И, наконец, ставить цели. Это целое искусство, и для того чтобы им овладеть, надо в равной мере знать и теорию, и прак-тику. Знание практики приходит с жизненным опытом. У вас уже есть определенный запас жизненного опыта. Пусть он еще небольшой, но его уже вполне достаточно. Чтобы вы начинали учиться ставить цели, т.е. определять, чего же мы хотим достичь в практической деятельности. Пусть первые попытки постанов-ки конкретных целей будут не совсем удачные, но помните: путь осилит только идущий.

Как любая наука, учение о биосфере имеет свой набор по-нятий и терминов. Вначале вам будет трудно овладевать языком науки, не всегда будет понятно, о чем идет речь. Для того, что-бы успешно преодолеть эти трудности, советуем вам применить такой метод: составляйте для себя словарь новых понятий и терминов, располагая их в алфавитном порядке. Уже само со-ставление такого словаря, в котором вы записываете опреде-ление терминов, и постоянное обращение к нему, помогут вам овладеть понятиями и терминами, которые используются в дан-ной науке. Помните одну простую истину: о вашем профессио-нализме будут судить и на основании того, насколько вы сво-бодно говорите на профессиональном языке и понимаете ли вы смысл употребляемых терминов.

Место, занимаемое данным курсом в подготовке спе-циалистов по специальностям “Экология” и “Экология и природопользование”, и его значение для будущей профес-сиональной деятельности. При определении места и значения необходимо иметь в виду, что курсы по своему характеру и на-

1. Введение

17

правленности бывают мировоззренческими, методическими и интегративными.

Мировоззренческие курсы дают знания, которые часто пока-зывают известные всем явления и предметы обыденной жизни с неожиданной и непривычной стороны, заставляя отвлечься от сложившихся стереотипов мышления и поведения с тем, чтобы в нестандартных ситуациях не попасть впросак. Они готовят к работе в быстро меняющейся обстановке, помогая формулиро-вать цели, которых мы хотим достичь. При освоении таких ми-ровоззренческих курсов самое главное заключается в том, чтобы понять суть излагаемого материала и суметь представить себе целостную картину предмета курса. Именно эта целостная кар-тина должна помочь ориентироваться в самых разных будущих жизненных ситуациях, когда приходится вырабатывать свою линию профессионального поведения, строить дерево целей, ко-торых мы хотим и, главное, можем достичь независимо от того, посвятите ли вы себя науке или практической деятельности.

Методические курсы рассчитаны на то, чтобы помочь при-обрести некоторые новые умения и навыки, овладеть элемента-ми новых технологий. В них обучают чему-либо, чего учащиеся не умели делать ранее.

Интегративные курсы сочетают в себе элементы двух вы-шеуказанных.

Настоящий курс относится к интегративным. Это оп-ределяет характер построения и изучения курса. Он, безусловно, имеет большое значение для формирования мировоззрения, да-вая общую картину строения нашей среды обитания. Содержа-ние курса должно помочь понять, образно говоря, устройство нашего космического корабля, принципы функционирования систем его жизнеобеспечения.

Методическая составляющая курса заключается в развитии умений применять фундаментальные знания в практической дея-тельности, а она будет протекать по тем направлениям, которые определены государственным образовательным стандартом спе-циальностей 013100 “Экология” и 511100 “Экология и природо-пользование”. Эти направления деятельности в своей работе реа-лизуют многие организации и учреждения всех форм


18

собственности. Таблица 1.1 наглядно демонстрирует широту по-ля деятельности выпускников данных специальностей.

Каждому направлению деятельности свойственен свой соб-ственный набор умений применять знания из различных облас-тей науки и техники для решения практических задач. В каждой такой совокупности умений есть главные и факультативные. В таблице 1.2 сведены наши представления о главных и факульта-тивных умениях каждого направления деятельности. Главные умения помечены тремя плюсами, а факультативные – одним или двумя в зависимости от значимости.

Эта таблица дает представление о том, какие умения надо развивать для результативной работы по выбранной вами спе-циальности. Семинарские занятия по данному курсу будут по-строены так, чтобы на материале курса помочь вам формировать эти умения. Такой подход сильно отличается от того, который распространен в общеобразовательной школе. Для успешной работы на семинарах недостаточно простое запоминание того или иного объема знаний, нужен не простой пересказ прочитан-ного, а умение анализировать новую для вас информацию, уме-ние ставить цели и обобщать самые разные данные для дости-жения этой цели.

1. Введение

19

Таблица 1.1 Распределение основных направлений

деятельности экологов по организациям и учреждениям разных форм собственности

Типы организаций и учреждений Направления деятельно-сти

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Экологический контроль + ++ +++ +++ +++ +++ Экологический аудит +++ +++ Разработка адаптивных технологий и ВАТ +++ + +

Экологическая экспер-тиза +++

Геоэкологический мониторинг +++ ++ + +

Оценка антропогенных воздействий и нормиро-вание качества окру-жающей среды

+++ ++ + + +

Исследование регио-нальных проблем при-родопользования

+++ +++ ++ + + +

Разработка и реализация экополитики +++ +++ + + +

Педагогическая работа в вузах +++

Учебная и воспитатель-ная работа в общеобра-зовательных школах

+++

1 – территориальные организации (областные комитеты) Министер-

ства природных ресурсов РФ; 2 – Структурные подразделения админист-рации субъектов РФ; 3 – Муниципальные органы власти; 4 – Природо-охранная прокуратура; 5 – Экологическая полиция; 6 – Организации экологической инфраструктуры (химические лаборатории, консалтинго-вые фирмы, проектные организации и т.д.), 7 – научно-исследовательские институты; 8 – отделы охраны природы промышленных предприятий; 9 – очистные сооружения; 10 – вузы; 11 – общеобразовательные учреждения.


20

Таблица 1.2 Распределение умений по направлениям деятельности

Направления деятельности Виды умений 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Умение прослеживать последст-вия (последействия и дальнедей-ствия) антропогенных воздейст-вий через механизмы природных взаимодействий

+++

+++

+++

+++ ++ ++

Умение применять адаптивные технологии природопользования ++ ++ ++

Умение анализировать и обоб-щать природные, экологические, экономические и социальные данные (умение анализа и синте-за разнообразной информации)

+++

+++

+++

+++

+++

+++

+++

+++

Умение планировать экспери-мент и создавать системы опро-бования под конкретные задачи

++ +++

+++

+++

+++

Умение анализировать техниче-скую документацию

+++

+++

+++ +

Умение комплексировать мето-ды исследования ++ ++

+ +++

+++

Умение использовать инстру-менты управления природополь-зованием

++ ++ +++ ++

+ +++

Владение методами химического и других видов анализа

+++ ++

+ +++

Владение “активными методами работы” для организации взаи-модействия при решении про-блем природопользования

+ +++ + ++ ++

+ +++

+++ ++

Умение формулировать и решать проблемы ++

+ +++

+++

Владение педагогическими тех-нологиями ++

+

1 – экологический контроль, 2 – экологический аудит, 3 – экологиче-ская экспертиза технической документации, 4 – экологическая экспертиза планов, программ и проектов социально-экономического развития, 5 – геоэкологический мониторинг, 6 – оценка антропогенного воздействия и нормирование качества окружающей среды, 7 – исследование региональ-ных проблем природопользования, 8 – разработка и реализация экополи-тики, 9 – педагогическая работа в вузах, 10 – воспитательная и учебная работа в общеобразовательных учреждениях.

1. Введение

21

О профессионально важных качествах, необходимых для выбранной вами специальности. В своем большинстве пере-численные в образовательном стандарте основные направления деятельности по выбранной вами специальности относятся к сфере практической деятельности, для которой нужен практиче-ский склад ума, основные черты которого обрисовал Б.М. Теплов (1985).

Первое качество практического склада ума заключается в умении применять знание всеобщего к частному, т.е. к реше-нию частных практических задач, которые беспрерывно встают в повседневной жизни. Это знание всеобщего и дает данный курс. Однако важно не просто знание всеобщего, а умение при-менять это знание к решению частных вопросов. Развитию этого умения посвящены семинарские занятия, на которых один из разбираемых вопросов как раз и содержит задание найти те мо-менты всеобщего, которые важны для обсуждаемого на семина-ре вопроса.

Второе качество практического ума – умение продуктивно работать в условиях постоянного дефицита времени. Это труд-но, но возможно, если научиться при решении практической за-дачи правильно формулировать цель, т.е. четко себе представ-лять, что же мы хотим достичь (получить) в данном конкретном случае. Когда сформулирована цель, важно уметь быстро целе-направленно собрать и проанализировать имеющуюся инфор-мацию, т.е. оценивать и отбирать только то, что способствует достижению поставленной цели. И так же быстро синтезировать (обобщать) отобранные данные в ту целостную картину, кото-рую мы хотим достичь. Без умения быстро анализировать и обобщать информацию дефицит времени не преодолеть. Важно не делать ничего лишнего. Это тоже искусство.

Практическое мышление всегда конкретно, оно привязано к конкретной ситуации. Поэтому важно умение анализировать складывающуюся ситуацию, но не просто анализировать, а вы-являть и формулировать конкретные проблемы, находить пути и способы их решения. Для выработки этих умений важно иметь представление об общем алгоритме решения проблем, который будет разбираться на конкретных проблемах, с которыми чело-


22

вечество столкнулось в ХХ веке. Этому посвящены семинары, завершающие курс.

Для практического мышления важно искусство принимать правильные решения при недостатке информации. Это искусст-во вырабатывается годами, оно приходит вместе с практическим опытом, если все перечисленные выше умения будут развиты в достаточной мере.

Подводя итог, следует подчеркнуть, что одним из важней-ших профессиональных качеств специалистов выбранной вами сферы деятельности является развитость творческого мышле-ния, что позволит работать не по шаблону, а творчески, решая каждый раз, как поступить в соответствии со складывающейся ситуацией.

И, наконец, к профессионально важным качествам в сфере экологии и природопользования относятся высокие моральные и нравственные устои специалиста, которые позволяют ему ос-таваться самим собой, выдерживая “нажим” сверху, от выше-стоящего начальства, и не поддаваясь искушению подкупа сни-зу.

О недостаточном внимании в нашей системе образования к развитию творческого подхода и к духовной сфере писал П.Л. Капица в 1970 году. В воспитании он видел два противопо-ложных направления. Первое, это то, которое так ярко описал Хаксли в своей утопии, – “удовлетворение у широких масс во время досуга только их наиболее примитивных потребностей животного характера, воспитание у них с детства безразличия к духовным и социальным проблемам. Другой путь прямо противоположен – это воспитание в людях с молодых лет высоких духовных запросов, чтобы они могли с пользой для общества и с интересом для себя использовать свой досуг и достаток. Для этого надо дать людям и, прежде всего, молодежи смысл существования, привить им интерес к решению социальных проблем, воспитывать в них духовные качества, необходимые для восприятия науки и искусства. ... До сих пор подход к образованию человека был скорее утилитарным. Его обучали для эффективного выполнения его профессиональных функций – инженера, врача, юриста и пр. Это делалось для того, чтобы он в свое рабочее время более производительно и

1. Введение

23

бочее время более производительно и сознательно работал. Те-перь уже настало время, когда высшее образование становится необходимым всякому человеку для того, чтобы он научился использовать свой досуг и достаток с интересом для себя и с пользой для общества. ... Любую работу можно сделать привле-кательной и интересной, если в ней имеется элемент творчества. Конечно, при этом процесс творчества надо понимать широко, он проявляется у человека при любой деятельности, когда чело-век не имеет точной инструкции, но сам должен решать, как ему поступить. ... Воспитание творческих способностей в чело-веке основывается на развитии самостоятельного мышления” (Капица, 1987, с. 243 – 244, 246).

В целом настоящий курс построен так, чтобы процесс полу-чения знаний сопровождался выработкой умений, важных для практического склада ума и развития творческих способностей как важнейших профессиональных качеств специалиста сферы экологии и природопользования.

Положение данного курса в учебных планах специально-стей “Экология” и “Экология и природопользование”. Этот курс входит в число тех пяти дисциплин, которые формируют ядро этих специальностей. Как уже говорилось, “Учение о биосфере” знакомит с устройством и функционированием сложной само-организующейся планетно-космической системы, которой при-надлежим и мы с вами, и от которой зависит наше сущест-вование и благополучие. Вторая дисциплина, входящая в это ядро дисциплин, – “Общая экология”. Она раскрывает взаимо-отношения живых организмов между собой и со средой своего обитания. Третья дисциплина – “Геохимия окружающей среды” раскрывает сущность происходящих в биосфере химических, точнее геохимических и биогеохимических процессов, благода-ря которым воспроизводятся благоприятные для живых орга-низмов условия их существования, а также показывает эволю-цию этих процессов в истории развитии биосферы. Курс “Основы природопользования” знакомит со сферой обществен-но-производственной деятельности, которая связана с использо-ванием естественных производительных сил (тел и сил биосфе-ры) для удовлетворения потребностей человека. Именно


24

благодаря этой деятельности, направляемой разумом, человече-ство постепенно превратилось в грозную силу Природы. Эта дисциплина основывается на данных “Учения о биосфере”, “Общей экологии” и “Геохимии окружающей среды”, а также наук, изучающих феномен человека. Она помогает понять меха-низм организации и управления сферой общественно-произ-водственной деятельности, связанной с использованием естест-венных производительных сил. Это нужно для того, чтобы, опираясь на инстинкт самосохранения, блокировать использо-вание этой грозной силы для разрушения механизмов воспроиз-водства благоприятных для человека условий существования и направлять ее на созидание и развитие благоустройства нашего общего дома – биосферы. Пятая дисциплина – “Стратегическое планирование природоохранной деятельности” показывает по-следовательность действий по введению в практическую дея-тельность путем стратегического планирования научного багажа перечисленных выше курсов.

Эти пять дисциплин образуют как бы каркас, несущую кон-струкцию, учебных планов специальностей “Экология” и “Эко-логия и природопользование”, намечая путь от фундаменталь-ных естественнонаучных знаний до организации практической деятельности на основе использования этих знаний.

Итак, мы в этом вводном разделе попытались показать осо-бенности данного интегративного курса и его большое значение для развития умений и профессионально важных качеств, необ-ходимых для работы в выбранной вами сфере экологии и при-родопользования.

1. Введение

Семинар 1

Вопросы к письменной работе 1. Что представляет собой биогеохимическая функция жи-

вых организмов? 2. Что является объектом изучения в курсе “Учение о био-

сфере”? 3. Какова цель курса? 4. Каков аспект рассмотрения материала в данном курсе? 5. Методы, используемые в курсе. 6. Какими чертами характеризуется интегративный курс? 7. Каково положение курса “Учение о биосфере” в учебных

планах специальностей “Экология” и “экология и природополь-зование”?

25


2. История возникновения учения о биосфере


Отец умел беречь “кусочки времени”, никогда не терял ни минутки

Н.В. Вернадская-Толль

П

режде чем обращаться к истории возникновения уче-ния о биосфере, необходимо пояснить, что мы пони-маем под такими словами, как понятия и термин.

“Понятие – целостная совокупность суждений, т.е. мыслей, в которых что-либо утверждается об отличительных признаках исследуемого объекта, ядром которой являются суждения о наиболее общих и в то же время существенных признаках этого объекта” (Кондаков, 1976, с. 456). “Понятие – мысль, отражаю-щая в обобщенной форме предметы и явления действительности и связи между ними посредством фиксации общих и специфи-ческих признаков, в качестве которых выступают свойства предметов и явлений и отношения между ними. ... Посредством отдельных понятий и систем понятий отображаются фрагменты действительности” (Философский энциклопедический словарь, 1983, с. 513). “Термин (от латинского terminus – граница, пре-дел) – слово, выражающее понятие” (Краткая философская эн-циклопедия, 1994, с. 452). В истории науки нередко один и тот же термин использовался для обозначения разных понятий. По-этому всегда важно с самого начала установить, что мы понима-ем под тем или иным термином. Иначе неизбежно возникнет невообразимая путаница, мы как бы будем говорить между со-бой на совершенно разных языках. Именно такой случай харак-

26


27

терен для термина "биосфера": в истории науки он использовал-ся для обозначения самых разных понятий.

Когда мы рассматриваем историю научных взглядов, исто-рию создания того или иного учения, то нам надо проследить несколько сюжетных линий. Во-первых, установить, когда ро-дился тот или иной термин, который будет использован в назва-нии этой системы взглядов. Во-вторых, определить, когда поя-вилось ключевое понятие этого учения. В-третьих, выяснить, когда и вследствии каких причин у создателя учения возник за-мысел. В-четвертых, проследить за тем, как этот замысел вопло-тился в научных исследованиях. Появление терминов и понятий в значительной степени зависит от уровня развития социокуль-турной среды, хотя немаловажную роль играет и личностные качества их авторов. Возникновение замысла и особенно во-площение его в стройную систему взглядов зависит от двух факторов: качеств личности исследователя и уровня развития социокультурной среды. Прослеживание этих сюжетных линий в истории становления учения о биосфере, с одной стороны, по-зволит показать логику развития этой системы взглядов, а с дру-гой – какую роль в этом деле играет качества личности ученого и уровень социокультурной среды.

Рождение термина "биосфера"

Впервые термин "биосфера" встречается во второй полови-не ΧVΙΙΙ в. в трудах французского исследователя эпохи Про-свещения Ламарка. В то далекое от нас время наметился пере-ход от прежних, целостных представлений натурфилософии к дифференциации науки. Именно тогда появились отдельные на-учные дисциплины, и шло углубленное изучение каждой из них. Единая прежде наука натурфилософия стала дробиться на от-дельные ветви (научные дисциплины), и исследователи начали стремиться к специализации, к углубленному изучению облю-бованной ветви знания. Это была пора поиска тех неделимых частиц, из которых слагаются разного рода тела. В те времена термин биосфера был обычен среди французских ученых. Он


28

вошел во многие толковые словари того времени. Но тогда под биосферой понималась не сфера жизни, а некие предполагаемые “глобулы”, “неделимые жизни”, ее первоатомы (Забелин, 1988).

Появление понятия о сфере обитания жизни

Впервые идея о необходимости выделения на нашей плане-те специальной оболочки, в которой обитают живые существа, появилась в труде германского географа Бернхарда Варениуса “География генеральная”. Эта книга была издана в середине ΧVΙΙ века в Голландии. Б. Варениус к мысли о выделении этого планетного феномена – своеобразной оболочки, включающей верхнюю часть земной коры, гидросферу, нижнюю часть атмо-сферы и все живые организмы, пришел в результате размышле-ний о предмете исследования географии. Он стал первым, кто стал считать эту оболочку предметом изучения географии. О том, каким успехом пользовалась его книга в то время, говорят следующие факты. По книге Варениуса И. Ньютон в течение 30 лет читал свой курс географии, а Петр Ι из всей географической литературы того времени выбрал именно книгу Варениуса для перевода на русский язык, и она дважды издавалась в России.

Потом, в начале ХIХ века, это понятие об особой оболочке нашей планеты, сфере жизни, широко использовал А. Гум-больдт в своем труде “Космос”. Эту оболочку он называл ле-бенссферой. В этом термине он соединил немецкое слово "ле-бенс" (жизнь) с греческим словом "сфера". Он предложил такой невообразимый гибрид, нарушающий все каноны языка, потому что стремился избежать терминологической путаницы. По-скольку, как уже было сказано выше, его современники, фран-цузские ученые, использовали термин "биосфера" совсем в дру-гом смысле.

Впервые термин "биосфера" для обозначения сферы жизни использовал великий австрийский геолог Эдвард Зюсс в 1875 г. То, что именно он стал употреблять термин биосфера в нашем современном понимании, далеко не случайно. Это произошло


29

вследствие того, что геология во второй половине ХIХ века да-леко опередила все другие естественные науки по методам сис-тематизации огромного накопленного фактического материала.

Становление геологии как науки началось с момента воз-никновения в ее недрах стратиграфии, которая позволила изу-чать взаимоотношения горных пород не только в пространстве, но и во времени. Моментом зарождения стратиграфии у истори-ков науки принято считать 1690 год, в котором в Италии вышел труд Н. Стенона. В нем он сформулировал основной принцип стратиграфии. Однако бурное развитие этой науки началось по-сле выхода в 1799 г. в Англии книги В. Смита, который впервые использовал остатки ископаемых организмов для определения относительного возраста горных пород. Обращаем ваше внима-ние на то, что применение остатков древних организмов для по-знания прошлого нашей планеты имело исключительно важное значение не только для развития геологии, но и для всей науки в целом. Именно палеонтологический метод в стратиграфии по-зволил упорядочить во времени огромный фактический матери-ал, собранный геологами. Так было понято значение живого ве-щества для хронологии геологической истории. Это сыграло немалую роль в становлении современной науки. Стратиграфия, основанная на палеонтологическом методе, открыла дорогу ши-рокому использованию картографического метода в геологии (в виде составления геологических карт), что обеспечило про-странственное упорядочение фактических данных. Поэтому геологи первыми из естествоиспытателей стали осуществлять пространственно-временное упорядочение огромного массива накопленных данных. Это и позволило им перейти к широким научным обобщениям, что и сделал Э. Зюсс. Он был одним из первых создателей целостных концепций в геологии. По его книге “Лик Земли” училось не одно поколение геологов. В сво-их работах он удачно соединил термин биосфера с понятием внешней оболочки нашей планеты, заселенной живыми сущест-вами, в которую входят верхняя часть литосферы, вся гидросфе-ра и нижняя часть атмосферы. Э. Зюсс первый уловил ростки новых тенденций в развитии науки – переход от дифференциа-ции и углубленной специализации к синтезу, созданию целост-


30

ных мировоззренческих концепций на основе обобщения об-ширного эмпирического материала. Однако в его биосфере жи-вые организмы все еще оставались сторонними самодовлеющи-ми телами. Он был еще очень далек от понимания их химического взаимодействия с окружающими их телами. В те времена еще не было таких наук, как геохимия и биогеохимия. Эти науки зародились позже, в начале ХХ века.

Возникновение замысла о создании новой картины мира

История науки сохранила для нас два имени – А. Гумбольдта и В.И. Вернадского. Именно в их головах возник замысел о создании целостной системы взглядов, раскрываю-щий феномен “сферы жизни”, в которой живые организмы вы-ступают в качестве всемогущей геологической силы, преобра-зующей среду своего обитания.

У молодого А. Гумбольдта этот замысел возник в конце XVIII века, вероятно, под влиянием одной потрясшей его до глубины души находки. Он, будучи начинающим горным инже-нером, в заброшенных старых горных выработках почти в абсо-лютной темноте нашел блеклые, влажно-прохладные стебельки мхов и лишайников. Эта находка потрясла его и заставила заду-маться о торжестве и всемогуществе Жизни. И именно с этого момента для него открылся Космос, в котором торжествует жизнь! Ему страстно захотелось постигать эти тайны всемогу-щества жизни.

Сто лет спустя, у молодого В.И. Вернадского, студента Пе-тербургского университета, этот замысел возник в стенах alma mater в 1884 г., под влиянием лекций Д.И. Менделеева и А.Н. Бекетова. Д.И. Менделеев “рисовал перед затаившими ды-хание слушателями захватывающие картины химического еди-нения Вселенной, объединяя проблемы химии неживой и живой материи, гео- и космохимии в единый комплекс космического круговорота вещества” (Аксенов, Неаполитанская, 1988, с. 34). А.Н. Бекетов разворачивал “перед слушателями яркую картину


31

эволюции живой природы, подчеркивая единство растительного мира, зависимость растительных сообществ от географических условий их обитания” (Мочалов, 1988, с. 45). Кроме того, В.И. Вернадский хорошо знал и высоко ценил работы своего ве-ликого предшественника, А. Гумбольдта.

Обратите внимание на следующие даты. Родился А. Гумбольдт в 1769 году, а умер в 1859. Спустя четыре года после его смерти, в 1863 г., родился В.И. Вернадский, умер он в 1945 г. Наблюдается известная преемственность идей. Каждый из них стремился всю свою жизнь реализовать и действительно реализовал свои гениальные замыслы. Но каждый реализовал по-своему. Это получилось потому, что жили и работали они в разных социокультурных средах. Ниже мы постараемся пока-зать, как влиял уровень социокультурного развития и качества их личностей на полученные результаты.

Воплощение А. Гумбольдтом замысла в труде “Космос”

Один из лучших современных очерков об А. Гумбольдте принадлежит нашему географу, историку науки И.М. Забелину. В своей работе “Его Космос” он ярко и весьма образно расска-зал об основных, узловых моментах творчества замечательного исследователя и путешественника. Это в значительной мере об-легчит решение поставленных выше задач.

Родился А. Гумбольдт в семье отставного майора прусской армии в 1769 г. Отец умер рано. Мать дала прекрасное по тем временам образование своим двум сыновьям – Вильгельму и младшему Александру. Она денег на образование не жалела. Начал свою трудовую деятельность А. Гумбольдт в горном де-партаменте Силезии и Вестфалии как геолог и горный инженер. В этом периоде жизни А. Гумбольдта отметим три момента, ха-рактеризующие качества его личности.

С давних пор в любых горных выработках самая большая беда была связана с рудничными газами, от которых гаснут све-чи. Для решения этой проблемы, чтобы облегчить труд горня-


32

ков, молодой Александр изобретает рудничную лампу, которая не гаснет в присутствии рудничных газов.

В те времена в шахтах работали абсолютно неграмотные люди, горняцкий опыт худо ли бедно передавался от отца к сы-ну. А. Гумбольдт организует первую в мире школу для горня-ков, в которой преподавал и сам. Эти два факта его биографии свидетельствуют, что уже с молодости он придавал огромное значение человеческому фактору, стараясь тем или иным спосо-бом увеличить силы народа. Эти два момента указывают на его высокие морально-нравственные качества.

Третий момент открывает нам такое свойство его личности, как целеустремленность. Когда находка блеклых мхов и лишай-ников в старых горных выработках почти в абсолютной темноте заставила его задуматься о торжестве и всемогуществе Жизни и ему страстно захотелось постигать эти тайны всемогущества жизни, то он всю свою последующую жизнь посвятил этому.

После смерти матери он получил крупное наследство, кото-рое позволило ему осуществить свою мечту. Свои исследования он решил начать с тропиков, где наблюдается буйство Жизни. А. Гумбольдт подал рапорт об отставке с государственной службы в горном департаменте. Один из старших чиновников в связи с его рапортом писал ему: “Оставшись в провинциях Си-лезии и Вестфалии, Вы не только хорошо обеспечите себя, но – самое главное и важное! – познаете радость жнеца, собственны-ми руками пожинающего плоды своих трудов, что крайне редко случается с учеными!” Но А. Гумбольдт не внял этому здравому предупреждению: его манило познание торжества и всемогуще-ства Жизни в открывшемся ему Космосе, благо материальные возможности в виде крупного наследства для этого были. Он организует экспедиции в Центральную и Южную Америку, ре-зультаты которых принесли ему всемирную славу. На склоне лет он с помощью своего вузовского друга М.Ф. Соймонова, из-вестного горнозаводского деятеля России, организует путешест-вие в Россию, где посетит Урал, Алтай и Каспийское море.

Вся его исследовательская деятельность пришлась на эпоху стремительно развивающейся дифференциации естествознания. Он старался не допустить этой дифференциации, роковой для


33

целостного мировоззрения, гениально олицетворяя универсаль-ность естествознания прошлого.

В своих работах А. Гумбольдт предпринял небезуспешную попытку отстоять универсальность как научный принцип есте-ствознания. Незадолго до смерти он напишет: “в более строгом смысле слова мироописание есть история природы и человече-ства”. Он ссылается при этом на своих предшественников, но эта мысль была выношена им более чем кем-либо другим. А. Гумбольдт считал, что в науке должен господствовать эмпи-рический подход. В этом он был прямой предшественник В.И. Вернадского, который показал огромное значение для нау-ки именно эмпирических обобщений. С этих позиций А. Гум-больдт и стремился организовывать свои экспедиции и обрабатывать собранный фактический материал. В этой обра-ботке помогали привлеченные им самые разные специалисты, работой которых он руководил, исходя из общего замысла. Эн-циклопедичность его знаний поражала современников. Они сравнивали его по широте взглядов и эрудиции, неисчерпаемо-сти творчества с такой фигурой античности, как Аристотель.

Вместе с тем И.М. Забелин (1988) в своем очерке о А. Гумбольдте проводил параллель между ним и Дон Кихотом, в том смысле, что Александр пытался идти против потока сво-его времени, веря при этом в грядущее торжество новых отстаи-ваемых им идей. В этой вере он оказался, безусловно, прав.

Последние 20 – 25 лет своей долгой девяностолетней жизни он отдал своему итоговому труду “Космос”. В нем он достиг вершин творчества. Когда печатался последний, пятый том, Гумбольдт обнаружил, что банковский счет его пуст. Все свои средства он истратил на то, чтобы проникнуть в тайны Космоса и тайны всепобеждающей жизни. В этом он, безусловно, преус-пел. Он сумел создать не только единую физическую картину мира на уровне своего времени, но и предвосхитить многие идеи, к которым человечество только еще подошло через сто лет.

А. Гумбольдт не просто выделил сферу жизни (лебенссфе-ру). Он на этой основе создал целостное научное мировоззре-ние, первым уловив факт наступления планетной революции,


34

связанной с появлением феномена человека. Все это позволяет нам считать А. Гумбольдта предтечей идей, которые потом лег-ли в основу учения о биосфере. Но уровень науки первой поло-вины ХIХ века, и в первую очередь химии, не позволил А. Гум-больдту выяснить, какую же именно роль играют живые существа в преобразовании сферы жизни. Биогеохимическая функция живого вещества осталась для него неизвестной.

Вместе с тем, надо отдать должное, А. Гумбольдт не просто нарисовал картину Космоса, а создал концепцию эволюции Космоса, значение которой сохраняется до наших дней, особен-но для понимания неразрывных связей биосферы и Космоса. Наиболее существенные моменты этой концепции ярко и вы-пукло охарактеризовал И.М. Забелин (1988).

1. Космос представлялся А. Гумбольдту бесконечным, хотя он отмечал две возможные точки зрения, оставляя каждому воз-можность личного выбора. “Первое – небесное пространство ог-раничено, замкнуто в себе, – тут невольно напрашивается аналогия с релятивистской астрономией более позднего време-ни, с утверждениями физиков о конечности вселенной для логи-ческой увязки, например со вторым принципом термодинамики (возрастание энтропии и т.п. Второе – вселенная образована мировыми островами (выделение Гумбольдта), к “одному из коих и мы принадлежим”; острова удалены настолько друг от друга и от земного наблюдателя, что даже в далеком будущем ни один телескоп не достигнет “противоположного берега” все-ленной; стало быть, – бесконечность: Галактика, Метагалактика, иные Метагалактики....” (с. 388). Сам Гумбольдт придерживался второй точки зрения, полагая бесконечность пространства и времени.

2. В своих космических построениях для себя А. Гумбольдт отклонил термин “космология”. Как пишет И. Забелин (1988), “мотивы отклонения не очень ясны; похоже, ему не нравился упор на “логос”, то есть вторичное, а не первичное. ... Думается, что по аналогии с арифметикой и кибернетикой его мог бы уст-роить термин косметика: в нем и космос и этика слиты в од-но, – вечное, нравственное и прекрасное” (с. 389). Но этот тер-


35

мин уже использовался лучшей половиной человечества совсем в другом смысле.

3. А. Гумбольдт предложил для известной части мироздания уникальную конусообразную модель космической эволюции. Он “создал модель четырехмерного (геометрические параметры плюс время) эволюционного конуса. Основание конуса образует некая туманность, через звезды и планеты эволюционные линии сходятся на жизнесфере (биосфере), которая является основани-ем вершины конуса, образованной человечеством (антропосфе-рой) и продуктами его творчества (техносферой и интеллекто-сферой). Стало быть, на острие физического эволюционного конуса – человек. Но человек – познающий космический субъ-ект, и потому является отправной точкой вторичного по проис-хождению, обратно направленного также эволюционного кону-са познания; сфокусированный в человеке, конус этот, стремительно расширяется в четырехмерном пространстве-времени, для нас развертывается в бесконечности – границы его не видны и едва ли вообще существуют. ...Первый эволюцион-ный конус – он как бы в прошлом, он история, чрезвычайно важная для понимания настоящего, но все же история. Второй конус – олицетворение будущего человечества и окружающего мира, и потому ось эволюции, напряжение эволюционного процесса исторически переместилось сейчас именно во второй конус. И, разумеется, “узел сцепления” конусов не мог при этом не испытать односторонней перегрузки, – отсюда и появление того феномена, который принято теперь называть напряженной экологической ситуацией. ... За какие-то 300 лет “возникают” три новых геосферы. Антропосфера, корнями уходящая в про-шлое, но социально уже ориентированная в будущее; техносфе-ра и интеллектосфера, недвусмысленно прокладывающие доро-гу в будущее. Они – результат и олицетворение планетной революции; ими же вызвана напряженность, в определенном смысле – перекос в эволюционном “узле сцепления”; “узел” не разрушится, но структурно он должен перестроиться. Эту пере-стройку принято называть научно-технической революцией (НТР), а издержки перестройки – экологическим кризисом и т.д. Эти представления дали основания И.М. Забелину написать: “в


36

моем представлении нынешняя экологическая ситуация и НТР – все это следствия более глубокого и обширного процесса, объ-ективно протекающего на планете и ближнем космосе и незави-симого в прямом смысле от волеизлияния человека. Не НТР по-родила напряженную ситуацию на Земле, а сама она является порождением планетной революции, ее внешним проявле-нием. И Александр Гумбольдт находился у истоков такого по-нимания хода событий на планете, из его “Космоса” можно вы-вести понимание НТР как отражения в нашем сознании неизмеримо более глубоких планетно-космических процессов” (Забелин, 1988, с. 402 – 403).


37

Воплощение замысла В.И. Вернадским в учении о биосфере

Для того чтобы понять, почему именно В.И. Вернадскому удалось блестяще реализовать свой замысел и создать учение о биосфере, нам надо будет, во-первых, проследить как развива-лись качества его личности, благодаря которым он, в конце кон-цов, реализовал задуманное. Те качества, которые позволили не только прочувствовать необходимость создания новой научной картины мира, но и осуществить необходимый для этого целе-направленный синтез весьма разнородных и обширных естест-веннонаучных эмпирических данных. Благоприятствовала этому и та социокультурная среда, что сложилась в России в конце ХIХ и в начале ХХ века. Поэтому попутно нам придется касать-ся и ее. Не менее важно проследить связь творческой работы В.И. Вернадского с его общественной и общественно-политиче-ской деятельностью, ибо это характеризует не только его мо-рально-нравственные качества, но и гражданскую позицию.

Но эти сюжетные линии создали тот фундамент, на котором непосредственно разворачивалась работа его мысли. А для того, чтобы понять ход этой мысли, надо проследить, какие проблемы ставил В.И. Вернадский и в какой последовательности их ре-шал. Именно очередность вопросов, которые в тот или иной момент привлекали его наибольшее внимание, поможет понять ход его мысли при создании учения о биосфере.

Его творческая работа непосредственно связана с научно-организационной деятельностью, направленной на формирова-ние научных коллективов, способных решить поставленные им проблемы. Без понимания органичности этой связи нельзя по-нять весь ход работы над созданием современного учения о биосфере.

Становление личности. В.И. Вернадский родился в Петер-бурге в семье профессора экономии Александровского лицея и Технологического института. В этой семье дед со стороны отца “почитался как личность почти легендарная. Человек долга,


38

большой сердечной доброты и истинной гуманности, он, бес-спорно, оказал большое влияние на формирование семейных традиций и жизненных принципов своего сына Ивана, а впо-следствии и внука Владимира” (Мочалов, 1982, с. 20). Дед, Ва-силий Иванович, с детства мечтал стать врачом. Вопреки воле отца он поступил в Московский университет и, окончив его, стал военным врачом. В должности начальника госпиталя он принял участие в Альпийском походе А.В. Суворова. Перед своим знаменитым прорывом через Сент-Готард А.В. Суворов оставил лазарет под присмотром штабс-лекаря В.И. Вернацкого. Госпиталь был взят в плен французами. И тогда выяснилось, что помимо русских солдат и офицеров Вернацкий кормил и лечил около тысячи французов, итальянцев и австрийцев. Для врача они были не пленниками и врагами, а людьми, которые нужда-лись в помощи. За свое гуманное отношение к раненым Василий Иванович получил в Париже из рук Наполеона орден Почетного легиона.

В детские годы большое влияние на умственное развитие Володи оказал Е.М. Короленко, оригинальный и образованный человек, которого очень любили в семье Вернадских. В одном из писем своей жене В.И. Вернадский пишет следующее: “Ни-когда не забуду я того влияния и того значения, какое имел на меня этот старик в первые годы моей умственной жизни. И мне иногда кажется, что не только за себя, но и за него я должен ра-ботать, что не только моя, но и его жизнь останется даром про-житой, если я ничего не сделаю. Вспоминаются мне темные, зимние, звездные вечера. Перед сном он любил гулять, и я, ко-гда мог, ходил с ним. Я любил всегда небо, звезды, особенно Млечный путь поражал меня, и в эти вечера я любил слушать, когда он мне о них рассказывал. Я долго после не мог успоко-иться. В моей фантазии бродили кометы через бесконечное ми-ровое пространство; падающие звезды оживлялись; я не мирил-ся с безжизненностью Луны и населял ее целым роем существ, созданных моим воображением. Такое огромное влияние имели эти простые рассказы на меня, что мне кажется, что и ныне я не свободен от них” (Цит. по Мочалову, 1982, с. 29 – 30). Не здесь


39

ли кроются истоки постоянного интереса В.И. Вернадского к Космосу, космизма его трудов по биосфере?

Огромное влияние на развитие Владимира Ивановича в дет-ские годы имел отец, который вносил в жизнь детей, особенно сыновей, высокий духовный настрой. “В семье, в которой с от-цовской стороны были очень сильны духовные интересы, был культ науки, хотя, кроме отца, вся семья жила светской жизнью ... Благодаря отцу у Володи рано пробуждается интерес к поли-тической экономии, истории, философии и другим гуманитар-ным наукам. Уже в 13- и 14-летнем возрасте со слов отца он знакомится с древнегреческой философией, любовь к которой сохранилась на всю жизнь. Умело, с большим тактом направлял И.В. Вернадский интересы сына, воспитывая его волю, настойчивость в преодолении трудностей, систематичность в чтении разнообразной литературы. “У него была странная манера влиять на меня. Он стыдил меня, когда я чего-нибудь не знал и говорил, что у меня, в моей воле, есть полная возможность знать, и я должен этой возможностью воспользоваться, а если я ею не пользовался, то виноват я, а не другие. Что другие этого не знают, как и я, нисколько меня не должно оправдывать в моих глазах. А также не оправдывает и в его глазах” (Мочалов, 1982, с. 30 – 31).

Такой подход к воспитанию сына принес свои плоды. Хотя при поступлении в гимназию Володя Вернадский с головой окунулся в гимназический быт, но одновременно у него в харак-тере окончательно закрепилась черта характера, которая была важна для всей последующей его жизни. Это “стремление Вер-надского к активному усвоению прочитанного путем его кри-тического анализа, систематизации и письменного конспектив-ного изложения в виде планов, тезисов, цитат, хронологических таблиц и т.п. На этот счет в его архиве сохранились многочис-ленные свидетельства в виде тетрадей, записных книжек, от-дельных заметок” (Мочалов, 1982, с. 36).

В гимназии, в 1876 – 1981 гг., свершился и решительный поворот интересов Вернадского в сторону естествознания и ес-тественнонаучного мышления. Вот как этот момент он описыва-ет сам: “Странным образом стремление к естествознанию дала


40

мне изуродованная классическая толстовская гимназия благода-ря той внутренней, подпольной, не подозревавшейся жизни, ка-кая в ней шла в тех случаях, когда в ее среду попадали живые, талантливые юноши – натуралисты. В таких случаях их влияние на окружающих могло быть очень сильно, так как они открыва-ли перед товарищами новый живой мир, глубоко важный и чуд-ный, перед которым совершенно бледнело сухое и изуродован-ное преподавание официальной школы. В нашем классе таким юношей – натуралистом был Краснов” (Цит. по Мочалову, 1982, с. 37). “Сын донского казака – генерала, ученого, писателя, Ан-дрей Николаевич Краснов вырос в талантливейшего и очень своеобразного натуралиста, ботаника, географа и путешествен-ника, основателя знаменитого ботанического сада в Батуми. К сожалению, ввиду ранней смерти, он не успел раскрыть все свои способности и дарования. В 4-м и 5-м классах гимназии вокруг А.Н. Краснова сгруппировался небольшой кружок гимназистов, увлекавшихся естествознанием – Ремизов, Зайцев, Тюрин, Вер-надский ... Это не было случайностью, так как в гимназическом классе именно Краснов являлся самым ярким носителем того духа точного наблюдения и любви к природе, который был со-вершенно выброшен официальной программой из преподава-ния. Человек своеобразного характера, с обширными познания-ми, живой и общительный, Краснов, естественно, был душой гимназического класса, инициатором различных начинаний. Он с детства полюбил живую природу, увлекался ботаникой и эн-томологией и увлекал других. Гимназисты под его руково-дством собрали коллекции и гербарии; весной, летом и осенью устраивали экскурсии в окрестности Петербурга. Одно время в классе издавался рукописный энтомологический журнал.” (Мо-чалов, 1982, с. 37 и 38).

Потом, спустя много лет, В.И. Вернадский напишет про-никновенные строки о своем гимназическом товарище. “А.Н. Краснов был не только ученым-натуралистом, он был художни-ком, глубоко чувствовавшим красоты природы; в его научном творчестве этот субъективный элемент выдвигался на первое место.... он все время держал А.Н. Краснова в атмосфере приро-ды как целого, питал его чувство единства природы, космоса,


41

которое так ярко сквозит в его работах и которое сейчас нередко теряется среди специалистов нашего времени. В связи с этим единством космоса у него было стремление искать все высшее, все более прекрасное в природе, и он не раз говорил, что выс-шее художественное наслаждение и высшее чувство вечного космоса он переживал ночью в пустыне в восточных областях Сахары. Перед этими впечатлениями блекли для него все другие красоты природы. ... Краснов пролагал новые пути в географии растений ... Он не шел по чужим путям, он их сам искал. Вместе с тем он пытался дать новый вид географического обобщения, давая свою, очень оригинальную попытку рассмотреть облик Земли как проявление единого космического процесса, причем для него человеческая культура неразрывно сливалась с други-ми проявлениями жизни природы. В этом направлении Краснов был одним из немногих у нас искателей географического синте-за” (Вернадский, 1988, с. 298, 300).

“Между семьей, с одной стороны, и петербургской гимнази-ей – с другой, стихийно сложилось своеобразное “разделение труда”. В семье Вернадских общественно-политические и гума-нитарные интересы занимали в целом доминирующее положе-ние. Это не исключало, конечно, известного влияния на духов-ное развитие Вернадского семейной обстановки, зарождение у него некоторых естественнонаучных увлечений, в особенности благодаря беседам с Е.М. Короленко и отцом. Не будучи осо-бенно эрудированным в области естественных наук, Иван Ва-сильевич, однако, относился к ним с полным пониманием и со-чувствием. Как экономист с широкими интересами, он хорошо понимал необходимость развития в России естествознания и его технических приложений, понимал роль естественных наук в формировании научного мировоззрения. ... В 1880 г., когда Вер-надский переходил в последний класс гимназии, отец подарил ему книгу Ч. Дарвина “Происхождение видов” на английском языке. ... Таким образом, благодаря влиянию семьи, у В.И. Вер-надского в детские и юношеские годы относительно четко опре-делилась область его гуманитарных, социально-этических инте-ресов, с одной стороны, и были созданы вполне благоприятные возможности для направления его размышлений также в сферу


42

естественнонаучных проблем – с другой. Годы учебы в Петер-бургской гимназии еще более укрепили его гуманитарные увле-чения и окончательно сформировали интерес к естествознанию. ... В 1879 – 1881 гг. в круг интересов Вернадского входят слож-ные явления человеческой психики и сознания, которыми он продолжал интересоваться всю жизнь. ...В последних классах гимназии внимание Вернадского все более привлекают общие проблемы математики, стоящие на границе математики и фило-софии. К этим вопросам он неоднократно возвращался впослед-ствии, особенно в 1920 – 1940 гг. (годы работы над учением о биосфере)” (Мочалов, 1988, с. 38 – 39).

В 1880-х годах в Петербургском университете был сосредо-точен почти весь цвет русской научной мысли: Д.И. Менделеев, Н.А. Меншуткин, А.Н. Бекетов, В.В. Докучаев, А.С. Фамицын, М. Богданов, В.А. Вагнер, И.М. Сеченов, Ф.В. Овсянников, П.А. Костычев, А.А. Иностранцев, А.И. Воейков, Ф.Ф. Петрушевский, А.М. Бутлеров, Д.П. Коновалов. Все они оставили глубокий след в истории естествознания в России. Особенно огромное впечатление на первокурсника В.И. Вернад-ского произвели лекции Д.И. Менделеева, А.Н. Бекетова и В.В. Докучаева.

“Неизгладимый след оставил в жизни Вернадского великий естествоиспытатель Дмитрий Иванович Менделеев. Без преуве-личения можно сказать, что космологические и космографиче-ские идеи, столь ярко воплотившиеся во всем научном творче-стве Вернадского, были заронены в сознание начинающего исследователя, прежде всего, лекциями Менделеева” (Мочалов, 1982, с. 42). Эти идеи упали на подготовленную рассказами Е.М. Короленко почву и дали великолепные всходы. В том чис-ле и учение о биосфере, в котором центральное место получает биогеохимическая функция живого вещества.

А.Н. Бекетов, бывший в то время ректором Петербургского университета, плодотворно разрабатывал вопросы теории эво-люции растений и ботанической географии, был горячим по-клонником и пропагандистом в России работы Ч. Дарвина о происхождении видов. Его лекции пользовались среди студен-тов большой популярностью. “В них он развертывал перед слу-


43

шателями яркую картину эволюции живой природы, подчерки-вая единство растительного мира, зависимость растительных сообществ от географических условий их обитания” (Мочалов, 1988, с. 45).

Идеи, которые преподносили слушателям в своих лекциях Д.И. Менделееев и А.Н. Бекетов, своеобразно объединились в восприятии молодого В.И. Вернадского, породив мысль о хими-ческом единении Жизни и той части Космоса, которой принад-лежит наша планета.

Особую роль в становлении Владимира Ивановича как есте-ствоиспытателя сыграл В.В. Докучаев. Поэтому на этой неорди-нарной личности остановимся более подробно. В.И. Вернадский в память о своем учителе оставил яркий и очень эмоциональный очерк о нем. В.В. Докучаев относился к тому типу, “который нередко выдвигался в русской истории из народной среды (Он был сыном сельского священника Сычевского уезда Смолен-ской губернии). Энергичный работник, он умел хотеть и умел достигать своей цели путем личного колоссального труда и пу-тем организации работы других. ... Как люди сильной воли, он слишком подавлял многих, имевших с ним дело. Но хотя с ним можно было во многом не соглашаться, многое могло в нем шо-кировать, ко многому в нем можно было относиться отрица-тельно, но одного нельзя было никогда у него отнять – умения группировать вокруг себя учеников, будить и возбуждать науч-ную мысль, организовывать коллективную работу; нельзя было отрицать в нем постоянного стремления работать для общест-венного блага, а не для личных задач. В личных отношениях он представлял во многом self made man′s (человека, обязанного всем самому себе), прошедшего тяжелую школу нужды, вы-бившегося своим горбом и трудом. И он никогда не скрывал этого. Суровый, резкий и требовательный, он был таким не только к другим, но и к себе. И в то же время он являлся очень искренним во всех своих начинаниях; умел выслушивать правду или правильно относиться к резким отзывам близких ему лю-дей, своих учеников. Этим объясняется то, что при всей власт-ности своего характера, он сохранял неразрывными близкие связи с людьми, которые открыто и во многом с ним не согла-


44

шались” (Вернадский, 1988, с. 283). “Он сумел собрать вокруг себя живую и горячую молодежь, вызвать интерес к работам в соприкасающихся областях знаний, найти средства, нужные для систематических работ в новом направлении. Эти средства – де-сятки тысяч рублей – он нашел в русском обществе. Он привлек к почвенным работам внимание общественных сил – Вольного экономического общества и земств” (Вернадский, 1988, с. 277 – 288). Его ученику крупно, можно сказать безумно, повезло. “По складу своего ума Докучаев был одарен совершенно исключи-тельной пластичностью воображения; по немногим деталям пейзажа он схватывал и рисовал целое в необычайно блестящей и ясной форме. Каждый, кто имел случай начинать свои наблю-дения в поле под его руководством, несомненно, испытывал то же самое чувство удивления, какое помню я, когда под его объ-яснениями мертвый и молчаливый рельеф вдруг оживлялся и давал многочисленные и ясные указания на генезис и на харак-тер геологических процессов, совершающихся в скрытых его глубинах” (Вернадский ,1988, с. 276 – 277).

В.В. Докучаев читал лекции по кристаллографии и минера-логии. “Обе науки очень увлекли Вернадского. Симпатии Доку-чаева были явно на стороне минералогии, вопросы которой не-редко пересекались с проблемами почвоведения, над которыми он тогда усиленно работал. И все же именно Докучаев впервые заронил в сознание Вернадского глубокий интерес к кристалло-графическим вопросам, а от них – к философским проблемам строения материи, занявшим в его мировоззрении столь видное место. От Докучаева же берет начало прошедшая красной ни-тью через всю жизнь Вернадского проблема симметрии” (Моча-лов, 1982, с. 4).

К изучению чернозема и других почв В.В. Докучаев подо-шел в 1877 г. Тогда в пореформенное время в России очень ост-ро стоял вопрос кадастровой оценки земель и повышения пло-дородия почв. В экспедиционные исследования почв, которые проводил В.В. Докучаев, включился и студент В.И. Вернадский. “Через все многочисленные и разнообразные работы Докучае-ва – над русским ли черноземом или черноземом Сибири, поч-вами Поволжья или Малороссии, севера или юга России – крас-


45

ной нитью проходят две идеи, которые постепенно и заметно входят в общее научное сознание. Они характеризуют всю дея-тельность как Василия Васильевича, так и его учеников, выде-ляют в науке русскую школу почвоведения, прямо или косвенно связанную с научной мыслью и работой Докучаева. Это, во-первых, идея о географическом распределении почв в связи с их генезисом, т.е. география почв, и, во-вторых, идея о почве как особом естественном теле. В разъяснении этих идей, в их заро-ждении и упрочении в поколениях русских ученых заключается главная заслуга Докучаева” (Вернадский, 1988, с. 270). В основе этих обеих идей лежит синтез самых разных фактических дан-ных из различных областей естествознания. На практике моло-дой студент Вернадский смог убедиться в плодотворности ши-роких обобщений. К этому же звали широкие обобщения лекций Д.И. Менделеева и А.Н. Бекетова. Так была освоена им еще одна ступенька на пути к созданию учения о биосфере. Раз-вивая идею о естественных телах, незадолго до своей смерти В.В. Докучаев пришел к закону зональности. “Он понимал под этим именем совокупность различных явлений, находящихся между собой в связи, составляющих гармоничное целое и вме-сте подчиненных определенным широтным и высотным поясам (зонам) на земном шаре. Он соединял здесь как такие явления, зависимость которых от этих факторов давно уже ясно сознава-лась и много раз указывалась, – данные зоогеографии, климато-логии, ботанической географии, так и типы, и характер почв. В признании за условиями распространения и происхождения почв того же фактора, какой столь резко и глубоко проявляется в климате, в законах распространения и изменения организмов, заключается основная, оригинальная мысль Докучаева” (Вер-надский, 1988, с. 271). Отсюда остался всего лишь один шаг до биосферы как естественного тела глобальной размерности. И этот шаг как раз и был пройден В.И. Вернадским, труды его учителей не оказались напрасными.

В декабре 1884 г. на одном из заседаний Научно-литератур-ного общества Вернадский выступает с докладом “Об осадоч-ных перепонках”. Из доклада отчетливо видно, что к этому вре-мени он уже глубоко заинтересовался фундаментальными


46

проблемами биологии. Его интересовала и сущность жизни, и соотношение живой и неживой материи, характер свойственных живому веществу закономерностей и т.п. В докладе Вернадский подходит к поднятым проблемам с планетарной и космологиче-ской точек зрения. Уже тогда он четко провел идею о существо-вании особой геологической оболочки, в которой сосредоточено все живое вещество Земли. Эту идею, как известно, Вернадский впоследствии всесторонне развил в своем учении о биосфере. Идея биосферы формулируется Вернадским вполне самостоя-тельно и независимо как от Э. Реклю, так и Э. Зюсса. Однако несомненна генетическая связь этой идеи с трудами В.В. Докучаева. Почва послужила базисным объектом для поч-воведения Докучаева и для биогеохимии и учения о биосфере Вернадского.

Почва → живое вещество → биосфера – суть естественные тела, которые стали объектом изучения специальных наук. (Мо-чалов, 1988).

Итак, семейное воспитание, увлечения гимназической поры, такие профессора, как Д.И. Менделеев, А.Н. Бекетов, В.В. Докучаев, – все это способствовало развитию тех черт лич-ности Вернадского, которые позволили ему подойти к широким общенаучным обобщениям. Вместе с тем воспитание и полу-ченный жизненный опыт определили его интерес к обществен-ной и общественно-политической деятельности, которые были непосредственным продолжением его творческой мысли. В од-ном из писем к жене Наталье Егоровне, он написал в 1893 г. “Я не могу уйти в одну науку”. В его работе на пользу общества воплощались его научные и мировоззренческие представления, их морально-нравственная составляющая. В этом В.И. Вернад-ский был не одинок. Еще в студенческие годы возник кружок единомышленников, который члены его называли Братством. Оно возникло в 1886 г. и сыграло в жизни Вернадского значи-тельную роль. “Естественной его предпосылкой стал уже упо-минавшийся студенческий кружок. Дружеские связи участников кружка, естественно, сохранялись и после окончания ими Пе-тербургского университета ... Однако жизнь шла вперед, возни-кали новые интересы и задачи. Пути многих стали расходиться.


47

Одни посвящали себя народному образованию (Ф.Ф. Ольден-бург), другие – земской деятельности (Д.И. Шаховской), третьи – науке (С.Ф. Ольденбург, В.И. Вернадский, И.М. Гревс и др.) ... Но потребность в духовном общении не исчезла. Не хотелось, чтобы различия жизненных судеб отрицательно повлияли на сложившиеся в университете дружеские связи, которыми каж-дый так дорожил. Но для этого необходимо было трудно пред-видимым и нередко деорганизующим жизненным влияниям и коллизиям противопоставить некое организующее начало. Так возникла идея Братства, встретившая у всех горячее сочувствие. Было решено поддерживать постоянные связи между собой пу-тем дружеских встреч и переписки, а 30 декабря каждого года ... собираться, по возможности, всем вместе. Последнее “общее собрание “ Братства состоялось 30 декабря 1921 г.” (Мочалов, 1982, с. 76).

Д.И. Шаховской сформулировал общие правила поведения членов Братства: “1) Работай как можно больше, 2) Потребляй (на себя) как можно меньше, 3) На чужие нужды смотри, как на свои” (Цит. по Аксенову, 1988, с. 87). “Члены братства очень остро осознавали свой личный долг и свою ответственность за все происходящее. Нет, и не может быть, никакой отдельной че-ловеческой жизни, отдельных от общего дела целей и задач, а есть только отдельное, личное выполнение общих задач, личный способ осуществления общего дела. Тем самым, все остальные вопросы – политические, экономические, общественные – были переведены в область этики и оказались пронизаны личностным отношением, им было сообщено некое единство. ... Братство ос-талось редким опытом социальной жизни русской интеллиген-ции в конце Х1Х – начале ХХ вв. ... Не имея реального продол-жения в жизни, братство отразилось в учении Вернадского о ноосфере” (Аксенов, 1988, с. 87, 93).

Об этой стороне жизни В.И. Вернадского и его верных дру-зей очень хорошо написал один из исследователей его деятель-ности и творчества, Г.П. Аксенов. “Недаром утверждают, что ве-ра без дел мертва, что дорога в ад вымощена благими намерениями. Тому тьма примеров, когда молодые мечтания о высоких идеалах служения человечеству от столкновения с дей-


48

ствительностью разлетались в прах. Как часто бывшие идеали-сты погружались в суету, меняли свои убеждения на “более взрослые”. Обыкновенной историей назвал такое превращение русский писатель И.А. Гончаров. С Братством произошла исто-рия необыкновенная. Его идеалы устояли среди всех бурь, как политических, так и житейских. Их стремление жить для других не осталось пустой фразой и прекраснодушными намерением. Ненадуманным, а самым естественным делом стало для них на-родное просвещение. Друзья пришли к выводу, что деспотиче-ское самодержавие, произвол, лихоимство бесчисленных чинов-ников, вся российская “азиатчина” возможны только, пока существуют темнота, нищета и бесправие народных масс. Жизнь предлагала на выбор две стратегии для борьбы с существующим злом: сражаться или с властью тьмы, или с тьмой власти. Обе возможности обсуждались. Братство выбрало первую. Просве-щение народа – решили они, – достигая в сущности тех же целей, что и революционная борьба, исключало насилие в действиях. Оно требовало не единовременного порыва, а “долгого дыхания” для большого дела. Ведь подлинно великое и совершается тихо и незаметно. ... Все члены братства могли бы взять своим девизом известную французскую поговорку “Положение обязывает!” Их положение: обеспеченность, блестящее домашнее воспитание, знание языков, возможность учиться и пользоваться всеми бла-гами учености – все это, считали они, – обязывало их отдать все силы, способности, знания для повышения умственного, граж-данского и политического развития народа” (Аксенов, 1988, с. 142 – 143).

Работа В.И. Вернадского на ниве народного образования началась рано, еще в стенах Петербургского университета, когда он вместе с другими будущими членами братства организовал кружок. Целью этого кружка “было изучение народной литера-туры в прошлом и настоящем, составление общих и рекоменда-тельных каталогов, переводы с иностранных языков, стилисти-ческая переделка книг (в целях их большей доступности), создание народных библиотек и т. п. Кружок был тесно связан с Комитетом грамотности и издательством “Посредник” И.Д. Сы-тина” (Мочалов, 1982, с. 68).


49

О характере его практических действий позволяет судить и такой факт. В середине 80-х годов он продает железной дороге большую часть земли в Тамбовской губернии, полученной от отца в наследство. На вырученные деньги на оставшемся клочке земли он строит сельскую школу. Остаток денег кладет в банк. На проценты с этого капитала В.И. Вернадский содержал школу и платил стипендии при подготовке для нее учителей.

Так вместо “разрушительного натиска” (революции) осуще-ствлялось положительное строительство, в котором народное образование являлось краеугольным камнем.

Вторым направлением приложения сил в положительном строительстве была работа членов Братства в земствах. В.И. Вернадский работал в Тамбовском земстве, а его соратник по Братству Д.И. Шаховской в Ярославском земстве. Они много сделали для развития кооперативного движения среди крестьян, а в 1891 – 1892 гг. В.И. Вернадский стал одним из инициаторов в борьбе с голодом на Тамбовщине.

В начале 90-х годов В.И. Вернадский вместе с другими чле-нами Братства участвует в создании партии конституционных демократов (кадетов), его избирают в члены Государственного совета от академической курии. Он входит как товарищ (замес-титель) министра образования в состав Временного правительст-ва в феврале 1917 г.

Семейное воспитание, гимназические товарищи, общение в университетские годы и постоянная напряженная личная рабо-та – все это, вместе взятое, привело к тому, что полем деятель-ности В.И. Вернадского стала не одна нива науки, а полнокров-ная жизнь российского общества в конце ХIХ и начале ХХ века. Такая широта интересов и деятельности сыграли решающую роль в формировании и реализации научных замыслов. Он хо-рошо знал не только передний край науки и ее историю, но ну-жды родной страны.

Создание учения о биосфере. Обратите внимание на две даты: 1884 г. и 1926 г. В 1884 году В.И. Вернадский в своем студенческом докладе на заседании Научно-литературного об-щества впервые высказал идею о существовании особой геоло-гической оболочки, в которой сосредоточены все живые орга-


50

низмы. 1926 г. – это год выхода его работы “Биосфера”. Между ними сорок два года, в которых тесно переплелись интенсивные научные исследования, общественная, просветительская и науч-но-организационная работа. Как сложилась в эти годы его жизнь и как протекала его работа?

Еще в гимназии Владимир Иванович вместе со своим дру-гом А.Н. Красновым мечтали уехать в тропики, где буйно раз-вивается живое вещество. И там начать исследования этой осо-бой оболочки нашей планеты, о которой В.И. Вернадский докладывал на кружке в 1884 г. Напрашивается определенная параллель между стремлениями Краснова и Вернадского и дей-ствиями А. Гумбольдта, труды которого они, кстати, хорошо знали. Эту мечту осуществил А.Н. Краснов. Он побывал во мно-гих тропических и субтропических странах Азии, Африки и Океании.

Судьба же В.И. Вернадского сложилась иначе. После окон-чания университета со степенью кандидата естественных наук он был по рекомендации В.В. Докучаева оставлен при Минера-логическом кабинете в скромной должности его хранителя. “Со-глашаясь остаться при Минералогическом кабинете, Вернад-ский рассматривал это как временный – и далеко не самый главный – момент своей жизни. В своем дневнике он писал: “Я мечтал ликвидировать Вернадовку (имение, доставшееся ему по наследству от отца. – Б.В.П., О.В.Б.) и уехать в тропические страны вокруг света, а затем уже в России начать жить, нис-колько не сомневаясь в успехе, – уехать и прожить Вернадовку в несколько лет ... Думаю, что я это бы исполнил. Встреча с На-тальей Егоровной Старицкой совершенно изменила мои, каза-лось, прочные планы” Установившиеся между Натальей Его-ровной и Владимиром Ивановичем дружеские отношения, общность духовных интересов, совместная деятельность на почве народного просвещения и т.п. способствовали возникно-вению глубокого чувства. ... 3 сентября 1986 г. состоялось вен-чание” (Мочалов 1982, с. 79 – 80).

Наряду с занятиями кристаллографией и минералогией в Минералогическом кабинете университета у В.И. Вернадского появилась и еще одна новая сфера научных интересов. Это – ис-


51

следования в области истории научных знаний. “Интерес к ис-тории науки не был случаен. Он был подготовлен, с одной сто-роны, условиями семейного воспитания (влияние, главным об-разом, со стороны отца) и ранними, еще в гимназические годы, размышлениями Вернадского над проблемами социальной ис-тории. И, с другой – глубоко генетическим подходом к объекту исследования, столь прочно привитому начинающему ученому в студенческие годы. ... Неожиданно для себя, Вернадский с неко-торым удивлением обнаруживает, какое огромное значение в становлении и эволюции “безликих” научных истин имеет сугу-бо “личностный” элемент – ученый с его интересами и страстя-ми, ученый – дитя своей нередко весьма пестрой и полной про-тиворечий исторической эпохи ... Обнаруживается, что между историей науки и социальной историей нет непроходимой про-пасти, так как в самой действительности наука и общество представляют связанные и взаимодействующие между собой стороны единой исторической реальности. Но тем самым сугубо конкретные и специальные, казалось бы, проблемы, поскольку они рассматривались во временном разрезе, закономерно трансформировались в сознании Вернадского в более общие проблемы сменяемости и, одновременно, преемственности на-учных проблем, гипотез, теорий, за которыми стояли реальные исторические личности – ученые, жившие и действовавшие в реальной исторической обстановке.... И чем более углублялся Вернадский в историю того или иного вопроса, ... тем все в большей степени преемственность и сменяемость идей предста-вала перед ним как преемственность и сменяемость поколений и тем все острее и глубже воспринимал он себя как малую части-цу того гармоничного, развертывающегося во времени великого и прекрасного целого, которое называется Наукой” (Мочалов. 1988 с. 74 – 75).

То, что В.И. Вернадский не поехал в тропики, а остался в Петербургском университете, и начал заниматься кристалло-графией с минералогией, было для Науки и Человечества – ве-ликое благо. Он шаг за шагом, в течение более чем сорока лет, постепенно поднимался в своих исследованиях от простых есте-ственных тел к все более высокоорганизованным. В своих ис-


52

адского

следованиях он прошел, не пропуская ни одного, все уровни ор-ганизованности естественных тел. Именно это позволило ему, в конце концов, всесторонне развить учение о биосфере.

На рис. 2.1 приведена схема развития научных идей В.И. Вернадского. Эта схема была составлена К.П. Флоренским (Аксенов, Неаполитанская, 1988, с. 236). Она дает наглядное представление о том, как последовательно в своих исследовани-ях В.И. Вернадский переходил от простейших естественных тел (кристалла и минерала) к все более сложным (горная порода) и далее к биосфере. Исследования кристаллов и минералов с хи-мической точки зрения привели его к геохимии и к биогеохи-мии. Минералогия обогатила его знакомством с таким феноме-ном природы, как парагенезис минералов. Понятие парагенезис означает совместное пространственное нахождение возникаю-щих в результате одновременного или последовательного обра-зования природных тел, не связанных генетически. (Обращаем ваше внимание, что это не прямая причинно-следственная связь, а опосредованная).

На этом пути все его работы объединяет пять основопола-гающих идей. Первая – единение с Космосом. Биосфера, как ес-тественное тело планетарной размерности, находится под непо-средственным и всесторонним воздействием Космоса. Понять процессы, происходящие в ней, можно только учитывая это воз-действие. Именно через биосферу распространяется воздействие Космоса на все естественные тела, слагающие ее. В свою оче-редь и сама биосфера оказывает такое же влияние на естествен-ные тела, входящие в ее состав. Вторая – атомистический под-ход, лежащий в основе химического анализа строения вещества. Химизм тесно переплетается с космизмом в таких понятиях, ко-торые В.И. Вернадский широко использовал в своих работах – космохимия, геохимия, биогеохимия. Третья – явления сим-метрии, т.е. законы композиции естественных тел низшего ранга в тела более высокого уровня организации. Глубокое проникновение в явления симметрии у В.И. Верн


Рис. 2.1. Развитие научных идей В.И. Вернадского по К.П. Флоренскому (из книг Г.П. Аксенова,

В.С. Неаполитанской, 1998)

53


54

дали его занятия кристаллографией и знакомство с работами П. Кюри. Понять форму естественных тел разной размерности без такого явления, как симметрия невозможно. Четвертая – жи-вое вещество играет важнейшую роль в поддержании биогеохи-мических равновесий в биосфере. Пятая – научная мысль как планетное явление. К этой идее В.И. Вернадского привели Брат-ство и занятия историей науки, а также та нравственная коорди-ната всей его деятельности, которая сформировалась под влия-нием семейного воспитания и окружавшей его социокультурной среды. Эта идея, в конечном счете, стала важнейшей для пони-мания процесса ноосферизации биосферы. Для В.И. Вернадско-го в истории развития биосферы две точки имели принципиаль-нейшее значение. Это момент появления на нашей планете живого вещества который знаменует начало становления био-сферы, и тот момент, когда в результате эволюции живого ве-щества, возникла научная мысль, ставшая с течением времени планетным явлением.

Сложное переплетение и взаимовлияние перечисленных выше идей и то, что в своих исследованиях В.И. Вернадский прошел, не пропуская ни одной ступеньки, весь путь от про-стейших естественных тел к такому сложнейшему образованию, как биосфера, и позволило ему создать свое учение о ней. Это учение наполнило новым содержанием модель Космоса (в виде двух конусов, соединенных вершинами), которую в свое время предложил А. Гумбольдт.

Опыт организационной деятельности, полученный в обще-ственной и политической работе на рубеже ХIХ и ХХ веков, В.И. Вернадский блестяще использует в своей научно-организа-ционной деятельности. Она начинается в 1892 г. с такого скром-ного по виду дела, как организация минералогического кабинета при Московском университете. Ее расцвет приходится на по-следние 35 лет жизни. Таблица 2.1, составленная по данным В.С. Неаполитанской и Б.Л. Личкова дает представление лишь о его прямых инициативах. Такой впечатляющий результат – 27 научных организаций, к созданию которых В.И. Вернадский приложил руку, объясняется просто – все они создавались для сбора эмпирического материала и разработки отдельных частей


55

его учения о биосфере. Иными словами его работа над учением о биосфере непосредственно продолжалась и перетекала в его научно-организационной деятельности, фундаментом которой и было это учение.

Но кроме всего этого были еще три важнейших момента, которые способствовали созданию учения о биосфере. На них обратила внимание дочь Владимира Ивановича Н.В. Вернадская-Толль (2000).

1. “У него было глубокое благоговение и бережность к жи-вотным. ... Он так любил все живое – зверей, цветы, лес, ковыль, степи, небо и звезды. ... Он постоянно учил меня любить и быть осторожной со всем живым” (с. 158 – 159)

2. “Друзья были из Братства ... Это был громадный мир, свя-занный взаимной верой, любовью и чувством ответственности перед жизнью” (с. 154).

3. “Она (Наталья Егоровна, жена Владимира Ивановича. – Б.В.П., О.В.Б.) была его гением, его хранителем и его совестью и с увлечением разделяла его вдохновение. ... Она была совер-шенно необыкновенная женщина, громадной силы духа и люб-ви, чем дольше я живу, тем более понимаю ее роль в их жизни. ... все его книги печатала и переводила мама – все его работы проходили через ее руки” (с. 160).

* * *

Итак, история создания учения о биосфере подводит к мыс-

ли, что это учение есть закономерный продукт той социокуль-турной среды, которая сформировалась в России в ХIХ и начале ХХ века. В свою очередь эта социокультурная среда есть зако-номерный результат исторического развития нашего народа. В недрах этой социокультурной среды выкристаллизовались се-мейные традиции Вернадских и то окружение молодого Влади-мира Ивановича, которое помогло ему реализовать потенциаль-ные возможности, заложенные семьей. Однако это было не пассивное следование семейным традициям и его окружения. Приведенные факты наглядно показали, как В.И. Вернадский своей общественной и научно-организационной деятельностью


56

активно преобразовывал окружающую его среду, развивая все лучшее, что было им воспринято.

Таблица 2.1 Результаты научно-организационной работы и научных исследований В.И. Вернадского

(составлена по данным В.С. Неаполитанской и Б.Л. Личкова из работы Г.П. Аксенова, В.С. Неаполитанской, 1988)

Результаты научно-организационной работы

Результаты научных исследований

Космос Метеоритный отдел Минералогического и гео-логического музея АН 1921 г.

Метеоритика 8* (1,3%**)

Ноосфера Комиссия по минеральным водам 1940 г. Комиссия по исследованию, использованию и охране подземных вод, 1938 г. Институт истории науки и техники 1932 г. Совет по производительным силам 1930 г. Комиссия по истории знаний 1926 г. Украинская АН 1918 г. Комиссия по изучению производительных сил России 1915 г.

Публицистика 82 (13,4%) Организация науки 42 (6,9%) История науки 68 (11,1%) Философские вопросы естествознания 19 (3,1%) ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

Всего 211 (34,5%)

Биосфера (биогеохимия) Биогеохимическая лаборатория АН СССР 1928 г. Отдел живого вещества КЕПС 1921 г.

Биосфера и ноосфера 28 (4,6%) Биогеохимия и живое вещество 61 (10%) ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

Всего 89 (14,6%) Планета (радиогеология)

Комиссия по проблеме урана 1940 г. Международная комиссия по определению гео-логического времени радиоактивными метода-ми 1937 г. Комиссия по изучению изотопов 1939 г. Комиссия по тяжелой воде 1934 г. Государственный радиевый институт 1921 г. Радиологическая лаборатория 1911 г. Радиевая экспедиция 1911 г.

Радиогеология и радиоактивность 35 (5,8%) Изотопия 5 (0,8%) ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

Всего 40 (6,6%)

Земная кора (геохимия) Лаборатория геохимических проблем 1943 г. Комиссия по спектроскопии земной коры 1932 г. Гидрогеологический институт 1918 г. Почвенный институт 1918 г. Платиновый институт 1918 г.

Геохимия и геология 79 (12,9%) Гидрохимия 18 (2,9%) Почвоведение 15 (2,5%) ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

Всего 112 (18,3%)


57

Институт физико-химического анализа 1917 г. Кристаллы (кристаллография) и минералы (минералогия)

Минералогическое отделение геологического музея АН 1912 г. Минералогический кабинет МГУ 1892 г.

Минералогия 89 (14,6%) Кристаллография 62 (10,1%) ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

Всего 112 (24,7%) * Число публикаций, ** % от общего числа публикаций То, что все это реализуется как бы через цепь случайностей,

как раз и подчеркивает необходимость, закономерность процес-са. Процесса восприятия многогранности единства Космоса, в котором проявляется организующее и преобразующее начало живого вещества. Эта сторона действительности открывалось и его предшественникам, в частности А. Гумбольдту. В.И. Вернадскому было суждено понять и показать всем как это начало проявляется в биогеохимической функции живого веще-ства, а затем и в мыслительной деятельности, когда научная мысль становится не только планетным, но и космическим яв-лением. Показать, что в этом как раз и проявляется такой атри-бут материи, как ее самопознание.

Из всего того, что было рассказано, можно сделать и еще один более общий вывод. Вы знаете, что все люди рождаются разными. У них разные физические и умственные задатки. И для того, чтобы эти задатки развились и окрепли, надо все время их развивать, работая физически или умственно на грани возмож-ного. Если так развивать хорошие физические задатки, то вы-растают олимпийские чемпионы, а если умственные, то отлич-ные профессионалы в выбранной сфере деятельности, в том числе и крупные ученые. Приучить работать на грани возмож-ного может только правильно выбранная линия поведения учи-теля.

Когда учитель входит в класс, то перед ним встает задача: как учить этих маленьких человечков, если все они такие раз-ные. Есть три возможные линии поведения учителя. Первая – ориентироваться на слабейших. Вторая – ориентироваться на средний уровень. Третья – подходить индивидуально к каждо-му, в зависимости от его способностей. К примеру, на кон-


58

трольной по математике слабейшему вы даете один пример и одну задачу. Среднему даете уже два примера и одну задачу, самому способному ученику – три – четыре примера и две зада-чи. Третья линия поведения учителя, с точки зрения учеников, выглядит как проявление крайней несправедливости. Но, только действуя по принципу “Кому много дано, с того больше и спро-сится”, учитель сможет приучить ученика работать на грани возможного.

Раньше в школах ставили не одну отметку за знание, а две – за знание и за прилежание, т.е. оценивали, насколько он работа-ет на грани своих возможностей.

Что означает, уметь умственно действовать на грани воз-можного? Это уметь совершать умственные действия со знако-мым вам фактическим материалом. Уметь собирать его, уметь его анализировать самыми разными способами, систематизиро-вать, отделять главное от второстепенного и т.д. Вспомните, именно этому учился всю жизнь В.И. Вернадский. Строить из проанализированного материала целостные картины, отражаю-щие ваше видение тех или иных сторон действительности. Но чтобы уметь строить такие целостные картины, каждому необ-ходима стратегическая цель, своеобразная путеводная звезда, к которой он бы стремился. Как найти свою путеводную звезду? Найти ее можно в тех целостных картинах, которые разворачи-вает перед учеником его учитель. Или их можно найти в книгах. Найти свою путеводную звезду В.И. Вернадскому помогло его общение со своим дядей Короленко, потом в гимназические го-ды с Красновым, а в студенческие – лекции Бекетова, Менде-леева и Докучаева.

В этих целостных картинах вашего видения мира на первых порах может быть множество белых пятен. Но смысл таких це-лостных картин заключается не в том, чтобы все было прорисо-вано с одинаковой степенью детальности. Как раз наоборот, смысл в том, чтобы в целостной картине выявить и обозначить белые пятна. Это поможет поставить целенаправленные иссле-дования этих белых пятен. И вновь повторить творение целост-ной картины. И снова на ней окажутся белые пятна, но уже дру-гие. В этом и заключается поступательное развитие познания.


59

Если подойти к работам В.И. Вернадского по биосфере 20 – 30-х годов с позиций современного уровня знаний, то можно сказать, что нет у него никакого полного изложения учения о биосфере. Так, отдельные мысли, наброски. Но гений Владими-ра Ивановича как раз и заключался в том, что, исходя из этих отрывочных материалов, которые он сумел собрать к середине 20-х годов, он смог нарисовать целостную картину. Выявил на ней белые пятна и поставил исследования в совершенно новых направлениях. Для этого ему пришлось организовать 27 (!) но-вых различных научных учреждений. В таблице 2.1 показаны основные результаты его научной и научно-организационной работы.

С позиций начала ХХI века ясно видно, что В.И. Вернадский гениально осуществил системный синтез огромного фактическо-го материала, накопленного наукой. В то время системных пред-ставлений еще не было. Они в начале ХХ века, как будет показа-но далее, еще только зарождались, и научной мысли еще было далеко до таких эпохальных открытий, как синергетика и теория самоорганизации. Все это появится в науке через 50 лет после его смерти. Поражает то, как В.И. Вернадский в своем учении о биосфере не только дал новую научную картину мира, но и пред-восхитил многие открытия, которые будут сделаны только к концу ХХ века.

Нам хотелось, чтобы в этом курсе вы прочувствовали, что означает уметь умственно работать на грани возможного, овла-девая различными видами умственных действий. Учились про-водить не только анализ, но и синтез, творя целостные картины вашего видения того материала, с которым вы познакомитесь в данном курсе.

И последнее. В октябре 1953 г. в актовом зале Ленинград-ского университета собралось около 300 – 400 аспирантов-первокурсников. На сцену вышел ректор университета, Алек-сандр Данилович Александров. Оглядев пристальным взглядом собравшихся, он сказал: “Запомните, раз и навсегда – мы ни-ког-да не сделаем из вас ученых”. Зал возмущенно загудел. Вы-держав паузу, ректор добавил: “Но мы можем вам помочь стать учеными”. В этих словах, которые следовало бы запомнить на


60

всю жизнь, заключен глубокий смысл: ученых, равно как спе-циалистов любого профиля, не готовят и не делают, а только помогают ими стать, стать профессионалами своего дела.


61

Семинар 2.1. История возникновения учения о биосфере

Вопросы для обсуждения 1. История возникновения термина "биосфера". 2. Путь становления понятия "биосфера", роль геологии. 3. Личность А. Гумбольдта. В чем Вы видите наиболее су-

щественные моменты его работы "Космос"? 4. Объясните, как Вы понимаете конусообразную модель

Космоса по А. Гумбольдту.

Литература

Забелин И.М., 1988


Семинар 2.2. Воплощение В.И. Вернадским замысла

в учение о биосфере

Вопросы для обсуждения 1. Какие наблюдения и собственные результаты подвели

В.И. Вернадского к учению о биосфере. 2. Роль социокультурной среды в формировании личности

В.И.Вернадского. 3. Отличие "биосфер" Ламарка, Зюсса, "лебенссферы" Гум-

больдта и "биосферы" в учении Вернадского. 4. Основополагающие идеи Вернадского.

Доклады 1. Некоторые моменты биографии В.И. Вернадского в дет-

ские и юношеские годы. 2. Научная мысль в Санкт-Петербургском университете

конца ХIХ столетия. Роль учителей в становлении личности ученого-естествоиспытателя В.И. Вернадского.

3. Роль студенческого “Братства” в становлении личности В.И. Вернадского как общественно-политического деятеля и гуманиста.


Аксенов Г.П. 1988а,б; Аксенов Г.П., Неаполитанская В.С., 1988; Флоренский К.П., 2000; Вернадский В.И. 1960; 1988 а; 1988 б; Мочалов И.И., 1982.

62

3. Сведения о системном анализе и синергетике



Системой является то, что мы хотим рассматривать как систему

В. Гейнс

“Система есть форма представления предмета научного познания”

У.Б. Агошкова, Б.В. Ахлибинский

“Картина мира, рисуемая классическим разумом – это мир, жестко связанный причинно-следственными связями ...

Синергетика учит видеть мир по-другому. ... Она демонстрирует нам, каким образом

и почему хаос может выступать в качестве созидающего начала,

конструктивного механизма эволюции, как из хаоса собственными силами

может развиться новая организация”. Е.Н. Князева, С.П. Курдюмов

К

огда мы смотрим с позиций начала ХХI века на гигантскую работу, которую проделал В.И. Вернадский, то ясно видим – в своем учении о биосфере он предвосхитил многие открытия второй восхитил многие открытия второй половины ХХ столетия.

Осуществив системный анализ огромного фактического мате-риала из самых разных областей знаний, он дал блестящее все-стороннее описание биосферы как открытой, динамичной, не-

63


64

равновесной, нелинейной системы, задолго до того, как была создана общая теория систем и появилась такая наука, как си-нергетика.

Вместе с тем в настоящее время воспринимать учение о биосфере мы должны с позиций современной науки. Для этого надо использовать все то, что может дать общая теория систем и синергетика для дальнейшего развития взглядов В.И. Вернад-ского. Поэтому в настоящем разделе мы кратко поясним те уз-ловые моменты общей теории систем и синергетики, которые будут использованы при изложении основ учения о биосфере.

Обращаем ваше внимание на то, что если хотите стать хо-рошими специалистами- профессионалами, то вам необходимо овладеть хотя бы азами системного анализа и синергетики. Без этого вы не сможете плодотворно работать в выбранной сфере деятельности.

Понятие "система" с середины ХХ века становится одним из ключевых понятий в науке и философии. В настоящее время в самых разных исследованиях широко используются системный и системно-структурный подходы. Эта методология оказалась весьма плодотворной. Поясним слово "методология". Им назы-вают метод разработки методов. Когда говорят применительно к человеку "он методолог!" – то тем самым хотят подчеркнуть, что он владеет методом разработки методов для самых разных конкретных исследований.

Существуют ли системы в природе? Конечно, какой-то про-образ их есть в окружающей нас действительности. Это следст-вие принципа известного физика Бора: существует лишь то, что мы наблюдаем. Наблюдать мы можем только то, что связано с нами какими-то взаимодействиями. Надо себе уяснить, что по-нятия система, системный и системно-структурный подходы – это разработанные человеком методы анализа и обобщения ре-зультатов исследования. Это форма представления наших зна-ний о действительности.

Вы когда-нибудь задавали себе вопрос: а для чего нам во-обще знания? Конечная цель получения любых знаний – это по-строение новой деятельности человека. Эффективность этой бу-дущей деятельности зависит не только от полноты наших


65

знаний, но и от того, в какой форме представлены большие мас-сивы информации. Форма представления должна быть нагляд-ной и удобной для пользования.

Поскольку первые опыты применения системного подхода оказались весьма плодотворными, то, исходя из полученных ре-зультатов, начали строить общую теорию систем, которая к на-стоящему времени включает в себя примерно 40 больших раз-делов. Эту общую теорию систем наши современники успешно применяют в самых разных отраслях науки и техники, филосо-фии и культуры. Без нее не обходится ни одно более или менее серьезное научное исследование. Она также все шире и шире используется при решении практических задач в самых разных сферах нашей жизни, в частности, в экономике и социологии.

Синергетика – это новое междисциплинарное направление в современной науке, лежащее в русле системных исследований. Оно с конца ХХ века стало широко применяться во всех тради-ционных сферах знаний: в философии, физике, химии, биоло-гии, психологии, геологии, географии, экономике, социологии. Словом, во всех тех науках, которые начали изучать открытые, нелинейные, неравновесные системы. Но пальма первенства обобщения с этих позиций огромного фактического материала принадлежит В.И. Вернадскому.

Краткая история развития системных представлений

Развитие взглядов о системе имеет длительную историю: с античности и до наших дней. В переводе с греческого языка слово система означает целое, составленное из частей. Это свидетельствует о том, что первое, что научились делать – это выделять в некоторой целостности составляющие его элементы. Примером может служить систематика живых организмов, предложенная в XVIII веке К. Линнеем. Примером также может быть наша Солнечная система, состоящая из Солнца и планет, обращающихся вокруг него.


66

Со второй половины Х1Х века понятие системы все шире начинает применяться во многих естественных науках: в биоло-гии (Ч. Дарвин и др.), физике (А. Эйнштейн и многие другие), геологии (В.В. Докучаев), в кристаллографии (Е.С. Федоров).

Хотя понятие "система" объединяет в себе два направления – анализ и синтез (обобщение), но в разное время отдавалось предпочтение одному из них. В древней Греции преобладало нерасчлененное знание: природа рассматривалась в общем, как единое целое. Связи между явлениями природы не анализирова-лись, они созерцались.

В Средние века, при преобладании метафизического способа мышления, анализ стал преобладать над синтезом. С ХVII века в классическом естествознании господствовало стремление рас-членить природу на ее отдельные части и углубленно изучать каждую из этих частей, как бы разложить ее по отдельным по-лочкам. В частности все глубже исследовать внутреннее строе-ние живых организмов, их анатомию и физиологию. Все это пре-допределило те исполинские успехи, которые были достигнуты в познании природы за последние четыреста лет.

Но этот способ исследования, при котором все внимание уделяется анализу, привил исследователям привычку рассмат-ривать тела и процессы вне их великой связи между собой, вне их изменчивости, в неподвижном состоянии, как вечно неиз-менные, не живые, а мертвые тела. Сами исследователи, кото-рых тогда называли метафизиками, ощущали незавершенность подобного аналитического знания, видели возможность и необ-ходимость синтеза, но считали синтез деятельностью того ума, который не имеет отношения к природе. Именно против такого однобокого применения аналитического способа познания и восставал А. Гумбольдт (см. выше).

В начале ХХ века, как мы уже говорили, произошла смена научной картины мира. В результате начали все больше внима-ния уделять не только анализу, но и синтезу. Именно в это вре-мя была сделана первая попытка создания общей теории систем. Ее предпринял наш соотечественник А.А. Богданов. По образо-ванию он был медиком, но увлеченно занимался и философией, создал свою теорию "эмпириомонизм", которую резко и совер-


67

шенно необоснованно критиковал В.И. Ленин в своей работе "Материализм и эмпириокритицизм".

Первый том книги А.А. Богданова "Тектология. Всеобщая организационная наука" вышел в 1911 г., а последний, третий том – в 1925 г. Слово "тектология" составное. На латинском языке texo – означает сеть, ткань, т.е. целостность, состоящая из отдельных нитей, а логос – наука. В начале ХХ века его труд не был понят и не оценен по достоинству. В известной мере это произошло и потому, что у нас в стране он замалчивался, из-за критики В.И. Ленина.

Спустя 70 лет, в 90-е годы ХХ века, работы А.А. Богданова привлекли к себе пристальное внимание. В 1995 г. в Университе-те Восточной Англии состоялась специальная международная конференция “Истоки и развитие организационной теории в Рос-сии”, посвященная тектологии Богданова. На конференции было подчеркнуто, что он был первым, кто утверждал изоморфизм фи-зических, биологических и социальных законов. (Термин "изо-морфизм" означает сходный по форме). В начале ХХ века такое утверждение было, мягко говоря, очень не привычным, а в нашей стране тот, который высказал такую “ересь”, мог жестоко попла-титься.

Откуда взялось слово “Всеобщая”? Этим словом А.А. Богданов подчеркивал, что организационная наука одина-ково пригодна для всех типов систем: неорганических, биологи-ческих, социальных. Его тектологию сейчас рассматривают как науку о самых общих системных законах. В системах А.А. Бо-гданова в первую очередь интересовали связи между элемента-ми, и он утверждал, что свойства системы зависят от характера связей между ними.

Среди элементов системы он различал два типа: одни он на-звал управляющими, другие – управляемыми. Особое внимание он уделял анализу связи между управляющими и управляемыми элементами. А.А. Богданов первый ввел понятие прямые и об-ратные связи (см. ниже).

Он был первым, кто рассматривал динамику систем под действием внутренних и внешних сил и перенес этот прием в обществоведение. А.А. Богданов ввел понятие "кризис" при


68

изучении развития систем. Этим термином он обозначал быст-рую перестройку всей системы. Сейчас мы это явление называ-ем термином “бифуркация” (см. ниже). Он первый подчеркнул роль моделирования и математики при решении задач, связан-ных с развитием систем. Сейчас это стало общепризнанным ме-тодом.

А.А. Богданов был увлекающимся человеком. Он полагал, что всеобщая организационная наука – это альтернатива фило-софии, и в будущем она станет стержнем всех научных дисцип-лин, а также и разумной деятельности. Но все это в тектологии разглядели только сейчас, а современники его работу не поняли.

После революции А.А. Богданов вошел в состав Коммуни-стической Академии, преподавал политическую экономию. За-тем он создал и возглавил первый в мире Институт переливания крови, в котором начал проверять свою теорию применительно к кровеносной системе. Один из опытов, который он проводил на себе, закончился трагично, он погиб.

Вновь к созданию теории систем вернулись в середине ХХ века, когда возникла необходимость построения сложных технических систем преимущественно военного назначения. Благодаря этому стали выделяться достаточно большие средст-ва, а следовательно, появились и существенные результаты.

В 1948 г. вышла книга Н. Винера "Кибернетика", в которой основное внимание уделялось внутрисистемным связям. Это вполне понятно, так как его исследования были связаны с со-вершенствованием систем связи. Книга Н. Винера мгновенно стала бестселлером.

Примерно в эти же годы общую теорию систем пытался создать австрийский биолог Л. Берталанфи. Как сейчас считают, он был достаточно хорошо знаком с работами А.А. Богданова, и они оказали на него определенное влияние. Основной труд Л. Берталанфи "Общая теория систем" вышел в 1950 г. В основу своих построений он положил структурное сходство законов строения различных научных дисциплин. Много нового Л. Бер-таланфи внес в познание открытых систем. Он изучал обмен системы со своей внешней средой веществом, энергией и ин-формацией и показал, что в открытой системе устанавливается


69

динамическое равновесие. Оно направлено вопреки второму за-кону термодинамики в сторону усложнения организации за счет ввода извне информации и энергии.

После работ Н. Винера и Л. Берталанфи во всем мире нача-лось системное движение. В СССР был создан специальный Всесоюзный научно-исследовательский институт системных ис-следований. С 1968 г. в нашей стране начал издаваться ежегод-ный методологический сборник “Системные исследования”. Так системный подход вошел в арсенал важнейших методов совре-менной науки.

Дальнейшее развитие теории систем связано с исследова-ниями известного бельгийского ученого И.Р. Пригожина, лау-реата Нобелевской премии 1977 года. Родился Илья Романович в Москве, в 1917 году. В младенческом возрасте эмигрировал вместе с родителями в Бельгию. С 1942 он преподавал в Брюс-сельском университете физику. С 1962 года стал директором Международного института физики. В основном он изучал фи-зические системы. Исследуя термодинамику неравновесных фи-зических систем, И.Р. Пригожин понял, что обнаруженные им закономерности самоорганизации могут быть распространены на системы любой природы, которым присущи свойства откры-тости и неравновесности. Его работы по открытым неравновес-ным нелинейным системам положили начало новой науке – си-нергетике (см. ниже). Сейчас понятия система, системный подход и синергетика прочно вошли в современную науку.

* * * Итак, понятие "система", появившись еще в античности, по-

степенно уточнялось, усложнялось и развилось в ХХ веке в со-временную общую теорию систем. В ней считается, что систе-мой является все, что мы хотим рассматривать как систему, конечно, соблюдая определенные правила их выделения. Эти правила будут рассмотрены ниже.


70

Выделение систем

Прежде всего, надо понять, что когда речь идет о системе, то, в сущности, говорят о методе познания действительности. Исходный смысл термина "система" передается простым пред-ложением: "целое – составленное из частей". Наиболее крат-кое и выразительное определение дано В.Н. Садовским (1989, с. 610): “Система – совокупность элементов, находящихся в отно-шениях и связях друг с другом, которая образует определенную целостность, единство”. Очень важно понять, что мы не можем назвать системой то, что выделено случайно, наугад. Предста-вить какой-либо объект в виде системы значит:

- Определить, с какой целью мы выделяем систему, - Установить границы системы и критерии их проведения, - Указать между собой элементы системы, т.е. те строящие

его "первичные элементы", которые рассматриваются на данном уровне анализа как "неделимые".

- Определить связи между элементами. - Выяснить законы композиции, т.е. те условия, подчиняясь

которым связи реализуются, а элементы объединяются в цело-стность.

Особо подчеркнем важность того, что выделение системы начинается с определения цели. Это принципиально важно по-тому, что изучать и описать совокупность элементов, представ-ляющих единое целое, можно множеством способов. И для того, чтобы из этого множества выбрать один-единственный, надо по-ставить цель, и тем самым четко, однозначно, определить, что мы хотим получить в данном конкретном случае от применения системного подхода.

Как уже говорилось, существует множество систем, выде-ляемых для анализа действительности. Как в них разобраться, как различать их между собой? При различении, классификации и описании выделенных систем обращают внимание на три группы признаков.


71

Первая группа отражает особенности самих элементов, вхо-дящих в систему. По ним выделяют разные виды систем.

Для определения второй группы признаков введем два до-полнительных понятия. Условимся все, что лежит внутри гра-ницы системы, называть ее внутренней средой, а что вне ее гра-ниц – внешней средой. Тогда вторая группа признаков будет описывать характер взаимоотношений внутренней среды систе-мы с ее внешней средой, что служит основанием для выделения типов систем.

Третья группа признаков отражает характер связей между элементами. Различия же в характере взаимосвязей между эле-ментами назовем свойствами систем.

Виды систем

Элементы, входящие в систему, могут различаться по раз-ным признакам. Рассмотрим из множества признаков элементов только те, которые нам потребуются в дальнейшем.

Системы называются однородными, если входящие в них элементы однородные. Пример однородных систем – мрамор, состоящий из однородных кристаллов кальцита. Другой пример однородной системы – популяция, состоящая из особей одного вида, если мы ведем исследования на уровне организмов.

Системы называются разнородными, если входящие в них элементы разнородны. Примером таких систем может быть гра-нит, в котором есть набор самых разных минералов. Разнород-ной системой может быть та же популяция, если мы ведем ис-следование на уровне отдельных генов. Различия между ними и определяет разнородность. Разнородной является и экосистема, состоящая из разных видов. Наконец, к разнородным системам относится почва, состоящая из различных минералов, разных беспозвоночных животных, микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности.

В зависимости от вещества элементов как однородные, так и разнородные системы могут быть неорганическими, биологи-ческими и комплексными. К неорганическим системам относятся те, у которых элементы, входящие в их состав,


72

сятся те, у которых элементы, входящие в их состав, сложены неорганическим веществом. Пример – любая магматическая горная порода. Системы могут быть биологическими, если в ка-честве их элементов выступают живые организмы. Примером таких систем является вид, популяция, экосистема и т.д. Систе-мы могут быть комплексными, если в их состав входят в каче-стве элементов как живые организмы, так и неорганические те-ла. Пример – почва, ландшафт, биосфера.

Системы могут быть природными, если в них в качестве элементов входят естественные тела. Системы могут быть ис-кусственными, если в них в качестве элементов входят тела, созданные человеком. К примеру, паровоз, автомобиль, элек-троутюг и т.д.

Системы могут быть простыми и сложными. Если элементы системы не могут быть в свою очередь представлены в виде системы, то такие системы называют простыми. Многие искус-ственные системы являются простыми.

Сложные системы имеют иерархическую структуру, при которой элементы первого уровня могут быть в свою очередь представлены как системы, состоящие из более мелких элемен-тов, а последние, опять как системы и так далее. Примером сложной иерархической системы может служить горная порода, которая состоит из минералов, а те в свою очередь из молекул, молекулы – из химических элементов. Как правило, все природ-ные системы имеют сложное иерархическое строение. В слож-ных системах, которым свойственна иерархическая структура, различают уровни организации, т.е. сколько раз мы применили процедуру представления элементов в качестве систем. В приме-ре с горной породой – три уровня организации. Для живых орга-низмов пример такой иерархичности приводит И.И. Шмальгаузен (1968).

Вот как он описывает структурные уровни живого вещества (снизу вверх): "Простейшей живой системой является клетка..., наиболее высокоорганизованную и целостную (интегрирован-ную) систему представляет собой отдельная особь... Сами особи объединяются между собой в различные системы, называемые


73

населением или популяцией... Популяции разных видов объединяются в систему, называемую биоценозом".

В системах, имеющих сложную иерархическую структуру, действует правило несводимости и возникновения. Для его ил-люстрации рассмотрим системность знаний в иерархии наук и живых организмах:

экология биология организмов химия физика В этой иерархии наук каждая из них в определенном смысле

представляет собой частный случай находящейся ниже. Поэто-му любое утверждение для каждой из этих наук “истинное” или “имеющее смысл” истинно и имеет смысл для тех, что находят-ся в списке выше. Все, что внизу – верно для верха, тогда как для вышестоящих наук могут быть и свои законы, которые не проявляются на более низких уровнях.

Во времена интенсивного развития молекулярной биологии в ней выходило очень много работ под девизом “конец биоло-гии”, поскольку, мол, все биологические процессы могут быть объяснены через понятия физики и химии. Однако биология до сих пор жива и успешно развивается. Особенно ярко проявилась системность подхода к научному знанию при развитии такой биологической науки, как экология. Экологические исследова-ния дали мощный импульс не только биологии в целом, но и общей теории систем.

Обычно в сложных системах выделяют до 5 – 7 уровней ор-ганизации. Почему именно 5 – 7? Это объясняется возможно-стями мыслительной деятельности человека. Наш мозг устроен так, что он может одновременно оперировать не более чем с 5 – 7 элементами. Уровни организации можно представить себе в виде полочек этажерки, на которые мы раскладываем посту-пающую в мозг информацию. Число полочек колеблется от 2 – 3 до 5 – 7, в зависимости от степени развитости и тренированно-сти мозга конкретного индивида.


74

Типы систем

По характеру взаимодействия между внутренней и внешней средами системы различают закрытые, открытые, открытые по-луизолированные.

У закрытых систем внутренняя среда полностью изолиро-вана от внешней. Между ними нет никаких взаимодействий. Обычно многие искусственные системы являются практически закрытыми. Но сразу необходимо оговориться, что полностью закрытых систем в реальной действительности не существует. Понятие закрытая система было введено в классическом естест-вознании как методический прием, облегчающий изучение объ-екта. В частности при изучении законов, которым подчиняются газы. Вспомните из школьного курса физики: “Представим газ идеальным, т.е. его молекулы не соударяются со стенками сосу-да и не происходит передачи энергии вовне”. Реально нет ни та-кого газа, ни такого сосуда. Этот методический прием идеализа-ции оказался очень плодотворным для развития классического естествознания: он помог понять основные закономерности, на которых построены такие науки, как математика, классическая термодинамика, физическая химия и т.д. Физики считают, что даже Вселенную можно представить в виде закрытой системы. Но с позиций новой научной картины мира, которая пришла на смену классическому естествознанию, вопрос, является ли Все-ленная закрытой системой, не решен однозначно. Возможны и другие варианты.

У открытых систем существуют взаимодействия между внутренней и внешней средой, во время которых происходит обмен энергией, веществом или информацией. Природные сис-темы, как правило, относятся к открытым. В частности к ним относятся все биологические, а также и наша биосфера, по-скольку она получает потоки солнечной энергии космического вещества, и сама, в свою очередь, отдает в космическое про-странство ряд легких газов, а также излучает тепловые волны. Иногда говорят о полузамкнутых системах, когда хотят под-


75

черкнуть некоторую изолированность открытых систем от внешней среды. Биосфера, скорее всего, относится к полузамк-нутым системам, так как она в определенной степени изолиро-вана от влияния Космоса. Об этом будет более подробно сказа-но ниже.

Свойства системы

Как уже говорилось, свойства систем определяются харак-тером взаимосвязей между ее элементами. Ниже мы кратко по-ясним такие свойства, как управляемость, устойчивость, неус-тойчивые равновесные, неустойчивые неравновесные.

Такое свойство, как управляемость, проявляется при нали-чии корректировки взаимодействий между элементами. Что та-кое управление? Управление – это есть переработка информа-ции в сигналы, которые корректируют взаимодействия между элементами для того, чтобы поставленная цель была достигнута. По характеру взаимодействий среди элементов системы разли-чают управляющие и управляемые элементы. Связь управляю-щих элементов с управляемыми называют прямой связью. А связь управляемых элементов с управляющими – обратной свя-зью.

Когда вам лектор читает лекцию, то осуществляется прямая связь между лектором и вами. Когда вы задаете лектору вопросы по ходу лек-ции о том, что не поняли, то между вами возникнет обратная связь. Уста-новление таких прямых и обратных связей помогает нам управлять ходом освоения учения о биосфере и продвигаться к поставленной цели (к тому, чтобы вы овладели знаниями и умениями по данному предмету).

Свойство устойчивость присуще таким системам, у кото-рых характер связей между ее элементами при внутренних и внешних воздействиях не претерпевает существенных измене-ний. Такие системы называют устойчивыми.

Системы называют неустойчивыми, если характер связей между ее элементами изменяется под влиянием внешних или внутренних воздействий. Вообще для каждой системы есть свой порог устойчивости, т.е. тот предел, до которого она может га-


76

сить внутренние и внешние воздействия, не меняя характера сложившихся связей. Когда же этот порог устойчивости перей-ден, то система скачкообразно переходит в новое состояние. (В биологии порогу устойчивости отвечает понятие гомеостаза). Такие скачкообразные изменения состояния системы наиболее наглядны при фазовых переходах. Вам хорошо знакомы фазо-вые переходы из одного агрегатного состояния вещества в дру-гое. К примеру, жидкости в газ (вода и пар), или из твердого те-ла в жидкость (лед – вода). Для осуществления таких фазовых переходов необходимо затратить некоторую энергию (напри-мер, для таяния льда). Когда же переход произошел, то его ре-зультаты сохраняются при определенных условиях, и дальней-ший приток энергии уже не нужен. Такие фазовые переходы из одного устойчивого состояния в другое совершаются при нали-чии термодинамического равновесия и называются равновес-ными.

Существуют еще и неравновесные фазовые переходы. Они от равновесных отличаются тем, что новое состояние достижи-мо и устойчиво только при постоянном подводе извне энер-гии. Это объясняется тем, что в неравновесных системах проис-ходит постоянная рассеяние энергии, или, как ее называют, диссипация.

В природе широко развиты именно неустойчивые неравно-весные системы. К примеру, живые организмы (любое расте-ние, животное или человек) представляют собой изумительный пример разнородной, открытой, неравновесной химической сис-темы, которая находится в неустойчивом равновесии. Эта неус-тойчивость наиболее ярко проявляется в момент смерти. К та-ким системам относится и наша биосфера.

Для исследования этих открытых неустойчивых неравно-весных систем в конце ХХ века была создана специальная наука – синергетика. О ней мы кратко расскажем ниже.


77

Краткие сведения о синергетике

Это новое направление в науке появилось в последней чет-верти ХХ века. В переводе с греческого языка синергетика оз-начает совместно действующие. Это наука о том, как совер-шаются совместные действия элементов в открытых неустойчивых неравновесных и нелинейных системах.


78

Зарождение и развитие синергетики

Человечество всегда интересовало, как и в результате чего появляется новое природное тело? Как возникает любая при-родная система? Но путь к этому пониманию был извилист и долог. Начало его теряется в глубинах истории человечества. Первые шаги на этом пути познания окружающего нас мира люди сделали достаточно давно. Это произошло тогда, когда научились различать самые разные биосферные образования. На протяжении многих столетий человечество овладевало умением находить разницу между объектами биосферы, выявлять и опи-сывать их характерные черты и особенности. Такая инвентари-зация собственно и положила начало всем естественным нау-кам.

Первыми в поле зрения исследователей попали крупные те-ла, которые окружают нас со всех сторон. Около 300 лет тому назад И. Ньютон впервые для описания взаимодействия при-родных макротел применил математические модели в виде сис-темы дифференциальных уравнений. Собственно дифференци-альное и интегральное исчисления И. Ньютон как раз и создал, можно сказать изобрел, для построения этих математических моделей. С работ И. Ньютона начался тот период в развитии науки, который впоследствии получил название классического.

Математические модели, созданные классической наукой, хорошо выражали закономерности развития ряда сторон окру-жающего нас мира и помогали прогнозировать будущие состоя-ния, исходя из знания тенденций прошлых изменений. Пере-менные величины, которые входили в состав этих уравнений, были, как правило, в первой степени. На графиках, построенных на основании решения таких уравнений, закономерности выгля-дели в виде прямых линий. Откуда и пошло название уравне-ний – линейные. Физический смысл взаимодействий при разви-тии явлений, которые описываются системой линейных уравнений, заключается в следующем. Каждое приращение не-зависимой переменной вызывает адекватное увеличение (или


79

уменьшение) зависимой переменной. К примеру, чем большей величины сила прилагается к телу, тем большее ускорение это тело получит.

Эти математические модели классической физики, знако-мые нам всем еще со школьных лет, достаточно хорошо описы-вают поведение макроэлементов в определенном типе систем, которые получили название стационарных, т.е. постоянных. Примером может служить ход маятника механических часов. В окружающем нас мире много таких стационарных систем.

Одной из областей классического естествознания была тер-модинамика. Этим термином называли раздел физики, который исследует закономерности теплового движения и влияние теп-лового движения на свойства тел. Развитию этой науки способ-ствовало удачно найденная модель для изучения – закрытый со-суд, наполненный каким-то газом. В идеальном виде эту модель можно представить в виде закрытой системы. Развитию термо-динамики способствовало и то, что полученные в ней результа-ты имели большое практическое значение. Они были нужны для совершенствования паровых машин, а затем и двигателей внут-реннего сгорания.

В результате этих исследований в ХIХ веке были сформу-лированы два основных закона, или как говорят, начала термо-динамики. Первый гласит, что энергия не рождается и не исче-зает, а только переходит из одной формы в другую. Второе начало термодинамики рассматривает, как этот переход энергии осуществляется. Многочисленные опыты показали, что не вся внутренняя энергия замкнутой системы может быть использо-вана, т.е. не вся она может, в частности, перейти в механиче-скую работу. Часть ее рассеивается, переходя в тепло. Отноше-ние, показывающее степень рассеивания энергии, и назвали энтропией, которая характеризует свойства системы. (В перехо-де с греческого языка энтропия означает поворот, превращение). Второе начало термодинамики гласит: в замкнутых системах при необратимых процессах энтропия возрастает, а при обрати-мых – остается неизменной. Почему в закрытых системах при необратимых процессах энтропия возрастает? Это объясняется тем, что при необратимых процессах часть внутренней энергии


80

рассеивается и потому “теряется” для совершения полезной ра-боты. Этот процесс рассеивания (“потери” полезной энергии) называется диссипацией. (В переводе с латинского языка это слово означает рассеивание).

Когда открывают новые законы, то их действие всегда стремятся распространить далеко за пределы проведенных экс-периментов. Так было и с началами термодинамики. Считая на-шу Вселенную закрытой системой, начали говорить, что энтро-пия в ней возрастает, а по сему ей угрожает так называемая “тепловая смерть” из-за того, что благодаря диссипации не ос-танется энергии для совершения полезной работы.

Долгое время считали, что вся природа живет по законам классической науки. Но системы, которые были исследованны классическим естествознанием, далеко не единственные в био-сфере. Есть много систем, которые устроены и функционируют совсем по-другому. Интуитивно об этом догадывались, по-скольку было известно одно исключение: законы классического естествознания не “работают” при изучении общественных сис-тем. Поэтому посчитали, что классические законы природы не распространяются на общественные системы, которые живут по иным, социальным законам, т.е. между природой и обществом возвели высокую стену.

Нередко эта точка зрения, которая была широко распро-странена и официально признана в СССР, рассматривалась как проявление крайней идеологизации науки. Бесспорно, элемент идеологизации был, но как будет видно из дальнейшего, есть глубокие основания для того, чтобы не применять законы и ме-тоды классического естествознания при исследовании общест-венных систем. Но это скорее ощущалось на интуитивном уров-не, а научное осознание этого явления пришло лишь на рубеже ХХ и ХХI веков.

В начале ХХ века наука проникла в мир атомов и микрочас-тиц. Очень быстро выяснилось, что математические модели классической физики не подходят для описания взаимодействия микрочастиц. Потребовалось разработать новый математиче-ский аппарат, который был создан на основании теории вероят-ностей и новых подходов квантовой физики. Это пришлось сде-


81

лать потому, что исследования в микромире показали: поведе-ние в нем частиц при их взаимодействии не строго определенно, а подчиняется вероятностным законам, из-за того, что эти час-тицы находятся под влиянием множества случайных факторов. Поэтому будущее поведение микрочастиц можно определить только с определенной степенью вероятности.

В науке долгое время дискутировали вопрос о том, как со-относятся определенность и случайность. В результате пришли к выводу, что детерминизм (определенность) и стохастичность (случайность) по-разному распределены во времени: в прошлом господствует детерминизм, в будущем царит стохастичность, а настоящее – этот “тот миг между прошлым и будущим”, когда случайность переходит в детерминированное событие.

С 20-х годов ХХ столетия стала бурно развиваться неклас-сическая квантовая физика микромира и отдельные разделы хи-мии, основанные на новых, вероятностных математических мо-делях. Среди уравнений, входящих в эти математические модели, появились и так называемые нелинейные. Они названы так потому, что в уравнениях переменные величины стали иметь разные степенные показатели. На графиках закономерности вы-глядели в виде сложных кривых линий. Физический смысл та-ких нелинейных уравнений заключается в том, что они описы-вают взаимодействия, при которых очень малые изменения независимых переменных могут приводить к весьма значитель-ному конечному эффекту, и наоборот – очень большие измене-ния к мизерному результату.

В качестве примера такого нелинейного процесса приведем снежную лавину, залегающую на вершине гор. Достаточно очень небольшого уси-лия (сотрясения воздуха, вызванного громким криком), чтобы огромная масса снега пришла в движение, сметая все на своем пути.

Кратко поясним сам процесс создания и применения в ис-следованиях вероятностных математических моделей. Все на-чинается с того, что, исследуя какую-то систему, получают пер-вое представление о взаимодействии ее элементов, в данном случае микрочастиц. На основе этих знаний строится, или луч-ше сказать, выдвигается некая гипотеза о характере взаимодей-ствий элементов в этой системе. Далее эту гипотезу с помощью


82

понятий теории вероятности выражают системой математиче-ских уравнений. Эта система уравнений и называется математи-ческой моделью изучаемой системы. После создания математи-ческой модели наступает самый ответственный момент во всей работе: проводят проверку созданной модели, т.е. определяют, насколько точно она описывает взаимодействие микрочастиц изучаемой системы. Проверка осуществляется следующим об-разом: на основе математической модели составляется прогноз поведения микрочастиц при определенных условиях. В соответ-ствии с ними проводится опыт (эксперимент). Далее с помощью методов математической статистики сравнивают прогноз с дан-ными изучения реального поведения микрочастиц при экспери-менте. Если нет существенных расхождений между прогнози-руемым поведением и реально установленным, то считают: математическая модель адекватно (хорошо) описывает изучае-мую систему.

И, наконец, наступает самый интересный момент всего ис-следования: начинают изучать саму математическую модель. Задавая самые разные значения независимым переменным, смотрят, что получится в результате решения этих уравнений. Это помогает более полно понять изучаемую систему, характер ее поведения при самых разных условиях, на основе исследова-ния ее математической модели.

Приведенная последовательность этапов исследовательской работы – это всего лишь принципиальная схема. На самом деле составление моделей, их проверка и исследование – это итера-ционный процесс, т.е. многократно повторяющийся. И по ходу его вносятся те или иные коррективы в математическую модель, добиваясь того, чтобы она полнее и лучше отображала изучае-мую систему.

Наш экскурс на кухню исследования микромира с помощью вероятностных математических моделей показывает, насколько сложен и трудоемок процесс его исследования. Особенно доро-гостоящи эксперименты, которые требуют сложнейшего обору-дования. Однако благодаря применению этого подхода к изуче-нию микромира человечество узнало, что в природе существуют совершенно новые типы природных систем – открытые нели-


83

нейные неравновесные системы, о которых классическая наука не имела никаких представлений. Это был колоссальный про-рыв в неведанное.

Началось интенсивное исследование этого нового типа сис-тем, особенно в физике и химии. В физике – при изучении про-цессов в газах, строения атомов, плазмы, термоядерного синтеза и т.д. В химии –процесса катализа, эволюционной химии и т.д. Это был период развития так называемой неклассической науки, охвативший весь ХХ век. В физике и химии появлялись совер-шенно новые области исследований, совершенствовались новые методы математического моделирования.

В результате к концу ХХ века были достаточно подробно исследованы открытые нелинейные системы, особенно неравно-весные. Для их описания был предложен ряд новых понятий. Ниже мы поясним только некоторые из них, без которых нельзя понять суть различий между процессами, которые совершаются в биосфере.

Самое главное – был установлен новый тип систем, неиз-вестный классической науке: открытые нелинейные неравно-весные системы. Все принялись их изучать. Исследование таких систем сродни искусству: для того, чтобы выявить свойства этих систем, нужно было так умело расположить “места малых уколов” и точно определить силу воздействия, чтобы понять их сущность. Сразу вспоминается определение художника, которое дал один из персонажей А.И. Райкина: “Художник – это тот че-ловек, который берет нужную краску и кладет на нужное ме-сто”.

Наиболее значимые результаты были получены в середине 80-х годов ХХ столетия бельгийским физиком русского проис-хождения И. Пригожиным. Благодаря его трудам и ряда других ученых, его последователей, появилась на свет новая наука, или, как совершенно справедливо считают некоторые исследователи, новое междисциплинарное направление в науке, которое полу-чило название синергетика.

При буквальном переводе с греческого языка синергетика означает совместно действующие. Как всегда бывает в науке при появлении нового перспективного направления, начался


84

бум исследований, в данном случае синергетический бум, кото-рый сопровождался шквалом публикаций. Этот бум не прошел до сих пор, но именно благодаря ему были получены те резуль-таты, которые рассмотрены ниже.

Основные результаты, полученные синергетикой

Самое главное достижение синергетики состоит в том, что она выявила свойства совершенно нового типа природных сис-тем (открытых, нелинейных, неравновесных систем), которые ускользали из поля зрения классической науки. Предельно крат-ко то новое, что было выявлено синергетикой, сводится к сле-дующему.

1. Открытым нелинейным неравновесным системам свойст-венно три принципиально разных состояния. Первое состояние было названо хаосом, и для него характерно отсутствие всякой упорядоченности. Иными словами, хаосу свойственно непред-сказуемое поведение элементов системы.

Примером такого хаоса служит броуновское хаотическое движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или в газе. Этот тип движения был открыт в 1827 г. Р. Броуном.

Два других состояния, на которые может выйти открытая нелинейная неравновесная система, находящаяся в хаосе, были названы соответственно состояние равновесной упорядочен-ности и состояние неравновесной упорядоченности (рис. 3.1).


Неустойчивое равновесие

хаос хаос

Устойчивое равновесие

Рис. 3.1. Принципиальная схема развития открытых нелинейных неравновесных систем

(по А.П. Руденко, 2000)

85


86

2. Процесс перехода от хаоса к равновесной упорядоченно-сти назвали организацией, а процесс перехода от хаоса к нерав-новесной упорядоченности – самоорганизацией. Иными слова-ми, организация и самоорганизация – два принципиально разных процесса, которые имеют единое начало (хаос), но при-водят, в конечном счете, к двум принципиально разным резуль-татам. Организация преобразует хаос в состояние равновесной упорядоченности, что, в конечном счете, свойственно стацио-нарным системам.

Момент перехода от хаоса к процессам самоорганизации назвали точками бифуркации.

Самоорганизация преобразует хаос в состояние неравновес-ной упорядоченности. От этих двух новых состояний открытая нелинейная система может снова перейти к хаосу (рис. 3.1). Процесс перехода от равновесной упорядоченности к хаосу на-звали созидательной хаотизацией. Эпитет “созидательная” подчеркивает, что после наступившей хаотизации может на-чаться процесс самоорганизации, а это открывает новые воз-можности конструктивной работе в будущем.

Процесс от неравновесной упорядоченности к хаосу назвали разрушительной хаотизацией, во время которой происходит распад возникших при самоорганизации неоднородностей (пе-реход от конструктивной работы к хаосу).

При процессах самоорганизации в системе развиты нели-нейные положительные обратные связи. Это те малые воз-действия на нее, которые удаляют систему от состояния равно-весия, увеличивают темп ее развития, ускоряют синтез сложного. При этом в системе накапливается потенциальная энергия (энтропия убывает). Устанавливается режим LS, для которого характерен рост потенциальной энергии (в частности увеличение to), усиление интенсивности процесса, сдвигание его от точки равновесия, усложнение неоднородностей. Имеет ме-сто и развитие режимов с обострением, т.е. сверхбыстрых процессов, при которых характерные величины (например, тем-пература, энергия, концентрации чего-либо – веществ или энер-гии) неограниченно возрастают в течение конечного времени (за время обострения).


87

При процессах организации в системе преобладают нели-нейные отрицательные обратные связи. Это те малые воздей-ствия, которые придают системе устойчивость, постоянство, стабильность, выводят ее на стационарный режим развития. Происходит рассеяние энергии, энтропия возрастает. Устанав-ливается режим НS, для которого характерно рассеяние энер-гии (падение to), снижение интенсивности процесса, неоднород-ности начинают объединяться (по старым следам, “по памяти”), и система из сложной вырождается в простую, но равновесную, устойчивую.

3. Самое интересное, что при процессах самоорганизации возникают новые относительно устойчивые неоднородности (структуры, как элементы новых систем). Они неизбежно появ-ляются при эволюции открытых нелинейных неравновесных систем, когда у них устанавливается режим с обострением, ре-жим LS вследствие развития положительных обратных связей. Был выявлен механизм формирования этих новообразованных неоднородностей (структур, элементов).

Как было установлено, в основе их возникновения лежит принцип кооперации тех самых частиц, которые находились в состоянии хаоса. Способы объединения частиц при коопериро-вании не произвольны, а зависят от нелинейных свойств самих частиц и среды (системы и ее окружения). В основе кооперации лежит перекрытие каких-то сродственных участков.

Так, при объединении атомов в молекулы происходит пере-крытие их электронных оболочек. Это перекрытие может иметь разную пространственную конфигурацию, как говорят, разную стереометрию. В результате получаются разные молекулы с разными свойствами. К примеру, графит и алмаз (в основе и то-го и другого лежат атомы углерода, но пространственное пере-крытие одних и тех же атомов у графита и алмаза разное).

Перекрываться могут и места локализации тепловых струк-тур у кооперируемых элементов. Примером может быть ячеи-стая структура, которая образуется в жидкости при наличии конвективных токов между двумя горизонтальными пластина-ми, когда нижняя нагрета сильнее верхней. Пока разность тем-ператур двух плоскостей мала, движущиеся частицы жидкости


88

распределены хаотично. Однако при определенной разности температур возникает ячеистая структура, напоминающая пче-линые соты. Эта возникшая ячеистая структура называется не-устойчивостью Бернара. Произошло невероятное – вопреки вто-рому закону термодинамики тепловое, хаотичное движение молекул привело не к рассеиванию энергии, а к работе. В ре-зультате этой работы возникла новая структура, более сложная по сравнению с предшествующим состоянием. Существование таких диссипативных структур поддерживается только благода-ря достаточному притоку энергии извне, т.е. оно возможно только в открытых системах.

В общественных системах при кооперировании личностей в различные сообщества перекрытия охватывают либо их интере-сы, либо те или иные потребности и т.д.

4. Установлены два пути возникновения новых структур. Первый путь, это путь случайных вариаций кооперирования ин-дивидуальных элементов при жесткой конкуренции возникаю-щих структур между собой. Конкуренция и отбор идет по прин-ципу экономии вещества и энергии, а также ускорения эволюции появившихся неоднородностей. Выживают из них только самые экономные и способные к ускоренной эволюции. Этим как бы задается цель саморазвития: потребляй меньше, изменяйся (эволюционируй) быстрее.

Второй путь, когда кооперирование идет не индивидуально, а за счет кооперирования сразу ряда множеств индивидуальных элементов, упорядоченных определенным образом. Этот путь был назван матричным дублированием (строительством по об-разцу). Именно так составлена генетическая программа у живых организмов. Он еще именуется резонансным возбуждения. Это самый быстрый переход от простого к сложному. Конечно, и на этом пути тоже идет конкуренция и жесточайший отбор.

Примером может быть каталитический процесс в химии, при котором поверхность кристалла катализатора помогает рас-положить атомы в определенном порядке и, тем самым, убыст-рить процесс. Или же механизм штамповки типа редупликации ДНК, действующий в живых организмах. Н.А. Бульенков (1991)


89

считает, что структура воды лежит в основе конфигурации мно-гих сложных форм у живых и неживых тел.

5. В реальных открытых нелинейных неравновесных систе-мах одновременно сосуществуют как нелинейные положитель-ные обратные связи, так и нелинейные отрицательные обратные связи. Поэтому в этих системах присутствуют как элементы ор-ганизации, так и самоорганизации. При явном преобладании ор-ганизации открытая нелинейная неравновесная система выро-дится в стационарную, для которой не свойственен процесс раз-вития. При преобладании элементов самоорганизации в открытой нелинейной неравновесной системе начинается про-цесс саморазвития.

6. Эволюция открытой нелинейной неравновесной системы идет непрерывно-прерывисто: от одного состояния хаоса до другого (см. рис. 3.1). Точку перехода от хаоса к той или иной упорядоченности называют точкой бифуркации. На самом деле это не точка, а очень короткий промежуток времени, в котором влияние случайных факторов на выбор пути развития чрезвы-чайно велик. Поэтому мы и не можем предсказать, спрогнозиро-вать, как будет эволюционировать система после точки бифур-кации.

7. В трактовке физической сущности феномена саморазви-тия еще нет единого мнения. Существует два подхода: первый высказал И. Пригожин, второй позднее А.П. Руденко (табл. 3.1). Подход А.П. Руденко (2000) нам представляется более эври-стичным.


90

Таблица 3.1 Сравнение подходов к трактовке физической сущности феномена саморазвития (Составлена по данным работы

А.П. Руденко, 2000) Параметры И. Пригожин (1985) А.П. Руденко (2000)

Конструктивная роль в возникновении само-развития

Необратимость Условие неравновесно-сти

Причина Диссипация Внутренняя полезная работа против равнове-сия

Движущая сила Отрицательная энтро-пия, поступающая в систему из внешней среды

Часть потока свобод-ной энергии обменного процесса с внешней средой

8. В настоящее время установлено, что открытые нелиней-

ные неравновесные системы присущи не только микромиру, но они широко распространены в окружающем нас мире. Они свойственны и неживой природе, и живому веществу во всех его проявлениях, в том числе и экономической и социальной сфе-рам жизни общества. Просто мы долгое время их не замечали. После того, как они были открыты и исследованы на объектах микромира, пелена с наших глаз спала: мы увидели окружаю-щий нас мир совершенно по-новому, и по-новому стали его вос-принимать. Самое главное – благодаря результатам, уже по-лученным синергетикой, мы поняли, что весь окружающий нас мир един, он построен на одних и тех же основаниях и принципах. Отпала необходимость возводить барьер между за-конами, по которым, эволюционирует природа, и законами, по которым живет общество. Во времена господства классической науки интуитивно чувствовали, что общество развивается не по законам классической науки, но по каким – не знали. Теперь мы знаем, что законы классической науки – это всего лишь неболь-шой частный случай в окружающей нас действительности, а вся она представляет собой открытую нелинейную систему, нахо-дящуюся в неустойчивом равновесии.


91

9. Синергетика представляет собой новое междисциплинар-ное направление современной науки. Оно стало быстро охваты-вать все традиционные сферы знания: философию, физику, хи-мию, биологию, психологию, геологию, географию, экономику, социологию.

Наметились два основных направления, по которым стали применять новые знания, полученные синергетикой.

Первое направление связано с применением вероятностных нелинейных математических моделей при исследованиях в са-мых разных областях знаний: в биологии, геологии, геохимии, экономике, социологии. При этом проявилась одна любопытная закономерность – эти новые для себя и синергетики области стали осваивать в основном физики и химики. С новыми мето-дами они вторгаются в сферу экономики и социологии. Это происходит потому, что именно они владеют методами состав-ления и исследования математических моделей, используемых неклассической физикой и химией. Причина такого положения кроется в большой инерционности и консервативности нашей системы образования. В учебных планах и программах многих специальностей предусмотрено только изучение таких разделов высшей математики, как дифференциальное и интегральное ис-числения, т.е. только математические методы классической нау-ки, а то, что необходимо для построения математических моде-лей открытых нелинейных неравновесных систем, остается за рамками учебных планов и программ всех специальностей, за исключением физико-математических и химических.

Второе направление предусматривает применение нового понятийного аппарата, полученного синергетикой, для осмыс-ления явлений конкретных областей исследований, будь то пси-хология, экономика, социология, геохимия, биология и т. д. Та-кое приложение данных синергетикой помогает понять многие явления, проникнуть в их сущность, найти интересные пути эф-фективного применения конкретных естественнонаучных и об-ществоведческих знаний в практической деятельности.

Ниже будут указаны некоторые возможности этого подхода к пониманию того феномена, который мы именуем биосфера.

* * *


92

Итак, мы кратко рассмотрели само понятие "система", и по-казали, что все они есть не что иное, как специфический способ организации наших знаний о реальности. Мы рассказали о пра-вилах выделения систем и о том, что, когда мы приступаем к выделению системы, нам важно четко определить цель, которую мы ставим при ее установлении, определить границы системы и критерии их проведения, выяснить взаимодействие системы с ее внешней средой, выделить внутри ее элементы и выяснить ха-рактер связи между ними.

Мы проследили, как постепенно шло понимание свойств отдельных систем из того великого множества, можно сказать, созвездия самых разных систем, которое окружает нас в реаль-ной действительности. В начале познавали свойства самых про-стых линейных стационарных систем, затем постепенно нам от-крывались свойства все более сложных природных систем. К концу ХХ века познали и свойства открытых нелинейных не-равновесных систем. Мы поняли, что в природе, наряду с про-цессом развития, существует и саморазвитие, в результате кото-рого возникают новые, все более сложные элементы, дающие начало новым системам. Так нам начал приоткрываться меха-низм саморазвития, существующий в Природе.

При знакомстве вас с основами учения о биосфере мы бу-дем придерживаться того плана системной организации науч-ных знаний, основы которого изложены выше.


93

Семинар 3.1. Краткая история развития системных представлений. Выделение систем

Вопросы к контрольной работе 1. Правила выделения системы (пять пунктов). 2. Объясните название работы А.А. Богданова “Всеобщая

тектология“. 3. Для каких систем Л. Берталанфи создал свою теорию, ка-

ково название его основного труда? 4. Каковы заслуги И.Р. Пригожина в создании общей теории

систем? 5. Дайте определение системы по В.Н. Садовскому. 6. Приведите пример неорганической однородной системы. 7. Приведите пример биологической однородной системы. 8. Приведите пример неорганической разнородной системы. 9. Приведите пример биологической разнородной системы. 10. Что такое сложная система? 11. Поясните правило несводимости и возникновения в

сложных системах. 12. Дайте определение закрытой системы. 13. Дайте определение открытой системы. 14. По какому признаку выделяют управляемые и управ-

ляющие элементы в сложных системах? 15. Дайте понятие порога устойчивости. 16. Чем характеризуются равновесные фазовые переходы? 17. Чем характеризуются неравновесные фазовые перехо-

ды? Вопросы для обсуждения

1. Виды систем. Приведите примеры. 2. Типы систем Приведите примеры. 3. Свойства систем.


Семинар 3.2. Краткие сведения о синергетике

Темы для самостоятельной работы в группах. (Обсуждение на семинаре)

1. Второй закон термодинамики, Возрастание энтропии в закрытых системах.

2. Прямые и обратные, положительные и отрицательные связи в неравновесных открытых системах.

3. Что представляют собой диссипативные структуры по И. Пригожину? Где и при каких условиях они возникают.

4. Понятие хаоса в синергетике. Роль конструктивной слу-чайности.

5. Механизмы организации и самоорганизации, присущие неравновесным открытым системам. Как вы понимаете суть ор-ганизации и самоорганизации в разных видах систем.

6. Самоорганизация в живых системах. Уменьшение энтро-пии при эволюции живых систем.

7. Синергетика – новое направление междисциплинарного синтеза. Основные моменты самоорганизации неравновесных открытых систем в химии, физике, биологии, обществоведении.


Алексеев Г.П., 1985; Абалкин Л.И., 1995; Агошков Е.Б., Ах-либинский Б.В., 1998; Моисеев Н.Н., 1995; Заварзин Г.А., 1999; Князев Е.Н., Курдюмов С.П., 1994; Николас Г., Пригожин И., 1979; Руденко А.П., 2000; Синергетическая ..., 2000; Горе-лов А.А., 1997, 1999; Маргалеф Р., 1992.

94

4. Выделение биосферы, как сложной природной системы


4. Выделение биосферы как сложной природной

системы

“Я ясно стал осознавать, что мне суждено

сказать человечеству новое в том учении о живом веществе,

которое я создаю, и что это мое призвание, моя обязанность,

наложенная на меня, которую я должен проводить в жизнь, – как пророк, чувствующий внутри себя голос, призывающий к деятельности”.


“В земном поле устойчивости жизни надо отличать во-первых область

временного проникновения – без быстрой гибели – живых организмов, во-вторых,

область длительного их существования, неизбежно связанного с проявлением размножения”


П

оскольку биосфера представляет собой сложную природную систему глобальной размерности, то при ее изучении мы будем придерживаться той последо-

вательности, которая была намечена в предшествующем разде-

95


96

ле, в котором мы кратко познакомили вас с основами системно-го анализа и синергетики. Эта последовательность дальнейшего изложения следующая.

- Четкое определение цели, ради достижения которой выде-ляется биосфера.

- Определение ее границ и критериев их проведения, - Выявление общих особенностей биосферы, возникших под

внешним влиянием. - Определение внутреннего строения биосферы (элементы

биосферы глобальной размерности, их взаимодействия, порож-дающие биосферные процессы и феномены, появляющиеся в результате этих взаимодействий).

- Анализ потоков вещества и энергии при биосферных про-цессах.

- Выяснение механизма развития биосферы. - История становления и основные этапы развития биосфе-

ры как системы, включая и ее переход в ноосферу.

Цель выделения биосферы

Зададимся вопросом: какую цель преследовал В.И. Вернадский, создавая свое учение о биосфере. Ведь цель в системной организации наших знаний о реальности и есть глав-ное системообразующее начало.

О своей цели В.И. Вернадский говорил так: “описать геоло-гические проявления жизни, дать картину совершающегося во-круг нас планетного процесса” (1960, с. 7). Почему он поставил перед собой именно такую цель? Это становится ясным, если по-смотреть на круг вопросов, которые тогда изучала геология. В.И. Вернадский проанализировал этот круг вопросов и с сожа-лением констатировал: “В общем, в геологии, в явлениях, свя-занных с жизнью, изучаются частности. Изучение отвечающего им механизма не ставится как задача научного исследования. И когда она не ставится и ее существование не осознается, иссле-дователь неизбежно проходит мимо ее проявлений, окружающих нас на каждом шагу” (Вернадский, 1960, с. 7). Иными словами,


97

геологи изучали гео без био. Точно так же, как биологи исследо-вали био без гео (см. выше во введении). Такая разобщенность не устраивала В.И. Вернадского, поскольку он как геохимик на ка-ждом шагу сталкивался с проявлениями геохимической функции живого вещества на протяжении всей геологической истории Земли. И он понял, что надо изучать Жизнь на Земле (био вместе с гео).

Поэтому он и поставил перед собой цель – всесторонне рас-смотреть биохимическую функцию живого вещества как пла-нетного явления, то есть сущность взаимодействия, которое свя-зывает био в единое целое с гео.

Цель поставлена. Теперь надо последовательно идти по пу-ти, ведущему к ее достижению. Первый шаг, который сделал В.И. Вернадский на этом пути, – он четко определил объект ис-следования, исходя из поставленной цели. Для этого ему при-шлось выделить особое естественное тело планетарной размер-ности, назвав его биосферой.

Понятие естественное тело В.И. Вернадский перенял от своего учителя В.В. Докучаева, который этим понятием обозна-чал всякий логически отграниченный от окружающего предмет, образовавшийся в результате природных процессов.

Общеизвестно, что любые логические рассуждения опира-ются на какие-то основания, отталкиваясь от которых мы и ве-дем цепь логических умозаключений. К примеру, в геометрии в качестве таких оснований выступают постулаты (аксиомы). Возникает вопрос: а нужны ли такие основания? Не проще ли обойтись без них, не усложняя себе жизнь?

Обойтись без них невозможно и вот почему. В основе рабо-ты нашего мозга лежит два типа познания: логическое и внело-гическое. Логический тип познания вам знаком из школьного курса математики. Он лежит в основе любого раздела математи-ки. Как уже говорилось, в геометрии из ограниченного числа по-стулатов (аксиом) чисто логическими рассуждениями строится все ее здание.

Внелогическая компонента нашего сознания возникла в про-цессе биологической эволюции как способность подсознательно производить гармонизацию хаотической массы впечатлений.


98

При такой гармонизации важную роль играет критерий, который иногда называют чувством красоты. Вот эта гармонизированная масса впечатлений выступает в виде тех аксиом и постулатов, на которые опирается логическая компонента сознания. Таким об-разом, весь процесс работы познания состоит из постоянного че-редования логической и внелогической компонент. Тем, кто за-интересуется этим вопросом, рекомендуем познакомиться с работой Б.В. Раушенбаха (1997).

В описательных естественных науках эта гармонизация мас-сы установленных фактов выступает в виде эмпирических обобщений, играющих огромную роль в науке и вообще в по-знании. Они представляют собой результаты внелогического типа познания, которые лежат в основе всех дальнейших логи-ческих рассуждений.

Понятие эмпирическое обобщение В.И. Вернадский широ-ко использует в своих работах. Он так определяет его: “Эмпи-рическое обобщение опирается на факты, индуктивным путем собранные, не выходя за их пределы и не заботясь о согласии или несогласии полученного вывода с другими существующими представлениями о природе” (Вернадский, 1960, с. 19).

Эмпирические обобщения, непосредственно лежащие в ос-нове учения о биосфере, включают “следующие положения.

1) В течение всех геологических периодов не было и нет никаких следов абиогенеза (т.е. непосредственного создания живого организма из мертвой, косной материи).

2) Никогда в течение всего геологического времени не на-блюдались азойные (т.е. лишенные жизни) геологические эпохи.

3) Отсюда следует, что, во-первых, современное живое ве-щество генетически связано с живым веществом всех прошлых геологических эпох и что, во-вторых, в течение всего этого вре-мени условия земной среды были доступны для его существова-ния, т.е. непрерывно были близки современным.

4) В течение всего этого геологического времени не было резкого изменения в какую-нибудь сторону в химическом влия-нии живого вещества на окружающую его среду; все время на земной поверхности шли те же процессы выветривания, т.е. в


99

общем наблюдался тот же средний химический состав живого вещества и земной коры, какой мы и ныне наблюдаем.

5) Из неизменности процессов выветривания вытекает и не-изменность количества атомов, захваченных жизнью, т.е. не бы-ло больших изменений в количестве живого вещества (есть только признаки небольших колебаний около некоторого сред-него).

6) "В чем бы явления жизни ни состояли, энергия, выделяе-мая организмами, есть в главной своей части, а может быть и целиком, лучистая энергия Солнца. Через посредство организ-мов она регулирует химическое проявление земной коры" (Вер-надский, 1960, с. 19 – 20).

К этим эмпирическим обобщениям, лежащим в основе вы-деления биосферы как естественного тела глобальной размерно-сти, В.И. Вернадский пришел, когда прошел весь путь исследо-вания от кристалла до земной коры в целом.

Обратите внимание на логическую цепь рассуждений, кото-рая ведет от этих эмпирических обобщений к выделению био-сферы как особого природного тела. Живое вещество происхо-дит только от живого, и оно в течение геологического времени всегда занимало определенную часть земного пространства, которому было свойственно сохранение определенных условий пригодных для существования живого вещества. Среди этих условий главнейшим было непрерывное поступление в эту часть земного пространства лучистой энергии солнца, за счет кото-рой, главным образом, и развивалось живое вещество. Значит, если мы хотим познать Жизнь на Земле, то нам эту сферу жизни (био вместе с гео) надо выделить в качестве объекта своего исследования.

С этих позиций биосфера – это особая, резко обособленная на нашей планете земная оболочка. Она охватывает частично или полностью ряд концентрических, всю Землю охватываю-щих, соприкасающихся образований, называемых геосферами. К ним относится атмосфера, гидросфера и литосфера. Биосфера обладает совершенно определенным строением, которое суще-ствовало таким на протяжении миллиардов лет. Строение это связано с активным участием в нем жизни, существование кото-


100

рой поддерживалось за счет лучистой энергии Солнца. Благода-ря наличию живого вещества для биосферы характерны дина-мические подвижные, устойчивые и геологически длительные равновесия. (Вернадский, 1977).

В.И. Вернадский считает, что биосфера и есть основная об-ласть научного знания, хотя только теперь мы подходим к науч-ному выделению ее из окружающей нас реальности. Биосфера, подчеркивал он, отвечает тому, что в мышлении натуралистов и в большинстве рассуждений философов обозначается Природой в обычном понимании, в тех случаях, когда они не касались Космоса в целом, а оставались в пределах Земли. Но эта Приро-да не аморфна и не бесформенна, как это веками считалось. Она имеет определенное строение. Следующие его слова еще более полно отражают понимание В.И. Вернадским сущности этого планетарного естественного тела. “Наши знания о биосфере и о ее содержимом резко отличаются от всякого другого знания, так как мы живем в биосфере и ощущаем ее всем своим сущест-вом. Все передается нам через биосферу. Выше и ниже ее чело-век может проникать только логическим путем, разумом. Через нее он охватывает космический мир, преломленный в биосфере. И также преломленными в биосфере он может изучать глубины планеты, лежащие ниже земной коры. В сущности человек, яв-ляясь частью биосферы, только по сравнению с наблюдаемыми на ней явлениями, может судить о мироздании. Он висит в тон-кой пленке биосферы и лишь мыслью проникает вверх и вниз” (Вернадский, 1980, с.19-20).

* * *

Итак, для реализации поставленной перед собой цели (опи-

сать геологическое проявление жизни) В.И. Вернадский выде-лил естественное тело глобальной размерности, которое назвал биосферой. Это позволило ему дать системное представление наших знаний о непосредственном окружении человека, о той самой Природе, частичкой которой является сам человек, и с ко-торой он связан тысячами нитей. В первую очередь дыханием и питанием. В соответствии с поставленной целью он определил


101

объект исследования – земное пространство, занятое живым веществом. Это естественное тело планетарной размерности, логически замкнутое, он и назвал биосферой.

Границы биосферы

Каждая система должна иметь четко определенные грани-цы. При проведении границ биосферы руководствуются прин-ципом – границы должны совпадать с пределами распростране-ния в геосферах живых организмов. Напомним, что к геосферам относятся атмосфера, гидросфера и литосфера. Последняя в свою очередь делится на ядро, мантию и земную кору, состоя-щую снизу вверх из базальтового слоя, гранитного и слоя оса-дочных пород.

Поле устойчивости жизни. Это понятие В.И. Вернадский ввел для установления границ биосферы. При определении это-го поля он принимает во внимание следующие факторы: тем-пературу, давление, фазу среды, химизм среды, лучистую энергию. Рассмотрим каждый из них.

Температурный фактор. Самая высокая температура, ко-торую выдерживают без смерти организма некоторые гетеро-трофные существа, приближается к 140°С, а самая низкая −253°С. Интервал в 393 градуса – это предельное тепловое поле, в котором могут некоторое время находиться без гибели и раз-рушения некоторые организмы. Для зеленых растений оно со-кращается до 140° (от 80° до − 60° С).

Давление. Пределы давления, которые могут выдерживать организмы, изменяются в очень больших пределах. Жизнь дрожжей сохраняется и при 8 000 атмосфер давления, а семена и споры могут сохраняться при давлениях, равных тысячным до-лям атмосферы.

Фаза среды. Некоторые формы жизни в латентном (лат. – скрытый, невидимый) состоянии (семена и споры) могут нахо-диться без гибели в среде, лишенной воды, абсолютно сухой. Но вода в капельно-жидком и газообразном состоянии – необходи-мое условие для роста и размножения организмов. Организму


102

для полного развития своих функций необходима возможность газового обмена (дыхания) и устойчивость коллоидных систем, из которых он построен. Жидкая среда (раствор или коллоид), которая лишена газов, не может быть областью жизни.

Химизм среды. Область химических изменений, которые могут выдерживать организмы, очень большая. Развитие зеле-ных организмов требует присутствия свободного кислорода, а анаэробные организмы могут существовать без свободного ки-слорода. Автотрофные организмы живут и без готовых органи-ческих соединений, на одном минеральном питании. Известны организмы, живущие в горячих борных источниках, в средах с 10% серной кислотой, в крепких растворах различных солей, насыщенных растворах купороса, селитры. “Выяснено, что жизнь может существовать только в известных пределах иони-зации, от 10-6% до 10-10% H+” (Вернадский, 1960, с. 75).

Лучистая энергия. Для развития зеленых растений необхо-дима лучистая энергия определенной длины волны. Гетеро-трофные организмы и автотрофные бактерии могут жить в пол-ной темноте, при отсутствии видимой части спектра света, но для них важны длинные инфракрасные волны. Хорошо известен предел всякой жизни в области коротких волн: безжизненной является среда, в которой распространяются ультрафиолетовые лучи с длиной волны меньше 0,3 микрона (недаром в медицине применяются ультрафиолетовые установки для обеззаражива-ния помещений). Исходя из этих параметров устойчивости поля жизни, и проводят границы биосферы.


103

Верхняя граница биосферы

Положение верхней границы биосферы определено наличи-ем той лучистой энергии, присутствие которой исключает возможность жизни. Эта граница проводится по так называемому озоновому слою, который задерживает большую часть жесткого ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 0,3 микрона. Этот озоновый слой располагается на высотах от 10 до 50 км, максимальная концентрация озона (до 30%) наблюдается на высотах 20 – 25 км. Роль этого слоя для биосферы велика. Именно озоновый экран сверху ограничивает поле устойчивости жизни. “Жизнь, создавая в земной коре свободный кислород, тем самым, создает озон и предохраняет биосферу от губительных коротковолновых излучений небесных светил” (Вернадский, 1960, с. 78). Необходимо отметить, что задерживает ультрафиолетовое излучение не столько сам озон, сколько процесс его образования из молекулярного кислорода, который идет с поглощением этого коротковолнового излучения. Однако только редкие организмы в своем распространении достигают этой верхней границы. Живыми существами пере-полнен лишь тонкий приземной слой атмосферы, толщиной все-го в первые десятки метров.

Нижняя граница биосферы

Положение нижней границы биосферы определяется темпе-ратурным фактором. В.И. Вернадский считал, что верхний тем-пературный предел для существования живого вещества состав-ляет порядка 100° – 140° С. Считается, что температура в глубь Земли увеличивается в среднем на 1°С на каждый 33 м. Это так называемая геотермическая ступень. Температура в 100 – 140°С может быть достигнута уже на глубинах 3 – 5 км от земной по-верхности. В действительности же температурный режим зем-ной коры зависит от очень многих факторов. Современные мик-


104

робиологические исследования нефтяных скважин, а также глу-боких и сверхглубоких параметрических скважин показали сле-дующее. На глубинах 5 – 7 км установлено присутствие термо-фильных микроорганизмов, которые существуют при температурах 110 – 120° С.

На этих глубинах располагается так называемый углеки-сло – водородный микробный “фильтр”. Там обитают ультра-термофильные хемолитотрофы, которые ассимилируют мантий-ный водород и углекислоту. В результате получается первичное органическое вещество и метан. Этот процесс называется наф-тилобиоз, при котором осуществляется микробиологический синтез газообразных и жидких углеводородов, предшественни-ков углеводородов нефти и газа. Этот процесс наиболее активно идет в зонах повышенной флюидодинамики, т.е. там, где из недр поднимаются глубинные мантийные растворы (Оборин и др., 2001; Селезнев, 2001; Шеховцева, 2001). Таким образом, можно считать доказанным, что нижняя граница биосферы рас-полагается примерно в 8 км ниже от дневной поверхности. О нижних пределах распространения ультратермофильных микро-организмов пока фактических данных нет.

Считается, что на глубинах порядка 25 км термодинамиче-ские условия исключают нахождение воды как химического со-единения. Поэтому полагают, что нижняя граница биосферы не может опускаться глубже 25 км. На каком уровне в диапазоне 8 – 25 км располагается нижняя граница биосферы, покажут даль-нейшие исследования. Скорее всего, нижняя граница биосферы проходит в разных местах на разных глубинах, но везде она располагается внутри так называемого гранитного слоя земной коры. Как будет показано далее, гранитный слой тоже является продуктом жизнедеятельности живого вещества.

Поэтому можно сказать, что живое вещество, создавая био-сферу, сформировало и ее ограничения сверху и снизу. Между этими ограничениями и лежит поле развития жизни. Но в пре-делах этого поля факторы, его определяющие, изменяются по-разному. Благодаря этому живое вещество внутри поля развития жизни распределено крайне неравномерно, образует сгущения и разрежения.


105

В настоящее время пространство биосферы начали делить на различные слои, каждый из которых получил свое название. Таких подразделений пространства биосферы, выделенных по разным основаниям, насчитывается уже более 50. Упомянем, для примера, два из них.

Эубиосфера охватывает то пространство биосферы, в кото-ром идет наиболее активная жизнь, происходит деление клеток и размножение организмов. Границы эубиосферы проводят, ис-ходя из температурного фактора. Нижняя граница проводится по температуре кипения воды, т. к. при температуре выше 100о С белки сворачиваются. В глубь недр Земли температура увели-чивается, но повышается и давление, а с увеличением давления растет и температура кипения воды. Поэтому на глубинах в не-сколько километров при давлении в несколько сот атмосфер и при температуре выше 100о С обнаружены сообщества живых микроорганизмов.

Верхнюю границу эубиосферы проводят по изотерме 0оС, поскольку ниже этой температуры прекращается деятельность ферментов. Таким образом, эубиосфера представляет собой очень тонкую пленку, толщиной около 12 – 17 км, и в ней со-средоточена основная масса живого вещества биосферы. Масса этого живого вещества по сравнению с занятым им пространст-вом чрезвычайно мала. Если сконцентрировать все живое в ней в данный момент, смешав траву, бактерий, слонов и всех ос-тальных и нас в том числе, и распределить это живое вещество ровным слоем по поверхности Земли, то получится слой всего в 2 см толщиной.

Но, несмотря на такие малые размеры, живое вещество про-изводит колоссальную работу на нашей планете. Приведем сравнительно простые расчеты. Масса земной коры составляет около 2 × 1019 т. Сухое вещество всей современной биомассы по Н.И. Базелевич равно 2,4 × 1012 т. Это всего 0,00001% от массы земной коры.

Ежегодная продукция живого вещества составляет в сухом весе 2,32 × 1011 т. За последний млрд. лет это продукция практи-чески не изменилась. Произведя простые расчеты, увидим, что


106

за 1 млрд. лет живое вещество произвело массу в 2,32 × 1020 т, что в десять раз превышает массу земной коры!

Это объясняется тем, что живое вещество – это чрезвычайно “активная” действующая масса, роль которой в геохимии нашей планеты грандиозна. По существу, биосфера представляет собой гигантский “химический комбинат”, в котором эубиосфера – ее основной цех. На этом “химическом комбинате” из разнообраз-ных смесей веществ, представленных разнообразными магмати-ческими породами, морской и пресной водой и т.д. получают простые и сравнительно чистые соединения (известняки, фос-фориты кремнистые породы, угли, железные и алюминиевые руды и т.д.). В биосфере, и особенно в ее “главном цехе” эубио-сфере, происходит преобразование солнечной энергии и эндо-генного теплового потока в энергию геохимических процессов, при которых происходит дифференциация химических элемен-тов, рост разнообразия соединений, особенно органических, на-копление информации и уменьшение энтропии. О том, как все это происходит, и пойдет разговор в дальнейшем.

Мегабиосфера включает эубиосферу и прилегающее к ней сверху и снизу пространство биосферы, в котором нет постоян-ных живых обитателей, но которое испытывает прямое или кос-венное влияние живого вещества эубиосферы. Это пространство случайного попадания жизни сверху ограничено озоновым эк-раном, а снизу кровлей базальтового слоя Земли. При таком оп-ределении границ пространство мегабиосферы совпадает с та-ковым биосферы и термин "мегабиосфера" излишен.

* * *

Итак, верхняя граница биосферы проводится по озоновому

слою, который располагается на высотах от 10 до 50 км, чаще в интервале 20 – 25 км. Достоверно известно, что в глубь лито-сферы поле развитие жизни опускается до 7 – 8 км, а теоретиче-ски может опускаться максимум до 25 км. Максимальная тол-щина биосферы не более 75 км, а реальная, скорее всего, в два раза меньше, порядка 30 км. Основная масса живого вещества


107

сосредоточена в эубиосфере, толщина которой порядка 12 – 17 км.


Семинар 4.

Вопросы для обсуждения

1. Расскажите о своем восприятии биосферы как системы. - Почему, с Вашей точки зрения, В.И. Вернадский поставил

именно такую цель при создании учения о биосфере? - Чем он руководствовался при определении объекта иссле-

дования? - Почему он выбрал именно такие критерии проведения гра-

ниц биосферы? 2. Перечислите эмпирические обобщения, лежащие в основе

учения о биосфере, расскажите, как Вы понимаете их суть. В чем Вы видите их важность для учения о биосфере.

3. Границы биосферы. Как понятие поля устойчивости жиз-ни по В.И. Вернадскому согласуется с законом минимума Ли-биха? Сформулируйте определение “поля устойчивости жизни” на основании данного закона.


Вернадский В.И. 1960; 1988 а; 1988 б; Кондакова Г.В., 2001; Шеховцова Н.В., 2001; Селезнев И.А., 2001; Лапо А.В., 1979; Ястребов М.В., 2001; Маргалеф Р., 1992.

108

5. Основные свойства биосферы как системы



В.И. Вернадский “воспринимал Землю ... как одну из планет Солнечной системы,

находящуюся в непрерывном материально- энергетическом взаимодействии с Космосом”

А.В. Лапо

сновные свойства биосферы как системы (откры-тость, полузамкнутость, динамичность, неравновес-ность, нелинейность) определяются ее взаимодейст-

вием с окружающей средой (Космосом и недрами Земли) и ха-рактером внутренних взаимодействий составляющих ее элемен-тов.

ООткрытость

Для определения характера взаимодействия биосферы с ок-ружающей ее средой рассмотрим потоки энергии и вещества, которые между ними существуют.

Потоки энергии

Энергетически биосфера взаимодействует с Космосом и не-драми Земли. Это означает, что через ее верхнюю и нижнюю

109


110

границы постоянно проходят потоки экзогенной и эндогенной энергии, причем поток экзогенной энергии на два порядка пре-восходит эндогенный. Поскольку температура биосферы остает-ся постоянной, то это означает, что в свою очередь из биосферы тоже идут потоки энергии в Космос и недра Земли. Иными сло-вами, между Космосом, биосферой и недрами Земли совершает-ся ряд круговоротов энергии. Рассмотрим их подробнее.

Экзогенный поток энергии. Генератором этого потока яв-ляется Солнце. Поток космического излучения на несколько по-рядков меньше лучистой энергии Солнца, и им можно пренеб-речь. На внешнюю границу атмосферы (магнитопаузу) ежесекундно на 1 см2 приходит 13,95⋅105 эрг лучистой энергии. Три четверти этой энергии идет на нагревание верхней атмо-сферы, и после ряда преобразований она рассеивается в миро-вом пространстве. До биосферы доходит лишь 3,49⋅105 эрг лучи-стой энергии.

С поступившей в биосферу экзогенной энергией происходит целый ряд интереснейших превращений, благодаря чему возни-кает длинная цепочка переходов одного вида энергии в другую. Наиболее подробно мы эти потоки энергии рассмотрим в даль-нейшем.

Обратимся теперь к тепловому излучению Земли. На по-верхность Земли падает коротковолновая радиация Солнца. Земля же, поглотив ее, излучает уже длинные волны. Образно говоря, земной шар представляет собой огромный трансформа-тор, который преобразует волны малой длины в волны большой длины. (Из физики известно, что длина излучаемых волн зави-сит от температуры нагретого тела: чем ниже температура, тем длиннее излучаемые волны).

Вычислено, что тепловое излучение земли в сутки в сред-нем составляет О,58 кал. в минуту с 1 кв. см. поверхности, т.е. 840 кал. в сутки, иными словами, 120% солнечной радиации за тот же период. Тепловое излучение Земли идет за счет той энер-гии, которая поступила из недр Земли и с экзогенным потоком. Какова его судьба? Оказывается, в мировое пространство ухо-дит всего 8%, остальное же количество (112%) поглощается атмосферой, – преимущественно содержащимися в ней водяным


111

паром и СО2. Не будь атмосферы, тепловое излучение земли це-ликом уходило бы в мировое пространство, и средняя темпера-тура земной поверхности вряд ли превышала бы -19°.

На земной поверхности благодаря полученной энергии осу-ществляется фотосинтез зелеными растениями. В среднем в биосфере на фотосинтез используется лишь 0,1 – 0,2% годовой солнечной радиации (Колчинский, 1990).

В этих круговоротах экзогенной энергии в биосфере самое непосредственное участие принимает живое вещество. При этом у него проявляется ряд замечательных свойств.

Живое вещество, с одной стороны, нашло способ удлинять цикл трансформации энергии в биосфере, а с другой, – концен-трировать солнечную энергию и запасать ее впрок на сотни мил-лионов лет. “С энергетической точки зрения появление и развитие биосферы на Земле следует рассматривать как возник-новение грандиозного процесса постоянного накопления запаса превратимой энергии в поверхностной оболочке Земли и тем самым направленного процесса уменьшения ″производства″ не-превратимых форм энергии в земной природе” (Хильми, 1966, с. 271). Собственно, это и есть замечательный механизм замедле-ния энтропии в биосфере, который был создан живым вещест-вом.

Такая концентрация и накопление запаса солнечной энергии происходит следующими способами. Во-первых, благодаря фо-тосинтезу создается большая растительная масса, часть которой может захороняться в виде торфа и углей. Во-вторых, в зоне вы-ветривания горных пород из таких минералов, как разные слю-ды и полевые шпаты, образуются глинистые минералы. Образо-вание этих минералов идет при участии живого вещества и с поглощением тепла. Тем самым происходит консервация и на-копление солнечной энергии в толще осадочных пород в виде геохимической энергии. В-третьих, круговорот воды в биосфере приводит к появлению текучих вод. Они дробят горные породы. При дроблении кинетическая энергия падающей воды перехо-дит в поверхностную энергию песчинок и дисперсных частиц. Так еще часть солнечной энергии консервируется в обломочных


112

породах. В целом всеми способами в недрах Земли консервиру-ется примерно около 1% экзогенной энергии.

В дальнейшем в недрах Земли при процессах метаморфизма запасенная впрок солнечная энергия выделяется. Такой перенос солнечной энергии в недра Земли и включение его в энергетику эндогенных процессов был назван большим круговоротом сол-нечной энергии (Белов, Лебедев, 1964; В. Синицын, 1972; Кол-чинский, 1990).

Помимо уже отмеченного выше замечательного свойства живого вещества – концентрировать и запасать впрок биогеохи-мическую энергию, ему присущ еще один феномен, установ-ленный в последней четверти Х1Х столетия нашим соотечест-венником С.А. Подолинским (1991). Он показал, что “процесс человеческого труда есть такой особенный процесс природы, который следует рассматривать в качестве усилителя мощно-сти. Само собой разумеется, что для “усиления” мощности на самом деле необходимо “улавливать” тот или иной поток энер-гии. Одним из самых простых примеров “улавливания” потока энергии является фотосинтез, который и обеспечивает рост рас-тений. Такими потоками энергии также могут быть ветер, дви-жение падающей воды, энергия радиоактивного распада, нако-нец, те запасы биогеохимической энергии, что были созданы живым веществом в залежах каменного угля и углеводородов. С.А. Подолинский показал, что человеческий труд является единственным природным процессом, который характеризуется коэффициентом полезного действия свыше ста процентов. Он писал: “Труд есть такое потребление механической и психиче-ской работы, накопленной в организме, которое имеет результа-том увеличение количества превратимой энергии на земной по-верхности. Увеличение это может происходить или непосредственно – через превращение новых количеств солнеч-ной энергии в более превратимую форму, или посредственно – через сохранение от рассеяния, неизбежного без вмешательства труда, известного количества уже существующей на земной по-верхности превратимой энергии” (Подолинский, 1991, с. 35). Именно эти представления о труде, как “усилителе мощности”, помогли объяснить такие политико-экономические понятия, как


113

“прибавочный продукт” и “прибавочная стоимость”. С.А. Подо-линский различал производительный (полезный) труд, при ко-тором увеличивается превратимая энергия, и непроизводитель-ный труд, при котором превратимая энергия рассеивается. Он называл непроизводительный труд еще и так – расхищение, рас-трата энергии. К такому расхищению энергии он относил в пер-вую очередь войны и подготовку к ним, а также производство предметов роскоши. Полезный труд – это производство продук-тов питания, всего того, что связано с повышением качества жизни, с увеличением сил народа.

Эндогенный поток энергии. Генератором его является мантия. Значение теплового потока из недр Земли на ее поверх-ность очень изменчиво: от 38,47 эрг/см2 с до 3,5⋅105 эрг/см2с. В среднем на суше – 59, 8 эрг/см2 с, в вулканических областях – 90,33 эрг/см2 с, а на море – 66,91 эрг/см2с. Эндогенная тепловая энергии происходит из разных источников. Во-первых, это гра-витационная энергия, полученная при образовании Земли и дальнейших ее преобразованиях. Во-вторых, это экзотермиче-ская энергия, т.е. та геохимическая энергия, которая выделяется при метаморфизме осадочных пород в недрах Земли, когда гли-нистые минералы и обломочные породы вновь переходят в по-левые шпаты и слюды с выделением тепла. В-третьих, энергия, получившаяся при распаде радиоактивных элементов. В-четвертых, это ротационная энергия, выделенная при изменении скорости вращения Земли (Шипунов, 1980). В недрах Земли, в подземной биосфере, также происходит концентрация и консер-вация энергии. Этот процесс идет благодаря жизнедеятельности термофильных микроорганизмов, конечными продуктами кото-рой становятся газообразные и жидкие углеводороды.

Отмеченные процессы концентрации и консервации экзо-генной и эндогенной энергии еще находятся в начальной стадии изучения и до их цифровых оценок еще далеко. “Однако сама попытка связать процессы эволюции живого с геологическими процессами осадкообразования, тектогенеза, орогенеза и магма-тизма может оказаться перспективной для познания основных тенденций в эволюции биосферы и прилегающих к ней других поверхностных оболочек Земли” (Колчинский, 1990, с. 161).


114

Самое главное – через нижнюю границу биосферы в нее непре-рывно из недр земли идет тепловой поток, а из биосферы в не-дра земли поступает в законсервированном виде солнечная энергия (см. выше).

Итак, через свою верхнюю и нижнюю границы биосфера непрерывно обменивается потоками энергии с Космосом и не-драми Земли.

Потоки вещества Потоки вещества постоянно идут через верхнюю и нижнюю

границы биосферы. Через верхнюю границу в биосферу поступает космиче-

ское вещество в виде космической пыли и метеоритов (ежегод-но около 2,56⋅106 т). Конечно, по сравнению с массой Земли (5,976⋅1021 т), это количество поступающего космического ве-щества невелико. Но в известной мере оно сглаживает потери наиболее легких газов (водорода и гелия), которые через верх-нюю границу улетучиваются в космическое пространство. Эти легкие газы не может удержать земное притяжение. Поэтому в составе воздушных масс биосферы и наблюдается малое содер-жание этих двух наиболее распространенных в Космосе газов. Гелий получается при радиоактивном распаде элементов, а во-дород в верхних слоях атмосферы освобождается из молекул воды под влиянием ультрафиолетового излучения.

Через нижнюю границу биосферы проходят более мощные потоки вещества. Из недр земли по тектоническим разломам идут потоки газов, жидких флюидов, так называемых сквозь-магматических растворов, а местами, в вулканически активных зонах, извергаются массы расплавленных горных пород. Обра-зование этих восходящих потоков связывают с глубинной диф-ференциацией вещества нашей планеты. Ведущую роль в ней играет особый природный механизм, названный А.П. Виногра-довым зонной плавкой. Он так описывает этот процесс зонной плавки.

Первоначально “материалом мантии земли было вещество, отвечающее по составу каменным метеоритам. Это первичное


115

холодное вещество планеты подвергалось вторичному разогре-ванию благодаря энергии сжатия – гравитационной, и главным образом под влиянием тепла, генерируемого радиоактивными элементами – U, Th, K40, которых около 4,5 ⋅ 109 лет назад было на Земле в 8 – 9 раз больше, чем теперь. Под влиянием этого ра-зогревания Земли происходил односторонний, направленный процесс дифференциации ее вещества на оболочки. Механизм этого грандиозного процесса выплавления и дегазации мантии Земли был воспроизведен экспериментально ... при помощи так называемого зонного плавления. Если мы, например, возьмем цилиндр из вещества каменного метеорита и будем его плавить в узкой зоне печкой и медленно ее передвигать в одном направ-лении, то из материала цилиндра выплавится конус легкоплав-кого вещества. Силикатное вещество метеоритов (или планеты) при подобном процессе разделится на две главные фазы: легко-плавкую, которая выплавляется из вещества мантии и по соста-ву и структуре отвечает базальтическому стеклу, т.е. базальтам земной коры, и тугоплавкую, представляющую собой остаток от выплавления силикатной части метеоритов и по составу отве-чающую дунитам и перидотитам – породам мантии Земли. Об-разование легкоплавкой фазы сопровождается дегазацией преж-де всего воды, H2S, HCl, HF, NH3 и др., т.е. веществ, образовавших позже океан и атмосферу. Все химические эле-менты при подобном зонном проплавлении вещества распреде-ляются закономерно. Вещества, повышающие температуру плавления – Mg, Fe, Ni, Co?, Cr и др., – остаются по преимуще-ству в тугоплавкой фазе (в породах мантии). Щелочи, щелочно-земельные, литофильные элементы – U, Th, TR и т.д. – перехо-дят в легкоплавкую фазу, в базальтическое вещество земной коры. ... Легколетучая фракция, выделяющаяся при выплавле-нии и дегазации мантии Земли, содержит космические, радио-генные и другие газы. Основную массу их составляет H2O и не только потому, что распространенность H2O при формировании вещества Земли была очень высокая. Это объясняется еще и тем, что H2O при прочих равных условиях больше поглощается силикатным расплавом, чем другие пары и газы, например, CO2, O2. Поэтому H2O при дегазации мантии отделяется преимуще-


116

ственно. Газы, богатые H2O, подвергаются фракционированию как в процессе дегазации на разных уровнях мантии, до выноса на поверхность Земли, так и на поверхности Земли. В последнем случае это происходит благодаря конденсации воды при ее ох-лаждении, когда вместе с H2O конденсируются и многие газы, растворяющиеся в воде, а именно: HCl, HF, H Br, HI, B(OH}3? (NH4}2CO3, а также частично соединения серы. Они все вместе образуют таким путем океанический раствор (гидросферу). Следовательно, образование океанической воды происходит за счет выделения H2O из глубоких недр Земли.

Другая часть газов, не растворяющаяся или слабо раство-ряющаяся в воде, не конденсируется с H2O, подобно всем инерт-ным газам – He, Ar, Ne, Kr, Xe, N2, а также CH4, частично CO2 и другие, и вследствие этого они сохраняются в газовой оболочке Земли, Так образуется газовая оболочка” (Виноградов, 1967, с. 11 – 13).

Вся гидросфера (1,6⋅10 24 г) по отношению ко всем горным породам земной коры (2,4⋅1025г) составляют 6,7%. При вулкани-ческих извержениях базальтов выделяется от 3 – 5% до 8% воды от массы излившихся базальтов.

Именно за счет этих восходящих из недр Земли потоков, образовавшихся при глубинной дифференциации вещества пла-неты в процессе зонной плавки, возникли водная и газовая обо-лочки нашей планеты. Тем самым были созданы благоприятные условия для появления биосферы. В определенном смысле мож-но сказать, что отдаленным последствием глубинной дифферен-циации мантийного вещества нашей планеты было возникнове-ние на ней биосферы.

С появлением биосферы этот процесс зонной плавки не пре-кратился, а усложнился за счет потоков вещества идущих из биосферы в недра Земли. Излившиеся на земной поверхности базальты в наземных условиях стали подвергаться выветрива-нию и разрушаться текучими водами суши. Когда из первичной атмосферы исчезли такие компоненты как HCl, H2S и появился благодаря жизнедеятельности живого вещества свободный ки-слород, то в биосфере начался процесс осадочной дифферен-циации продуктов разрушения этих базальтов. Сущность его со-


117

стоит в том, что при образовании осадочных пород в присутст-вии кислорода происходит пространственное разделение Fe2O3, Al2O3, MnO от SiO2, СaCO3, MgCO3. Благодаря такой сепарации в конечных водоемах стока стали образовываться осадочные породы, богатые кремнеземом.

Когда эти осадочные породы, обогащенные кремнеземом, нисходящими тектоническими движениями опустились в недра Земли, то и они подверглись глубинной дифференциации веще-ства. Но поскольку у них был иной химический состав, чем у мантийного вещества, то в результате зонной плавки этих оса-дочных пород образовалась не базальтовая, а гранитная магма. Эта гранитная магма в виде лавовых потоков, струй газа и флюидов вернулась в биосферу. Этот процесс повторялся много раз. В результате сформировался в земной коре, кроме базальто-вого слоя и слоя осадочных пород, еще один слой – гранитный. В конечном счете, этот гранитный слой земной коры есть ре-зультат совместного действия двух грандиозных природных процессов – глубинной дифференциации вещества и осадочной дифференциации вещества. Последний возник как следствие жизнедеятельности живого вещества.

Итак, через свою нижнюю и верхнюю границу биосфера непрерывно обменивается потоками вещества с Космосом и не-драми Земли. При этом, если с Космосом биосфера в основном обменивается потоками энергии, то с недрами земли, главным образом, потоками вещества.

* * *

Системы, которые обмениваются с окружающим их пространством потоками вещества и энергии, принято на-зывать открытыми. Следовательно, биосфера относится к открытым системам.


118

Полуизолированность

Частичная изолированность биосферы от непосредственно-го влияния Космоса возникла под влиянием магнитного поля Земли. Это поле по своей структуре и динамическим свойствам подразделяется на постоянное (основное) и переменное. Посто-янным называют такое магнитное поле, которое освобождено от всех кратких вариаций (с периодом до года). Оно, конечно, тоже меняется, но период изменений у него очень большой – мил-лионы лет.

Причин появления постоянного магнитного поля Земли не-сколько. Во-первых, оно возникает в результате вихревых токов в расплавленном ядре Земли на границе его с мантией. Кроме того, определенный вклад вносят неоднородности распределе-ния в глубоких слоях земного шара магнитных минералов.

Величина переменного поля не превышает 2% величины постоянного магнитного поля, но оно оказывает большее влия-ние на живое вещество, о чем будет сказано в одном из сле-дующих разделов.

Значение геомагнитного поля земли для биосферы заключа-ется, прежде всего, в том, что именно оно, взаимодействуя с вы-сокими слоями атмосферы, образует сложный своеобразный фильтр, защищающий живое вещество от губительного влияния Космоса (рис. 5.1).

Именно благодаря геомагнитному полю образовались внеш-ние защитные уровни биосферы, которые превратили ее в полу-замкнутую от космического пространства систему. К ним отно-сятся:

- 1-й защитный уровень – магнитопауза. Ее верхняя граница расположена на расстоянии 1 млн. км от центра Земли. Ширина этой зоны около 200 км. От Солнца к Земле идет так называемый солнечный ветер – поток элементарных частиц и плазмы, несу-щих огромное количество электромагнитной энергии. При встрече с магнитным полем Земли с солнечной стороны образу-ется фронтальная ударная волна, а на ночной – шлейф солнечно-


119

го ветра протянулся примерно на 1000 земных радиусов (рис. 5.2). Благодаря магнитным силовым линиям солнечный ветер как бы обтекает магнитопаузу, и биосфера Земли защищена от непо-средственного воздействия потока солнечной высокотемпера-турной плазмы. Луна и Марс не имеют собственного магнитного поля и потому их поверхность подвержена сильному воздейст-вию солнечного ветра (установлено, что на Луне поверхностный слой пыли под его влиянием спекся в губчатую массу).

- 2-й и 3-й защитные уровни – внешний (на высоте около 15 000 км) и внутренний (12 000 – 1 500 км) радиационные поя-са. В местах больших магнитных аномалий геомагнитного поля внешний радиационный пояс может опускаться до 1 000 км, а внутренний до 320 км. Эти пояса задерживают ту часть корпус-кулярного излучения Солнца, которая проникла через магнито-паузу у геомагнитных полюсов Земли. Внешний радиационный пояс задерживает электроны, а внутренний – протоны.

- 4-й защитный уровень расположен у нижней границы про-тоносферы (около 1 200 км). Он задерживает жесткое, гамма – и рентгеновское излучение Солнца.

- 5-й защитный уровень – ионосфера (1 200 – 100 км) – по-глощает жесткое ультрафиолетовое излучение.


Рис. 5.1. Обобщенная схема расположения защитных уров-ней биосферы, из работы М. М. Ермолаева (1975, с упроще-

ниями).

120


121

Условные обозначения к рис. 5.1. Обобщенная схема расположения защитных уровней биосферы

I – Магнитопауза; II – Внешний радиационный пояс; III – Внутренний радиационный пояс; IV – Защитный экран от рентгеновского и жесткого ультра-

фиолетового излучения; V – Слой метеорной пыли; VI – Защитный экран от ионизирующего излучения; VII – Озоновый слой; VIII – Слой, защищающий от потери тепла; 1 – жесткое ионизирующее излучение, генерирующее сво-

бодные электроны ионосферы; 2 – менее жесткое излучение, поддерживающее молекуляр-

ные реакции, генерирующие ионы-радикалы; 3 – мягкое излучение, диссоциирующее молекулы и под-

держивающее ионно-молекулярные реакции; 4 – оптическое окно атмосферы – область пропускания све-

товых волн длиной 3200 – 7000,0 нм.; 5 – тепловое окно атмосферы – область ухода в мировое

пространство части теплового излучения Земли; 6 – диссипация водорода, образующегося за счет разложе-

ния паров водорода коротковолновой радиацией; 7 – внешний радиационный пояс; 8 – внутренний радиационный пояс; 9 – слой динамического уплотнения метеоритной пыли и

присутствия ионов Mg, Ca, Si и испарения воды, вносимой с ме-теоритным веществом.


Рис.

5.2

. Магнитопауза

(из работ

ы Н

П. Н

еклю

ковой,

197

5)

122


123

- 6-й защитный уровень – мезопауза (100 – 85 км) – поглоща-ет ионизирующее излучение благодаря разложению молекуляр-ного кислорода и водорода на атомарный.

- 7-й защитный уровень – озоновый экран (50-10 км) погло-щает мягкое ультрафиолетовое излучение.

- 8-й защитный уровень располагается у верхней границы тропосферы на высотах 8-9 км, где пары воды и углекислый газ задерживают длинноволновое тепловое излучение, идущее от поверхности Земли. Этот защитный уровень не дает переохлаж-даться биосфере.

* * *

Итак, сложный фильтр, состоящий из 8 защитных уровней, пропускает в биосферу из всего спектра солнечного и космиче-ского излучения только ту видимую часть спектра, которая важ-на для фотосинтеза растений и поддерживает температуру в био-сфере в строго определенных рамках. Этим, несмотря на открытый характер системы биосферы, создается ее определен-ная изолированность от непосредственного влияния Космоса. Собственно этим и были созданы условия для появления и раз-вития живого вещества. Оно, в свою очередь, создало механизм замедления энтропии. В результате, в биосфере стали удлиняться циклы трансформации энергии, происходить локальная концен-трация солнечной и эндогенной энергии, что позволило созда-вать запасы ее впрок на десятки и сотни миллионов лет. В про-цессе эволюции живого вещества появился своеобразный “усилитель мощности”, в качестве которого выступает человече-ский труд. Именно с появлением человека в биосфере начал по-стоянно увеличиваться бюджет превратимой энергии.

Так постепенно формировались основные свойства био-сферы как системы – ее открытость, полуизолированность, наличие механизма уменьшения энтропии и своеобразного “усилителя мощности”, благодаря которому происходит уве-личение бюджета превратимой энергии.


124

Динамичность, неравновесность и нелинейность

В.И. Вернадский специально подчеркнул, что биосфере как системе свойственны динамичность, неравновесность и нели-нейность. Он предложил для характеристики этих свойств такое понятие, как организованность, под которым он понимал сле-дующее. “Организованность не есть механизм. Организован-ность резко отличается от механизма тем, что она находится не-прерывно в становлении, в движении всех ее самых мельчайших материальных и энергетических частиц. В ходе времени – в обобщениях механики и упрощенной модели – мы можем выра-зить организованность так, что никогда ни одна из ее точек (ма-териальная и энергетическая) не возвращается закономерно, не попадает в то же место. В ту же точку биосферы, в какой когда-нибудь была раньше. Она может в нее вернуться лишь в порядке математической случайности, очень малой вероятности. ... Ор-ганизованность биосферы – живого вещества – должна рассмат-риваться как равновесия подвижные, все время колеблющиеся в историческом геологическом времени около точно выражаемого среднего. Смещения или колебания этого среднего непрерывно проявляются не в историческом, а в геологическом времени. В течение геологического времени в круговых процессах, которые характерны для биогеохимической организованности, никогда какая-нибудь точка (например, атом или химический элемент) не возвращается в эоны веков тождественно к прежнему поло-жению” (Вернадский, 1977, с. 15).

В первой трети ХХ века в научный обиход еще не вошли такие понятия, как неравновесные нелинейные системы. Не бы-ла еще создана и наука синергетика, изучающая такие системы. Поэтому для описания свойств, присущих им, В.И. Вернадский предложил термин "организованность".

Как можно в художественном образе представить системы, которым присуща организованность. Можно предложить сле-дующий образ. Вы летите на самолете, которым управляет авто-


125

пилот. Если вы понаблюдаете за курсом корабля, то заметите, что нос корабля все время чуть-чуть отклоняется от курса то вверх, то вниз. И каждый раз автопилот возвращает нос самоле-та к тому курсу, что был задан автопилоту. Роль “автопилота” в поддержании организованности, которая присуща биосфере, выполняет живое вещество.


Семинар 5.1. Вопросы для обсуждения

1. Расскажите о характере трансформаций лучистой энергии в биосфере. Какую роль в этих трансформациях играет атмо-сфера, живое вещество, человек?

2. В чем заключается механизм уменьшения энтропии в биосфере?

3. Расскажите, как вы понимаете механизм зонной плавки, в результате которого происходит преобразование космического вещества в косное в недрах нашей планеты.

4. В чем, с Вашей точки зрения, разница между глубинной дифференциацией вещества в недрах Земли и экзогенной диф-ференциации вещества, происходящей в биосфере.

5. Нарисуйте 8 защитных уровней в виде таблицы

№№ пп

Природа уровня Расстояние от земли

Роль в защите биосферы

6. Каким образом магнитное поле Земли определяет полу-

замкнутость биосферы и формирует ее защитные уровни?

Литература Вернадский В.И., 1960; 1988 а; 1988 б; Лапо А.П., 1979; Бе-

лов Н.В., Лебедев В.И., 1964, Виноградов А.П., 1967; Марга-леф Р., 1992 Колчинский Э.И., 1990.

6.Общие особенности биосферы

126


6. Общие особенности биосферы, возникшие под внешним влиянием

“Представление о биосфере, как земном и космическом механизме”


становлено, что биосфера постоянно и непрерывно находится под влиянием самых разных внешних фак-торов, которые предопределяют траектории развития

любых биосферных процессов. Эти внешние влияния можно рассматривать как аттракторы. Среди них различают:

У - влияния, обусловленные особенностями Земли как плане-

ты, - влияния, обусловленные небесной механикой, - влияния, связанные с процессами, происходящими на

Солнце.

Влияния, обусловленные особенностями Земли как планеты

Биосфера как одна из оболочек нашей планеты в первую очередь находится под влиянием формы и размеров нашей пла-неты.

Влияние формы Земли. По своей форме наша планета в первом приближении представляет собой непрозрачный шар, который не может быть сразу весь освещен одним источником света, нашим Солнцем. Поэтому неизбежно поверхность шара

127


128

делится на освещенную часть и лишенную света. День и ночь – результат шарообразности Земли. Наличие дня и ночи самым прямым образом отражается на всех процессах в биосфере, свя-занных с приходом и расходом солнечной энергии (физиологи-ческие функции растений, изменение атмосферного давления, движение воздуха, испарение воды, сгущение водяного пара, его перенос и т. д.)

Лучи Солнца идут к Земле параллельно. Если бы они па-дали на плоскую поверхность, то угол падения везде был бы один и тот же. Но поскольку они падают на шарообразную по-верхность, то они в один и тот же момент встречаются с этой поверхностью под разными углами. У полюсов этот угол будет наименьший (около нуля, а у экватора – наибольший, почти 90°). Поэтому нагревание поверхности Земли совершается с разной интенсивностью (у экватора оно наибольшее, а у полю-сов – наименьшее). Отсюда неравномерность распределения те-пла в биосфере. Форма Земли – самый мощный климатообра-зующий фактор.

Размеры Земли. Фактическая поверхность Земли из-за не-ровностей рельефа больше, чем высчитанная ее математическая поверхность (больше 510 млн. км2). Конечные формы Земли не допускают беспредельного расширения ареала жизни в биосфе-ре. Поэтому мы наблюдаем многоярусность в распределении живого вещества в биосфере (сгущения его на поверхности океана и у его дна, на поверхности суши, внутри почвы и т.д.). Эта многоярусность свидетельствует, что размеры нашей плане-ты уже оказали тормозящее воздействие на распределение жи-вого вещества в биосфере.

Гравитационное поле Земли – это особый феномен, отра-жающий планетные свойства Земли. Особенность этого фено-мена состоит в том, что мы не можем его зримо воспринять так же как, например, рельеф, растительность, горные породы. В этом сложность его изучения, поскольку изменчивость этого поля мы можем устанавливать только по показаниям приборов. Влияние этого феномена на биосферу и живое вещество огром-но.


129

Размеры планеты и плотность вещества определяют вели-чину массы Земли – 598×1025г. Эта масса и определяет напря-женность гравитационного поля Земли. Сила тяжести не остает-ся постоянной: она изменяется от полюса к экватору с 978 галл до 983 галл. Именно этим гравитационным полем была создана шарообразная фигура Земли. И сейчас под непрерывным его воздействием оказываются все процессы, совершающиеся в биосфере. Это имеет колоссальное значение для биосферы. Са-мое главное, – благодаря гравитационному полю вокруг Земли не только удерживается газовая оболочка, но и формируется ее газовый состав. Легкие элементы – водород и гелий – постоянно улетучиваются из атмосферы в космическое пространство. По-этому в земной атмосфере их доля около 5×10 –4%, тогда как в веществе вселенной на их долю приходится 93%.

Далее, благодаря наличию атмосферы на земле существует гидросфера, поскольку именно давление атмосферы у земной поверхности обеспечивает возможность нахождения воды в жидкой фазе. Наличие гидросферы в свою очередь обусловли-вает взаимодействие в биосфере двух мощных рельефообра-зующих факторов – эндогенного и экзогенного. Экзогенный фактор – это геологическая деятельность текучих вод и ветра. С наличием гравитационного поля связано явление изостазии, ко-торое в известной мере гасит глубинные вертикальные движе-ния в литосфере и тем самым смягчает их воздействие на био-сферу.

Если за единицу пространства взять величину ядра атомов (α=10-13см), как это предложил сделать В.И. Вернадский, то размеры объектов нашего мира будут изменяться в пределах от 101α до 1039α. Мир атомов и молекул простирается от 105α до 106α, мир бактериофагов – от 107α до 108α, находясь в поле дей-ствия молекулярных сил. Лишь с размера объектов 109α начи-нают действовать силы гравитации. Именно гравитационное по-ле накладывает ограничения на размеры живых организмов, находящихся под его воздействием. Если размеры какого-нибудь живого организма увеличить в 10 раз, то его поверх-ность увеличится в 100 раз, а масса в 1000 раз. При этом надо отметить, что воздействие гравитационного поля зависит от


130

среды: в воздушной среде оно больше, чем в водной. Поэтому размеры водных организмов могут быть больше наземных, что и наблюдается в действительности.

Все млекопитающие в период внутриутробного развития находятся в “гипогравитационных условиях”, близких к состоя-нию невесомости, а при рождении сразу попадают в гравитаци-онное поле Земли.

Шаровая форма гравитационного поля Земли определяет две формы симметрии пространства биосферы – коническую и билатеральную. Если тело в биосфере растет вверх (или вниз), то оно приобретает коническую форму. Например, горные вер-шины, вулканические конуса, карстовые воронки, деревья и т. д. Если тело растет в горизонтальном направлении, то сила тяже-сти делает его листообразным. К примеру, дельты рек, аллюви-альные равнины, поверхности выравнивания, листья, пласты горных пород и т. д.

Напряженность гравитационного поля, в конечном счете, определяет верхний предел гор: они не могут быть выше 9 км.

Влияния, возникающие в связи с небесной механикой

Земля как планета совершает одновременно множество движений в соответствии с законами небесной механики. Для биосферы и процессов, протекающих в ней, наибольшее значе-ние имеют следующие движения:

- вращение Земли вокруг своей оси, - обращение Земли вокруг Солнца, - изменение взаимного расположения Земли, Луны и Солн-

ца, - вращение Солнечной системы вокруг центра инерции Га-

лактики. Поскольку все эти движения совершаются периодически, то

именно с ними связана периодичность многих биосферных про-цессов.


131

Вращение Земли вокруг своей оси

Суточное вращение Земли происходит вокруг оси, которая в силу гироскопического эффекта стремится сохранить постоян-ное положение в пространстве. Вращение Земли происходит против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса. От-резок времени между двумя последовательными прохождения-ми плоскости меридиана данной точки через центр Солнца на-зывается солнечными сутками. Ось вращения наклонена к плоскости экватора под углом 23°30′. Скорость вращения по-степенно замедляется, что сказывается на продолжительности суток. Вековое увеличение суток составляет всего 0,0016 с/век. Для жизни человека это ничтожное значение, которым можно пренебречь. Если же рассматривать историю биосферы, которая насчитывает несколько миллиардов лет, то это замедление уже нельзя не учитывать (около полусуток за 3 млрд. лет).

Вращение Земли приводит к смене дня и ночи, что обуслов-ливает самую короткую ритмику биосферных процессов, свя-занную с суточным ритмом солнечной радиации. Суточное вращение Земли создает особый ритм в жизни и процессах био-сферы. Днем в почве поток тепла направлен от поверхности вглубь, ночью – из глубины к поверхности. Температура возду-ха обладает ясно выраженным ходом, с максимумом в середине дня и минимумом незадолго до восхода солнца; когда смены дня и ночи нет, нет и суточного хода температуры. Зимой (т. е. ночью) в полярных странах температура за сутки почти совсем не испытывает колебаний. Сменой дня и ночи объясняется ход абсолютной влажности (наибольшее значение – в самое теплое время дня), а также суточный ход относительной влажности (противоположный предыдущему). Особое значение для жизни организмов имеет, как уже отмечалось, быстрота этой смены; достаточно вспомнить, что растения могут создавать органиче-ское вещество путем фотосинтеза только в светлое время суток (Калесник, 1947, с.21).


132

Вращение Земли вызывает появление в биосфере так назы-ваемой силы Кориолиса (поворотной силы). Эта сила Кориолиса действует только на движущиеся тела. Она зависит от их массы и скорости, а также от географической широты, на которой рас-положено движущееся тело. Сила Кориолиса вызывает отклоне-ние движущегося тела в северном полушарии вправо, а в юж-ном – влево. Это имеет значение для движения водных и воздушных масс, создавая систему постоянных круговых тече-ний в гидросфере и атмосфере. Кроме того, вращение Земли вы-зывает вихри в атмосфере – циклоны и антициклоны, которые тоже участвуют в переносе тепла и влаги в биосфере. В цикло-нах в северном полушарии вихревое движение происходит про-тив часовой стрелки, а в антициклонах по часовой стрелке, если смотреть с северного полюса.

Обращение Земли вокруг Солнца

Земля вокруг Солнца движется по эллиптической орбите, мало отличающейся от круга. Эксцентриситет земной орбиты е = 0,017. Солнце расположено в одном из фокусов эллиптиче-ской орбиты Земли, вследствие чего расстояние между Землей и Солнцем в течение года меняется от 147,117 млн. км (в периге-лии) до 152,083 млн. км (в афелии). Под действием притяжения других планет положение плоскости земной орбиты, а также ее форма медленно изменяются: наклон эклиптики – от 0 до 2,9°, а эксцентриситет – от 0 до 0,067. Земная ось наклонена по отно-шению к плоскости орбиты. Она образует с ней угол, равный 66°33′.

Движение Земли вокруг Солнца обусловливает чередо-вание времен года.

Период обращения Земли вокруг Солнца называется годом. Средние солнечные сутки не укладываются целое число раз в год. Год составляет 365,2422 суток. Угол наклона земной оси к плоскости орбиты не остается постоянным: он меняется с пе-риодом около 40 000 лет. От угла наклона оси зависит контраст-ность времен года. Чем меньше этот угол, тем больше контраст-


133

ность сезонов года, а с увеличением этого угла уменьшается и выраженность сезонов года.

Возникновение приливов и отливов

Изменение взаимного расположения Земли, Луны и Солнца приводят к образованию в земных оболочках (литосфере и гид-росфере) приливных деформаций – выпуклостей. Так как вза-имное расположение Земли, Луны и Солнца все время меняется, то изменяется и величина солнечных и лунных приливов. Они могут складываться или вычитаться. Высота приливных волн в гидросфере может достигать первых десятков метров, а в лито-сфере 0,4 м. Вертикальные движения в литосфере, вызванные приливной волной, приводят к выделению тепловой энергии, обусловленной внутренним трением вязкого вещества Земли. Приливные явления за длительные промежутки времени (десят-ки миллионов лет) могут приводить к заметным последствиям: удлинению суток, уменьшению силы Кориолиса и т. д.

Вращение Солнечной системы вокруг центра инерции Галактики

Солнечная система находится на периферии нашей галакти-ки и медленно вращается вокруг ее центра инерции. Это движе-ние Солнечной системы приводит к периодическим изменениям в биосфере, продолжительность которых составляет 200 – 250 млн. лет. За это время Солнечная система совершает полный оборот вокруг центра инерции Галактики и осуществляется большой ядерный цикл Солнца (Синицын, 1967).

“В периодических изменениях этого порядка участвуют все экзогенные и эндогенные процессы, что делает их развитие син-хронным, однонаправленным и соразмерным. Следствием их являются существенное обновление всех геологических процес-сов, а также изменение характера и интенсивности круговорота вещества между внешними оболочками Земли, изменение отно-сительной роли основных источников энергии геологических и


134

климатических процессов и пр. С этим порядком периодичности связана смена изотермического и в общем влажного (оранже-рейного) климата раннего и среднего палеозоя термически дифференцированным, существенно континентальным климатом позднего палеозоя, мезозоя и кайнозоя.

Следующий порядок периодических изменений продолжи-тельностью 40-60 млн. лет, представляющий своего рода сезоны галактического года, связан с перемещением Солнечной систе-мы в те области Галактики, которые обладают несколько иными условиями космической среды. И в этом случае меняющаяся космическая среда, воздействуя одновременно на все верхние оболочки планеты (земную кору, гидросферу и атмосферу), по-видимому, определяла однонаправленность и соразмерность всех экзогенных и эндогенных процессов, в результате чего ме-жду ними устанавливаются на первый взгляд удивительные па-рагенетические зависимости. Этот порядок периодичности вы-ражен чередованием аридных климатов, совпадающих с геократическими фазами развития структуры и рельефа Земли (нижний кембрий, верхний ордовик, лудовский век силура и первая половина девона, верхняя пермь – нижний и средний триас, верхняя юра – неоком), и гумидных климатов, синхрон-ных с талассократическими фазами (нижний силур, нижний карбон, нижняя и средняя юра, альбский и сеноманский века мела).

Периодические изменения климата 2-го порядка находят свое отражение в смене преимущественного аридного литогене-за гумидным и, наоборот, в кризисах и расцветах флоры, в вы-мирании ранее господствовавших групп морской и континен-тальной фаун, в коренном переустройстве всей природной зональности” (Синицын, 1967, с. 192).

Таким образом, именно указанные выше движения Земли и разнообразные влияния Космоса на эти движения порождают разнопорядковую ритмику биосферных процессов (длительно-стью от одних суток до 200 – 250 млн. лет).


135

Влияния процессов происходящих на Солнце

Система электрических токов в ионосфере Солнца и в ок-ружающем Землю космическом пространстве наводит перемен-ную составляющую магнитного поля Земли. Среди вариаций этого переменного магнитного поля различают:

- Солнечно-суточные вариации с периодом 27 дней. Макси-мума эти вариации достигают в период летнего солнцестояния, минимума – в период зимнего солнцестояния. При солнечной активности могут возрастать на 100%.

- Лунно-суточные вариации. Их интенсивности меньше солнечно-суточных (не более 10 – 15%). У них в сутках два мак-симума и два минимума и интенсивность зависит от расстояния от Луны до Земли.

- Магнитные бури на Солнце связаны с изменением количе-ства пятен на Солнце, так называемых чисел Вольфа. Колебания солнечной активности имеют период 2000 – 1800 лет, 600 –400 лет, 90 – 60 лет, 22 – 11 лет.

* * * Итак, переменное магнитное поле Земли создает периодич-

ность процессов в биосфере. Оно, как всепроникающее и всеох-ватывающее, неизбежно должно влиять на все процессы, проис-ходящие на Земле и в биосфере. Это влияние колебаний переменного магнитного поля Земли на живое вещество было установлено благодаря работам А.Л. Чижевского. Одна из его работ весьма символично названа “Земное эхо солнечных бурь” (Чижевский, 1976). Такое влияние на живое вещество про-слеживается в сопряженности изменений переменного магнит-ного поля Земли и ряда биологических явлений (например, ко-лебаний численности животных, насекомых; повторяемости и распространенности эпидемий и эпизоотий; массовых внесезон-ных миграций животных и насекомых). Изменения геомагнит-


136

ного поля приводят к нарушениям ритмики внутренних процес-сов у человека. Некоторые исследователи связывают явления акселерации с изменениями геомагнитного поля (корреляция между тысячелетними его вариациями с размерами скелета у человека). С повышением геомагнитного поля возрастает число случаев заболеваний оспой, дифтеритом, коклюшем, полиомие-литом, сердечно-сосудистыми заболеваниями.

О пространстве-времени биосферы

Наиболее общие представления о структуре биосферы пере-дают наши взгляды о характере ее пространства-времени. Этому вопросу В.И. Вернадский уделял очень большое внимание. По существу пространственно-временные свойства биосферы тоже следует рассматривать как своеобразные аттракторы (приори-тетные пути развития). Возникновение их, скорее всего, связано с влиянием многих факторов, обусловленных наиболее общими особенностями строения нашей Вселенной.

Такое пристальное внимание этому вопросу и то, что к про-блеме пространства и времени он возвращался неоднократно, вполне объяснимо. В первой половине ХХ века, когда создава-лось учение о биосфере, в науке происходила смена физических картин мира. Прежняя была создана гением И. Ньютона. Он ис-ходил из обратимости физико-химических процессов, что пол-ностью соответствовало тогдашнему уровню развития науки. И. Ньютон развивал идеи об абсолютном времени, началом ко-торого был момент божественного сотворения мира, и об абсо-лютном изотропном (однородном) трехмерном пространстве. Его геометрическим образом служила евклидова геометрия.

В начале ХХ века на смену физической картины мира И. Ньютона пришла новая, которая основывалась на последних достижениях физики и математики. Новая физическая картина мира учитывала то, что в природе, помимо энтропии, есть и дру-гие необратимые процессы. Кроме того, в течение ХIХ века ма-тематики показали, что эвклидова геометрия – это всего лишь частный случай геометрического отражения мира. Появились


137

геометрия Лобачевского, затем геометрия Римана. Ядром новой физической картины мира стали взгляды о четырехмерном ани-зотропном (неоднородном) пространстве-времени. В качестве четвертой координаты, в дополнение к трем пространственным, ввели время. Одновременно утверждались взгляды об относи-тельности времени, которое не имеет границ.

На первый взгляд нам трудно себе представить четырех-мерное пространство. На самом же деле в нашей повседневной жизни мы постоянно пользуемся им. К примеру, когда мы на-значаем свидание, то всегда оговариваем место и время встре-чи, т.е. указываем четыре координаты (три пространственных и одну временную).

В своих работах о пространстве и времени В.И. Вернадский показал, что огромный накопленный эмпирический материал однозначно свидетельствует о том, что пространственно-временная структура биосферы полностью соответствует новой физической картине мира. Биосфере присуще четырехмерное, анизотропное (неоднородное) пространство-время, в котором время имеет необратимый характер. Для того, чтобы понять, в чем проявляется анизотропность пространства-времени биосфе-ры, необходимо рассмотреть некоторые результаты исследова-ний явлений симметрии и изучения феномена времени.


138

Явления симметрии

При знакомстве с окружающим миром, прежде всего, бро-сается в глаза цвет и внешняя форма как естественных, так и ис-кусственных тел. С самого раннего детства мы хорошо знаем очертания знакомых нам деревьев, животных, гор, камней. Мы усвоили, что каждому из этих тел присуща своя особая форма. Поэтому при изучении окружающего мира в первую очередь обращают внимание на форму тел. К изучению содержания, ко-торое заключено в эту форму, обычно приступают несколько позднее. По форме мы не только распознаем тела, но и класси-фицируем их.

В науке существует целый ряд дисциплин, которые изучают форму тех или иных групп тел. Это морфология растений, мор-фология беспозвоночных, морфология позвоночных, кристал-ломорфология, геоморфология и т.д. Таким образом, мы можем сделать первый вывод: в познании мира исследование формы имеет первостепенное значение.

Поэтому не удивительно, что еще в древней Греции зароди-лась такая наука, как геометрия, которая изучает с точки зрения математики форму плоских и объемных тел. Эта наука родилась из потребностей практической деятельности – вычисления пло-щади земельных участков, которые часто имели весьма причуд-ливые очертания. Истинный геометр пользуется в своей работе только линейкой (без делений) и циркулем. Его интересуют в первую очередь не размеры тел, а их форма и пространственные соотношения отдельных частей, иными словами, геометриче-ские свойства формы тел.

Изучая формы разных тел и в быту, и в науке, люди замети-ли, что в форме многих тел есть определенная соразмерность. Эта соразмерность выражается в закономерном повторении от-дельных элементов их фигуры. В этой соразмерности они виде-ли особую красоту. Для примера возьмем всем знакомый цветок ромашки, в котором много раз повторяется лепесток определен-ной формы, создавая характерный облик. Или же возьмем мор-


139

скую звезду. В ней пять раз повторяется луч, что тоже создает ее характерный облик. Или кристалл, на котором видна законо-мерная повторяемость его граней, ребер и вершин. Вот эту со-размерность в форме тел древние греки и назвали симметрией.

Наука о симметрии прошла длинный путь развития. Посте-пенно выявлялись геометрические законы симметрии, которым подчиняются все естественные тела при своем формировании. Ведущая роль в развитии науки о симметрии принадлежит кри-сталлографии и нашему соотечественнику знаменитому кри-сталлографу Е.С. Федорову (1853 – 1919). То, что именно кри-сталлографии принадлежит ведущая роль, вполне закономерно: такой уж у нее замечательный объект исследования – кристал-лы. Они, по образному выражению Е.С. Федорова, прямо – таки “брызжут своей симметрией”.

Вывод второй – при своем образовании естественные тела приобретают строго определенную форму в соответ-ствии с геометрическими законами симметрии.

Законы симметрии и особенности их проявления в тех или иных частях пространства определяют геометрию этого про-странства, являющуюся наиболее общей его характеристикой. В связи с выяснением особенностей пространства- времени био-сферы нас и интересует симметрия.

Однако, несмотря на всеобщность законов симметрии, по которым устроен окружающий нас мир, учение о симметрии по-ка, к сожалению, не вошло в учебные планы подавляющего большинства естественных специальностей. Исключение со-ставляют учебные планы, по которым готовят будущих геоло-гов, которые должны знать минералы, слагающие горные поро-ды. Большинство минералов имеет форму кристаллов, которая является важным признаком при их диагностике. Поэтому у геологов есть такой курс – кристаллография, а в нем очень под-робно излагается учение о симметрии. Вам с явлениями сим-метрии и с проявлением ее законов придется сталкиваться в жизни и по работе не один раз. Но, к сожалению, мы не можем достаточно подробно остановиться на симметрии и присущих ей законах. Мы приведем только самые общие сведения о ней. Тем же, кто заинтересуется этой интереснейшей областью зна-


140

ний, рекомендуем книгу И.И. Шафрановского “Симметрия в природе” и Ю.А. Урманцева “Симметрия природы и природа симметрии”. Эти книги, особенно первая, написаны легко, чи-таются с интересом, а главное изложение в них доступно для широких кругов читателей.

Теперь познакомимся с основными понятиями, которые ис-пользуются в учении о симметрии. Вначале поясним, что пони-мают под термином симметричная фигура. И.И. Шафрановский (1985, с. 19) дает такое определение: “фигура называется сим-метричной, если она состоит из равных, закономерно повто-ряющихся частей”. В этом определении есть два слова, которые требуют пояснения. Первый из них касается равенства фигур. “Две фигуры называются взаимно равными, если для каждой точки одной фигуры обязательно найдется соответственная точ-ка другой фигуры, причем расстояние между любыми двумя точками одной фигуры равно расстоянию между двумя соответ-ствующими точками другой” (Там же, с. 19).

Из геометрии мы знаем, что при наложении двух равных фигур они совпадают всеми своими точками. Пример – две ле-вые или две правые перчатки. Но существует и другой род рав-ных фигур, которые относятся друг к другу как предмет и его зеркальное отражение. Пример – левая и правая перчатки. Зна-чит, в природе существуют равные и зеркально равные фигуры. Но на этом количество типов равных фигур не исчерпывается. В учении о симметрии есть такой раздел – симметрия подобия. В нем равными фигурами считаются не только все действительно равные, и зеркально равные, но и все подобные им, т.е. все фи-гуры одной и той же формы. Наглядный пример симметрии по-добия – это известная всем с детства игрушка – матрешка. Такая симметрия подобия проявляется в природе у всех тел, которые растут. Особенно это свойственно живым организмам, а также кристаллам. Есть и такое понятие, как антисимметрия. В нем различают еще антиравные фигуры. Примером их могут быть какая-нибудь медаль и слепок с нее, или же позитивное и нега-тивное фотоизображения любого предмета, капелька воды в воз-духе и пузырек воздуха в воде. Вывод третий – в учении о симметрии есть много типов равенства фигур


141

Второй термин, требующий пояснений, – это закономерное повторение. Для начала рассмотрим плоскость, которая делит (рассекает или разрезает) фигуру на две зеркально равные части. Эту плоскость называют плоскостью симметрии и обозначают буквой Р. Плоскость симметрии – это основной элемент сим-метрии.

Второй основной элемент симметрии – ось симметрии, обо-значаемая буквой L. Осью симметрии называется прямая линия, вокруг которой несколько раз повторяются равные части сим-метричной фигуры. При повороте на определенный угол вокруг оси симметрии фигура занимает в пространстве то же положе-ние, которое оно занимало до поворота, но на месте одних ее частей оказались другие равные им части.

Число самосовмещений, которые возникают при повороте фигуры на 360° вокруг оси симметрии, называется порядком оси. У морской звезды ось симметрии 5-го порядка. Также сим-метрично устроен цветок у ромашки. Порядок осей может быть от 1 до ∞. У равностороннего треугольник через его центр про-ходит ось 3-го порядка, квадрата – 4-го порядка, через центр круга проходит L∞.

Следующий элемент симметрии – это особая точка, назы-ваемая центром симметрии, который обозначается буквой С. “Центр симметрии – особая точка внутри фигуры, для которой характерно то, что любая проведенная через эту точку прямая по обе стороны от нее и на равных расстояниях встречает оди-наковые (соответственные) точки фигуры. Наглядным приме-ром центра симметрии будет центр круга, шара. Есть центр симметрии в параллелограмме, в параллелепипеде, а вот у пи-рамиды такого центра симметрии нет.

Мы с вами рассматривали оси симметрии в виде прямых линий, а плоскости симметрии – в виде плоских поверхностей. Но, оказывается, это всего лишь частный случай для симметрии как природного феномена. В 1925 г. геолог и палеонтолог ака-демик Д.В. Наливкин (1889 – 1982 гг.) ввел понятие криволи-нейной симметрии (ее еще называют гомологией). Эта криволи-нейная симметрия возникает тогда, когда мы берем не плоское зеркало, а криволинейное, а ось симметрии не прямая линия, а


142

кривая. Такие криволинейные зеркала обычно демонстрируют в комнатах смеха. Д.В. Наливкин специально подчеркнул, что “кристаллы обладают прямолинейной симметрией, а организмы – криволинейной симметрией”. В обыденной жизни мы часто полагаем, что искривленные фигуры не обладают симметрией. Но на самом деле им присуща не прямолинейная, а криволиней-ная симметрия. И оси симметрии могут быть не прямыми ли-ниями, а, например, винтовыми, такими, какие свойственны де-ревьям. Ветви у дерева располагаются по винтовой линии симметрии, и являются равноподобными, поскольку вверх по дереву ветви становятся меньше, но сохраняют свою форму. У них проявляется симметрия подобия.

Изучение симметрии какого-нибудь тела заключается в вы-явлении у него элементов симметрии, которые являются важ-ным диагностическим признаком, особенно в мире минералов. Поэтому исследования симметрии долго не выходили за рамки кристаллографии и минералогии, до тех пор, пока в конце ХIХ века не было сделано два фундаментальных открытия.

Первое принадлежит Л. Пастеру. До него было известно, что в молекулах атомы располагаются по винтовой спирали, ко-торая может быть как правой, так и левой. В мире кристаллов есть и правые, и левые формы, причем они встречаются в соот-ношении 50:50. Л. Пастер в 80-е годы Х1Х столетия установил, что в отличие от кристаллов, среди которых есть и правые и ле-вые формы, белковые тела построены с преобладанием правых явлений. Именно это отличие помогло провести В.И. Вернадскому грань между живой и неживой материей, ме-жду косными телами и живыми организмами.

Второе открытие сделал в 1894 г. Пьер Кюри (1859 – 1906 гг.). В статье “О симметрии физических явлений; симмет-рия электрического и магнитного полей” он сформулировал свои наиболее глубокие идеи об универсальной роли симмет-рии.

Вот как писал В.И. Вернадский об этом открытии. “Больше 40 лет назад Пьер Кюри в незаконченных работах, прерванных его смертью и открытием радия, впервые указал, что принцип симметрии является основным для всех физических явлений. Он


143

так же необходим для их понимания, как протяжение. Другими словами, что он является таким же по своему значению для фи-зического пространства, каким является измерение для про-странства геометрического. Симметрия определяет физическое состояние пространства. ... Новым в науке явилось не выявление принципа симметрии, а выявление его всеобщности” (Вернад-ский, 1975, с. 23 – 24).

В этой работе П. Кюри сформулировал свой замечательный 2-й принцип симметрии, который впоследствии стал носить его имя. Сущность этого 2-го принципа симметрии П. Кюри состоит в следующем. “Симметрия порождающей среды как бы накла-дывается на симметрию тела, образующегося в этой среде. По-лучившаяся в результате форма тела сохраняет только те эле-менты своей собственной симметрии, которые совпадают с наложенными на него элементами симметрии среды” (Шафра-новский, 1985, с. 50).

Почему так получается? Скорее всего, это можно объяснить следующим образом. От окружающей среды к формирующему-ся телу идут потоки энергии, равно как и от тела к окружающей его среде. Но потоки от среды к телу значительно превышают те, что идут от тела к среде. Поэтому среда как бы диктует свои “правила игры”.

После работ П. Кюри в руках у исследователей появился мощный инструмент для исследования особенностей простран-ства, поскольку эти особенности запечатлены в симметрии фи-гур, формирующихся в этом пространстве. Одним из первых, кто по достоинству оценил этот инструмент, был В.И. Вернад-ский.

Современные взгляды на пространственно-временную структуру окружающего нас мира, с учетом явлений симметрии, наиболее полно изложены в работе И.И. Шафрановского (1985).

Важнейшая особенность вселенной состоит в том, что она неоднородна (анизотропна) в малых масштабах и однородна (изотропна) в масштабах сверхграндиозных Ее можно предста-вить в виде бесконечно протяженной сферы, которая имеет формулу симметрии ∞L∞∞PC. Центр этой бесконечно протя-


144

женной сферы находится повсеместно в любой точке, в которой расположен наблюдатель.

Эта важнейшая особенность вселенной (быть анизотропной в малых масштабах и изотропной в сверхграндиозных масшта-бах) сохраняется и для Земного шара. Вопрос заключается в другом, что считать для нашей планеты масштабом малым и что сверхграндиозным?

На симметрию земного шара накладывает свой отпечаток симметрия вселенной и те силы, что действуют на нашей плане-те (в первую очередь сила тяготения и сила, возникающая при вращении Земли вокруг своей оси, а также силы, возникающие при других движениях планеты). В результате получается фигу-ра, имеющая формулу симметрии L∞РC. Этому виду симметрии подчиняется форма геоида, климатическая, почвенная зональ-ность, а также распределение типов литогенеза.

Как только мы переходим к анализу рельефа земной по-верхности в виде распределения суши и моря, мы вынуждены от симметрии переходить к антисимметрии и формула антисим-метрии будет выглядеть следующим образом – L∞

РС. Для распределения материков и океанов на земной поверх-

ности характерно следующее. “1. В Северном полушарии преобладают материки, в Юж-

ном – океаны. 2. Формы основных материков и океанов отвечают тре-

угольникам. Треугольники материков основаниями обращены к северу, а суживающимися концами к югу, тогда как океаниче-ские треугольники обращены широкой стороной к югу и сужи-ваются к северу.

3. Прямая линия, проходящая через центр Земли и повстре-чавшая по одну сторону от центра сушу, в подавляющем боль-шинстве случаев по другую сторону от центра встретит воду. Если катить глобус по столу, то когда на вершине катящегося глобуса находится суша, прикасающаяся к столу точка почти всегда оказывается “под водой”. Каждый материк противолежит какому-нибудь океану” (Шафрановский, 1985, с. 152 – 153).

В чем причина такой антисимметрии в распределении кон-тинентов и океанов, наука пока не знает. Не исключено, что это


145

связано с первичной пространственной неоднородностью про-топланетного вещества, слагающего мантию Земли.

Когда мы от естественных тел глобальной размерности пе-реходим к слагающим их телам, то увидим, что на их форму решающее влияние оказывает сила тяжести. Под ее влиянием у неподвижных тел внешняя форма приобретает форму конуса с такими элементами симметрии – L∞ ∞P. Такая симметрия при-суща и цветку ромашки, и вулканическому конусу. Движущиеся тела приобретают форму с билатеральней симметрией, которой свойственна лишь одна плоскость симметрии.

Когда мы переходим в мир кристаллов, то видим, что их формы подчиняются законам евклидовой геометрии. Иное мы увидим, когда обратимся к формам живых организмов. Про-странство живых организмов “не может быть евклидовым хотя бы потому, что в нем нет тождественности правизны и левизны, неизбежной для евклидового трехмерного пространства. ... Сле-дующие свойства пространства Римана позволяют думать, что оно будет отвечать одному или нескольким из состояний этого пространства. Во-первых, то, что пространств Римана может быть бесконечное множество. Во-вторых, то, что всякое про-странство Римана как бы замкнуто, но кажется неограниченным. В евклидовом пространстве трех измерений оно будет прояв-ляться в виде шара. В связи с этим в нем нет прямых линий и прямых плоскостей, а могут существовать только кривые линии и кривые плоскости. Как мы знаем, симметрия живого вещества, как раз таким образом выявляется геометрически – в косном евклидовом пространстве биосферы трех измерений. Дисперс-ность живого вещества и широкое распространение близких к шару и геометрически родственных ему форм – замкнутых кри-вых поверхностей – вполне отвечают этой гипотезе. ... Но мы можем углубить геометрическое представление этих свойствен-ных живому веществу римановских пространств. Для них долж-но быть характерно:

1. В формах, отвечающих этой геометрии тел, прямые ли-нии и плоскости уходят на второй план. На первый выступают кривые поверхности и кривые линии. Очевидно, в наиболее простых случаях в евклидовом пространстве трех измерений


146

удобно исходить из линий на поверхности шара и вместо плос-костей из отрезков его поверхности.

2. Векторы в этом пространстве должны быть полярны и энантиоморфны (так называются формы, относящиеся друг к другу как предмет и его зеркальное отражение. – Б.В.П., О.В.Б.).

3. Правизна и левизна должны быть резко выражены, их геометрическая и физико-химическая тождественность отсутст-вует. По-видимому, левизна преобладает во внутренней струк-туре живых тел.

4. Время в таком пространстве должно выражаться геомет-рически – наравне с физико-химическими процессами и поляр-ным вектором.

5. Отсюда вытекает ряд важнейших следствий, резко отли-чающих субстрат живого вещества, т.е. состояния его простран-ства, от состояния пространства косных тел. Выраженное по-лярным вектором время в его физико-химических и биологических процессах необратимо, не идет вспять. Отсюда следует, что в материальной среде энтропия не будет иметь мес-та.

6. Но вектор в этом пространстве должен быть не только полярным, поскольку он выражается в физико-химических и биологических свойствах, связанных с материальной средой. Он должен быть энантиоморфным, так как иначе невозможна пра-визна и левизна.

7. Энантиоморфность эта резко различна в явлениях “посо-лонных” (т. е. по солнцу) и “противусолонных” (т.е. против солнца), что связано с неравенством правизны и левизны” (Вер-надский, 1975, с. 63 – 64).

* * *

Итак, анизотропность биосферы В.И. Вернадский (1975,

с. 64) видит в первую очередь в том, что в ней в пространства евклидовой трехмерной геометрии косных естественных тел дисперсно включены бесчисленные мелкие римановские про-странства живого вещества. Связь между ними поддерживается только непрерывным биогенным током атомов.


147

Изучение времени

Влияния внешней среды, о которых говорилось выше, опре-деляют сложную ритмику биосферных процессов. В результате каждый элемент биосферы как бы живет в своем собственном времени. Это позволило В.И. Вернадскому (1975) говорить о множественности времен, что, на первый взгляд, создает труд-ности в исследовании этой четвертой координаты (времени). Эти трудности происходят из-за того, что отсутствуют объек-тивные критерии для выбора из этого множества времен той “привилегированной системы отсчета”, по которой можно было бы проводить сопоставление временных характеристик любых объектов. Однако эта трудность преодолевается, если в анализ включить, помимо объекта, и субъекта познания, т.е. человека с его практической деятельностью в качестве единого основания для сопоставления временных характеристик любых объектов. Это и сделал А. Эйнштейн в начале ХХ века: он ввел в физиче-скую картину мира “наблюдателя”. Появление в новой физиче-ской картине мира наблюдателя открыла возможность ввести понятие об эталонных процессах для измерения физического времени и установить правила сопоставления с ним временных характеристик объектов.

Эталонные процессы должны выбираться в соответствии с условиями деятельности субъекта познания. Они должны быть легкодоступными для него в любой части пространственно-временного поля его деятельности. К примеру. Для обыденной повседневной жизни людей в качестве эталонных процессов из-мерения времени выбраны астрономические процессы (чередо-вание дня и ночи и времен года). Временные характеристики эталонных процессов должны однозначно подразделяться на операционные единицы, соразмерные с временными характери-стиками объектов и процессов, включаемых в поле возможных действий. В нашей обыденной жизни такими операционными единицами измерения времени являются год, месяц, сутки, час, минута, секунда. Их нам вполне достаточно, чтобы сопостав-


148

лять временные характеристики тех объектов и процессов, с ко-торыми мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни. Но для быстро текущих процессов, длительность которых измеряется тысячными долями секунд, эти операционные единицы не под-ходят. Там нужны иные единицы измерения времени. То же са-мое получается, когда мы имеем дело с очень длительными процессами. К примеру, длительность геологических процессов измеряется десятками и даже сотнями миллионов лет. Именно поэтому геологам пришлось разработать специальную геохро-нологическую шкалу.

Необходимо несколько слов сказать о том, как измеряется геологическое время в пространстве-времени биосферы. Это измерение времени существенно отличается от астрономическо-го исчисления, на котором построена та система временных единиц (год, месяц, сутки, час, минута, секунда), которую мы используем в нашей повседневной жизни. Для исчисления гео-логического времени длительных биосферных процессов А.Е. Ферсман и В.И. Вернадский (Вернадский, 1974, с. 132) указали следующие планетные процессы.

1. Геологические процессы. 2. Геофизические процессы. 3. Геохимические процессы. 4. Радиоактивные процессы. 5. Магнитные процессы. 6. Культурно-исторические процессы. 7. Смена поколений организмов – самый основной и перво-

начальный метод измерения времени в человеческом обществе и в мире живых организмов.

8. Эволюционный процесс изменения видов организмов. На некоторых этих процессах построены хронологические

шкалы, широко использующиеся при изучении длительных био-сферных процессов. К наиболее известным и широко применяе-мым относятся следующие. Относительная геохронологическая шкала, в основе которой лежит смена видов в эволюционном процессе. Абсолютная геохронология, базирующаяся на радио-активных процессах. Магнитостратиграфия – учитывает изме-нения магнитного поля земли. Палеогеографический метод в


149

стратиграфии построен на изучении изменений физико-географических условий прошлого.

* * *

Итак, введение в современную научную картину мира чело-века (“наблюдателя” по А. Эйнштейну) позволяет благодаря его деятельности создать единые шкалы физического и геологиче-ского времени для сопоставления через них временных характе-ристик естественных тел биосферы.


150

Семинар 6.1. Внешние влияния на биосферу

Вопросы для обсуждения.

1. Придумайте форму таблиц, в которых бы были отражены: - все внешние влияния на биосферу. - влияния, обусловленные особенностями Земли как плане-

ты Заполните их. 2. В чем Вы видите воздействие сил гравитации на форми-

рование естественных тел в биосфере и на характер протекаю-щих в ней процессов?

Семинар 6.2. Об особенностях

пространства-времени биосферы

Вопросы к контрольной работе

1. Что такое симметрия? 2. Кто является родоначальником кристаллографии в Рос-

сии? 3. Дайте определение симметричной фигуры. 4. Приведите пример равной и зеркальной симметрии. 5. Что понимается под симметрией подобия? 6. Что такое антисимметрия? 7. Что такое плоскость и ось симметрии? 8. Что такое порядок оси симметрии? 9. Что такое центр симметрии? 10. Что такое криволинейная симметрия? 11. *Что означает правило нарушения зеркальной симмет-

рии в мире живого (Л. Пастер)? 12. Сформулируйте 2-й принцип симметрии (принцип

П. Кюри).


13. В чем заключается принцип антисимметрии в образова-нии рельефа земной поверхности?

14. Какие два вида симметрии встречаются на нашей плане-те чаще всего, почему?


1. Что послужило основанием для В.И. Вернадского считать пространство, свойственное живому веществу, римановским?

2. Почему, с Вашей точки зрения, именно у живого вещест-ва проявляется диссимметрия?

Тематика докладов. Обсуждение в группах на семинаре

1. О книге А.Л. Чижевского “Земное эхо солнечных бурь”. М.: Мысль, 1976. 366 с.

2. О книге К. Шмидт-Ниельсен. “Размеры животных: поче-му они так важны?”. М.: Мир, 1987. 259 с.

3. О книге И.И. Шафрановского “Симметрия в природе”. Л.: Недра, 1985. 167 с.

- Явления симметрии вокруг нас. - Зачем нам важно исследовать явления симметрии?


Виноградов А.П., 1967; Чижевский А.Л., 1976; Шафранов-ский И.И., Шмидт-Ниельсен, 1987; Урманцев Ю.А., 1974; Кол-чинский Э.И., 1990.

151


7. Внутреннее строение биосферы


“Биосфера не случайна,

(она) имеет определенное строение, сопряженное с явлениями жизни”


бычно после рассмотрения некой системы в целом переходят к анализу ее внутренней структуры. В процессе этого анализа устанавливается вначале ие-

рархия слагающих ее элементов, с тем, чтобы в дальнейшем вы-явить между ними характер связей. При этом каждому иерархи-ческому уровню будет свойственен свой собственный характер связей между элементами.

ОТакого же порядка мы будем придерживаться и при позна-

нии внутренней структуры биосферы. В иерархии элементов биосферы намечается следующая по-

следовательность.

Химические элементы → химические соединения → ве-щества → естественные тела

Для понимания внутреннего строения биосферы нам будет

достаточно рассмотреть уровень вещества и уровень естествен-ных тел.

152


153

Вещества, слагающие биосферу

В.И. Вернадский установил, что характер участия химиче-ских элементов в формировании соединений зависит не только от их свойств, но и от истории образования вещества. Он пока-зал, что в биосфере присутствует семь типов вещества, которые различаются своим происхождением. Это – космическое, радио-активное и рассеянное, косное, живое, биогенное и биокосное вещества.

Космическое вещество – это то вещество, из которого бы-ло сложено каменное тело нашей планеты в момент ее форми-рования и которое она непрерывно принимает в себя в течение миллиардов лет. Это вещество образовалось в условиях, чуждых нашей планете, и после ее образования попадает в биосферу в виде космической пыли и метеоритов. Химический состав ман-тии земли и каменных метеоритов практически одинаков.

Радиоактивное вещество, т.е. находящееся в радиоактив-ном распаде. Немногие относительно прочные радиоактивные элементы сложного изотопного состава проникают во все дру-гие типы вещества биосферы и идут в глубь Земли. Именно за счет распада радиоактивного вещества формируется естествен-ный фон радиации в биосфере.

Рассеянные атомы, которые непрерывно создаются под влиянием космических излучений, в виде отдельных изотопов. Ими пронизано все вещество биосферы.

Косное вещество – это вещество, образуемое земными про-цессами, в которых живое вещество не участвовало. Косное вещество биосферы возникло из космического вещества мантии Земли. Произошло оно благодаря глубинной дифференциации, выражающейся в виде процесса зонной плавки (см. предыдущий раздел).

О свойствах косного вещества и его отличиях от живого можно судить по данным таблицы 7.1.

Живое вещество – это совокупность всех живых организ-мов. По ряду своих свойств оно резко отличается от всех других


154

типов вещества биосферы. Это различие в первую очередь про-является в явлениях симметрии (см. табл. 7.1). Различия в сим-метрии создают непроходимую грань между косным и живым веществом.

“Это связано с особыми свойствами пространства, занятого телом живых организмов, с особой его геометрической структурой, как говорил П. Кюри, с особым состоянием пространства. ... Такое особое состояние пространства не может без особых на то обстоятельств возникать в обыч-ном пространстве; диссимметрическое явление, говоря его языком, все-гда должно вызываться такой же диссимметрической причиной. Этому отвечает основное эмпирическое обобщение, что живое происходит только от живого и что организм родится только от организма” (Вернад-ский, 1977, с. 21 – 22).

Таблица 7.1

Основные различия между косными и живыми естественными телами (по данным В.И. Вернадского,

1977, с. 133 – 135)

Косные естественные тела Живые естественные тела В косных естественных телах нет проявлений правизны и левизны, не подчиненных законам симметрии твердого тела. Нет проявлений дис-симметрии.

В твердом веществе живых орга-низмов и в дисперсных частичках коллоидных сред, входящих в со-став живого вещества, проявляется диссимметрия. Белки вращают плоскость света только в одну сто-рону.

Новое косное естественное тело создается физико-химическими и геологическими процессами, безот-носительно к ранее бывшим естест-венным телам. Размножения нет.

Присуще размножение: новое жи-вое естественное тело (живой орга-низм) родится только из другого живого организма, поскольку толь-ко так может быть передана прису-щая им диссимметрия

В косных естественных телах мута-ции и эволюция отсутствует

Живым организмам присущи про-цессы мутации и рождение морфо-логически и физиологически иного нового поколения организмов, от-личного от старого (эволюция ви-дов)


155

Процессы, создающие косное есте-ственное тело, обратимы во време-ни

Процессы, создающие естественное живое тело, необратимы во времени

Химический состав косных естест-венных тел всецело является функ-цией состава окружающей среды, “игрой” физико-химических и гео-логических процессов

Химический состав живых естест-венных тел создается ими самими из окружающей среды, из которой они питанием и дыханием выбира-ют нужные им для жизни и размно-жения химические элементы.

Изотопный состав смесей химиче-ских элементов в косных естествен-ных телах не меняется

Живые естественные тела изменяют изотопный состав смесей химиче-ских элементов

Количество разных химических со-единений (молекул и кристаллов) в косных естественных телах ограни-чено. Существуют немногие тысячи “земных” химических соединений (молекул и кристаллических про-странственных решеток)

Количество химических соедине-ний в живых естественных телах и количество характеризуемых или живых организмов безгранично. Известны миллионы видов орга-низмов и миллионы миллионов от-вечающих им молекул и кристалли-ческих решеток.

Все природные процессы в области естественных косных тел уменьша-ют свободную энергию среды (био-сферы)

Природные процессы живого веще-ства увеличивают свободную энер-гию биосферы

Важнейшая особенность живого вещества состоит в том,

что только ему присущи три процесса. Во-первых, в ходе геоло-гического времени непрестанно увеличивается его воздействие на косное вещество биосферы. Эти регуляторные функции жи-вого вещества сложились в результате того, что живое вещество с момента своего появления на нашей планете не только при-способилось (адаптировалось) к условиям, существовавшим в те далекие времена на Земле, но и стало оказывать мощное влия-ние на среду своего существования. Можно сказать, что оно не только приспосабливалась к среде своего существования, но и приспосабливает ее к себе, изменяя и регулируя все существен-ные для себя параметры биосферы – физические и химические характеристики климата, атмосферы, почвы, поверхностных вод и Мирового океана. Свои регуляторные функции в биосфере живое вещество осуществляет благодаря изменению потоков


156

биогенов (химических веществ, участвующих в биогеохимиче-ских процессах, лежащих в основе жизнедеятельности всех жи-вых организмов). Это позволяет обеспечивать высокую точ-ность регулирования всех параметров биосферы. Для осуществления регуляторных функций по отношению к окру-жающей среде живое вещество должно обладать определенной, весьма стабильной, внутренней структурой (распределением общей массы, потоков энергии и биогенов по группам живых организмов). Геологическая история биосферы свидетельствует, что эта стабильность внутренней структуры живого вещества сохраняется на протяжении многих десятков и сотен миллионов лет. Когда эта стабильность нарушается, то происходит карди-нальная перестройка всей системы (биосферы в целом), назван-ная бифуркацией.

Во-вторых, только живому веществу присущ процесс эво-люции видов, т.е. постоянное и резкое изменение самих живых естественных тел. В эволюции видов реализуется один из прин-ципов, лежащих в основе биогеохимического процесса. Это принцип конкуренции, который впервые был подмечен Т. Мальтусом и гениально использован Ч. Дарвином при создании своей теории происхождения видов путем естественного отбора.

В-третьих, непрерывная территориальная экспансия живо-го вещества, стремление расширить поле жизни. Благодаря это-му живым веществом заселен не только океан, но и поверхность суши, а также огромные пространства внутри земной коры, так называемая подземная биосфера. Такое расширение ареала оби-тания А. Н. Северцев рассматривал в качестве одного из при-знаков биологического прогресса.

“Живое вещество является пластичным, изменяется, при-спосабливается к изменениям среды, но, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геоло-гического времени, вне зависимости от изменений среды. На это, может быть, указывает непрерывный, с остановками в ходе геологического времени рост центральной нервной системы жи-вотных, ее значение в биосфере и глубина отражения живого вещества в окружающем. ... Для живого вещества мы наблюда-ем пластичный эволюционный процесс, даже признака которого


157

нет для косных естественных тел. Для последних мы видим те же минералы, те же процессы их образования, те же горные по-роды и т. п. сейчас, как это было два миллиарда лет назад” (Вернадский, 1977, с.18).

“Растекание жизни – движение, выражающееся во всюдно-сти жизни, есть проявление ее внутренней энергии, производи-мой ею химической работы. Оно подобно растеканию газа, ко-торое не есть следствие тяготения, но есть проявление отдельных движений частиц, совокупность которых представля-ет газ. Так и растекание по поверхности планеты живого веще-ства есть проявление его энергии, неизбежного движения, заня-тия нового места в биосфере новыми, созданными размножением, организмами, Оно есть проявление, прежде все-го, автономной энергии жизни в биосфере. Эта энергия проявля-ется в работе, производимой жизнью, в переносе химических элементов и в создании из них новых тел. Я буду называть ее геохимической энергией жизни в биосфере” (Вернадский, 1960, с. 24 – 25). Это и есть биогеохимическая энергия.

История образования живого вещества наглядно демонст-рируется биогенной классификации химических элементов (табл. 7.2), которую предложил В.И. Бгатов (1999). Он исходил из того, что химический состав современных живых организмов складывался под воздействием двух процессов.

С одной стороны, в результате эволюции химического со-става гидро- и литосферы, для которой характерен постоянный сдвиг соотношения химических элементов вследствии вулка-низма и выщелачивания горных пород. С другой стороны, необ-ходимости генетического контроля за сохранением сложивших-ся соотношений внутри него, ибо постоянство внутренней среды – необходимое условие свободной жизни организмов.


158

Таблица 7.2

Биогенная классификация элементов (по В.И. Бгатову, 1999)

Тип Группа Эле-менты

Примечания

H, C, O, N

Каркасные элементы органиче-ских молекул, возникших еще в докембрии. Составляющие боль-шинство аминокислот

Первоэлементы (сквозные для всех форм жизни на Зем-ле)

P, S Непременные участники белковых молекул, ДНК и РНК. Создатели первичной, доклеточной жизни

Макроэлементы (сквозные для всех животных организ-мов)

K, Na, Ca, Mg, Cl, Si

Элементы буферной системы пер-вых одноклеточных организмов и клеточного потенциала. Первые элементы скелетного аппарата простейших организмов

Эссенциальные эле-менты (сквозные для всех млекопитаю-щих)

Fe, Cu, Zn, Mn, Cr, Se, Mo, I, Co, F

Включились в метаболизм с воз-никновением кровеносной систе-мы. Участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Со-ставляющие коферментов орга-низмов

Условно эссенциаль-ные элементы (сквозные для от-дельных семейств млекопитающих)

As, Br, Li, Ni, V, Cd, Pb

Узкоспециализированная группа элементов, “работающая” не у всех видов организмов. Некото-рые входят в состав коферментов.

Биогенны

е

Брейн-элементы (сквозные для выс-ших млекопитающих и человека)

Au, Sn, Tl, Te, Gr, Ga

Предположительно, участвуют в проводимости импульсов голов-ного мозга млекопитающих. Оче-видно, включились в метаболизм в четвертичном периоде

Абиоген

-ны

е

Нейтральные (высо-кие концентрации организмы переносят достаточно безболез-ненно)

Al, Ti, Rb

Не заняли своего места в метабо-лизме животных из-за слабой ре-акционной способности, несмотря на широкую распространенность в литосфере


159

Конкуренты (древние элементы, конкури-рующие с кальцием за место в метабо-лизме сухопутных организмов)

Ba, Sr, Ce

Участвовали в метаболизме мор-ских форм организмов, что и оп-ределило их дальнейшую конку-ренцию в метаболизме сухопутных видов (ведущую к па-тологии).

Агрессивные (отно-сительно “молодые” элементы, к высоким концентрациям кото-рых организмы не сумели приспосо-биться)

Hg, Be, Os, Bi

Элементы поздней вулканической деятельности. В связи с тем, что не нашли места в метаболизме ор-ганизмов, вредны в малых дозах

В предложенной В.И. Бгатовым биогенной классификации

все элементы Периодической таблицы Менделеева подразделе-ны на два типа: биогенные, которые участвуют в метаболизме живых организмов, и абиогенные, не участвующие в нем. Био-генные элементы в свою очередь подразделены на пять групп, которые различаются между собой временем включения в мета-болизм организмов (от ранних этапов развития живого вещества до четвертичного периода).

В этой классификации не нашлось места понятию “токсич-ные элементы”. В.И. Бгатов (1999) считает это понятие архаич-ным и потому не имеющим право на существование. Он под-черкнул, что “избыток любого химического элемента (будь то сера, железо, цинк или золото) в человеческом организме при-водит к патологии. Это касается элементов всех групп, даже первоэлементов. Печально известная синильная кислота имеет формулу HCN, т.е. представляет собой соединение трех органо-генов. Следовательно, речь можно вести только о токсичной концентрации либо о токсичных соединениях того или иного элемента” (Бгатов, 1999, с. 10).

Все агрессивные элементы, которые не участвуют в метабо-лизме живых организмов, тем не менее попадают в них с пищей, питьем, воздухом, и ведут они себе отнюдь не индифферентно. По реакции организмов на ангрессивные элементы среди них и выделяются группы.


160

Биогенное вещество – это вещество, которое создается и перерабатывается жизнью. После его создания живые организ-мы в нем мало деятельны. К этому типу вещества относится торф, каменный уголь, органогенные известняки, радиоляриты.

Биокосное вещество создается одновременно живыми ор-ганизмами и косными процессами. К биокосным телам относит-ся атмосфера, почти все океанические и другие воды биосферы, почва, кора выветривания, да и сама биосфера в целом является биокосным естественным телом. Характерно, что в биокосном веществе благодаря участию в его создании живого вещества, может изменяться изотопный состав химических элементов, по сравнению с соотношениями тех же изотопов в косном вещест-ве.

Итак, основанием для выделения этих семи типов вещества для В.И. Вернадского была геохимическая история элементов. Наиболее выпукло эта разница в геохимической истории эле-ментов показана самим В.И. Вернадским в нижеследующем от-рывке из его работы.

“Вещество биосферы состоит из семи глубоко разнородных частей, геологически не случайных. Во-первых, из совокупно-сти живых организмов, живого вещества, рассеянного в мириа-дах особей, непрерывно умирающих и рождающихся, обладаю-щих колоссальной действенной энергией (биогеохимической энергией) и являющихся могучей геологической силой, нигде на планете больше не существующей, связанной с другим вещест-вом биосферы только биогенной миграцией атомов. ... Во-вторых, мы имеем дело с веществом, создаваемым и перераба-тываемым жизнью, т.е. живыми организмами, с биогенным ве-ществом, источником чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть и т.д.). Живые организмы в нем после его образования геологически малодеятельны. В-третьих, мы имеем вещество, образуемое процессами, в которых живое вещество не участвует: косное вещество, твердое, жидкое и газообразное, из которых только газообразное и жидкое (и дисперсное твердое) являются на по-верхности биосферы носителями свободной энергии. Четвертая часть вещества – это биокосное вещество, которое создается


161

одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамические равновесные системы тех и других. Таковы океанические и почти вся другая вода биосферы, нефть, почва, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют веду-щую роль. Эти биокосные организованные массы являются сложными динамически равновесными, в которых резко прояв-ляется геохимическая энергия живого вещества – биогеохими-ческая энергия. ... В-пятых, вещество, находящееся в радиоак-тивном распаде в форме немногих относительно прочных радиоактивных элементов, причина распада которых нам не из-вестна и может быть – это и есть общее свойство всех химиче-ских элементов в меньшей степени. ... Это вещество, в такой форме дисперсно-рассеянное, является одной из самых мощных сил, меняющих всю энергетику биосферы. ... С другой стороны, все вещество биосферы и, по-видимому только биосферы, про-никнуто шестой формой вещества – рассеянными атомами, ко-торые непрерывно создаются из всякого рода земного вещества под влиянием космических, непрерывно охватывающих плане-ту, по-видимому, из просторов Млечного пути. ... Наконец, седьмым типом земного вещества является вещество космиче-ского происхождения, среди которых мы можем различать, с одной стороны, отдельные атомы и, может быть, даже молеку-лы, входящие в ионосферу из электромагнитного поля Солнца, а с другой – проникновение потоков отдельных атомов и молекул, приходящих к нам из космического пространства, может быть, того самого облака космической пыли, которое охватывает всю нашу Солнечную систему. Вторым типом космического вещест-ва, непрерывно проникающим в поле тяготения и магнитное по-ле нашей планеты, является космическая пыль, падающие звез-ды, болиды и метеориты, непрерывно попадающие в биосферу” (Вернадский, 1987, с. 51 – 52).

* * *

Итак, рассмотренные семь типов вещества биосферы разли-

чаются геохимической историей атомов, слагающих их, массой, той ролью, которую они играют в биосфере.


162

Косное, биокосное и биогенное вещества образуют основ-ной каркас естественных тел биосферы, на их долю приходится наибольшая масса.

Живое вещество в каждый данный момент по весу состав-ляет всего десятые доли процента от общей массы биосферы. Но, несмотря на это, его роль чрезвычайно велика. Только жи-вое вещество обладает способностью превращать лучистую энергию солнца, а в подземной биосфере и другие виды энер-гии, в биогеохимическую энергию, концентрируя и создавая за-пасы превратимой энергии впрок. Именно оно ведет к уменьше-нию энтропии в биосфере и обусловливает ее необратимую эволюцию. При его участии созданы огромные массы биокосно-го и биогенного вещества, образующие основную массу био-сферы.

Радиоактивное вещество по своей массе значительно меньше живого вещества. Но благодаря ему возникает тот есте-ственный фон радиации в биосфере, вариации которого порож-дают изменчивость живого вещества, тем самым, создавая предпосылки для эволюции живых организмов, а в конечном счете, и всей биосферы.

Формы нахождения химических элементов

Наряду с семью типами вещества, В.И. Вернадский разли-чает и “четыре разных формы нахождения химических элемен-тов, через которые они проходят в течение хода времени и кото-рые определяют их историю.

Эти четыре формы суть следующие: 1) горные породы и ми-нералы, где преобладают стойкие и неподвижные молекулы и кристаллы комбинаций их элементов; 2) магмы – вязкие смеси газов и жидкостей, находящиеся в состоянии подвижной смеси диссоциационных атомных систем, в которых отсутствуют и кристаллы, и молекулы нашей химии; 3) рассеяния элементов, когда отдельные элементы находятся в свободном состоянии, отделенными друг от друга. Очень возможно, что элементы при


163

этом являются в некоторых случаях ионизированными или поте-рявшими часть своих электронов; это особое состояние атомов, отвечающее лучистой материи М. Фарадея и У. Крокса; и, нако-нец, 4) живое вещество, состояние атомов в котором неясно; мы обычно представляем себе эти атомы в состоянии молекул, диссоциационных систем ионов, рассеянных нахождений. Такие представления кажутся мне явно эмпирически недостаточными. Очень вероятно, что в живом организме, помимо изотопов, иг-рает известную роль, не принимаемая нами во внимание роль симметрии атомов (симметрии атомных полей). Формы нахож-дения атомов (элементов) играют в неоднородных равновесиях ту же самую роль, как и другие независимые переменные, – температура, давление, химический состав, физическое состоя-ние вещества (фазы). Подобно им, формы нахождения атомов характеризуют сменяющиеся с глубиной концентрические обо-лочки земной коры” (Вернадский, 1960, с. 59 – 60). К этим че-тырем формам следовало бы добавить пятую – смеси газов, об-разующих атмосферу.

Естественные тела биосферы

Эти семь типов вещества порознь или совместно, в разных соотношениях, образуют множество естественных тел биосфе-ры, которые в свою очередь могут рассматриваться как разные системы, обладающие собственной иерархией. Эти естествен-ные тела весьма значительно различаются между собой как по размерам, сложности строения, так и по той роли, которую они играют в строении биосферы.

В настоящее время наиболее хорошо изучены естественные тела биосферы низших рангов. К ним относятся: минералы, гор-ные породы, формации горных пород, почвы, ландшафты, раз-личные живые организмы, экосистемы и т.д. Это великое мно-жество естественных тел исследовалось и исследуется отдельными узкоспециализированными естественнонаучными дисциплинами. К ним относятся минералогия, петрография, ли-тология, почвоведение, биология, экология и многие другие. Та-


164

кой интерес к естественным телам низшего ранга объясняется просто. С одной стороны, изучать их всегда проще, по сравне-нию с более сложноустроенными телами высших рангов иерар-хии, а с другой, – результаты таких узкоспециальных исследо-ваний всегда в немалой степени помогали повышать эффективность практической деятельности людей, или, как го-ворят, имели практическое значение.

При изучении сложных систем, имеющих иерархическое строение, цели и задачи всегда ставятся сверху вниз. Именно так и была в 20-е годы ХХ столетия поставлена цель В.И. Вернадским “описать геологические проявления жизни, дать картину совершающегося вокруг нас планетного процесса” (1960, с. 7). Движение же к поставленной цели всегда проис-ходит снизу вверх: при целенаправленном синтезе (обобщении) эмпирических данных о естественных телах более низких ран-гов. Когда не хватает имеющихся эмпирических данных, чтобы решить задачу, поставленную сверху, то, исходя из нее, ставят специальные исследования для получения недостающих дан-ных.

Если внимательно прочитать работы В.И. Вернадского, по-священные биосфере, то мы увидим, как в них бок о бок идет эмпирическое обобщение уже имеющихся на то время данных, и постановка не просто новых задач, а определение новых направлений научных исследований. Эти новые направления исследований были призваны заполнить “белые пятна” в наших знаниях о биосфере, которые были обнаружены при целена-правленном синтезе.

Из сказанного видно, насколько сложен целенаправленный синтез наших знаний о естественных телах биосферы высших рангов. Работы В.И. Вернадского 20 – 40-х годов ХХ столетия, связанные с биосферной тематикой, стимулировали интерес к подобному роду синтеза. Во второй половине ХХ века стало быстро расти число обобщающих работ, в которых осуществ-лялся синтез больших массивов эмпирических данных как об отдельных биосферных процессах, так и о биосфере в целом. Критический обзор этих исследований приведен в работе Э.И. Колчинского (1990).


165

К естественным телам глобальной размерности мы относим: ту часть атмосферы, которая расположена ниже озонового слоя, Мировой океан, наземную ландшафтную оболочку, распростра-ненную на поверхности континентов и островов, а также лито-сферу до глубин 8 км. Эта часть литосферы включает слой оса-дочных пород, а также часть гранитного и базальтового.

Внутреннее строение каждого из этих естественных тел глобальной размерности рассматривается в специальных дисци-плинах – учение об атмосфере, учение о гидросфере, ландшаф-товедение, и в таких геологических науках, как минералогия, петрография, литология, тектоника. Нас же будет интересовать несколько иное. Какие особенности имеет каждое из этих есте-ственных тел глобальной размерности? Как из их пространст-венного соседства возникают взаимодействия? В чем они выра-жаются? Каков вклад каждого из них в эти биосферные процессы?

Атмосфера

Размеры. В это естественное тело биосферы, располагаю-щееся непрерывным слоем по ее периферии, входит только ниж-няя часть атмосферы Земли (до озонового слоя, лежащего на высотах 10 – 50 км). Но в этом нижнем слое атмосферы со-средоточено 87,5% ее массы (около 4,6 1021 г газов).

Состав. Вся атмосфера в основном сложена газообразным биокосным веществом. Количества живого вещества по сравне-нию с газами очень немного и оно сосредоточено вблизи от по-верхности Земли.

В составе атмосферного вещества выделяют две группы компонентов. Постоянные компоненты – газы, встречаются почти всегда в одинаковых процентных соотношениях (табл. 7.3). Ко второй группе относятся переменные компоненты. Их содержание меняется от места к месту в широких пределах, в зависимости от температуры, близости моря, техногенной дея-тельности и ряда других факторов. К ним относится в первую очередь парообразная вода, содержание которой в зависимости


166

от температуры меняется от 0,025 до 80,61 г/кг. Далее идут ком-поненты, поднятые с поверхности Земли и постепенно на нее осаждающиеся. К ним относятся: пыль, поступившая в резуль-тате бурь и ураганов (за одну черную пыльную бурю может быть поднято порядка 1,5⋅1013 г почвы), а также пыль, выбро-шенная химическими и металлургическими предприятиями; сажа (в современных промышленных городах количество вы-падающей сажи достигает 1,35 кг/м2 год); вулканический пепел, разносимый по всему земному шару; космическая пыль, посту-пающая в биосферу из Космоса и постепенно осаждающаяся на поверхность Земли (в среднем ее выпадает 2,56⋅1012 г ежегодно); пыль от термоядерных взрывов (только в период с 1948 по 1955 гг. поступило около 6,5⋅1013 г радиогенной пыли, содер-жащей Sr90); морская соль, которая попадает в атмосферу с брызгами морской воды (вносимые таким способом соли по ко-личеству сопоставимы с поступлением солей в океан с речными водами).

Живое вещество в атмосфере не образует сплошной плен-ки, а представлено в основном рассеянными микроорганизмами, “плавающими” в воздухе. Количество их с высотой резко со-кращается. Так, если в приземных слоях в 1 см3 может содер-жаться до 11 000 бактерий и до 2000 грибков, то на высоте 3,0- 3,5 км встречается в 1 см3 всего от 4 до 11 микроорганизмов. По воздуху также может разноситься пыльца растений, а также совершают перелеты насекомые и птицы. Эти перелеты, особенно птиц, удлиняют пути миграции химических элементов. Птицы в известном роде являются антиподами рек: они переносят вещества с морей и океана на континенты.


167

Таблица 7.3

Главные постоянные компоненты атмосферы Земли (по М.М. Ермолаеву, 1975)

Содержание, % Газ Вес Объем

Азот 75,53 78,09 Кислород 23,14 20,95 Аргон 1,28 0,93 СО2 0,05 0,03 Неон 1,8⋅10-3 < 0,001 Криптон 1,0⋅10-4 < 0,001 Ксенон 8,0⋅10-6 < 0,001 Гелий 5,24⋅10-4 < 0,001 Водород 5,0⋅10-5 < 0,001

Главнейшие процессы, которые свойственны атмосфере,

обусловлены “не столько разнообразием компонентов, сколько разнообразием их физических состояний, необычайностью мо-лекулярных реакций, в которых могут участвовать и инертные газы; ... только в атмосфере широко развито непосредственное взаимодействие между атомами вещества и фотонами лучистой энергии” (Ермолаев, 1975, с. 164).

Образования озона из молекул кислорода при воздействии на них ультрафиолетовых лучей (фотохимическая реакция) – один из главнейших процессов, присущих только атмосфере. Озоновый экран, о котором уже не раз говорилось, представляет собой результат динамического равновесия образования и раз-рушения озона. Когда говорят о разрушении озонового слоя под воздействием техногенных выбросов в атмосферу фреонов и других веществ, то имеется в виду сдвиг этого подвижного рав-новесия в сторону более быстрого разрушения молекул озона по сравнению с его созданием.

Циркуляция атмосферы – еще один из важнейших процес-сов, совершающихся в ней (см. ниже). В циркуляционных про-


168

цессах водяной пар играет особую роль. “Парообразная вода на-ходится в легко изменяемом фазовом состоянии, т.е. при нор-мальном атмосферном давлении и обычных температурах она может находиться одновременно как в газообразном, так и в жидком и твердом состояниях. Поскольку переходы из одной фазы в другую сопровождаются поглощением или выделением тепла, водяной пар оказывается теплоносителем, перемещаю-щимся вместе с воздушными массами. Поэтому этот компонент, является как бы стабилизатором и, что еще важнее, переносчи-ком тепла в атмосфере” (Ермолаев, 1975, с. 165).

Образовании ионов NO3- и NH4

+ в атмосфере при грозах в результате электрических разрядов молний. К этому процессу привлек внимание В.И. Бгатов (1985). “Известно, что при грозо-вых разрядах воздух ионизируется с образованием активных ионов азота. Из наблюдений установлено, что капли дождя со-держат растворенную в них кислоту. Но этот постоянный ис-точник нитратной формы азота пока остается за пределами вни-мания геологов, геохимиков, почвоведов и агрохимиков. Пока не оценена роль атмосферного азота ни в процессах выветрива-ния горных пород, ни в почвообразовательном процессе, ни в питательном балансе растений” (Бгатов, 1985, с. 70). На земном шаре ежегодно происходит около 70 000 гроз, с числом молний порядка 2,5 миллионов. В результате в год на 1 км2 выпадает от 1,5 т (умеренные широты) до 3,5 – 7 т (низкие широты) азотной кислоты (Бгатов, 1985). Выпавшая вместе с каплями дождя азотная кислота вступает в обменные реакции с твердыми мине-ральными частицами почвы и высвобождает питательные веще-ства (фосфор, калий, кальций и др.) из недоступного состояния (полевые шпаты) в легкорастворимые формы, используемые растениями для питания.

* * * Итак, атмосфере свойственно разнообразие физических со-

стояний слагающих ее биокосных компонентов, необычность молекулярных реакций, непосредственное взаимодействие ато-


169

мов с лучистой энергией Солнца. Эти особенности и предопре-делили биосферную роль атмосферы в расширении поля жизни. Так, наличие озонового слоя создало условия для развития на-земных организмов, а большая подвижность воздушных масс в сочетании с наличием в них паров воды привела к перераспре-делению тепла и влаги в биосфере, обеспечив оптимальные для жизни параметры этой новой наземной среды обитания.

Мировой океан

Размеры. Мировой океан является одним из самых круп-ных естественных тел биосферы. Он занимает 71% площади по-верхности Земли, (361 млн. кв. км), его объем равен 1,37⋅1018м3, средняя глубина около 4 км. В Мировом океане сосредоточено 59,8% всей воды, находящейся в биосфере (табл. 7.4).

Состав. Морская вода представляет собой тело, сложенное в основном биокосным веществом, которое представляет собой первичную среду обитания живого вещества. Кроме того, в океанических водах присутствует радиоактивное вещество, по-ступившее с суши и из литосферы. В незначительном количест-ве есть также космическое вещество, попадающее в океаниче-ские воды из атмосферы, а также косное вещество, поступившее из литосферы при подводной вулканической деятельности и снесенное с суши.

Живое вещество. В Мировом океане зародилось живое ве-щество. Из него оно начало свою экспансию на сушу и в глубь земной коры. Живые организмы в океане распределены весьма неравномерно, они образуют в нем как бы пленки и сгущения. Обычно они приурочены к областям, куда достигает солнечная энергия и где есть достаточный запас биогенных элементов. Первая пленка, планктонная, располагается на поверхности океана до глубин несколько десятков метров, вторая (донная) приурочена ко дну, особенно на мелководьях, куда проникает солнечный свет. На океаническом дне, в полном мраке, тоже присутствует живое вещество. Но там им используется не меха-низм фотосинтеза, а хемисинтез.


170

Таблица 7.4

Распределение воды в биосфере и интенсивность ее обмена (по данным М.М. Ермолаева, 1975)

Естественные тела биосферы

Формы нахождения воды Масса воды 1021 г

Интенсив-ность об-мена, годы

Мировой океан Океаны и моря 1374,613 3000 Атмосфера Пары воды в атмосфере 0,014 0,027

Ледники 0,22 8600 Озера 0,23 10 Воды в речных руслах 0,001 0,032 Почвенная влага 0,082 1,0

Ландшафтная сфера

Подземные воды интенсив-ного обмена

4,0 330

Подземные воды замедлен-ного обмена

56,0 5000

Физически и химически свя-занная вода континентальной коры (гранитный слой)

700,0 106 – 108

Литосфера

Физически и химически свя-занная вода океанической коры (базальтовый слой)

140,0 106 – 108

Всего 2296,94 В том числе воды, активно

участвующей в биосферных процессах

1456,96

В океане биомасса и продуктивность водных форм ограни-

чивалась физико-химическими свойствами гидросферы, кото-рые регулируют содержание СО2 в воде. Это ограничение не по-зволяет достигнуть значительного увеличения биомассы растительности. Для снятия этого ограничения живому вещест-ву пришлось выйти на сушу и освоить ее, тем самым расширить зону жизни. Именно с разрешением этого противоречия связана необратимость эволюционного процесса.

В океане есть несколько сгущений живого вещества. Одно из них приурочено к контактной зоне суши и моря (как на


171

шельфе континентов, так и в береговой зоне островов). В эту зону с суши поступает большое количество органических ве-ществ.

Второй тип сгущений – это плавучие массы водорослей в открытом океане. Это так называемые саргассовые сгущения.

Третий тип сгущений приурочен к так называемым зонам апвеллинга. В них поднимаются к поверхности океана холодные глубинные воды, обогащенные биогенными элементами. Вне этих сгущений океанические просторы напоминают пустыню. В целом, судя по содержанию углерода, плотность живого веще-ства, по данным А.П. Виноградова (1967), примерно в 30 раз меньше плотности живого вещества в ландшафтной сфере (табл. 7.5).

Известно, что в морских водах в ничтожных концентрациях присутствуют почти все элементы таблицы Менделеева. Живые организмы океана обладают способностью извлекать из морской воды и концентрировать в своем теле отдельные элементы, по-вышая их содержание до 10 000 раз. К таким элементам отно-сятся йод, многие тяжелые металлы, золото и т. д.

Главнейшие процессы. Океан в силу своих огромных раз-меров является весьма инерционной системой, сглаживающей температурные колебания на поверхности Земли. Он играет первостепенную роль в распределении в различных частях био-сферы таких параметров поля жизни, как температура и количе-ство влаги.

Мировой океан является начальным звеном огромного внешнего круговорота воды на земной поверхности. Именно испаряясь с океана, вода переносится на континенты. Не мень-шую роль мировой океан играет и в переносе тепла, поскольку вся океаническая толща находится в постоянном движении по причине физического различия слагающих ее водных масс. До половины тепла между разными частями биосферы переносится морскими течениями (другая половина воздушными). Такое участие океана в тепловлагообмене предопределяет его значи-тельную климатообразующую роль. В качестве наиболее на-глядного примера достаточно указать на роль Гольфстрима в формировании климата Европы.


172

Теплоемкость морской воды при солености ее в 3,5%, равна 0,932., а теплоемкость воздуха 0,237. Теплом, которое отдает 1 см3 морской воды, охладившись на 1°, можно нагреть на 1° 3134 см3 воздуха (Калесник,1947).

Мировой океан является последним звеном (конечным во-доемом стока) в глобальном процессе осадочной дифферен-циации вещества. Именно в нем образуется основная масса осадочных горных пород, которые в дальнейшем, после пере-плавки в недрах земли, образуют гранитное основание конти-нентов, так называемый гранитный слой земной коры.

Газообмен в биосфере тоже в значительной степени регу-лируется океаном, особенно углекислоты. Кроме того, в океане наблюдается, с одной стороны, грандиозный процесс переноса углекислоты из высоких широт в низкие, а с другой – еще более грандиозный процесс исчерпания СО2 из атмосферы и водных масс и ее перевод в твердые осадки (карбонаты), которые захо-роняются на дне океана. По данным А.П. Виноградова (1967) время пребывания СО2 в атмосфере составляет около 5 лет, а среднее время достижения атмосферной СО2 придонных слоев океана – от 200 до 2000 лет. О масштабности этих процессов свидетельствуют данные о распределении углерода между от-дельными частями биосферы (табл. 7.5).


173

Таблица 7.5

Распределение углерода в биосфере (по данным А.П. Виноградова, 1967) Объект Количество уг-

лерода в г Количество угле-рода на единицу поверхности в

г/см2

Организмы моря ∼ 1⋅1016 0,002 Организмы суши ∼ 3⋅1017 0.06 Атмосфера 6,3⋅1017 0,125 Океан 3,6⋅1019 7,5 Угли, нефти и другие каусто-биолиты 6,4⋅1021 664 Сланцы, глины 1,0⋅1022 2000 Карбонаты ∼ 5,0⋅1022 >2500

Если принять во внимание все газы, растворенные в океани-

ческой воде (вместе с СО2), то окажется, что их объем в три раза больше объема воды океана. При равновесии газов атмосферы с океанической водой растворяется небольшая часть газов атмо-сферы около (0.5% He, Ar, N2, O2 и до 3 – 4% Xe). Исключение составляет СО2 (табл. 7.6) (Виноградов, 1967).

Насыщенность океанической воды газами регулируется температурой, соленостью, давлением (столба газа) и биологи-ческими факторами. Она подчиняется общим газовым законам и выражается коэффициентом абсорбции. Вообще холодные океанические воды районов приполярных областей или глубо-кие слои океанов растворяют больше атмосферных газов и мо-гут быть недосыщенными некоторыми газами. Теплые воды тропических областей пересыщены газами и освобождают их в атмосферу. По той же причине океан летом отдает газы в атмо-сферу (О2, СО2), а зимой поглощает их из атмосферы.

“Нормальные океанические воды аэрируются до придонных слоев. ... На содержание СО2, О2, N2 в океанической воде оказы-вают влияние организмы моря, особенно в зоне их активной деятельности – верхнем слое воды, населенном планктонными


174

организмами. Главным источником углекислоты в океане явля-ется СО2 атмосферы, переходящей в раствор океана. ... В океа-нической воде, находящейся в равновесии с атмосферными га-зами, находится всего в виде СО2 + НСО3

1- + СО32- до 1, 4⋅1020 г в

пересчете на СО2, или почти в 60 раз больше, чем в атмосфере (2,6⋅1018 г). Нахождение в океанической воде двуосновной угольной кислоты и продуктов ее диссоциации создает химиче-скую консервативную буферную систему” (Виноградов, 1967, с. 66 – 67)

Таблица 7.6

Состав газов атмосферы и океанической воды (в см3/л) (по А.П. Виноградову, 1967)

Газ Содержание в атмосфере

Содержание газов в океа-нической во-

де

Газ Содержание в атмосфере

Содержание газов в океа-нической во-

де N2 781 13 Ne 1,82⋅10-2 1,8⋅10-4

O2 210 2-8 He 5,3⋅10-3 5⋅10-5

Ar 9,32 0,32 Kr 1⋅10-3 6⋅10-5

CO2 0,3 50 Xe 8⋅10-5 7⋅10-6

Океан участвует в грандиозном процессе циркуляции СО2

между атмосферой и океаном. “СО2 интенсивно поглощается холодными волнами полярных областей, которые, охлаждаясь, опускаются на глубину. Затем холодные глубокие массы воды выклиниваются благодаря течениям от района Арктики (Ан-тарктики) в сторону экваториальных областей и поднимаются, например, к западным берегам Африки или Америки, где про-греваются и освобождают избыток СО2.. Океан действует как грандиозный насос, забирая СО2 из атмосферы в холодных об-ластях и отдавая ее в тропических областях. Иными словами, зимой океаническая вода поглощает СО2 из атмосферы, а летом возвращает ее обратно. В результате этой циркуляции СО2 над экваториальной областью океана создается повышение парци-ального давления СО2 . ... Равновесие СО2 в атмосфере и гидро-


175

сфере благодаря процессам на поверхности Земли направлено на уменьшение содержания газообразной углекислоты в гидро-сфере и атмосфере, на ее исчерпание из этих бассейнов, перевод в твердые осадки – карбонаты. Этот направленный механизм действует непрерывно на всем протяжении геологической исто-рии Земли” (Виноградов, 1967, с. 67 – 68).

* * *

Итак, океан выполняет в биосфере очень важную средоста-

билизирующую роль: он благодаря своим огромным размерам придает большую инерционность всем процессам тепловлаго-обмена и газообмена, в которых участвует и сам.

Ландшафтная сфера

Размеры. Это естественное тело значительно меньше дру-гих естественных тел биосферы глобальной размерности. Ландшафтная сфера приурочена лишь к поверхности суши (как континентов, так и островов), которая занимает всего лишь 29% поверхности Земли (149 млн. кв. км). В ландшафтную сферу входят и поверхностные воды суши в виде рек, озер и болот. В отличие от других естественных тел биосферы глобальной раз-мерности ландшафтная оболочка прерывиста. Толщина ее тоже невелика. От поверхности Земли она поднимается не более чем на несколько десятков метров (максимум сто метров). В глубь земли ландшафтная сфера на суше уходит на первые метры. Однако, несмотря на свои сравнительно небольшие размеры роль ландшафтной оболочки в биосферных процессах весьма значительна. Именно к ней приурочено наиболее интенсивное течение геохимических процессов.

Состав. Ландшафтная оболочка сложена всеми семью ти-пами вещества, но для нее характерны повышенные, по сравне-нию с другими естественными телами биосферы, концентрации живого вещества. Местами они могут достигать многих десят-ков весовых процентов.


176

Живое вещество в ландшафтной сфере распространено в виде единой непрерывной пленки, которая охватывает как ее подземную часть (почвы), так и наземную. Лишь в озерах она может расщепляться на планктонную и бентосную пленки. Плотность распределения живого вещества в ландшафтной сфе-ре в 30 раз выше, чем в океане (табл. 7.6). Разрежение жизни на-блюдается лишь на ледниках и в пустынях, которые занимают не более 10% суши. Живому веществу ландшафтной оболочки свойственна сезонность проявления жизненной активности, от-сюда и пульсирующий характер геохимических процессов, свойственных ей.

Главнейшие процессы. Ландшафтная сфера континентов, как и океан, участвует в газообмене с атмосферой (выделение О2 и поглощение СО2). Но этот процесс газообмена в ландшафт-ной сфере протекает более интенсивно, чем в океане. Так, по со-временным оценкам, в атмосферу морская и наземная расти-тельность поставляет примерно равные количества кислорода. Но, учитывая, что поверхность суши почти в 2,5 раза меньше поверхности океана, то на суше фотосинтез растительности про-текает более интенсивно, чем в океане.

Наземная растительность, ассимилируя СО2 из атмосферно-го воздуха, связывает его в растительной биомассе, часть из ко-торой потом захороняется в виде каустобиолитов (торф, угли и т.д.). Правда, в каустобиолитах углерода содержится на порядок меньше, чем в морских карбонатных породах. Но и сам процесс связывания углерода наземными растениями примерно на поря-док моложе процесса карбонатонакопления в океане.

Не менее грандиозным процессом, присущим только ланд-шафтной сфере, является почвообразование, в результате кото-рого формируется особое естественное тело – почва. Содержа-ние живого вещества в почвах достигает десятков весовых процентов. Именно к окислительной среде почв приурочена наивысшая геохимическая энергия. В почвах наиболее интен-сивно происходят процессы выветривания благодаря присутст-вию О2 и СО2, которые выделяются в процессе жизнедеятельно-сти почвенных организмов. Вода, всегда присутствующая в почвах, непрерывно растворяет и выносит многие химические


177

соединения, формируя химизм поверхностных вод, а в конечном счете и солевой состав океана.

О геохимии почв дает представление таблица 7.7. В первых трех строках перечислены те макрокомпоненты, из которых в основном строится органическое вещество. Остальные объеди-няют так называемые микроэлементы. Их содержание в телах организмов ничтожно, но они играют огромную роль в поддер-жании нормальной жизнедеятельности организмов.

Почва создает предпосылки для создания принципиально иного механизма питания зеленых растений. Если морские зе-леные растения впитывают химические соединения из воды всей поверхностью своего тела, то у наземных растений созда-ется для этого специальный орган – корневая система. В мор-ской воде присутствует почти вся таблица Менделеева в раство-ренной форме той или иной концентрации. Поэтому у морских организмов для обеспечения себя необходимыми микроэлемен-тами вырабатывается специальный механизм извлечения из морской воды нужных компонентов. Он способен повышать со-держание отдельных элементов в теле существа до 10 000 раз.

У наземных растений поставка минеральных компонентов идет через корневую систему, и почва, образно говоря, является той самой “кухней”, в которой готовятся для питания подвиж-ные легкорастворимые соединения макро- и микрокомпонентов. Для этого в почвах геохимически устойчивые минералы мате-ринской породы преобразуются в легко усвояемые соединения. Однако в ландшафтной сфере геохимический состав материн-ских пород, особенно в части микрокомпонентов, весьма измен-чив. Эта изменчивость лежит в основе выделения биогеохими-ческих провинций, различающихся между собой содержанием микроэлементов.


178

Таблица 7.7

Среднее содержание химических элементов в почвах по декадам процентов

(по В.И. Вернадскому, 1960)

Декады Проценты Химические элементы 1 Более 101 О, Н, Аl, Si 11 101 – 100 С, Na, K, Ca(?), Fe

111 100 – 10-1 N, Mg(?), P, S, Сl(?), Ti, Ba 1V 10-1 – 10-2 V, Mn, Sr V 10-2 – 10-3 Li(?), Ni(?), Cu, Zn, Rb, Zr(?)

V1 10-3 – 10-4 Cr, Cj, J(?) V11 10-4 – 10-5 As< Th(?) ........ .............. .................................. X1V 10-11 – 10-12 U, Ra, Ga, Vo, Ag, Au, Sb, Pb, F, Be, D Поэтому наземные растения в значительной степени зависят

в своем питании от геохимии материнских пород почвы. При избытке или нехватке тех или иных микроэлементов на терри-тории какой-либо биогеохимической провинции развиваются эндемические заболевания организмов, которые передаются по пищевым цепям вплоть до человека, вызывая у него дисэлемен-тоз. Хотя эндемические заболевания были известны давно, но дисэлементоз, вызывающий многие тяжелые болезни людей, привлек к себе внимание медиков только в последние годы (Терпугова, 2001).

На континентах, в ландшафтной сфере, начинается гранди-озный процесс осадочной дифференциации вещества, кото-рый заканчивается в океанах, в конечных водоемах стока. На суше в начальном звене этого процесса происходит взаимодей-ствие внешнего круговорота воды и большого круговорота сол-нечной энергии. В результате этого взаимодействия текучие во-ды суши дробят горные породы, преобразуя их в обломочные. В коре выветривания континентов при участии живого вещества образуются глинистые минералы, слагающие толщи глинистых пород суши и океана. Образовавшиеся осадочные горные поро-


179

ды нисходящими движениями опускаются в недра Земли, пере-нося туда законсервированную солнечную энергию. Там они в результате переплавки превращаются в гранитоидные горные породы, слагающие цоколь континентов.

* * *

Итак, ландшафтной сфере присуща наиболее высокая гео-

химическая активность. Именно в этом естественном теле био-сферы в наивысшей степени реализуется биогеохимическая функция живого вещества.

Литосфера

Размер. Мы не знаем точного положения нижней границы биосферы, которая определяется глубиной проникновения в ли-тосферу микроорганизмов. Пока только есть данные, что они известны до глубин 8 км. Для того, чтобы дать хотя бы общее представление о возможных размерах этого естественного тела биосферы, приведем имеющиеся данные о размерах всей земной коры и ее отдельных частей (табл. 7.8).

Таблица 7.8

Некоторые характеристики слоев земной коры (составлена по данным М.М. Ермолаева, 1975) Подразделения

Земного шара и земной коры

Объем км3 Масса 1026 г Средняя плотность 103 кг⁄м3

Земля в целом 1,083⋅1015 59781,6 5,52 Земная кора в целом 1,05⋅1010 29,517 2,81 Слой осадочных пород 0,089 2,293 2,57 Гранитный слой 0,331 8,841 2,67 Базальтовый слой 0,604 17,703 2,93

Мощность слоя осадочных горных пород колеблется от 0 до

16 км, мощность гранитного слоя от 0 (в океанических впади-


180

нах) до 24 – 26 км (на континентах). Поэтому в нижнее тело биосферы, именуемое нами литосферой, в разных ее частях мо-гут входить все три слоя земной коры.

Литосфера отделяет от внутренних частей нашей планеты все остальные естественные тела, входящие в биосферу, являясь для них субстратом, на котором они располагаются.

Состав. В состав литосферы входят все типы веществ, при-сущих биосфере, но среди них явно преобладают косное и био-косное. Особенно если рассматривать гранитный слой, как сле-ды былых биосфер.

Живое вещество в этом естественном теле биосферы пред-ставлено исключительно термофильными микроорганизмами, о значительной массе которых мы можем судить по результатам их жизнедеятельности в виде залежей в земной коре газообраз-ных и жидких углеводородов.

Главнейшие процессы. Литосфере свойственен особый набор процессов. Ведущим среди них, по-видимому, следует считать глубинную дифференциацию вещества мантии планеты, которая идет по принципу зонной плавки (см. выше). Именно с этим процессом связана дегазация недр, в результате которой сформировались первичные атмосфера и гидросфера планеты. Эта дегазация недр Земли продолжается и в наши дни, привнося в океан и современную атмосферу газообразные вещества.

К литосфере приурочено последнее звено большого круго-ворота солнечной энергии (см. выше). Именно в нем при мета-морфизме и переплавке осадочных пород высвобождается зна-чительное количество законсервированной солнечной энергии. Она-то и обеспечивает в основном энергетику глубинных про-цессов.

С преобразованиями, идущими в глубине литосферы, связа-ны и возникающие в ней тектонические движения, которые приводят к опусканию, поднятию или к горизонтальным пере-мещениям отдельных участков земной коры, создавая первич-ный тектонический рельеф. В результате меняется пространст-венный характер распределения суши и моря на земной поверхности, вырастают наземные и подводные хребты. Все это влияет на характер циркуляции воздушных и водных масс .


181

* * *

Итак, литосфера играет важную биосферную роль. Она, с

одной стороны, тот базис, на котором располагаются все ос-тальные естественные тела, а также она первоначальный источ-ник всех химических элементов, участвующих в строении био-сферы. С другой стороны, именно в недрах литосферы зарождаются те тектонические движения, которые создают и периодически меняют первичный рельеф земной поверхности, влияющий на соотношение суши и моря, а также на характер циркуляции водных и воздушных масс.


182

Феномены, рождающиеся при взаимодействии естественных тел

глобальной размерности

Пространственное соседство и взаимодействие естествен-ных тел глобальной размерности порождают три биосферных феномена – климат, литогенез и эволюцию органического мира, которые так или иначе оказывают существенное влияние на ка-ждое из взаимодействующих тел.

Климат

Этот феномен еще со времен А. Гумбольдта рассматривали как результат взаимодействия атмосферы, суши и моря. Если же учесть, что на климат влияет и рельеф, который создается тек-тоническими движениями литосферы, то в возникновении этого феномена участвуют все естественные тела глобальной размер-ности.

Напомним определение климата. Климатом любого уча-

стка земной поверхности называют среднемноголетний ре-жим поступления на него тепла и влаги. Этот режим по-следовательно и закономерно изменяется по сезонам года. Как складывается этот более или менее стабильный среднемно-голетний режим поступления тепла и влаги, в общих чертах бу-дет рассмотрено ниже.

Из-за шарообразности Земли лучистая энергия Солнца, по-ступившая на земную поверхность, распределена на ней весьма неравномерно. Больше всего ее получает экваториальная зона, меньше – приполярные зоны.

Нагревание земной поверхности зависит не только от коли-чества поступившего солнечного тепла, но и от свойств самой поверхности, получающей тепло. В географии эту поверхность называют подстилающей. От ее особенностей зависит, сколько


183

из поступившего тепла пойдет на ее нагревание. Свойства подстилающей поверхности различны не только у моря и суши, но и между отдельными участками суши. В проявлении этих различий между отдельными участками суши немалую роль играет живое вещество, тот растительный покров, что им создается. В результате отдельные участки земной поверхности нагре-ваются неодинаково и также неодинаково своим длинноволно-вым излучением нагревают находящуюся над ними атмосферу. Неодинаковый нагрев атмосферы ведет к появлению разного атмосферного давления. Благодаря возникающей разности ат-мосферного давления воздушные и водные массы приходят в движение: они начинают перетекать из областей повышенного давления в зоны пониженного. Так возникает циркуляция воз-душных и водных масс. На путях движения воздушных и вод-ных потоков встают горы и подводные хребты, которые созда-ются тектоническими движениями в литосфере. Рельеф, создаваемый ими, изменяет направление движения этих пото-ков. А поскольку именно эти потоки и переносят тепло и влагу, то в результате образуется сложный рисунок перераспределения в биосфере тепла и влаги, т.е. пространственного распределения климатов.

Тектонические движения литосферы влияют на климат не только тем, что создают горы, играющие роль барьеров. Они от-ветственны и за соотношения суши и моря. Для того, чтобы по-нять этот механизм, обратимся к так называемой гипсографиче-ской кривой. Она в обобщенном виде отражает общий характер неровностей поверхности континентов и дна океанов, создавае-мых совокупным действием тектонических движений и экзоген-ных процессов, приводящих к денудации (разрушению) гор. Пер-вые создают неровности, а вторые сглаживают их.

Гипсографическая кривая – это своеобразный график, кото-рый строится следующим образом. Проводится нулевая линия, отвечающая уровню океана. Далее вверх от нулевой линии по оси ординат мы откладываем высоту рельефа на суше, вниз от нулевой линии – глубину моря, а по оси абсцисс ту площадь (в % от общей поверхности земли), которую занимают все высоты


184

(глубины) меньше (больше) принятого значения высоты (глуби-ны).

По наклону гипсографической кривой судят о степени кон-трастности рельефа суши и дна моря. Гипсографическая кривая, показанная на рисунке 11.1, отвечает современному рельефу, при котором суша занимает на земной поверхности 29%, а океан 71%. Но в прошлые геологические эпохи наклон гипсографиче-ской кривой не оставался постоянным. В начальные периоды геологического развития эта кривая могла быть и была, как бу-дет показано далее, значительно положе. В соответствии с этим менялось соотношение суши и моря, а следовательно, иным был и весь рисунок распределения подстилающих поверхностей с различными свойствами. Так тектонические движения в лито-сфере через изменения соотношений суши и моря влияют на климат.

Наблюдаемое распределение климатов в биосфере в каждый момент ее истории называют климатической зональностью. Воз-никшая климатическая зональность в первом приближении симметрична по отношению к экватору. Но вместе с тем наблю-даются определенные отклонения от двусторонней симметрии, или, как говорят, появляется диссимметрия (нарушение симмет-рии). Она – результат воздействия рельефа на распределение суши и моря, а также на циркуляцию воздушных и водных масс.

Важной характеристикой климатической зональности био-сферы является степень контрастности климатов низких и высо-ких широт. Эта степень контрастности измеряется так называе-мым термическим градиентом – разностью среднегодовых температур низких и высоких широт. Для современной клима-тической зональности свойственен термический градиент в 21°. Со временем он может меняться: уменьшаться или увеличивать-ся. Соответственно будет меняться и контрастность климатиче-ской зональности биосферы, а через это изменится и весь ход биосферных процессов. В эпохи малой контрастности климатов животный и растительный мир тропиков может продвигаться далеко на север и юг от экватора, заходя даже в приполярные области. А в эпохи высокой контрастности климатов – они в своем распространении стягиваются к экватору.


185

* * *

Итак, такой феномен, как климат, порождается взаимодей-

ствием всех естественных тел глобальной размерности. По-скольку от количества тепла и влаги, а также от режимов их по-ступления зависит большинство процессов, происходящих в естественных телах, то этот возникший феномен (климат) на-кладывает свой отпечаток на все биосферные процессы, опреде-ляя их ход.

Литогенез

Термином "литогенез" называют процесс образования оса-дочных горных пород в биосфере, точнее в ландшафтной сфере континентов и в океане. На процессы литогенеза оказывают большое влияние рельеф и климат как результирующие взаимо-действия естественных тел биосферы глобальной размерности.

Литогенез состоит из трех последовательных этапов: моби-лизации осадочного материала, переноса мобилизованного ве-щества и отложения его в конечных водоемах стока.

Мобилизация осадочного материала в основном приуро-чена к ландшафтной оболочке континентов. Она включает в се-бя разрушение (дезинтеграцию) и преобразование вещества горных пород литосферы, выходящих на земную поверхность, различными физическими агентами при участии живого веще-ства. Эти преобразования происходят в коре выветривания, в которой протекают при участии атмосферного кислорода, угле-кислого газа и окислов азота различные геохимические и био-геохимические процессы, ведущие к изменению вещества ис-ходных материнских пород. Именно при процессах выветривания такие эндогенные (глубинные) минералы, как по-левые шпаты и слюды переходят в глинистые минералы. Далее в глинах при биогеохимических процессах разрушается каоли-новое ядро, в результате чего на последующих этапах литогене-за происходит пространственное разделение Al2 O3 и SiO2.


186

Перенос мобилизованного вещества осуществляется в ос-новном текучими водами суши, а также подводными течениями в океане, а частично и воздушными потоками. Перенос вещества текучими водами осуществляется в четырех формах:

- В виде влекомых по дну крупных обломков горных пород, которые при переносе частично или полностью разрушаются.

- В виде взвешенных в воде мелких частиц. - В коллоидных растворах. - В ионных растворах, в образовании которых велика роль

живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. При переносе вещества текучими водами происходит его

дальнейшее преобразование в результате различных геохимиче-ских и биогеохимических процессов. В частности, продолжается подготовка к раздельному осаждению Al2 O3 и SiO2 в конечных водоемах стока.

Осаждение перенесенного вещества происходит в основ-ном в океане как конечном водоеме стока, но частично транс-портируемый материал может откладываться и в бессточных понижениях рельефа континентов. В конечных водоемах стока ионные растворы постепенно накапливаются и становятся более концентрированными благодаря испарению воды. Так формиру-ется солевой состав океанических вод. В осаждении привнесен-ного материала в конечных водоемах стока огромную роль иг-рают живые организмы. Именно они извлекают из морской воды и переводят в осадок огромные массы карбоната кальция, образуя толщи известняков. Радиолярии и диатомовые водорос-ли для построения своего скелета извлекают кремнекислоту, об-разуя на дне слой радиоляритов и диатомитов, обогащенных SiO2.

Типы литогенеза. Поскольку все физические, геохимиче-ские и биогеохимические процессы мобилизации вещества, его переноса и осаждения зависят от количества тепла и влаги, то климат в основном и определяет характер литогенеза. Н.М. Страхов (1963) выделяет следующие типы литогенеза – гумидный, аридный и ледовый, которые значительно различа-ются между собой по характеру физических, геохимических и биогеохимических процессов. Этот исследователь выделил и


187

азональный тип литогенеза – вулканогенно-осадочный, который формируется в любых климатических зонах под влиянием вул-канизма как наземного, так и подводного.

В процессе литогенеза образуются осадочные породы, обо-гащенные кремнекислотой (кварцевые песчаники, радиоляриты и т.д.). Эти породы нисходящими тектоническими движениями опускаются в недра литосферы. Там они переплавляются и воз-вращаются на поверхность, но уже в виде гранитной магмы, ко-торая, застывая, образует цоколь континентов. Без поверхностно-го разделения окислов алюминия и кремнезема, в котором решающую роль играет атмосферный кислород и живое вещест-во, невозможно получить исходный материал, при плавлении ко-торого получалась бы гранитная магма.

Таким образом, литогенез является начальным звеном большого круговорота солнечной энергии, о котором говори-лось ранее. Как раз в процессе литогенеза и происходит частич-ная консервация лучистой энергии Солнца в обломочных и гли-нистых породах, образующихся в процессе литогенеза.

* * *

Итак, литогенез возникает в результате взаимодействия всех

естественных тел биосферы глобальной размерности. Это взаи-модействие проявляется как непосредственно, так и через кли-мат, который определяет пространственное расположение типов литогенеза. В свою очередь литогенез является важнейшим зве-ном в большом круговороте солнечной энергии, который обес-печивает в значительной степени энергетику глубинных процес-сов. Кроме того, литогенез в ходе геологической истории биосферы изменяет строение отдельных естественных тел (ли-тосферы, океана и ландшафтной сферы).

Эволюция живого вещества

Этот феномен биосферы можно изучать и изучают с самых разных точек зрения. В первую очередь внимание привлекает то


188

разнообразие живых организмов, которое возникло в процессе эволюции. У исследователей появляется желание провести их классификацию, т.е. разработать систематику живых организ-мов. После того, как такая классификация, в основном, проведе-на, возникает интерес к более глубокому познанию морфологии и физиологии отдельных видов, а также к установлению родст-венных связей между выделенными таксонами. Эти родствен-ные связи показываются филогенетических схемах, которые де-монстрируют, кто от кого произошел. Выяснение взаимосвязей между отдельными видами и особями, а также между ними и окружающей их средой, привело к становлению такой биологи-ческой науки, как экология. И, наконец, стремятся понять меха-низм самого эволюционного процесса, определить факторы эво-люции.

В данном случае, когда мы рассматриваем внутреннее строение биосферы, стремясь понять геологическое проявление живого вещества как планетного явления, нас будет интересо-вать в первую очередь взаимодействие живого вещества с есте-ственными телами биосферы глобальной размерности. Иными словами, в обобщенном виде попытаемся разобраться в трех во-просах:

- в результате чего возникает эволюция живого вещества, - как эта эволюция влияет на естественные тела биосферы, - как они, в свою очередь, влияют на эволюцию. В результате чего возникает эволюция живого вещест-

ва. В.И. Вернадский считал, что “на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. ... Жизнь является великим, постоянным и непрерывным нарушителем химической косности поверхности нашей планеты” (Вернадский, 1960, с. 21 – 22). Та-кой взгляд В.И. Вернадского на живые организмы позволил ему внести ряд существенных дополнений в понимание вида. Если раньше, до его работ, вид рассматривали как морфофизиологи-ческую определенность, то В.И. Вернадский в основные его ха-рактеристики ввел присущий ему средний химический состав, а также геохимическую энергию вида, под которой он понимал


189

эффект воздействия вида на окружающую среду. В.И. Вернадский показал, что с повышением геохимической энергии вида усиливается биогенная миграция атомов. После его работ многие естествоиспытатели стали считать, что вид – это морфологическая система, помноженная на геохимическую определенность.

Это огромное влияние жизни на окружающую среду прояв-ляется в том, что В.И. Вернадский назвал давлением жизни. Оно происходит при росте и размножении организмов как результат превращения энергии Солнца в биогеохимическую энергию.

Давление жизни проявляется двояко. Во-первых, в большой скорости размножения, быстрой смене поколений, что ведет к увеличению численности особей любого вида и к их стремле-нию расширять ареал своей жизнедеятельности. Во-вторых, в том, что биогеохимические процессы, в которых самым непо-средственным образом участвует живое вещество, преобразуют естественные тела биосферы.

В свою очередь естественные тела биосферы на это давле-ние жизни накладывают свои ограничения, которые возникают из-за сравнительно небольших запасов в них биогенных хими-ческих элементов, ограниченного количества приходящей лучи-стой энергии Солнца, а также ограниченного пространства са-мой биосферы.

Эта ограниченность жизненно важных природных ре-сурсов порождает среди живых организмов жесточайшую конкуренцию за питательные минеральные вещества, за газ, необходимый для дыхания, за лучистую энергию и за про-странство для своей жизнедеятельности.

В этой борьбе, в конечном счете, побеждает тот, кто су-меет эти ограниченные ресурсы использовать наиболее эф-фективно. Собственно в этом и проявляется принцип конку-ренции как тонкая настройка механизма биогеохимических круговоротов на наиболее эффективное использование ограни-ченного количества природных ресурсов в жизнедеятельности организмов. Такая конкуренция неизбежно ведет к естественно-му отбору наиболее приспособленных к этим правилам игры,


190

сложившимся в биосфере вследствие ограниченности ее ресур-сов.

Само развитие жизни В.И. Вернадский связывал с постоян-ным противоречием между способностью организмов к быстро-му размножению и ограниченностью материальных и энергети-ческих ресурсов жизни в каждый момент геологического времени. Он видел разрешение этого противоречия в создании все более прогрессивных форм, способных как к завоеванию но-вых зон жизни, овладению новыми источниками минеральных веществ, так и к более эффективному использованию уже осво-енных ресурсов. Иными словами, эволюция живого вещества – это способ разрешения противоречия между способностью организмов к быстрому размножению и ограниченностью ресурсов жизни.

Влияние эволюции живого вещества на естественные тела биосферы

На основе анализа большого фактического материала В.И. Вернадский сформулировал в виде эмпирических обобще-ний три следующих биогеохимических принципа.

1. Биогенная миграция атомов стремится к максимуму. 2. Эволюция видов в ходе геологического времени идет по

пути увеличения биогенной миграции атомов в биосфере. Сло-жившиеся системы биогеохимических круговоротов препятст-вуют возникновению форм с более низкой биогеохимической энергией. Однако не каждый вид должен эволюционировать в сторону ускорения миграции.

3. В каждый период геологического времени заселение пла-неты должно быть максимально возможным для живого веще-ства.

В геологической истории биосферы живое вещество, как мы покажем в дальнейшем, постепенно, шаг за шагом, распростра-нило поле жизни на все естественные тела биосферы глобальной размерности. Впервые появившись в океане, оно полностью ос-воило его пространство. Потом, чтобы снять те ограничения, ко-торые накладывали на их развитие физико-химические свойства


191

морской воды, живые организмы вышли на сушу. Это случилось примерно 400 млн. лет тому назад. Выйдя на сушу, живое веще-ство освоило поверхность континентов, создав ландшафтную сферу с многоярусным распространением живых организмов.

Далее пришла очередь атмосферы, которую, кроме микро-организмов, заселили птицы. Они стали играть решающую роль в обмене вода – суша. Они явились, с геохимической точки зре-ния, антиподом рек. Реки выносили элементы в конечные водо-емы стока, а птицы с моря на сушу. Появление птиц резко уси-лило миграцию атомов в биосфере. Достаточно вспомнить их сезонные миграции на многие тысячи километров и суточные миграции суша – море. “Создание этих летающих видов позво-ночных резко отразилось на химическом богатстве моря и суши, оно внесло изменения в историю отдельных элементов” (Кол-чинский, 1990, с. 38).

Мы пока еще не знаем, когда и как далеко вглубь в верх-нюю часть литосферы проникло живое вещество. Но то, что оп-ределенные формы микроорганизмов освоили какую-то часть подземного пространства, по крайней мере, до глубин 8 км, это несомненный факт. Он подтверждается наличием уже извест-ных огромных запасов нефти и газа, которые являются побоч-ными продуктами жизнедеятельности этих микроорганизмов.

Рассмотрим конечные результаты той стороны давления жизни, которая выражается в биогеохимическом преобразова-нии естественных тел биосферы. Самое главное заключается в том, что давление жизни создало в биосфере особые термоди-намические условия, которые привели к сокращению энтропии и росту превратимой энергии в ней.

Наиболее наглядно эта сторона давления жизни проявилась, в превращении восстановительной обстановки на нашей планете в окислительную, а также в формировании и стабилизации со-левого состава океанических вод, газового состава атмосферы, в преобразовании химической и минеральной структуры горных пород верхней части литосферы.

Огромная геохимическая роль живого вещества подчерки-вается еще и тем, что, хотя масса его на много порядков меньше массы любого естественного тела глобальной размерности, оно


192

сумело в течение геологического времени создать неимоверно большое количество биокосного вещества, которое стало играть основную роль в строении естественных тел биосферы. Ведь атмосферный воздух, океанические воды, большинство осадоч-ных горных пород – все это, по существу, разные тела, сложен-ные биокосноым веществом. Да и сами граниты, слагающие цо-коль континентов, можно рассматривать как продукты переработки биокосных тел былых биосфер.

Для того, чтобы оказывать такое огромное давление, кото-рое мы наблюдаем в биосфере, живое вещество должно обла-дать очень большими запасами превратимой энергии. Как уже говорилось ранее, эти запасы создаются благодаря способности живого вещества концентрировать и консервировать энергию. Эта способность проявляется в первую очередь в фотосинтезе, который присущ морским и наземным зеленым растениям. По современным оценкам, морская и наземная растительность по-ставляет в атмосферу примерно равные количества кислорода, который получается как побочный продукт фотосинтеза. По-верхность суши почти в 2,5 раза меньше поверхности океана. Поэтому надо признать, что фотосинтез у наземной раститель-ности протекает более интенсивно, чем у морской.

Помимо уже отмеченного выше замечательного свойства живого вещества – концентрировать и запасать биогеохимиче-скую энергию впрок, у него, геологически сравнительно недав-но, проявилось еще одно свойство. Оно было открыто в послед-ней четверти Х1Х столетия нашим соотечественником С.А. Подолинским (1991). Этот замечательный естествоиспыта-тель показал, что “процесс человеческого труда есть такой особенный процесс природы, который может считаться усили-телем мощности. Само собой разумеется, что для “усиления” мощности на самом деле необходимо “улавливать” тот или иной поток энергии. Одним из самых простых примеров “улавлива-ния” потока энергии является фотосинтез – тот самый фотосин-тез, который и обеспечивает рост растений” (Кузнецов, 1991, с. 8). Такими потоками энергии, помимо фотосинтеза, могут быть ветер, падающая вода, процесс радиоактивного распада и, нако-нец, те запасы биогеохимической энергии, что были созданы


193

живым веществом в залежах каменного угля и углеводородов. Именно С.А. Подолинский показал, что единственным природ-ным процессом, который характеризуется коэффициентом по-лезного действия свыше ста процентов, является человеческий труд.

Итак, говоря словами В.И. Вернадского, “живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосфе-ры, действенная его энергия по сравнению с энергией косного вещества огромна. Живое вещество есть самая мощная геологи-ческая сила, растущая с ходом времени” (1965, с. 127). Этот ее рост обусловлен эволюцией живого вещества, возникшей для разрешения противоречия между способностью организмов к быстрому размножению и ограниченностью в биосфере ресур-сов жизни.

Влияние естественных тел биосферы на эволюцию жи-

вого вещества. Эволюция основана на таких свойствах живого вещества, как скорость передачи жизни и приспособляемость. Скорость передачи жизни зависит как от характера механизма размножения, так и от пределов, которые определяются разме-рами и свойствами нашей планеты. Это первый уровень влияния окружающей среды на процесс эволюции.

“Скорость передачи жизни не есть простое выражение свойств автономных организмов или их совокупностей – живых веществ; она выражает их размножение в соответствии с био-сферой как планетное явление. В ее выражение неизбежно вхо-дят элементы планеты – величины ее поверхности и ее экватора. Мы имеем здесь аналогию с некоторыми другими свойствами организма, например, с весом. Вес организма на Земле и того же организма на другой планете будет иной, хотя организм может при этом не измениться. Точно так же и скорость передачи его жизни, например, на Земле или Юпитере, площадь и экватор ко-торого иные, чем на Земле, будет иная, хотя сам организм оста-вался бы при этом неизменным.

Этот специфический земной характер скорости передачи жизни вызывается тем ограничением, которое свойства и харак-тер Земли как планеты и биосферы как космического явления


194

вносят в проявление заложенного в организмах как автономных созданиях механизма размножения. ... Размножение всех орга-низмов выражается геометрическими прогрессиями. ... Процесс мыслится бесконечным, как бесконечной является прогрессия. Эта бесконечность возможности проявления размножения орга-низма сказывается в подчинении этого проявления в биосфере, т.е. растекания живого вещества, правилу инерции. Может счи-таться эмпирически установленным, что процесс размножения задерживается в своем проявлении только внешними силами; он замирает при низких температурах, прекращается или ослабля-ется при недостатке пищи или дыхания, при отсутствии места для обитания вновь создаваемых организмов. ... Если не будет внешних препятствий, всякий организм в разное время, опреде-ленное для него время, может размножением покрыть весь зем-ной шар, произвести по объему потомство, равное массе океана или земной коры. ... Чем размножение идет быстрее, тем дыха-ние становится интенсивнее. По степени газового обмена мы всегда можем судить об интенсивности жизни. ... Дыхание, оче-видно, регулирует весь этот процесс на земной поверхности, ус-танавливает взаимные соотношения между количеством орга-низмов разной плодовитости, определяет, подобно температуре, величину показателя прогрессии размножения, которой может достигать данный организм в действительности. В мире орга-низмов в биосфере идет жесточайшая борьба за существова-ние – не только за пищу, но и за нужный газ, и эта последняя борьба более основная, так как она нормирует размножение. Дыханием определяется максимально возможная геохимическая энергия жизни на гектар” (Вернадский, 1960, с. 28 – 34).

Приспособляемость живых существ необычайно велика, а формы ее проявления при расширении поля жизни бесчислен-ны. Но все же существуют определенные ограничения на этот незапрограммированный вероятностный процесс эволюции ви-дов, в основе которого лежат геохимические явления. Во-первых, это те ограничения, которые накладывают естественные тела биосферы вследствие ограниченности в них материальных и энергетических ресурсов, необходимых для развития жизни. Во-вторых, эти ограничения связаны с уже сложившимися и по-


195

тому инерционными, круговоротами вещества и потоков транс-формированной энергии. Это второй уровень влияния уже есте-ственных тел глобальной размерности на процесс эволюции.

Преодоление указанных выше ограничений и определяет главные направления эволюции.

Первое направление – это повышение эффективности гео-химической энергии для расширения поля жизни. Известно, что наибольшая геохимическая энергия присуща бактериям, циано-фитам и другим микроорганизмам за счет продуцирования и расходования больших количеств биомасс. Но нас должно инте-ресовать в эволюционном процессе не просто количество гео-химической энергии, а эффективность ее использования для расширения поля жизни. К.М. Завадский (1958) предложил весь-ма простой и наглядный способ оценки этой энергетической эф-фективности при помощи критерия выживаемости. У низших организмов этот критерий выживаемости равен 1⁄109 – 1⁄1010 осо-бей из числа родившихся. У высших животных он достигает 10 – 30% от числа родившихся. Огромное число родившихся осо-бей у бактерий можно рассматривать как своеобразную стра-ховку: кто-нибудь да выживет и даст потомство.

Второе направление – появление организмов, наиболее эффективно использующих солнечную энергию для синтеза ор-ганических веществ. Это направление реализуется в эволюции наземного растительного покрова.

Третье направление – эволюция двигательной активности животных как средство усложнения цикла миграции химиче-ских элементов в биосфере. Активный перенос их животными в разные части биосферы.

Четвертое направление – цефализация как развитие и ус-ложнение центральной нервной системы, появление умственной деятельности. Это способствует ускорению биогенной миграции атомов. К этому направлению принадлежит и появление чело-веческого труда, который, как говорилось выше, С.А. Подолинский (1991) рассматривал как своеобразный “уси-литель” мощности.

Когда прослеживают в геологической истории биосферы эти генеральные направления эволюции и другие, им подчинен-


196

ные, то сразу бросается в глаза неравномерность темпов разви-тия. Эта неравномерность послужила основанием для выделе-ния этапности развития органического мира прошлого. Такой прерывисто-непрерывный характер развития живого вещества был установлен еще в ХIХ веке. Можно предполагать, что пре-рывистость развития фаун в известной мере послужила Ж. Кювье основанием для создания теории катастроф. Вместе с тем великие эволюционисты прошлого (Ч. Дарвин, Ж. Ламарк, А. Уоллес) с несомненностью доказали непрерывный характер развития органического мира. Впоследствии эти две стороны единого процесса эволюции не раз привлекали внимание многих исследователей. Подробная история этого вопроса освещена Л.Ш. Давиташвили (1948) и В.В. Меннером (1962). В.В. Меннер рассматривал этапность развития органического мира в тесной взаимосвязи с циклическими изменениями физико-географических условий среды обитания. Эти его представления детализировала Е.А. Рейтлингер (1966), предположив, что при-чина этапности кроется в чередовании типов эволюционных преобразований (ароморфных и идиоадаптационных), выделен-ных А.Н. Северцевым (1949). Этот замечательный отечествен-ный исследователь, современник В.И. Вернадского, обобщив огромный фактический материал по морфологии позвоночных, сделал ряд важных эмпирических обобщений. Одно из них каса-ется выделения типов эволюционных преобразований, среди ко-торых он различал два основных: ароморфоз – поднятие общей организации, и идиоадаптацию – развитие частных приспособ-лений. Е.А. Рейтлингер (1966) высказала мнение, что этапы от-деляются друг от друга крупными ароморфными преобразова-ниями, которые повышают общий уровень организации организмов. Это обеспечивало им господство над всеми осталь-ными. Впоследствии ароморфные преобразования сменяются идиоадаптационными.

Для того, чтобы понять возможную причину чередования типов эволюционных преобразований, обратимся к работам другого замечательного отечественного биолога-эволюциониста – И.И. Шмальгаузена (1946). Он показал, что эволюционный процесс состоит из накопления резерва измен-


197

чивости и его мобилизации при изменении внешних условий. При полном вскрытии большого резерва изменчивости мы на-блюдаем ароморфные преобразования. Частичное вскрытие ве-дет к идиоадаптации.

Резерв изменчивости возникает при стабилизирующей роли отбора, когда в популяциях накапливаются мутации, перешед-шие в рецессивную форму и “малые” мутации. Величина резер-ва изменчивости зависит от частоты и повторяемости появления мутаций, от остроты отбора и величины популяции. Чем чаще повторяются мутации, чем меньше острота отбора, и чем боль-ше размер популяции, тем больше накапливается резерв измен-чивости.

Вскрытие резерва изменчивости может быть полным или частичным. Частичное вскрытие наблюдается, когда из-за изме-нения в соотношениях организма с внешней средой меняются направления естественного отбора. Частичное вскрытие резерва изменчивости происходит в той части, которая лежит в направ-лении действия естественного отбора. Преобразование организ-мов в этом случае определяется ведущей формой естественного отбора и означает замену в процессе эволюции одних частных приспособлений другими. Иначе говоря, происходит идиоадап-тация.

Полное вскрытие всего резерва изменчивости (мобилизация всех скрытых возможностей вида в любых направлениях) про-исходит в тех случаях, когда сам отбор теряет свою строгую на-правленность или его влияние значительно ослабевает. Это на-блюдается при наступлении биологического оптимума, т.е. обстановки, при которой вид “наиболее обеспечен жизненными средствами и активная конкуренция сведена к минимуму, пло-довитость максимальна, а элиминация имеет наиболее случай-ный характер” (Шмальгаузен, 1946, с. 212). Такой биологиче-ский оптимум возможен при освоении новых экологических ниш и во время интенсивной прямой истребляемости особей вследствие воздействия мощной силы органической или неорга-нической природы, которая не имеет избирательного характера и не допускает большого увеличения численности.


198

Таким образом, надо посмотреть, какие факторы спо-собствовали накоплению большого резерва изменчивости и полному его вскрытию. Они подразделяются на общие и част-ные. Общий фактор – колебания в течение геологического вре-мени естественного фона радиации биосферы, что приводит к изменению частоты мутаций. Этот естественный фон складыва-ется из излучения, происходящего в результате естественного распада радиоактивных элементов семейств урана и тория, а также ряда радиоактивных изотопов, и, в первую очередь К40.

Увеличение содержания радиоактивных элементов в био-сфере происходит в так называемые эпохи орогенеза. В эти эпо-хи в складчатых поясах Земли интенсивно росли горы, и ожива-ла вулканическая деятельность. Благодаря вулканическим извержениям в биосферу привносились большие массы грани-тоидных пород, обогащенных радиоактивными элементами. Они-то и повышают естественный фон радиации в биосфере. С течением времени часть поступивших радиоактивных элементов распадется, повышая естественный фон радиации, другая в про-цессе литогенеза захороняется в толщах осадочных горных по-род, и естественный фон радиации в биосфере снижается до на-ступления новой эпохи орогенеза.

К частным факторам, влияющим на накопление резерва из-менчивости и полное его вскрытие, относится определенная (оптимальная для этого) величина популяции. Как было подме-чено многими исследователями, такая численность ее чаще все-го в наземных условиях возникала в горных системах. Именно к ним приурочены установленные Н.И. Вавиловым центры про-исхождения культурных растений и их диких предков. В морях и океанах такие размеры популяций чаще всего были приуроче-ны к геосинклинальным бассейнам прошлого, которые в извест-ной мере являются аналогами наземных горных систем. К ним, как правило, были приурочены центры зарождения крупных групп морских организмов.

Таким образом, прерывисто-непрерывный характер эволю-ции живого вещества, проявляющийся в этапности развития жи-вых организмов, в самом общем виде, обусловлен теми цикли-ческими процессами, которые происходят в недрах литосферы


199

(периодичность тектонических движений и гранитоидного вул-канизма). В этом проявляется воздействие естественных тел гло-бальной размерности на эволюционный процесс.

* * *

Итак, эволюция живого вещества – это удачно найденный

им эффективный способ разрешения противоречия между спо-собностью и стремлением организмов к быстрому размножению и ограниченностью ресурсов жизни. Это всего лишь способ по-вышения производительности того природного капитала, кото-рый обеспечивает жизнедеятельность живого вещества. Осо-бенность найденного способа состоит в том, что для того, чтобы обеспечить повышение производительности природного капи-тала, живому веществу необходимо было совершенствовать свои качества. Возникновению эволюции способствовали воз-действия на живое вещество тех периодических природных процессов, которые возникали и возникают в естественных те-лах биосферы под влиянием Космоса, в частности небесной ме-ханики. При этом происходило преобразование периодических процессов, присущих естественным телам, в необратимую эво-люцию живого вещества. Эволюционирующее живое вещество постепенно охватило и стало перестраивать все химические процессы биосферы. Так необратимая эволюция живых орга-низмов привела, в конечном счете, к необратимому развитию всей биосферы.


200

Процессы, свойственные естественным телам биосферы

Любое естественное тело, о котором говорилось выше, не является чем-то застывшим и неизменным. Каждое из них не-прерывно как-то преобразуется. Эти преобразования мы вос-принимаем как процессы, происходящие в естественных телах. Само слово "процесс" заимствовано из латинского языка. В пе-реводе на русский оно означает – ход, прохождение, продвиже-ние. В науке под процессом понимается закономерная, последо-вательная смена следующих друг за другом моментов развития чего-либо, в котором происходит взаимодействие определенных элементов, слагающих развивающуюся систему.

В биосфере, в первом приближении, различают четыре ос-новных типа процессов:

- геологические, - геофизические, - биологические - геохимические, и биогеохимические. Эти типы процессов различаются, прежде всего, характером

взаимодействующих в них элементов, а также своими простран-ственно-временными параметрами.

В первом случае – это горные породы и их комплексы, во втором – водные и воздушные массы, в третьем – это особи жи-вых организмов и их сообщества, в четвертом – химические эле-менты и их соединения.

Каждый из перечисленных типов объединяет большое раз-нообразие процессов, которые классифицируются и детально изучаются в отдельных естественных науках: геологии, учениях о гидросфере и атмосфере, биологии, геохимии и биогеохимии. Ниже, не углубляясь в дебри специальных наук, мы рассмотрим в общем виде только те, которые играют наиболее существен-ную роль в становлении и развитии биосферы, и постараемся показать, в чем состоит их биосферная роль, какие между ними существуют взаимосвязи. Укажем также и ту субординацию,


201

которая установилась между ними. Это поможет нам понять ор-ганизованность биосферы.

Геологические процессы

В геологических процессах проявляется поступательное развитие каменного тела нашей планеты. В этих процессах взаимодействуют огромные массы горных пород. Они охваты-вают большие площади в сотни тысяч, а порой и миллионы квадратных километров. Длительность этих процессов чрезвы-чайно велика, по сравнению с жизнью отдельного человека, – миллионы, десятки миллионов лет, хотя отдельные проявления геологических процессов могут совершаться чрезвычайно быст-ро – в считанные секунды. К примеру, землетрясения, при кото-рых мгновенно разряжаются напряжения в земной коре, накап-ливающиеся длительное время. По мощи своего проявления геологические процессы представляют собой грандиозные и грозные для человека, как и для всего живого, силы природы.

Человечество может им противопоставить только свою спо-собность мыслить, познавать сущность и характер проявления этих грозных сил природы. И это уже не мало, так как дает нам возможность найти правильный путь в организации своей жиз-ни: не идти наперекор стихии, а вписывать свою деятельность в ход геологических процессов, проявляя при этом осторожность и предусмотрительность. Такой способ действий позволяет вы-жить и минимизировать ущерб, наносимый человечеству геоло-гическими процессами. Для этого организуется специальная инженерно-геологическая служба, с разветвленной сетью посто-янных станций, следящих за ходом разнообразных геологиче-ских процессов (сейсмических, вулканологических, оползневых и т.д.). Затраты на содержание такой службы окупаются с лих-вой.

Вместе с тем не надо забывать, что деятельность человека достигла такой силы, что она может провоцировать проявления этих грозных геологических сил. К примеру, создаваемые чело-веком гигантские водохранилища ведут к нарушению геодина-


202

мического равновесия в недрах Земли, что провоцирует земле-трясения. К таким же последствиям может приводить интенсив-ная добыча в больших объемах нефти, газа, воды из недр Земли, запуски космических кораблей. Неграмотная прокладка дорог в горной местности приводит к развитию гигантских оползней и т.д.

Геологические процессы условно (по пространству своего проявления) подразделяются на эндогенные, идущие в недрах земного шара, и экзогенные, ареной действия которых является дневная поверхность, т.е. непосредственно в биосфере. Но под-черкнем, что такое подразделение весьма условно, так как эндо-генные и экзогенные процессы, тесно переплетаясь, образуют одно неразрывное целое.

Эндогенные процессы. Среди них отметим две важнейшие для биосферы группы. Во-первых, это магматизм, со всеми со-путствующими ему явлениями, а во-вторых, – тектонические движения земной коры. Эти эндогенные процессы порождаются глубинными преобразованиями планетного вещества в недрах Земли (в ядре, мантии и земной коре).

Магматические процессы начинаются с расплавления ог-ромных масс горных пород. Это происходит в результате изме-нений термодинамических условий в недрах Земли либо при увеличении температуры, либо при внезапном уменьшении дав-ления на отдельных участках. Считают, что часто спусковым механизмом этого процесса является та теплота, которая выде-ляется при распаде естественных радиоактивных элементов.

Если эта реакция плавления горных пород происходит в земной коре, то при ней высвобождается законсервированная в горных породах солнечная энергия. Такое высвобождение – по-следний этап в большом круговороте солнечной энергии.

От магматических расплавов отделяется газовая состав-ляющая и так называемые гидротермальные растворы. И те, и другие, достигая дневной поверхности, попадают в биосферу. Газовые струи при извержении вулканов могут вырываться на поверхность земли, увлекая за собой тучи вулканического пепла и более крупные обломки пород в виде вулканических бомб, но эти же газы могут и медленно просачиваться по трещинам в


203

горных породах, образуя так называемое газовое дыхание Зем-ли.

Гидротермальные растворы проникают по трещинам и ос-лабленным зонам земной коры. Они несут растворы многих хи-мических элементов, особенно металлов. На своем пути они по-падают в разные термодинамические условия. По мере их изменения гидротермальные растворы последовательно осво-бождаются от многих своих компонентов, создавая залежи руд-ных минералов, которые мы называем месторождениями полез-ных ископаемых. Сама магма может застывать в толще земной коры, и тогда образуются комплексы интрузивных магма-тических пород, или же извергаться на дневную поверхность в виде лавовых потоков. В этом случае возникают комплексы эф-фузивных изверженных пород.

Магматические процессы порождены той глубинной диф-ференциацией протопланетного вещества, идущей по типу зон-ной плавки, о которой говорилось ранее. Собственно говоря, благодаря этой глубинной дифференциации, выступающей в виде магматизма и сопровождающих его явлений, и образова-лись газовая и водная оболочки Земли и первичная земная кора (базальтовый слой), т.е. сформировались те тела глобальной размерности, которые потом стали основными элементами био-сферы.

Магматические проявления и сопровождающие их гидро-термальные процессы распределены неравномерно в недрах Земли. Это создает предпосылки для формирования тех неодно-родностей биосферы, которые предстают перед нами в виде континентов.

Тектонические движения. Этим термином обозначают пе-ремещение в пространстве масс горных пород, со всеми сопут-ствующими явлениями. При таких перемещениях горные поро-ды сминаются в складки, часто происходят разрывы их сплошности, которые называются разломами. По своей направ-ленности (по отношению к земной поверхности) тектонические движения могут быть вертикальными, которые создают подня-тия и впадины, и горизонтальными, создающими огромные над-виги одних пород на другие.


204

О том, каким движениям отдать предпочтение (вертикаль-ным или горизонтальным), в геологии идут долгие и жаркие споры. Мы не будем вдаваться в подробности этих дискуссий. Для нас важен сам факт наличия в природе вертикальных и го-ризонтальных движений земной коры, которые создают на дневной поверхности разность высот, в результате чего возни-кает рельеф. Формирование рельефа усложняет ту дифферен-циацию земной поверхности, которая является следствием ша-рообразности нашей планеты.

Наличие рельефа в совокупности с морями и океанами при-водит к тому, что лучистая энергия солнца преобразуется в энергию движущейся воды, стекающей с поднятий в низины. Эта движущаяся вода сглаживает возникшие неровности земной поверхности: поднятия разрушаются, а впадины заполняются продуктами их разрушения. В результате вместо гор и низин вновь возникает выровненная поверхность, которую геологи на-зывают пенепленом. Потом на месте пенеплена снова могут вы-расти горы, и все повторится с начала. Создание и выравнива-ние рельефа происходит периодически. Один оборот такой спирали называют геоморфологическим циклом. Его длитель-ность измеряется миллионами и даже десятками миллионов лет, а площадь проявления охватывает тысячи, миллионы квадрат-ных километров.

Экзогенные геологические процессы. Они в основном связаны с литогенезом, образованием осадочных горных пород. О литогенезе подробнее расскажем ниже, отметив лишь одно обстоятельство. Если при глубинной дифференциации вещества его разделение шло по температуре плавления (тугоплавкие от-делялись от легкоплавких), то при поверхностной дифферен-циации разделение идет по другим признакам: по удельному ве-су минералов и горных пород, по степени растворимости в водных растворах.

Для нас самыми главными моментами в экзогенных процес-сах будут следующие два. Первый связан с консервацией сол-нечной энергии при разрушении горных пород движущейся во-дой и при геохимическом преобразовании их состава в приповерхностных условиях, поскольку эти процессы идут с по-


205

глощением солнечного тепла. Осадочные породы вместе с за-консервированной солнечной энергией нисходящими тектони-ческими движениями перемещаются в недра Земли. Там в иных термодинамических условиях происходят различные преобразо-вания минералов осадочных горных пород, которые идут с вы-делением тепла. Эта тепловая энергия расходуется на плавление горных пород, превращение их в магму. Так завершается боль-шой круговорот солнечной энергии: он начинается в биосфере, а заканчивается в недрах Земли.

Второй очень важный момент состоит в том, что экзогенные процессы создают условия для постоянного течения приповерх-ностных геохимических процессов, при которых происходит преобразование трудно растворимых в воде минералов глубин-ного происхождения в легкорастворимые соединения. Этим об-легчается использование их для питания организмов, что созда-ет благоприятные предпосылки для возникновения и дальнейшего развития живого вещества.

Из химии вы знаете, что при определенных термодинамиче-ских условиях в химических реакциях быстро устанавливаются подвижные равновесия между исходным веществом и продук-тами его преобразования, в результате чего химические реакции затухают. При экзогенных геологических процессах происходит постоянное удаление продуктов преобразования горных пород, благодаря чему геохимические реакции идут постоянно, не за-тухая.

Значение геологических процессов для развития био-сферы. Самым главным результатом геологических процессов явилось появление воздушной и водной оболочек, что создало основные предпосылки для возникновения биосферы. Не менее важный результат – это формирование ими рельефа земной по-верхности, который создал не только дифференциацию внут-реннего пространства биосферы, но и явился предпосылкой для преобразования солнечной энергии в энергию движущейся во-ды. Возникший рельеф создал условия для распределения воды на дневной поверхности. Именно благодаря этому существуют знакомые всем нам родники, ручьи, реки, озера, моря и океаны.


206

Горы оказывают влияние на циркуляцию воздушных и вод-ных масс, на распределение влаги, переносимой в атмосфере. Общеизвестно, что с наветренной стороны гор осадков выпадает больше, чем на противоположном склоне.

Далее зарождение циклонов происходит там, где наблюда-ется большое скопление островов. Такие архипелаги островов есть в юго-восточной Азии, а также в Карибском море. Однако циклоны временами могут зарождаться и вне архипелагов ост-ровов прямо посреди водной глади океана. Это происходит при сильных подводных землетрясениях. Такие эпизодические ци-клоны нарушают сложившуюся динамику воздушных масс, внося непредсказуемые изменения в кухню погоды.

Заканчивая гимн рельефу, отметим, что в горных массивах создаются наиболее оптимальные условия для биологических процессов, связанных с образованием новых таксонов. С одной стороны, расчлененный рельеф формирует большое разнообра-зие условий для обитания организмов. С другой стороны, гор-ным странам присущи колебания естественного радиоактивного фона, что связано с периодичностью магматических процессов. Более подробно об этом будет рассказано ниже.

* * *

Итак, геологические процессы, зарождаясь в недрах Земли,

прямо или косвенно влияют на развитие всех остальных био-сферных процессов, формируя арену их действий. По своей масштабности, мощи и всеохватности геологические процессы являются самыми грозными силами природы. Они не подвласт-ны людям, хотя, как уже говорилось, мы своими действиями можем провоцировать их проявление. Человечество не может преодолеть действие этих сил, но вполне может их познавать, для того чтобы предвидеть их проявление и соответствующим образом строить свою жизнь и организовывать свою деятель-ность так, чтобы ущерб от них был минимальным.


207

Геофизические процессы

Эти процессы возникают в самой биосфере в результате по-стоянного взаимодействия гидросферы, атмосферы и ланд-шафтной сферы, а движущей силой этого взаимодействия явля-ется лучистая энергия Солнца и силы, действующие в небесной механике (вращение нашей планеты, сила земного притяжения, влияние Солнца и Луны). В результате этих взаимодействий в атмосфере, гидросфере формируются воздушные и водные мас-сы, в том числе в виде снега и льда. Воздушные массы отлича-ются друг от друга, главным образом, температурой и содержа-нием в них влаги, а также количеством взвешенных частиц горных пород в виде пыли. Водные массы различаются между собой температурой, количеством растворенных в них газов, а также по содержанию взвешенных частиц и химических эле-ментов.

Геофизические процессы, так же как и геологические, охва-тывают огромные площади в десятки, сотни, а иногда даже в миллионы квадратных километров. Но они, в отличие от геоло-гических, более быстротечны. Их длительность измеряется не миллионами лет, а часами, сутками, максимум десятками и сот-нями лет. Им, как и геологическим, свойственна периодичность, обусловленная космическими причинами, в первую очередь процессами, происходящими на Солнце. Различают 11-летние, 33-летние, вековые, 1500-летние циклы, вплоть до галактиче-ского года, измеряемого первыми сотнями миллионов лет.

Тепло-влаго-газообмен между атмосферой, гидросферой и ландшафтной сферой является самым грандиозным из геофизи-ческих процессов. В этом постоянно идущем процессе гидро-сфера из-за своей большой величины и инертности играет роль буферной системы, сглаживающей температурные контрасты, а также поддерживая относительное постоянство газового состава атмосферы. Воды океана и нижние слои атмосферы находятся в динамическом равновесии: при изменении термодинамических условий обменные реакции сдвигаются в ту или иную сторону.


208

При нарушении установившихся равновесий океан поглощает излишки тех или иных газов, в основном кислорода и углеки-слоты, а при недостатке выделяет их в атмосферу.

Постоянная циркуляция воздушных масс – второй не ме-нее грандиозный геофизический процесс. Именно при движении воздуха происходит перенос тепла и влаги в биосфере, что ведет к перераспределению их на поверхности Земли. Благодаря та-кому переносу в сочетании с наличием рельефа и существуют родники, ручьи, реки и озера, которые поддерживают более или менее постоянное увлажнение ландшафтной сферы, создавая тем самым благоприятные условия для существования наземных живых организмов. Перенос влаги воздушными массами – важ-нейшее звено во внешнем круговороте воды в биосфере.

При движении воздушных масс возникают грозовые явле-ния. При разряде молний происходит окисление азота воздуха, и на поверхность Земли вместе с дождем выпадает слабый рас-твор азотной кислоты. Эта кислота способствует геохимическим процессам выветривания горных пород, переводя трудно рас-творимые в воде минералы в легкорастворимые. Этим облегча-ется минеральное питание растений. Если же учесть, что грозо-вые явления в умеренных широтах в основном происходят весной и летом, когда растения особенно нуждаются в мине-ральных веществах, то можно лишь поражаться сбалансирован-ности геофизических и биологических процессов. В тропиче-ских зонах, где развитие растений идет круглый год и грозы гремят в течение всего года.

Деятельность текучих вод и ледников в ландшафтной сфере – еще один глобальный геофизический процесс. Текучие воды поддерживают более или менее равномерное увлажнение ландшафтов в промежутках между эпизодически выпадающими атмосферными осадками. В поддержании равномерности этого увлажнения огромную роль играет растительный покров, кото-рый замедляет скатывание дождевых вод с поверхности суши, тем самым способствуя просачиванию выпадающей влаги в подземную сферу.

Текучие воды суши при своем движении разрушают горные породы и переносят продукты разрушения в конечные водоемы


209

стока – озера, моря и океаны. Эта их работа – важнейшее звено процесса литогенеза, образования осадочных горных пород.

Циркуляция водных масс в морях и океанах. Благодаря этой циркуляции совершается в океане перенос тепла и раство-ренных в воде газов на многие сотни и тысячи километров. Движениями воды разносятся обломки горных пород и химиче-ские соединения, поступающие в моря и океаны с суши.

Об одной особенности взаимодействия геофизических и геологических процессов. Циркуляция воздушных и водных масс возникает из-за неодинакового нагрева лучами Солнца зем-ной поверхности вследствие шарообразной формы нашей планеты. Благодаря такой циркуляции происходит закономер-ное распределение тепла и влаги, которое лежит в основе кли-матической зональности (см. ниже). Если бы не было рельефа, то климатические зоны располагались на земной поверхности широтными полосами, симметричными относительно экватора. Рельеф, как уже говорилось, вносит свои коррективы в цирку-ляцию атмосферы и гидросферы и тем самым усложняет рису-нок распределения климатов. С течение геологического времени эта климатическая зональность усложняется. Многие ученые считают, что характер распределения рельефа на земной по-верхности есть следствие первичных неоднородностей строения земного шара: протопланетное вещество не было гомогенным. Вследствие этого и возникает неоднородность в распределении на нашей планете геологических процессов: где-то глубинная дифференциация вещества шла быстрее, а где-то медленнее. Поэтому можно предположить, что в современной климатиче-ской зональности отдаленно проявляется как шарообразность Земли, так и первичная неоднородность вещества ее недр.


210

Геохимические процессы

Эти процессы происходят на уровне химических элементов и их соединений, а суть их состоит в беспрерывной миграции атомов. Поэтому прежде чем рассматривать геохимические процессы, нам надо в общих чертах познакомиться с особенно-стями распределения химических элементов в космосе, на на-шей планете и в биосфере.

О распределении химических элементов. В природе из-вестно 89 химических элементов, содержание которых в космо-се, на земном шаре, в биосфере и отдельных ее частях весьма различно. Выявление закономерностей распределения химиче-ских элементов в природе началось с определения среднего хи-мического состава земной коры. Почему именно земной коры? Потому что именно она является источником химических эле-ментов для всех остальных естественных тел биосферы.

Титаническую работу по определению среднего химическо-го состава земной коры начал и непрерывно вел в течение 40 лет на рубеже ХIХ и ХХ веков американский химик Франк Кларк. А.Е. Ферсман предложил называть среднее содержание химиче-ского элемента в какой-нибудь крупной геохимической системе его именем – кларком. Этим ученые всего мира выразили свое признание огромного значения для науки сделанного им. В на-стоящее время кларки установлены не только для земной коры, но и для космоса, биосферы и отдельных ее частей. В результате всех этих исследований выявился ряд особенностей распределе-ния химических элементов.

Особенности распределения химических элементов

Первая и главная особенность заключается в огромной контрастности кларков отдельных элементов. Возьмем, к при-меру, земную кору. Она состоит почти наполовину из кислорода (47%), на втором месте – кремний (29,5%), на третьем – алюми-ний (8,05%). Далее идут – железо (4,65%), кальций (2,98%). На-трий и калий (по 2,5%), магний (1,87%), титан – (0,45%). В сум-


211

ме эти девять элементов составляют 99,48%. На остальные 80 остается всего 0,52%. В число девяти элементов не входит даже углерод, который играет важнейшую роль в биосфере. Эта кон-трастность кларков сохраняется и для космоса, и для отдельных частей нашей планеты, включая биосферу. Так, в космосе пре-обладают всего два элемента – водород и гелий. В железных ме-теоритах, из которых, возможно, сложено ядро нашей планеты – железно и никель, в каменных метеоритах, которые ближе всего по своему химическому составу протопланетному веществу – кислород, магний, кремний, железо. В гидросфере – кислород и водород, а в живом веществе – кислород, углерод и водород. Как видим, везде преобладают легкие элементы, у которых ядро сложено четным небольшим числом протонов и нейтронов. Ви-димо, эта первичная контрастность кларков обусловлена не зем-ными причинами: она связана с особенностями ядерного синте-за в центральных частях звезд.

С другой стороны, в разных частях нашей планеты, в том числе и в биосфере, химические элементы имеют разные клар-ки. Такая контрастность кларков – явление вторичное, возник-шее в результате миграции химических элементов.

В начале ХХ века В.М. Гольдшмидт сформулировал основ-ной геохимический закон, который гласит: кларки элементов за-висят от строения атомного ядра, а их миграция – от наружных электронов, определяющих химические свойства элементов.

Вторую особенность в распространении химических эле-ментов в начале ХХ века установил В.И. Вернадский. Он при-шел к выводу, что “все элементы есть везде”. Другое дело, в ка-ком количестве. Их кларки могут быть исчезающе малы.

Третья особенность заключается в разной способности к минералообразованию, то есть к формированию самостоятель-ных минеральных видов, тех “кирпичиков”, из которых слага-ются горные породы. Эта способность, с одной стороны, зави-сит от химических свойств элемента, а с другой – от его кларка.

Особенности миграции химических элементов. А.Е. Ферсман различает внутренние и внешние факторы мигра-ции. К внутренним относятся свойства химических элементов


212

давать туго- и легкоплавкие соединения, летучие, растворимые и инертные формы, которые определяются строением атомов. Внешние факторы – это термодинамические условия, а в био-сфере – ландшафтно-геохимические. Именно эти внешние фак-торы определяют поведение элементов в различных окисли-тельно-восстановительных, щелочно-кислотных обстановках. Внешние факторы обусловлены действиями других биосферных процессов. В таких взаимодействиях и проявляется та внутрен-няя сущность химических элементов, которая обусловлена строением их атома.

При изучении миграции химических элементов используют такие понятия, как кларк концентрации и кларк рассеяния. Кларк концентрации – это отношение содержания элемента в данном теле к содержанию его в земной коре. Кларк рассеяния – это отношение кларка элемента в литосфере к содержанию его в данном теле.

По кларкам концентрации и рассеяния исследуют поведение химических элементов в геохимических процессах, определяют пути их миграции, в которой различают четыре основных вида. Наиболее простой является механическая миграция, которая подчиняется законам механики и идет в основном под воздейст-вием геофизических процессов. Это перенос обломков минера-лов текучими водами, ветром, движением ледников и т.д. Меха-ническая миграция зависит от величины частиц минералов и горных пород, их плотности, стойкости к механическим воздей-ствиям, скорости движения ветра, воды, льда. Химические свой-ства элементов при этом виде миграции не имеют никакого зна-чения. В результате механической миграции образуются россыпи тех или иных минералов.

Вторая форма миграции – физико-химическая. Она подчи-нена законам физики и химии. Законам плавления и кристалли-зации, диффузии, растворения, осаждения, сорбции, десорбции и т.д. Лучше всего изучена миграция вещества в водных раство-рах в виде ионов (ионная миграция). Иным законам подчиняется коллоидная миграция, миграция газов.

Третий вид миграции – биогенная, которая была установ-лена В.И. Вернадским. Эта миграция должна анализироваться


213

не только на основе законов физики и химии. Организмам при-сущи процессы управления, на основе переработки информа-ции. Эти процессы управления, отсутствующие в неживой при-роде, и определяют своеобразие биогенной миграции.

Четвертый тип миграции, самый сложный, – техногенный. Он связан с трудовой деятельностью человека. К этому виду миграции относится отработка месторождений полезных иско-паемых и транспортировка продукции на большие расстояния, а также сельскохозяйственное производство (использование удоб-рений, перевозка полученных продуктов и т.д.). К этому же виду миграции относится и химическое производство, при котором нередко создаются искусственные соединения, не встре-чающиеся ранее в природе.

По соотношению видов миграции различают три основных типов ландшафта. Абиогенные ландшафты - им присущи только механическая и физико-химическая миграции. Биоген-ные ландшафты - в них ведущая роль принадлежит биогенной миграции, а физико-химическая и механическая играют подчи-ненную роль. В техногенных (культурных) ландшафтах ос-новную роль играет техногенная миграция, определяемая соци-альными процессами, хотя в них развиваются и все остальные виды миграции. Такая типология ландшафтов (по ведущей роли тех или иных видов миграции) еще раз подчеркивает особую роль живого вещества и его высшего проявления в виде челове-ческой деятельности.

Важную роль в миграции химических элементов играют геохимические барьеры. Это понятие было введено в 1961 г. А.И. Перельманом. Он им обозначал те участки пространства нашей планеты, на которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических эле-ментов и, как следствие, их концентрация. Именно к геохимиче-ским барьерам приурочено большинство месторождений полез-ных ископаемых. Наглядным примером геохимического барьера являются дельты рек, где в зоне смешения пресных и морских вод резко меняются физико-химические условия. Другими при-мерами геохимического барьера могут служить краевые части


214

болот, или же контакт известняковых толщ с покрывающими их глинистыми сланцами.

Теперь, когда мы в первом приближении познакомились с внутренней сущностью геохимических процессов, посмотрим на них с общих позиций. Зримый результат геохимических процес-сов – это то разнообразие минералов, которое мы наблюдаем в горных породах. Любой минерал устойчив только в определен-ных термодинамических и геохимических условиях. Если эти условия изменяются, то начинается преобразование одних ми-нералов в другие. По термодинамическим и геохимическим ус-ловиям различают эндогенные и экзогенные геохимические процессы. Первые идут в недрах Земли при высоких давлениях (десятки и сотни атмосфер), высокой температуре (многие сотни градусов Цельсия) и при отсутствии свободного кислорода (в восстановительных условиях). Экзогенные геохимические про-цессы идут в самой биосфере, в ее ландшафтной сфере, при дав-лении в одну атмосферу, при температурах не выше первых де-сятков градусов Цельсия, и, как правило, при наличии свободного кислорода, углекислого газа, слабых растворах азотной кислоты. С момента появления живого вещества экзо-генные геохимические процессы протекают при непосредствен-ном участии живых организмов либо продуктов их жизнедея-тельности. Иными словами в настоящее время все экзогенные процессы по своей сути являются биогеохимическими. Немалое влияние на них оказывает и трудовая деятельность людей.

Эндогенные геохимические процессы. Для них характе-рен физико-химический тип миграции химических элементов. Наиболее важны для биосферы следующие две разновидности этого типа. Во-первых, это глубинная дифференциация прото-планетного вещества, идущая по принципу зонной плавки, о ко-торой уж говорилось. В этом процессе магматического проплав-ления происходит разделение минералов по температуре плавления. Легкоплавкие поднимаются кверху и, застывая в верхних частях литосферы, образуют различные основные по-роды. Наиболее тугоплавкие фракции застывают в недрах Земли в виде ультраосновных пород (дунитов, перидотитов и. т.д.). При такой зонной плавке выделяются и газообразные вещества,


215

образуя “газовое дыхание” Земли. За их счет и образовалась первичная атмосфера нашей планеты.

Во-вторых, это так называемый гидротермальный процесс. В недрах Земли, в зонах магматических очагов, образуются гид-ротермальные растворы разнообразных металлов. При подъеме этих растворов к земной поверхности они остывают и из них последовательно выпадают рудные минералы, которые в виде вкраплений встречаются в горных породах. На геохимических барьерах образуются большие скопления рудных минералов, которые и образуют месторождения полезных ископаемых.

Экзогенные геохимические процессы. Им присущи все четыре типа миграции химических элементов. Эти процессы, как правило, идут при участии живых организмов или продук-тов их жизнедеятельности. Поэтому они будут рассмотрены ни-же вместе с биогеохимическими.

Взаимосвязи эндогенных и экзогенных геохимических процессов. Эндогенные геохимические процессы, тесно связа-ны с геологическими. Порой трудно различить, что в их взаимо-связи является причиной, а что следствием. По существу, они представляют собой две стороны одной медали. С одной сторо-ны, это те глубинные процессы, что идут в недрах нашей плане-ты. С другой стороны, они не менее тесно связаны с экзогенны-ми геохимическими процессами, и именно через них живое вещество оказывает влияние на эндогенные геохимические про-цессы. В частности результатом такого влияния является появ-ление кислых магматических пород – гранитов. При миграции химических элементов разделение оксидов кремния от оксидов алюминия и железа происходит только в экзогенных геохимиче-ских, точнее биогеохимических, процессах. В результате обра-зуются осадочные горные породы, обогащенные SiO2. Когда же такие породы опускаются в недра Земли и там расплавляются, то появляется гранитная магма, при застывании которой и фор-мируются различные гранитоидные породы.

В свою очередь эндогенные и экзогенные геохимические процессы влияют на биологические через создаваемую ими гео-химическую дифференциацию биосферы, в результате чего об-разуются геохимические провинции. Они различаются между


216

собой кларками концентрации и кларками рассеяния тех или иных элементов. Эта геохимическая дифференциация изучается специальной наукой – геохимией ландшафта, основы которой были заложены трудами Б.Б. Полынова в первой половине ХХ века. Дальнейшее развитие эта наука получила в трудах А.И. Перельмана, М.А. Глазовской и многих других геохими-ков. Избыток или нехватка тех или иных элементов в геохими-ческих провинциях ведет к развитию среди живых организмов так называемых эндемических заболеваний, обусловленных ди-сэлементозами (нехваткой или избытком тех или иных элемен-тов). Примером может служить зобная болезнь щитовидной же-лезы, развивающаяся при нехватке йода.


217

Биологические процессы

Эти процессы присущи только живому веществу, чем и от-личаются от всех остальных. Они моложе ранее рассмотренных процессов, так как появились одновременно с живыми организ-мами лишь после того, как взаимодействие геологических, гео-физических и геохимических процессов создало благоприятные условия для их существования. Поэтому биологические процес-сы были вынуждены вписаться в уже сложившиеся абиогенные, процессы, которые мы только что рассмотрели. Но они не про-сто пассивно приноровились к ним, а начали их активно преоб-разовывать, придавая тем самым необратимую направленность развитию всей биосферы.

Биологические процессы весьма разнообразны и имеют раз-ное пространственно-временное выражение. В таких мельчай-ших образованиях, как клетка, они быстротечны. А процесс воз-никновения новых таксонов длится миллионы лет и охватывает многие тысячи квадратных километров. Все биологические процессы осуществляются за счет энергии химических реакций, запасы которой пополняются в биосфере, главным образом за счет фотосинтеза, в котором углерод выступает как мощнейший аккумулятор солнечной энергии. В подземной биосфере это по-полнение происходит за счет внутреннего тепла Земли.

Ниже мы остановимся лишь на тех биологических процес-сах, благодаря которым живое вещество не только вписалось в сложившееся взаимодействие абиогенных процессов, но и стало преобразовывать их. Именно они объединяют великое разнооб-разие разнопорядковых биологических процессов в единую сис-тему, которую мы называем коротким словом – жизнь.

Размножение (воспроизводство себе подобных) – это важ-нейший из всех биологических процессов. Воспроизводство идет не по принципу простого копирования (клонирования), а в виде эволюционного процесса. Известно, что в основе эволюци-онного процесса лежит триада – наследственность, изменчи-вость и выживание наиболее приспособленных в результате


218

борьбы за свое существование. Через изменчивость эволюцион-ный процесс связан с геологическими и геохимическими про-цессами, на что уже указывалось при их рассмотрении.

Расселение появившихся таксонов из центра своего зарож-дения по всему пространству биосферы, где существуют для них благоприятные условия существования, не менее важный биологический процесс. Расселению способствует ряд геофизи-ческих процессов, связанных с перемещением водных и воз-душных масс. Рельеф же выступает как фактор, ограничиваю-щий расселение, воздвигая на пути мигрантов непреодолимые барьеры. Прослеживание путей миграции - одно из увлекатель-нейших исследований в области биогеографии. Эти исследова-ния помогают понять многое в истории развития биосферы.

Питание, дыхание и выделения тоже относятся к числу биологических процессов, играющих биосферную роль. Они представляют собой разные формы одного и того же процесса обмена химическими элементами и их соединениями между жи-выми организмами и окружающей их средой. В основе этого обмена лежат биогеохимические реакции. Поэтому мы их рас-смотрим ниже, вместе с биохимическими процессами. Сейчас же отметим некоторые особенности этого обмена. Одной из них является способность концентрировать в тканях организмов те или иные химические элементы. К примеру, в зернах кукурузы отмечается повышенное содержание золота. Но особенно ярко эта способность проявляется у морских организмов. Общеизве-стно, что в морской воде содержится вся таблица Менделеева. Правда, большинство химических элементов присутствует в ни-чтожно малых количествах. Целый ряд морских организмов способны повышать концентрацию в своем теле отдельных эле-ментов в сотни, тысячи и даже десять тысяч раз. Этим пользу-ются люди для получения отдельных химических элементов для своих нужд. В частности из некоторых видов морских водорос-лей добывают йод. Благодаря своей функции концентраторов живые организмы выступают как отдельный мощный фактор процесса литогенеза. В результате образуется уголь, фосфори-ты, органогенные известняки, кремнистые породы, сложенные изящными скелетами радиолярий и диатомей и т. д.


219

С этой способностью концентрировать тесно связана и рель-ефообразующая роль организмов. Достаточно вспомнить мор-ские рифы, а на суше постройки термитов.

Но самая поразительная их способность заключается в том, что живые организмы узнают и разделяют изотопы, используя в своей жизнедеятельности только определенные их виды. Из-вестно, что многие химические элементы представляют собой смесь изотопов в строго определенных пропорциях. В своих об-менных процессах с окружающей средой организмы использу-ют строго определенные изотопы химических элементов. Благо-даря этому в биологических процессах происходит разделение изотопов (в тканях и в продуктах выделения присутствуют лишь определенные из них). Эта способность разделять изотопы по-зволяет определять степень участия живых организмов в фор-мировании тех или иных горных пород (по изменению естест-венных пропорций между изотопами).

Взаимосвязи биологических процессов с геологически-ми, геофизическими и геохимическими. Все рассмотренные биологические процессы приводят к тому, что, с одной стороны, живые организмы приспосабливаются к тем условиям сущест-вования, которые были созданы абиогенными процессами, а с другой – постоянно изменяют арену жизни, преобразуя своей жизнедеятельностью ход других биосферных процессов. Так, к примеру, появление 350 – 400 млн. лет тому назад наземного растительного покрова коренным образом изменило ход ряда геофизических процессов, связанных с круговоротом воды в биосфере. Но наиболее существенные изменения произошли в целом ряде геохимических процессов, которые превратились в биогеохимические (см. ниже). Своей жизнедеятельностью жи-вые организмы коренным образом преобразовали и процесс ли-тогенеза.

Деятельность человека тоже по своей сути является своеоб-разным биологическим процессом, в котором важнейшую на-правляющую роль играет его разум. Именно благодаря разуму человек и создал мир искусственных вещей, мир техники, кото-рый еще А. Гумбольдт рассматривал как искусственно создан-ное продолжение наших органов.


220

Биогеохимические процессы

Эти процессы отличаются от геохимических активным уча-стием в них живых организмов, особенно продуктов их жизне-деятельности. Благодаря этому изменяется весь ход миграции химических элементов в биосфере.

К мощнейшим биогеохимическим процессам относится по-стоянная регенерация свободного кислорода в атмосфере как побочного продукта фотосинтеза. Наличие свободного кислоро-да меняет весь ход геохимических процессов. Метан и серово-дород, которые придавали первичной атмосфере восстанови-тельный характер, постепенно окислялись и переходили в другие соединения, часть из которых переходила в осадок.

Не менее важным биогеохимическим процессом является удаление СО2 из атмосферы. Это происходило и происходит в результате биогенного карбонатообразования, а также при ис-пользовании углерода для построения растительной массы, часть которой также захоронилась в толщах осадочных пород в виде торфа, постепенно переходящего в каменный уголь.

Как уже говорилось, в результате целого ряда биогеохими-ческих процессов в биосфере в литогенезе происходит разде-ление кремнезема (SiO2) от соединений алюминия и железа. Среди осадочных пород появляются толщи, обогащенные квар-цевыми песками (SiO2). После переплавления их в недрах Земли образуются разнообразные гранитоидные породы. Поэтому и говорят, что граниты – это следы былых биосфер.

Характерной чертой биогеохимических процессов является то, что все они совершаются по принципу круговорота. Именно этот принцип, как мы уже неоднократно подчеркивали, позволя-ет живому веществу неограниченно долго использовать ограни-ченные запасы биогенных химических элементов, кларки кото-рых весьма малы. Длительность таких биогеохимических круговоротов исчисляется десятками и сотнями тысяч лет. Они охватывают все пространство биосферы, при этом в разных ландшафтах они протекают по-разному. Собственно эта диффе-


221

ренциация биогеохимических процессов является предметом специальной дисциплины – геохимии ландшафта.

Биогеохимические процессы идут за счет энергии химиче-ских реакций, а запасы этой химической энергии пополняются в основном в процессе фотосинтеза за счет излучения Солнца, и отчасти – тепловой энергии недр нашей планеты. Биохимиче-ские процессы играют существенную роль в консервации в гор-ных породах солнечной энергии, образуя тем самым первый этап в большом круговороте солнечной энергии.

Изменение соотношений изотопов химических элемен-тов в тех или иных естественных телах биосферы -еще один биогеохимический процесс, исследование которого только на-чинается. В качестве примера исследований подобных биогео-химических процессов приведем работу В.И. Бгатова (1985), по-священную истории кислорода земной атмосферы. Общепринято считать, что кислород нашей атмосферы имеет исключительно биогенное происхождение, как побочный про-дукт жизнедеятельности организмов.

В середине 80-х годов ХХ века новосибирский геолог и гео-химик Василий Иванович Бгатов обратил внимание на один удивительный факт, который привел его к интереснейшим умо-заключениям. Он выдвинул оригинальную гипотезу об истории кислорода в земной атмосфере. Логика его рассуждений весьма интересна и поучительна. Поэтому кратко передадим ее ход.

Известно, что у кислорода есть три изотопа 16О, 17О, 18О. Наиболее распространен в атмосфере -16О. На его долю прихо-дится 99,76%, а на долю 17О – 0, 04%, 18О – 0,2%. В геохимиче-ских процессах участвуют все три изотопа, а живое вещество избирательно использует только 16О.

В.И. Бгатов обратил внимание на тот известный факт, что кислород современной атмосферы на 2,3% тяжелее фотосинте-тического. Это утяжеление происходит за счет большего содер-жания тяжелых изотопов, в основном 18О. Основываясь на этом общеизвестном факте, он предположил, что помимо фотосинте-за должен быть еще какой-то другой источник кислорода. И он стал его искать. “Этот источник не фотосинтетический, по-скольку он поставляет кислород тяжелый по изотопному соста-


222

ву, а, судя по расчетам, мощность его по продуцированию одно-порядковая с фотосинтетическим. На возможность поступления утяжеленного кислорода в атмосферу путем фотодиссоциации углекислого газа (СО2) указывали А.П. Виноградов, В.М. Кутерин и И.К. Задорожный (Институт геохимии и анали-тической химии АН СССР). Однако их же расчеты показали, что утяжеление кислорода атмосферы за счет фотодиссоциации СО2 в настоящее время исключено, хотя бы потому, что для этого нет объективных предпосылок, прежде всего, нет необходимого количества углекислого газа. С учетом современных соотноше-ний изотопов кислорода в атмосфере и всех уже известных про-цессов фракцирования (окисления, дыхания и т.д.) требуется минимальное количество СО2 в атмосфере – 0,1%, т.е. более чем в 3 раза выше по отношению к существующему количеству (0,03%) (Бгатов, 1985, с. 7 – 8).

Второй общеизвестный факт, на который В.И. Бгатов обра-тил внимание, следующий. Горные породы докембрия и фане-розоя по своему химическому составу идентичны. “Продукты глубокой химической переработки (химическое выветривание) пород ныне хорошо известны и в фанерозое и в глубоком до-кембрии. Образование же их в фанерозое всегда рассматрива-лось только с участием кислорода атмосферы. Наконец, какие принципиальные новообразования минералов в продуктах вы-ветривания пород докембрия неизвестны в фанерозое? Таковых нет” (Бгатов, 1985, с. 9).

Значит, заключил он, этот источник кислорода действовал на протяжении всей геологической истории. И именно он по-ставлял кислород в атмосферу тогда, когда еще фотосинтез от-сутствовал. И тут В.И. Бгатов вспомнил давно известный факт. Основные изверженные породы габбро, которые образовались при застывании магмы в толще земной коры, содержат кислоро-да в своем составе больше, чем базальты. Базальты - это тоже основные изверженные породы, но образовались при подводных или наземных излияниях лавы. Если сравнить содержание оки-слов различных элементов в габбро и базальтах, то ясно видно, что в базальтах в полтора раза больше закисных форм железа. Геохимики ввели такое понятие - кислородный запрос мине-


223

ральной системы (КЗС). Им называется необходимое количест-во кислорода, с помощью которого минеральная система была бы полностью окислена. Так вот в габбро КЗС –0,43 – 0,46%, а в базальтах порядка 0,8%. В.И. Бгатов подумал: “Не значит ли это, что эффузивные излияния магмы сопровождаются потерей заключенного в ней кислорода? Иначе нельзя объяснить, почему все другие химические элементы магматического расплава и у габбро и в базальтах сохраняются, а часть кислорода в базальтах исчезает в ″неизвестном направлении″ ... Убывший из базальто-вой магмы кислород накапливается, вернее, в принципе может накапливаться в океанических водах и непосредственно в атмо-сфере” (Бгатов, 1985, с. 16).

Факт третий, который он уже целенаправленно искал. По-смотрите, как В.И. Бгатов анализирует данные океанологии. Ис-следователями океана установлено, что содержание растворен-ного в морской воде кислорода закономерно изменяется с глубиной. Во всех океанах выделяется верхний 200-метровый слой, который насыщен кислородом за счет фотосинтеза фито-планктона. С глубины 200 м до 800 – 1000 м отмечается резкое падение содержания кислорода (в 3 – 4 раза), а далее с глубиной его содержание растет. При этом глубинные воды современного Атлантического океана более богаты кислородом, чем анало-гичные воды Индийского и Тихого океанов. Обычно в совре-менной науке дается такое объяснение этому факту. “Холодные, богатые кислородом арктические и антарктические воды, мед-ленно погружаясь, перемещаются в низкие (приэкваториальные) широты и таким образом кислород доставляется в глубокие слои океанов. Полярные области, следовательно, играют роль своего рода гигантских вентиляционных шахт, через которые происходит кислородная продувка вод Мирового океана” (Бга-тов, 1985, с. 25).

В этой общепринятой точке зрения В.И. Бгатов увидел ряд противоречий. Он пишет: “конечно, нельзя отрицать определен-ной роли водообмена в формировании кислородного поля по-средством вертикальных и горизонтальных течений в толще вод Мирового океана. ... В любом разрезе океанических вод после активного (кислородопродуктирующего) слоя на глубинах от


224

200 до 1000 м фиксируются воды, резко обедненные кислоро-дом. Следовательно, медленно погружающиеся из высоких ″хо-лодных″ широт водные массы вскоре, уже на небольших глуби-нах, теряют свой кислород. Причина заключается в том, что в верхних горизонтах сосредоточена главная масса океанического животного мира. А животный мир в отличие от растительного только потребляет кислород в результате дыхания. И надо пола-гать, что богатые кислородом воды при движении вниз, на глу-бинах 200 – 1000 м могут только утрачивать его благодаря ды-хательным реакциям животных организмов. Следовательно, поверхностные воды не могут быть ″донорами″ кислорода глу-бинных горизонтов океана. Есть и еще серьезное обстоятельст-во, противоречащее официальной точке зрения на происхожде-ние глубинного кислорода за счет поверхностного фотосинтетического. Кислород, растворенный в глубинных во-дах, характеризуется иным изотопным составом по сравнению с кислородом атмосферы и фотосинтетического слоя океанов. Он ″тяжелее″ за счет значительной примеси тяжелого изотопа 18О. Все это дает основание полагать, что источник кислорода в глу-бинных водах океанов иной или, во всяком случае, не только атмосферный и синтезированный в верхнем слое океанических вод. Остается предположить: кислород поступает в придонные воды океанов в составе газовой фазы подводных базальтовых излияний. Неодинаковая насыщенность им глубинных вод Ат-лантического, Индийского и Тихого океанов определятся глав-ным образом различной интенсивностью излияния базальтовых магм” (Бгатов, 1985, с. 25 – 26). В Атлантическом океане таких излияний в настоящее время больше.

В своей работе В.И. Бгатов (1985) приводит целый ряд пуб-ликаций, содержащих результаты анализов наземных вулкани-ческих газов. В них наряду с другими газами отмечается и свободный кислород в количества от 0,04 до 12 – 15%.

Так, обратив внимание на различие изотопного состава ки-слорода атмосферы и фотосинтетического, В.И. Бгатов начал искать и собирать факты, которые могли бы объяснить этот фе-номен. Он целенаправленно стал анализировать данные из са-мых разных разделов естествознания. В результате появилась


225

очень изящная гипотеза: источников атмосферного кислорода было, по крайней мере, два – эндогенный и фотосинтетический.

Приведем ряд основных положений этой гипотезы. “Накоп-ление эндогенного кислорода в свободном виде возможно толь-ко при подводных извержениях базальтового материала. В этом случае кислые дымы в воде диссоциируются, таким образом, не вступают в окислительные реакции. ... При насыщении же вод кислородом и нейтральными газами начинается отдача их в ат-мосферу. ... Если глубинные воды океана в год будут поставлять в атмосферу всего лишь 0,5% растворенного в них кислорода, то эта масса будет равна массе кислорода, которая ежегодно фор-мируется в атмосфере фотосинтетическим путем. ... Таким обра-зом, можно считать, что в формировании кислородной состав-ляющей земной атмосферы участвуют два мощных источника – эндогенный (глубинный) и фотосинтетический” (Бгатов, 1985, с. 38 – 42). Итак, “кислород земной атмосферы есть результат смешения фотосинтетического (легкого), поступающего немед-ленно в атмосферу после своего рождения, и эндогенного ки-слорода (утяжеленного), поступающего в глубинные воды океа-на в результате дегазации основной магмы. Поступление эндогенного кислорода происходит посредством дегазации вы-ходящих на дневную поверхность глубинных океанических вод” (Бгатов, 1985, с. 49 – 5-). Фотосинтетического кислорода гене-рировалось в год в течение геологического времени от 6 × 1010

до 6,95 × 1010 т, а эндогенного – от 14 –16 × 1010 т. Общая гене-рация кислорода в разные геологические периоды составляла от 2 × 1011 до 2,3 × 1011 т. По соотношению изотопа 18О В.И. Бгатов оценил вклад фотосинтетического кислорода. Он составил 30% всего кислорода земной атмосферы, тогда как эндогенный со-ставляет соответственно 70%.

По-иному выглядит и роль живого вещества. “На заре раз-вития Земли процесс поступления кислорода в атмосферу со-вершался только эндогенным путем (внутренними силами Зем-ли). Уже в глубоком докембрии этот процесс создал одну из необходимейших предпосылок для появления жизни. Возник-шая на более поздних этапах докембрийского развития Земли растительность, потребляя кислород в меньшем количестве, чем


226

продуцируя его, своей деятельностью поддерживает сложивше-еся равновесие в атмосфере. Иными словами, с момента своего возникновения она играла роль атмосферного санитара: очищая воздух от избыточного углекислого газа, поступающего в ре-зультате окислительных процессов (дыхание, горение и т.д.) и из наземных вулканических очагов (Бгатов, 1985, с. 10). В тече-ние геологического времени количество продуцированного ки-слорода в разные периоды, как уже отмечалось, изменялось очень незначительно. Колебания не превышали 4 – 5%. Но даже такие незначительные колебания губительны для животных, в том числе и для человека. Порогом для человека является уменьшение кислорода во вдыхаемом воздухе до 16 – 18%, т.е. на 3 – 5%. “Эпохи вымирания проконтролированы эпохами снижения продуцирования кислорода. На переходе от эпох от-носительно мощного продуцирования кислорода к эпохам отно-сительного снижения животные организмы вынуждены были эволюционировать, т.е. приспосабливаться к меняющемуся ре-жиму атмосферы. Жизнь необходимо, в первую очередь, рас-сматривать как борьбу за газ, за кислород” (Бгатов, 1985, с. 67). При этом первыми это снижение начинали ощущать обитатели горных систем.

Такой большой экскурс в историю кислорода земной атмо-сферы был сделан сознательно. На этом примере мы хотели по-казать, с одной стороны, изящный логический анализ общеизвестных фактов, который приводит к нетривиальным выводам, на основе которых создается новая гипотеза. С другой стороны, приведенный пример хорошо показывает, что в исследовании биогеохимических процессов наступил новый этап. Если раньше при их изучении было достаточно точных химических анализов, то сейчас, в ХХ1 веке, химико-аналитические данные должны дополняться результатами исследования изотопов. Итак, процессы, идущие в естественных телах биосферы, тесно связаны между собой и среди них наблюдается опреде-ленная субординация.

Первыми появились геологические и тесно связанные с ни-ми геохимические процессы. Именно в результате этих процес-сов появились естественные тела глобальной размерности, ко-


227

торые затем биологическими процессами были объединены в космо-планетарную систему – биосферу. Геологические и гео-химические процессы создали и первичную дифференциацию биосферы, которая затем была усложнена геофизическими про-цессами.

При своем развитии геофизические и биологические про-цессы были вынуждены вписаться в ход уже сложившихся гео-логических и геохимических процессов. Вместе с тем они не просто пассивно следовали установленным рамкам (правилам игры), а начинали влиять и преобразовывать ход уже сущест-вующих процессов. Так в течение сотен миллионов лет склады-валась система прямых и обратных связей в биосфере.

* * *


228

Завершая рассмотрение внутреннего строения биосферы, отметим ее крайне сложную многоуровневую структуру, иссле-дование которой еще только начинается. С одной стороны, мы видели, что отдельным элементам этого естественного плане-тарного тела свойственны не только различные соотношения типов вещества, слагающих биосферу, но и разное строение, и разный характер присущих каждому из них природных процес-сов. С другой стороны, эти столь разнородные части оказались связанными в единое целое только благодаря непрерывному биогенному току атомов, что происходит под влиянием того преобразования лучистой энергии Солнца, которое осуществля-ет более 3 млрд. лет живое вещество. В рамках этого единого целого, в результате сложных взаимодействий естественных тел глобальной размерности, возник ряд феноменов (климат, лито-генез, необратимая эволюция живого вещества), присущих био-сфере в целом.


229

Семинар 7.1. Типы вещества биосферы

Вопросы к контрольной работе.

1. Дайте по В.И.Вернадскому определение вещества, сла-гающего планету Земля:

- Космического - Радиоактивного - Рассеянного - Косного - Биогенного - Живого - Биокосного 2. Перечислите три особенности, свойственно только живо-

му веществу планеты. 3. Назовите четыре формы нахождения вещества на планете

Земля по В.И.Вернадскому.


1. Перечислите семь типов вещества, слагающих биосферу, и укажите их отличия друг от друга.

2. Какие специфические процессы присущи только живому веществу?

3. Почему, с Вашей точки зрения, именно у живого вещест-ва проявляется диссимметрия?

4. Проанализируйте биогенную классификацию элементов по В.И. Бгатову (1999) и основные моменты в эволюции живых организмов.


230

Семинар 7.2. Естественные тела биосферы

1. Постройте схему – таблицу по телам глобальной размер-ности. Сопоставьте атмосферу, мировой океан, литосферу, ланд-шафтную сферу.

- Размер - Состав - Живое вещество - Главнейшие процессы 2. Проанализируйте таблицу по телам глобальной размерно-

сти.

Семинар 7.3. Феномены, возникающие при взаимодействии естественных тел

глобальной размерности


1. Каковы основные факторы формирования климата при взаимодействии тел глобальной размерности?

2. Что такое гипсографическая кривая? 3. На каких этапах литогенеза в наибольшей степени прояв-

ляется влияние живого вещества? 4. В чем Вы видите влияние эволюции живого вещества на

естественные тела биосферы? 5. В чем сказывалось влияние естественных тел биосферы

на эволюцию живого вещества?

Семинар 7.4. Процессы, свойственные есте-ственным телам биосферы

Задание для самостоятельного проведения семинара

Кратко систематизируйте основы тех знаний о рассмотрен-ных процессах, которые вы почерпнули из уже прослушанных

8. Потоки энергии в биосфере

дисциплин или других источников. Выделите из них те, что считаете главным для понимания хода и взаимодействия про-цессов, идущих в биосфере.

1. Придумайте форму представления, в которой наглядно были бы видны различия главнейших процессов

- Геологических - Геофизических - Биологических - Геохимических - Биогеохимических. 2. Представьте гипотезу эндогенного происхождения кисло-

рода по В.И. Бгатову. (Группа из 5 человек) - Основание гипотезы. (Факты и эмпирические обобщения).

Графики, таблицы. - Обоснование гипотезы эндогенного происхождения ки-

слорода - Какие узловые моменты в истории биосферы может объ-

яснить данная гипотеза - Критика гипотезы: в чем Вы видите ее слабые места, не-

достаточное обоснование. - Дискуссия с вопросами от всех участников семинара


Бгатов В.И., 1985, 1999; Будыко М.И., 1981; Кузнецов П.Г., 1991; Подолинский С.А., 1991; Перельмен А.И., Касымов Н.С., 1999; Хильми Г.Ф., 1966; Гумилев Л.Н., 1993; Ермолаев М.М., 1975; Калесник С.В., 1947.

231




“По существу биосфера может быть рассматриваема как область земной коры,

занятая трансформаторами, переводящими космическое излучение в действенную

земную энергию – электрическую, химическую, механическую, тепловую и т.д.


“Благодаря живому веществу энергия солнечного излучения не просто воздействует

на поверхность Земли, а становится энергией Земли и ее процессов”

Г.Ф. Хильми

предшествующем разделе были рассмотрены пять основных типов процессов, которые совершаются в биосфере. Для того чтобы любой процесс пошел, то

есть элементы системы, участвующие в нем, начали взаимодей-ствовать, нужна энергия. Иначе говоря, каждый из рассмотрен-ных процессов основан, прежде всего, на энергетическом взаи-модействии, при котором происходит преобразование энергии из одной формы в другую. Эти преобразования энергии форми-руют совершенно определенные потоки энергии в биосфере, ко-торые и обеспечивают энергетику рассмотренных ранее типов процессов.

В

В этом разделе мы и расскажем о том, какие в настоящее время существуют представления об энергетическом обеспече-нии каждого из этих процессов. Для такого энергетического экс-

232


233

экскурса нам, прежде всего, необходимо вспомнить некоторые понятия и законы термодинамики, того раздела физики, в кото-ром изучаются закономерности теплового движения и влияние его на свойства физических тел.

Основные понятия и законы термодинамики

Первое начало термодинамики, которое представляет собой частную форму закона сохранения энергии, гласит: энергия не появляется и не исчезает. Она переходит из одной формы в дру-гую. Обозначим через U внутреннюю энергию системы, которая представляет собой сумму потенциальной энергии всех ее эле-ментов. В нашем случае такой системой будет биосфера. Эта внутренняя энергия способна либо производить работу (A), ли-бо обмениваться теплом (Q) с окружающей средой. Изменение внутренней энергии системы (пополнение запаса или расход его) выражается формулой

U2 – U1

= A – Q

Эту формулу и называют первым началом термодинамики. Второе начало термодинамики определяет направление са-

мопроизвольных процессов в системе. Тепло не может само-произвольно переходить от более холодного тела к более горя-чему без того, чтобы в других телах не произошло какие-либо изменения. Для выражения второго начала термодинамики ис-пользуют специальную функцию, которую назвали энтропией. Энтропия показывает термодинамическое состояние системы. Так, в закрытых термоизолированных системах при самопроиз-вольных необратимых процессах энтропия возрастает, то есть большая часть внутренней энергии идет на нагревание. Потен-циальная внутренняя энергия такой системы переходит в тепло и рассеивается. При обратимых процессах в закрытых термо-изолированных системах энтропия сохраняется.

Внутренняя энергия и энтропия – это те две функции, кото-рые характеризуют энергетическое состояние системы. Энтро-


234

пия как одна из величин, выражающих тепловое состояние сис-темы тел, характеризует направление самопроизвольных про-цессов в ней. Она является мерой необратимости этих процес-сов. Энтропия термоизолированных систем только увеличивается, то есть если такая система предоставлена сама себе, то она стремится к тепловому равновесию. В статистиче-ской термодинамике энтропия – это мера рассеяния энергии, мера хаоса. Еще раз подчеркнем, что в закрытых, термоизоли-рованных системах при обратимых процессах энтропия сохра-няется.

Этот небольшой экскурс в основы термодинамики показал качественное различие двух форм передачи энергии: тепла и ра-боты. В отличие от работы передача тепла необратима.

При применении этих понятий к анализу энергетических потоков в биосфере необходимо иметь в виду, что биосфера не закрытая термоизолированная система, а открытая, полузамкну-тая. Поэтому нам надо в первую очередь рассмотреть энергети-ческое взаимодействие биосферы с окружающей ее средой (Космосом и недрами Земли).

Энергетическое взаимодействие биосферы с окружающей ее средой

Напомним еще раз, что биосфера не термоизолированная система. Она полузамкнута, то есть не полностью изолирована от окружающего ее пространства. Через границы биосферы по-стоянно идут потоки энергии. Из Космоса поступает лучистая энергия Солнца и космическое излучение, а в Космос уходит часть теплового излучения Земли. Из недр нашей планеты в биосферу идет поток тепла и тектоническая энергия, а из био-сферы в недра – поток законсервированной солнечной энергии. Назовем потоки, которыми биосфера обменивается с Космо-сом, – экзогенными, а потоки, идущие из биосферы в недра Зем-ли и обратно, – эндогенными.


235

Экзогенные потоки энергии

Экзогенный поток энергии, который поступает в биосферу, в основном представлен солнечной радиацией. Плотность этого потока – 2,3 × 105 эрг/см2.с. Космическое излучение на много порядков ниже излучения Солнца. Поэтому им можно пренеб-речь. Солнце – основной источник энергии, поступающий в биосферу из Космоса. Защитные уровни биосферы пропускают в нее лишь узкий спектр световых волн (с длиной волны от 3200 до 7000 нм).

Поступившая в биосферу лучистая энергия Солнца частич-но расходуется на нагревание естественных тел, создание влаго-оборота, частично она преобразуется в энергию движущейся во-ды и в биогеохимическую энергию, обеспечивающую жизнедеятельность живого вещества, а также какая-то ее часть консервируется в толщах осадочных горных пород.

От поверхности Земли в сторону Космоса идет длинновол-новое тепловое излучение. Часть его в биосфере задерживается облаками, а часть через “тепловое окошко” безвозвратно уходит в Мировое пространство. Как указывает С.В. Калесник (1947), количество экзогенной энергии, поступившей в биосферу, равно тому ее количеству, которое ушло из нее в Космос в виде длин-новолного теплового излучения.


236

Эндогенные потоки энергии

Из недр Земли в биосферу энергия поступает в виде тепло-вого потока и энергии тектонических движений, которые сами возникают при глубинных преобразованиях вещества под воз-действием тепла.

Источники эндогенного тепла до сих пор окончательно не установлены. Бесспорно только то, что их много, но какой вклад вносит каждый из них, исследователями оценивается по-разному.

Наиболее часто указывают следующие источникам тепла в недрах Земли.

1. Тепло выделяется при распаде таких радиоактивных эле-ментов, как торий, уран, радий, калий - 40 и ряд других. Это признается всеми. По некоторым оценкам ежегодно выделяется 7,5 × 10 14 кал тепла, а расход его составляет 9,5 × 1012 кал. Это вроде бы указывает, что этот вид тепла накапливается в недрах Земли (Гавриленко, Дерпгольц, 1971).

2. Тепло выделяется при некоторых экзотермических про-цессах (метосоматозе, кристаллизации, минералообразовании).

3. Выделяют тепло подземные рассолы при встрече с пре-сными водами.

4. Существует гипотеза Г.Ф. Одинца о так называемом ро-тационном тепле, которое идет на нагрев внутренних частей Земли и на излучение в мировое пространство. По его мнению, этот источник тепла обусловлен “неоднородностью распределе-ния плотности вещества литосферы в верхней мантии, ее блоко-вым строением и флюктуационными и вековыми колебаниями скорости вращения Земли. Трения блоков при перемещении под влиянием приливообразующих сил Луны, Солнца, собственного веса, местных тангенциальных сил и изменения угловой скоро-сти вращения вызывают образование ротационного тепла. ... ро-тационное тепло эквивалетно 4,81 × 1028 кал/год” (Гавриленко, Дерпгольц, 1971, с. 63). Эти же авторы указывают на такие из-вестные факты, что быстрее всего Земля вращается в августе,


237

медленнее – в марте. Разность оставляет 2,9 × 10-8 сек/сутки. Кроме того, под влиянием торможения Луны земные сутки уве-личиваются на 10-2 сек за столетие.

5. Тепло могло выделиться при гравитационной диф-ференциации вещества при образовании Земли. Количество его оценивается по-разному: от 0,6 эрг/(см2 с) (Е.Н. Люстих) до 310 эрг/(см2 с) (Е.А. Любимова).

6. После образования биосферы возник еще один источник эндогенной энергии: за счет расконсервации солнечной энергии, захороненной биосферными процессами в глинистых минералах и каустобиолитах. Считается, что ежегодно захороняется при-мерно 1% поступающей солнечной энергии. За 3,5 млрд. лет существования биосферы это будет порядка 13 × 1038 эрг, что в 5 – 8 раз больше радиогенной энергии.

Потоки эндогенной энергии. Эндогенная энергия в био-сферу поступает в виде потока тепла и тектонической энергии. О соотношении между этими потоками можно судить по табли-це 8.1.

Из таблицы 8.1 видно, что поток эндогенной энергии в ос-новном представлен потоком тепла. Различают три способа по-ступления тепла из недр Земли:

- за счет обычной теплопроводности горных пород; - перенос тепла электромагнитным излучением, особенно

при высоких температурах; - перенос тепла движущейся массой (гидротермальный про-

цесс, дегазация, вулканизм и магматизм, образование гор, кон-вективные токи).

Если обычная теплопроводность и радиационный перенос не в состоянии обеспечить быстрый отвод тепла, то вещество мантии либо размягчается до такой степени, что в ней возника-ют течения, либо частично плавится. В последнем случае дви-жения расплавленного вещества обеспечивает эффективный от-вод тепла в биосферу. Тепло, переносимое массами в полтора раза больше чем за счет теплопроводности горных пород. При этом надо отметить, что этот поток дифференцирован по по-верхности планеты.


238

Таблица 8.1

Потоки эндогенной энергии (приближенные значения)

(из работы Ф.Я. Шипунова, 1980)

Потоки энергии Плотность потока энергии, эрг/(см2.с) Доля, %

Поток тепла, обусловленный теплопроводностью > 60 – 70 35,9 – 39,3 Поток тепла, обусловленный переносом масс 100 56,18 – 59,8 Поток тепла приливного трения 7 3,93 – 4,19 Поток тектонической энергии 0,2 – 1,0 0,12 – 0,56 В том числе сейсмической 0, 01 0,0056- 0,006

Итого 167,21 – 178,01 100 На суше его значения изменяются от 38,47 эрг/см2.с (на до-

кембрийских платформах) до 90,33 эрг/см2 с (в кайнозойских вулканических областях). Среднее значение для суши – 59,8 эрг/см2. с. В морях и океанах тепловой поток несколько выше (примерно на 12%) от 53,53 эрг/см2.с (в океанических впадинах) до 76,11 эрг/см2.с (на срединно-океанических хребтах), при среднем значении 66,91 эрг/ см2..с (Шипунов, 1980).

Несомненно, что существовали какие-то колебания мощно-сти потоков эндогенной энергии во времени и пространстве. Но они еще количественно не оценены. В известной мере мы мо-жем о них судить по конечным результатам – по чередованию в геологической истории эпох магматизма и горообразования и эпох слабого проявления магматизма и тектонических движе-ний. Менялось и пространственное проявление эпох магматизма и горообразования на земной поверхности. Результаты про-странственно-временного изменения эндогенных тепловых по-токов зафиксированы в исторической геологии в виде смены па-леогеографических обстановок.

Итак, было показано, что биосфера непрерывно обменива-ется потоками энергии, как с Космосом, так и с недрами Земли. Эти потоки находятся между собой в динамическом равновесии.


239

Такое равновесие поддерживалось на протяжении всей истории биосферы в строго определенных границах. Об этом свидетель-ствует тот непреложный факт, что живое вещество в биосфере непрерывно развивались в течение 3,5 млрд. лет, а ему для своей жизнедеятельности был необходим строго определенный тем-пературный режим (см. раздел 4), который и выдерживался.

Для поддержания теплового баланса необходимо регулиро-вание между собой потоков экзогенной и эндогенной энергии. Как указывает С.В. Калесник (1947), установлено, что в настоя-щее время потоки экзогенной энергии, идущие к биосфере и от нее, равны между собой. Поэтому, скорее всего, поддержание теплового баланса идет за счет изменения соотношения между эндогенными потоками энергии, идущими к биосфере и от нее в недра Земли. В этом механизме, регулирующем температурный режим, особая роль принадлежит биосферным процессам, кон-сервирующим части энергии. Процессы консервации идут при самом непосредственном участии живого вещества, которое этим способом удерживает температурный режим в рамках, оп-тимальных для своей жизнедеятельности. С этой точки зрения, недра Земли играют роль огромной буферной системы, в кото-рую отводятся из биосферы излишки энергии, и откуда она мо-жет поступить в случае необходимости. Огромный средостаби-лизирующий механизм.

Энергетическое обеспечение геологических и геохимических процессов

Н.А. Белявский и В.В. Федынский (1961) предложили рас-сматривать недра нашей Земли, в которых совершаются геоло-гические и геохимические процессы, как “мощную тепловую машину”, некий “котел” сверхвысокого давления с весьма тон-кой и непрочной стенкой. Этот образ прекрасно передает суть энергетических процессов в каменном теле нашей планеты. Стенки этого “котла” то тут, то там периодически и очень часто прорываются. Но порывы способны к самозалечиванию, хотя, в масштабах геологического времени, и не надолго.


240

Энергия этого “котла” расходуется на физико-химические процессы, связанные с дифференциацией вещества и на мигра-цию химических элементов, а также на те или иные подвижки стенок “котла”, которые мы воспринимаем как тектонические движения.

Этот “котел” находится в неустойчивом термодинамиче-ском равновесии, которое в отдельных частях его постоянно на-рушается либо за счет локального повышения температуры, ли-бо роста или падения давления. В качестве “спускового механизма”, благодаря которому в тех или иных частях “котла” бывает перейден порог устойчивости термодинамического рав-новесия, могут выступать различные космические факторы. В частности гравитационные воздействия Луны и Солнца, особен-но когда силы их влияний складываются, изменение скорости вращения Земли и целый ряд других.

Материал, слагающий литосферу, принадлежит двум груп-пам: твердые породы, относительно мало подвижные, и намного более подвижные жидкие и газообразные породы. Надо помнить одно важное обстоятельство: по мере углубления в литосферу градиент давления резко обгоняет температурный. Поэтому в масштабе геологического времени при суперкритических обста-новках вполне возможна текучесть твердых пород и пластич-ность жидких. Газы на некоторой глубине самостоятельно не существуют, а растворяются в жидкостях или расплавах.

Основные потоки энергии связаны с перемещениями флюи-дов, которые представляют собой раствор твердых, жидких и га-зообразных компонентов. Е.С. Гавриленко и В.Ф. Дерпгольц (1971) различают следующие три вида миграции флюидов из недр Земли к ее поверхности.

1. Струйные течения, идущие по зияющим каналам, трещи-нам, системам полостей от области большего давления к мень-шему. Такое движение называют флюацией.

2. Фильтрация, или просачивание, раствора через пористую среду от среды с большим давлением к среде с меньшим давле-нием, или под влиянием сил гравитации.

3. Диффузия, когда раствор стремится к выравниванию хи-мического потенциала и его движение направлено в сторону


241

снижающейся концентрации. Возможна и разновидность этого процесса – термодиффузия, когда раствор движется в сторону снижающейся температуры.

С термодинамической точки зрения геологические и геохи-мические процессы ведут как к увеличению энтропии биосфе-ры, так и к уменьшению ее. Так, тектонические движения соз-дают рельеф, который является необходимой предпосылкой для получения энергии движущейся воды при геофизических про-цессах. При эндогенных геохимических процессах продуциру-ется свободный кислород, потоки которого идут из недр Земли в биосферу, пополняя в ней запасы превратимой энергии (см. вы-ше, в разделе 7 о гипотезе В.И. Бгатова).

Энергетическое обеспечение геофизических процессов

В изучении энергетики геофизических процессов огромную роль сыграла деятельность в конце XIX – начале ХХ века Алек-сандра Ивановича Воейкова. С его именем связана организация в России сети станций наблюдения за метеорологическими и климатическими явлениями. Им же заложены и основы обра-ботки получаемых результатов. Благодаря таким систематиче-ским наблюдениям были выяснены и поняты многие законо-мерности формирования погоды и климата, которые обусловливают пространственно-временную дифференциацию энергетики геофизических процессов в биосфере, которая нам хорошо известна как климатическая зональность.


Рис. 8.1. Принципиальная схема преобразования прямой солнечной радиации и длинноволновой радиации

поверхности Земли и её атмосферы (по С.В. Калеснику, 1947 с дополнениями)

242


Условные обозначения к рис. 8.1 Принципиальная схема преобразования

прямой солнечной радиации и длинноволновой радиации поверхности Земли и её атмосферы

прямая солнечная радиация; рассеянная солнечная радиация; скрытая теплота конденсации; длинноволновая радиация поверхности земли и атмосфе-

ры; тепловой поток из недр земли; консервация энергии при литогенезе; Цифры на схеме показывают мощность потока энергии (в

кал. см2/сутки).

243


244

Геофизические процессы, идущие в атмосфере и гидросфе-ре, совершаются в основном за счет тех потоков энергии, кото-рые возникают при преобразовании в биосфере лучистой энер-гии Солнца и тепловой энергии, идущей из недр Земли.

Потоки энергии в атмосфере подробно рассмотрены в курсе “Общего землеведения” С.В. Калесника (1947). Он указывает, что на внешнюю границу биосферы в целом поступает в сутки 700 кал/см2. Из этого количества только 27% (189 кал) доходит до дневной поверхности. В космическое пространство облаками отражается 33% (231 кал). Рассеивается в атмосфере 25% (175 кал.), из них 9% (63 кал.) уходит в Космос, а 16% (112 кал.) до-ходит до земной поверхности. 15% (105 кал.) прямой солнечной радиации идет непосредственно на нагревание атмосферы. Та-ким образом, из поступившей солнечной энергии 42% (294 кал.) отражается в Космос, 43% (301 кал.) достигает поверхности земли (суши и водной глади) и лишь 15% (105 кал.) идет на на-гревание атмосферы (рис. 8.1).

От поверхности Земли в атмосферу в сутки с каждого квад-ратного сантиметра поверхности уходит 840 кал длинноволно-вого теплового излучения. Этот поток частично формируется за счет преобразования коротковолнового излучения Солнца в длинноволновое и частично за счет теплового потока, идущего из недр Земли. Основная часть этого длинноволнового излуче-ния идет на нагревание атмосферы (784 кал.) и лишь 8% (56 кал.) уходит через тепловое окошко в Космос. Следовательно, атмосфера нагревается главным образом за счет длинноволно-вого теплового излучения Земли и лишь частично (15%) за счет лучистой энергии Солнца. Кроме того, с поверхности Земли в атмосферу идет поток энергии вместе с парами воды (в виде скрытой теплоты парообразования). Этим способом переносится 133 кал. (рис. 8.2).


Рис. 8.2. Принципиальная схема потоков энергии в биосфере

(по данным разных источников) естественные потоки энергии; антропогенные потоки тепловой энергии.

245


246

У поверхности Земли часть лучистой энергии Солнца пре-образуется в результате фотосинтеза в биогеохимическую энер-гию (см. ниже). Часть тепловой энергии расходуется на минера-лообразование в зоне выветривания и тем самым консервируется.

Из нагретой атмосферы идут два потока тепловой энергии: один уходит в Космос (350 кал.), а другой направлен к поверх-ности Земли (672 кал.) (см. рис. 8.2).

Итак, геофизические процессы в атмосфере и гидросфере

совершаются за счет тех потоков тепловой энергии, о которых говорилось выше. С термодинамической точки зрения геофизи-ческие процессы ведут как к увеличению энтропии биосферы, так и к уменьшению ее. В частности к уменьшению энтропии ведет превращение тепловой энергии в атмосфере в энергию ветра, а при влагообороте – в энергию движущейся воды.

Энергетическое обеспечение биологических и биогеохимических процессов

Особенность биологических и биогеохимических процессов с энергетической точки зрения заключается в том, что они ведут к увеличению запасов свободной энергии в биосфере, иначе го-воря, уменьшают ее энтропию. Геофизические, геологические и большая часть геохимических процессов ведут к увеличению энтропии биосферы (при них разные виды энергии переходят, в основном, в тепловую и рассеиваются). Исключение составляет та часть эндогенных химических процессов, в результате кото-рых формируется эндогенный поток свободного кислорода, идущий из недр Земли к ее поверхности (см. выше).

Как уже говорилось, живое вещество уменьшает энтропию и увеличивает свободную энергию биосферы, благодаря такому биогеохимическому процессу, как фотосинтез. При этом про-цессе происходит преобразование молекул углекислого газа (СО2) в атомы углерода и атомы кислорода.


2Н2О + СО2 СОН + Н2О + О2

свет

хлорофилл

Характерная особенность углерода как химического эле-

мента состоит в том, что он, образно говоря, представляет собой геохимический аккумулятор, который при фотосинтезе заряжа-ется свободной энергией. Эта его особенность в совокупности со способностью создавать цепочки атомов углерода, образуя многочисленные разнообразные органические соединения, и приводит к формированию в них огромных запасов свободной энергии. Разряжается этот аккумулятор при разложении (распа-де) органических соединений.

Хотя кларк углерода в земной коре не высок, всего 2,3 × 10-

2%, но в биосфере происходит его значительная концентрация (в известняках кларк С составляет 12%, в живом веществе – 18%, в древесине – 50%, в каменном угле – 80%). В биосфере основная масса углерода сосредоточена в известняках и доломитах (Пе-рельман, Касымов, 1999). Именно концентрация углерода в био-сфере делает его важнейшим химическим элементом для транс-формации солнечной энергии в свободную энергию.

В последние десятилетия установили, что в подземной био-сфере цианобактерии осуществляют за счет подземного тепла хемосинтез, при котором углерод тоже выступает в роли геохи-мического аккумулятора. Но при хемисинтезе происходит трансформация в свободную энергию не лучистой энергии Солнца, а тепловой энергии недр Земли.

Кислород, который также образуется при фотосинтезе из углекислого газа, является вторым химическим элементом, уча-ствующим в трансформации лучистой энергии в свободную. Кислород тоже заряжается энергией при фотосинтезе, а разря-жается при дыхании живых организмов и различных реакциях окисления, особенно в коре выветривания. В отличие от углеро-да кислород более распространен и в земной коре (его кларк

247


248

47.4%), и в гидросфере (кларк 86,82%) и в живом веществе (кларк 70%). Поэтому он является одним из самых могущест-венных деятелей из всех известных химических элементов.

Говоря о кислороде как о геохимическом аккумуляторе сво-бодной энергии нельзя забывать, что зарядка этого аккумулято-ра идет не только при биогеохимических процессах, но частич-но и при эндогенных геохимических (см. выше). Этот абиотический процесс поступления свободного кислорода в биосферу тоже ведет к уменьшению ее энтропии, так как, по-вышается свободная энергия кислорода, которая затем расходу-ется на различные процессы окисления.

В процессе фотосинтеза происходит образование органиче-ского вещества и выделение свободнго кислорода. На это рас-ходуется около 0,26% (∼ 4 – 6 102 эрг/см2.с) лучистой энергии Солнца. Энергия, фиксированная при фотосинтезе, сразу рас-пределяется в зеленом веществе следующим образом:

GP – R1 = NP, где GP – общее количество фиксируемой энергии, R1 – энергия, используемая при дыхании автотрофных растений, NP – остаю-щийся излишек энергии, иначе чистая продукция.

Если рассматривать всю трофическую пирамиду, сложен-ную продуцентами, консументами и деструкторами, то формула приобретает вид

NEP = GP – R1 – R2, где NEP – чистый прирост энергии, запасенный в живом веще-стве, GP – общее количество фиксируемой энергии при фото-синтезе, R1 – энергия, используемая при дыхании продуцентов, R2 – энергия, используемая при дыхании консументов и деструк-торов.

Общее количество фитомассы в биосфере, по данным Н.И. Базилевич, около 2,4 × 1018г, а ежегодная первичная про-дукция 1,64 – 2,32 × 1017г.


249

Величина NEP зависит от зрелости биоценозов и степени окисления отмерших тканей. В зрелых биоценозах она стремит-ся к нулю, т.е. весь полученный запас свободной энергии расхо-дуется на дыхание продуцентов, консументов и деструкторов и окисление отмерших тканей. В первичных же биоценозах NEP существенно отличается от нуля. За счет этой энергии и проис-ходит новообразование живого вещества и усложнение структу-ры биоценозов в процессе сукцессий. Кроме того, в умеренной климатической зоне отмершие растительные ткани растений, в отличие от тропиков, не окисляются, а захороняются в виде торфа в болотах. Тем самым сохраняется энергия свободного кислорода. В этом заключается большая биосферная роль болот, с точки зрения энергетики биосферы.

Итак, основные запасы свободной превратимой энергии в биосфере создаются живым веществом при биологических и биогеохимических процессах.

О запасах свободной энергии в биосфере

Ф.Я. Шипунов (1980) указывает на ряд источников внутри-биосферной энергии (табл. 8.2). Но плотность всех этих источ-ников энергии на два порядка ниже, чем при фотосинтезе (4 – 6 × 102 эрг см2 /c). Антропогенное производство тепла идет за счет запасов свободной энергии биосферы. О масштабах этого процесса можно судить по изменениям концентрации СО2 в ат-мосфере. Содержание углекислого газа в атмосфере в доиндуст-риальную эпоху было 0,028%. В настоящее время это содержа-ние увеличилось до 0,0335, а по прогнозам к 2075 г. может составить 0,06%.

Энергия электрических разрядов расходуется на поддержа-ние многих процессов, большинство из которых пока в доста-точной мере не выяснено. К примеру, при грозовых разрядах создаются азотная и азотистая кислоты. Она вместе с каплями дождя поступает на дневную поверхность и участвует в различ-ных геохимических процессах, идущих в коре выветривания.


250

Таблица 8.2

Источники внутрибиосферной энергии (по Ф. Я Шипунову, 1980)

Источник энергии Плотность потока энергии

эрг/см2.с Антропогенное производство тепла (1975 г.) 16 Распад радиоактивных изотопов (в основном К40) ∼ 7 Энергия электрических разрядов (молниий) ∼ 4 Энергия приливного трения 3,5

При биосферных процессах, которые ведут к сокращению

энтропии, образуются запасы свободной энергии в форме био-генных, биокосных и живых тел. Таблица 8.3 дает представле-ние о примерных запасах в биосфере и ее окружении некоторых видов свободной энергии.

Эта таблица ясно показывает, что основной запас свободной энергии в биосфере приурочен к Сорг и свободному кислороду. Обратите внимание на три последние цифры в ней. Запас сво-бодной энергии в свободном кислороде на два порядка меньше, чем в Сорг. Если учесть, что дыхание живых организмов стано-вится невозможным при снижении содержания кислорода в ат-мосфере с 20,8% до 9 – 10%, то запас свободной энергии в ки-слороде не превышает 121,6 × 1011 эрг/см2. Поэтому запас свободной энергии в кислороде, скорее всего, должен поддер-живаться в пределах 121 – 253 × 1011 эрг/см2.

В биосфере существует механизм поддержания этого не-прикосновенного запаса в сохранности. В него входят следую-щие процессы, характер протекания которых изменяется в зави-симости от содержания кислорода в атмосфере. Во-первых, к ним относится фотосинтез. При уменьшении содержания кисло-рода в атмосфере, фотосинтез увеличивается и, наоборот, при повышении концентрации кислорода – снижается. Во-вторых, это процессы выветривания. Они действуют по сравнению с фо-тосинтезом прямо в противоположном направлении: при повы-шении концентрации кислорода они усиливаются, связывая его


251

излишки, а при уменьшении содержания кислорода – снижают-ся.

К сокращению запасов свободного кислорода, что ведет в увеличению энтропии биосферы, приводят и такие чисто антро-погенные воздействия на нее, как сокращение площади лесов из-за рубок и пожаров, а также и осушение болот. Понятно, что уменьшение лесов ведет к снижению поставок кислорода за счет фотосинтеза. Осушением же болот мы прерываем процесс тор-фообразования, благодаря которому сохраняются запасы сво-бодного кислорода: он не расходуется на окисление отмершей растительной массы, образующей торф.

С термодинамической точки зрения для сохранения непри-косновенного запаса свободного кислорода человечеству для обеспечения своих энергетических нужд выгоднее использовать не процесс горения, а получать электричество за счет преобра-зования энергии движущейся воды и ветра. Во всяком случае, значительно увеличить эти способы получения энергии для сво-их нужд. В механизме, который обеспечивает устойчивость биосферы как системы наиболее слабым звеном является та часть запаса внутренней энергии, которая сосредоточена в сво-бодном кислороде. И этот запас надо беречь как зеницу ока.


252

Таблица 8.3

Приближенные запасы некоторых видов свободной энергии биосферы и ее окружения

(из работы Ф.Я. Шипунова, 1980) Запасы свободной энергии Виды свободной энергии

1029 эрг 1011 эрг/см2

Собственная внутренняя энергия (тепло)

107,1 21,0

Скрытое тепло (конденсация влаги)

0,36 0,07

Тепло литосферы (термальные воды)

51,0 10,0

Механическая энергия 0,02 0,005 Химическая энергия, рассчитан-ная по содержанию Сорг:

В живом веществе 3,9 – 5,8 0,7 – 1,1 В гидросфере 16,9 3,3 В коре выветривания 8,2 – 14,4 1,6 – 2,8 Химическая энергия, рассчитан-ная по содержанию свободного О2 в тропосфере

1316,1 253,0

Химическая энергия биосферы и ее окружения, рассчитанная по содержанию свободного О2

1756

333

Химическая энергия биосферы и ее окружения, рассчитанная по содержанию Сорг

58329 – 58337

11435,6 – 11437,2

* * *

Итак, проведенный анализ потоков энергии в биосфере по-казал, что она, как открытая и полуизолированная система, не-прерывно обменивается потоками энергии с Космосом и недра-ми Земли. И, несмотря на это, биосфера на протяжении более 3,5 млрд лет сохраняет свой термический режим в очень узких температурных рамках, оптимальных для развития живого ве-щества. Это удается сделать благодаря тому, что в роли регуля-тора энергетического баланса биосферы выступает само живое


253

вещество. Механизм регуляции включает две разнонаправлен-ных группы биогеохимических процессов. В первую группу входит фотосинтез, который создает запасы свободной энергии за счет лучистой энергии Солнца, и хемосинтез – который в подземной биосфере создает запасы свободной энергии за счет тепла, идущего из недр Земли. Во вторую группу входят про-цессы выветривания, которые консервируют излишки энергии в осадочных горных породах. Недра Земли являются той буфер-ной зоной, в которой хранятся запасы законсервированной энер-гии и происходит их расконсервация.

Семинар 8.1. Энергетическое взаимодействие биосферы

с внешней средой


1. Экзогенные потоки энергии. Используя материал тем 5 и 6, представьте в виде схемы приход и расход энергии Солнца.

2. Эндогенные потоки энергии: - виды, - потоки, - способы поступления из недр. 3. Объясните, почему недра Земли являются средообразую-

щим фактором поддержания температурного баланса на плане-те.


Семинар 8.2. Энергетическое обеспечение

различных биосферных процессов

1. Сопоставьте энергетическое обеспечение геологических, геохимических, геофизических процессов:

- источники - трансформация - энтропийная и антиэнтропийная направленность 2. Особенности обеспечения энергией биологических про-

цессов. Роль углерода и кислорода.

Самостоятельная работа в группах с докладом итогов на семинаре

1. Опишите взаимосвязи между ролями С и О в биосферных процессах при создании запаса свободной энергии, а также при расходовании этого запаса.

2. Проанализируйте с термодинамической точки зрения действия человечества, покажите, какие из них ведут к увеличе-нию энтропии биосферы, а какие к сохранению энтропии или даже к снижению ее.


Белов Н.В., Лебедев В.И., 1964; Лебедев В.И., Сини-цын В.М., 1968; Хильми Г.Ф., 1966;

254

9. Примеры круговоротов химических элементов в биосфере


9. Примеры круговоротов химических элементов

и их соединений в биосфере

Пользоваться ограниченным количеством веществ неограниченно долго можно только, следуя принципу круговорота

Б.В. Поярков

“Человек неразрывно связан в одно целое с жизнью всех живых существ,

существующих или когда-либо существовавших. ... Эта связь

составляет часть великого геохимического явления – круговорота химических элементов, – вызванного питанием

организованных существ” В.И. Вернадский

И

звестно, что на нашей планете ограничены запасы жизненно важных химических элементов и их со-единений, которые участвуют в биологических и

биогеохимических процессах, поддерживая их непрерывное развитие. Пользоваться ограниченными запасами неограни-ченно долго возможно лишь по принципу круговорота. Именно этот принцип лежит в основе функционирования биосферы. В этом разделе мы рассмотрим общую схему реализации этого принципа на примере ряда химических элементов и их соедине-

255


256

ний, которые в биогеохимических процессах выполняют разные функции. Критериями отбора в данном случае служат:

- роль химического элемента (соединений химических эле-ментов) в трансформации и аккумуляции энергии в биосфере,

- занимаемое место в биогенной классификации химических элементов В.И. Бгатова,

- степень изученности. По этим критериям были выбраны четыре химических эле-

мента и одно их соединение. Это обыкновенная вода (соедине-ние водорода и кислорода), которая играет, с одной стороны, роль всеобщего растворителя (любой биогеохимический про-цесс идет только в водных растворах), с другой – роль транс-форматора и аккумулятора солнечной энергии, благодаря работе которого обеспечивается энергетика целого ряда геофизических и геологических процессов.

Далее три химических элемента (O, C, N), исполняющих роль геохимических трансформаторов и аккумуляторов свобод-ной энергии. Эти элементы в разного рода процессах (фотосин-тез и др.) трансформируют и запасают солнечную энергию, ко-торая затем расходуется на поддержание биологических и биогеохимических процессов.

И, наконец, фосфор, который принадлежит группе создате-лей первичной доклеточной жизни и непременных участников формирования белковых молекул (ДНК и РНК).

Примеры круговоротов мы рассмотрим для каждой из пере-численных групп, придерживаясь следующего плана.

1. Особенности химических элементов (их соединений), ко-торые важны с точки зрения осуществления круговорота.

2. Пути поступления и изъятия химического элемента (их соединений) в биосферу, т.е. внешний круговорот между био-сферой и окружающей ее средой.

3. Основные пути миграции химических элементов и их со-единений в биосфере (внутри биосферные круговороты), в том числе и создание резервуаров, накапливающих запасы и играю-щих средостабилизирующую роль

4. Характер изменений внешних и внутренних круговоротов в течение геологического и исторического времени


257

5. Влияние человека на сложившиеся круговороты. Необходимо подчеркнуть, что ниже будут рассмотрены

лишь принципиальные схемы круговоротов. Характер реализа-ции этих принципиальных схем в любой части биосферы будет свой, особенный, зависящий от своеобразия каждого места. Иными словами эти принципиальные схемы в разных ландшаф-тах реализуются по-разному. Изучением этого своеобразия реа-лизации занимается отдельная наука, которая называется геохи-мией ландшафта.

Круговорот воды

Вода - это простейшее соединение водорода и кислорода, она играет в биосфере исключительную роль. Эта роль обуслов-лена целым рядом особенностей воды, которые рассмотрены ниже.

Особенности. Первая особенность воды состоит в том, что она в буквальном смысле пронизывает всю биосферу, присутст-вуя в виде пара в тропосфере, в жидком и твердом состоянии в гидросфере, ландшафтной сфере и литосфере. В подземной гид-росфере она присутствует не только как грунтовые и подземные воды, но и заполняет все пустоты и трещины в горных породах в пленочно-волосной и капиллярной форме. Вода входит во многие горные породы либо в кристаллические решетки (кри-сталлизационная вода), либо в структуру молекул (конституци-онная вода). Особенно это касается тех горных пород, которые сформировались в зоне гипергенеза (в корах выветривания – глины, гипс и т.д.). Вот эта вездесущность и есть главная осо-бенность воды как химического соединения. Как говорилось в одном популярном довоенном фильме “Волга – Волга”, “без во-ды и ни туды, и ни сюды!”

“Вся вода земной коры представляет как бы сплошную еди-ную водную оболочку, находящуюся в непрерывной связи в равновесии, с одной стороны, через водные пары тропосферы, с другой стороны – через капиллярные, пленчатые воды, проника-


258

ющие все твердое вещество – горные породы биосферы, страти-сферы, метаморфической и гранитной оболочек, и связанную в сплошную массу гидросферу. Это единая масса воды – водного раствора – составляет несколько процентов “земной коры”. Это большое планетное явление – единая масса воды” (Вернадский, 1987, стр. 40).

Собственно, эта вездесущность воды и лежит в основе единства биосферы как естественного тела глобальной размер-ности.

Вторая особенность воды состоит в том, что она является хорошим растворителем для очень многих веществ, которые в ней находятся в ионизированном состоянии. По существу, по-давляющее большинство реакций при биогеохимических про-цессах идут в водных растворах (ионных или коллоидных). Бла-годаря этому вода имеет исключительное значение для живого вещества. Это хорошо выражает афоризм: “где вода, там и жизнь!”

Третья особенность связана с тем, что в биосфере вода на-ходится в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и га-зообразном. Она хороший теплоноситель: скрытая теплота плавления льда – 79,4 кал/г., а парообразования – 538,6 кал/г. Именно это ее свойство в значительной мере обеспечивает энер-гетику ряда экзогенных геологических и геофизических процес-сов.

Пути поступления и изъятия воды в биосферу. Вся вода, находящаяся на нашей планете, имеет космическое происхож-дение, но пути ее поступления различны (рис. 9.1).

Из недр планеты при магматических процессах идет поток воды в виде газовых струй и гидротермальных растворов. Это основной источник воды, благодаря которому образовалась гид-росфера. А.П. Виноградов (1967) указывает, что на поверхность Земли поступает около 7% воды от массы извергнутых из недр пород. Он приводит следующие расчеты. Вся гидросфера (1,6 × 1024г) по отношению ко всем горным породам земной коры (2,4 × 1025г) составляет 6,7%, т.е. не более 7%. Несколько иные цифры приводят Е.С. Гавриленко и В.Ф. Дерпгольц (1971), но


259

они рассматривают лишь базальтоидный магматизм, который составляет только часть всех магматических процессов.

“Базальтовая магма может содержать до 12% (а на глубине – даже до 18%) ювенильной воды, т.е. воды, ранее бывшей в ман-тии. Общее количество воды в мантии, исходя из содержания ее в метеоритах, оценивается в 2,1 × 1025г (масса мантии составля-ет 4,1 × 1027г или 68,1% всей массы нашей планеты). Таким об-разом, вся гидросфера Земли составляет около 12% первона-чальных запасов воды в мантии. Однако вся масса воды в массе Земли (5,977 × 1027г) первоначально составляла 3 × 1025г, и наша гидросфера равна 8,4% этой величины. Условно подразумевает-ся, что диссипация воды в пространство и поступление из него на Землю уравновешивают друг друга (Гавриленко и Дерпгольц, 1971, с. 21).

Какое-то количество воды в гидросферу поступает и при окислении метана, идущего из недр Земли, кислородом воздуха. Но этот процесс несоизмерим с выделением воды при магмати-ческих процессах.

Обратите внимание на две цифры, приведенные на рис. 9.1. Количество воды, выделившееся из мантии за всю геологиче-скую историю Земли, 3,4 × 1024г, а масса современной гидро-сферы 1,6 × 1024г. Разница между этими цифрами (1,8 × 1024г, скорее всего, и показывает то количество воды, которое было захоронено в недрах Земли при минералообразовании в зоне ги-пергенеза (корах выветривания).


260


Рис.

9.1

. Принципиальная схема круговорот

а воды

в биосф

ере

(по данным

разны

х источников)

ми

ровой океан;

толщ

а осадочны

х пород;

поступление

с метеоритами

и косми

ческой

пыли

;

поступление

за счет фо

тодиссоциации;

эндогенный поток воды

, в том

числе

и метана,

за

счет

окисления

которого получается

Со 2

и Н

2О;

консервация воды

в процессе литогенеза

;

пути

переноса воды

в атмосфере

;

речной

сток поверхностны

й;

речной

сток

подземны

й

261


262

В глинах и глинистых сланцах содержится до 5% (от веса породы) конституционной воды, входящей в структуру молекул. Сланцы и глины составляют 83% всех осадочных пород и в них заключено 1,2 × 1024 г воды. Таким образом, ежегодный прирост массы воды в гидросфере в 7,2 × 1014г частично уравновешивал-ся ежегодной убылью в 3,4 × 1014г, а превышение прихода над расходом (3,8 × 1014г) за геологическую историю биосферы со-ставляет 1,33 × 1024г. Это примерно 83% массы современной гидросферы. Все расчеты делались, исходя из предположения равномерного поступления воды из недр. Приведенные выше цифры могут указывать, что на начальных этапах развития био-сферы магматические процессы, а следовательно, и поступление воды, шло интенсивнее по сравнению с настоящим временем. Эта точка зрения не раз высказывалась в литературе (Гаврилен-ко и Дерпгольц, 1971 и др.).

То, что мы сейчас рассмотрели, часто в геологии называют внутренним круговоротом воды на нашей планете. Внутренним, с точки зрения Земли в целом. По отношению же к биосфере этот круговорот будет внешним, так как при нем происходит приток воды в биосферу и изъятие воды из нее.

Пути миграции воды в биосфере. В самой же биосфере пути миграции замкнуты: в ней происходит внутренний круго-ворот воды. В геологической и географической литературе его называют внешним круговоротом воды. И он действительно внешний, если смотреть с точки зрения всей нашей планеты. Внутрибиосферный круговорот воды показывает, как происхо-дит миграция водных масс между основными элементами био-сферы (гидросферой, атмосферой, ландшафтной сферой и верх-ней частью литосферы, входящей в биосферу). На долю поверхностных вод приходится 56% всей гидросферы, осталь-ная часть (44%) – это подземная гидросфера. Между ними тоже идет постоянный обмен. Из поверхностных вод 97% приходится на долю мирового океана, 2% – на льды и всего лишь 1% на ре-ки и озера. Так что основной резервуар, в котором накаплива-ются запасы воды в биосфере, – это Мировой океан, являющий-ся в ней одновременно и самой крупной в биосфере средостабилизирующей системой.


263

Внутрибиосферный круговорот поверхностных вод доста-точно хорошо изучен, и о его характере дает представление табл. 9.1.

Таблица 9.1

Годовой обмен воды за счет процессов испарения ↔ конденсации ↔ образования облаков ↔

осаждения дождевой (снеговой) воды (из работы Ф.Я. Шипунова, 1980 по данным М.И. Львовича, 1969)

Стадии обмена воды Объем, 1018см3

% от выпадения дождевой (сне-

говой) воды

Периферийная часть суши (116,8 1016см2) Выпадение дождевой (снеговой) воды 101,0 19,4 Сток речной воды 36,4 7,0 Испарение воды 64,6 12,4

Замкнутая часть суши (32,1 1016см2) Выпадение дождевой (снеговой) воды 7,4 1.4 Испарение воды 7,4 1,4

Мировой океан (361,1 1016см2) Выпадение дождевой (снеговой) воды 411,6 79,2 Приток речной воды 36,4 7,0 Испарение воды 448,0 86,2

Вся поверхность Земли (510,0 1016см2) Выпадение дождевой (снеговой) воды 520 100 Испарение воды 520,0 100

“Из этой таблицы видно, что поступление воды в надзем-

ную гидросферу над океанами и континентами неодинаково. Возникающий в связи с этим горизонтальный перенос влаги с океанов на континенты и сток речных вод с последних замыкает этот водообмен. По М.И. Львовичу (1969), за счет данного про-цесса воды океана возобновляются за 2600 лет, надземные – за 0,027 года (10 суток), рек и озер – за 3,3 года, только рек – за 0,033 года (12 суток), а почвенной влаги – за 0,9 года. Подзем-ные гравитационные воды обновляются приблизительно за 5


264

тыс. лет” (Шипунов, 1980, с. 157). Приведенные цифры дают первое представление о скорости данного круговорота воды и отдельных его звеньев.

Характер изменений круговоротов воды. Параметры как внешнего, так и внутреннего круговоротов воды не оставались постоянными. Они менялись, и эти изменения носили цикличе-ский характер. Из исторической геологии известно, что в исто-рии биосферы происходило чередование так называемых талас-сократических эпох (венд, средней кембрий, средней ордовик, ранний карбон, поздняя юра, поздний мел и средний палеоген) с геократическими (ранний силур, ранний девон, пермь и триас, ранний мел неоген). Для талассократических эпох было свойст-венно развитие трансгрессии моря, усиление базальтоидного магматизма. Климат становился гумидным, интенсивно форми-ровались коры выветривания. Антиподами этих обстановок бы-ли аридные геократическое эпохи, которым было присуще: рег-рессия моря, рост гор, который сопровождался усилением кислого магматизма, а базальтоидный вулканизм ослабевал, по-всеместно шла аридизация климата, замирали процессы в зоне гипергенеза. В талассократические эпохи, скорее всего, увели-чивался приток ювенильных вод из-за интенсивного развития базальтоидного вулканизма, но также усиливалось и изъятие ее благодаря более интенсивным процессам выветривания. В гео-кратические эпохи приток ювенильных вод сокращался, но зато и уменьшалось ее изъятие в процессе минералообразования в зоне гипергенеза.

Такова общая направленность процессов, но о количествен-ных показателях этих изменений судить пока трудно.

Изменения внутри биосферного круговорота воды приводи-ли к колебаниям степени увлажненности внутренних частей су-ши. В частности, на Евразийском континенте, как установил А.Н. Шнитников (1957), менялась степень увлажнения степей (1500-летние циклы Шнитникова). Это вело к трансформации растительного покрова (ковыльные степи превращались в полу-пустыни). Это, по мнению Л.Н. Гумилева (1993), явилось при-чиной миграции кочевых народов. Именно с аридизацией цен-тральноазиатских степей Л.Н. Гумилев связывает нашествие в


265

Европу гуннов, а впоследствии и татаро-монгол. Так изменения внутрибиосферных круговоротов воды отражались на ходе ис-тории человечества.

Влияние человека. В настоящее время человек своей хо-зяйственной деятельностью может оказывать существенное влияние на отдельные звенья внутрибиосферного круговорота воды. К таким действиям в первую очередь относятся следую-щие два.

1. Крупные разливы нефти в морях и океанах приводят к тому, что тонкая нефтяная пленка покрывает огромные площади и препятствует нормальному развитию влагообмена между океаническими водами и воздушными массами. Это может вес-ти к уменьшению количества влаги, которая переносится на су-шу.

2. Перераспределение речного стока гидротехническими со-оружениями может вызывать изменения в глобальной циркуля-ции воздушных масс и трансформировать характер увлажнения отдельных регионов. Так, сокращение притока пресных речных вод в Северный Ледовитый океан из-за переброски части их в Центральную Азию приведет к уменьшению его ледовитости. Известно, что уменьшение ледовитости Северного Ледовитого океана сказывается на глобальной циркуляции атмосферы, что проявляется за многие тысясчи километров: в Африке (южнее Сахары) уменьшается количество осадков и южная граница этой пустыни сдвигается на несколько сот километров к югу, в глубь Африканского континента.


266

Круговорот кислорода

Кислород – один из самых распространенных элементов в биосфере. Его кларк в литосфере – 47%, в гидросфере – 86,82%, в живом веществе – 70%. Живые организмы суть кислородные существа. По классификации В.И. Бгатова он относится к био-генным элементам, входя в группу первоэлементов.

Особенности. Первая особенность кислорода, состоит в том, что он наряду с углеродом играет важнейшую роль транс-форматора и аккумулятора лучистой энергии Солнца. При фо-тосинтезе происходит зарядка этого геохимического аккумуля-тора, а при дыхании и процессах окисления – разрядка.

Вторая особенность состоит в том, что "свободный кисло-род – самый могущественный деятель из всех нам известных химических тел земной коры. Поэтому в большинстве систем биосферы, например, в почвах, грунтах, речных и морских во-дах кислород является геохимическим диктатором, определяет геохимическое своеобразие системы" (Перельман, Касымов, 1999, с. 598). Учитывая все эти особенности, круговорот кисло-рода играет первостепенную роль в биосфере.

Пути поступления и изъятия кислорода в биосферу. Как уже отмечалось (см. раздел 7), В.И. Бгатов (1986) выдвинул очень интересную и перспективную гипотезу о двух основных источниках, из которых кислород поступает в биосферу. Пер-вый – эндогенный. При подводных излияниях базальтов в при-донные слои поступает свободный кислород (0,5% от излив-шейся массы). Затем он распространяется по всей толще океанических вод, и уже из нее – в атмосферу. Ежегодно посту-пает 16 × 1016г эндогенного кислорода.

Второй источник, о котором знали давно, это – процесс фо-тосинтеза, осуществляемый зелеными растениями. Водные рас-тения поставляют ежегодно 5 × 1016г кислорода, а сухопутные – 1,25 × 1016г. Всего ежегодно в атмосферу поступает около 2,23 × 1017г кислорода. Кроме этих двух основных источников незна-чительная часть кислорода может получаться в верхних слоях


267

атмосферы за счет фотохимического разложения молекул воды под воздействием ультрафиолетовых лучей.

Существует только один путь изъятия свободного кислоро-да из биосферы – это разнообразные реакции окисления. К ним относится дыхание живых организмов, а также процессы, иду-щие в зоне гипергенеза. Возникающие при этом минеральные новообразования, обогащенные кислородом, слагают осадочные горные породы, которые нисходящими тектоническими движе-ниями погружаются в недра Земли. Там при метаморфизме и магматических процессах при восстановительных реакциях и происходит возгонка свободного кислорода, который затем сно-ва поступает в биосферу. В этом процессе, вероятно, велика роль железа, которое окисляется в зоне гипергенеза, а в недрах Земли его окислы восстанавливаются.

Пути миграции кислорода в биосфере. В современной ат-мосфере содержится, по подсчетам В.И. Вернадского, 1,5 ×1021г свободного кислорода. В океанических водах 1,4 × 1019г (в верх-нем 200-метровом слое, где идет фотосинтез 5 × 1016г, а в промежуточных и глубинных водах – 1,4 × 1019г). Таким обра-зом, основным резервуаром свободного кислорода является ат-мосфера. Из поступающего ежегодно 2,3 × 1017г свободного ки-слорода на дыхание растений расходуется 0,94 × 1016г (15% от массы фотосинтетического кислорода), а все остальное идет на дыхание животных и многочисленные реакции окисления, иду-щие во всех средах биосферы, в том числе 1,4 × 1016г/год на сжигание органического топлива (рис. 9.2).

Наблюдаются региональные различия в судьбе фотосинте-тического кислорода. Так, в тропических и экваториальных ле-сах, где развита пышная растительность, весь фотосинтетиче-ский кислород расходуется на дыхание и на окисление большой массы отмерших растительных остатков. Кроме того, в этих местах процессы


268


269

Рис.

9.2

. Принципиальная схема круговорот

а кислорода

в биосфере

(по данным

ряда источников)

океан;

толщ

а осадочны

х пород;

резервное значение

О2;

эндогенный поток свободного

О2;

поток фо

тосинтетического

О2;

консервация О

2 при

литогенезе;

реакции окисления,

в том

числе

и дыхания;

поток О

2 при

антропогенном

сжигании

топлива


270

окисления в зоне гипергенеза идут наиболее интенсивно. В та-ежных лесах Северного полушария (северная половина Евразии и Северной Америки) благодаря захоронению растительной массы в болотах, расход на окисление Сорг значительно меньше. Менее интенсивно идут и процессы окисления в зоне гипрегене-за. Поэтому именно леса умеренной зоны Северного полушария и являются основным поставщиком фотосинтетического кисло-рода в атмосферу.

Наблюдаются региональные различия в содержании сво-бодного кислорода в глубинных океанических водах (табл. 9.2). В.И. Бгатов (1985) объясняет это разной степенью развития под-водных излияний базальтовой магмы (максимум приходится на Атлантический океан, а минимум – на Тихий).

Таблица 9.2

Содержание свободного кислорода в глубинных океанических водах (из работы В.И. Бгатова, 1985)

Океаны Показатель Атлантиче-

ский Индийский Тихий

Содержание О2 в мл/л 5.15 – 5,39 3,34 – 4.3 2,8 – 4,3 Насыщенность в% 67 – 71 44 – 56 37 – 52

Характер изменений круговоротов кислорода с течени-

ем времени. В.И. Бгатов (1985) указывает, что в геологической истории не раз происходили изменения в поступлении и расходе кислорода в биосфере. Это связано с циклическим чередованием талассократических и геократических эпох. Талассократические эпохи были приурочены к венду, среднему кембрию, среднему ордовику, раннему карбону, поздней юре, позднему мелу и среднему палеогену. В эти эпохи развивались трансгрессии и усиливался базальтоидный магматизм. Это вело к увеличению поступления как эндогенного, так и фотосинтетического кисло-рода. Но одновременно происходили процессы, препятствую-


271

щие росту содержания кислорода в атмосфере. Так, известно, что при увеличении концентрации в атмосфере кислорода сни-жается фотосинтез и усиливаются окислительные процессы, особенно в зоне гипергенеза.

Геократическим эпохами (раннему силуру, раннему девону, перми и триасу, раннему мелу, неогену) свойственны регрессии моря, ослабление базальтоидного вулканизма. Для них харак-терно снижение поступления как фотосинтетического, так и эн-догенного кислорода. С уменьшением концентрации кислорода в атмосфере усиливался фотосинтез, и замирали процессы окис-ления, особенно в зоне гипергенеза.

Эти прямые и обратные связи, действующие в системе кру-говорота кислорода в биосфере, приводили к тому, что во все геологической истории содержание кислорода в атмосфере ко-лебалось незначительно. В.И. Бгатов пишет: “Исходя из наших построений, максимальное уменьшение или увеличение в атмо-сфере кислорода в любой геологической эпохе по отношению к предшествующей или будущей может быть не более чем на 10%” (с. 65). Но даже такие небольшие колебания имели суще-ственные последствия для живых организмов. Массовое выми-рание организмов приурочены к геократическим эпохам, к ко-торым приурочено снижение поступления кислорода в биосферу.

“В течение фанерозойской истории Земли количество продуциро-вавшегося кислорода в расчете на современный год составляло от 2 × 1017г в геократические эпохи до 2,3 × 1017г в эпохи талассократичесие. Таким образом, количество продуцировавшегося кислорода изменялось относительно незначительно. В сближенных по времени геологических эпохах эти величины составляли не более 4 – 5%” (Бгатов, 1985, с. 63).

“Из всех возможных внешних причин всеобщего вымирания живот-ных единственной может быть газ. Любые изменения состава атмосферы немедленно сказываются во всех экологических нишах. ...Мелкие живот-ные сильнее нуждаются в повышенном содержании кислорода в атмо-сфере, так как они обычно ведут более активный образ жизни. ... Порогом вентиляторной реакции у человека, например, считают содержание ки-слорода во вдыхаемом воздухе 16 – 18%. ... Вот почему постоянное наро-донаселение встречается только до высот 4300 – 4500 м.” (Бгатов, 1985, с. 62 – 67).


272

Все сказанное об изменениях в круговороте кислорода в те-чение геологической истории биосферы можно резюмировать следующим образом. “Эпохи вымирания проконтролированы эпохами снижения продуцирования кислорода. На переходе от эпох относительно мощного продуцирования кислорода к эпо-хам относительного его снижения животные организмы вынуж-дены были эволюционировать, т.е. приспосабливаться к ме-няющемуся газовому режиму атмосферы. Жизнь необходимо, в первую очередь, рассматривать как борьбу за газ, за кислород. ... Итак, кислороду обязаны и расцвет и угасание жизни. Он явля-ется ее основой” (Бгатов, 1985, с. 67).

Влияние человека. Хозяйственная деятельность человека воздействует на сложившийся круговорот кислорода в биосфере несколькими способами. Во-первых, вырубка лесов в умеренной зоне Северного полушария ведет к уменьшению поступления в атмосферу фотосинтетического кислорода. Во-вторых, осуше-ние болот в Северном полушарии, что было модно у нас в стра-не во второй половине ХХ века, способствует повышенному расходу кислорода на окисление отмершей растительной массы. В-третьих, разливы нефти в морях и океанах образуют на об-ширных площадях тонкую пленку, которая препятствует фото-синтетической деятельности фитопланктона. В-четвертых, ис-пользование органического и минерального топлива создало еще один канал изъятия кислорода из атмосферы. По этому ка-налу в начале ХХI века изымается порядка 22% поступающего фотосинтетического кислорода, и величина этого изъятия имеет тенденцию к росту. Поэтому особое значение приобретает уве-личение в энергетике доли использования возобновимых источ-ников энергии (силы ветра и движущейся воды), чтобы снизить сжигание органического топлива. Немаловажное значение для сохранения сложившегося круговорота кислорода имеет возоб-новление лесов (лесовосстановительные работы), а также борь-ба с лесными пожарами и сохранение болот.


273

Круговорот углерода

Углерод входит в число биогенных первоэлементов, сла-гающих каркас органических молекул. Он как химический эле-мент обладает целым рядом особенностей.

Особенности. Первая из них состоит в том, что он выпол-няет в биосфере, наряду с кислородом, функцию важнейшего геохимического трансформатора и аккумулятора солнечной энергии. Эта его способность проявляется при фотосинтезе, в процессе которого происходит зарядка этого аккумулятора. За счет запасенной энергии осуществляются все биохимические превращения в живом веществе. Разряжается этот аккумулятор при разложении органических веществ.

Вторая особенность углерода – он как бы выступает в двух ипостасях. С одной стороны, он действует как обычный хими-ческий элемент, образуя ряд неорганических соединений, среди которых важнейшими являются углекислый газ (СО2) и его про-изводные (угольная кислота), а также карбонаты (CaCO3, MgCO3, CaCO3

.MgCO3 и др.). С другой стороны, углерод спосо-бен создавать цепочки атомов, из которых строится великое множество (несколько сот тысяч) органических соединений (белки, витамины, гормоны и др.). Большая часть этих соедине-ний входит в состав живого вещества и устойчива лишь в соста-ве живых организмов. Но после смерти не все органические со-единения окисляются, часть их минерализуется и сохраняется в толщах горных пород в течение длительного времени.

Связь между органическими и неорганическими соедине-ниями углерода осуществляется через СО2. Динамическое рав-новесие между СО2 ↔ живым веществом В.И. Вернадский на-звал жизненным циклом. Рассматриваемая особенность углерода (выступать в двух ипостасях) порождает два полюса в круговоротах этого


274


275

Ри

с. 9

.3. П

ринципиальная схема круговорот

а углерода

в биосфере

(по данным


1 литосфера

;

2 океан

;

3 резервный запас углерода

;

4 эндогенны

й поток СО

2;

5 хемосинтез;

6 консервация

С;

7

фотосинтез;

8 природные процессы

окисления

, в том

числе

и дыхание;

9 антропогенный процесс окисления

(сжигание

топлива

);


276

элемента: с одной стороны, круговорот между СО2 и органиче-скими соединениями, с другой – между СО2 и неорганическими соединениями.

Третья особенность углерода – в его способности накапли-ваться в биосфере, причем накопление идет как за счет неорга-нических, так и органических соединений. Так, если кларк угле-рода в земной коре 2,3 × 10-2%, то уже в известняках углерода содержится 12%, в живом веществе – 18%, в древесине – 50%, в каменном угле – 80%.

Четвертая особенность – углерод имеет два стабильных изо-топа 12С (98,892%) и 13С (1,108%) и радиоактивный 14С с перио-дом полураспада 5600 лет. Этот радиоактивный изотоп образу-ется в атмосфере из азота под влиянием космических лучей. В образовании неорганических соединений в равной степени участвуют 12С и 13С, при фотосинтезе происходит фракцирование: при создании органического вещества преимущественно используется легкий изотоп. Эта особенность позволяет проникнуть в механизм круговорота углерода (об этом будет сказано ниже).

Пути поступления углерода в биосферу и пути изъятия

его из нее. Основной источник углерода в биосфере – это недра Земли, откуда он поступает при вулканических извержениях в виде углекислого газа. М.И. Будыко (1981) приводит следую-щую цифру поступления СО2 – 1 × 1014г/год Если же исходить из количества углерода в биосфере (таблица 9.3), считая, что он равномерно поступал в течение всей геологической истории биосферы (3,5 млрд. лет), то получим несколько иную, но близ-кую цифру – 1,8 × 1013г/год.

Изъятие углерода из биосферы происходит в процессе лито-генеза при минерализации части органического вещества в виде Сорг, углей, углеводородов и образовании в морях и океанах толщ карбонатных пород. Осадочные породы нисходящими тек-тоническими движениями опускаются в недра Земли, где про-исходит их метаморфизм и переплавление в магматических оча-гах, а содержащийся в них углерод окисляется и, превратившись в СО2, вновь поступает в биосферу.


277

Таблица 9.3

Распределение углерода (по А.П. Виниградову, 1967)

Объект Углерод, г Углерод поверх-ности Земли,

г/см2

Организмы моря ~ 1 1016 0,002 Организмы суши ~ 3 1017 0,06 Атмосфера 6,3 1017 0,125 Океан 3,6 1019 7,5 Угли, нефти и другие каустобиолиты 6,4 1021 663 Сланцы, глины 1,0 1022 2000 Карбонаты ~ 5,0 1023 > 2500

Пути миграции углерода в биосфере. Преобразование эн-

догенного потока СО2 в биосфере идет по нескольким направ-лениям. Во-первых, в подземной биосфере, как под континента-ми, так и под дном морей и океанов микроорганизмы из СО2 и Н2О при хемосинтезе создают жидкие и газообразные углеводо-роды. Часть из них мигрирует до дневной поверхности и окис-ляется кислородом воздуха, большая же часть сохраняется в толщах горных пород в виде запаса, который мы называем ме-сторождениями нефти и газа. В этом процессе хемосинтеза уг-леводородов еще много неясного, много белых пятен, поскольку интенсивное изучение его началось всего лет 10 – 15 тому назад, когда стали проходить глубокие и сверхглубокие буровые сква-жины.

Во-вторых, эндогенный углекислый газ, попадая в океани-ческие воды, насыщает их. В океанических водах, по оценкам А.П. Виноградова (1967), содержится 1,4 × 1020 г СО2, почти в 60 раз больше, чем в атмосфере (2,6 × 1018 г СО2). Максимальное содержание СО2 приурочено к придонным слоям воды.

В верхней толще приповерхностных вод (0 – 200 м) идет интенсивный фотосинтез органических соединений. Этим спо-собом ежегодно фиксируется в живом веществе около 1017 г уг-


278

лерода из СО2, причем запасы углекислого газа, по мере исчер-пания, пополняются за счет придонных вод. При дыхании жи-вых организмов часть созданных органических соединений окисляется до СО2, а наибольшее их количество составляет ос-нову трофической пирамиды морских обитателей. Пищевой ба-ланс в море очень напряженный, так что до дна доходит лишь около 1% органического углерода. Эта часть в виде Сорг захоро-няется в твердых осадках, надолго исчезая из цикла углерода (Виноградов, 1967).

Между концентрациями СО2 океанических вод и атмосферы на протяжении всей геологической истории сохранялось под-вижное динамическое равновесие. Оно поддерживается тем, что геохимические процессы в биосфере направлены на уменьше-ние содержания газообразной углекислоты, как в воздушной, так и водной средах. Происходит ее исчерпание из этих бассейнов и перевод в твердые осадки – карбонаты. Карбонатообразование – один из самых мощных в биосфере способов формирования не-органических соединений углерода (см. табл. 9.3) В этом про-цессе уже несколько сотен миллионов лет принимает активное участие живое вещество, после того как оно на рубеже докем-брия и фанерозоя освоило кальциевую функцию. Ежегодно в океане в виде карбонатных скелетов морских организмов откла-дывается в донные отложения около 1 1015г/CО2, или 2,5 1014г С. Эта углекислота карбонатов, как считает А.П. Виноградов (1967), может быть источником возрожденной СО2.

В-третьих, целый ряд превращений происходит с СО2 в воз-душной среде. В ней, в основном в ландшафтной сфере, веду-щим процессом преобразования СО2 является фотосинтетиче-ская деятельность наземной растительности. Все остальные пути миграции углерода в ландшафтной сфере, так или иначе, связаны с преобразованиями созданной массы живого вещества. Процесс фотосинтеза является ведущим для ландшафтной сфе-ры. Это подтверждается и следующими доводами, приведенны-ми А.П. Виноградовым (1967). Он пишет: “Для нас представляет интерес, прежде всего, фракцирование 12С/13С в процессе фото-синтетического поглощения растениями СО2. Скорость погло-щения 12СО2 выше, чем 13СО2 и общий эффект фракцирования


279

около 2% ... Возможно, что вся СО2 атмосферы прошла биоген-ный цикл фракцирования углерода” (с. 69 – 70). Соотношение 12С/13С в СО2 атмосферы 89,2, тогда как у углерода каменных метеоритов (протопланетного вещества) – 90,9 – 92,5.

В ландшафтной сфере пути преобразования живого вещест-ва, созданного в процессе фотосинтеза, значительно разнооб-разнее, чем в гидросфере. Так же, как и в водной среде, часть созданных биогенных соединений окисляется в процессе дыха-ния живых организмов, пополняя резервы углерода в атмосфере. Кроме того, отмершие ткани организмов также окисляются ки-слородом атмосферы до СО2. Но в ландшафтной сфере появля-ются два новых процесса. Это угленакопление, которое начина-ется с того, что отмершая растительная масса, попадая в болота, не окисляется, а, испытав целый ряд преобразований, минерали-зуется в виде каменных углей.

Второй процесс – гумусообразование в почвах. Он идет только на суше. В дальнейшем гумус может минерализовывать-ся и захорониться в виде рассеянного Сорг.

В ландшафтной сфере появляется и такое новообразование, как техногенный источник СО2 , связанный с использованием в хозяйственной деятельности для получения энергии запасов уг-ля и углеводородов. Поток техногенной СО2 постоянно растет (см. выше).

Итак, в круговороте углерода четко прослеживается подраз-деление на два: круговорот органических соединений и круго-ворот неорганических. Первый преобладают в ландшафтной сфере, второй в толще океанических вод. В целом же кругово-рот углерода в биосфере складывается из сложного сочетания большого круговорота, охватывающего всю биосферу и недра нашей планеты, и трех внутрибиосферных круговоротов (в ландшафтной сфере, гидросфере и подземной гидросфере).

Характер изменений круговоротов углерода с течением времени. Как указывают многие исследователи, на протяжении всей геологической истории биосферы сохранялась одна тен-денция – сокращение содержания СО2 в воздушной и водной средах за счет захоронения ее в толщах осадочных горных по-род. А.П. Виноградов (1967) считает, что в былые геологические


280

эпохи содержание СО2 в атмосфере могло превышать современ-ное в десятки и сотни раз. На фоне этой тенденции происходили следующие изменения в принципиальной схеме круговорота уг-лерода. В конце силура – начале девона появился наземный рас-тительный покров, благодаря чему и возник круговорот углеро-да в ландшафтной сфере.

Второе принципиальное изменение произошло 200 лет тому назад. Оно связано с началом индустриальной эпохи, когда в больших количествах для получения энергии стали сжигать ор-ганическое топливо (уголь и углеводороды). Этот техногенный источник СО2 привел к росту ее содержания в атмосфере. Если в 1880 г. содержание СО2 в атмосфере составляло 0,280%, то к рубежу ХХ и ХХI веков оно увеличилось до 0,335% (Перельман, Касымов, 1999).

Влияние человека. Современная хозяйственная деятель-ность может оказывать существенное влияние на отдельные зве-нья круговорота углерода в биосфере. Наибольшее влияние оказывает появившийся в индустриальную эпоху довольно мощный техногенный источник СО2 (см. выше). К снижению фотосинтеза в океанических водах ведут крупные разливы неф-ти, а в ландшафтной сфере – масштабные сплошные вырубки лесов и лесные пожары. Кроме того, осушение болот на значи-тельных площадях также ведет к увеличению поставок СО2 в атмосферу за счет окисления отмершей растительной массы.


281

Круговорот азота

Азот входит в число биогенных первоэлементов, образую-щих каркасы органических молекул. Он самый загадочный и, вместе с тем, наименее изученный химический элемент, хотя он играет важную роль в биосфере.

“Мы совершенно не знаем роли азота в глубинных процессах Земли, нам не известно ни одно первичное соединение азота; мы даже склонны думать, что нет азотных соединений в условиях более высоких темпера-тур, отвечающих глубинным зонам земной коры. Все пути миграции азо-та сводятся к гипергенному циклу реакций, в которых участвует азот воз-духа и который фиксирует последний в виде аммиачных, азотнокислых и азотистых солей по преимуществу щелочных металлов. Эта фиксация но-сит на 90% характер биохимический ... Надо думать, что в области гео-химии азота мы имеем еще ряд совершенно неразгаданных черт, которые совершенно иначе расшифровывают пути его миграции, чем мы это ду-маем сейчас” (Ферсман, 1969, с. 68).

Особенности. Первая особенность азота состоит в том, что он химически мало активен. Даже само название его в переводе с греческого языка означает – нежизненный. И вместе с тем он играет важнейшую роль в живом веществе, без азота невозмож-на жизнь.

Вторая особенность – азот в биосфере концентрируется лишь в атмосфере и живом веществе. Кларк в литосфере 1 × 10-

1%, непосредственно в земной коре еще меньше – 1,9 × 10-3%. Ничтожно мало азота в гидросфере – 1 × 10-5%. В водах Мирово-го океана содержится всего 13 мг/л азота, или 1,8 ×109г. В соста-ве атмосферы азот играет первую роль. На его долю приходится 75% ее массы (4 × 1015 г). Малая химическая активность азота придает атмосфере средостабилизирующий характер. В живом веществе кларк азота – 15 – 19%.

“Казалось бы, что азот в силу своей инертности и редкой встречае-мости в минеральном царстве играет незначительную роль в геологиче-ских и биологических процессах. В то же время его большие содержания в живом веществе заставляют думать об интенсивных реакциях атмо-сферного азота с живой материей” (Бгатов, 1985, с. 69).


282

Третья особенность – огромная роль азота в создании живо-го вещества. Азот участвует в фотосинтезе, в синтезе белков и нуклеиновых кислот. Без азота невозможна жизнь. Азот тоже играет роль “геохимического аккумулятора”. Входя в состав ор-ганических соединений, этот “аккумулятор” заряжается, а при процессах нитрофикации происходит выделение энергии.

Четвертая особенность – двойственная биогеохимическая роль азота. С одной стороны, возникающие при грозовых разря-дах соединения азота являются непосредственными питатель-ными веществами для растений, а с другой – эти же соединения активно участвуют в дифференциации минерального вещества почвенного слоя. Именно слабые растворы таких сильных ки-слот, как азотная и азотистая, переводят труднорастворимые минеральные соединения калия, кальция, фосфора и др., входя-щие в состав горных пород, в легкорастворимые в воде формы. Тем самым создается резерв для минерального питания назем-ных растений.

Пути поступления азота в биосферу и пути изъятия его из нее. Как считает А.П. Виноградов (1967), весь азот, находя-щийся в биосфере, имеет ювенильное происхождение, выделя-ясь при разных магматических процессах.

“При дегазации пород мантии или метеоритов летит не N2, а глав-ным образом NH3, NH4Cl, как мы видели, сопровождает вулканические эманации. Все изверженные породы содержат N2 в виде NH4

1+ ... Источником газообразного N2 на поверхности Земли был NH3 и его соли NH4Cl (NH4)2CO3 и др., которые дегазировались при процессах выплав-ления мантии на поверхность Земли. Далее NH3 окислялся кислородом атмосферы до N2” (Виноградов, 1967, с. 29 73).

Изъятие азота из биосферы происходит лишь одним путем – при минерализации отмершего органического вещества, при ко-тором в осадочные породы поступает NH3. Изымается азот из биосферных круговоротов и при образовании залежей углей и углеводородов. В дальнейшем азотные соединения, захоронен-ные в толщах осадочных пород, при опускании их в недра Земли и переплавлении, переходят в NH3 изверженных пород. Тем са-мым замыкается большой круговорот азота между биосферой и недрами Земли.


283

Пути миграции азота в биосфере. Есть два пути миграции атмосферного азота к живому веществу: биогеохимический и геохимический. При биогеохимическом пути происходит фик-сация азота микроорганизмами, развивающимися на корнях не-которых растений, преимущественно бобовых.

Геохимический путь, детально рассмотренный В.И. Бгатовым (1985), начинается с окисления атмосферного азота при грозовых разрядах. В результате образуются азотная и азотистая кислоты. Они, вместе с каплями дождя, падают на по-верхность Земли. О масштабе этого явления можно судить по цифрам, приведенным В.И. Бгатовым (1985). На Земном шаре ежегодно наблюдается около 3000 гроз, во время которых общее число молний достигает 100 000. В результате в Индокитае еже-годно на 1 км2 выпадает 3,5 т азотной и азотистой кислот, а в Центральной России – порядка 1,5 т (в пересчете на гектар соот-ветственно 30 - 35 кг и 10 – 15 кг). В дальнейшем судьба азот-ных соединений, возникших при электрических разрядах мол-ний, разделяется. Часть из них, совместно а азотистыми соединениями, полученными биогеохимическим путем, напря-мую используется растениями для своего питания. Другая же часть, в виде сильнейшей азотной кислоты, растворяет практи-чески все минеральные соединения твердой части почв. Тем са-мым, переводя такие важные для живого вещества химические элементы, как K, P, Ca и др. в легко растворимые в воде соеди-нения.

Фторпапатит 2Ca3(PO4)F + 12HNO3 = 3Ca(H2PO4)2 + + 6Ca(NO3)2 + CaF

Гидроксиапатит 2Ca(PO4)OH + 14HNO3 = = 3Ca(H2PO4)2 + 7Ca(NO3)2 + H2O

Ортоклаз 4K(AlS3O2) + 14HNO3 + 2H2O = = Al4(Si4O16)OH8 + 8SiO2 + 4KNO3


284


285

Ри

с. 9

.4. П


а азот

а

(по данным


1

атмосфера

; 2

океан

; 3

литосфера

; 4

зона

гипергенеза

5

эндогенны

й поток

N2,

NH

3, N

H4C

l, (N

H4)

2 CO

3; 6

снос биогенов

речны

ми водами;

7

геохими

ческий

поток

NO

и N

O2 в

зону


; 8

биогеохим

ическая фи

ксация

N2 азотобактериями

; 9

денитрофи

кация отмерш

ей биогенной

массы

;


286

В результате этих реакций, протекающих в корах выветри-вания, обеспечивается и калийное и азотное питание растений.

“Азот атмосферы далеко не нейтральный газ. Как кислород и углекислый газ, он играет выдающуюся роль в геохимических процессах, а также биологических, главным образом в жизнеобеспечении. Ионизируясь под влиянием грозовых разрядов, азот с дождевыми каплями образует сильнейшую из всех существующих минеральную кислоту. В результате ее диссициации анион кислотного остатка становится готовым питательным компонентом растений, а в результате химических реакций с минеральной частью почв и подпочвенных минеральных масс кислота образует доступные для питания растений калийные, фосфорные, кальциевые и другие необходимые соединения. Есть все основания полагать, что перераспределение (вынос и накопление) химических элементов и их соединений в экзогенных условиях в настоящее время, равно как и во все минувшие геологические эпохи, осуществляется не только известными агентами выветривания (вода, кислород, углекислота, температура и др.), но и атмосферным азотом” (Бгатов, 1985, с. 74). Помимо живого вещества и атмосферы в верхней части ли-тосферы иногда образуются большие концентрации соединений азота. Так, в Чили на протяжении 720 км тянется широко из-вестный “селитряный” пояс. В нем сосредоточены огромные за-пасы селитры (NaNO3), концентрация которой в почвах достига-ет 62%. Образование этого пояса связывают с сильными электрическими зарядами в атмосфере и вулканизмом, харак-терным для прилегающих Анд (Перельман, Касымов, 1999). Кроме того, пустынный климат на островах, расположенных вдоль западного побережья Южной Америки, способствовал на-коплению больших масс нитратов в виде гуано, которые образо-вались в результате разложения помета птиц.

При отмирании органической массы часть ее захороняется в виде залежей углей и углеводородов, а часть подвергается мик-робами денитрофикации, при которой в атмосферу поступает N2. Принципиальная схема внутри биосферных путей миграции азота изображена на рис. 9.4.

Характер изменений круговоротов азота с течением времени. Можно предполагать, что принципиальная схема как большого круговорота азота, так и его внутрибиосферных кру-говоротов сохранялась в течение всей геологической истории


287

биосферы. Только, скорее всего, исходя из общих соображений, геохимический путь поступления атмосферного азота в живое вещество появился несколько ранее биогеохимического.

Влияние человека. Хозяйственная деятельность человека ведет к увеличению дополнительного поступления соединений азота (в основном NO и NO2) в атмосферу и поверхностные во-ды. Сложилось, по крайней мере, три канала техногенных по-ступлений. Во-первых, сжигание органического топлива, в том числе и в двигателях внутреннего сгорания, которыми оборудо-ваны автомобили. Во-вторых, при производстве аммиака и азот-ных удобрений. В-третьих, при применении азотных удобрений.

Эти дополнительные поступления соединений азота нару-шают его естественные круговороты и являются одним из видов загрязнения окружающей среды. “По данным ЮНЕП антропо-генная эмиссия NO2 за последние 50 лет ежегодно увеличивает-ся на 3 – 4% и достигла в 80-х годах 75 – 80 миллионов тонн (7,5 - 8 × 1012г/год). Это примерно половина от общего поступ-ления N в биосферу” (Перельман, Касымов, 1999, с. 613).

Остановимся на применении удобрений. Вот что по этому поводу пишет В.И. Бгатов (1985). Он считает, что без вмеша-тельства человека грозовые дожди способны обеспечить и азот-ное, и калийное, и фосфорное, и кальциевое питание растений. Надо более внимательно присмотреться к существующему по-нятию плодородие почв. В это понятие следует вкладывать не только количественные запасы фосфора, калия или азота в обменном комплексе почв, но главное, учитывать соотношение этих элементов в почве и в подпочвенных горизонтах на данном участке литосферы. В естественном состоянии любой участок покрыт растительностью, соответствующей соотношению эле-ментов минерального питания слагающего его природного ком-плекса. Неплодородных земель не существует вообще, есть только растительные сообщества, которые не соответствуют сложившемуся на данном участке ландшафтной сферы есте-ственному соотношению элементов минерального питания. Почва всегда плодородна для одних видов растений, мало пло-дородна для других и совершенно не плодородна для третьих. К примеру, сосна растет на песчаных почвах, ель – на тяжелых


288

глинистых почвах и т.д. Поэтому география размещения расти-тельности и определяется, прежде всего, минеральным и хими-ческим составом субстрата. Однако человек не всегда удовле-творен естественным плодородием почв и набором произрастающей на ней растительности. Он стремится создать искусственно оптимальные условия для получения наивысших урожаев тех культур, в которых он заинтересован. Для этого он стремится повысить плодородие почв путем внесения удобре-ний. Удобрения бывают органические и минеральные.

Внесение органических удобрений – это возврат отторжен-ного. Этот древнейший способ повышения или сохранения пло-дородия эксплуатируемых земель не нарушает сложившихся ес-тественных круговоротов. В основе его – стремление сохранить природу. В России этот способ стал применяться с XVI века, а в XVIII веке великий отечественный агроном А.Т. Болотов вывел формулу: на одну десятину пашни должно быть не менее 2 ко-ров, навоз от которых идет на удобрение пашни. Соответствен-но поголовью скота должен быть и размер лугов и пастбищ, для их прокорма. Этим, говоря словами одного из персонажей сати-рической повести В. Войновича про солдата Чонкина, поддер-живается "круговорот дерьма в природе".

“Внесение же минеральных удобрений – вмешательство в сложившиеся в природе внутренние многовековые связи. При-менение различных видов искусственных удобрений может быть оправдано только в том случае, если их питательные веще-ства строго сбалансированы с жизненными потребностями рас-тений, с особенностями их вегетационного периода развития, с положительным действием и последующим влиянием выращи-ваемой продукции на организм потребителей. Нарушение этой целесообразности приводит к необратимому процессу разруше-ния природы. Так, постоянно вносимые в почву легко раствори-мые минеральные удобрения, в том числе азотные, фосфорные и калийные, легко вымываются поверхностными водами и мигри-руют в виде ядовитых для животного мира соединений в бли-жайшие водоемы и водотоки, заражая тем самых окружающую среду” (Бгатов, 1985, с. 77). Передозировка азотных удобрений ведет к накоплению нитритов и нитратов в выращенной про-


289

дукции. Такая продукция отрицательно сказывается на здоровье тех, кто ее потребляет.

Круговорот фосфора

Фосфор мы будем рассматривать как представителя группы непременных участников создания белковых молекул (ДНК, РНК). Фосфор исключительно важный биоэлемент, он относит-ся к числу создателей первичной, доклеточной жизни.

Особенности. Первая особенность этого элемента заключа-ется в его переменной валентности. Фосфор бывает 3- и 5-валентный. В земной коре преобладают неорганические соеди-нения 5–и валентного фосфора. Все они труднорастворимы в воде, что ограничивает водную миграцию фосфора. Поэтому, хотя его кларк в земной коре достаточно высок – 9,3 × 102% но наблюдается постоянный дефицит фосфора в почвах, так же как и в поверхностном слое океанических вод. Из-за этой своей осо-бенности фосфор часто выступает в качестве лимитирующего фактора развития наземной и водной растительности. Там же, где наблюдается большое содержание фосфора в почвах, на-пример, над фосфоритовыми месторождениями, развивается пышная растительность.

Вторая особенность – фосфор относится к тем немногим элементам, в миграции которых живое вещество играет веду-щую роль. Иными словами, этому элементу свойственна пре-имущественно биогенная миграция.

Пути поступления фосфора в биосферу и пути изъятия его из нее. В биосферу фосфор поступает в составе извержен-ных горных пород, которые содержат такие минералы, как – фторапатит (Ca5[HJ4]3F), хлорапатит (Ca5[HJ4]3Cl), и гидрокси-лапатит (Ca5[HJ4]3OH). Изъятие фосфора из биосферы происхо-дит при минерализации в осадочных горных породах отмершей органической массы, с последующим перемещением этих пород нисходящими тектоническими движениями в недра Земли.


290

Пути миграции фосфора в биосфере. Внутрибиосферные пути миграции фосфора начинаются в зоне гипергенеза. Именно в ней азотная кислота, выпавшая вместе с грозовыми дождями, переводит труднорастворимые минералы апатитовой группы в легкорастворимые соединения фосфора. Эти легкорастворимые соединения попадают в основном в растительность, служа ей минеральным питанием (см. выше). Далее по пищевым цепям фосфор проходит по всей трофической пирамиде.

На пути выноса легкорастворимых соединений фосфора из зоны гипергенеза встречаются различного рода геохимические барьеры, на которых они вновь превращаются в труднораство-римые соединения. Поэтому в пресных и морских водах содер-жание фосфора на несколько порядков ниже, чем в литосфере. По данным А.П. Виноградова (1967), концентрация Р в водной среде около 6 × 10-6%.

Источником фосфора в морской воде является РО43-, сне-

сенной с берега, Р-органические соединения и РО43-, образовав-

шиеся в результате окисления органического вещества (Вино-градов, 1967). С суши в моря ежегодно поступает примерно 3 × 1012г фосфора, причем 83% поступает в виде обломков и взвеси, и лишь 17% представлено растворимыми соединениями (Пе-рельман, Касымов, 1999).

Поэтому фосфору свойственна лишь биогенная форма ми-грации, которая осуществляется птицами, рыбами, а также и це-лым рядом других сухопутных и морских животных. Местами в биосфере образуются биогенные концентрации фосфора. При-мером могут служить острова вдоль западного побережья Юж-ной Америки, где птичий помет превращается в гуано, о чем го-ворилось выше. В местах скоплений отмерших остатков организмов могут образовываться залежи фосфоритов. Такими фосфоритоносными слоями могут быть пласты, обогащенные раковинами некоторых родов моллюсков. В Ярославской облас-ти такие фосфоритоносные слои выходят вблизи пос. Глебово Рыбинского района.

Характер изменений круговоротов фосфора с течением времени. Как было показано выше, в осуществлении внутри-биосферных круговоротов фосфора решающее значение имеет


291

живое вещество. Эти круговороты нам известны с рифейского периода геологической истории биосферы.

Влияние человека. Хозяйственная деятельность привела к существенным нарушениям внутрибиосферных круговоротов фосфора. Главное влияние заключается в том, что широкое при-менение фосфорных удобрений и высокое содержание этого элемента в канализационных стоках привело к тому, что в зна-чительной степени смягчилось влияние содержания фосфора в водной среде, как фактора, лимитирующего развитие водорос-лей. В результате во многих водоемах наблюдается бурный рост сине-зеленых водорослей, который приводит к эвтрофикации водоемов (снижается в водной среде содержание кислорода, в результате происходят заморы рыбы и т.п.). В Германии 54% озер, а в США даже 70% претерпели эвтрофикацию.


292


293

Ри

с. 9

.5. П


а фосфора

(по данным


1 атмосфера

; 2

океан

; 3

литосфера

; 4

зона


5

геохими

ческий

перенос

речны

ми водами подвиж

ных

соединений фо

сфора;

6

биогеохим

ический перенос подвиж

ных соединений

; 7

консервация

соединений фо

сфора при литогенезе

; 8

антропогенный поток с хими

ческим

и удобрениями;


294

Кроме того, при использовании фосфоритов в качестве удобрений очень часто наблюдается загрязнение сельскохозяй-ственных угодий рядом тяжелых (мышьяк, кадмий и.д.) и ра-диоактивных элементов семейства урана.

* * * Итак, все рассмотренные круговороты представляют собой

сложное сочетание круговоротов, в основном, двух типов: боль-шого круговорота, совершающегося между биосферой и недрами нашей планеты, и ряда внутри биосферных круговоро-тов.

В больших круговоротах существенную роль играют лито-генез, магматические и метаморфические процессы, идущие в мантии и земной коре. Именно они являются источником боль-шинства химических элементов, играющих значительную роль в биогеохимических и биологических процессах.

Внутрибиосферные круговороты идут, как с участием, так и без участия живого вещества, но все они скоординированы не только между собой, но и с параметрами большого круговорота.

Наиболее сложные круговороты присущи кислороду и угле-роду. Для круговоротов этих двух элементов характерно нали-чие нескольких путей поступления, преобразования и изъятия, что повышает устойчивость круговоротов. Круговороты азота и фосфора устроены проще.

Характер круговоротов в геологической истории биосферы неоднократно ме-нялся. Хозяйственная деятельность к началу ХХI века приобрела такой размах, что стала оказывать существенное влияние на сложившиеся естественные круговороты. Такое вмешательство человека в естественный ход развития биосферы нередко при-водит к целому ряду негативных последствий. Их было бы возможно предотвратить, если бы мы придерживались стратегии вписывания техногенных круговоротов в сло-жившиеся биосферные.


Семинар 9

Самостоятельная работа в группах по 4-5 человек

Подготовка принципиальных схем, с выделением узловых моментов, по материалам темы 9 и всего предшествующего ма-териала. Выделить наиболее сложные, спорные, неоднозначные вопросы в круговоротах отдельных элементов и воды, показать связанность и взаимозависимость круговоротов. На представле-ние каждого круговорота не более 10 минут. Обсуждение, во-просы аудитории.

1. Круговорот воды 2. Кислорода. 3. Углерода. 4. Азота 5. Фосфора.


В.И. Вернадский, 1980; Е.С. Гавриленко, В.Ф. Дерпгольц, 1971; А.И. Перельман, Н.С. Касымов, 1999; Ф.Я. Шипунов, 1980.

295


10. О развитии биосферы с точки зрения синергетики


“Появляется в некотором смысле высший тип детерминизма – детерминизм

с пониманием неоднозначности будущего и с возможностью выхода на желаемое будущее.

Это – детерминизм, который усиливает роль человека”.

Е.Н. Князева, С.П. Курдюмов

сех, кто занимался исследованием биосферы, сла-гающих ее тел или биосферных процессов, всегда ин-тересовал вопрос – как и почему в ней появляется не-

что новое? В чем заключается механизм ее развития? В К решению этой проблемы шли с разных сторон. В резуль-

тате обобщения огромного фактического материала, проведен-ного в ХХ столетии биологами и геологами Г.А. Заварзиным, В.В. Меннером, А.Н. Северцевым, В.М. Синицыным, Н.М. Страховым, Н.С. Шатским, И.И. Шмальгаузеном и целым рядом других, были выявлены многие особенности развития биосферы. Но связать воедино результаты полученных эмпири-ческих обобщений оказалось возможным лишь тогда, когда на-чали появляться сведения о свойствах и закономерностях разви-тия особого типа природных систем (открытых, неравновесных, нелинейных). Это произошло в конце ХХ века, когда оформи-лось новое междисциплинарное научное направление, полу-чившее название синергетика (см. раздел 3).

296


297

Ниже напомним о тех результатах, полученных синергети-кой, которые будут нам нужны для понимания механизма появ-ления нового в развитии биосферы.

При исследовании физических открытых неравновесных нелинейных систем было установлено следующее.

1. Открытым неравновесным нелинейным системам свойст-венно три принципиально разных состояния: хаос, равновесная упорядоченность и неравновесная упорядоченность.

2. Этим системам свойственно четыре типа процессов пере-хода из одного состояния в другое:

• Организация (хаос →→ равновесная упорядоченность), которая возникает при преобладании в системе отрицательных нелинейных обратных связей, тех малых воздействий, которые придают системе устойчивость, постоянство, стабильность, вы-водят ее на стационарный режим развития

• Самоорганизация (хаос →→ неравновесная упорядочен-ность), которая возникает при преобладании в системе положи-тельных нелинейных обратных связей, тех малых воздействий, которые удаляют систему от состояния равновесия, увеличива-ют темп ее развития, ускоряют синтез сложного

• Созидательная хаотизация (равновесная упорядоченность → хаос)

Возникает при ослаблении или исчезновении отрицатель-ных нелинейных обратных связей

• Разрушительная хаотизация (неравновесная упорядочен-ность →→ хаос)

Возникает при ослаблении или исчезновении положитель-ных нелинейных обратных связей

3. Появление нового происходит только при процессах са-моорганизации путем кооперации элементов. В основе коопера-ции лежит перекрытие каких-то сродственных участков коопе-рируемых элементов. При процессах организации нового не образуется, а элементы объединяются по старым следам (“по памяти”), что ведет к вырождению системы из сложной в более простую, но равновесную и устойчивую.

4. Новые структуры возникают двумя путями. Первый – это путь случайных вариаций кооперирования индивидуальных эле-


298

элементов при жесткой конкуренции возникающих структур между собой. Конкуренция и отбор идет по принципу экономии вещества и энергии, а также ускорения эволюции появившихся неоднородностей. Этим как бы задается цель саморазвития: потребляй меньше, изменяйся (эволюционируй) быстрее. На втором пути кооперирования оно идет не индивидуально, а за счет кооперирования сразу множества индивидуальных элемен-тов, которые между собой упорядочены определенным спосо-бом. Это самый быстрый переход от простого к сложному. Он был назван матричным дублированием (строительством по об-разцу), или резонансным возбуждением.

Если попытаться применить понятийный аппарат синерге-тики, выработанный при исследовании физических систем, к открытым нелинейным неравновесным системам другого типа, в частности к живым организмам и социальным системам, то выяснится следующее.

В биологии трудами А.Н. Северцева, И.И. Шмальгаузена, их учеников и последователей было выявлено два типа эволю-ционных преобразований у живых организмов – ароморфоз и идиоадаптация (о них см. в разделе 7 при рассмотрении эволю-ции живого вещества). По существу ароморфоз представляет собой процесс самоорганизации живого вещества на организ-менном уровне. При ароморфозе всегда создается что-то прин-ципиально новое, что повышает уровень сложности биологиче-ских систем. Идиоадаптация – это процесс организации, который ведет к большей устойчивости организмов в условиях изменяющейся среды. Таким образом, для живого вещества процессы самоорганизации и организации были открыты задол-го до появления синергетики. Однако сложность биологических систем по сравнению с физическими не позволила оформить найденные эмпирические обобщения в стройную картину ново-го научного междисциплинарного направления. Это было сде-лано лишь полвека спустя.

5. Проанализировав с позиций понятийного аппарата синер-гетики такой тип открытых неравновесных нелинейных систем, как социальные, Г.И. Рузавин сделал одно принципиально важ-ное дополнение. Он указал, что определенные типы открытых


299

нелинейных неравновесных систем, к которым отнес социаль-ные, развиваются по трем сценариям. При первом сценарии яв-но преобладают процессы самоорганизации. При втором – про-цессы организации. А при третьем – наблюдается определенное сочетание процессов самоорганизации и организации, опти-мальное для сложившихся внешних условий.

Первые два были известны и для физических открытых не-равновесных нелинейных систем (рис. 10.1). При третьем сце-нарии появляется этапность развития, которая обусловлена из-менением соотношения процессов самоорганизации и организации. Именно эту этапность в развитии живых организ-мов выявил В.В. Меннер (1962). Этапы отделяются друг от дру-га точками бифуркации, в которых роль случайности резко воз-растает. Вследствие этого и появляются новые образования. По-видимому, она же лежит в основе циклов Кондратьева, иннова-ционных циклов, установленных А.И. Ракитовым (1994) для со-циально-экономических систем.

Механизм перехода от этапа к этапу пока еще не достаточно ясен, но одно можно утверждать: при переходе от этапа к этапу биологические и социальные системы не проходят через со-стояние хаоса (точку бифуркации).

Для того чтобы понять логику применения понятийного ап-парата синергетики для описания строения и эволюции биосфе-ры, приведем несколько примеров, которые специально взяты из разных уровней ее организации.


Рис. 10.1. Принципиальная схема этапности развития биосферы

А1 – появление прокариот, А2 – начало расцвета эукариот, А3 – возникновение у эукариот кальцевой функции, А4 – образование озонового экрана, выход живых организмов на су-

шу, создание ими ландшафтной сферы, А5 – коренное преобразование круговоротов химических элементов

и их соединений за счет изменения геохимических констант, появление млекопитающихся и покрытосемянных,

R – современность и присущей ей переход биосферы в ноосферу. Длина отрезков А1 – А2, А2 – А3, А3 – А4, А4 – А5, А5 – R пропорцио-

нальна логарифму длительности этапа.

300


301

Изучение геохимических круговоротов с позиций синергетики

А.А. Баренбаум (2000) исследовал механизмы самооргани-зации глобального геохимического круговорота вещества на Земле. (Это тот большой круговорот химических элементов, о котором говорилось в разделе 9.) В своих исследованиях он ис-ходил из того, что при активном поступлении углерода из кос-моса его излишки должны выводиться из круговорота и фикси-роваться в неких “резервуарах”. В качестве “резервуаров” он рассматривал такие подсистемы биосферы, как атмосфера, Ми-ровой океан, породы земной коры, а также живое вещество, поч-венный слой и породы верхней мантии Земли.

Геохимическое равновесие для всех “резервуаров” будет выполняться при условии ni /τi = C = const., где ni – количество подвижного углерода во всех его формах, находящегося в дан-ной подсистеме-(резервуаре), а τi – среднее время пребывания углерода, определяющее скорость обмена углерода данной сис-темы со всеми другими резервуарами системы (τi – теоретиче-ски рассчитываемая величина). Проведя соответствующие рас-четы для углерода, кислорода и воды, А.А. Баренбаум получил результаты, приведенные в табл. 10.1. Данные этой таблицы “наглядно показывают, что в пределах точности расчета круго-вороты воды, кислорода и углекислоты характеризуются прак-тически одной и той же константой геохимического равновесия С = 2,7 × 1017 г/год. Таким образом, мы имеем дело не с отдель-ными круговоротами этих веществ, а, как полагал В.И. Вернадский, с их круговоротом в пределах единой геохи-мической системы. Объединяющим началом такой системы, очевидно, выступает живое вещество, которое, входя общим со-ставным элементом в круговорот воды, углекислоты и кислоро-да, приводит их скорости циркуляции в геохимическое равнове-сие с круговоротом воды” (Баренбаум, 2000, с. 281).


302

Таблица 10.1

Константы круговорота двуокиси углерода, кислорода и воды (из работы А.А. Баренбаума, 2000) Тип круговорота Геохимическая

константа круговорота (×1017г/год)

Биосферный круговорот СО2 2, 56 Циркуляция атмосферного кислорода 2,75 Геологический круговорот вод Мирового океана 2,64

Проанализировав скорость накопления биогенного углерода

и поведение “малоподвижного” углерода, под которым А.А. Ба-ренбаум понимал углерод карбонатных пород и биогенный уг-лерод, запечатанный в осадочных породах, он сделал еще очень важный вывод.

В процессе самоорганизации геохимического круговорота, вероятно, используется два механизма. “Первый механизм за-ключается в быстром, скачкообразном изменении величины константы геохимического равновесия системы в результате сильного внешнего воздействия. Система, видимо, прибегает к этому механизму в случаях, когда внешние воздействия на нее очень сильны. Менее сильные воздействия устраняются систе-мой с помощью второго механизма. Регулирование обеспечива-ется изменением количества живого вещества и неорганическо-го углерода в биосферном цикле” (Баренбаум, 2000, с. 286). Меняется между ними соотношение. Он считает, что на рубеже предпоследнего с последним галактическим годом (в начале ме-зозоя, 150 млн. лет тому назад) произошла “быстрая перестрой-ка всей глобальной циркуляции вещества на Земле, которая со-провождалась изменением скорости основных геохимических процессов. Под воздействием Галактики система как бы скач-ком перешла из одного состояния равновесия в иное с другими значениями константы” (Баренбаум, 2000, с. 288 – 289).


303

Итак, в геохимическом круговороте главную роль играет живое вещество. Оно - то объединяющее начало, которое при-водит в геохимическое равновесие скорости циркуляции от-дельных элементов с круговоротом воды. Установлено два ме-ханизма самоорганизации геохимического круговорота, которые включаются для того, чтобы сохранить равновесие под влияни-ем внешних воздействий. Под этими внешними воздействиями имеются в виду изменение интенсивности поступления в био-сферу космического вещества и тектоническая активность Зем-ли. Оба этих фактора связываются с разным влиянием Космоса на разных отрезках траектории движения Солнечной системы вокруг центра инерции Галактики. Первый механизм – это скач-кообразное изменение геохимических констант. Второй – это изменение соотношений между биогенным и абиогенным кру-говоротами углерода в биосфере. Скорее всего, первый меха-низм порождает этапность в развитии биологических систем, второй же поддерживает равновесие системы в течение этапа.

Применение синергетики в исследованиях возникновения и развития живого вещества

Наиболее успешно и плодотворно синергетический подход применяется в химической эволюции, которая рассматривает процесс возникновения сложных органических соединений пу-тем саморазвития. Это ключевая проблема зарождения живого вещества. В этих исследованиях наиболее плодотворным оказа-лось применение понятия резонансного возбуждения (или мат-ричного дублирования). С открытием ДНК было установлено, что в основе генетического аппарата, руководящего воспроиз-водством живых организмов, лежит механизм матричного дуб-лирования. Сейчас высказываются мнения разными исследова-телями, что в химической эволюции, приведшей к возникновению живого вещества, могли сыграть роль кристал-лы кварца. Они выступали в качестве катализатора – на поверх-ности таких кристаллов и происходило первое упорядочение


304

атомов углерода в простейшие органические соединения. Эта химическая эволюция, скорее всего, происходила в контактной зоне суши и моря. Эта зона наиболее динамична, именно к ней приурочено наибольшее скопление многих химических элемен-тов, поступающих с суши, в ней в изобилии встречаются облом-ки кварца в виде песка и гравия.

Вторая область применения понятий синергетики, как уже говорилось, – это изучение факторов эволюции живых организ-мов (работы А.Н. Северцева, И.И. Шмальгаузена и их последо-вателей)

Третьей областью, в которой начинает применяться поня-тийный аппарат синергетики, является экология. В ней издавна исследуются система “хищник – жертва”, а также динамические модели популяций с целью определения возможных квот изъя-тия при охоте, рыболовстве, чтобы это изъятие не нанесло ущерба для их воспроизводства.

Но в целом надо признать, что пока синергетический под-ход не получил должного развития при исследовании живого вещества. Возможно, это объясняется сложнейшим устройством живых организмов.

Синергетика и исследование общественных систем

Укажем для примера ряд аспектов, приведенных в работе Г.И. Рузавина (1995). Он подчеркнул, что общественным систе-мам, по сравнению с природными, присущ иной механизм са-моорганизации. Он основан на передаче благоприобретенного исторического опыта будущим поколениям через воспитание и обучение (наследование “социальной памяти”). Усвоение и ис-пользование новыми поколениями всех знаний, полезных навы-ков и умений, обычаев, норм поведения, традиций предков дают им возможность лучше адаптировать свое поведение и деятель-ность к изменяющимся условиям окружающей среды. По суще-ству социальные законы и нормы представляют собой многове-ковый результат самоорганизации общественных систем. С этих


305

позиций становится более понятным происхождение законов, в том числе и рынка, норм морали, права, включая и право собст-венности, а также законов языка и культуры. Возникшие зако-ны, нормы, принципы деятельности и поведения людей потому такие прочные, что они концентрируют в себе жизнеспособный опыт и традиции многих поколений людей. В них воплотился не случайный опыт отдельных индивидов, а скорректиро-ванный кооперативными процессами опыт многовековой практики взаимодействий больших коллективов людей.

В этом механизме самоорганизации общественных систем проглядывает все та же триада, что присуща природным систе-мам, – изменчивость, наследственность, отбор. Но если в биоло-гических системах изменчивости подвержены гены, которые руководят воспроизводством новых поколений, то в обществен-ных системах ей подвержены способы деятельности и поведе-ния людей. Действительно социальная практика демонстрирует их огромное разнообразие и изменчивость, из которого отбо-ром в процессе кооперативных согласований взаимодействий закрепляется в “социальной памяти” все лучшее, что показывает в сложившихся условиях наибольшую эффективность. А из ото-бранных способов, проверенных в социальной практике, фор-мируются те образцы, которые затем через воспитание и обуче-ние передаются (наследуются) следующими поколениями.

Хотя синергетика в современном виде сформировались лишь в конце ХХ века, но о многих ее положениях отдельные исследователи догадывались уже в ХVIII веке. В частности, на присутствие самоорганизации в развитии такой экономической системы, как рынок, указывал основоположник классической политической экономии А. Смит. Он писал, что рынок направ-ляется невидимой рукой. Невидимая рука - это своеобразный художественный образ, которым он очень точно передал сущ-ность самоорганизации.

“Каждый отдельный человек старается употреблять свой капитал так, чтобы продукт его обладал наибольшей стоимо-стью. Обычно он и не имеет в виду содействовать общественной пользе и не сознает, насколько содействует ей. Он имеет в виду лишь собственный интерес, преследует лишь собственную вы-


306

году, причем в этом случае он невидимой рукой направляется к цели, которая не входила в его намерения. Преследуя свои соб-ственные интересы, он часто более действенным образом слу-жит интересам общества, чем тогда, когда сознательно стремит-ся служить им” (Цит. по Рузавину, 1995, с. 64).

Первым из экономистов, кто стал применять понятие само-организация для объяснения механизма функционирования рынка, был лауреат Нобелевской премии по экономике Ф. Фон Хайек. Конкуренция “способствует снижению издержек произ-водства, поиску новых технологий, методов улучшения ассор-тимента и качества товаров. Через механизм ценообразования рынок информирует его участников о тех возможностях, кото-рыми они располагают для рационального использования все уменьшающихся ресурсов общества. Очевидно, что чем эффек-тивнее используются эти ресурсы, тем в большем выигрыше оказывается все общество в целом. Конкуренция, таким обра-зом, способствует поискам новых приемов и методов хозяйство-вания, когда используются знания всех участников рынка. ... Вот почему Ф. Хайек рассматривал конкуренцию как процедуру открытия. Преследуя свои личные цели, люди в условиях ры-ночной экономики, при свободной конкуренции способствуют общественной пользе потому, что их индивидуальные интере-сы и предпочтения сталкиваются с другими, взаимно кор-ректируются и координируются. В результате этого и проис-ходит тот бессознательный процесс самоорганизации рынка, который осознается в виде установления равновесия между спросом и потреблением, с одной стороны, и предложением и производством – с другой. Такое равновесие А. Смит называл даже естественной ценой, которая не нуждается в каком-либо регулировании со стороны государства” (Рузавин, 1995, с. 70. Выделено нами. - Б.П. и О.Б.)

В общественных системах в качестве источника воздейст-вий, порождающих нелинейные отрицательные связи, которые приводят к упорядочиванию взаимодействий между их элемен-тами, выступают общество в целом в виде органов его власти. В общественных системах взаимоотношения между организацией и самоорганизацией значительно сложнее, чем в природных. С


307

одной стороны, законы, нормы, правила деятельности и поведе-ния людей, на которые так или иначе опираются органы власти, сами возникли в процессе самоорганизации. С другой стороны, органы власти могут по своему усмотрению устанавливать раз-ные соотношения между организацией и самоорганизацией, следуя трем сценариям.

Первый сценарий, в соответствии с которым органы власти могут игнорировать процессы самоорганизации и их результа-ты, действовать по собственному разумению. В этом случае в общественных системах возникает то, что называется тотали-тарными режимами, при которых процессы самоорганизации в общественных системах заменяются их директивами, спускае-мыми сверху. Именно к этому типу относится централизованно-плановая административно-командная экономика, которая су-ществовала в СССР на первом этапе, с 1921 по 1991 г. Она ока-залась неэффективной потому, что в такой экономике использо-вались знания и умения не всех участников сферы общественного производства, а только небольшого числа лиц, которые осуществляли централизованное планирование. И будь те, кто планировали, даже семь пядей во лбу, они все равно физически не смогут сколько-нибудь полно учесть запросы, вкусы, потребности разнообразных групп людей, не смогут учесть все новации в способах производства. При таком подав-лении организацией процессов самоорганизации никогда не бу-дет востребован и использован с пользой для всего общества ог-ромный массив рассеянной информации, который существует только в головах людей. Именно отсутствием опоры на знания и умения всех участников сферы общественного производства можно объяснить провалы таких компаний, как внедрение по-всеместно посевов кукурузы, химизации и машинизации сель-ского хозяйства и др. Сама по себе идея, что кукуруза хороша как кормовая культура, великолепна. Но способ ее реализации ни к чему хорошему не привел. То же самое можно сказать о механизации и химизации сельского хозяйства.

Второй сценарий. Придерживаясь его, органы власти само-устраняются от всяких воздействий на те или иные обществен-ные системы, к примеру, на рынок. Такая позиция основывается


308

на том представлении, что “некоторые социально-экономические и культурно-гуманитарные структуры в состоя-нии развиваться самостоятельно без государственного и иного вмешательства извне, чисто эволюционно путем самоорганиза-ции и саморегулирования. Принцип “невидимой руки” и эконо-мической свободы, по мнению М. Фридмана, главы чикагской экономической школы монетаристов, в состоянии объяснить, как “сложная, организованная и постепенно развивающаяся сис-тема может эволюционировать и процветать без всякого цен-трального управления, и как согласие в ней может быть достиг-нуто без какого-то трения”. Именно такой саморазвивающейся сложной системой он считает рынок. Правительственное же вмешательство в регулирование рынка не принесет никакой пользы и даже из-за некомпетентности может привести к обрат-ному результату. Поэтому он резко выступает против вмеша-тельства правительства в экономику” (Рузавин, 1995, с. 70). Од-нако США и Западная Европа в 1929 – 1933 гг. пережили глубокий экономический кризис, названный Великой депресси-ей. Этот кризис привел к падению производства почти наполо-вину, к невиданному раньше уровню безработицы и снижению жизненного уровня трудящихся, и заставил по иному взглянуть на самоорганизацию рынка. Только после того, как президент США Ф. Рузвельт провел ряд мер по государственному регули-рованию рынка в налоговой и кредитной сфере, кризис был пре-одолен. Великая депрессия показала, что одной самоорганиза-ции рынка для устойчивого его развития недостаточно, что и она может привести к пагубным последствиям. Это мы и увиде-ли в России в 90-е годы ХХ столетия (Дубовских, 1999).

Третий сценарий предусматривает оптимальное сочетание в развитии общественных систем процессов самоорганизации и организации. Организацию осуществляет государственное регу-лирование в интересах всего общества, устанавливая приори-тетные пути развития (аттракторы), в рамках которых и должна развиваться самоорганизация. В экономике этот сценарий раз-вил Д. М. Кейнс в своей теории макроэкономического регули-рования рынка со стороны государства.


309

Итак, мы на примере соотношения организации и самоорга-низации в общественных системах смогли еще раз убедиться, что только оптимальное сочетание организации и самооргани-зации приводит к поступательному движению. Предпочтение одного из этих двух взаимодополняющих процессов и игнори-рование другого рано или поздно приводит к пагубным послед-ствиям.

* * * Мы привели вам некоторые примеры применения понятий-

ного аппарата, созданного синергетикой, для понимания от-дельных моментов развития биосферы. С позиций синергетики физическая сущность феномена биосферы, скорее всего, состоит в использовании части потока свободной энергии, поступающей на поверхность Земли, для полезной внутренней работы, на-правленной на поддержание возникшей неравновесной устой-чивости.

Полное же осмысление с позиций синергетики возникнове-ния и эволюции биосферы еще ждет своего исследователя.


Семинар 10.1. Развитие биосферы с позиций синергетики

Вопросы для обсуждения 1. Расскажите, в чем, с вашей точки зрения, заключается

ценность применения понятийного аппарата синергетики при изучении биосферы.

2. Приведите конкретные примеры использования понятий-ного аппарата синергетики при исследовании биосферы.

3. Геохимический круговорот с позиций синергетики. Что можно предположить, основываясь на константах геохимическо-го равновесия воды, кислорода и углерода?

Семинар 10.2. Развитие живого вещества и общества с позиций синергетики

Вопросы для обсуждения 1. В чем сложность применения синергетики к эволюции

живых организмов? 2. Каково применение синергетики в общественных систе-

мах? 3. В чем вы видите преимущества подхода синергетики по

сравнению с традиционными методами исследования?


А.А. Баренбаум, 2000; Е.Н. Князев, С.П. Курдюмов, 1994; В.А. Садовничий, В.В. Козодеров, Л.А. Ушаков, С.А. Ушаков, 2000; А.П. Руденко, 2000; Г.П. Рузавин, 1995; Синергетическая парадигма..., 2000.

310

11. Основные этапы развития биосферы



Биосфере свойственен необратимый процесс саморазвития, в котором

кооперация и конкуренция в живом веществе преобразует

его среду обитания, организованную внешними воздействиями

Б.В. Поярков

стория зарождения и развития биосферы относится к числу фундаментальных междисциплинарных про-блем современной науки. Для успешного ее решения

необходимо всестороннее изучение листов каменной книги, именуемой геологической летописью. Более 200 лет этим зани-мались геологи. В результате их трудов был создан такой раздел науки, как историческая геология. К настоящему времени в ней систематизирован огромный фактический материал, показы-вающий характер проявления всех основных биосферных про-цессов, которые шли на нашей планете более чем 4 млрд. лет. Естественно, что наиболее изученным оказался период, охваты-вающий последний миллиард лет, так как о нем сохранилось больше свидетельств.

И

Материал в исторической геологии систематизирован во временной последовательности с помощью подразделений от-носительной и абсолютной геохронологических шкал. Первая из них основана на необратимой эволюции живых организмов, а

311


312

вторая – на необратимом процессе распада радиоактивных хи-мических элементов, таких как U, Th, K40, С14.

В последние 20 – 25 лет к исследованиям геологов подклю-чились специалисты самого разного профиля, и в частности микробиологи. Это позволило стереть многие белые пятна в ранней истории биосферы. И все же, несмотря на достигнутые успехи, история развития биосферы в полном объеме еще не выяснена, хотя многое уже известно, а некоторые стороны изу-чены весьма детально.

О механизме образования тех или иных особенностей строения биосферы в ряде случаев строят самые разные гипоте-зы. К числу таких дискуссионных проблем относится происхо-ждение современного пространственного расположения конти-нентов и океанических впадин.

Поэтому самое трудное в изложении истории биосферы – это выдержать единый уровень синтеза обширнейшего фактиче-ского материала, накопившегося к настоящему времени, и отде-лить строго установленные эмпирические обобщения от гипоте-тических предположений. Такой подход должен выявить то, что в общем поступательном развитии биосферы в настоящее время не вызывает особых возражений, и оконтурить существующие дискуссионные вопросы и проблемы. При этом важно избежать искушения излагать более подробно то, что в силу разных об-стоятельств к современному моменту оказалось наиболее полно и хорошо изученным.

Для такого обобщенного взгляда на историю становления биосферы мы нанесли на геохронологическую шкалу те рубежи, которые, по мнению большинства исследователей, отражают переломные моменты в ходе ее развития. В результате выдели-лись крупные этапы. Некоторые исследователи (Заварзин, 1999, Моисеев, 1999) считали эти переломные моменты за точки би-фуркации. Однако применение этого понятия синергетики, вы-работанного в газовой термодинамике, вряд ли оправдано, когда речь идет о биосфере и тех биологических, социальных систе-мах, которые ее слагают (см. выше). В переломные моменты развития этих систем хаос не наблюдался, а происходила лишь


313

кардинальная перестройка системы в связи с появлением ново-образований.

Анализ поступательного развития биосферы ниже дан по этим крупным этапам, в ходе которого внимание сосредоточено на следующих вопросах.

1. Когда и как возникли естественные тела биосферы гло-бальной размерности (атмосфера, океан, ландшафтная сфера и земная кора).

2. Когда и как образовались планетарные неровности зем-ной поверхности, слагающие ее рельеф в виде континентов и океанических впадин. Это важно потому, что глобальный рель-еф определяет, в конечном счете, расположение суши и моря, а также и характер морских бассейнов (мелководных или глубо-ководных), иными словами, ход многих биосферных процессов.

3. Как и в какой последовательности шло формирование по-токов энергии в биосфере, а также геохимическое преобразова-ние естественных тел биосферы глобальной размерности и ка-кую роль в этом играло живое вещество.

В этой связи нас в первую очередь интересовало не то вели-кое разнообразие живых организмов, которое демонстрирует их эволюция, а только те принципиальные новообразования, кото-рые, в конечном счете, приводили к перестройке всей системы биосферы.

В этом выбранный нами подход отличается от того, что принят в исторической геологии. В ней рассматриваются все со-хранившиеся в геологической летописи результаты, как эволю-ции живых организмов, так и других биосферных процессов.

Наибольшие трудности нас будут ожидать при рассмотре-нии второй группы вопросов (о глобальном рельефе поверхно-сти Земли), так как по ним существует несколько сильно разли-чающихся между собой систем взглядов. Поэтому в первую очередь остановимся на них. Но прежде чем рассказать о разно-гласиях, выделим то, с чем согласны сторонники всех точек зрения.

Все признают, что, судя по геофизическим данным, наша планета состоит из ядра, которое окутывает мантия, выше нее, ближе к земной поверхности, располагается земная кора, а меж-


314

ду мантией и земной корой располагается особый стой вязких (расплавленных) пород, названный астеносферой.

Земная кора состоит из трех слоев: нижний назван базальто-вым слоем. Он непосредственно граничит с астеносферой. Вы-ше него на континентах залегает слой, условно названный гра-нитным. В океанических впадинах этот слой отсутствует, и осадочные породы залегают прямо на базальтовом слое. Иными словами, гранитный слой развит только под континентами, сла-гая их основание. Самый верхний слой земной коры – слой оса-дочных горных пород. Хотя он развит прерывисто, но он при-сутствует практически повсеместно, залегая то на гранитном, то и на базальтовом слое. Поэтому различают три типа земной ко-ры: трехслойную кору континентального типа, двухслойную – океанического типа, и кору переходного типа – тоже двухслой-ную, но с отдельными фрагментами гранитного слоя.

Связь типов земной коры с глобальными формами рельефа земной поверхности хорошо видна на так называемой гипсогра-фической кривой. Обращаем ваше внимание, что гранитный слой не кончается у уреза воды, а простирается под водой через весь шельф и материковый склон до его внешней кромки.

Особых разногласий нет и в принципиальной схеме проис-хождения гранитного слоя. Эта схема в самом общем виде вы-глядит следующим образом. Происходит наземное выветрива-ние базальтов, далее перенос продуктов выветривания и раздельное осаждение SiO2 от Fe2O3 и Al2O3 в конечных водо-емах стока. Потом опускание осадочных пород, обогащенных SiO2, в недра Земли и переплавление их в граниты.

Разногласия начинаются с объяснения современного распо-ложения континентов. По этому поводу существует три системы взглядов. Согласно первой – все океаны древние, а континенты возникли на месте своего современного расположения. Это классическая система взглядов геологов Х1Х и первой полови-ны ХХ столетия, в основе которой лежат представления о плат-формах, геосинклиналях и складчатых поясах. Приверженцев этой точки зрения называют фиксистами, поскольку они не при-знают значительных горизонтальных перемещений блоков зем-ной коры.


315

Сторонники второй системы взглядов считают, что есть два типа океанических впадин – молодые и древние. Тихий океан они считают древним. Остальные океаны – молодыми, которые образовались на месте древних платформ. Блоки гранитного слоя расколовшихся и исчезнувших платформ были переплав-лены в результате грандиозных излияний базальтов. Эти взгля-ды, являющиеся разновидностью воззрений фиксистов, были популярны в середине ХХ века.

Приверженцы третьей системы взглядов полагали, что при-мерно 200 млн. лет тому назад существовал один огромный ма-терик Пангея, который омывался единым океаном. Потом еди-ный материк раскололся на части, и они по вязкому слою астеносферы, залегающей на границе земной коры и мантии, разъехались в разные стороны. Их горизонтальные передвиже-ния продолжались до тех пор, пока они не заняли современного положения. Сторонников этой системы взглядов называют мо-билистами, поскольку они придают большое значение горизон-тальным движениям земной коры. Первоначально эти взгляды были блестяще изложены в начале ХХ столетия А. Вегенером. Потом они возродились в 60-е годы ХХ века, когда в результате интенсивного изучения Мирового океана, начавшегося после 2-й мировой войны, была открыта глобальная система срединно-океанических хребтов.

У каждой системы взглядов есть свои сильные и слабые сто-роны. В будущем, видимо, произойдет выработка единой теории, а пока мы должны знать, что есть три основные точки зрения на происхождение современного расположения конти-нентов и возраст ложа океанических впадин.

В настоящее время предложена пульсирующая модель раз-вития нашей планеты, согласно которой периодически менялся ее общий режим: эпохи сжатия тела планеты чередовались с эпохами роста ее. Тогда попеременно возникало преобладание то горизонтальных тектонических движений, то вертикальных. Возможно, эта гипотеза позволит найти компромисс между взглядами “мобилистов” и “фиксистов”.

Следующие цифры дают представление о том, какое место биосфера занимает в ходе развития нашей планеты. В настоящее


316

время на основе данных абсолютной геохронологии считают, что Солнечная система возникла около 5,0 – 5,5 млрд. лет тому назад. (Этот возраст имеют некоторые метеориты). Наша Земля как планета сформировалась в пределах 4, 6 – 4,7 млрд. лет тому назад, поскольку самые древние на Земле архейские породы имеют возраст около 4,6 – 4,7⋅109 лет. Остатки древнейших циа-нобактерий найдены в породах, возраст которых оценивается в 3,5 – 3,9⋅109 лет. Таким образом, на формирование Земли как планеты, вероятно, потребовалось порядка 300 – 800 млн. лет, а добиосферный этап ее развития имел длительность примерно в два раза больше (0,7 – 1,2 млрд. лет)

Добиосферный этап развития Земли Добиосферный этап развития нашей планеты (от 4,6 – 4,7 ×

109 лет до 3,5 – 3,9 × 109 лет) охватывал всего 15 – 25% ее общей истории, но именно на этом этапе возникли многие черты, пре-допределившие появление тех условий, в которых может суще-ствовать и развиваться живое вещество на основе белковых тел.

Первоначальное каменное тело планеты слагалось прото-планетным веществом, близким по своему химическому и ми-неральному составу метеоритам. О степени однородности этого тела в те далекие времена нет единого мнения. Одни считают его гомогенным (однородным), другие, и в их числе А.П. Виноградов (1967 и др.), полагают, что ему были присущи первичные неоднородности. Именно из таких неоднородностей очень рано обособилось ядро планеты и облегающая его мантия, в строении которой тоже допускаются первичные неоднородно-сти.

Считается, что вещество ядра нашей планеты находится в жидкой фазе, в виде расплава, на это указывают особенности прохождения через ядро сейсмических волн. Предполагается, что в этом расплаве ядра возникли конвективные токи, сущест-вующие до сих пор. С ними связывают образование магнитного поля Земли. Взаимодействие магнитного поля с потоком частиц, идущих от Солнца (солнечный ветер) привело к возникновению магнитопаузы, а также внешнего и внутреннего радиационных


317

поясов. Так еще на самых ранних стадиях развития нашей пла-неты возникли первые защитные уровни будущей биосферы, появилась ее полуизолированность.

Внешние оболочки нашей планеты (земная кора, гидросфе-ра, атмосфера) появились позже в результате глубинной диффе-ренциации и дегазации первичного вещества мантии. В этих процессах, как уже говорилось ранее, существенную роль играл механизм, названный А.П. Виноградовым (1967) зонной плав-кой (см. раздел 2). В результате зонной плавки вещества пер-вичной мантии образовались легкоплавкие компоненты базаль-тового слоя земной коры, летучие сформировали первичную атмосферу, а затем, когда температура на земной поверхности опустилась ниже 100° С, то и первичную гидросферу.

На стыке этих трех оболочек возник внешний круговорот воды. Пространство, занятое этим внешним круговоротом воды, А.А. Григорьев назвал в 1932 г. географической оболочкой Зем-ли. В этой открытой полуизолированной системе была вода в жидкой фазе, защитные уровни, сложился внутренний кругово-рот энергии, при котором часть тепловой энергии и геохимиче-ской энергии свободного кислорода консервировалась при лито-генезе в древнейших осадочных породах. Словом, сложились все те первичные условия, которые необходимы для появления и развития живых организмов.

Ниже приведены результаты современной реконструкции естественных тел Земли глобальной размерности – атмосферы, океана, верхняя часть литосферы.

Атмосфера. Первичная атмосфера состояла из газообраз-ных продуктов, выделяющихся при вулканических извержениях (около 7% от массы излившихся базальтов). В составе газов на-ходились пары воды, метан, углекислота, аммиак, азот, водород с примесью инертных газов (Ar, Kr, Xe, He) и так называемые кислые дымы, выделяемые вулканами (HF, HCl, борная кисло-та,H2S и др.) (Немков, Муратов и др., 1974, Бгатов, 1985). В этой атмосфере древнего типа преобладали NH3, CH4, CO2.

Н.М. Страхов (1963) так пишет об эволюции атмосферы на этом этапе развития Земли: “По-видимому, дело сводилось к тому, что свободный O2, возникавший под влиянием фотодис-


318

социации в верхних слоях атмосферы, окислял аммиак до сво-бодного азота и воды, а CH4 до углекислоты и воды; окислялся также H2S до SO3. Иными словами, происходила медленная трансформация газовой смеси в направлении накопления в ней главного компонента современной атмосферы – азота. Одно-временно накапливались радиогенные инертные газы Ar, Kr, Xe, Ne, He (с. 510).

Океан. При охлаждении пары воды, находящиеся в первич-ной атмосфере, переходили в жидкое состояние. Именно за счет этой воды и сформировался первичный океан. В те далекие вре-мена по сравнению с современностью было иное соотношение суши и моря. По реконструкции Н.П. Васильковского (1973), водами первичного океана было покрыто более 98% поверхно-сти Земли, а средняя глубина составляла около 810 м. Объем воды в первичном океане составлял всего 34% от объема водной массы современного океана. Гипсографическая кривая была очень пологой (рис. 11.1).

Химический состав ″первозданного″ океана был, вероятно, своеобразен и отличался от современного. Воды океана были, несомненно, очень кислыми и являлись по существу более или менее крепким раствором HCl, HF, H3BO3, SiO2 c pH, близким к 1 – 2. В этой воде были растворены также и некоторые газы – H2S, CH4 и другие углеводороды, а также CO2 , но сульфатов еще не было или они существовали только в следах. Тот же сво-бодный кислород, который выделялся при подводных излияни-ях базальтов, тут же расходовался для окисления H2S в SO2 (Страхов, 1963, Бгатов, 1985). Однако важен сам факт присутст-вия, пусть и весьма кратковременного, геохимической энергии свободного кислорода, выделявшегося при подводных излияни-ях базальтов.

“К концу начального этапа в результате интенсивно проте-кавших процессов нейтрализации кислые – за счет сильных ки-слот – океанские воды превратились в воды хлоридного типа, которые отличались от современных вод этого типа обилием хлоридов Al, Fe, Mn, полным отсутствием растворенных карбо-натов и ничтожным – сульфатов. Газовая фаза этих вод была представлена главным образом CO2 отчасти N2, H2 при полном


319

отсутствии свободного кислорода. ... Иначе говоря, хотя про-цесс нейтрализации сильных кислот и сопровождался несо-мненным подъемом pH, однако, и по завершении его воды оста-вались еще значительно кислыми; только носителями кислотности стали уже не сильные кислоты, а слабые – прежде всего, конечно, H2CO3, потом H3BO3 и др. Нейтрализация силь-ных кислот в гидросфере и переход к кислотности, обусловлен-ной H2CO3 и было основным содержанием начального (азойско-го) этапа эволюции гидросферы” (Страхов, 1963, с. 510).

Ландшафтной сферы еще не было: на дневную поверх-ность выходили непосредственно горные породы, слагавшие земную кору.

Земная кора. Сформировался лишь базальтовый слой зем-ной коры за счет потоков лав основного состава. Литогенез был в основном представлен его вулканогенно-осадочным типом. “Это были, прежде всего, конечно, лавы и массы рыхлого пеп-лового материала. К ним присоединялось некоторое, вероятно, вполне подчиненное, количество более или менее выветреных терригенных осадков обычного типа. Из числа хемогенных, не-сомненно, имело место накопление хемогенного кремнезема и, вероятно, основных хлоридов Fe, Al, Mn, сульфидов тяжелых металлов, а также фторидов Ca, Mg, Fe, Al; ... заведомо не суще-ствовало никаких карбонатных накоплений, а также сульфатов Ca и Mg. Полностью отсутствовали галогенные породы” (Стра-хов, 1963, с. 510 – 511).

* * * Итак, в результате добиосферного развития Земли сформи-

ровались три из четырех естественных тела глобальной размер-ности (атмосфера, океан и земная кора литосферы), которые впоследствии войдут в качестве основных элементов в систему биосферы. В газовой оболочке нашей планеты появились пер-вые защитные уровни, которые смягчали воздействие Космоса на поверхность Земли. Океан занимал 98% всей поверхности Земли, хотя объем его водной массы составлял всего лишь 34% современного объема океана, а средняя глубина была всего по-рядка 800 м (по сравнению с 4000 м в современном океане). Хо-


320

тя суша еще была очень невелика (всего около 2%), но внешний круговорот воды уже начал осуществляться. Земная кора со-стояла из одного базальтового слоя, а среди типов литогенеза явно преобладал вулканогенно-осадочный. Словом, возникли все необходимые предпосылки для возникновения живого ве-щества: сформировалась система внешнего круговорота воды, в которой поддерживались термодинамические условия, прием-лемые для существования живого вещества, в морские воды по-стоянно поступала геохимическая энергия свободного эндоген-ного кислорода. Правда она тут же расходовалась на разнообразные реакции окисления.


321

Современные взгляды на возникновение биосферы

Человечество всегда интересовал вопрос происхождения жизни на нашей планете. Еще в ХVII веке Реди сформулировал свой знаменитый принцип: “все живое от живого”. Этот прин-цип Реди В.И. Вернадский считал великим эмпирическим обобщением, в соответствии с которым в современной биосфере невозможен абиогенез. Поэтому в конце ХIХ и начале ХХ веков среди естествоиспытателей (К. Бернар, Г. Гельмгольц, Г. Рихтер, С. Аррениус и др.) широкое распространение полу-чили идеи вечности жизни и ее занос на нашу планету из Кос-моса.

Для большинства ученых были наиболее приемлемы взгля-ды, выраженные в яркой и образной форме географом и геоло-гом И.Д. Лукашевичем. Он писал: “Угасающие светила на своих прощальных лучах рассылают бесчисленные зародыши в безд-ны Вселенной, и там, где упадут эти лучи на молодую планету, вспыхивает новая жизнь, начинается новый цикл развития, веч-но однообразный по существу, вечно различный по конкретным результатам” (Лукашевич, 1909, с. 32).

В первой половине ХХ века появились первые результаты исследований А.Н. Баха и его учеников, имевших целью осуще-ствить абиогенный синтез биоорганических соединений. В те же годы была опубликована знаменитая гипотеза А.И. Опарина о возникновении жизни в восстановительных условиях первичной атмосферы Земли. Иными словами, делались попытки опреде-лить ту среду, в которой на юной планете Земля мог осущест-виться абиогенез. Не меньшие успехи были достигнуты во вто-рой половине ХХ века в биохимии и молекулярной биологии, раскрывшие механизмы синтеза белковых молекул. Как показа-ли многие исследователи, из смеси газов и паров воды могли возникать разнообразные органические соединения при особых внешних воздействиях (ионизирующее излучение, действия электрических разрядов, ультрафиолетовое облучение). Таким


322

путем были экспериментально синтезированы многие простей-шие органические соединения (аминокислоты, сахара и т.д.). В те далекие времена защитных уровней еще не было и до по-верхности Земли доходили многие космические излучения. Так что появление простейших органических соединений в резуль-тате абиогенеза в добиосферный этап развития нашей планеты вполне возможно.

В 30-е годы ХХ века В.И. Вернадский перевел обсуждение возможности происхождения жизни на Земле в совершенно иную плоскость. Первым делом он уточнил формулировку принципа Реди и показал, что этот принцип не отрицает абиоге-неза, а только указывает пределы, в которых абиогенез отсутст-вует (в пределах биосферы).

“Принцип Реди безусловно верен, но это не философский принцип, а научное обобщение. Ученый никогда не может придавать этой краткой формуле абсолютное значение и делать из этой краткой формулы все ло-гические выводы: это не отвлеченное, идеальное построение, а реальное эмпирическое обобщение. В связи с этим его можно выразить и так: ″Все живое происходит из живого в биосфере, комплекс физико-химических явлений в которой точно ограничен и определен″. Принцип Реди, следо-вательно, не указывает на невозможность абиогенеза вне биосферы или при установлении наличия в биосфере (теперь или раньше) физико-химических явлений, не принятых во внимание при научном определе-нии этой формы организованности земной оболочки. ... Абиогенеза, со-гласно принципу Реди, нет и не было в биосфере в пределах геологиче-ского времени, т.е. в пределах времени, когда жизнь входила в организованность этой биосферы” (Вернадский, 1960 в, с. 253 – 254)

Далее В.И. Вернадский пишет: “Условия появления жизни на нашей планете должны быть поставлены в реальную обста-новку. В реальной обстановке жизнь нам известна только как неразрывная часть определенного строения земной коры. Такой формой организованности является одна из геосфер нашей пла-неты – биосфера. Условия, определяющие первое появление жизни на Земле, те же, которые определяют создание или нача-ло биосферы на нашей планете. Научно вопрос о начале жизни на Земле сводится, таким образом, к вопросу о начале в ней биосферы. ... Говоря о появлении на нашей планете жизни,


323

мы в действительности говорим только об образовании на ней биосферы” (Вернадский, 1960 в, с. 252, 260).

Таблица 11.1

Биогеохимические функции биосферы (по В.И. Вернадскому, 1960 в)

Биогеохимические функции био-сферы

Исполнители биогеохимических функ-ций

1. Газовая функция. Вся сово-купность газовых реакций живых веществ: N2 – O2 – CO2 – CH4 – H2 – NH3 – H2S

Все организмы

2. Кислородная функция – обра-зование свободного кислорода (из CO2 и H2O и т.п.)

Хлорофильные растения

3. Окислительная функция – окисление более бедных кисло-родом соединений. Имеет место для всех соединений элементов, способных в биосфере давать не-сколько стадий кислородных со-единений (Fe, Mn, S, Cu, N, C, H)

Бактерии, большей частью автотрофные

4. Кальциевая функция – выде-ление кальция в виде чистых со-лей (простых и сложных); угле-кислых, щавелевокислых, фосфорнокислых и т. п.

Водоросли (хлорофильные), бактерии, мхи (хлорофильные), одноклеточные животные (корненожки, часть радиоля-рий); позвоночные; водные, главным образом, морские организмы, образую-щие кальциевые скелеты (ракообраз-ные, моллюски, иглокожие, кораллы, гидроиды, брахиоподы, мшанки, позво-ночне и т. д.)

5. Восстановительная функция (резко выражена для сульфа-тов) – создание H2S, FeS2 и, по-видимому, других сернистых ме-таллов (ZnS, CuS и т.п.)

Бактерии

6. Концентрационная функция – скопление отдельных элементов из их рассеяния в окружающей среде. Это явление известно для

Организмы животные и растительные разных семейств – одноклеточные и многоклеточные


324

C, Ca, N, Fe, Vn, Cu, Ba< Sr, J, V, K, Na, Si и др. 7. Функция разрушения органи-ческих соединений – разложение их с выделением H2O, CO2 и N2

Эту функцию выполняют главным об-разом бактерии и грибы.

8. Функция восстановительного разложения органических соеди-нений, дающая H2S, CH4, H2 и т.п.

Бактерии

9. Функция метаболизма и дыха-ния организмов, связанная с по-глощением O2 и H2O, с выделе-нием CO2, с миграцией органических элементов

Все организмы

Затем В.И. Вернадский определяет границы возможных

предположений и представлений о формах проявления как абио-генеза, так и космического заноса. Он подчеркивал, что есть два явления, с которыми должны считаться все теоретические по-строения по рассматриваемому нами вопросу. “Во-первых, должны быть учтены особые свойства пространства, занятого жизнью, своеобразной структуры в этом смысле биосферы, от-сутствующих в других геосферах. (Речь идет о диссимметрии живого вещества. – Б.В.П., О.В.Б.). И, во-вторых необходимо считаться с особенностью геохимической функции живых орга-низмов и механизма биосферы, вызывающих сложность жизни, существование неразрывного комплекса организмов, распадаю-щихся на многочисленные морфологически разные формы. В биосфере всегда наблюдается, говоря терминами геохимии, раз-нородное живое вещество и жизнь всегда исполняла одновре-менно разнородные биогеохимические функции” (Вернад-ский, 1960в, с. 256). Он считал, что с самого начала биосферы живое вещество, входящее в нее, должно было быть сложным телом, а не однородным веществом. Его биогеохимические функции по разнообразию и сложности не могут быть уделом одного какого-то вида. “Первое появление жизни при создании биосферы должно было произойти не в виде появления одного какого-нибудь вида организма, а в виде их совокупности, отве-


325

чающей геохимическим функциям жизни. Должны были сразу появиться биоценозы” (Вернадский, 1960в, с. 263).

При рассмотрении этой таблицы бросается в глаза: “1) что все без исключения геохимические функции живого вещества в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами, 2) что невозможен организм, который мог бы один исполнять все эти геохимические функции и 3), что в ходе геологического времени происходила смена разных организмов, замещавших друг друга в исполнении данной функции без из-менения самой функции. ... Возможность полного осуществле-ния всех геохимических функций организмов в биосфере одно-клеточными организмами делает вероятным, что таково было первое появление жизни” (Вернадский, 1960в, с. 262).

В настоящее время мысль Вернадского об одновременном возникновении на Земле четырех основных форм организации живого вещества: организмов, видов, биоценозов и биосферы - находит себе все больше сторонников среди естествоиспытате-лей самых разных специальностей (Колчинский , 1990).

Еще одну чрезвычайно важную мысль высказал В.И. Вернадский. Он считал, что абиогенез на Земле, если его допустить, должен проходить вне известной нам эволюции. “Дело в том, что эволюционный процесс, какую бы форму его мы ни взяли, всегда идет уже внутри биосферы, т.е. в живой природе” (1960в, с. 263). Сейчас полагают, “что предбиологиче-ская эволюция шла очень быстро. Ее основные ″изобретения″ (абиогенный синтез органических соединений, формирование матричного синтеза органических молекул, образование жизни вироидного типа, обладающей точным аппаратом самовоспро-изведения макромолекулярных комплексов РНК и ДНК, разви-тие прокариотов) заняли гораздо меньше времени, чем вся по-следующая эволюция жизни” (Колчинский, 1990, с. 45).

Эти взгляды В.И. Вернадского были блестяще реализованы в последней четверти ХХ века в исследованиях Г.А. Заварзина. Он показал, что наиболее древние остатки живых организмов, из известных нам, установлены в горных породах, возраст кото-рых примерно 3,5 – 3,9 млрд. лет. Эти окаменелые остатки древнейших организмов названы микрофоссилиями. Относятся


326

они к цианобактериям. Принципиально важно, что и в метеори-тах, возраст которых более 4,5 млрд. лет, тоже нашли бактерио-морфные формы весьма похожие на микрофоссилии цианобак-терий (Заварзин, 1999 и др.). Эти данные свидетельствуют, что примитивные формы живых организмов были распространены и за пределами нашей планеты.

Вероятно, в недалеком будущем, будет выяснено, как про-ходила та химическая эволюция, которая, в конечном счете, привела к возникновению простейших прокариот. Исследования в этом направлении с позиций синергетики вудутся весьма ин-тенсивно (см. раздел 10).

Цианобактерии относятся к прокариотам. Они в те далекие времена были основными продуцентами, т.е. теми, кто создает первичную массу органики из неорганических веществ в ре-зультате фотохимических и других реакций. Не исключено, что в короткий добиосферный период биогеохимические процессы были не замкнуты. Однако ограниченность биогенных веществ вынудила биоту создать замкнутые биогеохимические циклы. В результате неминуемо должны были появиться деструкторы, которые стали бы разлагать органическое вещество до исходных неорганических соединений, тем самым решая вопрос с ресур-сами для дальнейшего развития биоты. Этими деструкторами тоже были бактерии – органотрофы. Цианобактерии и бактерии-органотрофы кооперировались и образовывали четко работаю-щую систему, названную трофической пирамидой. “Трофиче-ская сеть в анаэробных сообществах представляет согласован-ную систему не менее четкую, чем транспортная сеть в промышленном производстве” (Заварзин, 1999, с. 101). С этого простейшего биоценоза, образованного бактериями, и возникла биосфера.

Откуда появилась диссимметрия у живого вещества, пока остается тайной за семью печатями. Не исключено, что белко-вые тела первых цианобактерий “собирались” на кристаллах кварца, которые часто встречаются в прибрежной полосе моря. Среди этих кристаллов кварца были как правые, так и левые формы. И среди белковых тел бактерий стали формироваться также и правые, и левые формы. Правизна и левизна в строении


327

белковых молекул стали передаваться по наследству при раз-множении. Такое наличие правых и левых форм у органическо-го вещества зафиксировано в некоторых нефтях. При дальней-шем развитии примитивных форм жизни почему-то преимущество получили левые изоморфные молекулы. Воз-можно, так и возникла диссимметрия живых организмов.

* * * Итак, древнейшие прокариоты, представленные цианобак-

териями, в настоящее время известны как из архейских пород Земли, так и из каменных метеоритов. В архейских породах од-новременно с цианобактериями находят и бактерии-органотрофы. И те, и другие совместно создали древнейшие биоценозы, чем и положили начало формированию биосферы.

Древнейший этап развития биосферы

Часть естественных тел глобальной размерности (земная кора литосферы, океан, атмосфера) сформировались на самых ранних этапах развития нашей планеты, до появления на ней биосферы. Внешним круговоротом воды они были связаны в единую систему, в пределах которой между ними установились определенные взаимоотношения. После своего появления жи-вые организмы благодаря присущей им биогеохимической функции начали преобразовывать эту сложившуюся систему в биосферу.

Продолжительность самого первого этапа развития биосфе-ры оценивается в 2,5 – 2,9 млрд. лет (от 3,5 – 3,9 млрд. лет до 1,0 млрд. лет). Он занимал порядка 70 – 75% всей истории биосфе-ры и был в 2,5 – 4 раза продолжительнее добиосферного этапа развития нашей планеты.

Самым главным событием этого этапа было появление в океане в результате химической эволюции живого вещества, ор-ганизованного в первые примитивные биоценозы. В их состав вошли цианобактерии и бактерии-органотрофы.

Океан, как показали расчеты Н.П. Васильковского (1973), на этом этапе значительно увеличил свои размеры, хотя и со-


328

кратилась его поверхность. К концу этапа океан занимал при-мерно 87% поверхности Земли (против 98% на предшествую-щем этапе). Зато был значительный (в 2,3 раза) прирост водной массы, которая достигла 80% современного объема океана. Поч-ти в 3 раза увеличилась и средняя глубина океана (с 810 до 2510 м). Такое сокращение поверхности океана с одновременным увеличением его водной массы было следствием того, что рель-еф земной поверхности стал более расчлененным, более контра-стным (увеличился наклон гипсографической кривой), за счет формирования древних платформ, которые по существу пред-ставляли собой ядра будущих континентов (см. рис. 11.1). О возможном механизме этого процесса и участии в нем живых организмов будет сказано ниже.

Самым главным событием было появление в океане древ-нейших цианобактерий, которые в водной среде океана образо-вывали на дне своеобразные маты. Их окаменевшие остатки, на-званные строматолитами, широко развиты во всех протерозойских породах. Именно строматолиты сформировали первые мощные карбонатные пласты на дне океана. Циаонобак-терии оказались той группой организмов, которая прошла через всю историю Земли и сыграла значительную роль в формирова-нии биосферы современного облика.

На этом древнейшем этапе у сине-зеленых водорослей, ко-торые относятся к прокариотам, возник феномен фотосинтеза.

Живые организмы в виде “пленки жизни” отчетливо кон-центрировались по периферии древних водоемов, особенно вблизи крупных массивов суши. Это происходило из-за того, что воды, стекавшие с суши, несли с собой те минеральные ве-щества, которые были нужны для питания организмов. Такая пространственная локализация живого вещества в водоемах во-круг суши имела далеко идущие последствия. Об этом очень хорошо написано в работе Н.Н. Верзилина и др. (1976).

“Именно в этих местах наиболее энергично должны было накапли-ваться в осадках органические вещества и образовываться наиболее мощ-ные толщи осадочных пород. В осадочных же породах присутствует потенциальная энергия, приобретенная минеральным веществом при процессах выветривания на суше за счет использования лучистой энергии


329

Солнца. Поэтому по периферии наиболее крупных массивов суши как в докембрии, так и позже должны были существовать наиболее благопри-ятные условия для смены устойчивого погружения и интенсивного осад-конакопления с течением времени поднятием, сопровождавшимся горо-образованием, складчастостью и разрушением ранее образовавшихся пород. Таким путем, очевидно, вначале небольшие массивы суши глубо-кой древности постепенно превратились в материки, которые все увели-чивают свои размеры. Лишь только возникло и окрепло живое вещество, оно стало перестраивать земную поверхность, строить материки. Некото-рые ученые полагают, что на ранней стадии развития Земли в обстановке очень плоского рельефа ее поверхности, первичный океан был сплош-ным, а суши не было. В таком случае не исключено, что суша могла воз-никнуть благодаря длительной, постоянной “деятельности” живого веще-ства” (Верзилин и др. 1976, с. 138 – 139).

Это очень интересная точка зрения об одном из возможных преобразований живым веществом поверхности нашей планеты.


Рис. 11.1. Эволюция гипсографической кривой (по Н.П. Васильковскому, 1973)

330


Условные обозначения к рис. 11.1 1. – вода;

_ _ _ _ _

2. – осадки;

. . . . .

3. – континентальная кора;

+ + +

4. – океаническая кора;

L L L

за исходный нулевой уровень принята первичная поверхность коренного ложа океана;

а – настоящее время (уровень + 5500); б – начало кайназоя (65х106 лет назад, уровень океана +

5068); в – начало мезозоя (240х106 лет назад, уровень океана +

4308); г – начало палеозоя (600х106 лет назад, уровень океана

+3380); д – начало рифея (1500х106 лет назад); е – ранний архей (3500х106 лет назад, поверхность земли в

106 км2)

331


332

Но и в самом развитии первых живых организмов произош-ли интересные изменения. На протяжении этого этапа трижды наблюдался спад в развитии строматолитов, когда сокращались площади, занятые их постройками. Причину этих спадов иссле-дователи видят в периодических изменениях климата, которые приводили к покровным оледенениям. (Цианобактерии, а следо-вательно, и строматолиты были теплолюбивыми организмами). Первый ледниковый период зафиксирован около 2,2 млрд. лет назад. Тогда льды толстым слоем покрывали и континенты, и моря. Охлаждение биосферы, скорее всего, происходило благо-даря сочетанию ряда факторов, среди которых немаловажную, а может быть, даже и ведущую роль играло снижение парниково-го эффекта из-за уменьшения содержания СО2 в атмосфере. Причину снижения содержания углекислоты в воздухе видят в широком развитии в межледниковье строматолитов. Связыва-ние СО2 происходило в процессе образования карбонатных по-строек строматолитов. Последнее оледенение, оказавшееся фа-тальным для строматолитов, произошло как раз в конце этого этапа перед неопротерозойской революцией (см. далее). Оледе-нение обычно заканчивалось тогда, когда благодаря наземному вулканизму в атмосфере повышалось содержание углекислоты (порой до 300 раз от современного уровня).

Если цианобактерии были теплолюбивы, то эукариоты мог-ли существовать и в холодных водах (первые эукариоты появи-лись примерно 2 млрд. лет тому назад, во время первого похо-лодания климата). Скорее всего, холодноводные условия, которые не раз возникали в протерозое, способствовали зарож-дению и дальнейшему развитию эукариот, которые смогли в си-лу более сложного строения приспосабливаться к таким услови-ям существования (Федонкин, 2000).

И все же на этом первом этапе господствовали цианобакте-рии и бактерии органотрофы. Они совместно освоили все био-геохимические функции живого вещества (см. табл. 11.1). Ки-слородную функцию исполняли цианобактерии, поскольку побочным продуктом их жизнедеятельности был кислород. Так в биосфере появился второй фотосинтетический источник сво-бодного кислорода (наряду с эндогенным). Кислород из трофи-


333

ческой системы стал поступать в океан, а затем и в атмосферу. Усиление притока свободного кислорода за счет фотосинтеза привело к существенным геохимическим последствиям. Так впервые под биогеохимическим воздействием живого вещества стал преобразовываться химизм естественных тел биосферы.

Благодаря этому, как показали работы А.П. Виноградова (1967), Н.М. Страхова (1963) и др., произошли кардинальные изменения в химизме океанических вод. До сих пор характер океанических вод был хлоридным с высоким содержанием вос-становителей (сероводорода и закисного железа). Разросшаяся суша способствовала развитию на ней интенсивного химическо-го выветривания. В результате с континентов в океан пошел все возрастающий поток растворенных карбонатов натрия, калия, кальция, магния, железа и марганца. Это привело к тому, что хлоридный состав океанических вод преобразовывался и стано-вился хлоридно-карбонатным.

О газовой фазе воды древних океанов можно судить по ре-зультатам специальных исследований, которые провел Ю.П. Ка-занский и др. (1973), изучая газовый состав включений в древ-них кремнистых породах (табл. 11.2). Данные этой таблицы показывают, как постепенно в биосфере менялся состав раство-ренных в морской воде газов, а следовательно, и газовый состав атмосферы: с течением времени увеличивалось содержание ки-слорода и азота при одновременном сокращении углекислого газа.

Благодаря возросшему поступлению в океан кислорода за счет фотосинтеза цианобактерий, постепенно окислялись такие восстановители, как сероводород и закисное железо. Они пре-вращались в сульфаты и окислы железа. В результате океаниче-ские воды становились хлоридно-карбонатно-сульфатными.


334

Таблица 11.2

Средний состав газовой фазы в современной морской воде и

во включениях древних кремнистых пород (по Ю.П. Казанскому и др., 1973)

Концентрация (в объемных процентах)

Возраст Количе-ство опреде-лений

H2S, HCl, HF, NH3,

SO2

CO2 O2 N2 и редкие газы

Современный океан - - 3,2 34,1 62,7 Верхний мел 3 - 4,9 20,1 75,0 Средний девон 2 - 7.6 18,0 74,4 Силур 3 - 31.8 13,6 54,6 Верхний протерозой 2 - 37,1 12,6 50,3 Верхний протерозой 11 - 34,5 13,7 51,8 Средний протерозой 3 - 31,8 11,9 56,3 Архей (?) – нижний протерозой

1 31,3 44,2 5.5 19,0

Архей 7 35,1 61,1 - 3,8 Балансовые расчеты показали, что если исходить из массы

органического углерода в осадочных породах, то этой массе должны были соответствовать не только масса кислорода в ат-мосфере, но и кислород, входящий в состав сульфатов океани-ческих вод и в окисные руды железа, так называемые желези-стые кварциты. Именно такое биосферное происхождение имеют железные руды Курской магнитной аномалии, дающие сейчас нам лучшее сырье для производства чистого железа.

После того, как были окислены все запасы сероводорода и восстановленного железа в водах первичного океана, кислород из океана стал поступать в атмосферу.

Атмосфера. Мы не знаем, какой была масса атмосферы на этом первом этапе развития биосферы, но, скорее всего, она бы-ла значительно меньше современной. Первоначальный состав атмосферы начал меняться за счет появления кислорода. Он на-


335

чал поступать в атмосферу сначала в результате фотохимиче-ских реакций с H2O и CO2. Но этот источник, как полагает А.П. Виноградов (1967), не мог дать более 0,1% по сравнению с современной атмосферой. Вторым более мощным источником свободного кислорода был подводный базальтовый вулканизм, но первоначально поступление из этого источника шло на окис-ление различных соединений, содержащихся в морской воде. И, наконец, третий источник (фотосинтез) – выделение свободного кислорода как побочного продукта жизнедеятельности циано-бактерий.

Появление свободного O2 (сразу из трех источников) приве-ло к окислению CH4 → CO2 и, следовательно, к стабилизации карбонат-бикарбонатной системы в океанической воде. Угле-кислый газ (CO2) из атмосферы практически нацело был извле-чен жизнью, и начали отлагаться биогенные карбонаты. Про-дукты серы – H2S, SO2 и другие перешли в SO4

2-, изменив состав океанической воды. NH4

1+, вероятно, был исчерпан организмами и окислен в элементарный азот. Так с помощью биоты создалась мощная современная азотно – кислородная атмосфера.

Как только содержание кислорода достигло примерно 1% от современного, стала возможной жизнь аэробных организмов. Появление последних знаменует первую перестройку системы биосферы в истории ее развития (см. далее).

Литосфера. На этом этапе помимо базальтового слоя зем-ной коры стал интенсивно формироваться и гранитный слой. Он сложил фундамент древних платформ, которые по существу представляли собой ядра будущих континентов. Континенталь-ные блоки заняли, по оценке Н.П. Васильковского (1973), по-рядка 13% ее поверхности. Образование блоков гранитного слоя по существу явилось отдаленным последствием тех геохимиче-ских преобразований в океане и атмосфере, которые возникли под влиянием жизнедеятельности первых живых организмов (появление свободного кислорода и сокращение содержания СО2). Рост участков суши и изменения химизма атмосферы и океана, в конечном счете, привели к тому, что появился наряду с вулканогенно-осадочным и гумидный тип литогенеза. Именно в


336

нем и происходило пространственное отделение окислов крем-незема от железа и алюминия.

* * * Итак, на этом древнейшем этапе развития биосферы глав-

ным событием было появление первых биоценозов живого ве-щества, образованных бактериями (цианобактериями и органо-трофами). Именно благодаря их биогеохимической функции произошли серьезные химические преобразования всех естест-венных тел биосферы. В целом в биосфере восстановительная среда постепенно сменялась окислительной. Произошли карди-нальные изменения состава океанических вод. Они из хлорид-ных стали сперва хлоридно-карбонатными, а затем и хлоридно-карбонатно-сульфатными. Началось мощное биогенное образо-вание карбонатов, а также отложение железистых кварцитов. Появились крупные блоки гранитного слоя земной коры в виде древних платформ, которые образовали ядра будущих конти-нентов. В появлении и разрастании этих древних платформ ряд исследователей видит результат жизнедеятельности живых ор-ганизмов, которые с момента своего появления начали преобра-зовывать поверхность нашей планеты. Они способствовали кон-сервации и накоплению солнечной энергии в толщах осадочных пород, окаймлявших древнейшие участки суши. Продолжался рост водной массы океана, усложнялся рельеф земной поверх-ности. На этом этапе мы впервые фиксируем существенные из-менения климата, которые выразились в трех волнах резкого похолодания, которые сопровождались покровным оледенени-ем. Менялся и состав атмосферы. В ней увеличивалось содер-жание азота и кислорода, исчезал метан и сокращалось содер-жание СО2. Так к началу неопротерозойской революции бактериальными сообществами была создана новая биогеохи-мическая среда.


337

Неопротерозойский этап в развитии биосферы

Первая перестройка системы биосферы произошла около 1 млрд. лет тому назад, в начале позднего протерозоя, который именуют еще рифеем. Именно к этому рубежу приурочена не-опротерозойская революция в развитии живого вещества, в ре-зультате которой широкое развитие получили эукариоты. Поя-вилась та принципиально новая форма живого вещества, с жизнедеятельностью и биогеохимической функцией которого связано кардинальное преобразование всей биосферы. В первую очередь потоков энергии и круговоротов химических элементов. Именно с появлением эукариотов окончательно сложилась принципиальная схема потоков энергии в биосфере, которая изображена была на рис. 8.1 (см. раздел 8)

Этот этап длился до рубежа в 570 млн. лет тому назад, когда живые организмы освоили кальциевую функцию, что привело к очередной перестройке биосферы (см. ниже). Таким образом, длительность рассматриваемого этапа примерно 430 млн. лет или около 11 – 12% продолжительности всей истории биосфе-ры.

Океан. Хотя поверхность океана продолжала сокращаться, но его водная масса увеличивалась на 12%. Она достигла 92% от современного объема. Увеличилась средняя глубина океана до 3200 – 3300 м, но среди морских бассейнов существовали как глубоководные, так и мелководные, расположенные на древних платформах (Васильковский, 1973).

Живое вещество по-прежнему было сосредоточено только в океане, в структуре которого произошли существенные измене-ния. Увеличение содержания кислорода в атмосфере до 1% от современного привело к увеличению его концентрации и в мор-ской воде, а это создало условия для жизни аэробных организ-мов. Этим не замедлили воспользоваться эукариоты, которые долго ждали своего часа (более 1 млрд. лет). Именно их массо-вое развитие называют неопротерозойской революцией. Она


338

выражалась в появлении одноклеточных организмов (протис-тов) с эукариотной клеткой довольно сложного строения.

Необходимо подчеркнуть, что и создание трофической сис-темы в бактериальных сообществах, и появление в неопротеро-зое эукариотных одно – и многоклеточных организмов связано с реализацией одного и того же принципа – кооперации. Именно в соответствии с этим принципом на разных уровнях организа-ции живого вещества возникли как клеточные и многоклеточ-ные организмы, так и экосистемы.

Неопротерозойская революция происходила в океане, кото-рый по своему химическому составу начал приближаться к со-временному составу океанических вод. Атмосфера позднего протерозоя уже начинала приобретать азотно-кислородный со-став, хотя концентрации отдельных газов в ней отличались от современных. Побочный продукт жизнедеятельности цианобак-терий – кислород – был с их точки зрения жутким загрязнением биосферы. Но именно биогенный кислород привел к преобразо-ванию геохимических условий, к которым была вынуждена приспосабливаться биота. Вероятно, таким приспособлением и был расцвет эукариотов.

С тех далеких времен в биоте началось преимущественно морфологическое развитие эукариот, которое привело к наблю-даемому сейчас биоразнообразию. Мы не знаем, почему появи-лись эукариоты, но знаем, как они возникли. Появление их свя-зано с образованием комбинаторных соединений различных бактерий с последующей интеграцией их в целостный организм (Заварзин, 1999). Возникали разные комбинаторные соединения бактерий, которые, в конечном счете, привели к появлению уже среди протистов двух основных типов клеток: один из них был назван растительным, а другой – животным. Из протистов (как растительных, так и животных) сначала произошли колониаль-ные, а затем и многоклеточные растительные и животные орга-низмы.

Среди животных это “бесскелетная фауна венда, где веро-ятно существование колониально-симбиотических форм, наряду с детритофагами, фильтраторами, хищниками; ей предшествует флора макроводорослей – найдены крупные талломы с остатка-


339

тт

о

щ

н , мо

ф а

и, о тр

ми бангиевых водорослей с дос аточно сложным циклом (жиз-ненным циклом разви ия. – Б.В.П., О.В.Б.). Условием развития многоклеточных служат хорошо понятый переход от колони-альных форм к дифференцированным целостным рганизмам. Это системный переход, связанный не только с приобретением, но и с некоторой потерей способностей. Все переходы от коло-ниального способа жизни к многоклеточности возможны только для эукариотов. Здесь в большей степени проявляется принцип ″матрешки,″ когда на маленькую куклу надевается большая. Доминирую им становится процесс усложнения с последую-щей дифференциацией функций клеток внутри организма и формированием тка ей отличающих колонии от ногоклеточ-ных организмов. Эти изменения, безусловн , системны, по-скольку сам организм есть система. Однако основу их составля-ет диф еренци ция изначально однородного материала” (Заварзин, 1999, с. 99 – 100). Остатки этой бесскелетной фауны венда известны из верхнего протерозоя Австралии, Алданского щита Сибир на беломорском побережье Кольск го полуос о-ва.

Главным событием неопротерозойской революции было по-явление фотосинтеза у эукариотов, относящихся к водорослям. Это означало, с одной стороны, усиление второго постоянного и достаточно мощного источника свободного кислорода в гидро-сфере и атмосфере, с другой – быстрый и все убыстряющийся рост массы биоса и усложнение его организации. Благодаря этому органическое вещество становится постоянным, обяза-тельным компонентом осадочных пород (от долей процента до 1%, Страхов, 1963).

В целом в океане продолжалось хемогенное и биогенное образование больших толщ карбонатных пород – известняков и доломитов. Такое захоронение в осадках большого количества СО2 приводило к падению ее содержания в атмосфере.

Атмосфера, как уже отмечалось выше, благодаря фотосинтезу зеленых водорослей стала приобретать азотно-кислородный состав. Она освобождалась (благодаря интенсив-ному карбонатообразованию) и от СО2, все больше приближаясь


340

к современной атмосфере, хотя концентрации отдельных газов в ней еще отличались от современных.

Литосфера. Продолжался рост гранитного слоя земной ко-ры, который слагал древние платформы Гондванскую, Северо-Американскую, Восточно-Европейскую, Сибирскую и Китай-скую. Этот континентальный блок, по оценкам Н. П. Васильков-ского (1973), уже занимал чуть меньше 25% земной поверхно-сти. Гипсографическая кривая стала существенно круче (рис. 11.1). На суше продолжало идти интенсивное химическое вы-ветривание. Среди литогенезов были представлены уже все ти-пы. Не исключено, что на этом этапе произошло формирование большого круговорота солнечной энергии.

* * * Итак, на этом этапе продолжалось дальнейшее разрастание

древних платформ, на которых формировались мелководные морские бассейны. В этих мелководных морях получили широ-кое распространение эукариоты, как одноклеточные, так и при-митивные многоклеточные. И именно их широкое развитие ста-ло главным событием этого этапа. Появление фотосинтеза у эукариот резко усилило кислородную биогеохимическую функ-цию живого вещества и создало второй, фитосинтетический (в дополнение к эндогенному) этап поступления свободного ки-слорода. Это, в свою очередь, способствовало более быстрому геохимическому и биогеохимическому преобразованию водных и воздушных масс биосферы, которые по своему составу стали приближаться к современным.


341

Раннепалеозойский этап развитие биосферы

Этот этап развития биосферы охватывает всего 160 – 170 млн. лет. Он длился примерно с 570 млн. лет до 400 – 410 млн. лет, в течение кембрийского, ордовикского и силурийского пе-риодов. По своей продолжительности он был сравнительно ко-ротким (охватил всего лишь около 4 – 4,8% всей длительности истории биосферы), но значимость его была колоссальна, так как в течение его создались условия, которые позволили живому веществу освоить новое для них пространство – сушу возник-ших континентов.

Как уже говорилось, вторая кардинальная перестройка био-сферы произошла 570 млн. лет тому назад. Она связана с тем, что среди эукариотов (растений и животных) появились новые формы, которые освоили построение минерального скелета из карбоната кальция.

“Биоминерализация становится внутриклеточным процессом и не зависит от внешних условий. Образовавшийся скелет может растворяться или же захороняться в виде биогенной известняковой породы, созданной кокколитофоридами, фораминиферами – протистами, колониальными губками, коралловыми группировками или же моллюсками на очень ши-рокой шкале биологической эволюции. Меняется и сопряженный с каль-циевым цикл неорганического углерода. Этот цикл в свою очередь со-пряжен с циклом органического углерода соотношением 1:1, поскольку осаждение карбоната из бикарбоната требует удаления из сферы реакции агрессивной углекислоты, как это происходит и сейчас в экосистеме ко-раллов или известковых водорослей” (Заварзин, 1999, с. 99).

В результате стал меняться газовый состав атмосферы: в ней уменьшилось содержание углекислого газа и увеличилось содержание кислорода за счет фотосинтеза водорослей, которые получили массовое развитие в мелководных морях. В карбонат-ных породах литосферы содержится в 15 000 раз больше СО2, чем в атмосфере. Растения ежегодно поглощают 1/35 всего СО2, содержащегося в атмосфере.

Как только содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 10% (от современного уровня), начал образовываться


342

озоновый слой. Это имело далеко идущие последствия: жесткое ультрафиолетовое излучение, губительное для биоты, стало за-держиваться озоновым экраном и перестало доходить до днев-ной поверхности. Благодаря этому создались условия для пыш-ного развития живых организмов на мелководье, а потом и для выхода на сушу животных и растений. Этот выход на сушу и привел к очередной перестройке всей биосферы. Так еще раз проявилась преобразующая роль живого вещества в развитии биосферы.

Океан на этом этапе занимал около 77% поверхности зем-ли. Но характер морских бассейнов претерпел существенные изменения. Среди них выделялись мелководные эпиконтинен-тальные моря, геосинклинальные бассейны с более расчленен-ным рельефом (см. рис. 11.1). И, наконец, существовал третий тип – глубоководные океанические бассейны, типа Тихого океа-на. Главным сосредоточением морских организмов были мелко-водные платформенные моря и геосинклинальные бассейны.

Органический мир кембрия, ордовика и силура за последние 200 лет достаточно хорошо изучен палеонтологами. Долгое время исследователей поражала внезапность появления с самого раннего кембрия всех основных типов животного мира и низ-ших растений. Но потом было выяснено, что эта внезапность только кажущаяся. Она объясняется тем, что живые организмы с начала кембрия освоили кальциевую функцию и стали строить свои раковины и скелеты из карбоната кальция. Это способство-вало лучшему сохранению их остатков в горных породах. По-этому, хотя все основные типы животных и примитивных низ-ших растений появились еще во время неопротерозойской революции, на предыдущем этапе, но они смогли продемонст-рировать все свое разнообразие только тогда, когда у них поя-вились твердые скелеты и раковины. Иными словами, с начала кембрия, когда они освоили кальциевую функцию.

Среди животных преобладали беспозвоночные, хотя в ордо-вике уже появились первые бесчелюстные позвоночные. Все животные и низшие растения обитали преимущественно в мел-ководных морях, приуроченных к древним платформам. К кон-цу этого этапа биоразнообразие выросло примерно в 10 раз.


343

Возможно, что на этом этапе бактериальные сообщества начали осваивать подземную биосферу.

Интенсивное извлечение карбоната кальция из морской во-ды привело к тому, что морские воды из хлоридно-карбонатно-сульфатных становились хлоридно-сульфатными, приближаясь по своему химическому составу к водам современного океана. Однако их соленость не оставалась постоянной. Она то увели-чивалась, то уменьшалась. Разросшиеся континентальные мас-сивы суши поставляли все больше и больше растворимых солей в океан, что не могло не вызвать увеличение его солености. С другой стороны, в мелководных полузамкнутых морях, распо-ложенных на древних платформах, во время регрессий происхо-дило осаждение солей из морской воды. Происходил так назы-ваемый галогенез. Он соответственно уменьшал содержание солей в морской воде. В результате сложилось динамическое равновесие, которое поддерживало соленость морских вод око-ло средних значений.

Атмосфера. Как уже говорилось, благодаря фотосинтетиче-ской деятельности водорослей, которые получили широкое рас-пространение в мелководных бассейнах, шло постепенное нако-пление кислорода в атмосфере. Одновременно сокращалось в ней и содержание СО2.. Она использовалась живыми организ-мами для построения внутреннего или наружного карбонатного скелета. Когда содержание кислорода достигло 10% современ-ного, произошло формирование последнего защитного уровня биосферы – озонового слоя. Этим были созданы предпосылки для завоевания суши живыми организмами.

Земная кора. Разросшиеся в предшествующее время блоки гранитного слоя земной коры образовали древние платформы со сравнительно ровным рельефом. К ним относится Североамери-канская, Русская, Сибирская и Китайская. Платформы, ядра бу-дущих континентов, были существенно приподняты над океа-ническим дном, расположенным на базальтовом слое земной коры. Этот континентальный блок занимал порядка 23% земной поверхности. Появление этих платформ хорошо видно на гипсо-графической кривой (см. рис. 11.1).


344

Временами морские воды заливали древние платформы, полностью или частично. Такие наступления моря называются трансгрессиями. В результате образовывались мелководные об-ширные эпиконтинентальные моря, где кипела жизнь. Времена-ми воды уходили с древних платформ, которые вновь станови-лись сушей. Такой отход моря называют регрессиями морского бассейна. Для рассматриваемого этапа было характерно три волны трансгрессий и регрессий. По окраинам древних плат-форм и между ними развивались более глубоководные геосинк-линальные бассейны с резко расчлененным рельефом дна и раз-витым вулканизмом.

* * * Итак, главные события этого сравнительно короткого этапа

были связаны с дальнейшим биогеохимическим преобразовани-ем водных и, главным образом, воздушных масс (содержание кислорода неуклонно увеличивалось, а углекислого газа снижа-лось). Это явилось следствием освоения живыми организмами кальциевой функции. Увеличение содержания кислорода в ат-мосфере, в конце концов, привело к образованию последнего защитного уровня биосферы – озонового экрана, благодаря чему были созданы условия для выхода морских организмов на сушу.

Позднепалеозойский этап развития биосферы

Очередная перестройка биосферы произошла около 410 - 400 млн. лет тому назад, в конце силура, когда образовался на-земный растительный покров, изменивший все биогеохимиче-ские и геофизические процессы. Именно тогда произошло фор-мирование четвертого естественного тела биосферы глобальной размерности – ландшафтной оболочки, появившейся на конти-нентах и островах.

О верхней границе этого этапа нет единого мнения. Одни исследователи (Заварзин, 1999) склонны продолжать его вплоть до настоящего времени, поскольку не видят принципиальных изменений среди живых организмов. Другие (Баренбаум, 2000) ограничивают его рубежом, расположенным где-то в поздней


345

юре или на границе ее с меловым периодом (140 – 150 млн. лет тому назад). На этом рубеже произошла быстрая перестройка всей глобальной циркуляции вещества в биосфере (см. раздел 11). Эту перестройку связывают со сменой очередного галакти-ческого года. Мы склонны принять точку зрения А.А. Баренбаума, поскольку указанный им рубеж отделяет со-стояние биосферы, которое близко к современному, от того, что наблюдалось в конце палеозоя – начале мезозоя. Если принять его точку зрения, то продолжительность рассматриваемого эта-па составит около 250 – 260 млн. лет (6,5 – 7,7% длительности всей истории биосферы).

Океан на этом этапе больше приобретал свои современные черты, хотя соотношение суши и моря, а также объем океаниче-ских вод не оставались постоянными. На протяжении последне-го этапа наблюдалось четыре морских трансгрессии, во время которых морские воды проникали далеко в глубь материков, об-разуя обширные мелководные эпиконтинентальные моря. В них, равно как и в геосинклинальных морях и открытом океане, оби-тали самые разнообразные морские животные и растения. Со-став их видов, родов и семейств не оставался постоянным, он постоянно обновлялся. Наиболее крупные изменения произош-ли на рубеже палеозоя и мезозоя.

Надо отметить, что в самом начале этапа, в девонском пе-риоде, в морях были широко представлены самые разнообраз-ные рыбы – панцирные, кистеперые, двоякодышашие и т.д. Не-даром девонский период называют “веком рыб”. От некоторых из них произошли первые наземные позвоночные. Отдельные представители этой древней фауны рыб дожили до современно-сти и обитают у восточного побережья Африки в районе Комор-ских островов.

Н.М. Страхов так характеризовал ход развития геохимии океанических вод. “В океанах продолжается рост биомассы и расползание живой материи по дну; бентос захватывает все но-вые и новые участки глубокого дна; подвигается в пелагическом направлении и планктон, что, несомненно, также увеличивает биомассу морских организмов. В целом поэтому за относитель-но короткий промежуток времени живое вещество количествен-


346

но возрастает, вероятно, не менее чем в 3 – 3,5 раза. Увеличение биомассы живой материи сопровождается усложнением ее каче-ственного состава и, что особенно важно, использованием орга-низмами ряда минеральных компонентов для построения на-ружного и внутреннего скелета: SiO2, CaCO3, MgCO3, фосфатов, SrSO4, BaSO4; ряд малых элементов (Cu, V и др.) используются в метаболизме клеток, участвуя в строении сложных металлоор-ганических соединений (гемоциан и др.) Тем самым в огромной степени увеличивается воздействие биоса на всю геохимию океана и атмосферы. ... Перемены произошли в составе газовых компонентов гидросферы, где также резко убыла CO2 и соответ-ственно возросло содержание О2. Это означало резкий рост Еh и рH морской воды. Впервые она стала щелочной и все более ще-лочной по мере приближения к современности. .. Обилие кисло-рода в морской воде привело к тому, что окислительная пленка становилась в океанах и морях все более мощной и все более длительно существующей. ... В то же время рост биомассы планктона и бентоса и их расползание от берега к центру бас-сейнов увеличивали площадь развития восстановительной зоны в осадках; зона эта перемещалась все более в пелагическом на-правлении. Это привело к тому, что осадки центральных облас-тей всех платформенных и геосинклинальных морей стали на-столько богаты Сорг., что восстановительная зона в них всегда возникала. Только в центральных частях океанов, в связи с очень малым поступлением в них Сорг. и большей стабильно-стью органического вещества, восстановительной зоны в илах не возникало и до сих пор эта область характеризуется резко окисленными красноцветными осадками” (Страхов 1963, с. 519, 521).

Атмосфера постепенно становится все более азотно-кислородной за счет поступления О2, образовавшегося в про-цессе фотосинтеза наземных и водных растений и исчерпания СО2 при биогенном образовании карбонатных отложений в мо-рях и океанах.

Земная кора континентального типа продолжала наращи-ваться, как вокруг древних платформ, так и путем создания мо-


347

лодых платформ (Западно-Европейской, Марокканской, Скиф-ско-Туркменской).

Одним из примечательных событий было периодически воз-никающее оледенение части поверхности Земли. Первое из таких оледенений на этом этапе случилось примерно 270 млн. лет тому назад, в позднем палеозое. Тогда льды покрыли древ-нюю платформу южного полушария Гондвану. Потом это по-кровное оледенение растаяло.

Кроме того, надо отметить, что периодически (через 40 – 60 млн. лет) возникали орогенные эпохи, когда создавались горы. Это сопровождалось резким усилением наземного вулканизма. Во время вулканических извержений увеличивалось поступле-ние на дневную поверхность радиоактивных элементов, что в свою очередь вело к повышению естественного радиоактивного фона как наземной среды, так и морской воды.

Ландшафтная сфера. Начало формирования этого самого молодого, по меркам геологического времени, естественного те-ла биосферы глобальной размерности было положено выходом растений и животных на сушу в конце силура – начале девона. Такое расширение поля жизни стало возможным после того, как возник последний защитный уровень биосферы – озоновый эк-ран. После его возникновения первыми сушу заселили микроор-ганизмы: силикатные бактерии и лишайники. Они приняли са-мое активное участие в процессах выветривания горных пород. И с этого момента выветривание превратилось из физико-химического процесса в биогеохимический. Заселение новой сухопутной ниши микроорганизмами привело также к умень-шению содержания СО2 в атмосфере и гидросфере.

Вот как сжато и емко описывает это знаменательное явление Г.А. Заварзин. “В конце силура – девоне началось формирование растительно-го покрова, когда фотосинтезирующая поверхность была вынесена в ат-мосферу из водной среды. Кульминация формирования растительного покрова достигла в карбоне (350 – 270 млн. лет тому назад. – Б.В.П., О.В.Б.). С тех пор наземная жизнь протекает в аэротопе – пространстве от почвы до верхушек деревьев – и в почве как корнеобитаемом слое. Вынос фотосинтезирующей поверхности в атмосферу происходил с образовани-ем органического скелета стебля и с накоплением больших масс целлю-лозы и лигнина. Эти соединения изменили количественные соотношения


348

в наземном углеродном цикле. Изменился и атмосферный гидрологиче-ский цикл за счет появления эватранспирации (испарения воды наземной растительностью. – Б.В.П., О.В.Б.). Отсюда стал иным и процесс денуда-ции. Растительный покров тесно связан с развитием грибного мицелия в почве, поэтому растительный покров следует рассматривать как расти-тельно-грибную систему ... наличие грибов на поверхности континентов как предварительное условие развития растительности чрезвычайно важ-но, так как обусловливает замыкание углеродного цикла потенциально мощным процессом деструкции, до того как появятся новые продуценты ... Деятельность животных связана, прежде всего, с биотурбацией, но в общих биогеохимических циклах они играют модифицирующую, а не определяющую роль. Вся биосфера этого типа существенно аэробна, ис-ключая лишь относительно небольшие анаэробные карманы в амфиби-альных ландшафтах, где происходило накопление углей – углеродный цикл был разорван. Таким образом, платформенные области стали играть существенно иную роль в экономике планеты” (Заварзин, 1999, с. 98). Об этом говорят и современные оценки источников поступления биогенного кислорода в атмосферу: примерно 50% кислорода дают морские растения и 50% наземная растительность (Физическая география мирового океан, 1979). Если учесть, что суша занимает всего лишь 1/3 поверхности нашей планеты, а моря и океаны 2/3, то процесс фотосинтеза на суше идет ин-тенсивнее примерно в два раза.

В ландшафтной оболочке с самого начала возникает ряд весьма существенных новообразований, которые сыграли зна-чительную роль в развитии всей биосферы.

Первый такой феномен – это почвы, в которых содержа-ние живого вещества достигает нескольких десятков процентов веса. Первым шагом к образованию почв было превращение микроорганизмами процесса выветривания из физико-химического в биогеохимический. Вторым шагом было разви-тие в карбоне сплошного покрова наземной растительности, ко-торая своими корнями скрепила образовавшийся на материн-ских породах верхний рыхлый слой. Как подчеркивал В.И. Вер-надский, почва представляет собой “область наивысшей геохимической энергии живого вещества, это важнейшая по своим геохимическим последствиям лаборатория идущих в ней химических и биохимических процессов” (1960б, с. 98).

Химические элементы в почвах, как указывал В.И. Вернадский (1960г), находятся в трех средах. Среда А – это


349

малоизмененные обломки материнских пород, на которых обра-зовалась почва. Среда В – живое вещество почвы и его более или менее разложившиеся остатки. В них могут концентриро-ваться по меньшей мере, следующие элементы – B, C, N, O, H, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se(?), Sr, Mo, Ag, Sn, Ba, Au(?), Pl, Bi, Li, Sc, Br, Rb, J, Cs, Ce, (Y). Среда С – более или менее стойкие илистые почвенные минералы. Они мало растворимы в воде и концентрируются в почвах в виде тонких осадков. При разрушении почв илистые минералы могут переноситься реками в виде взвеси.

Обратим внимание только на два последствия такого кон-центрирования химических элементов в почвах. Во-первых, это важно для снабжения развития наземной растительности микро-элементами. Если водные морские растения все необходимые элементы получают через поверхность тела из морской воды, в которой равномерно в тех или иных концентрациях содержится вся таблица Менделеева, то у наземных растений питание идет через корневую систему из почвы. Все микроэлементы, которые ему необходимы, наземное растение получает только из почвы. В ландшафтной среде нет такого равномерного распределения элементов, как в морской воде. Поэтому эта создаваемая кон-центрация элементов в среде В почвы и есть как бы своеобраз-ный страховой фонд для растений. Иногда этот механизм дает сбои, что ведет к недостатку или избытку микроэлементов в почвах. В этом случае возникают эндемичные болезни растений, а также животных и человека. В последние годы в медицине стали уделять все возрастающее внимание на дисэлементозы и другие пищевые дисбалансы, как на причины многих болезней (Терпугова, 2001). Причина таких пищевых дисбалансов кроется в особенностях геохимии почв.

Во-вторых, как подчеркивал В.И. Вернадский, почвы игра-ют огромную роль в формировании состава пресных вод суши, т.е. в мобилизации вещества на водосборных площадях при ли-тогенезе.


350

почвы → пресная вода → морская вода → морской ил

↑ ↓ горная порода осадочные породы Почвы и растительный покров суши образовали своеобраз-

ный экран, который стал задерживать на суше многие биоген-ные элементы (N, P, K и ряд других), которые ранее беспрепят-ственно поставлялись в морские бассейны. Как считают Н.Н. Верзилин и др. (1976), это привело к перераспределению живого вещества между сушей и гидросферой, в которой его масса не-сколько сократилась.

Второй феномен – это болота и связанное с ними угле-накопление. Одновременно с образованием наземного расти-тельного покрова появились и болота, в которых началось угле-накопление, достигшее своего максимума в карбоне и начале перми. Потом эпохи угленакопления регулярно повторялись при периодически наступавших увлажнениях климата. Обилие влаги способствовало пышному развитию наземных растений.

Цепочка (растительная масса →торф → бурый уголь → ка-менный уголь), с точки зрения геохимии – это еще один канал изъятия СО2 из атмосферы (помимо биогенного образования карбонатов).

По существу почвообразование и угленакопление стали по-следними штрихами в возникшем большом круговороте солнеч-ной энергии, в том механизме консервации энергии при литоге-незе, о котором уже не раз упоминалось ранее (см. разделы 8 и 9).

Преобразования, происшедшие среди наземных живых организмов, были значительны. Ландшафтная оболочка – это совершенно другая среда обитания. Только на суше живые ор-ганизмы в полной мере испытали на себе силу земного тяготе-ния. В водной среде они развивались как бы в невесомости. На суше и совсем другая симметрия среды, нежели в водной толще океана. Поэтому в ландшафтной сфере у живых организмов появилось много новых возможностей для развития в самых


351

разных направлениях. Эти новые возможности были незамедли-тельно реализованы. Отметим некоторые из них.

Пионерами наземной растительности, которая успешно раз-вивалась, были споровые растения. Но очень быстро, уже в ка-менноугольном периоде, на смену им пришли представители голосеменных, которые господствовали на суше на протяжении всего этапа. Насекомые появились около 375 млн. лет тому на-зад. Вначале они обитали в древних мелководных водоемах бо-лотистых девонских ландшафтов. Но они быстро приспособи-лись к наземному образу жизни и широко распространились по сухопутным местообитаниям. В своем эволюционном развитии они не избежали гигантизма: в каменноугольное время размах крыльев некоторых стрекоз достигал 70 см. Огромных размеров достигали и тараканы. Но такой гигантизм был лишь тупиковой ветвью. Выход из этого тупика был найден насекомыми на сле-дующем этапе развития биосферы, когда появились цветковые растения.

* * * Итак, на позднепалеозойском этапе главным событием в

развитии биосферы было формирование ландшафтной сферы, в которой с наибольшей силой проявилась биогеохимическая функция живого вещества. Именно это привело к окончатель-ному формированию той принципиальной схемы потоков энер-гии в биосфере, которая существует до настоящего времени. Все естественные тела глобальной размерности стали приобретать современный облик, в том числе и круговороты химических элементов. В наземных условиях открылись новые возможности для эволюционных преобразований живого вещества. И они бы-ли реализованы появлением в мире растений - голосемянных, а в животном царстве - среди беспозвоночных насекомых, а среди позвоночных - их наземных форм.


352

Современный этап развития биосферы

Современный этап развития биосферы начался с той пере-стройки, которую она испытала около 150 млн. лет тому назад, когда, по данным А.А. Баренбаума (2000), установились те кон-станты геохимических равновесий, что сохранились до настоя-щего времени. Этот последний этап по своей продолжительно-сти самый короткий: он охватывает всего около 4% времени существования биосферы.

Главная особенность рассматриваемого этапа состояла в том, что к его началу внутренняя структура биосферы оконча-тельно сложилась: все естественные тела глобальной размерно-сти уже сформировались и приобрели современные очертания, сложилась и система потоков энергии в биосфере, а также кру-говоротов химических элементов. В начале этапа под влиянием внешних причин скачкообразно изменились основные геохими-ческие константы (Баренбаум, 2000). Это, вероятно, вывело сис-тему биосферы из сложившегося ранее неустойчивого равнове-сия, чем создало условия для возникновения новообразований среди живых организмов. Поэтому для этого этапа основные со-бытия связаны с крупными эволюционными преобразованиями живого вещества, приуроченного к ландшафтной сфере. Строе-ние и состав атмосферы, океана и земной коры литосферы был весьма близок к современным параметрам.

К наиболее существенным преобразованиям в органическом мире относятся следующие.

Появление среди растительности покрытосеменных и дальнейшая их коэволюция с насекомыми. К тому моменту, когда в меловое время появились цветковые растения, насеко-мые уже прочно освоились в биосфере, распространившись по всему пространству ландшафтной оболочки. Именно эта их "всюдность" и помогла им сыграть решающую роль в возникно-вении и дальнейшем прогрессе доминирующих в настоящее время цветковых растений. Как считает академик А.Л. Тахтад-жан, травянистые формы покрытосеменных произошли от их


353

древесных форм. Он намечает следующую последовательность этого процесса развития:

Деревья → кустарники → полукустарники → → многолетние травы → однолетние травы

Современная цветковая растительность, насчитывающая

390 семейств, около 13 000 родов и не менее 240 000 видов, со-ставляет основную массу растительного вещества биосферы. А без насекомых она существовать не может. Иными словами, на-секомые являются самыми непосредственными участниками производства основной первичной продукции биосферы.

Хотя опыление цветковых растений и стало важнейшей функцией насекомых, этим далеко не исчерпывается их био-сферная роль. Не менее важно, что они еще и регуляторы чис-ленности беспозвоночных, а также важнейший источник белко-вой пищи для самых разных животных. И возможности этого источника еще далеко не исчерпаны. К примеру, тутовый шел-копряд за 40 дней увеличивает свою биомассу в 50 000 раз. На такое способны только бактерии. Насекомые выступают и как важнейшие санитары биосферы. Для человека они интересны как производители ценного технического сырья (лаки и краски, воск, шелк). Они поставляют пищевые продукты (мед), а также лекарственные препараты (пчелиный яд, прополис, пчелиное маточное молочко, пергу, и т. д.).

Ныне классу насекомых принадлежит более 70% видов жи-вотного царства. Насекомые активно включились в трансфор-мацию органического вещества в биосфере.

“Потребляя растительную пищу, они трансформируют ее в дефицит-ные животные белки и сами, в свою очередь, становятся трофической ос-новой существования многочисленных видов позвоночных и беспозво-ночных животных. Мир насекомых служит одним из основных каналов, по которому цепи питания рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитаю-щих обогащаются животным белком”. (Мирзоян, Мамаев, 1989, с.4).

Освоение позвоночными воздушной среды. Птицы среди сухопутных позвоночных животных появились около 150 млн. лет тому назад. Это событие было весьма значимым для эволю-


354

ции биосферы. Птицы, наряду с насекомыми, освоили для сво-его передвижения воздушную среду и стали играть важную роль в миграции химических элементов в биосфере. Они с геохими-ческой точки зрения являются антиподами рек, которые несут химические элементы в конечные водоемы стока, а птицы с мо-ря в глубь континентов.

Появление среди позвоночных животных млекопитаю-щих, которые постепенно заняли среди них доминирующее по-ложение. Среди млекопитающих весьма быстро пошел так на-зываемый процесс цефализации (процесс развития и усложнения центральной нервной системы и головного мозга). Этот процесс цефализации постепенно развивался одновремен-но с эволюцией позвоночных, первые представители которых появились, как известно, еще в ордовикском периоде. Но на со-временном этапе развития биосферы темпы цефализации среди млекопитающих резко усилились, что привело к возникновению новых форм живых организмов, получивших принципиально новые возможности влиять на ход биосферных процессов.

Вот как выстраивает эти события появления новых форм Н.Н. Моисеев (1999).

К первому такому событию относится быстрое и массовое исчезновение в конце мелового периода (75 – 70 млн. лет тому назад) динозавров. Причины их вымирания до сих пор неясны. Однако несомненно то, что динозавры сошли с арены жизни, и тем самым открыли дорогу млекопитающим. Они были совре-менниками динозавров, но на ″иерархической лестнице жизни″ занимали более низкую ступень.

Второе событие произошло в начале четвертичного пе-риода в одной из групп млекопитающих. Тогда благодаря рез-кому изменению климата появились предки человека.

“При наступившем похолодании предки человека, австралопитеки, были вытеснены из тропических лесов в саванну. Их вытеснили более приспособленные для жизни в лесу человекообразные обезьяны. Вместо того чтобы погибнуть в опасной саванне, предок человека встал на зад-ние лапы, освободил передние, научился использовать искусственные орудия и превратился из мирного вегетарианца в агрессивного хищника ... На заре палеолита на Земле существовало уже не просто умное живот-


355

ное – стал формироваться человек. Появился каменный топор, умение владеть огнем, навыки коллективной охоты” (Моисеев, 1999, с. 6).

Однако первое же техническое изобретение (каменный то-пор) показало, что у техники есть две стороны медали и ее при-менение губительно, если использование технического изобре-тения не будет сочетаться с тем, что впоследствии (в ХХ веке) получило название ″защиты от дураков″. Наши предки, получив в руки топор, не только стали сильнейшими из хищников и тем самым вышли из состава биоценоза, но стали пускать его в дело без всяких ограничений, в том числе и в боях за самку. В разви-тии наших предков возникала тупиковая ситуация: каменный топор давал большие преимущества и вместе с тем неразумное его употребление (без разбора) ставило наших предков на грань исчезновения.

Третье событие как раз и связано с успешным разрешени-ем возникшей тупиковой ситуации. Как предполагает австрий-ский антрополог Лоренц, выход из тупика был найден благодаря возникновению в стадах наших предков табу: ″Не убий!″ В этом предположении о зарождении морали проглядывает проявление принципа кооперации в процессе самоорганизации наших пред-ков. Наиболее жизнеспособными оказались те племена и общи-ны, которые, учитывая индивидуальные различия соплеменни-ков, сумели выделить и сохранить свою интеллектуальную элиту, усложнив на кооперативных началах структуру своего общественного устройства. Благодаря сохранению интеллекту-альной элиты, наши предки смогли усовершенствовать техноло-гию обработки камня и создать метательное оружие.

“Эти обстоятельства имели катастрофические последствия: человек за относительно короткое время сделался абсолютным гегемоном, моно-полистом в животном мире и полностью использовал возможности новой техники. ... В результате он быстро извел крупных копытных – основу своего рациона и поставил свой биологический вид на грань голодного вымирания. Количество населения, судя по сопоставлению неолитиче-ских и палеолитических стоянок, сократилось во много раз” (Моисеев, 1999, с. 9).

Перед нашими предками вновь возникла тупиковая ситуа-ция.


356

Четвертое событие связано с находками, которые помог-ли выйти из тупика. Человечество изобрело земледелие, т.е. научилось создавать искусственно разбалансированные агроце-нозы, с которых можно было снимать урожай для своего пропи-тания. Потом появилось скотоводство. Эти два новшества назы-вали неолитической революцией.

“В результате качественно изменился характер эволюции биосферы: возникла вторая природа, или техносфера, появились искусственные био-геохимические циклы, т.е. новый круговорот веществ в природе, ранее не существовавший ... рождение собственности и общества потребления, как неизбежного ее следствия, ... появились новые потребности, вернее, рас-ширялись старые ... и, может быть, самый главный результат того относи-тельно спокойного развития биосферы, который мы наблюдаем за по-следние 10 тыс. лет – постепенное утверждение Разума, как важнейшего элемента биосферы, важнейшего фактора ее развития (Моисеев, 1999, с. 8 – 9).

В этой неолитической революции огромную роль сыграл труд человека, который С.А. Подолинский (1991) очень точно и образно назвал своеобразным усилителем при преобразовании энергии. Благодаря этому человечество, как точно заметил В.И. Вернадский, постепенно стало превращаться в грозную геологическую силу планеты, которая подвела биосферу к гло-бальному экологическому кризису. Этот кризис обусловлен двумя обстоятельствами, имеющими фундаментальное значе-ние. “Первое было впервые обозначено еще Т. Мальтусом. Не очень существенно то, что англиканский пастор ошибся в своих расчетах, и что уменьшение производства пищи на душу насе-ления в планетарном масштабе началось только на грани 70-х и 80-х годов ХХ, а не XVIII столетия, как думал Т. Мальтус. Ап-петиты человека однажды превзойдут ресурсы беднеющей пла-неты. И не только в сфере производства пищи, но и любых дру-гих ресурсов, необходимых для жизнеобеспечения растущего человечества. Ко второму обстоятельству относится то, что ан-тропогенная нагрузка на биосферу непрерывно растет, причем с все возрастающей скоростью, что грозит потерей устойчивости того квазиравновесия (или ″устойчивого неравновесия″ по Э Бауеру). ... Индикаторами приближения к бифуркационному со-стоянию являются и неизбежное потепление климата, и утонче-


357

ние озонового слоя, и уменьшение биоразнообразия, и множест-во других фактов. Косвенным подтверждением предположения о возможной потере устойчивости служат и наши эксперименты по компьютерной имитации воздействия ядерной войны на со-стояние биосферы. После возмущений ядерными взрывами и пожарами биосфера примерно через год снова приходила в со-стояние равновесия, но качественно отличное от исходного. ... Одной мысли о том, что в борьбе за исчезающие ресурсы оску-девающей планеты будут участвовать не кроманьонцы с их ка-менным оружием, а государства, владеющие арсеналами ядер-ных боеприпасов, достаточно, чтобы почувствовать весь, мягко говоря, дискомфорт надвигающегося времени” (Моисеев, 1999, с. 9). Налицо новая тупиковая ситуация.

Поэтому выход из нее один-единственный – надо принять ″правила игры″ биосферы как более крупной и всеобъемлющей системы по сравнению с миром человека. Принять эти ″правила игры″ означает – на основе энерго- и ресурсосберегающих тех-нологий замкнуть технологические процессы в циклы и тем са-мым вписать технологические процессы в естественные круго-вороты вещества. Для осуществления этого на практике одних инженерных знаний мало: необходимы и существенные измене-ния в нравственной сфере. Аналогично тому, как в палеолите выход из тупиковой ситуации был найден благодаря введению табу ″Не убий!″, сейчас человечество, находясь перед угрозой глобальной экологической катастрофы, должно осознать воз-можность своего собственного исчезновения и ввести новое та-бу: ″Не убий биосферу!″

Этот процесс – осознание человечеством не только того не-преложного факта, что его деятельность стала грозной геологи-ческой силой, но и необходимости в связи с этим выработать новую линию своего поведения. По существу это новый этап развития биосферы, который В.И. Вернадский назвал в 40-х го-дах ΧΧ столетия ноосферой.

“Ноосфера – последнее из многих состояний эволюции биосферы в геологической истории – состояние наших дней. Ход этого процесса только начинает нам выясняться из изучения ее геологического прошлого в некоторых аспектах. ... Ноосфера есть новое геологическое явление на


358

нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологи-ческой силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область нашей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше. Перед ним открываются все более и более творче-ские возможности. ...Здесь перед нами встала новая загадка. Мысль не есть форма энергии. Как же может она изменять материальные процессы? Вопрос этот до сих пор научно не разрешен. (Вернадский, 1987, с. 304 – 304).

К концу этапа человечество превратилось в грозную геоло-гическую силу, что дало основание В.И. Вернадскому говорить о наступлении нового этапа в развитии биосферы – ноосферы. Но это был не просто еще один, очередной, этап развития био-сферы, а переход в качественно новое состояние. К новым па-раметрам развития, в которых мысль человека и его нравствен-ные качества приобретают решающее значение. Переход биосферы в ноосферу рассмотрен в следующем, заключитель-ном разделе.

Таким образом, на рассматриваемом этапе развития био-сферы главные события были связаны преобразованиями с теми представителями живых организмов, которые успешно на пред-шествующем этапе освоили новую для себя среду обитания – сушу, создав на ней ландшафтную сферу. К этим главным но-вообразованиям среди живого вещества относятся появление покрытосеменных растений и их дальнейшая совместная эво-люция, что позволило им занять доминирующее положение. Это и появление птиц, которые наряду с насекомыми, освоили воз-душную среду, не порывая связей с ландшафтной сферой. Но главное событие произошло среди млекопитающих. Ряд их эво-люционных преобразований привел к появлению человека, ко-торый постепенно стал грозной геологической силой и тем са-мым предопределил постепенный переход биосферы в ноосферу.

* * * Итак, в этом разделе курса мы постарались ответить на во-

просы, когда и как появилась биосфера, в какой последователь-ности формировались ее естественные тела глобальной размер-


359

ности, какие устанавливались между ними связи в виде потоков энергии и вещества.

Предпосылки для формирования биосферы сложились на добиосферном этапе развития нашей планеты под влиянием ее характерных особенностей. К ним в первую очередь относятся:

- размеры Земли, определившие силу ее гравитационного поля,

- положение Земли по отношению к Солнцу, благодаря чему поступление солнечной лучистой энергии установилось на уров-не, оптимальном для существования живого вещества,

- своеобразие вещественного состава тела нашей планеты, дифференциация которого привела к слоистой его структуре и возникновению магнитного поля, образовавшего первые защит-ные уровни.

Отмеченные особенности привели к возникновению атмо-сферы, гидросферы и земной коры, которые были связаны внешним круговоротом воды в единую открытую полуизолиро-ванную систему, в водную среду которой из недр Земли шел по-стоянный поток геохимической энергии в виде свободного ки-слорода.

Этот добиосферный абиогенный этап развития нашей пла-неты охватил всего 15 – 25% длительности ее развития. Дальше началась история развития биосферы, в которой мы выделели пять этапов.

Первый был наиболее продолжительным. Он охватил по-рядка 70 – 75% длительности всей истории биосферы. Именно во время этого этапа и появилось на нашей планете живое веще-ство. Оно возникло в результате химической эволюции, во вре-мя которой шла самоорганизация биогенных первоэлементов (H, C, O, N, H, S) в органические соединения по принципу коо-перации. Эта самоорганизация проявилась либо спонтанно, либо в качестве спускового механизма сработали те микрофоссилии, которые могли быть занесенными на нашу планету метеорита-ми, в которых они пребывали в состоянии анабиоза. Так или иначе, в результате химической эволюции появились одновре-менно с первыми живыми организмами и их примитивные со-общества, образованные цианобактериями и органотрофами.


360

Побочным продуктом жизнедеятельности бактериальных сооб-ществ был кислород. Так появился еще один источник свобод-ного кислорода – биогенный. Именно благодаря их биогеохи-мической функции начались серьезные химические преобразования всех естественных тел биосферы. В целом в биосфере восстановительная среда, унаследованная с добио-сферного этапа, постепенно сменялась окислительной. В атмо-сфере увеличивалось содержание азота и кислорода, исчезал ме-тан и сокращалось содержание СО2. Произошли кардинальные изменения состава океанических вод. Они из хлоридных стали сперва хлоридно-карбонатными, а затем и хлоридно-карбонатно-сульфатными. Началось мощное биогенное образо-вание карбонатов, а также отложение железистых кварцитов. Сформировались крупные блоки гранитного слоя земной коры в виде древних платформ, которые образовали ядра будущих кон-тинентов. В появлении и разрастании этих древних платформ ряд исследователей видит результат жизнедеятельности живых организмов. Так бактериальные сообщества впервые в истории Земли начали играть роль преобразователя, создавая не только новую биогеохимическую среду, но и целые континенты. Своей жизнедеятельностью живые организмы способствовали консер-вации и накоплению энергии в толщах осадочных пород, окайм-лявших древнейшие участки суши. Продолжался рост водной массы океана, усложнялся рельеф земной поверхности. На этом этапе мы впервые фиксируем существенные изменения климата, которые выразились в трех волнах резкого похолодания, которые сопровождались покровным оледенением.

На следующем неопротерозойском этапе продолжалось дальнейшее разрастание древних платформ, на которых форми-ровались мелководные морские бассейны. В этих мелководных морях получили широкое распространение эукариоты, как од-ноклеточные, так и примитивные многоклеточные. И именно их широкое развитие стало главным событием этого этапа. Появ-ление фотосинтеза у водорослей резко усилило кислородную биогеохимическую функцию живого вещества и создало второй, фитосинтетический (в дополнение к эндогенному) этап поступ-ления свободного кислорода. Это, в свою очередь, способство-


361

вало более быстрому геохимическому и биогеохимическому преобразованию водных и воздушных масс биосферы, которые по своему составу стали приближаться к современным.

На раннепалеозойском, сравнительно коротком этапе, бла-годаря тому, что живое вещество освоило кальциевую функцию и началось интенсивное биогенное карбонатообразование, шло дальнейшее биогеохимическое преобразование водных и, глав-ным образом, воздушных масс (содержание кислорода неуклон-но увеличивалось, а углекислого газа снижалось). Это, в конце концов, привело к образованию последнего защитного уровня биосферы – озонового экрана, благодаря чему были созданы ус-ловия для выхода морских организмов на сушу.

Это произошло на позднепалеозойском этапе, когда вы-шедшие живые организмы на сушу сформировали ландшафт-ную сферу, в которой с наибольшей силой проявилась биогео-химическая функция живого вещества. Именно это привело к окончательному формированию той принципиальной схемы по-токов энергии и круговоротов вещества в биосфере, которые существуют до настоящего времени. Все естественные тела гло-бальной размерности стали приобретать современный облик, хотя константы круговоротов химических элементов отличались от современных. Наземные условия обитания открыли новые возможности для эволюционных преобразований живого веще-ства. И они были реализованы появлением в мире растений го-лосемянных, а в животном царстве среди беспозвоночных - класса насекомых, а среди позвоночных - их наземных форм.

На современном этапе развития биосферы главные события были связаны преобразованиями тех представителей живых ор-ганизмов, которые на суше создали для себя новую среду оби-тания – ландшафтную сферу. К главным новообразованиям сре-ди живого вещества относятся появление покрытосеменных растений и их дальнейшая совместная эволюция с насекомыми, что позволило им занять доминирующее положение как в расти-тельном, так и в животном царстве. Но все же главное событие произошло среди млекопитающих. Ряд их эволюционных пре-образований привел к появлению человека, который постепенно стал грозной геологической силой. Труд направляемый его ра-


362

зумом, создал принципиально новые каналы воздействия на биосферу. К ним относятся появление техногенных потоков те-пла и CO2, а также изъятие О2 из атмосферы, синтез новых хи-мических соединений, ранее не встречавшихся в биосфере, с ко-торыми природа не знает, как обращаться. Нарушение равновесия между появлением новых видов и исчезновением существующих ведет к искусственному сокращению биоразно-образия. Все это создает условия для нарушения сложившегося неустойчивого равновесия в биосфере. Разум человека не только направляет его труд, но и привел к появлению научной мысли, которая позволила не только понять строение и принципы функ-ционирования биосферы и оценить новую роль человека в ней, но и наметить выход из сложившейся ситуации. Все это, вместе взятое, и предопределило постепенный переход биосферы в ноосферу.


363

Семинар 11.1. Добиосферный этап развития Земли


1. Понятие точки бифуркации, параметры системы, в кото-рой это явление может произойти.

2. Основные вопросы и трудности в интерпретации фактов при построении геохронологических шкал.

3. Три основные гипотезы происхождения океанов и распо-ложения континентов.

4. Добиосферный этап развития Земли. Гипотезы формиро-вания планеты Земля, ее гидросферы, атмосферы и литосферы.


364

Семинар 11.2. Современные взгляды на возникновение биосферы

и ее древнейший этап развития


1. Происхождение жизни. Условия первичной биосферы: факты, гипотезы.

- Абиогенез - Биогенез - Панспермия 2. Развитие биосферы с момента появления живого вещест-

ва и до первой глобальной перестройки. Параметры тел гло-бальной размерности, роль живого вещества

- Океан - Атмосфера - Литосфера

Вопросы для самопроверки

1. Покажите, что живое вещество на планете должно было появиться в виде микроорганизмов, образующих биоценозы.

2. Почему круговорот воды, по сути, задал внешние грани-цы развития биосферы как системы?

3. Какие условия были необходимы для формирования гра-нитного слоя литосферы?

Индивидуальное задание

1. Построить круговую диаграмму и обозначить на ней два изученных периода в виде секторов. Считать время по макси-мальным значениям.

2. Построить гипсографическую кривую тех же периодов, оставить место для последующих. Указать состав океанической


365

воды, воздуха, литосферы, глубину океана, относительное уча-стие лито- и гидро-сферы в образовании поверхности планеты.

Доклады в группах, готовят 3-5 человек

Сергеев В.Н., Нолл Э.Х., Заварзина Г.А. Первые три милли-арда лет жизни от прокариот к эвкариотам // Природа. 1996. 6.

Задача - выбрать сведения, которые касались бы состояния биосферы и живого вещества для выделенных периодов в исто-рии биосферы.

Семинар 11.3. Неопротерозойский этап развития биосферы.

Ранеепалеозойский этап развития биосферы. Позднепалеозойский этап развития биосферы.

Современный этап развития биосферы


1. Какие события являются основанием для выделения не-опротерозойского этапа в развитии биосферы?

2. Чем характеризовался раннепалеозойский этап в развитии биосферы? Какие изменения в биогеохимических круговоротах произошли с появлением кальциевой функции у живых орга-низмов?

3. Позднепалеозойский этап развития биосферы. Причины и следствия образования ландшафтной сферы. Основные феноме-ны, связанные с появлением этого тела глобальной размерности.

4. Что является основанием для выделения современного этапа развития биосферы? Основные события этого периода.


366

Вопросы для самопроверки

1. В чем состоит биогеохимическая функция живого веще-ства и как происходит специализация в выполнении этой функ-ции по группам организмов? В какой последовательности, по Вашему мнению, появлялись эти биогеохимические функции? Чем обосновывается намеченная Вами последовательность формирования биогеохимических функций?

2. Расскажите об основных процессах преобразования есте-ственных тел биосферы, в которых участвуют прямо или кос-венно живые организмы?

3. Выделите главные моменты, связанные, по Вашему мне-нию, с каждой глобальной перестройкой в развитии биосферы. Используйте временную диаграмму периодов и гипсографиче-ские кривые.

4. Как Вы себе представляете процесс цефализации? Какие основные моменты Вы выделили бы в этом процессе?

Индивидуальное задание

1. Достроить круговую диаграмму и обозначить на ней все периоды в виде секторов. Считать время по максимальным зна-чениям.

2. Построить гипсографическую кривую всех периодов. Указать состав океанической воды, воздуха, литосферы, глуби-ну океана, относительное участие лито- и гидро- сферы в обра-зовании поверхности планеты.

Доклады в группах, готовят 3-5 человек

Федонкин М.А. Холодная заря животной жизни // Природа. 2000. № 9. С. 3-12.

Задача - выбрать сведения, которые касались бы состояния биосферы и живого вещества для выделенных периодов в исто-рии биосферы.



В.И. Вернадский, 1960 в, А.П. Виноградов, 1967, Э.И. Кол-чинский, 1990; В.В. Меннер,1962; С.И. Жмур и др., 1997; М.М. Камшилов, 1979; Н.П. Васильковский, 1973; Н.Н. Верзилин, Н.М. Верзилин, 1976; Л.Ш. Давиташвили, 1948.

367


12. Переход биосферы в ноосферу


“Возникновение ноосферы ... означает лишь, что в биосфере

решающим фактором ее сохранения, преобразования и развития становится человечество”

И.И. Мочалов

тим разделом заканчивается наш курс “Учение о био-сфере”. Он будет посвящен представлениям В.И. Вернадского о ноосфере, о том новом этапе в

развитии биосферы, который наступил в новейшее время. Эта тема неразрывно связана с тем, как на рубеже ХХ и ХХI веков воспринимается учение о биосфере и представление о ноосфере, созданное гением В.И. Вернадского.

ЭДело в том, что если его учение о биосфере мировое науч-

ное сообщество разделяет почти безоговорочно, то в отношении ноосферы нет такого единства, особенно в нашей стране. Мы и постараемся показать, в чем кроются причины неприятия поня-тия ноосфера рядом ученых.

Представления В.И. Вернадского о ноосфере

За несколько месяцев до своей смерти, в начале 1944 г., В.И. Вернадский опубликовал небольшую статью “Несколько слов о ноосфере”. В ней он выразил непоколебимую уверен- 368


369

ность в том, что начинается новый этап в развитии биосферы. Биосфера, независимо от нашей воли, переходит в свое качест-венно новое состояние – ноосферу. Буквальный перевод этого термина с греческого языка означает – сфера разума.

Статья небольшая, но эти 9 страниц текста несут интеллек-туальный заряд небывалой силы. Их нельзя спокойно читать. Каждый раз, когда возвращаешься к этой статье, то невольно ощущаешь тот огромный эмоциональный накал, который пере-дает читателям автор статьи. Конечно, надо учитывать, что она писалась во время крупных и долгожданных побед нашей армии над фашистскими захватчиками. Но для В.И. Вернадского это были не просто победы армии его страны. Это было, с точки зрения великого натуралиста ХХ века, неоспоримое подтвер-ждение тому, что “нельзя безнаказанно идти против принципа единства всех людей как закона природы”. Никто не может без-наказанно нарушать Законы Природы. Для Владимира Ивано-вича это было еще одно зримое подтверждение того, что био-сфера постепенно переходит в ноосферу. В этой своей работе он дал только несколько общих пояснений того, что он понимает под этим термином.

“Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей пла-нете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологиче-ской силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше. Перед ним открываются все более и более широкие творческие возможности. И, может быть, поколение моей внучки уже приблизится к их расцвету. Здесь перед нами встала новая загадка. Мысль не есть форма энергии. Как же может она изменять материальные процессы? Вопрос этот до сих пор научно не разрешен. ... Лик планеты – биосфера – химически резко меняется человеком сознательно и главным образом бессознательно” (Вернадский, 1980, с.218 – 219).

Главная мысль статьи: труд человека, направляемый его Ра-зумом, должен идти в унисон Законам Природы, а не наперекор им!


370

В.И. Вернадский не успел дать развернутого объяснения ноосферному процессу, пояснить, как он понимает все его составляющие. На склоне лет он успел только обозначить нам это принципиально новое явление в развитии биосферы. Он показал, что процесс цефализации, открытый американским палеонтологом Дана, неминуемо ведет к появлению человеческого Разума.

“Несмотря на кажущуюся неопределенность в направлении морфо-логической эволюции биологических видов, фактически имеется одна линия эволюции, которая и является ведущей. Это последовательное воз-никновение форм с все более сложной и совершенной нервной системой, или “цефализация” животных, как говорил Вернадский вслед за Дана. Таким образом, общая эволюция организмов неизбежно приводит к воз-никновению новой геологической силы – разумного человека, который сознательно преобразует биосферу Земли в “сферу разума” – ноосферу” (Флоренский , 2000, с. 69)

Но к ноосфере в течение многих десятилетий В.И. Вернадский неоднократно возвращался в своих размышле-ниях, и мысли о ней рассыпаны по всем его произведениям. Анализируя с этих позиций его труды, можно получить доста-точно полное представление о том, что же он думал о ноосфер-ном процессе. К этому вопросу мы вернемся, а сейчас остано-вимся на том, как на рубеже веков воспринимается научным миром его учение о биосфере. И начнем этот рассказ с особен-ностей распространения его научных трудов.

Об особенностях восприятия научным сообществом учения о биосфере

Свои первые лекции о биосфере В.И. Вернадский читал в 20-е годы ХХ столетия в Париже и Берлине. В те же годы во Франции и Германии была опубликована на французском и не-мецком языках его книга “Биосфера”. Инициатором публикаций на английском языке основных идей о биосфере В.И. Вернадского был великий англо-американский эколог Дж.


371

Ивлин Хатчинсон. Он работал в Йельском университете США одновременно с сыном В.И. Вернадского, Георгием Владимиро-вичем, который по его просьбе перевел на английский язык две статьи своего отца. Так англоязычные страны познакомились со взглядами В.И. Вернадского. Но до самого последнего времени ученый мир этих стран, по сути дела, мало знал о результатах той гигантской работы, которую провел В.И. Вернадский.

Но и в СССР по идеологическим соображениям замалчива-лись работы В.И. Вернадского, а если они и издавались, то с большими купюрами (пропусками). В 1988 г. один из авторов этого курса лекций, Б.В. Поярков, был в кабинете-музее В.И. Вернадского, что помещается в Институте геохимии и ана-литической химии, им основанным. Там его поразила маленькая стопка прижизненно изданных произведений великого ученого, которая несоизмеримо мала по сравнению с оставленным им ар-хивом неизданных научных трудов. Только в конце перестрой-ки, в 80-е годы ХХ столетия, через пятьдесят с лишним лет по-сле смерти великого ученого, началось издание его трудов, которое продолжается до сих пор.

Для того чтобы понять, как шло распространение трудов Вернадского за рубежом, процитируем две выдержки из работ зарубежных авторов. Первая взята из предисловия к английско-му изданию его книги “Биосфера”, которая вышла в 1998 г. на английском языке в Нью-Йорке. Это предисловие написали ве-дущие ученые Англии, США, Испании, Италии, Мексики, Ка-нады, Австралии, Голландии, Японии.

“Железный занавес, разделявший послевоенную Европу, и холодная война сильно ограничили возможности научного обмена между западом и Россией. Это обстоятельство многие десятилетия служило препятстви-ем для возможности ознакомиться с трудами Вернадского научному со-обществу, читающему по-английски. Его неизвестность на Западе, – без-условно, один из самых ярких примеров того времени, который приносят политические барьеры на пути распространения научных знаний. Подоб-но тому, как Периодическая система элементов редко ассоциируется в США с именем ее творца Дмитрия Менделеева, так и идеи Вернадского зачастую получают распространение здесь без имени их создателя. ... В западной науке в послевоенный период идеи Вернадского проявились главным образом в той междисциплинарной форме научной деятельно-


372

сти, которую называют биогеохимией, геомикробиологией, изучением экосистем, экологией и изучением химических циклов в окружающей среде. Осуществляемое и поныне исследование потоков углерода, серы и азота в гидросфере, литосфере, атмосфере и в биоте основано на подхо-дах, предложенных Вернадским” (Маргулис и др., 2000, с. 757, 758)..

Вторая выдержка не менее показательна. “В июле 1988 г. в Публичной библиотеке Браттоеборо мы наткну-

лись на статью о Владимире Вернадском (1963 – 1945), русском геологе и геохимике. Одна только фраза Вернадского оглушила нас, – это было, как гром среди ясного неба: “Всегда найдутся ученые, которые отчетливо ощущают и воспринимают живую природу нашей планеты, преиспол-ненную постоянным биением жизни. Для них понимание единства при-роды является путеводной нитью научных исследований”. Вернадский подчеркнул именно тот аспект наук о Земле, который мы напряженно ис-кали. Спустя несколько месяцев мы поделились впечатлениями об этом с Линн Маргулис, которая незадолго до этого перешла в Массачусетский университет в Амхерсте. Она глубоко осознала важность работ Вернад-ского и стала использовать его выводы в лекциях и публикациях” (Мак-Менамин и др., 2000, с. 681).

Пожалуй, этих двух свидетельств достаточно, чтобы пока-зать, как в научном мире в конце ХХ века произошло переот-крытие всего того, что было сделано В.И. Вернадским. В на-стоящее время его взгляды быстро распространяются по всему миру. Но надо сказать, что с признанием его системы взглядов дело обстоит не так просто, что связано с той особенностью его трудов, которая стала осознаваться лишь в самое последнее время. Это особенности очень выпукло показал Г.А. Заварзин (2000).

“В науке периодически происходят революционные изменения. Если говорить о естествознании, то в 1856 г. революцию вызвала книга Дарви-на “Происхождение видов”, а в 1955 г. двойная спираль Уотсона и Крика. Каждый раз такие поворотные события и определяли умонастроение об-щества на многие десятилетия и привлекали сотни и тысячи последовате-лей. Но постепенно идея исчерпывается и на смену ей приходит новая, включающая старую как свою составную часть. Сейчас в естествознании тоже происходит революция, но незаметная для непосвященных, потому что она связана не с внезапным открытием, а с серией работ на перифе-рии внимания научного сообщества.


373

н, с. 600 –601, 603).

Молекулярная биологии неожиданно для себя осознала, что она уже не находится в центре интересов естествознания: в Европейском союзе число сторонников биотехнологий упало с 59% в 1991 г. до 45% в 1993 г., несмотря на хорошо организованную компанию в ее защиту. Более того, в 1992 г. в Рио-де-Жанейро правительства многих стран приняли конвен-цию, не только ориентированную на совершенно иные ценности, но и иногда прямо ограничивающую некоторые аспекты молекулярной биоло-гии, в частности введение генетически модифицированных организмов в природу. Действия политиков, реагирующих на общественное мнение и формирующих геополитические установки, опередили действия профес-сиональных организаторов науки, оказавшихся слишком инерционными” (с.599).

Г.А. Заварзин показал, что и эволюционная теория, и гене-тика, и молекулярная биология развивались по пути, который называется в науке редукционистским. Этим термином называ-ют методологические приемы сведения каких-либо объектов к более простым, исходным началам. Образно говоря, это путь по “вертикали вниз”, в глубь познания живых организмов. А в по-следние десятилетия ХХ века научные интересы сместились в сторону анализа более крупных систем. “Потребовались люди с иным типом мышления – генералисты. Объединение происхо-дило в течение двух последних десятилетий вокруг комплекса идей, которые обычно связывают с именем В.И. Вернадского, – я бы назвал русской парадигмой. ... Она появилась в ответ на универсальное использование теории Дарвина для объяснения всего происходящего в мире с помощью рыночной логики “вы-живания наиболее приспособленных”, причем критерием приспособления служит выживание. ... В 60-х годах ХХ столетия в ответ на идеи Римского клуба, по сути возродившие мальтузианские “пределы роста”, поиск пошел в направлении не истории происхождения (“по вертикали”), а выяснения системы взаимодействия (“по горизонтали”). ... Появился загадочный термин “устойчивое развитие” (Sustainable Development), характеризующий эволюцию именно системы, а не индивидуума” (Заварзи

Еще более четко определил особенности взглядов В.И. Вернадского доктор биологических наук К.М. Хайлов (2000). Он писал: “Под “биологической парадигмой” будем по-


374

в, 2000, с. 70

нимать комплекс базовых идей и логический аппарат классиче-ской биологии, расширенный синтетической теорией эволюции; под “биогеохимической парадигмой” будем понимать комплекс идей и логику умозаключений В.И. Вернадского с некоторыми расширениями, которые касаются жизни биосферы и человече-ства в ней” (с.706). В “биологической парадигме”, как пишет далее К.М. Хайлов, характерно следующее. “Поскольку нахо-дящееся вне “живого тела” косное вещество не может быть по определению включено в “живое”, вводится играющая важную роль в биологии концепция “окружающая среда” и добавляется формальное утверждение о “единстве организма и среды”. Од-нако живое и косное вещества с точки зрения биологи не равно важны, живое несравненно важнее. Поэтому декларируемое “единство” в практике биологических исследований обычно не соблюдается: биологи подробнейшим образом изучают орга-низмы и их виды; косные вещества, как находящиеся в составе живых тел, так и вне них, специально не изучают, передают наукам о Земле. Живое биоорганическое и косное, в основном неорганическое, вещества в биогеохимии считают равно важ-ными, так как без обоих жизнь невозможна. ...Биогеохимия изучает не жизнь (организмы, био без гео), а жизнь на Земле (био вместе с гео); этому соответствуют ее объекты - биокосные системы). ...Биогеохимический подход чрезвычайно расширяет горизонт исследований земной жизни и живой природы, приводит его в соответствие с уровнем естествознания ХХ в., дает целый ряд ориентиров в решении главной задачи современного человечества – доказательно сформулировать условия, при которых выживание человечества на фоне сильнейшего антропогенного кризиса возможно” (Хайло

6 – 708). Русская, биогеохимическая парадигма, начало которой по-ложил В.И. Вернадский, сразу определила живому веществу ве-дущую роль в поддержании равновесия в той глобальной от-крытой неравновесной нелинейной системе, которая получила название биосферы. Этот новый статус живого вещества, регу-лятора глобального равновесия в биосфере, который выявил В.И. Вернадский, был определен им за многие десятилетий до того, как развилось то новое междисциплинарное направление в


375

науке, которое сейчас называется синергетикой. Он сумел за-глянуть на семь десятилетий вперед! Вот что значит переход от “традиционной вертикали”, которой придерживалась и придер-живается классическая биология, к “горизонтали”. Этот переход не всегда могли понять и, главное, принять некоторые биологи, о чем свидетельствуют критические заметки на полях “биосфе-ры” А.М. Гилярова (2000).

Может возникнуть вопрос: а что “лучше” или “правильнее”. Ответ однозначен: обе парадигмы хороши, каждая для своей сферы и своего времени. Надо просто знать и понимать разли-чия между ними и реально оценивать возможности каждой (что каждая из них может дать, а чего не может). Это два разных ин-струмента познания, точно также как в повседневной жизни мо-лоток и отвертка. Один служит для забивания гвоздей, а другой для завертывания винтов. Правда, в науке есть одно принципи-альное отличие: новая система взглядов, включает ранее соз-данную как частный случай, (молоток с отверткой на конце).


376

Современное восприятие представлений В.И. Вернадского о ноосфере

Теперь более подробно рассмотрим современное воспри-ятие идей В.И. Вернадского о ноосфере. В начале рассмотрим взгляды тех, кто разделяет его представления и способствует их дальнейшему углублению и развитию, а за тем приведем основ-ные возражения против.

Взгляды тех, кто "pro"

В первую очередь обратимся к работе Ф.Т. Яншиной (2000), которая на основании анализа его трудов и неопубликованных материалов его научного архива свела воедино те конкретные условия, которые необходимы, с точки зрения В.И. Вернадского, для становления ноосферы.

1. Заселение человеком всей планеты. Это условие вы-полнено: на земле не осталось места, где не побывал бы человек и на котором не сказалось бы воздействие его деятельности.

2. Резкое преобразование средств связи и обмена инфор-мацией между разными странами. Это тоже условие выпол-нено, благодаря развитию телекоммуникаций, интернета, со-временных транспортных средств. В наше время далекое стало близким.

3. Усиление связей, в том числе и политических, между всеми государствами Земли. Это условие начинает успешно реализовываться. Достаточно напомнить о таких всемирных ор-ганизациях, как ООН, Всемирная торговая организация, о том, что регулярно проводятся совещания глав государств и прави-тельств, всевозможные конференции, в том числе конференция ООН в Рио-де-Жанейро в 1992 г. Все это способствует сближе-нию взглядов народов разных стран на пути дальнейшего разви-тия человечества. Началась работа по выработке единой страте-гией развития в ХХI веке.


377

4. Преобладание геологической роли человека над дру-гими геологическими процессами, протекающими в биосфе-ре. Это условие выполнено. Достаточно упомянуть современ-ные глобальные экологические проблемы, которые собственно и появились из-за неосознанного мощнейшего воздействия хозяй-ственной деятельности человека. В озоновом слое появились “дыры”, поверхностные воды суши и океана изменили свой со-став под воздействием загрязнения, через “парниковый эффект” человечество стало влиять на климат, а через него и на уровень Мирового океана.

5. Расширение границ биосферы и выход в Космос. Это условие успешно выполняется.

6. Открытие новых источников энергии. В ХХ веке чело-вечество освоило атомную энергию и вплотную подошло к ос-воению термоядерной энергии.

7. Равенство всех рас и религий. Пока это условие не вы-полнено, но сделаны важные шаги в этом направлении. Доста-точно напомнить о декларации ООН о правах человека.

8. Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней, внутренней политики и экополитики (политики по отношению к окружающей среде). Это условие начинает выполняться по мере развития стран с демократическим госу-дарственным устройством. В таких странах политики начинают все больше и больше прислушиваться к общественному мне-нию. В качестве примера укажем, как в 1992 г. в Рио-де-Жанейро правительства многих стран приняли конвенцию, о за-прете введения генетически модифицированных организмов в природу.

9. Свобода научной мысли и научных исканий от давле-ния религиозных, философских и политических построений и создание в общественном и государственном строе усло-вий, благоприятных для свободной научной мысли. На это условие В.И. Вернадский обращал особое внимание. Он подчер-кивал, что в отличие от других сфер духовной жизни человека (культуры, искусства, религии), которые определяют самобыт-ность народов, их своеобразие, наука, научная мысль – едины для всего человечества, на всем земном шаре. И она должна


378

свободно развиваться. Только в этом случае она будет способст-вовать нахождению и реализации тех условий, которые помогут сохранить в нашей биосфере хрупкое равновесие и дать челове-честву шанс выжить.

10. Подъем благосостояния трудящихся, создание реаль-ной возможности не допустить недоедания, голода, нищеты и ослабить влияние болезней. Улучшение условий жизни в мире идет очень неравномерно. Пожалуй, это одно из самых сложных для выполнения условий, поскольку зависит от целого ряда факторов, и в первую очередь от демографического. С про-блемой численности человечества все обстоит значительно сложнее, чем предполагал Мальтус. Сейчас предложены нели-нейные математические модели, описывающие развитие демо-графической ситуации (Садовничий и др., 2000). Согласно этой модели выделяется три существенно различные эпохи развития человечества.

Первая эпоха, получившая буквенное обозначение А, нача-лась около 4,4 млн. лет тому назад и длилась около 2,8 млн. лет. Для нее характерен линейный рост населения (в логарифмиче-ском масштабе). Закончилась эта эпоха на уровне нижнего плей-стоцена (по геологическому времени) или в палеолите (по историческому времени).

Вторая эпоха (В) продолжалась около 1,6 млн. лет и закан-чивается за 42 года до критической даты 2007 г, т.е. в 1965 г., когда численность населения была близка к 3,5 млрд. чел. Ско-рость роста численности населения в эпоху В была пропорцио-нальна квадрату этой численности, т.е. выражается гиперболи-ческой кривой.

Переход к следующей эпохе (С), когда должна произойти стабилизация численности человечества, занимает 84 года и должен закончиться в 2049 г., когда численность населения дос-тигнет 14 млрд. чел. Повлиять на развитие нелинейных процес-сов в глобальной демографической системе в реальности весьма проблематично даже при наличии политической воли. Эти про-цессы определяются в значительной степени поведением чело-вечества как развивающейся динамической системы. Иными


379

словами, возможности изменить исторический ход событий весьма ограничены (Садовничий и др., 2000).

Мы с Вами живем в переходный период от эпохи В к эпохе С. Поэтому мы и наблюдаем крайне неравномерный по регио-нам, рост как численности населения, так и благосостояния. Развитые страны З. Европы, США и Канада стабилизировали рост численности населения и достигли высокого уровня его благосостояния. Но наряду с этими странами есть и такие, кото-рые по этим параметрам сильно от них отличаются.

11. Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворять все материаль-ные, эстетические и духовные потребности численно возрас-тающего населения. Формулировка, данная Ф.Т. Яншиной, за-ставила задуматься, и мы пришли к выводу, что она требует уточнения. Во-первых, что такое разумное? Не даны критерии, что считать разумным, а что неразумным. Во-вторых, в этой формулировке фигурирует слово потребности. Это слово у на-шего поколения вызывает настороженность, так как напрямую связано с так называемым основным законом коммунизма: все более полное удовлетворение все возрастающих материальных потребностей человека. Встает вопрос, до каких пределов бу-дут возрастать потребности человека и хватит ли ресурсов био-сферы удовлетворять эти все возрастающие и ничем не ограни-ченные материальные потребности? С нашей точки зрения, следующая формулировка 11-го условия точнее отражает взгля-ды В.И. Вернадского. Преобразование биосферы с целью по-вышения качества жизни человечества. Качество жизни в на-стоящее время определяется такими показателями:

- продолжительность жизни (ожидаемое при рождении и фактическое);

- состояние здоровья человека; - уровень знаний и образовательных навыков, иными сло-

вами, степень развития духовной сферы человека: - доход (измеряемый долей валового внутреннего продукта,

приходящегося на душу населения): - уровень занятости: - степень реализации прав человека.


380

Как видим, на первое место выходит здоровье человека, развитие его духовной сферы, а материальные потребности сто-ят ниже, там, где им и полагается стоять. Они не цель жизни человека, а только вспомогательное средство поддержания его жизни и обеспечения условий развития его личности, самореа-лизации его способностей и талантов. Недаром психологи счи-тают, что потребность в самореализации есть одна из основных, главных потребностей человека.

Теперь несколько слов о преобразовании биосферы. В исто-рии человечества прослеживается две стратегии его взаимодей-ствия с Природой: либо человек переделывает природу под соз-даваемую им технику, либо человек конструирует технику под природу, вписывает свою деятельность в ход биосферных про-цессов. В первом случае происходят нарушения хода биосфер-ных процессов с нежелательными последствиями для человека. Их мы, как правило, называем экологическими проблемами. Во втором случае – таких сбоев не происходит, а может увеличить-ся КПД использования солнечной энергии. Вот где таится ис-точник получения всех материальных благ, помогающих повы-сить качество жизни без нарушения законов функционирования биосферы. Именно это и имел в виду В.И. Вернадский. Весь смысл его учения о биосфере как раз и состоит в том, чтобы по-знать законы ее функционирования, с тем, чтобы не нарушать их, а вписать нашу деятельность в ход биосферных процессов, повышая КПД использования энергии. Как очень образно и точ-но назвал деятельность человека один из великих предшествен-ников В.И. Вернадского, С.А. Подолинский, – усилитель мощ-ности, благодаря которому мы и повышаем КПД использования энергии из любых источников. В.И. Вернадский знал работу С.А. Подолинского и очень ее ценил.

Теперь посмотрим, как выполняется это условие. Но пред-варительно договоримся называть антиноосферными тенден-циями реализацию первой стратегии взаимодействия Человека и Природы, при которой природу переделывают под создаваемую технику. Ноосферными тенденциями назовем реализацию вто-рой стратегии – вписывание техники в ход биосферных процес-сов.


381

В настоящее время в мире и в нашей стране прослеживают-ся как ноосферные, так и антиноосферные тенденции, и надо стремиться к тому, чтобы последних становится все меньше и меньше. Приведем несколько примеров этой смены тенденций.

1. Использование в сельском хозяйстве так называемых ин-тенсивных технологий, связанных с применением тяжелой сель-скохозяйственной техники, больших количеств искусственных удобрений и химических средств защиты растений. Все это вело к увеличению потребления искусственно получаемой энергии, к развитию эрозии почв, загрязнению поверхностных вод удобре-ниями и гербицидами, смываемыми с полей. Широчайшее рас-пространение во всем мире интенсивных технологий в середине ХХ века было явно антиноосферной тенденцией. К концу ХХ века эти интенсивные технологии в сельском хозяйстве стали вытесняться так называемыми адаптивными технологиями, смысл которых состоял в следующем. Тщательный подбор воз-делываемых культур к своеобразию мест их выращивания, ис-пользование всех потенциальных возможностей биосферных процессов для повышения урожайности, использование легких сельскохозяйственных машин, снижение до минимума потреб-ления искусственно полученной энергии и стремление повысить до максимума использование солнечной энергии. Это явно ноо-сферные тенденции, которые стали к концу ХХ века вытеснять антиноосферные.

2. Планируемая переброска вод северных рек на юг привела бы к нарушению естественного хода биосферных процессов на огромных территориях. Это, бесспорно, следует рассматривать как антиноосферную тенденцию. То, что в 80-е годы ученые и общественное движение в СССР добились отмены этого проек-та, конечно же, было ноосферной тенденцией.

В.И. Вернадский считал, что строительство каскада громад-ных водохранилищ и гидростанций на Волге нерационально (антиноосферная тенденция), что лучше бы было вместо гиган-тов гидроэнергетики построить серию малых гидростанций на мелких реках. Такая малая гидроэнергетика – ноосферная тен-денция - была в нашей стране до 30-х годов ХХ века. Сейчас во


382

многих странах мира на крупных реках ликвидируют плотины и гидростанции (ноосферная тенденция).

3. В начале 70-х годов ХХ века в промышленно развитых странах З. Европы, США и Канаде произошла 2-ая промышлен-ная революция, смысл которой заключатся в переходе на новые ресурсо- и энергосберегающие технологии. Наша страна подо-шла к этому с запозданием на 25 – 30 лет. Переход на эти техно-логии – явно ноосферная тенденция.

Примеры можно множить, но главное, что необходимо под-черкнуть: для ХХ века характерно наличие как ноосферных тен-денций, так и антиноосферных, но к началу ХХI века первые начали явно преобладать. Это как раз и свидетельствует, что 11-е условие перехода биосферы в ноосферу начинает постепенно реализовываться.

12. Исключение войн из жизни общества. Это условие В.И. Вернадский считал чрезвычайно важным для создания и существования ноосферы. Оно еще не выполнено. Но посмот-рим тенденции в реализации этого условия. Угроза мировой ядерной катастрофы ушла в прошлое. Окончилась холодная война и противостояние США и СССР. Это явно ноосферные тенденции, с другой стороны, возникла угроза международного терроризма (антиноосферная тенденция). Но в целом воля наро-дов мира направлена на исключение войн из жизни человечест-ва, хотя путь к этому будет долог и непрост.

После того, как мы рассмотрели все 12 условий перехода биосферы в ноосферу, напрашивается вывод – мы с вами живем в непростое время, когда в развитии общества в целом и отдель-ных стран сосуществуют как ноосферные, так и антиноосфер-ные тенденции, но первые медленно, но верно начинают преоб-ладать. Именно это и создает основу исторического оптимизма.

Теперь давайте посмотрим возражения тех, кто не разделяет взглядов В.И. Вернадского на переход биосферы в ноосферу.

Читать возражения всегда не особенно приятно, но весьма поучительно, так как они высвечивают именно то, что осталось непонятным читателю. Возражений против идеи перехода био-сферы в ноосферу немного, и они касаются самых разных сто-рон учения В.И. Вернадского. Но все возражения объединяет


383

одно – они касаются именно того, чем отличается система взглядов Вернадского от классического естествознания и от ши-роко известных обществоведческих теорий, включая марксизм-ленинизм. Приведем эти возражения.

Анализ взглядов тех, кто "contra"

В.А. Кутырев (2000) подчеркивал: “Переход биосферы в ноосферу считался несомненным благом, несущим человечеству разрешение всех проблем. ... Тревожные экологические тенден-ции современности заставляют критически отнестись к этим стереотипам. Думается, что учение о ноосфере с самого начала несло в себе элементы утопии, что в нем переплелись ценност-ные и бытийные подходы, что ценностные характеристики но-огенеза были однозначно положительными, а это противоречит диалектике жизни. Надо различать трактовку ноосферы как уто-пии и ее реальное состояние. Одно не должно заслонять другое. ... Ноосфера как гармония – сциентистский аналог социально-политической утопии коммунизма и прочих благ, более ранних мечтаний о рае. В соответствии с духом времени она опирается на науку, так к ней и надо относиться, хотя против утопий и на-дежд вообще выступать нет смысла” (с.626 –628).

Б.М. Миркин (2000) писал следующее. “Утопизм Вернад-ского проявился в вере в возможность преобразования биосфе-ры в ноосферу с помощью человеческого разума и изменения положения человека в трофической системе, перевод людей на автотрофное питание, синтезируемую пищу. Не говоря уже о технологических сложностях производства синтетического бел-ка и тяжких последствий такой диеты для здоровья человека. Утопичность ноосферы Вернадского заключена в неминуемом возрастании вложенной энергии. А между тем при нынешнем гетеротрофном питании основным источником производства пищи служит экологически чистая и неисчерпаемая солнечная энергия. Ноосфера станет гарантией выживания лишь в том случае, если будет организована в полном соответствии с че-тырьмя законами экологии Коммонера (“Все связано со всем;


384

все должно куда-то деваться; ничего не дается даром; природа знает лучше”). Создаваемые человеком экосистемы надо встро-ить в биосферу так, чтобы она сохранялась как саморегулирую-щаяся целостность и ее защитные функции гасили нарушения при хозяйственной деятельности людей” (с. 648)

А.Л. Васильев (2000) приводил такие доводы против ноо-сферы. 1. “По определению В.И. Вернадского ноосфера (сфера разума) есть результат эволюции биосферы как результат, пре-жде всего, научной деятельности человека” (с. 650). И далее он перечисляет, что происходит с планетой Земля под воздействи-ем разума человека (список современных экологических про-блем). А теперь зададим вопрос, который классикам за ненадоб-ностью не приходил в голову: “Способен ли человек осознать, что, возомнив себя царем Природы, он фактически оказался ее пленником?” Или – иначе: “Способно ли человечество остано-вить свой безумный, все ускоряющийся бег в тупик – к полному самоуничтожению, оглянуться, ужаснуться и встать на путь перерождения с целью выживания?” На этот ключевой вопрос я отвечаю отрицательно! Уже поздно...” (с. 653 – 654). 2. “Если согласиться, что развитие человечества можно рассматривать, как управляемый процесс, то следует определить объект, цель, и алгоритм управления. Объект – человечество – открытая косми-ческая динамическая система, как часть биосферы (или живого вещества, по В.И. Вернадскому). Цель – сохранение, выживание системы. Алгоритм – законы развития, управления системой. Очень давно, в армии, в первый же день и на всю оставшуюся жизнь, мне внушили: “Если есть два солдата, один из них дол-жен быть старшим”. Такой руководитель или назначается, или выбирается, или самопровозглашается: “Слушай мою команду!” В первичной ячейке общества, в семье, ведь тоже кто-то прини-мает на себя функции руководителя. А как управлять человече-ством? Кто им руководит: Бог, Аллах, Будда, Высший Разум, пришельцы-инопланетяне, поставившие когда-то на планете Земля космический эксперимент и наблюдающие за его ходом, Глобальный Предиктор? Ведь кто-то должен вырабатывать законы, заповеди, стандарты поведения человечества и обеспе-чивать их выполнение” (с. 651).


385

Д.Р. Винер (2000) высказывал следующие возражения. “Для тех, кто стремится к триумфу разума в космическом масштабе (космисты), равно как и для тех, кто идеализирует природу, ре-альные живые люди “как они есть” – лишь помеха на пути к же-ланной мировой гармонии. Поэтому все космисты по Кутыреву, в конечном счете, приходят к мысли “о новом человеке” – то ли сверхчеловеке, то ли гуманоиде, который не станет мешать дальнейшему прогрессу мысли и технологии. ... Стремление к насильственной переделке людей, какими бы благими целями оно ни руководствовалось (включая “гармонию с природой”), всегда остается чрезвычайно опасным, чему свидетель – вся со-ветская история. И культ ноосферы, и культ природы равно иг-норируют индивидуальную ответственность и отвергают ком-промисс с несовершенной реальностью” (647 – 648).

Остановимся вначале на возражениях, вызванных, скорее всего, недоразумением. Нигде в своих работах В.И. Вернадский не считал переход к автотрофному питанию человека условием перехода биосферы в ноосферу. Он говорил об автотрофности питания человека как о весьма важном, но чрезвычайно трудном направлении в научных исследованиях.

Б.М. Миркин говорит, что если уж биосфера и перейдет в ноосферу, то не с помощью научной мысли, а благодаря эколо-гическим законам Коммонера. Но ведь эти же законы как раз и есть результат работы научной масли! Б.М. Миркин говорит о важности вписывания человеческой деятельности в ход функ-ционирования биосферы. Но это же и отвечает 11-му условию Вернадского (см. выше) перехода биосферы в ноосферу. Скорее всего, Б.М. Миркин привык оперировать понятийным аппара-том экологии, входящей в классическую биологию, а системный биогеохимический подход В.И. Вернадского ему чужд и не по-нятен. Хотя учение о биосфере показывает ту системную орга-низацию, в которой функционируют живые объекты, включая самого человека, классической биологии.

Возражение А.Л. Васильева о том, что нет системы управ-ления человечеством, скорее всего, снимется по мере развития синергетики, того ее раздела, который рассматривает проблемы


386

организации и самоорганизации (саморазвития) применительно к обществу, о чем говорилось в предыдущем (9) разделе.

Остается два основных возражения о роли научной мысли в деле перехода биосферы в ноосферу и о путях и методах совер-шенствования человеческих качеств. Эти два возражения вы-свечивают самое главное в понимании ноосферы. Поэтому ос-тановимся на них более подробно.

О роли научной мысли. Возражения и непонимание о роли Разума, Научной мысли возникают из-за разного смысла, кото-рый вкладывается в эти понятия. Оппоненты Вернадского опе-рируют либо обыденным понятием разума, когда говорят: “О каком торжестве Разума можно говорить, когда за окном каби-нета ученого возникло столько экологических проблем, и все они зародились не без “помощи” науки”. Но детальный анализ этих экологических проблем, на котором мы сейчас не будем останавливаться, показывает, что все они, равно как и все про-счеты в нашем взаимодействии с природой, возникли не из-за знаний, а из-за полузнаний, знаний узкого специалиста. Это ре-зультат узкой специализации наук и ученых, когда, образно го-воря, каждый копает свою ямку. И с этих мерок нельзя подхо-дить к взглядам ученого такого калибра, как В.И. Вернадский.

Еще раз подчеркнем своеобразие видения мира Вернадским. Во-первых, ему свойственен макроподход, при котором объект исследования рассматривается в геологическом, планетарном и даже космическом масштабах. Во-вторых, он применяет прием натурализации, т.е. представление объекта исследования как внешнее проявленного, вещественноподобного состояния, кото-рое подчиняется естественным законам Природы. Наиболее яр-кий пример такой натурализации - это сделанное им представ-ление научной мысли в качестве “естественного тела”. “Вернадский уподобляет научную деятельность самой жизни, распространяя понятие познание на множество вне узконаучных форм познания. Он пишет: “Наука ... отнюдь не является логи-ческим построением, ищущим истину аппаратом. Познать науч-ную истину нельзя логикой, можно только жизнью. Действие – характерная черта научной мысли”. По сути дела, наука в этом понимании есть особым образом преобразованная совокупность


387

:

человеческой жизнедеятельности, включающей в себя полити-ческую, религиозную, этическую, эстетическую и другие сторо-ны своего бытия. Это что-то близкое, быть может, к цельному знанию русской философии единства” (В. Моисеев, 2000, с. 733). Если вспомните первые разделы курса о жизни самого В.И. Вернадского, то поймете, что его жизнь как раз и является ярким примером именно такой жизнедеятельности.

Принятое им понимание науки, научной мысли наложило отпечаток на его работы по истории науки. “Изучение развития научного знания стало для Вернадского продолжением изучения геологической эволюции биосферы. С этой точки зрения он ис-следует истинную динамику всемирной и отечественной науч-ной мысли, тесно связывая ее с историей техники и культуры. Личность не растворяется в этом грандиозном биосферном про-цессе, но только становится личностью, концентрируя в себе превышающие ее индивидуальное существование масштабы бытия” (В. Моисеев, 2001, с. 735)

Как показал А.П. Огурцов (2000), такой подход к науке оп-ределил и характер работы В.И. Вернадского по истории науки. В его историко-научном наследии он выделил следующие направления

- история науки как развитие научного мировоззрения, - история науки как развитие форм организации научной

работы, - история науки как развитие отдельных научных дисцип-

лин, - история науки под углом зрения развития научных про-

блем, - история отечественного естествознания, - биографии и оценка вклада личности различных ученых - историографические работы, связанные с организацией

Комиссии по изучению истории знаний (ныне Институт истории естествознания и техники РАН).

Как пишет Г.И. Швебс (2000), наука для В.И. Вернадского – “продукт сложной интеллектуальной и социальной среды, демо-кратических свобод, интернационализация культурной жизни. Если эти условия разрушаются, если наука не подпитывается и


388

не дополняется другими типами рациональности, то она неиз-бежно приходит в упадок” (с. 633). “Уничтожение или прекра-щение одной какой-либо деятельности человеческого сознания сказывается угнетающим образом на другой. Прекращение дея-тельности человека в области ли искусства, религии, философии или общественной жизни не может не отразиться болезненным, может быть, подавляющим образом на науке” (Вернадский, 1981, с. 50-51).

Приведенных данных достаточно, чтобы в общих чертах показать, как понимал науку и научную мысль В.И. Вернадский и почему он придавал ей такое значение для перехода к ноосфе-ре. В одном из его писем к сыну есть такие строки: “Я очень рад, что ты очень ярко и просто выразил мою мысль о ноосфере, как синтез природного и исторического процесса” (Цит. по ра-боте Медведева, 2000, с. 624).

В этом и состоит гениальное прозрение Вернадского. Он увидел, что объединяющим началом и природного, и историче-ского процессов как раз и является научная мысль. Она – квинт-эссенция и природного, и исторического процессов. Предпо-сылки к появлению научной мысли создаются в природном процессе (цефализация, о которой говорилось выше), а оконча-тельное свое развитие этого феномена происходит в историче-ском процессе. Появившись и оформившись, научная мысль на-чинает постигать природный процесс и служит объединяющим началом большого разнообразия культур, возникающих в исто-рическом процессе. Вспомните модель Космоса Гумбольдта, о которой говорилось на одной из первых лекций, в виде двух пе-ревернутых конусов. Нижний конус своим основанием уходит в глубины мироздания, а верхний – расширяясь, охватывает Кос-мос. В точке, где соединяются своими вершинами эти два кону-са, и находится Научная мысль. Все развитие мироздания не-умолимо ведет к ее появлению, а появившись, научная мысль начинает постигать породивший ее Космос. Так происходит са-мопознание материи. “Как правильно сказал некогда Гете, не только великий поэт, но и великий ученый, в науке мы можем знать только, как произошло что-нибудь, а не почему и для че-


389

го” (Вернадский, 1980, с. 219). В.И. Верналский показал, как происходит самопознание материи.

О путях и методах совершенствования человеческих ка-честв. Совершенно верно подмечено, что для окончательного торжества ноосферы человек должен обладать совершенно ины-ми, чем ныне, более высокими качествами. Главное в этом процессе совершенствования состоит в соединении глубоких знаний с высокой моралью и нравственностью.

Сформировать, подчеркнем это слово сформировать, эти качества нельзя, так же как нельзя насильно сделать человека счастливым. И в этом оппоненты Вернадского абсолютно пра-вы. Но В.И. Вернадский нигде и никогда ни слова не говорил о формировании таким путем нового человека. Вся его жизнь и все его научное творчество говорят о другом. Он видел иной путь совершенствования человеческих качеств – это путь сво-бодного развития личности в творческом общении, направлен-ном на научное познание единого природного и исторического процесса. И в молодости именно этот путь открыло для себя их студенческое Братство, о котором говорилось на первых лекци-ях. Этот путь во многом близок восточной философии, знаком-ству с которой В.И. Вернадский уделил немало времени и вни-мания. Восточная мудрость гласит: “хочешь познать истину, усовершенствуй самого себя”.


390

Семинар 12.1. Представления В.И. Вернадского о ноосфере


1. История создания учения о ноосфере. 2. Особенности “биогеохимической парадигмы” в развитии

современной науки. 3. Основные положения ноосферного процесса. 4. Роль научной мысли в преобразовании планеты.


Семинар 12.2. Современное восприятие представлений В.И. Вернадского о ноосфере

Круглый стол

Современное восприятие идей В.И. Вернадского о ноосфере 1. Взгляды “за”. 2. Взгляды “против”.


А.Л. Васильев, 2000; В.И. Вернадский, 1977; 1980; Д.Р. Ви-нер; А.М. Гиляров; В.А. Кутырев; Л. Маргулис и др., 2000; А.Н. Медведь, 2000; Б.М. Миркин, 2000;. Н.Н. Моисеев, 2000; А.П. Огурцов, 2000; К. П. Флоренский, 2000; К.М. Хайлов, 2000; Г.И. Швебс, 2000; Ф.Т. Яншина, 2000.

391


13. Заключение


азделы курса, с которыми Вы последовательно знако-мились, должны были дать вам представление об ос-новах учения о биосфере – главном научном итоге ХХ

века. Основная мысль этого учения, созданного выдающимся естествоиспытателем В.И. Вернадским, предельно проста – труд человека, направляемый его Разумом, должен идти в унисон с законами Природы. Теми законами, по которым наша биосфера устойчиво развивается на протяжении 3, 5 млрд. лет. Это устой-чивое развитие обеспечивается биогеохимической функцией живого вещества, благодаря которой и поддерживается гло-бальное равновесие в этой полузамкнутой неравновесной, очень динамичной, нелинейной системе, которая и была названа био-сферой.

Р

В результате выполнения важнейшей биогеохимической функции и возникло то биоразноообразие, которое мы наблюда-ем сейчас вокруг нас, и которое, благодаря исследованиям мно-гих поколений палеонтологов, прослежено на протяжении всей геологической истории нашей планеты. Самое замечательное заключается в том, что это биоразнообразие кооперативным взаимодействием спаяно в единое целое. Каждый элемент этого единства выполняет свою определенную функцию, многократно дублируя друг друга, чем, собственно, и достигается высокая надежность функционирования всей системы биосферы.

Развитие живого вещества биосферы обеспечивается той биогеохимической энергией, в которую в процессе фотосинтеза преобразуется часть видимого излучения Солнца. Впоследствии в этой грандиозной энергетической системе создания и накоп-ления превратимой энергии появляется еще один принципиаль-

392


393

но важный элемент – своеобразный усилитель мощности пото-ков энергии. В качестве этого усилителя мощности выступает человеческий труд, направляемый Научной мыслью. Именно благодаря этому человечество и стало грозной геологической силой.

Это биоразнообразие не является чем-то застывшим, оно постоянно меняется в результате жесточайшей конкуренции, в которой реализуется принцип: “потребляй ресурсов и энергии как можно меньше, изменяйся (эволюционируй) как можно бы-стрее”. Неизменным сохраняется лишь точное соответствие темпов появления новых видов и темпов вымирания тех, кому они пришли на смену.

Не сразу человек обратил внимание на принципиальную важность соответствия между этими темпами. Наша деятель-ность, особенно в последние 150 – 200 лет, неизменно вела к на-рушению этого соответствия. Осознав эту опасность, человече-ство начало создавать “Красные книги”, в которые стали заносить редкие и исчезающие виды. Конечно, ведение “Крас-ных книг”, помогло осмыслить опасность, но оно, к сожалению, не затронуло причины появления этого явления – не изменило нашу деятельность.

Вы должны себе четко уяснить, что знать законы, которые лежат в основе функционирования биосферы, безусловно, важ-но и нужно, но не достаточно для преобразования нашей дея-тельности. Самое главное заключается в том, чтобы не только знать устройство окружающего нас мира, но и уметь строить свою деятельность в соответствии с этими знаниями. Все по-требности людей, так или иначе, удовлетворяются за счет ис-пользования тел и сил Природы. О том, как строить свою дея-тельность по использованию этих тел и сил, рассказано в специальном курсе “Основы природопользования”, который из-дан ЯрГУ в 2001 г. (авторы Б.В. Поярков и В.Б. Поярков). “Ос-новы природопользования” – это логическое продолжение дан-ного курса.

Если посмотреть на сложившееся природопользование, то нетрудно заметить, что оно еще очень далеко от того рацио-нального, которое функционировало бы в унисон с законами


394

развития биосферы. Переход от сложившегося природопользо-вания к рациональному представляет собой длинный и сложный путь. Чтобы наиболее безболезненно пройти его, надо уметь стратегически планировать нашу природоохранную деятель-ность. Накопленный опыт в этом направлении изложен в курсе лекций “Стратегическое планирование природоохранной дея-тельности” (автор Б. В. Поярков), изданном ЯрГУ в 2002 г.

И, наконец, замыслы стратегического планирования необ-ходимо уметь воплощать в конкретные дела, которые шаг за ша-гом преобразуют сложившееся природопользование в рацио-нальное. В условиях рынка этим воплощением начало заниматься экологическое предпринимательство, новое для Рос-сии явление. Его история, современное состояние и перспекти-вы развития рассмотрены в книге О.А. Жарова "Экологическое предпринимательство (история, становление, перспективы)", выпущенной ЯрГУ в 2003 г.

Примечательно, что книги, о которых было сказано выше, и включая настоящую написаны и изданы в Ярославле. Это не удивительно, так как на этой старинной русской земле в течение последних 15 – 20 лет шла усиленная работа, в которой прини-мали участие многие специалисты. Они работали в самых раз-ных направлениях, но так или иначе продолжали развивать те традиции, которые были заложены их предшественниками. Именно в Ярославле П.Г. Демидов основал училище высших наук, в котором начинал свою деятельность К.Д. Ушинский, создатель отечественной педагогики. В начале ХХ века многое для развития этих традиций сделал князь Д.И. Шаховской, пло-дотворно работавший в Ярославском земстве на ниве народного просвещения. Он был членом того самого Братства, которое в конце ХIХ века было создано В.И. Вернадским вместе со свои-ми друзьями-сокурсниками. Члены этого Братства оставили за-метный след в отечественной культуре и науке.

В формирование современной культурной среды Ярославля внесли свой вклад многие наши современники. К их числу отно-сятся исследователь истории географических открытий профес-сор А.Б. Дитмар, профессор А.Н. Иванов, создавший на естест-венно-географическом факультете ЯГПУ геологический музей


истории биосферы. Работы по системогенезу профессиональной деятельности профессора В.Д. Шадриков, создателя факультета психологии и биологии ЯрГУ, во многом помогли понять суть механизма реализации составляемых планов и проектов, в том числе и в природопользовании. В дальнейшем факультет разде-лился на два: психологии, с одной стороны, а с другой – биоло-гии. Это подняло в нашей области биологические исследования на новый уровень, в чем немалую роль сыграла деятельность профессора Л.А. Жакова и его коллег. Стали возникать новые научные направления, имеющие большое прикладное и теоре-тическое значение. Так, профессор Г.Е. Сабуров заложил осно-вы биотестирования пресных водоемов Ярославской области, а благодаря профессору Н.В. Верховцевой были начаты перспек-тиные исследования ультратермофильных хемолитотрофов, тех сообществ микроорганизмов, что населяют подземную биосфе-ру.

Все это, вместе взятое, и сформировало ту культурную сре-ду земли Ярославской, которая в немалой степени способство-вала зарождению и реализации многих замыслов, в том числе и данного курса лекций.

395




Абалкин Л.И. Тектология А. Богданова: на пути к новой

парадигме // Вопросы философии. 1995. № 8. С. 3 – 7. Агошкова Е.Б., Ахлибинский Б.В. Эволюция понятия сис-

темы // Вопросы философии. 1998, № 7. С. 170 – 178. Аксенов Г.П. “И все великое – не сон ...”. Владимир Ивано-

вич Вернадский. Материалы к биографии // Историко-биографический альманах серии “Жизнь замечательных людей” Т. 15. М.: Молодая гвардия. 1988. С. 132 – 149.

Аксенов Г.П. Сила Братства // Природа. 1988. № 2. С. 82 – 93.

Аксенов Г.П., Неаполитанская В.С. В.И. Вернадский: Фо-тоальбом. М.: Планета. 1988. 239 с.

Алексеев Г.Н. Энергия и энтропия. М.: Наука, 1985. 263 с. Баренбаум А.А. Механизмы самоорганизации при глобаль-

ном геохимическом круговороте вещества на Земле // Синерге-тика. Тр. семинара, Т. 3. М.: Изд-во МГУ, 2000. С. 275 – 295.

Белов Н.В., Лебедев В.И. Источники энергии геохимиче-ских процессов // Природа. 1964. № 5. С. 23- 28.

Бгатов В.И. История кислорода земной атмосферы. М.: Не-дра, 1985. 87 с.

Бгатов В.И. Биогенная классификация химических элемен-тов // Философия науки. 1999. № 2. С. 2-12.

Будыко М.И. Эволюция биосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 488 с.

Васильев А.Л. Сохранится ли ноосфера Вернадского в ХХI веке // В.И. Вернадский: PRO ET CONTRA. СПб., Изд-во Рус-ского Христианского гуманитарного университета, 2000. С. 650–654.

396


397

Васильковский Н.П. Непостоянство уровня мирового океа-на в геологическом прошлом // Океанология. 1973. Т. Х111, вып. 6. С. 1026 – 1040.

Верзилин Н.Н., Верзилин Н.М. Биосфера, ее настоящее, прошлое и будущее. М.: Просвещение. 1976. 223 с.

Вернадская-Толль Н.В. Штрихи к портрету (Письма В.С. Неаполитанской) // В.И. Вернадский: PRO ET CONTRA. СПб.: Изд-во Русского Христианского гуманитарного универси-тета, 2000. С. 154–161.

Вернадский В.И. Проблемы биогеохимии. М.: Наука, 1980. 320 с.

Вернадский В.И. Размышления натуралиста. Научная мысль как планетное явление. М.: Наука, 1977. 190 с.

Вернадский В.И. Избран. соч., Т. 2. М.: Изд-во АН СССР. 1960 а.

Вернадский В.И. Биосфера // Избран. соч. Т. 5. М.: Изд-во АН СССР. 1960 б. С. 7 – 104.

Вернадский В.И. Об условиях появления жизни на Земле // Избран. соч. Т. 5. М.: Изд-во АН СССР. 1960 в. С. 252 – 266.

Вернадский В.И. Об анализе почв с геохимической точки зрения // Избран. соч. Т. 5. М.: Изд-во АН СССР. 1960 г. С. 316 – 324.

Вернадский В.И. Несколько слов о ноосфере. Проблемы биогеохимии. М.: Наука, 1980. С. 212 – 222.

Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М.: Наука. 1987. 339 с.

Вернадский В.И. Страницы из истории почвоведения (па-мяти В.В. Докучаева) // Труды по истории науки в России. М.: Наука. 1988. С. 268 – 285.

Вернадский В.И. Памяти А.Н. Краснова // Труды по исто-рии науки в России. М.: Наука, 1988. С. 297 – 302.

Винер Д.Р. Культ Вернадского и ноосфера // В.И. Вернадский: PRO ET CONTRA. СПб.: Изд-во Русского Христианского гуманитарного университета, 2000. С. 645 –646.

Виноградов А.П. Введение в геохимию океана. М.: Наука, 1967. 196 с.


398

Гавриленко Е.С., Дерпгольц В.Ф. Глубинная гидросфера Земли. Киев: Наукова думка, 1971. 272 с.

Гиляров А.М. Вернадский, дарвинизм, Гея: критические заметки на полях “Биосферы” // В.И. Вернадский: PRO ET CONTRA. СПб.: Изд-во Русского Христианского гуманитарного университета, 2000. С. 690 –698.

Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. М.: Центр, 1997. 208 с.

Гумилев Л.Н. Ритмы Евразии. Эпохи и цивилизации. М.: Экопрос, 1993. 576 с.

Давиташвили Л.Ш. История эволюционной палеонтологии от Дарвина до наших дней. М.; Л.: Изд. АН СССР, 1948. 575 с.

Даль В.И. Толковый словарь живого великорусского языка. М. Госиздат иностранных и национальных словарей. 1955.

Ермолаев М.М. Введение в физическую географию. Л.: Изд. ЛГУ. 1975. 260 с.

Забелин И.М. Его Космос // Пути в незнаемое. Писатели рассказывают о науке. Сб. 21. М.: Советский писатель, 1988. С. 384 – 420.

Заварзин Г.А. Индивидуалистический и системный подхо-ды в биологии // Вопросы философии, 1999. № 4. С. 89-106.

Заварзин Г.А. Смена парадигм в биологии // В.И. Вернадский: PRO ET CONTRA. СПб.: Изд-во Русского Христианского гуманитарного университета, 2000. С. 599 –605.

Жмур С.И. и др. Следы древнейшей жизни в космических телаз Солнечной системы // Природа. 1997. № 7. С. 3 – 10.

Калесник С.В. Основы общего землеведения. М.; Л.: Уч-педгиз, 1947. 483 с.

Камшилов М.М. Эволюция биосферы. М.: Наука, 1979. Капица П.Л. Некоторые принципы творческого воспитания

и образования современной молодежи // Эксперимент. Теория. Практика. М.: Наука,. 1987. С. 238 –251.

Князев Е.Н., Курдюмов С.П. Синергетика как средство интеграции естественнонаучного и гуманитарного образования // Высшее образование в России. 1964. № 4. С. 31 – 36.

Колчинский Э.И. Эволюция биосферы. Л.: Наука, 1990. 236 с.


399

Кондаков Н.И. Логический словарь-справочник. М.: Наука, 1978. 720 с.

Кондакова Г.В. Современное состояние микробиологиче-ских исследований глубинных флюидов литосферы // Бурение сверхглубоких и глубоких параметрических скважин. Состояние технологии бурения, комплексные исследования и основные на-правления повышения эффективности: Мат-лы Всероссийского совещания. Ярославль. 2001. С. 93 – 96.

Кутырев В.А. Утопическое и реальное в учение о ноосфере // В.И. Вернадский: PRO ET CONTRA. СПб.: Изд-во Русского Христианского гуманитарного университета, 2000. С. 626 –629.

Краткая философская энциклопедия / Губский Е.Ф., Ко-раблева Г.В., Лутченко В.А. (редакторы-составители). М.: Про-гресс, 1994. 575 с.

Кузнецов П.Г. “Его действительное открытие ...”. Преди-словие // Подолинский С.А. Труд человека и его отношение к распределению энергии. М.: Ноосфера. 1991. С. 7 – 10.

Лаврененко В.П. Концепции современного естествознания. М., 1997. 205 с.

Лапо А.В. Следы былых биосфер. М.: 1979. 173 с. Лебедев В.И., Синицын В.М. Солнечная энергия и про-

блема образования сиалического слоя земной коры // Бюл. МОИП. Отдел геологический, 1968. Т. Х1, 111, вып. 1.

Лукашевич И.Д. Что такое жизнь? Биологический этюд. СПб. 1909. 32 с.

Мак-Менамин М., Мак-Менамин Д. Гиперморе: жизнь на суше // В.И. Вернадский: PRO ET CONTRA. СПб.: Изд-во Рус-ского Христианского гуманитарного университета, 2000. С. 681 –684.

Маргалеф Р. Облик биосферы. М.: Наука, 1992. 314 с. Маргулис Л., Черути М., Голубтч С., и др. Предисловие

// В.И. Вернадский: PRO ET CONTRA. СПб.: Изд-во Русского Христианского гуманитарного университета, 2000. С. 757 –760.

Медведь А.Н. Идеи В.И. Вернадского и научное творчество Л.Н. Гумилева // В.И. Вернадский: PRO ET CONTRA. СПб.: Изд-во Русского Христианского гуманитарного университета, 2000. С. 619 –625.


400

Меннер В.В. Биостратиграфические основы сопоставления морских, лагунных и континентальных свит. М.: Труды ГИН АН СССР. 1962. Вып. 65. 372 с.

Миркин Б.М. Экологический гамлетизм // В.И. Вер-надский: PRO ET CONTRA. СПб.: Изд-во Русского Христиан-ского гуманитарного университета, 2000. С. 647 –649.

Моисеев Н.Н. Тектология Богданова – современные пер-спективы // Вопросы философии. 1995. № 8. С. 8 – 13.

Моисеев Н.Н. Логика динамических систем и развитие при-роды и общества // Вопросы философии. 1999, № 4. С. 3 – 10.

Моисеев В.И. Вернадский // В.И. Вернадский: PRO ET CONTRA. СПб.: Изд-во Русского Христианского гуманитарного университета, 2000. С. 730 – 735.

Мочалов И.И. Владимир Иванович Вернадский (1863 – 1945). М.: Наука, 1982. 487 с.

Николас Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновес-ных системах. М.: Мир, 1979.

Оборин А.А. Иларионов С.А., Рубинштейн Л.М., и др. Концепция организованности подземной биосферы и проблемы устойчивого развития человечества. Институт экологии и гене-тики микроорганизмов УРО РАН Пермь // V Международная конференция “Проблемы загрязнения окружающей среды – 2001”. Волгоград; Пермь, 2001. С. 37.

Огурцов А.П. История науки как путь к ноосфере: концеп-ция В.И. Вернадского // В.И. Вернадский: PRO ET CONTRA. СПб.: Изд-во Русского Христианского гуманитарного универси-тета, 2000. С. 721 –729.

Перельман А.И., Касымов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: “Астрея-2000”, 1999. 768 с.

Подолинский С.А. Труд человека и его отношение к рас-пределению энергии. М.: Ноосфера, 1991. 82 с.

Раушенбах Б.В. Увидеть красоту // Пристрастие. М.: Аг-раф, 1997. С. 92 – 105.

Рейтлингер Е.А. Этапность развития фораминифер и ее значение для стратиграфии каменноугольных отложений // Вопр. Микропалеонтологии, 1969. Вып. 12. С. 3-33.


401

9.

Риклефс Р. Основы общей экологии. М.: Мир, 1979. 424с. Руденко А.П. Самоорганизация и синергетика // Синерге-

тика. Тр. семинара. Т. 3. М.: Изд-во МГУ, 2000, С. 61 – 99. Рузавин Г.И. Самоорганизация и организация в развитии

общества // Вопросы философии. 1995. № 8. С. 63-72. Садовничий В.А., Козодеров В.В., Ушаков Л.А., Ушаков

С.А. Устойчивость глобального развития и хаотичность регио-нальных явлений в нелинейных динамических процессах. // Си-нергетика. Тр. семинара. Т. 3. М.: Изд-во МГУ, 2000. С. 5 – 39.

Садовский В.Н. Система // Философский энциклопедиче-ский словарь. М.: Советская энциклопедия. 1983. С. 610 – 611.

Селезнев И.А. О термофильности микроорганизмов в глу-боких слоях литосферы // Институт экологии и генетики микро-организмов УРО РАН Пермь // V Международная конференция “Проблемы загрязнения окружающей среды – 2001”. Волгоград; Пермь. 2001. С. 94.

Синергетическая парадигма: многообразие поисков и подходов. М.: Прогресс, Традиция, 2000.

Синицын В.М. Сиаль: Историко-генетические аспекты. Л., 1972. 167 с.

Страхов Н.М. Типы литогенеза и их эволюция в истории Земли. М.: Госгеолтехиздат, 1963. 530 с.

Теплов Б.М. Ум полководца // Избранные труды. М.: Педа-гогика, 1985. С. 223 – 305.

Терпугова О.В. Эндокринологические аспекты проблемы дисэлементозов и других пищевых дисбалансов. Ярославль: Изд-во Александр Рутман, 2001. 48 с.

Уайт Д. От философии к всеобщей организационной науке: источники и предшественники тектологии А. Богданова // Вопросы философии. 1995. № 8. С. 38 – 4

Урманцев Ю.А. Симметрия природы и природа симмет-рии. М.: Мысль, 1974. 230 с.

Флоренский К.П. В.И. Вернадский – натуралист, естество-испытатель // В.И. Вернадский: PRO ET CONTRA. СПб.: Изд-во Русского Христианского гуманитарного университета, 2000. С. 64 –73.


Хайлов К.М. “Жизнь” и “жизнь на Земле”; две научные проблемы // В.И. Вернадский: PRO ET CONTRA. СПб.: Изд-во Русского Христианского гуманитарного университета, 2000. С. 705 –711.

Хильми Г.Ф. Основы физики биосферы. Л., 1966. 300 с. Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. М.: Мысль,

1976. 366 с. Шадриков В.Д. Проблемы системогенеза профессиональ-

ной деятельности. М.: Наука, 1983. Шафрановский И.И. Симметрия в природе. Л.: Недра,

1985. 167 с. Швебс Г.И. Ноосфера как символ цивилизации нового типа

// В.И. Вернадский: PRO ET CONTRA. СПб.: Изд-во Русского Христианского гуманитарного университета, 2000. С. 681 – 684.

Шеховцова Н.В. Состояние микробиологических исследо-ваний кернов пород глубоких и сверхглубоких скважин // Буре-ние сверхглубоких и глубоких параметрических скважин. Со-стояние технологии бурения, комплексные исследования и основные направления повышения эффективности // Мат-лы Всероссийского совещания. Ярославль, 2001. С. 180 – 183.

Шипунов Ф.Я. Организованность биосферы. М.: Наука, 1980. 291с.

Шмальгаузен И.И. Факторы эволюции. М.: Наука. 1963. 450 с.

Шнитников А.Н. Изменчивость общей увлажненности ма-териков северного полушария // Записки Геогр. Общества СССР. Нов. Сер., 1957. Т. ХVI.

Яншина Ф.Т. Ноосфера В. Вернадского: утопия или реаль-ная перспектива? // В.И. Вернадский: PRO ET CONTRA. СПб.: Изд-во Русского Христианского гуманитарного университета, 2000. С. 635 –646.

Ястребов М.В. Экология в терминах и определениях. Яро-славль: ЯрГУ, 2001. 96 с.

402

403

Автономная некоммерческая организация Научно-производственное объединение

“Эколлайн” (АНО НПО “ЭКОЛЛАЙН”)

Наше КРЕДО

оллектив Автономной некоммерческой организа-ции научно-производственного объединения “Эколлайн” в течение последних семи лет успеш-

но работает в сфере экологического предпринимательства. Мы своей деятельностью стремимся помочь осознанию той непреложной истины, что назревшая необходимость ради-кального решения существующих экологических проблем должна объединить всех и что экологизация экономики как альтернатива ее милитаризации - единственно верный путь дальнейшего развития человечества.

К

Поэтому мы в своей деятельности руководствуемся тем, что получаемую прибыль вкладываем в развитие наиболее перспективных направлений экологического предпринима-тельства и пропаганду идей, связанных с экологизацией со-циально-экономического развития нашей страны. С этой це-лью мы поддерживаем издание учебной литературы экологической ориентации, готовим и издаем информаци-онно-справочные сборники по современным российским технологиям, а с апреля 2003 г. вместе с Главным управле-нием природных ресурсов и охраны окружающей среды по Ярославской области приступили к изданию журнала “Вестник экологического предпринимательства”. Этот жур-нал должен помогать кооперированию усилий экологиче-


ских предпринимателей, способствовать обмену практиче-ским опытом и информацией по новым техническим средст-вам и технологиям, о новых нормативно-правовых природо-охранных документах, а также методах организации работ.

Мы считаем, что экологическое предпринимательство может многое сделать для экологизации социально-эконо-мического развития России, особенно по двум ключевым проблемам.

Первая ключевая проблема связана с созданием инте-гративных систем управления потоками отходов, в основе которых лежит широкая кооперация деятельности:

- органов государственной власти, которые устанавли-вают правила обращения с отходами производства и по-требления, осуществляют лицензирование деятельности с ними и следят за выполнением лицензионных условий, что во многом определяет финансовый климат;

- крупных акционерных обществ (промышленных пред-приятий), являющихся основными производителями отхо-дов производства, от которых зависит перераспределение финансовых потоков, что в свою очередь позволяет сочетать собственные экономические интересы с удовлетворением самых насущных экологических потребностей региона;

- экологических предпринимателей, занимающихся не-посредственным сбором, восстановлением, рециклизацией и захоронением отходов.

Такое кооперативное взаимодействие органов государ-ственной власти, крупных промышленных прелприятий и экологических предпринимателей позволит преобразовать ныне разомкнутые потоки отходов в техногенные кругово-роты и тем самым вписать их в биосферные процессы.

Вторая ключевая проблема - последовательная, посте-пенная локализация систем жизнеобеспечения наших горо-дов и поселков. Известно, что принцип локализации систе-

404

405

мы жизнеобеспечения лежит в основе функционирования биосферы. Переход от громоздких централизованных, ре-сурсо- и энергорасточительных систем жизнеобеспечения к локальным позволит решить многие вопросы реформы жи-лищно-коммунального хозяйства в интересах наших согра-ждан. Локальные системы надежнее централизованных, они менее трудоемки и дешевле в долгосрочной перспективе.

Для решения этих двух ключевых проблем мы стремим-ся в своей деятельности следовать четырем принципиально важным установкам.

1. Осуществлять всесторонний маркетинг структурного рынка наукоемких технологий экологического профиля, вышедших из недр ВПК и академической науки. Эти техно-логии конкурентоспособны и по праву носят звание “высо-ких”.

2. Содействовать практическому построению современ-ной экспортной конструкции продвижения российской эко-логической продукции на международные рынки. Такой экспорт может стать источником привлечения оборотных средств, стимулом роста производства, и создаст благопри-ятные условия для продвижения российских ценных корпоративных бумаг на внебиржевые и биржевые рынки мира. 3. Реализовать отечественную программу импортозаме-щения. Это будет помогать восстановлению российской промышленности и стабилизации финансового рынка.

4. Способствовать серийному производству высокотех-нологических образцов российской продукции. Для этого мы намерены создавать инжиниринговые центры, деятель-ность которых включает селекцию технологий и современ-ного оборудования, разработку дизайнерских решений на уровне мировых стандартов, организацию аналитических центров, научно-производственное консультирование.


406

Если у Вас возникли проблемы, связанные с экологиза-цией социально-экономического развития Вашего регио-на, населенного пункта или конкретного предприятия, то обращайтесь к нам. Мы готовы помочь Вам в реше-нии Ваших проблем и наладим взаимовыгодное сотрудничество.

Наш адрес:

Россия, 150000, г. Ярославль, ул. Терешковой, дом 13/5, офис 5;

Тел./факс (0852) 725-990, 726-691, e-mail: yareco @ yaroslavi. ru

Учебное издание

ПОЯРКОВ Будимир Владимирович БАБАНАЗАРОВА Ольга Владимировна

Учение о биосфере

Курс лекций

Ответственная за выпуск Л.Н. Селиванова Редактор, корректор А.А. Аладьева Компьютерная графика О.В. Карунин Компьютерная верстка И.Н. Иванова

Подписано в печать 12.09.03. Формат 60×84/16. Бумага тип. Печать офсетная.

Усл.-печ. л. 23,71. Уч.-изд. л. 17,94. Тираж 1000 экз. Заказ

Оригинал-макет подготовлен в редакционно-издательском отделе ЯрГУ. Ярославский государственный университет.

150000 Ярославль, ул. Советская, 14.

Отпечатано на ризографе.

ООО “Рио-Гранд”.

150000 Ярославль, ул. Свердлова, 18. Офис 34, тел. 30-75-98.

Учение о биосфере2003/03/06 · Появление понятия о сфере...

Documents

Transcript of Учение о биосфере2003/03/06 · Появление понятия о сфере...