О структуре учения о биосфере

О СТРУКТУРЕ УЧЕНИЯ О БИОСФЕРЕ

Понятия «биосфера» и «ноосфера» совершенно справедливо ассоциируются с  именем выдающегося отечественного ученого В.И. Вернадского, как можно  судить, например, по мнению Л. Н. Гумилева: «Биосфера – термин, введенный  в науку В.И. Вернадским» [11, с. 11]. Однако и тот, и другой термины  были использованы, а не предложены Вернадским. На самом деле, по словам В. Е. Соколова [34, с. 6]: «Величайшая заслуга  Вернадского в том, что он, используя, по существу, весьма образную метафору, вложил в понятие "биосфера" совершенно новый смысл» (Соколов, 1988, с. 6). Понятие  «ноосфера» введено французским  философом Э. Леруа (E. Le Roy) в 1927 г. и  до Вернадского активно разрабатывалось  П. Тейяром де Шарденом (P. Teilhard de Chardin); термин «биосфера» был введен в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюсом (E. Suess).*

Еще в  книге "Химическое строение биосферы Земли и её окружения", впервые  опубликованной в 1922 г. (см. [4]), В.И. Вернадский выделил 7 типов земного вещества, из которых слагается биосфера. C учетом некоторых поправок эти типы представлены в табл. 1.

Согласно  расчетам (естественно, очень приблизительным; см.: [12]), за всю историю Земли существовало в рамках живого вещества примерно 500 млн. видов организмов, а сейчас на нашей планете насчитывается порядка 5 млн. видов (по другим оценкам, от 3 до 30 млн. видов [45]). Иными словами, КПД эволюции биосферы не сильно отличается от 1%. По своей массе живое вещество составляет очень малую часть биосферы: будучи равномерно распределенной по всей поверхности, она покроет Землю слоем всего в 2 см. Но именно живому веществу, по Вернадскому, принадлежит главная роль в формировании земной коры.

Биогенное вещество (см. Табл. 1) создано в результате жизнедеятельности организмов (например, речной рак за 20 лет жизни сбрасывает 50 панцирей). Оно подразделяется на необиогенное вещество, образованное существующим в настоящий момент живым веществом, и палеобиогенное вещество, сохранившееся в составе горных пород («жизнь, превращенная в камень»). Кроме того, не затихает интерес к проблеме биогенного вещества внеземного происхождения.  

Примером  абиогенного вещества земного происхождения могут служить продукты вулканизма и газы, выделяющиеся из недр Земли. По оценкам [16], «приход абиогенного вещества в биосферу составляет около 3 млрд. т в год».

Метеориты, о которых слышали все, – это  пример абиогенного вещества внеземного происхождения. Однако явление это весьма редкое*. Основная составляющая абиогенного вещества внеземного происхождения – это метеоритная пыль, приход которой на Землю оценивается величиной 10⁴-10⁶ т/год. Это немного, но за 4,5 млрд. лет существования Земли «космической пыли» на ней накопилось сотни метров (правда, существенно перемешавшись с компонентами земного вещества).

Таблица 1

Типы  вещества биосферы Земли  

Но вернемся к характеристике живого вещества биосферы. Обновление всего живого вещества биосферы Земли осуществляется в среднем  за 8 лет. При этом вещество наземных растений (фитомасса суши) обновляется  примерно за 14 лет. В океане циркуляция вещества происходит во много раз  быстрее: вся масса живого вещества обновляется за 33 дня, в то время  как фитомасса океана – каждый день! Процесс полной смены вод  в гидросфере осуществляется за 2800 лет. В атмосфере смена кислорода  происходит за несколько тысяч лет, а углекислого газа – за 6,3 года. Эти цифры показывают, что геохимический  эффект деятельности живого вещества в биосфере проявляется не только в течение геологического времени (миллионы и миллиарды лет), но ясно выражен даже в пределах времени  исторического (тысячи лет и менее [16, с. 23].

В зависимости  от занимаемой площади В.И. Вернадский различал (см. табл. 2) жизненные пленки (прослеживаются на огромных расстояниях – планктонные сообщества поверхности океана) и сгущения жизни (более локальные скопления – например, Саргассово море, впервые описанное Х. Колумбом 21 октября 1492 г.).  

Таблица 2

Классификация форм концентрации жизни  в биосфере  

Представленные  далее основные типы биомов не требуют  подробного комментирования. Особо  рассмотрим только сравнительно новые  абиссальные рифтовые сообщества, открытие которых в 1977 г. существенно изменило представление о путях формирования биосферы (см. далее гипотезу абиссальных сгущений жизни).

Как отмечалось в серии публикаций Г. С. Розенберга с соавт. 1991-2007 гг. [27-32], где можно  найти основные ссылки, современная  экология может быть представлена 12 основными концепциями. «Внутри» каждой концепции, соподчинены друг с другом некоторые «теоретические конструкции» – гипотезы, принципы, законы, модели, постулаты, правила, аксиомы, теоремы  и пр. Соотношения между ними схематически представлены на  рис. 1.  

КОНЦЕПЦИЯ БИОСФЕРЫ по В. И. Вернадскому [3] – это представление о самой крупной экосистеме как взаимосвязанном единстве живого, биогенного, биокосного и косного веществ. Самая существенная особенность биосферы – биогенная миграция атомов химических элементов (см. далее аксиому биогенной миграции атомов).  

ГИПОТЕЗА  АБИССАЛЬНЫХ СГУЩЕНИЙ ЖИЗНИ. Абиссаль – глубоководная (свыше 2000 м) зона Мирового океана, характеризуемая постоянной температурой (ниже 2^оС) и бедностью животного мира. Сгущения жизни в этой огромной по территории, считавшейся совершенно бесплодной, зоне были открыты 15 февраля 1977 г., когда американский подводный аппарат "Алвин", с помощью которого проводились исследования гидротермальных источников рифтов (зон раздвижения земной коры), в районе Галапагосских островов, достиг дна Тихого океана на глубине 2540 м. «Буйство жизни» в царстве вечного мрака объясняется тем, что трофическую нишу фотоавтотрофов, которые, естественно, не могли существовать в этих условиях, заняли хемоавтотрофные микроорганизмы. Гидротермальные источники несут эндогенный сероводород (обязанный своим происхождением глубинным геологическим процессам), который используют большинство хемоавтотрофов. Таким образом, происходит замена солнечной на эндогенную энергию – это главная особенность абиссальных сообществ.

Другими особенностями являются (см. [16]):

• широкое распространение симбиотрофных организмов;
• уникальное своеобразие органического мира каждого из сообществ;
• гигантизм обитателей абиссальных сообществ (рифтии – представители новооткрытого рода погонофор – червеобразные животные до 1,5 м (длина «обычных» погонофор не превышает 10 см), раковина двустворчатых моллюсков достигает 25-30 см в поперечнике, даже бактерии достигают здесь величины 0,11 мм – неслыханный размер для организмов этого подцарства.

Абиссальные сгущения жизни играют в биосфере особую роль, и их следует рассматривать  как возможный новый источник жизни в случае прекращения её на основе фотосинтеза.  

ГИПОТЕЗА  ГЕОМЕРИДЫ Беклемишева является одной из первых гипотез теоретической глобальной экологии. Геомерида – весь живой покров Земли, рассматриваемый как целостная иерархическая система, миллионы лет пребывающая в состоянии динамического устойчивого равновесия. Если биосфера – высший биотоп, то Геомерида – высший биоценоз. Гипотеза была предложена в 1931 г. В.Н. Беклемишевым.  

ГИПОТЕЗА  ГЕИ Лавлока–Маргулис предусматривает биологический «контроль» факторов абиотической среды на биосферном уровне и существование сложной, живой, саморегулирующейся системы поддержания условий, благоприятных для жизни, на Земле. Атмосфера Земли, создающая стабильные и благоприятные условия для жизни, сама пребывает в крайне неустойчивом состоянии с точки зрения законов химического равновесия: ее равновесие поддерживается самой жизнью, которая ранее создала современную атмосферу. Гипотеза Геи была предложена английским химиком Дж. Лавлоком (J. Lovelock) и американским микробиологом Л. Маргулис (L. Margulis) в 1975 г; у нас в стране представления о биологической регуляции окружающей среды развиты В.Г. Горшковым в серии работ 1980-1988 гг. [7-10]. Проблемы гомеостаза на уровне популяций, сообществ и биосферы в целом являлись предметом рассмотрения в работах И.А. Шилова 1977-1998 гг. [38-40].

На рис. 2 представлены данные о связи первичной  продукции биосферы и содержания в ней кислорода в ходе эволюции .  

Рассматривая  гипотезу Геи с биологической  точки зрения, Л. Маргулис предположила, что жизнь на Земле представляет собой «сеть обратных связей», позволяющих  планете выступать в качестве саморегулирующейся и самовоспроизводящей  системы. Особая роль при этом отводится  процессам симбиоза организмов.   
 

Рис. 2.1-возникновение многоклеточных организмов,

2-формирование  запасов ископаемого топлива  

ГИПОТЕЗА  БИОТИЧЕСКОЙ РЕГУЛЯЦИИ, предусматривающая существование биотического механизма регуляции окружающей среды на основе высокой степени замкнутости круговорота углерода, разрабатывается с начала 80-х годов биофизиком В.Г. Горшковым [7-8]. «Потоки синтеза и разложения органических веществ совпадают с точностью 10^-4 и скоррелированы с точностью 10^-7. Отношение потока отложения органического углерода к потоку его синтеза характеризует разомкнутость круговорота веществ. Естественная разомкнутость, таким образом, имеет положительное значение порядка 10^-4, которое поддерживается с относительной точностью порядка 10^-3. Скоррелированность потоков синтеза и распада с указанной точностью доказывает наличие биологической регуляции окружающей среды (курсив мой. – Г.Р.), ибо случайная связь величин с такой точностью в течение миллионов лет невероятна» [10]. Эти процессы синтеза и распада могут совпадать со столь высокой точностью только в условиях отсутствия значимых флуктуаций этих потоков. Именно этот факт с учетом рассматриваемого ниже правила десяти процентов (переход энергии по трофической пирамиде) позволили В. Г. Горшкову предложить свое правило одного процента для оценки глобальной стабилизации окружающей среды (см. далее).