Учение В.И. Вернадского о биосфере
Согласно взглядам академика Владимира Вернадского, основоположника современного учения о биосфере, с момента возникновения жизни на нашей планете (3-4 миллиарда лет назад) происходил процесс формирования биосферы — единой системы, в которую входили живая и косная (неживая) материи.
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! Об этом уже было сказано, но лишний раз повторить не мешает — биосфера (биологическая земная оболочка) не только территория нашей планеты, охваченная жизнью, но и структурно ею организованная. Живая материя влияет на неживую, изменяя ее!
Вернадский писал: ««Биосфера — это планетное явление космического характера, ее важной особенностью, главной геологической силой является жизнь — «живое вещество», не просто населяющее биосферу, а преобразующее облик Земли».
Основой учения Вернадского о биосфере является понятие о живом веществе и его роли в биосферных процессах.
Вернадский выявил следующие особенности живого вещества:
Несмотря на значительное различие в формах и размерах живых организмов, для живого вещества характерно одно общее свойство — физико-химическое единство.
В живых организмах химические реакции, за счет участия в них ферментов, протекают намного быстрее, чем в неживом веществе и для их протекания не требуются жесткие условия (высокая температура и др.).
Химические реакции в живых организмах упорядочены. Они проводятся по заданной генами программе.
Химические связи, образующиеся в живом веществе, заключают в себе достаточно много энергии (вспомним про АТФ). Живое вещество является преобразователем и накопителем энергии солнечного излучения.
Благодаря такому свойству, как подвижность, живое вещество заполняет собой все доступные для жизни среды. Такое «растекание» живого вещества называется «давлением жизни». Перемещаясь, живое вещество переносит органические вещества и накопленную в себе солнечную энергию. Этот перенос происходит также и против сил неживой природы (в горизонтальном направлении, вверх) и переносит вещества. Вернадский выделял две формы движения живого вещества: пассивную, возникающую за счет роста и размножения организмов, и активную, возникающую в результате перемещения организмов.
По сравнению с косным веществом, живое характеризуется гораздо большим морфологическим и химическим разнообразием.
Живое вещество обладает способностью к постоянному обновлению за счет размножения, обеспечивающего смену поколений.
Для живого вещества характерно эволюционное развитие.
В ходе эволюции живое вещество выполняет геологическую работу, в результате которой возрастает биологическая масса, увеличивается разнообразие форм жизни, изменяется среда обитания. Эта работа приводит к изменению физико-химических свойств биосферы.
Живое вещество — преобразователь биосферы! Ознакомимся с его основными функциями:
Газовая функция живого вещества выражается в выделении свободного кислорода и его в переходе в озон; в выделении свободного азота, сероводорода, метана и других газов при разложении живого вещества; в поддержании на определенном уровне количества углекислого газа в атмосфере. Живое вещество сформировало нынешний состав атмосферы и поддерживает его.
С газовой функцией связаны два переломных (критических) периода в эволюции биосферы, которые называются первой и второй точками Пастера в честь известного французского ученого Луи Пастера.
Первая точка относится к периоду эволюции (примерно 1,2 млрд. лет назад), в котором содержание кислорода в атмосфере Земли достигло примерно 1% от современного уровня. Стало возможным появление первых аэробных организмов.
Вторая точка Пастера относится к периоду, в котором содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 10% от современного уровня (примерно 420 млн. лет назад). Такая концентрация создала условия для синтеза озона и образования озонового слоя в стратосфере. После того, как у нашей планеты появился «озоновый щит», стала возможной жизнь на суше. До того от губительного воздействия коротких ультрафиолетовых волн живое вещество защищала вода.
Биогеохимическая функция заключается в поступлении химических элементов Земли в живые организмы и возвращение этих веществ путем в окружающую среду (воду, почву, атмосферу). Концентрационная функция заключается в извлечении из окружающей среды и накоплении химических элементов, необходимых для построения тел живых организмов. Концентрационная способность живого вещества весьма велика, она на несколько порядков может превышать содержание атомов химических элементов в окружающей среде. Так, например, содержание углерода в растениях в 200 раз превышает его содержание в земной коре, а азота — в 30 раз. Результатом концентрационной деятельности живого вещества может стать образование из их останков залежей полезных ископаемых — нефти, каменного угля, горючих сланцев, осадочных пород и т.п.
Рассеивающая функция противоположна концентрационной. Рассеивание веществ в окружающей среде происходит при выделении организмами экскрементов, при линьке и т.п.
Окислительно-восстановительная функция, как видно из названия, заключается в окислении и восстановлении различных веществ с участием живых организмов.
Биохимическая или энергетическая функция — связывание и запасание солнечной энергии в живом веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации вещества.
Деструктивная функция заключается в разрушении организмами и продуктами их жизнедеятельности (в том числе и после смерти организмов) остатков органического вещества и косных веществ (некоторые грибы и бактерии). Не будь в природе «деструкторов», уничтожающих органические остатки, круговорот веществ и энергии не смог бы осуществляться. Поверхность планеты была бы покрыта толстым слоем остатков растений и трупов животных.
У вас может возникнуть вопрос: «Как и кто уничтожает косное вещество?». Вспомните о разрушении горных пород, которое производят лишайники, грибы и бактерии, а помогают им растения, чьи корневые системы прорастают в мельчайшие трещины.
Транспортная функция заключается в переносе вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Подобный перенос может осуществляться на огромные расстояния (при сезонных миграциях животных).
Информационная функция заключается в накоплении живыми организмами определенной информации, закреплении ее в наследственных структурах и передаче последующим поколениям.
Средообразующая функция заключается в преобразовании физико-химических параметров среды. Она представляет собой результат совместного действия всех остальных функций.
В отдельную функцию из-за ее важности выделяют биогеохимическую деятельность человека — изменение биосферы для своих хозяйственных и бытовых нужд.
«На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом», писал Вернадский.
Он сформулировал пять постулатов, относящихся к биосфере:
Постулат первый: «С самого начала биосферы жизнь, в нее входящая, должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, поскольку связанные с жизнью ее биогеохимические функции по разнообразию и сложности не могут быть уделом какой-нибудь одной формы жизни». То есть первобытная биосфера изначально была представлена богатым разнообразием форм жизни.
Постулат второй: «Организмы проявляются не единично, а в массовом эффекте. Первое появление жизни должно было произойти не в виде появления одного какого-нибудь вида организмов, а их совокупности, отвечающей геохимической функции жизни. Должны были сразу появиться биоценозы».
Постулат третий: «В общем монолите жизни, как бы не менялись его составные части, их химические функции не могли быть затронуты морфологическим изменением». Говоря о химических функциях, Вернадский имел в виду глобальные функции, благодаря которым осуществляется обмен веществ и энергии. В процессе эволюции отдельные (можно сказать — «второстепенные») химические функции живых организмов могут изменяться, но глобальные остаются постоянными.
Постулат четвертый: «Живые организмы своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом, непрерывной сменой поколений порождают одно из грандиознейших планетных явлений — миграцию химических элементов в биосфере, поэтому на всем протяжении протекших миллионов лет мы видим образование тех же минералов, во все времена шли те же циклы химических элементов, какие мы видим и сейчас». Четвертый постулат по сути является расширенным толкованием постулата третьего.
Постулат пятый: «Все без исключения функции живого вещества в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами». Обмен веществ и энергии, а также воспроизводство происходят на клеточном уровне, так что это утверждение верно.
Суть концепции эволюции биосферы, созданной Вернадским заключается в том, что биосфера формируется под воздействием живых организмов и вместе с ними находится в постоянном процессе эволюции.
Первыми обитателями биосферы нашей планеты были гетеротрофные анаэробные организмы Мирового океана. Гетеротрофными называются организмы, неспособные образовывать органические вещества из неорганических и питающиеся готовыми органическими веществами. Например, большинство животных — гетеротрофы.
Пищей для гетеротрофных анаэробных организмов служили органические вещества, возникших в результате сложных химических процессов, протекавших в Мировом океане. Гетероторфов становилось все больше и больше, а запасы органических веществ уменьшались. В ходе эволюции появились анаэробные автотрофные организмы, т.е. способные самостоятельно создавать органические вещества в процессе фотосинтеза, используя для этого солнечную энергию. В результате жизнедеятельности анаэробных автоторфов в атмосферу стал выделяться кислород. Постепенно его скопилось столько, что стало возможным появление аэробных организмов (первая точка Пастера!). «Можно сказать, что свободный кислород на нашей планете в своей подавляющей массе создается кислородно-углекислотной функцией живого хлорофильного вещества», писал Вернадский. Строение организмов усложнялось, появлялись новые виды, вместе с эволюцией форм жизни происходила (и происходит) эволюция биосферы.
Вернадский выделял три этапа развития биосферы:
Первый этап — возникновение жизни и первичной биосферы под воздействием геохимических и климатических изменений на нашей планете. На этом этапе жизнь была представлена прокариотами — одноклеточными живыми организмами, не обладающими оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами. Пример прокариотов — бактерии.
Биологический круговорот, постоянную циркуляцию химических элементов между живыми организмами, атмосферой, гидросферой и почвой, Вернадский назвал главной силой, организующей биосферу в единую самоподдерживающуюся биологическую систему.
Второй этап — усложнение структуры биосферы в результате появления эукариотных организмов, клетки которых имели оформленное ядро и органоиды. В ходе биологической эволюции появляются новые виды живых организмов, как одноклеточных, так и многоклеточных, растет их численность.
Третий этап начался с возникновения человека и формирования человеческого общества. Этот этап характеризуется постепенным превращением биосферы в ноосферу. Ноосферой называется состояние биосферы, решающим фактором развития которой является разумная деятельность человека. Третий этап определяется целенаправленной деятельностью человеческого разума, в отличие от первого и второго, которые протекали под действием природных процессов.