Наука о доме

Наука о доме

Американский эколог Олдо Леопольд образно сказал: "Крупнейшее открытие XX века - это... признание всей сложности организма Земли. Только те, кому известно об этом больше, чем остальным, способны понять, как мало об этом известно".

Населяя Землю, люди живут в биосфере. Эта истина была установлена сравнительно недавно и оказалась важнейшим научным достижением XX столетия. Биосферу открыл В. И. Вернадский, создавший учение об этой особой зоне земной коры, где совместная деятельность живых организмов (включая человека) проявляется как планетарный геохимический фактор.

Биосфера моложе Земли и не сразу приняла свой современный облик; возникнув, она прошла долгий путь биогеохимической эволюции вместе с развитием планеты.

Жизнь Земли, надо полагать, началась с деятельности вулканов, во всяком случае вулканические извержения и сопутствующие им процессы положили начало геохимической миграции воды, газов, химических элементов и атомов. Вулканические пароксизмы транспортировали вещество из глубинных зон планеты на дневную поверхность, они сформировали основу земной коры и материков, наполнили океаны водой и окружили Землю атмосферой. Большинство исследователей считают, что вся анионная часть солевого состава океана поступила из вулканических продуктов. Действительно, основные анионы морской воды - хлор, сульфат, гидрокарбонат, бром и фтор - являются типичными компонентами вулканических дымов.

Взаимодействуя с водяным паром, вулканические газы сформировали химический состав древнего океана. Его воды представляли собой смесь разбавленных растворов кислот - соляной, фтористоводородной, борной и т. д., имея рН = 1 - 2. Выполненные специалистами расчеты показывают, что вулканическая деятельность могла обеспечить более половины всей массы воды, составившей гидросферу.

Существование гидросферы отличает нашу Землю от всех планет Солнечной системы, только на Земле идут дожди, плещутся волны морей, океанов, рек и озер.

Древнейшее прошлое нашей планеты характеризовалось отсутствием на ее поверхности пресной воды, которая могла существовать тогда только в виде пара. Пресная вода появилась в результате эволюции биосферы, так же как и современная атмосфера, которая так же уникальна, как и гидросфера.

Луна и Меркурий атмосфер не имеют, для этого они слишком малы. Марс обладает разреженной атмосферой из углекислого газа со следами водяных паров, окиси углерода, кислорода, озона и водорода. Атмосферное давление на Марсе в 200 раз меньше, чем на Земле, зато на Венере оно в 50 раз больше земного. Венерианская атмосфера в основе похожа на марсианскую и состоит из углекислого газа с небольшими количествами кислорода, водяного пара и аммиака.

Газовый состав атмосфер планет-гигантов резко отличается от планет земной группы. Атмосфера Юпитера состоит из молекулярного водорода, метана, аммиака и гелия. Специалисты предполагают наличие аналогичных атмосфер у Урана, Нептуна и Плутона.

Современная атмосфера Земли - третья за ее историю. Самая древняя образовалась при дегазации недр, была восстановительной и состояла из водяного пара, углекислого газа, метана и аммиака, напоминая одновременно вулканические дымы и атмосферу примитивной бани, истопленной по-черному. В нижних слоях атмосферы бушевали грозы, обрушивая ливневые потоки на земную поверхность, которую потрясали землетрясения и вулканические извержения. Тучи пепла поднимались из вулканов, закрывая Солнце.

Под действием электрических разрядов, ультрафиолетового излучения и космических лучей в атмосфере начался синтез органических соединений, которые создали, по выражению академика А. И. Опарина, "органический бульон".

Возможность синтеза сложных органических соединений в древней атмосфере Земли получила экспериментальное подтверждение в 1955 году в работах, выполненных в Колумбийском университете Стэнли Г. Миллером, который подверг смесь метана, аммиака, водорода и паров воды действию высоковольтных искровых разрядов и синтезировал мочевину, муравьиную кислоту и формальдегид.

Продолжив эксперимент, С. Г. Миллер получил глицин, аланин, аспаргиновую, глютаминовую кислоты и другие соединения, которые входят в состав белков или принимают участие в биохимических обменных процессах живых организмов.

Гипотеза А. И. Опарина связывает возникновение жизни на Земле с определенным этапом планетной эволюции. При этом шло долгое преобразование органического вещества, пока оно не приобрело свойства живой материи, стало обладать способностью самовоспроизведения и саморегуляции.

Однако, как справедливо отмечает М. М. Камшилов, "живые организмы, строго говоря... не являются самовоспроизводящими. Они воспроизводят себя в условиях очень сложной среды, в биосфере". Живут они тоже в биосфере, где и производят свою саморегуляцию, постоянно взаимодействуя с элементами биосферы, которые также обладают саморегуляцией (например, океан или атмосфера), как и вся биосфера в целом.

В 1931 году В. И. Вернадский опубликовал статью "Об условиях возникновения жизни на Земле", где он рассматривал возникновение жизни вместе с образованием биосферы, т. е. появлением некоей совокупности живых форм, выполняющих соответствующие геохимические функции, присущие биосфере. Развитие этих форм в эволюционном процессе привело к возникновению остальных организмов. В свою очередь биосферу В. И. Вернадский рассматривал как "планетарное явление космического характера" и подчеркивал, что "твари Земли являются созданием сложного космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма, в котором, как мы знаем, нет случайности..."

Эти идеи находят сейчас все большее признание. В. И. Вернадский писал об организованности биосферы. В наше время биосферу считают кибернетической системой, обладающей свойством саморегуляции. В частности, профессор А. С. Прессман, сопоставив современные представления о происхождении жизни с идеями В. И. Вернадского, заключает, что "иерархия живой природы возникла, эволюционировала и ныне функционирует как закономерная часть планетной кибернетической системы - биосферы, которая, в свою очередь, образовалась и развивалась как закономерная часть организованности Вселенной".

"Все мы... являемся частичкой звездного праха", - эффектно заметил английский астрофизик У. Фаулер, имея в виду, что химические элементы образуются в недрах звезд. Полагают, что наша Солнечная система возникла путем конденсации вселенского газового вихря, движение которого унаследовали планеты и Солнце. Сепарация химических элементов, использованных природой на строительство планет, была очень высокой. 90% протовещества стало Солнцем, остаток на 99% состоял из водорода и гелия, которые улетели в космическое пространство, и в итоге лишь тысячная доля первичного вещества пошла на образование планет. Геохимическая организация планет куда выше, чем звезд, которые не имеют ни твердого, ни жидкого, ни газообразного, ни химических соединений, ни даже нейтральных атомов - только однородная раскаленная плазма из электронов, протонов, нейтронов и других частиц.

Природе потребовалось преодолеть "дистанцию огромного размера", осуществив геохимическую эволюцию от звездной материи к планетному веществу, к созданию "колыбели жизни" и самой жизни.

Следы самой древней жизни на нашей планете, найденные в гренландских кварцитах, имеют возраст 3,8 млрд. лет, что всего на 900 млн. лет меньше геологического возраста Земли, определяемого в 4,7 млрд. лет. С деятельности первых организмов началось преобразование лика Земли, но главную роль в геохимической эволюции биосферы сыграли фотосинтезирующие организмы.

Первыми фотосинтезирующими организмами были синезеленые водоросли, чья жизнедеятельность 2 млрд. лет назад стала изменять газовый состав атмосферы. Синезеленые водоросли созданы природой примитивно, но прочно. Эти низшие растения, не имеющие клеточного ядра, встречаются в полярных льдах и горячих источниках, могут развиваться в пресной и соленой воде. Побочным продуктом их деятельности стали строматолиты - известковые образования, известные в отложениях протерозоя и раннего палеозоя.

Водоросли стали потреблять углекислый газ, выделяя в атмосферу кислород, который реагировал с аммиаком, в результате чего получались молекулярный азот и вода.

Атмосфера безжизненной Земли содержала не более 0,1% современного количества кислорода, который образовывался в результате фотохимических реакций в верхних слоях атмосферы. С этого почти нулевого уровня началась деятельность фотосинтезирующих организмов, которые к началу палеозойской эры увеличили количество атмосферного кислорода в 10 раз, что способствовало резкому увеличению эволюции морских организмов.

Дальнейшее насыщение атмосферы кислородом, составившее ко времени появления многоклеточных 10% от современного содержания, способствовало в начале третичного периода заселению материков живыми существами, а 400 млн. лет назад в болотистых низинах силурийской эпохи выросли предки современных земных растений - псилофиты. В девонскую эпоху появились леса, в неогене - степи, в четвертичном периоде - тундры.

Большая часть кислорода, созданного деятельностью фотосинтеза за геологическую историю планеты, была захоронена в литосфере в виде карбонатов, сульфатов, окислов железа и других осадочных образований. Масса этого "окаменевшего" кислорода в 15 раз превышает его количество, функционирующее в биосфере в виде газа или сульфатных ионов, растворенных в гидросфере. Захоронению подвергался не только кислород, но и углерод. Продукцией биогеохимической деятельности живых организмов стали залежи каменных и бурых углей, нефти. Процесс захоронения органического вещества способствовал обеднению атмосферы углекислым газом и обогащению кислородом.

По современным оценкам, древняя атмосфера была насыщена углекислотой в 1000 раз больше, чем современная. Почти половина этой углекислоты сохраняется в земной коре в виде карбонатов кальция, магния и железа.

Весь кислород современной атмосферы проходит через живые организмы за 2 тыс. лет, углекислота - за 300 лет, вся гидросфера обновляется за 2 млн. лет. Круговорот воды является важнейшим свойством гидросферы, определяющим постоянство и возобновляемость водных запасов.

Время жизни атмосферной влаги составляет 10 суток, речные воды живут на 1 день дольше, а почвенная влага и воды-верховодки возобновляются ежегодно.

Биогеохимические круговороты составляют основу жизни биосферы. Непрерывные циклы воды, углерода, азота, кислорода, фосфора и других биогенных элементов обеспечивают практически бесконечное функционирование жизни, основанной на постоянном потреблении ограниченных запасов минеральных веществ на нашей планете.

Два основных процесса определяют биосферный цикл углерода - это фотосинтез и дыхание, которые сбалансированы так точно, что газовый состав атмосферы остается постоянным в пределах долей процента. Как отмечает французский эколог Ф. Рамад, в некотором отношении круговорот кислорода напоминает обратный круговорот углекислого газа: движение одного происходит в направлении, противоположном движению другого.

Современная сбалансированность геохимических циклов углерода и кислорода существует уже около 50 млн. лет, со времени насыщения атмосферы кислородом до современного уровня.

До появления развитого промышленного производства круговорот углерода в биосфере был полностью замкнут.

Ежегодная продукция живого вещества разлагалась при дыхании автотрофных и гетеротрофных организмов, при этом выдыхаемая углекислота компенсировала потребление атмосферного углекислого газа процессом фотосинтеза. 2 млрд. лет трудились живые организмы, создавая современный механизм биосферы. Разрабатывая концепцию биосферы, В. И. Вернадский сформулировал понятие живого вещества как совокупности всех живых организмов на Земле и, показав, что живое вещество представляет собой самую могучую геохимическую силу на земной поверхности, описал основные биогеохимические функции живого вещества. Первой функцией он назвал газовую, указав, что атмосферные газы созданы жизнью: кислород - результат фотосинтетической деятельности зеленых растений, углекислый газ - продукт дыхания всех организмов.

Особо подчеркнув геохимическую взаимосвязь живого вещества и атмосферных газов: "Почти все вещество организмов создается из газов. Еще ярче эта связь выражена в факте, что все земные газы (исключая вулканические эманации) так или иначе связаны организмами с процессами жизни", ученый заключил, что живые организмы создали современную атмосферу, преобразовали гидросферу и литосферу. Оценив значение геологической деятельности живого вещества, В. И. Вернадский выделил особую оболочку планеты - биосферу, описав ее структуру, функции, химический состав, он особо отметил, что одной из функций планетарной деятельности живого вещества является биогеохимическая деятельность человечества.

Великие идеи В. И. Вернадского намного опередили свое время, став основой современного естествознания.

Не все и не сразу их приняли. Некоторые пытались критиковать. Например, известный петрограф Л. В. Пустовалов в свое время писал: "...процесс минерального образования в основном определяется вовсе не жизнедеятельностью организмов, а совершенно иными факторами... Организмы, сами зависящие в своем развитии от неорганической жизни земного шара, не могли и не могут самостоятельно играть той будто бы ведущей и определяющей роли, которую ошибочно нередко приписывают им в данном случае".

Основную массу живого вещества Земли образуют зеленые растения суши, составляя от веса земной коры всего лишь 0,00001%. В. М. Гольдшмидт образно представил весовые пропорции живого вещества и земных оболочек в виде каменной чаши массой 13 фунтов, соответствующей литосфере, куда налита масса воды, равная 1 фунту и представляющая гидросферу. Тогда атмосфера будет не тяжелее медной монеты, а живое вещество "уложится" в почтовую марку. Этот подсчет статичен и не учитывает деятельность живого вещества, а если принять во внимание земную историю, то окажется, что за 1 млрд. лет на Земле функционировало количество живого вещества, соответствующее массе земной коры, а продукция живого вещества за это время в 10 раз превышает массу земной коры. Вот вам и "почтовая марка".

Ежегодная продукция живого вещества по современным оценкам приближается к 380 млрд. т, на ее образование природа использует около 300 млрд. т атмосферной углекислоты, 5 млрд. т почвенного азота и 15 млрд. т других элементов. В частности, стойкие комплексные соединения образуют с клеточными веществами 12 металлов: магний, алюминий, титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, молибден. Все земные растения поглощают за год почти 1,5 млрд. т этих металлов. Сопоставив масштабы "зеленого" концентрирования металлов с величинами их разведанных мировых запасов, профессор Е. А. Бойченко пришла к выводу, что растения могли создать современные мировые рудные запасы за следующее число лет; железа - 910, меди - 38, никеля - 32, кобальта - 16, марганца - 10, молибдена - 5, а цинка - всего 1,5 года. Отдельные группы водорослей и высших растений характеризуются собственными уровнями концентрации металлов: синезеленые водоросли докембрия обогащены железом, кобальтом, никелем и цинком, голосемянные растения палеозоя "насыщены" марганцем, а покрытосемянные - марганцем и молибденом. Между накоплением отдельных металлов в растениях определенной геологической эпохи и обогащением ими одновозрастных осадочных пород существует определенная зависимость. Например, массовое распространение в докембрийских морях синезеленых водорослей с высоким содержанием железа, кобальта и никеля совпадает по времени с образованием наиболее мощных рудных осадочных толщ этих элементов.

Металлы концентрируют не только растения, но и другие живые организмы. Алюминий собирается в слизистой оболочке бактерий, которые могут накапливать его до 18%. Кремний поглощают диатомеи и кремневые губки, к железу, кальцию и сере проявляют склонность определенные виды бактерий.

Концентрационную функцию живого вещества В. И. Вернадский описал как одну из важнейших в деятельности живых организмов. Геохимические возможности организмов прекрасно иллюстрирует вся история земной коры, атмосферы и гидросферы, но в наше время наибольшую наглядность имеет геохимическая деятельность человечества.

Особая заслуга В. И. Вернадского состоит в том, что он не только оценил геохимическую роль живого вещества, но понял геохимическое значение человеческой деятельности и предсказал необходимость разумного регулирования взаимоотношений человека и природы, назвав этот этап развития биосферы ноосферой. В. И. Вернадский понимал ноосферу как необходимый и естественный синтез природы и человеческого общества, где основным фактором использования, преобразования и сохранения окружающей среды является разумная деятельность человечества, для которого охрана природы столь же естественна, сколь и необходима. Занимаясь концепцией ноосферы, В. И. Вернадский пришел к выводу о соответствии теории научного коммунизма и учения о ноосфере: "То понятие ноосферы, которое вытекает из биогеохимических представлений, находится в полном созвучии с основной идеей, проникающей "научный социализм".

Биогеохимические идеи В. И. Вернадского фактически создали новое научное направление, известное сейчас как глобальная экология. Экология буквально переводится с греческого как наука о доме и представляет собой систему знаний о взаимоотношениях организмов с окружающей средой. Около полувека назад В. И. Вернадский писал о геохимической деятельности человечества, современные авторы рассматривают вопросы загрязнения окружающей среды - следствие неупорядоченной геохимической деятельности человечества.

Целью исследований по глобальной экологии является оптимизация взаимоотношений человека и окружающей среды. При этом обсуждаются географические, биологические, юридические, социальные и экономические аспекты. Все они исходят из концепции биосферы, созданной лидером современного естествознания В. И. Вернадским, из данных о геохимических характеристиках природных сред, о глобальных и локальных геохимических потоках элементов, об их изменении хозяйственной деятельностью человечества.

Таким образом, проблема загрязнения окружающей среды в своей основе геохимическая, вызванная антропогенным нарушением природных циклов, уровней и потоков химических элементов в биосфере. Именно на научную концепцию В. И. Вернадского опирается международная программа ЮНЕСКО "Человек и биосфера" (МАБ) и Общая развернутая программа стран - членов СЭВ в области охраны и улучшения окружающей среды.

Заканчивая рассказ о биосфере, нельзя не вспомнить имени другого выдающегося русского ученого - основоположника почвоведения - науки о земле, без которой нет ни лесов, ни лугов, ни цветов, ни сельскохозяйственных угодий. Столетие назад, в 1883 году, вышла книга "Русский чернозем", посвященная четвертому царству природы - почве, образующейся в поверхностном слое литосферы, вовлеченном в биологический круговорот вместе с растениями, животными и микроорганизмами. Книга принесла мировую известность автору - профессору Петербургского университета В. В. Докучаеву, чьи лекции по минералогии и красталлографии слушал студент В. И. Вернадский. Впервые рассмотрев почву как продукт сложного взаимодействия комплекса природных условий, как функцию ландшафтных особенностей природной среды, и создав, таким образом, научное генетическое почвоведение, В. В. Докучаев положил первый камень в фундамент учения о биосфере. Современный американский эколог Ю. Одум по праву назвал В. В. Докучаева "пионером экологии" - науки, определяющей гармонию взаимоотношений природы и человечества, гармонию, без которой невозможно ни дальнейшее существование человека как биологического вида, ни социальный прогресс.