Свойства биосферы как системы

1. Биосфера больше других геосфер – непосредственно – связана с Космосом – она живет за счет космической (солнечной) энергии. Впервые тесную связь некоторых физических процессов на Земле с Солнцем заметили астрономы еще в 19 в.; позже эта идея проникла и в биологию.

2. «Всюдность» жизни: живое вещество обнаружено в широком диапазоне обстановок зоны гипергенеза: от термальных источников с температурами, даже превышающими 100 ^оС, до стратосферы, самых глубоких океанских впадин и на значительной глубине на континентах.

3. Антиэнтропийный характер жизни и неравновесность биогеохимических реакций. По словам акад. Л.С.Берга, «организмы осуществляют нечто с физической точки зрения невероятное». Таковы все ферментативные реакции. Например, для промышленного синтеза аммиака из азота и водорода нужны температура 500 ^оС и давление 300–350 атм. Микроорганизмы проводят эту реакцию при обычной температуре и атмосферном давлении при помощи фермента нитрогеназы. В 1935 г. немецкий биофизик Эрвин Бауэр, работавший тогда в СССР, выдвинул принцип устойчивого неравновесия живых систем.

«Этот принцип показывает, что живые организмы представляют собой открытые неравновесные системы, которые отличаются от неживых тем, что эволюционируют в сторону понижения энтропии. Сейчас его называют принципом Бауэра. Благодаря деятельности живого вещества, принцип устойчивого неравновесия действует и в биосфере в целом» (Лапо, 1987, с.31).

Живое вещество в этой кибернетической системе выполняет функцию ведущей подсистемы – так называемого центра системы. Вернадский (1987, с. 300) оценивал массу живого вещества как ~ 0.25% от массы всей биосферы.

4. Стационарность биосферы. На входе этой сложнейшей системы – поток космической (солнечной) энергии, а на выходе – биогенные продукты, в частности, осадки-биолиты. Внутри системы происходят циклические процессы – биологические круговороты, отдельные ее части эволюционируют (особенно органический мир), однако в целом, по основным своим параметрам, система остается стационарной – устойчивой.

Биосфера, после своего возникновения, становится активной силой и сама приспосабливает неорганическую среду к своим нуждам. Например, Вернадский считал, что озоновый экран биосфера как бы сама создала для своей защиты. Стационарность океана также является сугубо биосферным явлением. Из кибернетики известно, что устойчивость системы против внешних и внутренних возмущений обеспечивается ее внутренним разнообразием. Главное разнообразие в биосфере создается живыми организмами: их насчитывают около 2 млн видов. Именно поэтому уменьшение биологического разнообразия смертельно опасно для существования биосферы – она может «пойти вразнос», не справившись с буферированием внешних воздействий.

5. Мозаичное строение биосферы. Единицами этой мозаики, своебразными «квантами» биосферы являются так называемы экосистемы, самых разных размеров – «от кочки до оболочки» (по Ю.К.Ефремову). Согласно определению Д.В.Панфилова, «экосистемы – это комплексы взаимосвязанных популяций разных видов живых существ и изменяемой ими абиотической среды, обладающие способностью к саморегуляции и возобновлению всех главных компонентов их биоты».

Важное следствие гетерогенности (мозаичности) биосферы – присутствие в ней регионов с разной геохимической специализацией – «биогеохимических провинций». Это понятие было введено в 1936 г. в докладе Вернадского и его молодого ученика А.П.Виноградова «Геохимические провинции и заболевания» и потом дало начало целому научному направлению.

6. Особая роль воды в биосфере. «Вернадскому очень нравилось оп­ределение жизни как «одушевленной воды», данное французским биологом Р.Дюбуа...» (Лапо, 1987, с.31). Практически мы не знаем жизни без во­ды.

7. Особая роль газов в биосфере: ведь фотосинтез осуществляется путем поглощения СО₂ и сопровождается выделением кислорода из воды.

8. Для биосферы характерны круговороты атомов – циклические процессы. Разные циклы имеют разную длительность: от часов и суток до многих миллионов лет!

Например, установлена длительность циклов:

обновление биомассы в океане............. 33 дня

обновление фитомассы суши................ 14 лет

обновление углекислоты в атмосфере....... 6.3 года

обновление всего живого вещества......... 8 лет

обновление воды в гидросфере............. 2800 лет

обновление кислорода в атмосфере ........ несколько тыс. лет

обновление углерода в стратисфере........ десятки и сотни миллио­нов лет

9. Для этих круговоротов характерны три особенности – три» биогеохимических принципа» Вернадского.

– Принцип первый, названный А.И.Перельманом «Законом Вернадского»: «биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению» (Вернадский, 1987, с. 248).

– Принцип второй, касающийся биологической эволюции: «эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы» (Вернадский, 1987, с.250).

– Принцип третий, дополнительный к первому: «в течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможное для всего живого вещества, которое тогда существовало» (Вернадский, 1987, с. 265).

10. Биосферные циклы неполностью замкнуты (на 90–98%). Если бы было иначе – мы не имели бы в стратисфере органогенных горных пород – биолитов.

Живое вещество

Это центральная, ведущая подсистема сложной системы «Биосфера», составляющая, по оценке Вернадского, около 0.25% массы биосферы. Под «живым веществом» Вернадским понимал просто совокупность всех живых организмов. Наука до сих пор не дала определения жизни и нам придется довольствоваться интуитивным представлением. Все соглашаются, что:

– живое – это то, что способно к матричному самовоспроизведению;

– то, что состоит в основном из макромолекулярного органического вещества с большим одержанием воды;

– то, что осуществляет обмен веществ;

– то, что способно к биологической эволюции...

Все эти признаки живого общепризнаны, но не общепризнано, исчерпывают ли они понятие «жизнь». Поэтому мы с вами в эту сложнейшую философскую проблему современного естествознания углубляться не будем и снова обратимся к живому веществу по Вернадскому.

Живое вещество обладает 12-ю характерными свойствами.

1. Живое вещество обладает особым типом пространства.

2. В современной биосфере безраздельно господствует принцип Реди – «все живое из живого.

3. Для живого вещества характерно наличие биологической эволюции.

4. Организмы биосферы непременно передвигаются – либо пассивно, что присуще всем организмам вследствие их роста и размножения, либо активно, что характерно для животных и в меньшей мере для растений. (В замечательной научно-антастической книже «День триффидов» были описаны захватившие Землю пришельцы из Космоса – передвигающиеся скачками мыслящие растения).

Пассивное движение – размножение – приводит живое вещество к экспансии, и так сказать, помимо чьего-ибо «желания» эта экспансия стремится распространиться на все возможное пространство, в пределе – на весь земной шар (а для человечества – на ближний Космос). В этом и состоит причина «первого биогеохимического принципа» – или «Закона Вернадского». Эту экспансию Вернадский называл «давлением жизни» и рассчитывал скорость экспансии по специальным формулам.

5. Живое вещество гораздо разнообразнее косного.Мы уже говорили о 2 млн видов: в их составе содержатся около 2 млн органических соединений, что совершенно несопоставимо всего лишь с двумя тысячами минеральных видов. Вот почему химия углерода (точнее – углеводородов!) давно отпочковалась от химии как отдельная наука. Виды живого резче отличаются друг от друга, чем виды неживого.

6. Живое вещество представлено в биосфере только квантами –индивидами, т.е. организмами. Неквантованная биосфера пока остается порождением фантастики великого Станислава Лема (живой океан на Солярисе). Разброс размеров живых индивидов превышает 9 порядков: от 20 нм у наиболее мелких вирусов до 100 м у секвойи. Вернадский считал, что ограничения размеров заданы предельными возможностями их газового обмена со средой.

7. Несмотря на свою квантованность (дисперсность)живое вещество никогда не образует морфологически чистых форм – популяций индивидов только одного вида: оно всегда представлено биоценозами. Даже на первый взгляд, в «чистом» сосновом лесу обитает на самом деле около тысячи разнообразных организмов. Но есть такие особые биоценозы, как коралловые рифы, в которых разнообразие видов особенно велико.

8. Живое вещество обладает огромной свободной энергией. В неорганическом мире столь же «заряжены» энергией могут быть вулканические извержения и атмосферные явления, но там энергия приходится на большую массу, и сами эти носители недолговечны.

9. Органические (а отчасти и неорганические) компоненты живого вещества (белки, ферменты и пр.) устойчивы только в живом организме –а после его смерти обычно оказываются нестабильными даже в «мягких» условиях гипергенеза, и прежде всего они начинают окисляться и растворяться

10. Существует огромное различие между массой современного живого вещества и суммарной массой живого вещества «былых биосфер», которое непрерывно производило геологическую работу в зоне гипергенеза. Если в современной биосфере масса живого вещества составляет по разным оценкам что-то около 10¹² т, то за геологическое время, по оценке петербургского геохимика С.Г.Неручева, эта масса (сумма всех поколений живого) составила 2.4х10²⁰ г, что в 12 раз превышает массу земной коры.

11. Живое вещество благодаря ферментам на несколько порядков ускоряет скорости химических реакций, при этом небольшие импульсы энергии вызывают передачу и переработку весьма значительных энергий и масс. Например, синица за день съедает насекомых столько же, сколько весит сама, а некоторые гусеницы – в 200 раз больше своего веса! (попробуйте в день скушать 60 кг...).

12. Живое вещество осуществляет разделение природной смеси изотопов.

Биогеохимические функции живого вещества.

Рис 4.Основныефункции живого вещества в биосфере

Взято у А.В.Лапо [Лапо, 1987, с. 114]

------------------------

Для геолога важно не столько живое вещество современной биосферы – ЖВ, сколько фоссилизированное биогенное органическое вещество (седикахиты по Вассоевичу), или как его обычно принято обозначать – ОВ (органическое вещество). Изучением ОВ занимается специальная ветвь геохимии – органическая геохимия, которую не надо путать с биогеохимией, которая изучает геохимию ЖВ – живого вещества.

Если иметь в виду не только ЖВ, но и ОВ, то следует добавить еще две функции – барьерную, в которой ОВ образует геохимический барьер (термин, введенный в геохимию А.И.Перельманом) для мигрирующих химических элементов, и ресурсную, в которой ОВ служит ресурсом рудных компонентов для формирования месторождений. ОВ образует геохимический барьер двух типов – восстановительный и сорбционный.

Что касается ресурсной функции, то это – наиболее популярное понятие в геохимии черных сланцев. Сначала, в результате реализации концентрационной (ЖВ), средообразующей (и ЖВ, и ОВ) и барьерной функций ОВ накопило вышекларковые содержания элементов-примей, а потом, в условиях метаморфизма или гипергенеза – отчасти сбросило накопленное в растворы или флюиды. После этого рудные компоненты при подходящих условиях могли не рассеяться, а сконцентрироваться в виде рудных тел.

[1] В свое время Н.Б.Вассоевич, чтобы избежать этой двусмысленности с «органическим» и «биогенным», предложил органические вещества называть кахитами (CArbon + HYdrogen), а фоссилизированное органическое вещество, ОВ (оно в земной коре всегда биогенное) – называть седикахитами. Пока он был жив и очень влиятелен, эти термины были в ходу, но сейчас почти не употребляются, о чем можно сожалеть. Они очень удачны, мы их использовали и даже предложили специальный таксон углеродистых осадочных пород – кахитолиты [Юдович, Кетрис, 1986, 1988, 2000]).