Биокосные системы Земли

Биосфера

В 1875 г. известный австрийский геолог Э. Зюсс (1831—1914) в книге, посвященной геологии Альп, наряду с атмосферой, гидросферой и литосферой выделил в качестве самостоятельной оболочки Земли биосферу — сферу жизни. Однако главная область научных интересов Зюсса была связана с тектоникой и региональной геологией; специально проблемой биосферы он не занимался[17].

Последующие 40 лет биосфера не привлекала внимания исследователей, и глубокой разработке этого понятия, созданию особого учения о биосфере наука обязана В. И. Вернадскому.

Вернадский стал размышлять о геологическом эффекте деятельности всей совокупности живых организмов, которую он назвал живым веществом. При таком подходе явления жизни можно было оценивать с геологических позиций, говорить о массе живого вещества так же, как о массе любой горной породы, выражать ее в тоннах. Особенно большое значение при этом приобретал энергетический подход, так как в отличие от горных пород живое вещество содержит огромное количество «действенной энергии» (по выражению Вернадского); оно совершает в земной коре большую работу, хотя и уступает горным породам по массе.

Развитие учения о биосфере. Вернадский пришел к выводу о том, что живое вещество представляет собой самую могучую геохимическую силу на земной поверхности. В 1928—1931 гг. он сформулировал очень четкие представления о пяти основных биогеохимических функциях живого вещества.

Первая функция — газовая. Ученый подчеркивал, что все газы верхней части земной коры порождены жизнью. Продуктом фотосинтеза зеленых растений является свободный кислород атмосферы, а продуктом дыхания всех организмов — углекислый газ. Вернадский полагал, что и азот атмосферы имеет биогенное происхождение. Углеводороды также в значительной степени являются продуктом жизнедеятельности микроорганизмов. Недаром самый распространенный углеводород метан (СН₄) еще в старину именовался болотным газом. Наконец, сероводород, как мы убедились, в основном образуется при микробиологическом разложении сульфатов.

Многие другие газы тоже биогенны. Вернадский, в частности, отмечал большую роль «запахов», т. е. газообразных пахучих органических соединений. В наши дни под именем фитонцидов они являются предметом детальных исследований биологов.

Исключительно важна и вторая — концентрационная — функция живого вещества, так как организмы накапливают в своих телах многие химические элементы. Наиболее наглядный пример — каменные и бурые угли, торф, образовавшиеся из остатков растений и являющиеся концентраторами углерода. По сравнению со средним содержанием в земной коре (2,3 · 10^-20%) в углях содержание углерода повышено в тысячи раз! Большинство геологов полагает, что и нефть — концентратор углерода и водорода — имеет биогенное происхождение.

Концентрационная функция живого вещества проявляется и в истории кальция. Достаточно напомнить о целых горных хребтах, сложенных остатками животных с известковым скелетом («Известковые Альпы» и т. д.).

Известны организмы — концентраторы кремния. Их деятельности обязаны отложения многих кремнистых горных пород, состоящих из остатков диатомовых водорослей, кремнистых губок и других организмов.

Концентраторами йода служат морские водоросли, железа, марганца, серы — особые бактерии, фосфора — позвоночные животные и т. д.

Третья — окислительно-восстановительная — функция играет важную роль в истории многих элементов с переменной валентностью. Напомним, что окисление и восстановление железа, серы, марганца, о которых говорилось в этой книге, связаны с деятельностью микроорганизмов. В истории азота, меди, селена, урана, кобальта, ванадия, молибдена и т. д. окислительно-восстановительная функция живого вещества также играет огромную роль.

К четвертой — биохимической — функции Вернадский отнес такие явления, как рост, размножение, перемещение живых организмов, которые имеют важное геологическое значение, так как приводят к быстрому распространению живых организмов — «давлению жизни».

Владимир Иванович ВЕРНАДСКИЙ (1863—1945)

Наконец, пятая функция — биогеохимическая деятельность человечества — представляет собой большую и самостоятельную область фактов, которые уже выходят за рамки понятия о биокосных системах.

Рассматривая деятельность живого вещества за все время геологической истории, Вернадский пришел к выводу, что организмы создали современную азотно-кислородную атмосферу, изменили состав литосферы и гидросферы. Именно поэтому ту часть Земли, где работает живое вещество, следует рассматривать как особую оболочку планеты — биосферу. К ней принадлежат тропосфера, весь Мировой океан, литосфера до глубины в несколько километров. Учение о биосфере, о геологической деятельности живого вещества Вернадский оформил в самостоятельную науку — биогеохимию. Он создал представление о «биокосных телах» — подсистемах биосферы. В этих представлениях Вернадский поднял Докучаевское учение на новый уровень — вскрыл сам механизм деятельности биокосных систем.

В представлениях о биосфере Вернадский во многом опередил свое время, и первые годы его идеи воспринимались с трудом или даже полностью отвергались. Ученым казалось, что Вернадский сильно преувеличил роль живого вещества. Они полагали, что главную роль на земной поверхности играют могучие неорганические силы природы, к которым живые организмы лишь вынуждены приспосабливаться.

Особенно четко подобная концепция была сформулирована в трудах крупного советского петрографа и геохимика Л. В. Пустовалова. Он писал: «...процесс минерального образования в основном определяется вовсе не жизнедеятельностью организмов, а совершенно иными факторами (ликом Земли, осадочной дифференциацией, процессами разрушения изначальных минералов и т. д.). 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.

Попутно небезынтересно отметить, что, по В. И. Вернадскому, общий вес живого вещества Земли равен примерно 10¹⁴ т, что по сравнению с весом земной коры до глубины 20 км составляет лишь одну стотысячную ее часть»[18]. Пустовалов здесь допускал ошибку, свойственную многим его современникам — противникам биогеохимических идей Вернадского. Говоря о ведущем значении неорганических факторов, он не понимал, что сами эти факторы, как, например, pH вод, содержание кислорода, углекислого газа, сероводорода и других активных веществ в окружающей среде, являются продуктом жизни, эффектом работы живого вещества.

Недооценка роли живого вещества в земной коре, как отмечал Б. Б. Полынов, во многом связана с привычкой судить о роли того или иного фактора по его массе, а масса живого вещества по сравнению с массой косной материи действительно ничтожна. Хорошее представление об этом дает сравнение В. М. Гольдшмидта: если литосферу представить себе в виде каменной чаши весом 13 фунтов, то вся гидросфера, которая поместится в этой чаше, будет весить 1 фунт, масса атмосферы будет соответствовать медной монете, а живого вещества — почтовой марке. Однако эта «почтовая марка» постоянно образуется и разрушается, переводя каждый раз солнечную энергию в химическую работоспособную форму. Если подсчитать всю массу живого вещества, которое было на Земле хотя бы за 1 млрд. лет, то она уже превысит массу земной коры. Действительно, биомасса Земли (сухое вещество), по новейшим данным, составляет 2,44 · 10¹² т, т. е. 0,00001% земной коры (2 · 10¹⁹ т), ежегодная продукция живого вещества близка к 2,32 · 10¹¹ т. Полагая, что последний миллиард лет продукция была близка к современной, можно рассчитать суммарное ее количество: 2 · 10¹¹ · 10⁹ = 2 · 10²⁰ т, т. е. в 10 раз больше массы земной коры. А если учесть, что живое вещество — это химически чрезвычайно активная «действующая масса», то станет понятной и его грандиозная энергетическая роль. Именно при таком подходе и выявляется ведущая роль живого вещества в верхней части земной коры, в биосфере. Это положение автор предложил именовать законом Вернадского. В нашей формулировке он сводится к следующему: миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (кислород, углекислый газ, сероводород и т. д.) преимущественно обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет данную биокосную систему, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории.

Для биосферы в целом характерны те же особенности, которые мы отмечали для почв и других биокосных систем: неравновесность и богатство свободной энергией, резкая дифференциация в пространстве, окислительно-восстановительная зональность, накопление информации. Заряжаясь солнечной энергией при фотосинтезе и других процессах, атомы химических элементов становятся «геохимическими аккумуляторами». Они активно мигрируют, участвуют в круговоротах, среди которых выделяются два главных — биологический круговорот атомов и круговорот воды. Фотосинтез возможен только в верхней части биосферы, куда проникает солнечный свет, имеются зеленые растения. Это ландшафты суши и верхние слои воды морей и океанов, где происходит аккумуляция солнечной энергии. Данную часть биосферы иногда именуют фитогеосферой. Ниже солнечный свет не проникает, фотосинтез невозможен, и там протекают только процессы разложения органических веществ за счет деятельности микроорганизмов и частично животных (рыб и др.)[19]. Сюда относятся глубокие части морей и океанов, горизонты подземных вод. Эту часть биосферы автор предложил именовать редусферой (от слова «редуценты» — организмы, разлагающие органические вещества и неспособные к фотосинтезу).

Если 30 лет назад биогеохимические идеи Вернадского еще порой встречали возражения или, во всяком случае, непонимание, то в наши дни положение коренным образом изменилось: учение Вернадского о биосфере приобрело большое практическое значение. Все, что говорилось выше об оптимизации культурного ландшафта, отрицательных обратных связях, централизации, может быть отнесено и к биосфере в целом, и к таким ее крупным подсистемам, как Мировой океан. Здесь также остро стоит проблема борьбы с загрязнением окружающей среды. Идеи Вернадского как основоположника новой науки получили всеобщее признание не только в нашей стране, но и за рубежом. Однако учение о биосфере еще не имеет особого наименования, неясно и его положение в системе наук. Существует тенденция включать его в биологию под наименованием «глобальная экология»; другие авторы относят науку о биосфере к числу наук о Земле.

Место биосферы в земном коре. «В „земную кору“... входит несколько геологических оболочек — биосфера, стратисфера, метаморфическая и гранитная оболочка. Все они когда-то в длении геологического времени находились на земной поверхности, были биосферами. Все они генетически между собой связаны, взятые в целом представляют одно явление»[20], — писал В. И. Вернадский в 1939 г. В частности, «к былым биосферам» ученый относил и наиболее распространенные изверженные породы — граниты (рис. 28). По его представлениям, они образовались за счет переплавления осадочных пород, опустившихся при погружении в геосинклинальных зонах на большие глубины. Так, возможно, в земной коре осуществляется «большой круговорот веществ», а также передача на глубину солнечной энергии, аккумулированной в минералах биосферы.

Рис. 28. Земная кора и биосфера (строение земной коры — по В. Е. Хаину, граница биосферы — по автору).

1 — осадочный слой; 2 — «гранитный» слой; 3 — «базальтовый» слой; 4 — верхняя мантия; 5 — граница биосферы; 6 — нижняя граница вещества, прошедшего через биосферу (былые биосферы)

«Солнечная энергия, — писал Вернадский в „Очерках геохимии“, — через посредство живого вещества пребывает в потенциальном состоянии не только в каменном угле, происходящем прямо из зеленых растений, но во всех вадозных минералах углерода, в углекислом кальции и других биогенных минералах, в большинстве вадозных минералов и, думаю, в существенной мере во всех»[21].

Этим самым определяется влияние биосферы на процессы, протекающие в глубоких частях земной коры — в очагах магматизма, поясе гидротермальных процессов.