Биосфера в учении Вернадского: живое вещество и ноосфера

Слово «биосфера» придумал не Вернадский: термин ввёл австрийский геолог Эдуард Зюсс ещё в 1875 году, обозначив им просто область распространения жизни. Вернадский сделал другое и куда более важное - в книге 1926 года он превратил описательное понятие в количественную геологическую концепцию. Жизнь у него перестала быть пассивным «населением» планеты и стала геологической силой, которая перерабатывает вещество земной коры и задаёт состав атмосферы, вод и почв. Поэтому на экзамене ждут не пересказа определения, а понимания механизма: чем именно работает живое вещество и почему его роль несопоставима с его массой. Разберём учение по частям, а собрать ответ под нужный формат работы поможет форма сразу под текстом.

Что такое биосфера по Вернадскому

Биосфера в учении Вернадского - это оболочка Земли, состав, строение и энергетика которой определяются деятельностью живых организмов, прошлой и настоящей. Ключевое слово здесь «определяются». Речь идёт не о территории, где встречаются организмы, а о геологической системе, в которой живое вещество выступает главным преобразователем.

Отсюда важное следствие: в биосферу входит не только живое, но и всё, что оно создало. Вернадский различал вещество живое (совокупность организмов), биогенное (созданное и переработанное жизнью - уголь, нефть, известняки, кислород атмосферы), косное (образованное без участия жизни - магматические породы) и биокосное (результат совместной работы живого и косного - почва, ил, природные воды). Почва как биокосное тело - прямая линия от учителя Вернадского, В. В. Докучаева, чьи факторы почвообразования стали для ученика моделью взаимодействия жизни и минерального субстрата.

Живое вещество: центральное понятие учения

Живое вещество - совокупность всех организмов планеты, взятая как единое целое и выраженная в массе, химическом составе и энергии. Вернадский сознательно отказался разбирать виды по отдельности: для геохимии важно не то, сколько существует видов бактерий, а сколько тонн углерода, азота и кальция они пропускают через себя за год.

Масса живого вещества по разным оценкам составляет порядка $2{,}4\cdot10^{12}$ тонн, то есть меньше одной миллионной доли массы планеты. Парадокс учения именно в этом: ничтожная по массе плёнка оказывается самой мощной геологической силой на поверхности Земли. Секрет не в массе, а в скорости оборота:

$\tau = \frac{M}{P}$

где $M$ - биомасса, $P$ - годовая продукция, $\tau$ - время полного обновления. Для наземной растительности $\tau$ измеряется годами и десятилетиями, для планктона океана - неделями. Живое вещество успевает обновиться многие тысячи раз за срок, ничтожный по геологическим меркам, и каждый цикл прогоняет через себя новую порцию атомов.

Где проходят границы биосферы

Рассчитать для своей задачи

Границы биосферы задаёт не география, а физико-химические пределы существования жизни. Сверху это озоновый экран на высоте примерно 20–25 км: выше жёсткий ультрафиолет разрушает органические молекулы. Вниз биосфера уходит на всю толщу гидросферы - организмы найдены даже на дне глубоководных желобов глубже 10 км. В литосфере жизнь прослеживается до 3–4 км, где предел ставит температура горных пород и подземных вод.

Вернадский различал поле существования жизни, где организмы живут и размножаются, и поле устойчивости, где они лишь сохраняются в покоящихся формах - спорами и цистами. Споры бактерий поднимаются в стратосферу и переносятся на тысячи километров, но там не размножаются, поэтому такие зоны в границы биосферы в строгом смысле не входят. Максимальная концентрация жизни при этом приходится на тонкие «плёнки» и «сгущения» на стыках сред: поверхность почвы, прибрежное мелководье, освещённый верхний слой океана.

Биогеохимические функции живого вещества

Рассчитать для своей задачи

Функции - это то, ради чего вводилось понятие живого вещества. Классически их выделяют четыре.

Газовая - организмы определяют газовый состав атмосферы. Свободный кислород, азот и углекислый газ в нынешних пропорциях имеют биогенное происхождение: современная атмосфера есть продукт жизни, а не её исходное условие.

Концентрационная - избирательное накопление химических элементов из рассеянного состояния. Диатомовые водоросли концентрируют кремний, моллюски и кораллы - кальций, бурые водоросли - йод, железобактерии - железо. Так возникают биогенные породы и месторождения: известняки, фосфориты, залежи серы.

Окислительно-восстановительная - изменение степени окисления элементов с переменной валентностью, прежде всего железа, марганца, серы и азота. На этой функции держится круговорот азота в почве: нитрифицирующие бактерии окисляют аммоний до нитрата, денитрифицирующие возвращают азот в атмосферу.

Биохимическая - синтез органического вещества и его последующее разложение, то есть построение тел организмов и их минерализация.

В расширенных классификациях добавляют энергетическую функцию (улавливание солнечной энергии в фотосинтезе), деструктивную, транспортную и средообразующую. На экзамене безопаснее назвать базовые четыре и отдельно упомянуть, что список расширяют.

Биогенная миграция атомов и биогеохимические принципы

Все функции сводятся к одному процессу - биогенной миграции атомов, то есть перемещению химических элементов через тела организмов. Атом углерода, вошедший в лист, окажется в теле травоядного, затем в почвенном гумусе, затем снова в атмосфере, и этот кругооборот идёт непрерывно.

Отсюда Вернадский вывел биогеохимические принципы. Первый: биогенная миграция атомов стремится к максимальному проявлению - жизнь занимает всё доступное пространство и вовлекает в оборот всё доступное вещество. Второй: эволюция видов идёт в направлении, усиливающем биогенную миграцию, поэтому геохимическая работа биосферы со временем растёт.

Механизм «максимального проявления» - размножение. Численность растёт геометрически:

$N(t) = N_0\,q^{\,t/\tau_g}$

где $\tau_g$ - время генерации, а $q$ - множитель за поколение. Вернадский считал для разных видов скорость передачи жизни: время, за которое потомство одной особи покрыло бы поверхность планеты. У бактерий это часы и сутки, у крупных млекопитающих - тысячелетия. Реально этого не происходит, потому что миграция упирается в ресурсы; величину, с которой размножение давит на среду, он назвал давлением жизни.

С этим связан закон константности: количество живого вещества биосферы для данной геологической эпохи есть величина постоянная. Ниша, освобождённая одной группой, немедленно занимается другой, поэтому суммарная биомасса колеблется, но не меняется на порядки. Логику насыщения ёмкости среды формально описывает логистическая модель роста популяции.

От биосферы к ноосфере

Рассчитать для своей задачи

Понятие ноосферы, сферы разума, появилось в 1927 году у Эдуарда Леруа и Пьера Тейяра де Шардена под впечатлением от парижских лекций Вернадского, но естественнонаучное содержание вложил в него именно Вернадский. В работе «Несколько слов о ноосфере» (1944) ноосфера определена как новое состояние биосферы, в котором главным фактором геологических изменений становятся научная мысль и организованный труд человечества.

Важно, что для Вернадского это не утопия и не философия истории, а продолжение той же биогеохимии. Человек остаётся частью живого вещества, но его геохимическая работа многократно превосходит по мощности работу любого другого вида: объёмы перемещаемых горных пород, синтез веществ, которых природа не знала, изменение круговоротов углерода и азота. Переход к ноосфере Вернадский связывал с конкретными условиями: заселение всей планеты, единство средств связи, вовлечение широких масс в управление, рост роли науки, освоение новых источников энергии.

Сегодня то же явление часто описывают термином «антропоцен», и содержательная разница между подходами есть. Вернадский смотрел на процесс оптимистично, как на закономерный этап эволюции биосферы, тогда как современная литература делает акцент на рисках необратимых изменений. Для письменной работы это удобная точка, где уместно собственное суждение.

Частые ошибки

• Приписывать Вернадскому сам термин «биосфера». Термин ввёл Зюсс в 1875 году; Вернадский создал учение и превратил понятие в количественную геологическую концепцию.
• Путать живое вещество с биомассой конкретной экосистемы. Живое вещество - планетарная категория, взятая в массе, составе и энергии, а не биомасса отдельного леса или озера.
• Сводить биосферу к «области распространения жизни». В неё входят и биогенные, и биокосные тела: кислород атмосферы, известняки, нефть, почва.
• Смешивать поле существования жизни и поле устойчивости. Споры в стратосфере не означают, что биосфера доходит до высоты 50 км.
• Понимать ноосферу как «эпоху экологии». У Вернадского это геологическое состояние биосферы, а не природоохранная программа.

FAQ

В каком году вышла «Биосфера» Вернадского и что в ней нового? Книга опубликована в 1926 году в Ленинграде. Новизна не в описании жизни, а в том, что живое вещество впервые рассмотрено как геологическая сила с измеримыми массой, составом и энергией, а сама биосфера - как результат его работы за миллиарды лет.

Чем биосфера отличается от экосистемы? Масштабом и языком описания. Экосистема - единица биоценотического уровня с потоками вещества и энергии между конкретными популяциями и средой. Биосфера - оболочка планеты в целом, и описывают её через геохимию: миграцию атомов, круговороты элементов, геологические результаты работы жизни.

Ноосфера уже наступила? Однозначного ответа нет, и это нормальный экзаменационный сюжет. Вернадский считал переход начавшимся, но незавершённым, и перечислял условия, часть которых выполнена (глобальная связь, планетарный характер науки), а часть нет (разумное управление ресурсами, отказ от разрушительных конфликтов). Корректная формулировка: ноосфера - направление процесса, а не свершившийся факт.

Коротко

Учение Вернадского о биосфере превращает жизнь из «населения планеты» в геологическую силу. Центральное понятие - живое вещество: совокупность организмов, измеряемая массой, химическим составом и энергией. При ничтожной массе оно перерабатывает вещество земной коры за счёт огромной скорости оборота, выполняя газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и биохимическую функции и обеспечивая биогенную миграцию атомов. Границы биосферы задают физико-химические пределы жизни, а закон константности удерживает её суммарную массу в пределах геологической эпохи. Логическое завершение учения - ноосфера: состояние биосферы, в котором ведущим геологическим фактором становится научная мысль человечества.