Глава первая. Биосфера и витасфера земли

 Пусть те из нас, кто хроник не читал,
 Позволят мне помочь им, а читавших
 Прошу смиренно извинить мне то,
 Что время, числа и поток событий
 Здесь не даны со всею правдой жизни И широтой...

Вильям Шекспир. "Король Генрих V"

... Идет гражданская война. В стране голод и разруха. А в это время крупнейший русский естествоиспытатель - геолог Вернадский завершает первые контуры общего учения о биосфере, которому суждено стать естественно научной основой проблемы "Биосфера и человечество".

Эта проблема по своей громадности, сложности и неподготовленности к ней социально и государственно разобщенного человечества уже стала перед Homo sapiens в глобальном масштабе. На смену прорицателям и астрологам приходят футурологи - ученые с широким кругозором, рисующие картины будущего красками нашей современности. Вал предсказаний растет, захлестывая человека потоками информации и прогнозов. Физика и ее дитя Техника уже в состоянии "перевернуть мир", а вместе с ним и человечество. На арену выходит Биология, она в фаворе, живет в роскошных теремах - лабораториях и институтах. Но вдали от этих теремов - в лесах и степях, тундрах и пустынях, в водоемах и горах живет живая жизнь - геологически и исторически сложившиеся совокупности организмов во вполне конкретном пространстве и времени. Вместе с биогенными и инертными (косными) компонентами среды эти сообщества составляют реально существующие, эволюционирующие и в то же время устойчивые активные структуры биосферы - биогеоценозы. Через познание работы биогеоценозов к познанию и управлению биосферой - таков естественный путь науки будущего. Средства нарушения структуры и работы биогеоценозов на Земле огромны и, к сожалению, не контролируются должными знаниями. Добыть эти знания - задача нелегкая, но ее надо решать - и для работы на Земле, и для работы в Космосе.

Сейчас ясно, что вся биосфера планеты несет следы человеческого воздействия. Эрозия почв, загрязнение вод, задымление атмосферы, аридизация суши и засоление рек - таков результат хозяйственной, а чаще бесхозяйственной деятельности человека.

С проблемой "Биосфера и человечество" мы входим в третье тысячелетие. Мы входим в него, вынужденные по-новому взглянуть на свои экономические, гигиенические, генетические и другие перспективы. Мы "вдруг" обнаружили, что Земля конечна в своих размерах, почвенные и другие ее ресурсы ограничены, природные системы нарушены. Особенно сильно пострадала главная производительная сила планеты - ее зеленый покров - поставщик кислорода, биомассы и биоорганических веществ. Антропоцентризм как форма мышления наносит непоправимый урон и биосфере, и самому человечеству. Военно-индустриальный характер послевоенного развития придал его деятельности однобоко потребительский характер. Ресурсы потреблялись в основном за счет сведения лесов, горных разработок, создания огромных водохранилищ для целей энергетики и т. д. При этом исчезали или резко нарушались лучшие угодья (прародина человечества) - поймы рек, древнеаллювиальные равнины, внутренние пресноводные водоемы.

Разработка биосферной и биогеоценологической концепций неизбежно поставит новую, необычную для нашего века проблему - перевод сельского хозяйства на биогеоценотическую основу. Миллионы тракторов и комбайнов, огромные горы удобрений, мелиорация в разных ее формах, подготовка кадров, распашка почв, составляющая ежегодно в линейном исчислении около трехсот расстояний от Земли до Солнца, миллионы тонн горючего и т. д. - это всего лишь часть затрат, используемых на поддержание сельского хозяйства. Обычные ссылки на высокие урожаи в Голландии или Бельгии не стоит принимать во внимание, если вспомнить небольшую площадь этих стран (площадь Бельгии равна площади одной Калужской области), научно оценить их почвенно-климатические условия и большие затраты на сельское хозяйство. Необходимо думать над тем, как увеличить прирост сельскохозяйственной продукции хотя бы в 10 раз. Научные подходы к решению этой проблемы пока еще не конкретизированы. Однако в самой общей форме можно предположить, что обеспечение человечества биопродукцией пойдет по пути ревизии стратегии ведения сельского хозяйствования, усиления развития пищевой индустрии, включая промышленность биосинтеза и химию экстрактивных процессов, и изменения традиционного пищевого рациона человека.

Биогеоценологический подход

Перевод сельского хозяйства на биогеоценотическую основу означает отказ от монокультуры, неустойчивой к болезням и лишенной своих природных союзников - других растений, микрофлоры и насекомых. Жизнь в природе всегда представлена сообществами организмов - растений, животных, микроорганизмов, то есть она существует реально в виде биоценозов. Чистые посевы культур с частой перепашкой почвы, когда резко нарушаются структура и численность микробного населения почвы, - изобретение человека, а не природы. Однако уже в идее севооборота лежат истоки биогеоценологического подхода, ибо в ней заключены не только экономические соображения, но и профилактика "почвоутомления", обогащение почв азотом (посев бобовых), борьба с вредителями, посев медоносов и т. д.

Белковый голод, испытываемый большей частью человечества, особенно дефицит животных белков, с природоведческой точки зрения может быть устранен лишь тогда, когда сельское хозяйство встанет на биогеоценотическую основу, включающую также селекцию дикорастущих трав.

Узкоспециализированное развитие растениеводства, в основном направленное на производство зерна, привело к тому, что человечество лишилось большого количества целебных веществ, способных значительно обогатить рацион человека. Наука еще далека от физиолого-биохимической оценки флоры и фауны, насчитывающей более трех миллионов видов. Поэтому можно ожидать многочисленных открытий "запасов" целебных веществ в разных организмах, подобно тому, как нашли йод в ламинариях, каучук в каучуконосах и т. д. Химия экстрактивных процессов, биосинтез и пищевая индустрия призваны внедрять эти открытия для блага людей.

Перевод сельского хозяйства на биогеоценотическую основу сулит сокращение затрат на получение биопродукции, увеличит устойчивость агробиоценозов к болезням, создаст фонды целебных веществ в биопродукции в полезной биоорганической форме и многое другое. Биогеоценозы характеризуются значительной устойчивостью во времени, поддерживаемой определенным круговоротом веществ и потоком солнечной радиации. Создавая агробиоценозы, человек должен научиться жить на проценты с этого круговорота, не подрывая производительных сил Земли. Этот путь неизбежен, но прежде чем встать на него, нужно подготовить условия для всестороннего развития биологии и биогеоценологии - теоретических основ сельского хозяйства будущего. Классическому до- кучаевскому генетическому почвоведению с помощью нового поколения активно мудрых почвоведов суждено стать "центральной дисциплиной естествознания" (Докучаев).

Общее учение о биосфере и биогеоценологии, основы которых были созданы в нашей стране В. И. Вернадским и В. Н. Сукачевым,- естественнонаучная основа проблемы "Биосфера и человечество". Ее возникновение знаменует переход биосферы в новое состояние - ноосферу (сферу Разума), общие контуры которой наметил В. И. Вернадский. Начало атомной и космической эпох - это наиболее четкие даты рождения ноосферы. Ноосфера отличается от биосферы тем, что в ней локальная роль человека на Земле переросла в глобальную и развитие биосферы стало все явственней определяться обратной связью с человечеством. Как пойдет эволюция ноосферы, пока сказать трудно, но несомненно, что человечество должно сделать все возможное, чтобы оправдать свое биологическое название Homo sapiens - человек разумный - и чтобы построить общество будущего, гармонично сочетающееся с окружающей его природой.

Земля - наша кормилица. А мы - ее "дети" - платим ей черной неблагодарностью, порой безотчетно, порой вполне сознательно хищнически растрачивая ее силы.

Расселяясь по Земле, расширяя свою хозяйственную деятельность, человек постоянно "мучает" почву: то приведет скот на почву и тот со временем вытопчет пастбище. То распашет целину, посеет зерно и за несколько лет совсем обессилит ее. Оставит человек в покое израненную почву, "пустит ее в залежь", дождется, пока она восстановит свои силы, и снова склоняется над ней. Долгое время так и складывались отношения между человеком и землей (почвой): человек убежит с израненной земли, а она промолчит в ответ на его насилие и со временем залечит раны.

Но все изменилось, когда он привел на поля трактора, стал обсыпать посевы химикатами, строить громоздкие плотины на реках, собирающих воду со всего континента. Почве недостает ни сил, ни времени, чтобы восстановиться, да и человеку уже некуда бежать, нет для него свободной земли.

За тысячелетия своей практики человечество накопило много наблюдений о жизни почв и сообразовывало свою хозяйственную деятельность с подмеченными особенностями и закономерностями. Этих знаний хватало, пока земля обрабатывалась сохой с использованием живой силы пахаря и лошади, то есть когда развитие земледелия шло экстенсивным путем.

Но с переходом к интенсивному земледелию возникла потребность в науке о почве. Эта наука - генетическое почвоведение - была создана выдающимся русским естествоиспытателем, профессором Петербургского университета В. В. Докучаевым.

У этой науки есть свой "паспорт". Местом ее рождения можно считать Петербургский университет, датой рождения - 1883 год, год защиты Докучаевым докторской диссертации "Русский чернозем".

В чем же суть открытия Докучаева? Он отделил от неопределенного, обыденного (научно некорректного) представления о земле представление о почве как особом естественноисторическом теле природы. И дело здесь, конечно, не в смене названия, а в глубоком научном анализе состава, свойств, происхождения и истории развития почв, облегчающем понимание того, как возникает плодородие почв, что делал человек с почвами и что надо делать, чтобы жить и развиваться в согласии друг с другом. Кстати, смена названия объясняется не прихотью ученого, а вполне объективной необходимостью. Давайте разберемся. У слова "земля" три понятийных значения. Земля (с большой буквы) - это третья по счету от Солнца планета. Земля (с малой буквы) - это территория, площадь, угодье, измеряемые в квадратных километрах, гектарах, акрах, а раньше - в десятинах. И, наконец, земля - почва, обладающая свойствами, резко отличающими ее от грунта или почвообразующей породы. Бесплодный грунт и плодородная почва - разницу между ними понимает каждый. Есть ли разница в том, как называть: земля или почва? В том и беда, что на почву смотрят, как на землю-грунт, и вытворяют с ней такое, что иначе как насилием не назовешь. Что же делать? С чего начать? Начинайте с раздумий о земле, о почве. Почитайте классиков. Будьте прежде всего мыслящими людьми, вникните в жизнь почв и их судьбу. Поймите их роль на планете. Не торопитесь. Если бы почвы могла говорить, они бы крикнули словами Юлиуса Фучика: "Люди, я любил вас, будьте бдительны!"

Еще до Докучаева возникали, сменяя друг друга, физические и химические теории структуры и свойств почв, теории, объясняющие произрастание на них растений, - теории водного, гумусового, минерального питания. Эти теории жили обычной для науки жизнью - соперничая и выясняя отношения между собой. В каждой из них содержался момент истины. Но только момент. Ни одна из них "не дотягивала" до того, чтобы стать наукой о почве.

Причина, как понял Докучаев, заключалась в том, что эти теории создавались специалистами: геологами и минералогами, физиками и химиками, биологами и агрономами, подходившими к изучению почвы с меркой понятий, принципов и методов исследования, сложившихся в их специальностях. Как говорится, "специалист флюсу подобен". Такой подход позволяет немало узнать о почве, но не выясняет главного: почему почва обладает целой совокупностью свойств, которые делают ее столь устойчивой и плодородной.

Это простой эмпирический факт, но как не просто было найти теоретическое его объяснение. Первый шаг, сделанный Докучаевым на пути к созданию учения о почве, заключался в признании почвы как особого природного тела, сложного, динамичного и вместе с тем целостного, существующего самостоятельно по своим собственным внутренним закономерностям.

Казалось бы, каждодневная практика на протяжении многих тысячелетий должна была давно привести к такому выводу. Почему же наука не сделала этого шага до Докучаева?

Дело в том, что естествознание еще находилось в тисках метафизики, идея развития только пробивала себе дорогу, да к тому же лишь в отдельных областях. А чтобы создать науку о почве, иначе говоря, дать развернутое теоретическое понятие о ней, нужно было показать, что почва есть результат и в то же время процесс многовекового взаимодействия живой природы с неживой. Только в этом качестве почва и является самостоятельным телом природы, что и зафиксировал Докучаев в своем определении почвы. Это обусловило переход от аналитического к синтетическому способу мышления, от изучения отдельного свойства вне его связи с остальными - к выявлению интегральных природных объектов и изучению процесса их развития.

Учение о почве как о взаимодействии живого с неживым вбирает в себя все области естествознания. Это объясняет, почему так труден и сложен был переход от эмпирического представления о почве, отложившегося в многочисленных образах и выражениях в народном сознании, к науке о почве. Трудность состояла не только в создании еще одной из многочисленных научных дисциплин. Требовалось переосмысление строения и самого типа мышления всего естествознания в целом, приведшее в наши дни к созданию биосферного естествознания. Докучаев прекрасно понимал эту историческую особенность, в которой рождалась наука о почве. Вот что он писал: "Не подлежит сомнению, что познание природы - ее сил, стихий, явлений и тел - сделало в течение 19-го столетия такие гигантские шаги, что само столетие нередко называют веком естествознания, веком натуралистов. Но, всматриваясь внимательнее в эти величайшие приобретения человеческого знания - приобретения, можно сказать, перевернувшие наше мировоззрение на природу вверх дном, особенно после работ Лавуазье, Лайеля, Дарвина, Гельмгольца и др., - нельзя не заметить одного весьма существенного и важного недочета. Изучались, главным образом, отдельные тела - минералы, горные породы, растения и животные и явления, отдельные стихии - огонь (вулканизм), вода, земля, воздух, в чем, повторяем, наука и достигла, можно сказать, удивительных результатов, но не их соотношения, не та генетическая, вековечная и всегда закономерная связь, какая существует между силами, телами и явлениями, между мертвой и живой природой, между растительными, животными и минеральными царствами, с одной стороны, человеком, его бытом и даже духовным миром - с другой. А между тем именно эти соотношения, эти закономерные взаимодействия и составляют сущность познания естества, ядро истинной натурфилософии - лучшую и высшую прелесть естествознания. Они же... должны лежать в основе и всего склада человеческой жизни".

Создание учения о почве вызвало цепную реакцию фундаментальных научных открытий философского и общенаучного характера.

Накопление огромного фактического материала в естествознании в конце XIX - начале XX веков настоятельно требовало обобщения разнообразных сведений о природе и синтеза концепции о Земле как планете, ее составе, структуре и энергетике. Созданное Докучаевым новое направление в естествознании послужило основой для развития естественноисторической концепции о материи как объективной реальности и о ее строении.

Эта концепция позволяет правильно понять законы, управляющие развитием окружающей нас природы. Только зная, как возникло и развивалось то или иное природное явление или объект, можно научно понять и объяснить современность, составить надежный научный прогноз будущего. Наука знает много разных концепций и классификаций - частных и общих, больших и малых, длительно живущих или быстро отошедших в прошлое, но достигнуть уровня- фундаментальности могут только те, что основаны на историзме. Назовем три такие научные концепции: дарвинизм, центральное звено которого - учение о происхождении видов путем естественного отбора, основанное на сравнительно-историческом анализе, преимущественно палеонтологическом; учение Докучаева и Вернадского о почвах, ландшафтах и биосфере, основанное на естественноисторическом анализе происхождения и развития этих сложных природных планетарных объектов; марксистско-ленинская концепция о развитии общества, основанная на историческом материализме.

Эти концепции - настоящие жемчужины современной науки. Они всесильны, верны и, что очень важно, постоянно развиваются. В них заложено здоровое начало здорового развития науки о природе.

За несколько десятилетий до открытий Докучаева Ф. Энгельс писал о трех великих открытиях XIX века в области естествознания, проложивших путь к научному, теоретическому пониманию материального единства мира в его многообразии и развитии: открытие эволюционного развития органического мира, закона сохранения и превращения энергии и, наконец, открытие клетки как универсальной элементарной структуры живой материи.

В XX веке, ознаменовавшемся, по словам академика Вернадского, "взрывом научного творчества", была создана концепция биосферы, человечество освоило энергию атомного ядра и вышло в Космос. Эти выдающиеся открытия подтвердили фундаментальное положение естествознания о существовании трех основных проявлений материи как объективной реальности - реальности - Космоса, реальности микромира и реальности биосферы, включающей человечество как составную часть. Соответственно у науки есть четыре задачи: познать Космос, познать микромир, познать биосферу и познать человечество ("познай самого себя").

К сожалению, разработке концепции биосферы было уделено (если иметь в виду общий массив научной дятельности человечества на протяжении всего нашего века), можно сказать, ничтожное внимание. А ведь не зная прошлого, нельзя понять будущего.

Поразительным является тот факт, что фундаментальные концепции или теории имеют многочисленные выходы в практику наших дней и особенно в самую ответственную ее область - планирование крупных акций людей, народов и человечества в целом на обозримое будущее, что крайне важно в связи с возникновением главной диалектической проблемы "Биосфера и человечество". Совершенно очевидно, что взаимодействие естественноисторического подхода к анализу биосферы и исторического подхода к анализу развития общества приведет к синтезу новой, соответствующей началу третьего тысячелетия концепции, которая, несмотря на значительную новизну и актуальность, сохранит в качестве основного звена исторический метод.

Таким образом, теоретической основой научного разрешения главной проблемы грядущего тысячелетия, - проблемы "Биосфера и человечество" станет биосферное естествознание, включающее учение о человеке (человечестве). И тем сильнее наша гордость за то, что у основания этой науки стоят два великих русских ученых, два крупнейших натуралиста - В. В. Докучаев и В. И. Вернадский.

Наша планета, несущаяся в космическом просторе вокруг Солнца в великом безмолвии и фантастическом холоде, состоит из нескольких оболочек - геосфер. Некоторые из них имеют физико-космическое происхождение, некоторые - порождены планетной историей, как всегда имеются переходные и смешанные варианты. Всем известно значение озонового экрана, сантиметровой оболочкой охватывающего нашу планету. Лежащий под ним воздушный океан разделен на несколько сфер. Легкая газовая геосфера - атмосфера - планеты подстилается жидкой оболочкой - гидросферой. Две трети площади Земли занимает соленый океан, а одну треть - суша, покрытая живым веществом, на 90 и более процентов состоящим из "живой" воды. Кроме того, в структуру суши входят реки, болота, озера, ледники и почвенные воды. Твердая фаза планеты представлена литосферой, или земной корой. Ниже залегает мантия Земли. Таково статическое строение нашей планеты, имеющей радиус в шесть тысяч километров, или шесть миллионов метров. Напомним, что мощность почвы ("кожа" планеты) не превышает одного метра.

В динамическом аспекте между этими геосферами осуществляется с той или иной скоростью геохимический и энергетический обмен. Скорость круговорота химических элементов между геосферами измеряется геологическими временами, варьируя от быстрых круговоротов (десятки, сотни, тысячи лет) до медленных и очень медленных (миллионы, десятки и сотни миллионов лет). С некоторой определенностью можно утверждать, что геохимические потоки вещества и энергии и их производные - круговороты атомов - проходят только в легких оболочках планеты: газовой, жидкой и минералогически легкой домантийной части литосферы, то есть до глубины не более 30 километров. Ядро Земли не охвачено этими потоками и круговоротами. Возникают вопросы: почему на планете Земля только верхние оболочки пронизаны потоками энергии и вещества? Где сила, приводящая все в движение? Где управляющая система этих планетарных механизмов?

На выяснение этих вопросов ученые потратили века научных поисков и размышлений. Ответ был найден только в начале нашего столетия, когда русский ученый В. И. Вернадский создал общее учение о биосфере, открыл управляющую, с кибернетической точки зрения, систему биосферы - живое вещество, которое за геологически длительное время (три-четыре миллиарда лет), захватив солнечную космическую энергию и превратив ее в энергию связи химических веществ, в корне изменило и преобразовало исходное планетное вещество в особое космическое состояние - биосферу.

Совершенно очевидно, что сгущения живого вещества на планете как по массе, так и по разнообразию определяют масштаб трансформации солнечной энергии в энергию земных химических связей. Это происходит в "живой" части биосферы - в витасфере Земли, или, что то же самое, в ее современном биогеоценотическом покрове, где живет живая жизнь. И так было всегда: следы былых витасфер мы находим в виде торфяников, пластов угля, нефти, известняков, сланцев и т. д. ("былые биосферы", по Вернадскому). В этом смысле биосфера уникальна, и она состоит из пластов былых витасфер, где некогда шли активные биогеохимические процессы, которые ныне совершаются в современной витасфере Земли на стыке твердой, жидкой и газовой оболочек планеты. Совокупность былых и современных витасфер и есть биосфера Земли - с глубин 10 - 30 километров до высот 20 - 25 километров, считая от нашей головы как от физического, и космического репера.

Биосфера Земли, по В. И. Вернадскому, - это общепланетарная оболочка, состав, структура и энергетика которой в существенных чертах обусловлены прошлой или современной деятельностью совокупностей живых организмов (живым веществом) в течение геологического времени. В отличие от биологии, изучающей живые существа и их сообщества во всем их разнообразии состава и жизнедеятельности на всех уровнях организации жизни (макромолекулярном, клеточном, организменном и др.), учение о биосфере в трактовке В. И. Вернадского рассматривает живые организмы как нечто целое и единое, как живое вещество, то есть совокупность всех живых организмов с точки зрения их глобальной геохимической и энергетической роли в масштабе геологического времени. Деятельность живого вещества на планете создала условия для появления человечества и обеспечила его существование и эволюцию. В основе биосферы как планетарного явления лежит организованность, представляющая собой функцию взаимодействия живого вещества с энергетическими, геохимическими и информациионными потоками за время длительной эволюции Земли.

Рассматривая роль живого вещества в геологическом и космическом ракурсах, В. И. Вернадский пришел к выводу об огромной мощности биосферы (в несколько километров) и разнообразии ее состава. Особо следует оценить слова Вернадского: "Биосфера не есть только так называемая область жизни. Это резко сказывается в ее веществе. Вещество ее состоит из семи глубоко разнообразных частей, геологически неслучайных". Далее он выделил эти семь частей: живое вещество, биогенное вещество, косное вещество, радиоактивное вещество, биокосное вещество, рассеянные атомы, вещество космического происхождения. Отсюда вытекает, что биосфера - понятие планетарное, широкое, намного превосходящее по объему поле исследования биолога и почвоведа, которое ограничивается "областью жизни". Вот почему при всей яркости термина "биосфера", при всей оригинальности и глубине общего учения о биосфере его нельзя полностью отождествлять ни с "областью жизни", ни с дисциплинами, ее изучающими.

По массе доля живого вещества в биосфере ничтожно мала, но по эффекту преобразования вещества и энергии, взятому в масштабе геологического времени, она огромна. Практически в биосфере все атомы подавляющего числа элементов периодической системы Менделеева прошли в своей истории через состояние живого вещества. Находясь в вечном круговороте, атомы не знают покоя, входя в состав то одного, то другого соединения, участвующего в больших и малых биогеохимических циклах миграции на суше, в океане, атмосфере, подземных водах и породах.

Живое вещество со своими геохимическими функциями, создав биосферу, настолько преобразовало лик Земли, что мы можем говорить об уникальности нашей планеты среди других планет Солнечной системы. Возраст Земли как космического тела оценивают в 5 - 5,5 миллиарда лет. Возраст находок ископаемых остатков организмов - 3 - 3,5 миллиарда лет. Время появления живых организмов на Земле благодаря новым открытиям все более отодвигается в глубь геологических веков, а исходя из геохимических представлений В. И. Вернадского, жизнь на планете вечна, то есть она появилась приблизительно одновременно с возникновением Земли. И все это время живое вещество перерабатывало вещество литосферы, гидросферы и атмосферы. Естественно, что главная задача современной науки о биосфере состоит в количественной оценке основных параметров живого вещества и его работы по организации биосферы, что, в первую очередь, сводится к определению количества биомассы на суше и в океане. По приблизительным подсчетам, биомасса единовременно живущих организмов на Земле составляет 2,423х10¹² тонн, а на долю водных приходится всего 0,003х10¹² тонн. Вес растений-фотосинтетиков на Земле составляет 2,4x1012 тонн, а вторичных организмов (животных) - 0,023х10¹² тонн. Предполагалось что биомасса микроорганизмов значительно меньше биомассы живого вещества, сосредоточенного в Мировом океане. Однако в последнее время установлено, что, несмотря на то что океан занимает две трети поверхности Земли, он почти в 1000 раз уступает суше по запасам живого вещества. С биосферной точки зрения океан - это биологическая пустыня. Окончательная, точная инвентаризация биомассы живого вещества планеты еще не проведена, но порядок величин установлен, по-видимому, правильно.

Однако важно не только оценить массу живого вещества на планете. Необходимо знать его видовое разнообразие, то есть знать, какие виды обитают на Земле, сколько и какова численность каждого вида, каков их вклад в энергетический и геохимический круговорот веществ. При этом нельзя упускать из поля зрения важнейший показатель - скорость размножения организмов.

По разным оценкам в наше время на Земле существует около 3,5 миллиона биологических видов, из них на долю растений приходится около 500 ООО видов. Остальная часть видов приходилась на животных и микроорганизмы, учет и систематика которых далеки от завершения.

Среди животных организмов наибольшим числом видов представлен класс насекомых (около 1 000 000), причем это число не окончательное. Так что изучающему список видов современных обитателей Земли стоило бы задуматься над тем, что нынешняя геологическая эпоха - эпоха господства насекомых, а отнюдь не человека. Да и то сказать: 3,5 миллиона видов, прошедших миллиарднолетнюю эволюцию, и один вид - человек - возрастом в несколько тысячелетий. Тут есть над чем задуматься!

Биомасса живущих организмов характеризует один из статических аспектов биосферы. Скорость круговорота веществ и, в первую очередь, скорость размножения разных видов, или смена поколений, дает представление о биосферных процессах как о явлении динамическом. К сожалению, скорости размножения организмов еще должным образом не систематизированы, хотя оценке их В. И. Вернадский придавал большое значение. Известно, что быстрее всех размножаются микроорганизмы, медленнее других - млекопитающие. Скорости размножения организмов варьируют в интервале от 10¹ до 10⁶ минут.

Размножение организмов

Прижизненные функции живого вещества разнообразны по масштабам, а их вклад в геохимические процессы зависит от дифференциального эффекта каждого вида организмов, его численности, скорости размножения, метаболической активности и ряда других факторов.

С живым веществом, представляющим собой мощный геохимический фактор в биосфере, связаны следующие функции: газовые, концетрационные, окислительно-восстановительные, биохимические и биогеохимические. Совокупность этих функций определяет все химические превращения веществ в биосфере. Все функции, кроме биохимической, осуществляются в термодинамическом поле биосферы, которое, по В. И. Вернадскому, существенно отличается от автономного поля организма.

Газовые функции живого вещества проявляются в форме миграции газов и их превращений из простых форм в сложные и обратно, как следствие прижизненного и посмертного метаболизма. Живое вещество в биогеохимическом смысле состоит из газов (кислорода, азота, углекислоты, водорода и др.). По мнению В. И. Вернадского, кислород и азот атмосферы, практически вся углекислота, в том числе связанная в известняках в виде карбонатов, природные горючие газы и т. п. - это производные живого вещества. Между живым веществом и газовой компонентой биосферы осуществляется постоянный обмен, определяющий важнейшие геохимические особенности нашей планеты. Среди основных газовых функций выделяются: кислородно-углекислотная, углекислая, озонная, азотная, углеводородная, сероводородная и терпеновая.

Концентрационные функции проявляются в способности живых организмов аккумулировать разные химические элементы, в том числе микроэлементы, из внешней среды (почвы, воды, атмосферы). Некоторые организмы концентрируют химические элементы в количестве, в десятки и даже тысячи раз превышающем их содержание в среде (растения-манганофилы, кальциефилы и др.).

Окислительно-восстановительная функция живого вещества определяет большой спектр химических превращений веществ, включающих атомы элементов с переменной валентностью, - соединений железа, марганца, микроэлементов и т. д. В основе этой функции лежит богатство живого вещества энергией, способной совершать разнообразные химические превращения.

Биогеохимические функции человечества (тех- ногенез, по А. Е. Ферсману) - новая, в геологическом смысле, форма созидания и превращения веществ в биосфере. Они стимулируют переход биосферы в новое состояние - ноосферу.

В учении о биосфере выделяются следующие основные аспекты: энергетический, освещающий связь биосферно-планетарных явлений с излучениями Космоса (в основном солнечными) и радиоактивными процессами в земных недрах; биогео-химический, освещающий роль живого вещества в распределении и поведении атомов (изотопов) в биосфере и ее структурах; информационный, освещающий принцип организации и управления в живой природе в связи с исследованием влияния живого вещества на структуру и состав биосферы (ноосферы); пространственно-временной, освещающий формирование и эволюцию различных структур биосферы в геологическом времени в связи с особенностями пространственно-временной организации живого вещества в биосфере (проблемы симметрии); ноосферный, освещающий глобальные эффекты воздействия человека на структуру и химию биосферы (разработка полезных ископаемых), создание новых для биосферы веществ (чистые алюминий, железо и другие металлы) и изотопов (радиостронций, радиоцезий и др.), преобразование биогеоценотических структур биосферы (сведение лесов, осушение болот, распашка территорий, создание водохранилищ, загрязнение вод, почв и атмосферы продуктами хозяйственной деятельности, внесение удобрений, эрозия почв, строительство городов и плотин, промысловое хозяйство и т. д.).

Выход человека в Космос за пределы биосферы будет стимулировать разработку новых аспектов учения о биосфере.

Эволюция биосферы тесно связана с эволюцией форм живого вещества (организмов и биоценозов) и усложнением их биогеохимических функций. Большую роль в эволюции биосферы играют трансформация солнечной энергии растениями и химической - хемосинтетиками и связанный с ней синтез биогенных веществ на Земле. Эволюция биосферы, обусловленная биогеохимической работой живого вещества, в свою очередь, стимулировала и направляла эволюцию конкретных видов организмов (обратная связь в эволюции).

Средний элементарный состав живого вещества

Чтобы лучше понять биосферные задачи, нужно в общей форме представить себе средний элементарный состав живого вещества.

В весовом отношении наибольшая доля приходится на кислород (65 - 70 процентов) и водород (10 процентов). Остальные 20 - 25 процентов представлены списком разнообразных элементов, общим числом более 50. К химическим элементам, содержащимся в организмах в количестве 1 - 10 процентов, относятся углерод, кремний, алюминий, железо, кальций, барий, марганец, сера, фосфор. В меньшем количестве (0,1 - 1 процент) содержатся азот, магний, натрий, хлор, цинк, бром, йод, ванадий.

В составе живого вещества постоянно присутствуют рассеянные и редкие элементы общим числом не менее 25. Отдельные элементы почти целиком захватываются живым веществом, постоянно обращаясь в его различных формах. Таковы йод, фосфор, сера и, по-видимому, калий.

Существуют специфические организмы, обладающие способностью преимущественного (более 10 процентов) накопления отдельных элементов, таких как кремний, алюминий, железо, кальций, магний, барий, марганец, сера, стронций, фосфор и некоторых других, что вызвало многообразные изменения условий миграции и аккумуляции их соединений. Так появились в земной коре месторождения угля, нефти, битумов, торфа, горючих сланцев, сапропеля. Изменились соотношения изотопов кислорода, углерода, серы. Многие месторождения руд железа, марганца, фосфора и других элементов имеют биогенное происхождение, то есть их создали микроорганизмы-концентраторы (железобактерии, серобактерии, диатомовые водоросли и др.), а также крупные обитатели суши и моря.

Биосфера отражает геохимическую и геофизическую неоднородность лика Земли (океаны, озера, горы, пустыни, равнины), а также неравномерность в распределении живого вещества на планете. Но мозаичность планеты - в значительной мере результат эволюции биосферы за сотни миллионов лет. В каждую геологическую эпоху были свои центры видообразования организмов, они смещались на поверхности по мере изменения геохимии и энергетики разных участков территории или акватории Земли. В каждую геологическую эпоху на Земле существовали участки с высокой или малой биоценотической плотностью (число видов организмов на единицу площади в единицу времени) и с разной интенсивностью круговорота веществ и трансформации энергии. Вследствие разной биоценотической и популяционной плотности и соответственно разной интенсивности биогеохимической работы в различных палеобиогеоценозах направление и темпы эволюции разных форм организмов в различных частях планеты были неодинаковыми и, следовательно, был неодинаков их общий биогеохимический эффект в истории Земли (эпохи рудообразования, углеобразования, нефтеобразования и т. д.). Об этом говорят данные палеонтологии. К сожалению, мы еще крайне мало знаем о биогеохимической работе палеобиогеоценозов, но есть надежда, что развитие геохимии, эволюционного учения, палеогеографии, палеонтологии, почвоведения и других наук приоткроет картину возникновения и смерти "былых биосфер".

Биосферная концепция Докучаева - Вернадского убедительно доказала, что исторический метод - это метод активного и объективного познания окружающего нас мира, показала, как возник и как развивался лик планеты под воздействием живого вещества и почему мы застали его таким, а не иным.

Жизнь и деятельность человека связаны в основном с относительно узким слоем биосферы - витасферой, или биогеоценотическим покровом, - реально окружающей нас живой природой во всем ее разнообразии. Здесь находится основная масса ныне существующих живых организмов и здесь наиболее активно протекают процессы биогенеза. В состав витасферы на суше входят биоценозы, нижние слои тропосферы, мощностью в несколько десятков метров, и почва с подпочвой - место средоточения корневых систем растений, микроорганизмов и многих видов животных. Таким образом, если мощность биосферы измеряется как в области суши, так и в области океанов километрами, то мощность витасферы - всего лишь метрами.

Витасфера, входящая структурно в биосферу, существенно отличается от основной массы биосферы как по составу, так и по энергетике. Витасфера представляет собой оболочку планеты, где совершается основная биогеохимическая работа ныне живых организмов, где дается старт длительным во времени и пространстве биогеохимическим циклам миграции веществ в биосфере планеты.

Элементарной структурной единицей витасферы является биогеоценоз (понятие, введенное В. Н. Сукачевым). Биогеоценоз представляет собой участок территории или акватории, однородной в топографическом, микроклиматическом, биоценотическом, почвенном, гидрологическом и геохимическом отношениях. Биогеоценоз - это естественноисторическое тело природы, оно объемно и неоднородно в физическом отношении, состоит из твердой, газовой и жидкой фаз, а также особой фазы - живого вещества.

Биогеоценоз включает в себя определенное сообщество организмов, почву, почвенно-грунтовую воду и нижние слои тропосферы. Реальные размеры биогеоценозов на планете варьируют в широких пределах: от нескольких метров (микрозападины в степях и полупустынях, березовые колки, песчаные дюны и т. д.) до нескольких километров (солончак, такыр, однородные участки степи, леса). Каждому биогеоценозу присущ свой круговорот вещества и определенный характер трансформации потоков солнечной энергии, функция которых - формирование биопродукции. Нарушение качественных или количественных характеристик круговорота веществ или трансформации энергии неизбежно ведет к изменению качественной структуры биопродуктивности (нарушение синтеза витаминов, аминокислот, ферментов и т. д.). Если круговорот веществ в биогеоценозе начинается и зависит от фотосинтеза растений, то управляющая система биогеоценоза сосредоточена в почве. Миллиарды почвенных микроорганизмов, грибов, актиноми- цетов, низших и высших почвенных животных осуществляют там постоянно с заданной ритмичностью грандиозный процесс разрушения и преобразования прижизненных метаболитов растений или их опада и ресинтез нового класса биоорганических веществ (гумус, антибиотики и т. д.).

Энергия, поступающая в почву с биоорганическими веществами, перераспределяется по различным структурам и компонентам почвы: пленочная, гигроскопическая и другие виды почвенной влаги, кристаллические решетки вторичных почвенных глинистых минералов, синтез гумуса и т. д. Изучение круговорота веществ и трансформации энергии в биогеоценозах только начато. Пока лишь можно предполагать, что равновесное (стационарное) состояние биогеоценозов в природе достигается за счет оптимизации круговорота вещества и потоков энергии в нем. Надежность работы биогеоценоза, этой сложной системы прямых и обратных связей между его звеньями, зависит от уровня и надежности работы почвенных организмов по деструкции (разрушению) и реутилизации метаболитов высших растений. Биогеоценозы и витасфера в целом - это энергетический и информационный мотор биосферы, задающий тип ее организованности.

Таким образом, при изучении биогеоценозов как открытых систем, способных к саморегуляции в течение длительного времени, особое внимание следует обратить на исследования почвы как динамической системы, определяющей надежность и длительность функционирования биогеоценоза. Конечным этапом подобных работ должна быть расшифровка механизмов управления биогеопенотическим процессом в природе, прогноз векторов и темпов этого процесса в разных зонах и ландшафтах и формулировка предпосылок к созданию научной концепции ведения хозяйства на биогеоценотической основе. Это означает эффективное использование биологических ресурсов лишь в размере "процента с оборота" веществ в биогеоценозах будущего. Создание биогеоценозов, работающих с высоким кпд и значительной надежностью в открытой или замкнутой среде, станет возможным после детального изучения механизмов управления в природе в комбинации с экспериментальным и математическим моделированием частных процессов в биогеоценозе и особенно в почвах.

Биосфера - хранилище памяти геологической истории планеты, "написанной" взаимодействием живого вещества с неживым. Главные действующие лица этой истории - биокосные системы (почвы и биогеоценозы), а ее "исполнители" - исторически меняющиеся сообщества (биоценозы) различных видов организмов.

Геологическая история планеты начинается с захвата фотосинтетиками лучистой энергии Солнца, с помощью которой осуществляется синтез высокомолекулярных соединений, богатых энергией. Жизнь была бы невозможна, если бы планету не обтекал солнечный луч - постоянный, непрерывно действующий и неисчерпаемый источник энергии. Вбирая в себя солнечную энергию, биосфера заряжает планету энергией, повышая ее энергетический потенциал. Непрерывность и неисчерпаемость солнечной энергии определяет непрерывность геологической истории планеты. Таков "вход" в биосферу. Все последующее определяется вступлением синтезированных живым веществом химических соединений в геохимический круговорот вещества в биосфере.

Наиболее простой путь изучения круговорота веществ в биогеоценозах - это изучение судьбы определенных химических элементов, их концентрирования или рассеивания в различных компонентах биогеоценоза (почвах, растениях, микрофлоре, газовой фазе биогеоценоза, животных организмах, водах и т. д.). Основной метод такого исследования состоит в зольном анализе компонентов биогеоценозов, по результатам которого сначала получают статическую картину распределения, а затем дедуктивным путем воссоздают картину круговорота веществ как динамического процесса.

О значении биологического круговорота веществ в природе наука "заговорила" после появления учения немецкого химика Юстуса Либиха о минеральном питании растений. Послелибиховский период изучения круговорота веществ стал периодом интенсивного накопления данных по зольному составу растений, а следовательно, более полного представления о балансе питательных веществ в земледелии. Накопление таких данных позволило глубже проникнуть во взаимоотношения растительности и почв и соответственно поставить на научную основу применение удобрений.

И все же зольный анализ не может дать полной картины круговорота: нельзя правильно решить вопрос о количестве минеральных веществ, вовлекаемых в биологический круговорот, по одному анализу "трупов". Нужно также изучать сезонные колебания обмена веществ между живой вегетирующей растительностью и почвой. Иначе говоря, нужно учесть огромное количество питательных веществ, ферментов и шлаков, перемещаемых растениями в ходе их жизнедеятельности. Суммарная масса веществ, участвующих в прижизненных процессах поглощения и выделения за все время жизни организма, во много раз превышает биомассу самого организма.

Строго говоря, понятие биологического круговорота веществ применимо лишь для биологических процессов метаболизма, протекающих внутри того или иного живого организма (отток веществ из одних органов в другие и обратно, через биолиты и т. п.), то есть на организменном уровне, поэтому изучение его - это область биологии (физиологии, биохимии и т. д.).

Не все этапы круговорота веществ в биогеоценозах осуществляются при прямом участии живых организмов; некоторые стадии протекают под действием абиогенных факторов (механические, физические и химические воздействия). Такое сочетание обеспечивает возникновение, по выражению Вернадского, "вихрей атомов", составляющих характернейшую черту функционирования биосферы и ее структур. Исследование подобного (биогенного) круговорота - задача биогеоценологии.

Наряду с биологическим и биогенным круговоротом следует выделять биогеохимический круговорот (собственно биосферный), определяющий миграцию химических элементов в биосфере в целом. Здесь также определяющую роль в передвижении и перераспределении химических элементов играет живое вещество, но при этом из круговорота изымается и откладывается огромное количество химических элементов, главным образом в зоне геохимических барьеров (залежи угля, нефти, бокситов, известняков и т. п.). Изучение биогеохимического круговорота химических элементов в биосфере и их биогеохимических циклов относится к области биогеохимии.

Важнейшей характеристикой круговорота служат его емкость и скорость. Часто под скоростью имеют в виду количество живого вещества, образующегося за единицу времени. С геохимической точки зрения такое представление не является полным и достаточным. Ведь в ходе круговорота происходит процесс самообновления организмов, осуществляющийся благодаря его поглотительной и выделительной функциям. Именно это и составляет геохимическую работу живого вещества, которую оно выполняет не путем простого накопления, то есть всасывания и депонирования, а способом кругового движения. Поэтому мерой биогеохимической активности организма следует считать массу химических элементов, перемещаемую им в биогеоценозе или в биосфере за единицу времени. Следовательно, скорость круговорота элемента нужно определять временем, затрачиваемым организмами в биогеоценозе на биогенный перенос такого количества данного элемента, которое равно его содержанию в этих организмах в данное время.

Биогенная миграция, составляющая часть общей миграции элементов в биосфере, - одна из главнейших форм работы в природных системах равновесий. В таких равновесиях работа достигает максимума, свободная энергия спускается до минимума. Обобщая огромный эмпирический материал, В. И. Вернадский сформулировал основные биогеохимические принципы. Первый биогеохимический принцип гласит: биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к максимальному своему проявлению. Выражением этого принципа в окружающей нас природе можно считать, во-первых, "всюдность жизни", то есть захват биогенной миграцией всего возможного пространства, и, во-вторых, давление жизни и тот напряженный растущий темп, каким идет техническое творчество цивилизованного человечества.

Эмпирический анализ окружающей природы показывает, что "всюдность" и давление жизни создаются в биосфере эволюционным путем.

Суть второго биогеохимического принципа, сформулированного В. И. Вернадским, в том, что эволюция видов, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, должна сопровождаться усилением биогенной миграции атомов в биосфере.

В основе дарвиновской, биологической по своему смыслу, концепции эволюции органического мира лежит принцип отбора организмов по признаку их приспособленности к среде. Учение о биосфере выдвигает новый - геохимический - критерий отбора. Согласно второму биогеохимическому принципу Вернадского, в процессе эволюции органического мира происходит отбор организмов, способных внести наиболее весомый вклад в расширение емкости и увеличения скорости биогеохимического круговорота в биосфере.

Геохимическая функция живого базируется на двух взаимосвязанных противоположных процессах - поглощения и выделения вещества. В учении о биосфере, характеризуя активность живого вещества, Вернадский говорил о "давлении жизни", о "всюдности жизни", о "растекании живого вещества по планете". Он не употребил антропоцентристское понятие "борьба за существование", к которому прибегнул Дарвин.

Борьба за пищу, за источники питательного вещества - лишь один из моментов жизнедеятельности живого вещества, связанный с его способностью к поглощению. Не менее, а в ряде случаев и более важна противоположная - выделительная - функция. Их значение для эволюции органического мира определяется законом, который может быть сформулирован следующим образом: ни один организм не может существовать в среде своих выделений (метаболитов) и трупов предков, то есть организм может иметь в избытке для себя пищу, но он погибнет от отравления своими собственными выделениями и от "трупного яда" своих предков. Природа выработала санитарный механизм очищения себя от метаболитов и других прижизненных и посмертных отходов. Обратите внимание, что ни на одном участке планеты мы не встретим монокультурного единообразия. Везде, где царствует природа, распространены сообщества организмов (биоценозы). Монокультура отвергается природой. Она - создание человека. В биоценозе метаболиты и другие продукты жизнедеятельности одного вида утилизуются другими видами. Санитарная функция в биогеоценозах также не только влияет на их формирование, но и определяет скорость и направление их эволюции.

Санитарная функция в биогеоценозах

Среда освобождается от метаболитов и за счет действия ряда факторов неорганического характера. Так, часть метаболитов разрушается под воздействием температуры и других физических и химических агентов, другая часть вымывается из почвы со стоком воды. Содействуют распаду метаболитов и морозы. Кроме того, в зимний период пауза в жизнедеятельности организмов снижает концентрацию метаболитов.

Биогенная миграция атомов указывает на существование определенного направления, в котором должен идти эволюционный процесс в биосфере. Палеонтологическая летопись имеет характер не хаотического изменения, а явления определенного, развертывающегося все время в одну и ту же сторону. В ходе эволюции видов происходили изменения биогенной миграции элементов, связанные с захватом в это время новых областей земной коры, новых пространств для жизни.

Впервые в истории Земли биогенная миграция, вызванная техникой, начала преобладать по своему значению над биогенной миграцией, производимой массой живого вещества. При этом изменились биогенные миграции для всех элементов. Этот процесс, совершающийся чрезвычайно быстро, в геологически ничтожное время, изменил лик Земли до неузнаваемости.

В охвате геохимической динамики жизни планеты и заключается сущность учения о биосфере. На исследование этого нацелены науки, составляющие особый класс фундаментальных наук - почвоведение, биогеоценология, геохимия ландшафтов, биогеохимия, радиационная биогеоценология, гелиобиология и другие. Проблема "Биосфера и человечество" оказывается в центре биосферологии как теоретической концепции о становлении человечества - мощной геологической силы и об интегральных геохимических эффектах глобальных акций человечества.

За последнее время в разработке общебиосферной концепции резко обозначились четыре ракурса. Это, во-первых, энергичное развитие генетики (особенно фенетики и генетики природных популяций организмов), во-вторых, повышенный интерес к проблеме прижизненных и посмертных метаболитов организмов, их судьбе, типам и механизмам их разложения и ресинтеза (почвообразование, гумусообразование и глино-образование), в-третьих, фотосинтез как пусковой механизм энергетики биосферы и, наконец, в-четвертых, анализ роли деятельности человека в биосфере. Совокупность этих ракурсов дает представление, хотя еще и недостаточно полное, о темпах и типах отбора биогеохимических процессов в биосфере. Создается впечатление, что формы жизни в своей организации задают и формы "смерти" и, следовательно, типы почвообразования и биогеохимические циклы, уводящие исходные организационные структуры жизни в интегральную организованность биосферы. Иными словами, типы "смертей", или распадов, организмов, включая прижизненные метаболиты, заданы в основном характером исходной структуры организмов, а не только и не столько термодинамической обстановкой среды.

Таким образом, мы приходим к выводу, что понять почвообразование вне биосферного ракурса видения нельзя. Почвы - порождение биосферы, точнее витасферы, а их разнообразие в природе, их мозаика заданы структурой и работой живого вещества (сообществ организмов) в конкретных биогеоценозах.