Ч а с т ь III
ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ И ГЕОЭКОЛОГИИ
На рубеже XIX и XX вв., выполняя новый социальный заказ, экология и география обратились к изучению вековечных связей и взаимодействиймеждупредметамииявлениямиприродынаповерхности Земли, а также к исследованию взаимного влияния природы и общества. Родилась новая география, назначение которой сегодня состоит уже не только в расширении пространственного кругозора, новуглубленииэколого-географическогомировоззрения, впознании взаимосвязей общества и природы.
Особенностью глобальных проблем является их сложный комплексный характер. Ошибочно идти по пути разработки только частных научных направлений и технических решений. Человечество должно выдвинуть на передний край науки, обладающие высокими интегрирующимиспособностями, науки, высшаяцелькоторых– прогнозировать изменения природы на поверхности Земли (на материкахивокеанах), предлагатьоптимальныевариантытерриториальной организации хозяйства, размещения населения, находить решения, устраняющие отрицательное воздействие человека на природу. Такими науками в наше время становятся экология и география, а их теоретическим фундаментом - учение о биосфере.
А. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ
Хозяйственная деятельность человека вносит дисгармонию в естественные циклы вещества и энергии. Благодаря значительному энергетическому вкладу в производственные процессы движение веществ ускоряется. Наряду с их физическим перемещением создаются новые химические соединения. И в том и в другом случае антропогенные потоки вещества оказывают дестабилизирующее влияниенаприродныеэкосистемы. ЭффектантропогенноговоздействиянаприродуприобрелвовторойполовинеXX в. глобальноезначение.
Что ожидает людей – благоденствие, опирающееся на достижения научно-технического прогресса, или глобальная экологическая катастрофа, в результате замены естественных процессов тех-
246
ническими? Чтобы переход из биосферы в сферу разума (ноосферу) не оказался несбыточной утопией, коллективные усилия людей долженбытьнаправленынаохрануприродыисозданиеобщественныхмерэкологической безопасности.
Особая роль в разработке научных основ взаимодействия общества и природы принадлежит учению В.И. Вернадского о
биосфере.
Глава 13
ФЕНОМЕН ИДЕЙ В. И. ВЕРНАДСКОГО
После нескольких лет гражданской войны, полной экономической разрухи уже с конца 20-х годов намечается бурный взлет творческоймысливРоссии, ведущуюрольвкоторомигралаинтеллигенция, сохранившая свой духовный потенциал и перенесшая его в новое общество. Тоталитарный режим нового строя с недоверием относилсяккультурнойэлитепрошлого. Но, несмотрянапреследования ифизическоеуничтожениеинтеллигенции, Россияв30-егодывыш- ланапередовыерубежимировойнауки. Этотпарадоксможнообъяснить следующим.
В дореволюционной России наука была связана в основном с университетами. Отборнауниверситетскиекафедры студентовбыл очень строгим. Высокое качество преподавания сопровождалось возможностьюстажировкипоокончанииуниверситетавсамыхлучших научных лабораториях за рубежом. В европейских странах су- ществовалидажеспециальныерусскиенаучно-техническиецентры.
Обстановкавысокойтребовательности к студентам и молодым специалистам, широкие возможности контактов с крупнейшими европейскими учеными, свободное владение несколькими иностранными языками - все это обусловило появление в России в предреволюционные годы “могучей кучки” ученых. Среди биологов (экологов) и географов можно назвать таких выдающихся деятелей, как
И.П. Павлов, К.А. Тимирязев, А.Н. Северцов, Н.М. Книпович, В.Л. Комаров, В.Н. Сукачев, Г.Ф. Морозов, Л.С. Берг,
Г.Н. Высоцкий и другие. В их числе был и великий энциклопедист
XX в. Владимир Иванович Вернадский.
247
В. И. Вернадский в студенческие годы в Петербурге был учеником В. В. Докучаева, которого справедливо называют основоположником современнойфизическойгеографии. ШиротевзглядовВернадского немало способствовалегоглубокийинтересклитературе и искусству. Нередковнашвекточногознания, – писал он, – мы смотрим с излишней небрежностью на художественное творчество в научном искании и в научной литературе. Мы забываем, что это творчество не только является элементом, помогающимоткрыватьнаучнуюис-
тину, но что оно само по себе представляет великую ценность, имеет значение независимо от того, что достигается благодаря ему при решении научной задачи. Вернадский согласен с Гете, который не признавал ньютоновского мировоззрения в те дни, когда оно казалось бесспорным; математические методы, сами числа Гете считал ненужными при изучении природы. Вернадский объясняет это тем, чтоГетевсвоем“донкихотстве” лучшемногихвидел, что“аналитическийприемразделенияявленийвсегдаприведеткнеполному и неверному представлению, так как в действительности “природа” есть организованное целое”.
Этислованенадопониматькакполноеотрицаниеролиточных наук в решении экологических проблем. Сам Вернадский был блестящимэкспериментатором, существеннопродвинувшимфизико-хи- мические методы в изучении природы. Здесь важна мысль о необ- ходимостицелостногодуховно-художественноговосприятиямира.
Понимание идей Вернадского пришлотолько в 60-е гг. ХХстолетия. Оно крепло по мере осознания человечеством угрозы экологическогокризиса. Решениеглобальныхэкологическихпроблемне-
248
Рис. 13.1. Взаимодействиекомпонентовлитосферы, гидросферы, атмосферы и солнечной радиации как условие существования
жизнинаЗемле
Рис. 13.2. БезжизненнаяповерхностьЛуны. Фотографияамериканскихастронавтов
249
возможнобезпониманиязаконов, управляющихживымиорганизмами в биосфере.
13.1.БИОСФЕРА
Вбескрайних далях Вселенной голубая планета Земля остается пока единственной планетой известной науке, на которой имеются условия, благоприятные для существования и эволюции жизни. Внешняя оболочка Земли, в которой обитают организмы, формиру-
етсяблагодарявзаимодействиюкомпонентовлитосферы, гидросферы и атмосферы; главнымисточникомэнергиидляэтоговзаимодействия является солнечная радиация (рис. 13.1, 13.2).
Понятие“биосфера”, помнениюВ. И. Вернадского, былосформулировано (без употребления самого термина) в начале XIX в. Ж. Б. Ламарком. А. Гумбольдт выделял сферу жизни как неотъемлемую часть географической оболочки. Наконец, Э. Зюсс в 1875 г. при рассмотрении основных оболочек Земли: лито-, атмо- и гидросферы, – полагал, что в области взаимодействия верхних сфер и литосферы можно выделять самостоятельную оболочку – биосферу. Э. Зюсс впервые ввел этот термин в науку.
Небольшая книга В.И. Вернадского “Биосфера” вышла в свет в 1926 г. В ее начале стоит эпиграф: “Невозмутимый строй во всем, / Созвучье полное в природе.” Ф. Тютчев, 1865.
“Своеобразным, единственным в своем роде, отличным и неповторяемым в других небесных телах представляется нам лик Земли - ее изображение в космосе, вырисовывающееся извне, со стороны, издалибесконечныхнебесныхпространств”, – пишетВернадский. Вся книга пронизана идеей взаимодействия не только земных, но и космических тел и явлений. И главную роль среди них играют живые организмы, “живое вещество” планеты.
Вернадский раскрывает ведущую роль живых организмов в трансформации солнечной энергии и преобразовании веществ, слагающих наружные оболочки Земли: “По существу, биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию, – пишет Вернадский, –... лучи Солнца обуславливают главные черты механизма биосферы... Солнцем в корне переработан и изменен лик Земли, пронизана и охвачена вся биосфера”.
250
Живоевещество, пословамВернадского, выполняеткосмическую функцию, связывая Землю с космосом: “Вещество биосферы благодаря им (солнечным лучам. – К.П.) проникнуто энергией; оно становится активным, собирает и распределяет в биосфере полученнуювформеизлученийэнергию, превращаетеевконцеконцовв энергию в земной среде свободную, способную производить работу... Лик Земли ими меняется, ими в значительной мере лепится. Он неесть только отражение нашей планеты, проявление ее веществаи ее энергии - он одновременно является и созданием внешних сил космоса”.
Биосфера– арена жизни живых существ, а также жизни и хозяйственной деятельности человека.
При изучении биосферы следует учитывать пять феноменов. Первый феномен− жизнь. Тайна ее возникновения до сих пор остаетсянеразгаданной. В. И. Вернадскийпризнавалсправедливость “принципа Гюйгенса”, − жизнь есть космическое явление, в чем-то резко отличное откосной материи. Если предположить, чтовся масса и энергия Вселенной, а также время и пространство возникли в результате Большого взрыва, то возможно, именно в этот момент произошлообразованиедвухсубстанций− живойикосной. Сущность живогозаключена в присущей ему жизненной силе (энтелехии), на-
правляющейэволюциюповосходящейлинии.
Второй феномен − организм. Живое вещество – дискретно, оно представлено множеством отдельных особей организмов. В.И. Вернадскийвысказалпредположение, чтожизньнаЗемлюбыла занесенаизвне. Согласноконцепциипанспермиивкосмическомпространстве присутствует огромное количество зародышей живого вещества. Возможно они “заразили” Землю, и простейшие формы организмов появились с самого начала геологической истории в готовом виде. По словам Вернадского никогда в течение всего геологического времени не наблюдались азойные (т. е. лишенные живых организмов) геологическиеэпохи. Теперьизвестныфакты, подтверждающиеэтопредположение.
Третий феномен − биоразнообразие. Многообразие видов возникло как результат присущий организмам изменчивости, микро- и макроэволюционныхпроцессов. Дарвинзаключаетсвоютеориюпро-
251
исхождения видов словами: “Есть величие в этом воззрении, по которомужизньсееразличнымипроявлениямиТворецпервоначально вдохнулводнуилиограниченноечислоформ; имеждутемкакнаша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам тяготения, изтакогопростогоначаларазвилосьипродолжаетразвиваться бесконечное число самых прекрасных и самых изумительных форм”.
Четвертый феномен − экосистема. Экосистема – первичная ячейка биогенного механизма круговорота веществ, осуществляемогопродуцентами, консументами, редуцентами. Циклыбиогенных элементов - необходимое условие устойчивости экосистем. Следует отметитьпринципиальнуюнезависимостьбиогеохимическихфункций живоговещества отбиологического разнообразия и таксономическогоположенияорганизмовнамакроэволюционнойлестнице.
Пятый феномен − биосфера. Особенность биосферы состоит в том, что с самого начала геологической истории все пять феноме-
Рис. 13.3. Распределениеживыхорганизмоввбиосфере
252
нов сосуществовали в неразрывной связи друг с другом: жизнь на Земле была представлена популяциями множества организмов, которыеэволюционироваливусловияхконкретныхэкосистемиединой биосферы.
Область распространения жизни на Земле включает нижнюю частьвоздушнойоболочки(атмосферы), всюводнуюоболочку(гидросферу) иверхнюючастьтвердойоболочки(литосферы) (рис. 13.3).
Вернадский четко обозначает верхний и нижний пределы распространенияжизни. Верхний – обусловливаетсялучистойэнергией, приходящейизкосмоса, губительнойдляживыхсуществ. Речьидет о жестком ультрафиолетовом излучении; оно задерживается озоновым экраном, нижняя граница которого проходит на высоте около 15 км. Этоверхняяграницабиосферы. Нижнийпределжизнисвязан с повышением температуры в земных недрах. На глубине 3-3,5 км температура достигает 100 °C. Наибольшую протяженность по вертикали биосфера имеет в океане: от поверхности до максимальных глубин в нем обитают живые существа.
Длябиосферыхарактернонетолькоприсутствиеживоговещества. Она обладает также следующими тремя особенностями: вопервых, нанеепадаетмощныйпотоксолнечнойэнергии; во-вторых, в ней в значительном количестве содержится жидкая вода; в-треть- их, в биосфере проходят поверхности раздела между веществами, находящимися в трех фазах – твердой, жидкой и газообразной. Все это служит предпосылкой для активного обмена веществом и энергией, в котором большую роль играют организмы.
13.2. ФУНКЦИИЖИВОГОВЕЩЕСТВА
Чтобы более доходчиво раскрыть сущность процессов, протекающих в биосфере, рассмотрим основные функции живого вещества: энергетическую, деструктивную, концентрационную и средообразующую.
Энергетическая функция выполняется прежде всего растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергиюввидеразнообразныхорганическихсоединений. Пословам Вернадского, зеленыехлорофилльныеорганизмы, зеленыерастения, являются главным механизмом биосферы, который улавливает солнечный луч и создает фотосинтезом химические тела – своеобраз-
253
ные солнечные консервы, энергия которых в дальнейшем является источником действенной химической энергии биосферы, а в значительной мере – всей земной коры.
Энергия, аккумулируемая растениями, распределяется внутри экосистемы между животными в виде пищи. Частично энергия рассеивается, а частично накапливается в отмершем органическом веществе и переходит в ископаемое состояние. Так образовались залежиторфа, каменногоугля, нефтиидругихгорючихполезныхископаемых, служащие в настоящее время энергетической базой для жизни и работы людей. Растения – главный источник пищи для людей и сельскохозяйственныхживотных.
Деструктивная (разрушительная) функция состоит в раз-
ложении, минерализации мертвого органического вещества, химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минераловвбиотический круговорот.
Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений (углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиакаит. д.), которыевновьиспользуютсявначальномзвене круговорота. Этимзанимаетсяспециальнаягруппаорганизмов – ре-
дуценты.
Особо следует сказать о химическом разложении горных пород. Благодаря живому веществу биотический круговорот пополняется минералами, высвобождаемыми из литосферы. Пионеры жизнинаскалах – бактерии, сине-зеленыеводоросли, грибыилишайники – оказывают на горные породы сильнейшее химическое воздействиерастворамицелогокомплексакислот – угольной, азотной, серной и разнообразных органических. Разлагая с их помощью те или иные минералы, организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие питательные элементы – кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы. Например, плесневый грибок в лабораторных условиях за неделю высвобождает из базальта 3 % содержащегося в нем кремния, 11 % алюминия, 59 % магния, 64 % железа.
Общаямасса зольныхэлементов, вовлекаемая ежегодновбиотический круговороттолько на суше, составляет около8 млрдт. Это в несколькоразпревышаетмассу продуктов извержения всехвулканов мира на протяжении года. Благодаря жизнедеятельности орга-
254
низмов-деструкторовсоздаетсяуникальноесвойствопочв – ихплодородие.
Концентрационная функция заключается в избирательном накопленииприжизнедеятельностиорганизмоватомоввеществ, рассеянных в природе. Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов – это характерная особенность живого вещества. Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых из них по сравнению с природной средой содержание марганца увеличено в 1 200 000 раз, железа – в 65 000, ванадия – в 420 000, серебра – в 240 000 раз и т.д.
Морскиеорганизмыактивноконцентрируютрассеянныеминералыдляпостроениясвоихскелетовилипокровов. Существуют, например, кальциевыеорганизмы (моллюски, кораллы, мшанки, иглокожие, известковые водоросли и т. п.) и кремниевые (диатомовые водоросли, кремниевыегубки, радиолярии). Особоследуетобратить внимание на способность морских организмов накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (ртуть, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы. Их концентрация в теле беспозвоночных и рыб может в сотни тысяч раз превосходить содержание в морской воде. Благодаря этому морские организмы полезны как источник микроэлементов, но вместе с тем употребление их в пищу может грозить отравлением тяжелыми металлами или быть опасным в связи с повышенной радиоактивностью.
Средообразующая функция состоит в трансформации физи- ко-химических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условия благоприятные для существования организмов. Можно сказать, что она является совместным результатом всех рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функцияобеспечиваетэнергиейвсезвеньябиологическогокруговорота; деструктивнаяиконцентрационнаяспособствуютизвлечению изприроднойсредыинакоплениюрассеянных, ножизненноважных для организмов элементов.
Средообразующиефункцииживоговеществасоздалииподерживают в равновесии баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность условий существования организмов, в том числе человека. Вместе с тем живое вещество способно восстанавливатьусловияобитания, нарушенныеврезультатеприродныхката-
255