Под биосферой, таким образом, В.И. Вернадский понимал тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под непосредственным воздействием живых организмов. Биосфера располагается на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы в диапазоне от 10 км в глубь Земли до 33 км над Землей. Занимаясь им же созданной биогеохимией, изучающей распределение химических элементов по поверхности планеты, В.И. Вернадский пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество. Ученый подчеркивал также важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии.
Результаты своих исследований В.И. Вернадский называл эмпирическими обобщениями. Их мы и рассмотрим в данном разделе.
Вывод 1. Первым выводом из учения о биосфере является принцип целостности биосферы. По мнению В.И. Вернадского, «можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в механизме биосферы»[98]. Строение Земли, по В.И. Вернадскому, есть согласованный в своих частях механизм. «Твари Земли являются созданием космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма»[99].
Эту мысль подтверждают узкие пределы существования жизни — физические постоянные, уровни радиации и т. п. Создается впечатление, будто кто-то создал такую среду, чтобы жизнь стала возможна. Так, существует гравитационная постоянная, или константа всемирного тяготения, определяющая размеры звезд, температуру и давление в них, влияющие на ход реакций. Если она будет чуть меньше, звезды станут недостаточно горячими для протекания в них ядерных реакций; если чуть больше — звезды превзойдут «критическую массу» и обратятся в «черные дыры», выпав тем самым из круговорота материи. Константа сильного взаимодействия определяет ядерный заряд в звездах. Если ее изменить, цепочки ядерных реакций не дойдут до углерода и азота. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет конфигурацию электронных оболочек и прочность химических связей; ее изменение делает Вселенную мертвой. Существует также и антропный принцип, в соответствии с которым мировые константы как бы подгоняются к возможности существования жизни.
Вывод 2. С принципом целостности биосферы и неразрывной связи в ней живых и косных компонентов соотносится и принцип гармонии и организованности биосферы. В биосфере, по В.И. Вернадскому, «все учитывается и все приспособляется с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества и атомов энергии»[100].
Вывод 3. По мнению В.И. Вернадского, живое играет огромную роль в эволюции Земли. «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем организмы, взятые в целом… Все минералы верхних частей земной коры — свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси Fe и Al (бурые железняки и бокситы) и многие сотни других непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни»[101]. Лик Земли как небесного тела, заключает В.И. Вернадский, фактически сформирован жизнью.
Вывод 4. Биосфера играет космическую роль в трансформации энергии. «Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли»[102].
Вывод 5. Растекание жизни есть проявление ее геохимической энергии. Живое вещество, подобно газу, растекается по земной поверхности в соответствии с правилом инерции. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.
Вывод 6. Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества.
Вывод 7. В.И. Вернадский предложил понятие автотрофности. Автотрофными называют организмы, которые берут все нужные им для жизни химические элементы в биосфере из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования этих зеленых автотрофных организмов определяется прежде всего областью проникновения солнечных лучей.
Вывод 8. Формы нахождения химических элементов: горные породы и минералы; магмы; рассеянные элементы; живое вещество. В.И. Вернадский сформулировал закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний и организм вводит в себя только необходимое количество элементов.
Вывод 9. Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности. Пределы жизни определяются в конце концов физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловливается лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с повышением температуры. Интервал в 433 °C (от -252 °C до +180 °C) является предельным тепловым полем.
Вывод 10. Биосфера в основных своих чертах представляет один и тот же химический аппарат с самых древних геологических периодов. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Само живое вещество не является случайным созданием.
Вывод 11. Повсеместное распространение жизни в биосфере. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени.
Вывод 12. Постоянство количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество свободного живого вещества (1,5 × 1021 г и 1020 — 1021 г). Скорость передачи жизни не может перейти пределы, нарушающие свойства газов. Идет борьба за нужный газ.
Вывод 13. Всякая система достигает устойчивого равновесия, когда ее свободная энергия равняется или приближается к нулю, т. е. когда вся возможная в условиях системы работа произведена. Понятие устойчивого равновесия является исключительно важным. Мы к нему вернемся позже.
В буквальном смысле слово «экология» (от греч. oikos — жилище, местообитание) переводится как наука о «доме». Экология — наука о местообитании живых существ, их взаимоотношении с окружающей средой. Она изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, сообществ, экосистем. Термин «экология» был предложен немецким зоологом Э. Геккелем в 1866 г., но подлинного расцвета эта наука достигла в XX в., и ее развитие далеко не закончено.
Если учение о биосфере исследует целостности высшего порядка, то экология изучает различные уровни целостности, промежуточные между организменным и глобальным. Выделяют аутоэкологию, которая исследует взаимодействие отдельных организмов и видов со средой, и синэкологию, которая изучает сообщества. Сообществом, или биоценозом, называют совокупность растений и животных, населяющих участок среды обитания. Совокупность сообщества и среды носит название экологической системы, или биогеоценоза.
Основные понятия экологии — «популяция», «местообитание», «экологическая ниша». Популяцией называется группа организмов, относящихся к одному или близким видам и занимающая определенную область, называемую местообитанием. Совокупность условий, необходимых для существования популяции, носит название экологической ниши. Экологическая ниша определяет положение вида в цепях питания.
В зависимости от характера питания строится пирамида питания, состоящая из нескольких трофических уровней. Низший уровень занимают автотрофные организмы, питающиеся неорганическими соединениями, прежде всего растения. На более высоком уровне располагаются гетеротрофные организмы, использующие в пищу биомассу растений. Затем идут гетеротрофы второго порядка, питающиеся гетеротрофами первого порядка, т. е. травоядными животными, и т. д.
Пирамида питания связана с круговоротом вещества в биосфере, который выглядит следующим образом:
Один из важнейших принципов экологии — принцип устойчивости. В соответствии с ним чем больше трофических уровней и чем они разнообразнее, тем более устойчива биосфера.
Экология показала также, что живой мир — не совокупность живых существ, а единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимоотношений. Если даже небольшая часть живого мира погибнет, погибнет и все остальное. В то же время, как писал Н. Винер, «сообщество простирается лишь до того предела, до которого простирается действительная передача информации»[103].
К важным выводам экологии можно отнести следующие, отмечавшиеся еще В.И. Вернадским:
1) каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи со средой, т. е. с другими организмами и неживой природой;
2) жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись на планете, стимулируя перераспределение энергии и веществ;