Биосфера и ноосфера В.И. Вернадского

И.П.Шестопалов

В.И.Вернадский (1863–1945)

Рождение современной науки и научного метода связывают с революцией Коперника - Галилея - Ньютона. Именно тогда, накануне эпохи Просвещения, зародилось научное мировоззрение, которое позднее получило название рационализм (от лат. ratio - разум). Рационализм сформировался в XVII-XVIII вв., ему наука обязана своим взлетом в XIX в., да и большинством научных достижений в нашем. В основе классического рационализма XVIII в. лежало представление о мироздании как о некоем механизме, который действует по четко определенным и неизменным законам. Этот механизм был однажды запущен, и его дальнейшее функционирование раз и навсегда определено. В мире царствует жесткий детерминизм, а человек – не более чем посторонний наблюдатель, не способный что-либо изменить и существенно вмешаться в однажды предначертанный ход событий, но наделенный способностью познавать эти законы и использовать их в собственных интересах. Такую концепцию особенно четко сформулировал английский философ Френсис Бэкон (1561-1626), который считал необходимым познание законов Природы для того, чтобы иметь возможность ставить их на службу человечеству. В этот период наука в европейском мире стала играть совершенно новую роль. Она перестала быть уделом отдельных «посвященных» или предметом удовлетворения личного любопытства, она «вышла из монастырей», и ее развитие превратилось в важнейшую функцию общества. Люди занимались наукой, конечно, и до эпохи Просвещения и пользовались приобретенными знаниями. Но никогда раньше она не рассматривалась как источник могущества, власти над Природой. Итак, в XIX в. произошло окончательное размежевание наук. Прежде всего это естественные науки, далее - науки об обществе, его развитии и самом Человеке. Все эти дисциплины развивались самостоятельно; считалось, что каждая из них существует как бы сама по себе и подчиняется своим собственным законам. За истинно научные принимались только те знания, которые не зависели от человека, считавшегося лишь посторонним наблюдателем. Несмотря на огромные успехи науки в XVIII-XIX вв. и создание на ее основе новых образцов техники, приведших постепенно к переустройству всего жизненного уклада людей, концепция рационализма стала подвергаться критике. Ограниченность и противоречивость классического рационализма отмечали ученые и философы. Один из величайших мыслителей, И.Гете, писал, что всегда существуют два вопроса: зачем и как. Наука занимается только вторым, отмечал он. Еще более резко выразился русский писатель В.Ф.Одоевский: «Европейский рационализм нас лишь подвел к вратам истины, но открыть их он не сможет».

В России во второй половине XIX в. возникло своеобразное умонастроение, называемое теперь русским космизмом. Это течение, которое в философии было представлено целым рядом таких блестящих умов, как И.Киреевский, Вл.Соловьев, Н.Федоров, П.Флоренский, Н.Лосский, а в литературе Л.Толстым, Ф.Достоевским и многими другими, не было школой в научном понимании. Это было именно умонастроение широких кругов русской демократической интеллигенции. Вот его основные черты: Человек – составная часть Природы; Человека и Природу следует не противопоставлять друг другу, а рассматривать их в единстве; Человек и все, что его окружает, – частицы единого (в этом контексте не так уж важно, что у одних это Бог, а у других - Вселенная). Не случайно идеи русского космизма оказались близкими для многих естествоиспытателей и ученых (К.Циолковский, Д.Менделеев, И.Сеченов и др.).

Несмотря на всю пестроту этого течения, именно в его рамках зародилось понимание неизбежности противоречий между Разумом, Природой, Человеком и окружающей средой. И вместе с ним пришло понимание ответственности Разума за отыскание путей разрешения этих противоречий и того, что их неразрешение может привести человечество к катастрофе. Возникли идеи совершенствования нравственного начала, создания некоего нового мирового правопорядка, актуальность которого возросла в наше время на фоне грандиозных достижений естественных наук, техники и технологии. Новый правопорядок и новая моральная основа человеческого общества – необходимые условия дальнейшего развития цивилизации, всего человеческого рода. В наше время, в самом конце XX в., подобное эмоциональное восприятие технической цивилизации и урбанизации, предчувствие надвигающегося морального кризиса, характерное для космистов, превращается в реальность. Она диктует нам необходимость создания высокой морали взаимоотношений между народами, доброго отношения к себе и Природе.

«Итак, мир идет к концу, а человек своей деятельностью даже способствует приближению конца, ибо цивилизация эксплуатирующая, а не восстанавливающая, не может иметь иного результата, кроме ускорения конца», – писал один из основоположников космизма Н.Ф.Федоров (1818–1903) в конце прошлого века в книге «Философия общего дела». В понимании Федорова и других космистов власть над природой совсем не тождественна установке покорения природы Ф.Бэкона. Она означает такую способность вмешиваться в естественный ход природных и общественных процессов, которая обеспечит человечеству его будущее. Иными словами, нужны не слепое подчинение обстоятельствам и констатация фактов, а попытки конструктивного решения возникающих коллизий и трудностей, попытки понять тот общепланетарный порядок, который необходим для продолжения истории цивилизации. Важно также отметить: русские космисты полагали, что мысль, сознание – такая же принадлежность Природы, как и звезды, галактики, микробы, камни. Поэтому неудивительно, что во второй половине XIX в. в русской науке получило распространение системное мышление. Многие ученые того времени стремились к построению обобщающих, синтетических (в том числе и междисциплинарных) конструкций. Так, например, И.Сеченов подчеркивал необходимость изучения человека в единстве его «плоти, души и природы».

Таким образом, В.И.Вернадский как ученый формировался в атмосфере русской научной мысли о единстве Человека и Природы, о Человеке как об активном природном факторе. Однако мир неживой материи и живого вещества не был в сознании ученых связан с миром человека и общества, им созданного. Научные дисциплины в этих трех сферах еще долгое время жили самостоятельной жизнью, а эмпирического материала было недостаточно, чтобы воспроизвести единую цельную картину мира. Эту гигантскую работу и проделал в начале нынешнего столетия В.И.Вернадский, создав учение о биосфере и ноосфере.

К проблемам изучения роли живого вещества в эволюции земной оболочки и биосферы Вернадский пришел через занятия геохимией и изучение эволюции земной коры. Он был первым, кто понял, что весь лик Земли, ее ландшафты, химизм океана, структура атмосферы – все это порождение жизни. В результате возникла новая научная дисциплина – биогеохимия. В основе этой картины развития Земли как космического тела должна была лежать некая изначальная гипотеза, фиксирующая факт становления жизни на нашей планете. Вернадский не занимался специально проблемой возникновения жизни, ограничившись констатацией эмпирического факта: жизнь на Земле возникла. Для совокупности всех существующих организмов (включая микроскопические) он ввел термин живое вещество, и, выясняя его полный химический состав, подошел к изучению всех химических и энергетических процессов, которые происходят в той оболочке Земли, в которой существует живое вещество, т.е. в биосфере. Основные результаты раннего этапа изучения биосферы В.И.Вернадский опубликовал в монографии «Биосфера», которая вышла в 1926 г., а также в многочисленных статьях 20–30-х гг.

Биосфера – оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. Понятие «биосферы как области жизни» и наружной оболочки Земли восходит к биологу Ламарку (1744-1829). Сам термин биосфера ввел Э.Зюсс (1875), понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «лик Земли». Заслуга же создания целостного учения о биосфере принадлежит Вернадскому. На формирование его биосферного мышления большое влияние оказали работы В.В.Докучаева о почве как о естественно-историческом теле.

Биосфера охватывает часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км), часть литосферы, особенно кору выветривания, и всю гидросферу. Нижняя граница опускается в среднем на 2-3 км под поверхность суши и на 1-2 км под дно океана. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ: живое вещество, биогенное вещество (горючие ископаемые, известняки и др., т.е. вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами), косное вещество (образуется в процессах, в которых живые организмы не участвуют), биокосное вещество (создается одновременно живыми организмами и в ходе процессов неорганической природы, например почва), радиоактивное вещество, рассеянные атомы и вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).

Центральное звено в концепции Вернадского о биосфере – представление о живом веществе. «Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей. Для того чтобы в этом убедиться, мы должны выразить живые организмы как нечто целое и единое. Так, выраженные организмы представляют живое вещество, т.е. совокупность всех живых организмов, в данный момент существующих, численно выраженное в элементарном химическом составе, в весе, в энергии. Оно связано с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием, питанием и размножением», – писал В.И.Вернадский в своей книге «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения». Живое вещество распределено в биосфере крайне неравномерно. Максимум его приходится на приповерхностные участки суши (особенно велика масса тропических лесов) и гидросферы, где в массе развиваются зеленые растения и живущие за их счет гетеротрофные организмы (организмы, использующие в качестве источника углерода экзогенные органические вещества). Более 90 % всего живого вещества биосферы, образованного главным образом углеродом, кислородом, азотом и водородом, приходится на наземную растительность (97-98 % биомассы суши). Общая масса живого вещества в биосфере оценивается в 1,8-2,5 · 1018 г (в пересчете на сухое вещество) и составляет лишь незначительную часть массы биосферы (3 · 1024 г). Тем не менее Вернадский, опираясь на многочисленные данные, считал живое вещество наиболее мощным геохимическим и энергетическим фактором, ведущей силой планетарного развития.

Основной источник биохимической активности организмов – солнечная энергия, используемая в процессе фотосинтеза зелеными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества, обеспечивающего пищей и энергией все остальные организмы. Благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов около 2 млрд лет назад началось накопление в атмосфере свободного кислорода, затем образовался озоновый слой, защищающий от жесткого космического излучения. Фотосинтез и дыхание зеленых растений поддерживают современный газовый состав атмосферы. Появление кислорода в первичной бескислородной аттмосфере Земли рассматривается как важнейший этап эволюции биосферы.

Жизнь на Земле в геологически обозримый период всегда существовала в форме сложно организованных комплексов разнообразных организмов (биоценозов). Вместе с тем живые организмы и среда их обитания тесно связаны, взаимодействуют друг с другом, образуя целостные системы - биогеоценозы. Питание, дыхание и размножение организмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот вещества и энергии. С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов – их биогеохимические циклы, в ходе которых атомы большинства химических элементов проходят бесчисленное число раз через живое вещество. Так, например, весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ - за 200-300 лет, а вся вода биосферы за 2 млн лет. Разные организмы в разной степени способны аккумулировать из среды обитания различные элементы: содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота – в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, Cr, S, P, N, W), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п. Большим разнообразием органических соединений характеризуется состав самих организмов. Благодаря живому веществу на планете образовались почвы и органоминеральное топливо.

В ходе развития жизни неоднократно происходила смена одних групп организмов другими, но при этом всегда поддерживалось более или менее постоянное соотношение форм, выполняющих те или иные геохимические функции. Так, например, от палеозоя до нашего времени комплексы организмов, накапливающих кальций, менялись, но аккумуляция этого элемента происходила с относительно постоянной скоростью. Таким образом, совокупная деятельность живого вещества на Земле непрерывно поддерживала режим неорганической среды, необходимой для существования жизни, т.е. относительный гомеостаз (способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять постоянство состава и свойств) в биосфере, одним из характерных свойств которой В.И.Вернадский считал организованность. Поэтому биосферу можно также определить как сложную динамическую систему, осуществляющую улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.

Научный геохронологический метод, определяющий последовательность и дату этапов развития земной коры и органического мира, возник в конце XVIII в., когда английский геолог Смит в 1799 г. обнаружил, что в слоях одинакового возраста всегда содержатся ископаемые одних и тех же видов. Он также показал, что остатки древних животных и растений размещены (с увеличением глубины) в одном и том же порядке, хотя расстояния между местами, где они обнаружены, очень большие.

Возраст горных пород вычисляется по содержанию продуктов радиоактивного распада в минералах. Для геохронологии, исчисляемой в миллионах лет, чаще всего используют уран-свинцовый, рубидий-стронциевый, самарий-неодимовый и калий-аргоновый методы, а для последних 60 тыс. лет – радиоуглеродный метод, основанный на излучении радиоактивного 14С. Абсолютная геохронология предложена в начале XX в. П.Кюри и Э.Резерфордом. В земной коре хранятся следы прошлого нашей планеты. Кора расчленена по возрасту на слои, толщи, горизонты, ярусы, отделы, системы, каждая из которых имеет радиоактивные часы, фиксирующие возраст. Длительная история Земли подразделена на эпохи и периоды (см. геохронологическую таблицу).

Таким образом, история живого вещества в ходе времени выражается в медленном изменении форм жизни, форм живых организмов, непрерывно связанных между собой генетически, от одного поколения к другому, без перерыва. Веками эта мысль высказывалась в виде догадки. В 1859 г. она наконец получила прочное обоснование в великом учении Ч.Дарвина (1809-1882) об эволюции видов (растений и животных, в том числе и человека).

Младшие современники Дарвина, американские геологи Д.Д.Дана (1813-1895) и Д.Ле-Конт (1823-1901) сделали в 1859 г. эмпирическое обобщение, показывающее, что эволюция живого вещества идет в определенном направлении. Это явление было названо цефализацией. «Обобщение Дана, – писал В.И.Вернадский в книге “Химическое строение биосферы Земли и ее окружения”, – заключается в следующем: в эволюционном процессе мы имеем в ходе геологического времени направленность. В течение всего эволюционного процесса, начиная с кембрия, т.е. в течение пятисот миллионов лет, мы видим, что от времени до времени, с небольшими промежутками остановок до десятков и сотен лет идет увеличение сложности и совершенства строения центральной нервной системы, т.е. центрального мозга. В хронологическом выражении геологических периодов мы непрерывно можем проследить это явление от мозга моллюсков, ракообразных и рыб до мозга человека. Нет ни одного случая, чтобы появился перерыв и чтобы существовало время, когда добытые этим процессом сложность и сила центральной нервной системы были потеряны и появлялся геологический период, геологическая система с меньшим, чем в предыдущем прежде, совершенством центральной нервной системы». Таким образом, прогресс эволюции выражался в развитии центральной нервной системы, что выражается в непрерывном росте объема головного мозга.

Жизнь на Земле возникла 3,5 млрд лет назад – в архейскую эру. Это были одноклеточные синезеленые и многоклеточные водоросли. Свойства этих древнейших организмов определялись условиями внешней среды, в частности составом земной атмосферы. Усваивая из атмосферы углекислый газ, они обогащали ее кислородом. В конце архея началось размножение видов живых организмов и фотосинтез. Фотосинтез радикально изменил атмосферу Земли, наполнив ее кислородом, и положил начало разделению единого ствола жизни на две