Следы былых биосфер, или Рассказ о том, как устроена биосфера и что осталось от биосфер геологического прошлого - Андрей Лапо 5 стр.

Четвертая часть - это биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамические равновесные системы тех и других. Таковы вся океаническая и почти вся другая вода биосферы, нефть, почва, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль…

В-пятых, вещество, находящееся в радиоактивном распаде в форме немногих относительно прочных радиоактивных элементов… Мы здесь имеем дело с химическими элементами сложного изотопного состава, проникающими все вещество биосферы и идущими вглубь на глубину, нам неизвестную…

С другой стороны, все вещество биосферы и, по-видимому, только биосферы, проникнуто шестой формой вещества - рассеянными атомами, которые непрерывно создаются из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений…

Наконец, седьмым типом земного вещества является вещество космического происхождения…" (курсив везде Вернадского. - А. Л.).

Во второй главе книги мы рассмотрим типы вещества, распространенные в биосфере, обращая особое внимание на живое вещество.

Н. Б. Вассоевич, рассматривая классификацию типов вещества по Вернадскому, отметил, что логически она не является безупречной, так как выделенные категории вещества частично перекрывают друг друга (например, вещество космического происхождения одновременно является и косным). С другой стороны, печальный опыт человечества, приобретенный уже после смерти В. И. Вернадского, научил нас, что радиоактивные изотопы (например, стронций‑90) накапливаются живыми организмами и, следовательно, могут входить в состав как живого, так и косного вещества. Что же касается "биокосного вещества", то его нельзя рассматривать в качестве особого типа вещества, поскольку оно, по определению Вернадского, состоит из двух веществ - живого и косного. Следовательно, по своему характеру это не единое вещество, а динамическая система, что подчеркивает и сам Вернадский (этот вопрос подробнее мы рассмотрим в главе пятой).

Свою классификацию видов вещества в биосфере В. И. Вернадский строил по нескольким параметрам:

а) по характеру самого вещества (живое или косное);

б) по характеру исходного вещества (выделяются биогенное вещество и косное вещество, в образовании которого жизнь не участвует);

в) по признаку радиоактивности (выделяется вещество, находящееся в радиоактивном распаде);

г) по степени дисперсности молекулярной структуры (выделяется вещество, представленное рассеянными атомами);

д) по признаку земного или внеземного происхождения (выделяется вещество космического происхождения).

Попытаемся в матричной форме представить генетическую классификацию типов вещества биосферы. В качестве классификационных выберем три основных параметра: а) характер вещества: живое или неживое; б) градации по исходному материалу: образовавшееся из живого вещества - биогенное и образовавшееся из неживого вещества - абиогенное; в) признак земного или внеземного происхождения (табл. 1). Радиоактивность и степень дисперсности молекулярной структуры в качестве параметров классификации опускаем.

Таблица 1

Типы вещества биосферы Земли

Вещества земного происхождения представлены в биосфере как живым, так и неживым веществом. К живому веществу, по определению Вернадского, относятся все живые организмы биосферы. Современное живое вещество является биогенным, так как оно образуется исключительно путем размножения уже существующего живого вещества. Остановимся немного подробнее на истории исследования этого вопроса.

У Аристотеля (384-322 гг. до н. э.), "отца всех наук", не было никаких сомнений, что растения самопроизвольно возникают из земли, рыбы - из ила, черви - из гниющих трупов павших животных. Благодаря незыблемому авторитету Аристотеля, эти воззрения стали общепринятыми. В энциклопедии античного естествознания - поэме "О природе вещей" Лукреция Кара (I в. до н. э.) - можно прочитать, например, следующие строки о гниющих веществах:

…как только они загнивать начинают, от влаги
Тотчас в них черви являются, ибо материи тельца
Вследствие новых условий, меняя свой старый порядок,
Так сочетаются, что из них твари живые родятся…

В научных трактатах XVI в. всерьез доказывалось, что утки зарождаются из дубовых досок разбитых кораблей, а казарки - из листьев, падающих в воду. Приводились даже рисунки, иллюстрирующие различные фазы этих превращений.

Противоположный тезис - "Все живое из живого" - Вернадский называл "принципом Реди". Франческо Реди (1626-1697) - натуралист, врач и поэт, который работал во Флоренции и в 1668 г. поставил знаменитый эксперимент, вошедший в историю науки. Он поместил в восемь сосудов по куску свежего сырого мяса, причем четыре сосуда запечатал, а четыре оставил открытыми. Мухи могли садиться на мясо только в открытых сосудах, и именно там появились "черви" (личинки мух). Затем Реди повторил эксперимент, не запечатывая сосуды, а только накрыв их марлей от мух. И при свободном доступе воздуха в сосудах, закрытых марлей, личинки не появлялись. Реди сделал справедливое заключение, что личинки возникают не сами по себе, а развиваются из яичек, которые ранее отложили туда мухи. За свои взгляды Реди в 1674 г. был обвинен в ереси - ведь его вывод вступал в противоречие не только с Аристотелем, но и с самим "Священным писанием", где есть упоминание о самозарождении пчелиного роя в туше издохшего льва. Франческо Реди, однако, от своих взглядов не отступился - мужества вообще ему было не занимать. Рассказывают, например, что однажды, чтобы доказать безвредность слюны и желчи гадюки, он выпил их в присутствии свидетелей (в числе которых находился герцог Тосканы).

Реди опередил свое время на столетия: гипотеза самозарождения, несмотря на явную свою нелепость, еще долго имела своих приверженцев. В нее верил Ж.‑Б. Ламарк, который в своей "Философии зоологии" (1803) посвятил абиогенезу особую главу. "Природа всегда творит", - писал он. А в середине XIX в. ученые были уверены, что они нашли, наконец, первичный белок, появляющийся путем самозарождения. Его "установили" в пробах глубоководных океанских илов, больше десяти лет хранившихся в крепком растворе спирта, и назвали "батибиусом". Однако экспедиция на "Челенджере", продолжавшаяся в течение трех с половиной лет начиная с 1872 г., безуспешно искала батибиус в океанских глубинах. Отрезвление наступило, когда сделали химический анализ батибиуса. Он оказался… гипсом, образовавшимся при длительном взаимодействии илов со спиртом.

Окончательное экспериментальное доказательство невозможности самозарождения жизни на примере бактерий было получено лишь через 200 лет после Реди великим французским ученым Луи Пастером (1822-1895) в серии классических опытов 1860-1861 гг.

"Принцип Реди" Вернадский не считал абсолютным. В статье "Об условиях появления жизни на Земле" Вернадский писал: "Принцип Реди не отрицает абиогенеза, он только указывает пределы, в которых абиогенез отсутствует. Возможны такие условия в земной истории, когда не было биосферы и существовали на земной коре физико-химические явления или состояния, которые в ней сейчас отсутствуют и которые необходимы для абиогенеза".

Присутствующее в биосфере неживое вещество может быть как биогенным, так и абиогенным. Биогенное вещество создано в результате жизнедеятельности организмов. Сюда относятся остатки отмерших организмов, продукты их линьки и опада: хитиновые покровы членистоногих, выпавшие волосы и зубы млекопитающих, сброшенные рога оленей, теряемые по тем или иным причинам перья птиц, опадающие листья (а в некоторых случаях - и кора) деревьев, созревшие и отделившиеся от растения плоды, их пыльца и т. д. Масса их может быть очень значительна: например, речной рак за 20 лет своей жизни сбрасывает 50 панцирей; у древесных растений доля мертвого органического вещества (опада) к концу жизни превышает вес живого вещества в 3-4 раза.

Биогенным веществом являются также экскременты животных и продукты внешнего метаболизма живых организмов (недавние исследования показали, что в водных экосистемах от 10 до 40% первичной продукции планктонных водорослей, видимо, выделяется в среду и может служить источником углерода и энергии для других водных организмов). Очень велика роль продуктов внешнего метаболизма у бактерий. Высшие растения также выделяют в окружающую среду летучие вещества, которые называют фитонцидами. Своеобразными биогенными веществами, не нуждающимися в пояснениях, являются столь разнородные образования, как почечные и желчные камни, скорлупа яиц, жемчуг, живица (смола), нектар, молоко, мед, воск, натуральный шелк, паутина и т. д.

Биогенные вещества разбиваются на две категории:

а) необиогенное вещество, образованное живым веществом, существующим в данную геологическую эпоху;

б) палеобиогенное вещество, образованное живым веществом прошедших геологических эпох и сохранившееся в составе горных пород; это "жизнь, превращенная в камень" (А. П. Быстров).

Отличительной чертой необиогенного вещества является его крайняя неустойчивость в биосфере - обусловленная главным образом тем, что его энергично перерабатывают живые организмы; особенно это характерно для органических соединений. Лишь незначительная часть необиогенного вещества в особых условиях переходит в ископаемое состояние и превращается таким образом в палеобиогенное вещество.

Случаются, однако, и курьезы. Найдена, например, паутина, сотканная десятки миллионов лет назад! Сохранилась она благодаря счастливому случаю: на эту паутинку, как только она была соткана восьминогим предком наших пауков, каким-то образом попала смола; смола затвердела и была занесена осадками, а через миллионы лет нашли янтарь с заключенной в нем паутиной.

Изучением живого вещества занимаются науки биологического цикла; биогенное же вещество, по существу, не изучает специально ни одна из естественных наук. Поэтому, как сказано в решении одного из совещаний, "основное внимание геологов должно быть обращено на вещественные продукты жизнедеятельности организмов… В этом заключается одна из важных специфических особенностей подхода геологов к жизнедеятельности организма, о которой необходимо постоянно помнить". С этим нельзя не согласиться.

Наконец, последним типом вещества земного происхождения является неживое абиогенное вещество; примеры такого рода вещества - продукты вулканизма и газы, выделяющиеся из недр Земли. По современным оценкам ежегодный приход абиогенного вещества в биосферу составляет около 3 млрд. т в год.

Среди вещества внеземного происхождения ни живое, ни биогенное вещества научно не установлены. "Пришельцы" фигурируют пока лишь в фильмах и на страницах фантастических романов. Правда, в 1961 г. в международном журнале "Nature" появилась статья Г. Клауса и Б. Наги, в которой были описаны необычные микроскопические образования, встречающиеся в метеоритах. Авторы назвали их "организованными элементами" и определили как остатки внеземных микроорганизмов. Впоследствии такого же рода микроскопические образования были найдены и в других метеоритах, иногда в значительных количествах, однако биогенная природа "организованных элементов" не подтвердилась. Согласно заключению космохимика Г. П. Вдовыкина, "организованные элементы" оказались силикатами, окруженными оболочкой из абиогенного углеродистого вещества.

Итак, несмотря на энергичные поиски, никаких следов живого и биогенного вещества внеземного происхождения пока не обнаружено. Что же касается абиогенного вещества внеземного происхождения, то это вещь вполне реальная. О метеоритах знают, конечно, все, но это довольно редкое природное явление. С XV в. до наших дней на земном шаре в момент падения наблюдалось и было подобрано всего лишь несколько сотен метеоритов.

Попаданий в человека было только 5 - по одному за век, убитых - 1. Последнее попадание произошло, видимо, 30 ноября 1954 г. Четырехкилограммовый метеорит пробил крышу дома и потолок, отскочил от радиоприемника и ударил по ноге хозяйку дома, отдыхавшую после ленча. Так вошла в историю человечества миссис Ходжес из Силакоги, штат Алабама, США…

Метеориты являются наиболее известной, но далеко не самой распространенной формой абиогенного вещества внеземного происхождения. В его составе преобладает метеорная пыль с диаметром частиц в десятки микронов и еще более мелкие частицы с размерами, приближающимися к молекулярным. Эти частицы легче всего распознаются в осадках, резко отличающихся от них по составу: в глубоководных океанических илах и в ледниках. Именно по этим объектам и производится обычно исследование внеземного вещества. Общее его количество, попадающее ежегодно из космоса в биосферу Земли, по разным оценкам колеблется в значительных пределах. Большинство авторов, однако, склонно определять приход космического вещества цифрами 10-10 т/год. Это, конечно, немного, однако за 4,5 млрд. лет существования Земли на ней накопился слой вещества внеземного происхождения мощностью несколько сотен метров - нигде, впрочем, не представленный в чистом виде. По существу, земная кора - это сложная композиция веществ земного и внеземного происхождения.

Живое вещество по своей массе представляет собой еще более ничтожную часть биосферы. Если живое вещество равномерно распределить по поверхности нашей планеты, то оно покроет ее слоем толщиной только в 2 см. Между тем именно живому веществу принадлежит, по мнению Вернадского, главная роль в формировании земной коры.

Термин "живое вещество" мы уже употребляли, но не приводили развернутого определения этого понятия. Оно давалось Владимиром Ивановичем неоднократно в несколько различных формулировках, однако суть этого определения не менялась: "Живое вещество биосферы есть совокупность ее живых организмов".

Представления о живом веществе бытовали в естествознании и философии XIX в., но В. И. Вернадский применил это понятие в совершенно новом для науки значении. Может на первый взгляд показаться, что понятие живого вещества не вносит ничего нового и попросту не нужно (есть же термины "жизнь", "органический мир"). Как бы предвосхищая эти возражения, Владимир Иванович подчеркивал, что слово "жизнь" имеет множество значений и оттенков. Мы привыкли к тому, что слово "жизнь" всегда выходит за понятие вещества и уводит мысль в область философии, фольклора, художественного творчества (вспомним хотя бы название романов, поэтических сборников, журналов, кинофильмов). Понятие же "живое вещество", введенное Вернадским, однозначно и требует количественных характеристик.

"Я буду называть совокупность организмов, сведенных к их весу, химическому составу и энергии, живым веществом", - писал В. И. Вернадский. Иначе говоря, это вся сумма материи, заключенной в живых организмах Земли. В таком понимании важно, что жизнь действует только своей энергией, количеством и составом свойственной ей материи, и при этом отдельные организмы отступают перед величием изучаемых явлений. Неотъемлемым атрибутом живого вещества являются круговорот вещества и накопление свободной энергии в биосфере, обеспечивающей ее эволюцию и повышение организованности.

Характерно, что Вернадский, обычно чрезвычайно скромный в самооценках и не склонный к патетике, считал создание учения о живом веществе своим призванием в самом высоком смысле этого слова. В 1920 г., едва оправившись от тяжелой болезни, которая чуть было не унесла его в могилу, он записал в своем дневнике: "Я ясно стал сознавать, что мне суждено сказать человечеству новое в том учении о живом веществе, которое я создаю, и что это есть мое призвание, моя обязанность, наложенная на меня, которую я должен проводить в жизнь, - как пророк, чувствующий внутри себя голос, призывающий его к деятельности". Как созвучно это признание чеканным строкам пушкинского "Пророка":

И внял я неба содроганье,
И горний ангелов полет,
И гад морских подводный ход,
И дольной лозы прозябанье…

Свою высокую миссию Вернадский выполнил с честью. "Развитие науки во второй половине XX столетия и особенно нужды практики показали, что, создав понятие о живом веществе… В. И. Вернадский сделал гениальное открытие, имеющее огромное значение для естествознания", - пишет профессор А. И. Перельман.

Вернадский считал живое вещество "формой активированной материи", подчеркивал, что "эта энергия тем больше, чем больше масса живого вещества". Время от времени его энергия резко повышается. Образующиеся при этом колоссальные скопления организмов описаны как в научной, так и в художественной литературе. Помните, у В. А. Жуковского - о мышах:

Слышно, как лезут с роптаньем и писком.
Слышно, как стену их лапки скребут.
Слышно, как камень их зубы грызут.
Вдруг ворвались неизбежные звери;
Сыплются градом сквозь окна, сквозь двери,
Спереди, сзади, с боков, с высоты…

Свою мысль о временных скоплениях живого вещества Вернадский иллюстрировал данными английского натуралиста Дж. Карутерса, который наблюдал ежегодный перелет саранчи над Красным морем. Пролет стаи насекомых занимал целый день. Пространство, занятое стаей, было равно 6 тыс. км³, вес - 44 млн. т, что отвечает количеству меди, свинца и цинка, взятых вместе, которые были добыты человечеством в течение всего прошлого века.

"Что же представляет собой туча саранчи с биогеохимической точки зрения? - заключает свои рассуждения В. И. Вернадский. - Это как бы дисперсная горная порода, чрезвычайно химически активная, находящаяся в движении". До Вернадского никто из исследователей не подходил к живому веществу с такой точки зрения. Живые организмы проходили по "биологическому ведомству", и никому не приходило в голову считать живое вещество горной породой. Видимо, потому, что эта горная порода - особого рода.

Рассмотрим вкратце, в чем заключается специфика свойств живого вещества.