Микитюк О.М., Грицайчук В.В., Злотін О.З., Маркіна Т.Ю.
Основи екології

Космічна філософія Вернадського. Біогеохімічні цикли

5.1. КОСМІЧНА ФІЛОСОФІЯ В.І. ВЕРНАДСЬКОГО

Завжди існували вічні проблеми: «Хто ми такі?», «Як виникло життя?», «Що з нами буде через тисячі, мільйони років?». Чи може людство відповісти на ці питання? Вчені, філософи, мислителі пророкують сьогодні багато незвичайного в III тисячолітті. А що сказали про це в XX столітті його генії, великі сини планети? їх уже немає, але залишилися їх праці, їх думки, що відбиті на папері.
Завдяки працям В.І. Вернадського, К.Е. Ціолковського («Думы о Земле и небе»), Л.О. Чижевського («Эхо солнечных бурь»), Тейяра де Шардена («Феномен человека»), а ще раніше Гумбольдта («Космос»), Ж. Кюв'є, Г.С. Сковороди та інших ми зрозуміли, що людина не стільки істота планетарна, скільки космічна. Вона нескінченна в своєму пізнанні, як і Космос. Отже, ми — мікрокосмос і тісно пов'язані з макрокосмосом.
Один з великих синів людства кінця XIX — початку XX століття В.І.Вернадський у своїй роботі «Начало и вечность жизни» відкриває завісу над цим питанням.
Саме з цієї роботи нашим студентам — біологам, хімікам, фізикам, математикам, філологам, учителям-природознавцям слід було б складати конспект, як колись ми конспектували праці В.І.Леніна, К.Маркса, Ф.Енгельса. Дивно й те, що переважна більшість учителів-біологів не знають цієї роботи, і як десятки років тому викладають в старших класах єдину теорію походження живого — теорію абіогенезу Опаріна.
У цій роботі Вернадський ще на початку XX століття вказував на те, що загадку життя людина вирішувала різними шляхами: релігійна свідомість, художня творчість, філософська думка, наука. Але людина протягом усієї своєї історії не дала відповіді на це питання.
В.І.Вернадський виділяв три напрямки походження життя на планеті: абіогенез — зародження поза живим, гетерогенез — зародження живого з мертвого або організму, що вмирає, та біогенез — зародження життя з живого.
Для стародавніх вчених (Аристотель, Платон) археогенез, або абіогенез — це звичайне явище, а біогенез — загадка життя. В.І.Вернадський схиляється до біогенезу. Проте слід відзначити, що прихильники біогенезу були й до В.І.Вернадського. Про це він сам пише в своїй роботі. Так, у 1668 році флорентійський лікар Франческо Реді (1626-1678) проголошує біогенез як єдину форму зародження живого.
Через 195 років після Ф.Реді німецький натурфілософ Л.Окен (1779-1851) висловлює думку, що все живе виникає від живого. Англійський лікар В.Гарвей (1578-1657) теж проголошує принцип: «Omne animal ex ovo» — усяка тварина походить від яйця.
В.І.Вернадський зазначив у своїй роботі, що фактично нам не відомо жодного випадку про утворення живого археогенезом або гетерогенезом. Людина не бачила таких дослідів, щоб живі організми виникали з неживого.
Але з точки зору логіки ми хочемо бачити початок життя. Може, воно входить у глибину геологічних століть? Ми не можемо відтворити його в лабораторних умовах, бо це певний етап еволюції. А еволюцію не можна повернути. В.І.Вернадський ставить питання: «Чи обов'язково життя повинно мати початок з косної матерії?»
Геологічно у всіх шарах Землі, які проаналізовані вченими, спостерігаються сліди життя. Архейські гірські породи (піщаники, вапняки, генки, графіти) свідчать про те, що в цей період ішли процеси вивітрювання, ерозії завдяки енергійній дії живих істот.
Якщо б життя не було, писав В.І. Вернадський, ці процеси йшли б іншим шляхом. У геологічні ери все живе на Землі бере початок від живого. Але геологічні ери не охоплюють усієї історії Землі. Був ще і космічний період, і тоді планета була іншою. І далі В.І. Вернадський наголошує, що життя виникло в космічні періоди літопису Землі, в геологічні часи його зародження не було.
Нам хочеться задати питання: «А як життя виникло в Космосі? Може, там воно виникло з косної матерії?» На це питання знаходимо цікаву відповідь у роботі Вернадського: «Признавая биогенез, согласно научному наблюдению, за единственную форму зарождения живого, неизбежно приходится допустить, что начала жизни в том Космосе, какой мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого Космоса. Жизнь вечна, поскольку вечен Космос, и передавалась всегда биогенезом».
Таким чином, можна сказати, що є три форми існування Космосу: матерія, енергія й життя. І якщо матерія й енергія пов'язані формулою Енштейна Е = mc2, то життя — це прояв і матерії, і енергії. І, може, в певні періоди здатне переходити з матерії в енергію й навпаки.
Наступні покоління в наукових пошуках, можливо, знайдуть відповіді на ці питання. А поки студенти-біологи вчаться думати, мріяти й свідомо відчувати себе частинкою Великого Космосу й бути у відповіді за все, що відбувається на Землі.

5.2. БІОГЕОХІМІЧНІ ЦИКЛИ

Хімічні елементи циркулюють у біосфері характерними шляхами із зовнішнього середовища в організм і знову в зовнішнє середовище. Процеси руху хімічних елементів, які відбуваються за участі живої речовини, називаються біогеохімічними циклами. Рух необхідних для життя елементів і неорганічних сполук можна назвати колообігом елементів живлення. Стосовно біосфери, біогеохімічні цикли можна розподілити на два основні типи: 1) кругообіг газоподібних речовин з резервним фондом в атмосфері або гідросфері; 2) осадовий цикл з резервним фондом у земній корі.
Із газоподібних кругообігів розглянемо два глобальних кругообіги — вуглецю й води. Вони мають дуже велике значення для людства. Від змін, які відбуваються в цих колообігах, залежить майбутнє людства на Землі.
Вуглекислий газ надходить в атмосферу за рахунок дихання всіх організмів. Друге його джерело — виділення по тріщинах земної кори з осадових порід завдяки хімічним процесам (рис. 33).

Рис. 33. Біологічний кругообіг вуглецю (за Б. Боліним, 1972) (доступно тільки при скачуванні підручника)

Можна вважати, що цей СO2теж має біогенне походження. Частина вуглекислого газу надходить в атмосферу з мантії Землі під час вулканічних вивержень. Це 0,01%всього СO2, що виділяється живими організмами (Н.М.Чернова, О.М.Билова, 1986). Крім СO2, в атмосфері присутні в невеликій кількості СО (0,1 частини на мільйон) і СН4 — 1,6 частини на мільйон. Ці сполуки, як і СO2, перебувають у швидкому кругообігу: 0,1 року для СО; 3,6 року для СН4 і 4 роки для СO2. СО і СН4 утворюються під час неповного або анаеробного розкладу органічних сполук. Надалі в атмосфері вони окислюються до СO2. Сьогодні запаси вуглецю в атмосфері оцінюють у 700 млрд тонн, а в гідросфері — 50 000 млрд тонн. Річний фотосинтез складає для атмосфери 30 млрд тонн і для гідросфери — 150 млрд тонн. Виходячи з цих цифр, час кругообігу СO2 складає 300-400 років (Р. Дажо, 1975). Кількість СO2 в атмосфері не зменшується, його запаси постійно збільшуються за рахунок дихання, бродіння, зведення лісів, розорювання ґрунтів, згоряння. Зі збільшенням вмісту СO2 в атмосфері пов'язана глобальна екологічна проблема — потепління клімату.

Кругообіг води на планеті. Цей кругообіг добре викладений у Ю.Одума (1989). На рис. 34 кругообіг показано з точки зору енергетики водної екосистеми.

Рис. 34. Енергетика гідрологічного циклу (за Ю.Одумом, 1986) (доступно тільки при скачуванні підручника)

Частина кругообігу здійснюється за рахунок енергії Сонця, в інших частинах кругообігу енергія звільняється й може бути використана екосистемами й гідроелектростанціями. Близько третини енергії Сонця, яка надходить до Землі, витрачається на кругообіг води. Ю.Одум звертає увагу на два аспекти кругообігу води:
1. Море втрачає через випаровування більше води, ніж отримує з опадами; на суходолі ситуація протилежна. В деяких районах планети 90% опадів приноситься з моря (долина Міссісіпі).
2. Внаслідок діяльності людини стік збільшується, а поповнення фонду ґрунтової води скорочується. Вода в деяких районах стає, як нафта, ресурсом, що не відновлюється.
Стосовно кругообігу азоту, то більшість студентів вже добре з ним знайома з таких навчальних дисциплін, як основи сільського господарства, фізіологія рослин. На рис. 35 наведена схема основних стадій кругообігу азоту в природі.

Кругообіг кисню. Кисень атмосфери накопичений за рахунок фотосинтезу. Єдине джерело абіогенного надходження вільного кисню — фотоліз води у верхніх шарах атмосфери. У природі існує два фундаментальних процеси, протилежних один одному, — це фотосинтез у рослин і дихання. Кількість молекул O2, що їх виділяють зелені рослини, пропорційна кількості молекул СO2, що зв'язуються. Кисень, що виділяється під час фотосинтезу, йде на дихання живих істот та на окислення вуглецю під час мінералізації органічних сполук. Накопичення кисню в атмосфері планети розпочалося ще з докембрію. Надалі концентрація кисню зростала й досягла сьогодні 21%. Збільшення кисню в атмосфері в далекі геологічні часи можна розглядати як величезну екологічну катастрофу. Оскільки більшість прокаріотів кембрію та палеозою не була пристосована до підвищення концентрації кисню, то вони звільнили місце для інших таксонів. Весь наявний запас кисню оцінюється в 1,6•1015 г. Зелені рослини можуть відтворити його за 10 000 років (Н.М.Чернова, О.М.Билова, 1986).

Рис. 35. Кругообіг азоту в біосфері (за К. Делвичем, 1972) (доступно тільки при скачуванні підручника)

Осадовий цикл. Більшість елементів і сполук «прив'язані» до Землі. їх кругообіги входять у загальний осадовий цикл. Циркуляція в такому циклі здійснюється шляхом ерозії, гороутворення, вулканічної діяльності, утворення осаду.
До осадових циклів відносять кругообіг фосфору, сірки, натрію, кальцію. Ці цикли добре викладені в монографіях з екології Ю.Одума (1989), М.Біґона, Дж.Харпера (1989), Р.Дажо (1975), куди можуть звернутися всі, кого цікавлять ці питання.

Запитання для контролю знань

1. Що таке біосфера? Схарактеризуйте сучасні уявлення про біосферу.
2. Які елементи входять до складу біосфери?
3. Назвіть планетарні функції живої речовини біосфери.
4. Проаналізуйте вчення В.І.Вернадського про ноосферу.
5. Назвіть основні біогеохімічні цикли.
6. Як відбувається кругообіг води на планеті?
7. Складіть схему кругообігу кисню.

Скачати повну версію книжки (з малюнками, картами, схемами і таблицями) одним файлом