1. «Живое вещество» («живая материя») по Вернадскому

Впервые центральную идею своего учения о биосфере – идею “живого вещества” – Вернадский высказал в 1919 г. Приняв, что “живая материя является определенным целым” и что это “целое” поддается изучению в аспекте его энергии и химического состава, Вернадский дал одно из первых своих определений живого вещества: “Под именем живого вещества я буду подразумевать всю совокупность организмов, растительных и животных, в том числе и человека. В последующих своих работах он постоянно возвращался к этому определению, дополняя и уточняя его. Главными из этих уточнений были его суждения о трансформации различных форм энергии, их роли в функционировании “живого вещества” и роли последнего в истории химических элементов на Земле.

Впервые в достаточно завершенном виде Вернадский изложил положения своего учения о “живом веществе” в труде “Биосфера” (1926 г.). В нем все характеристики живого вещества были представлены как признаки организованной целостной системы – биосферы, а все явления жизни – как “части механизма биосферы”, отличающиеся четкой упорядоченностью, что “основным и глубочайшим образом отражается на характере и строении живых существ”. В функциональном плане живое вещество, по Вернадскому, это – то звено, которое соединяет историю химических элементов с эволюцией организмов и человека, а также с эволюцией всей биосферы.

В чем же еще, кроме системности и организованности, видел Вернадский отличие живого вещества от косной (неживой) материи? И какова была его позиция в вопросе происхождения живой материи?

Свои воззрения по первому вопросу Вернадский полно изложил в 1931 г. в докладе “Об условиях появления жизни на Земле”, прочитанном в Ленинградском обществе естествоиспытателей. В нем он проявил себя горячим сторонником идеи теории молекулярной диссимметрии Л. Пастера. Он, как и Пастер, видел в наличии диссиметричности пространственной структуры молекул отличительный и фундаментальный признак живой материи. Вернадский не только принял это положение, но и развил его, дополнив новыми идеями, понятиями и терминами.

Так, представив молекулярную диссимметрию как особое “свойство пространства… связанного с жизнью”, Вернадский особо подчеркивал, что неотъемлемым признаком “живой диссиметрии” является преобладание одной из “сред” – левой или правой, т.е. одного из молекулярных стереоизомеров, что и характеризует “симметрию пространства, занятого живым веществом”. “В соединениях, связанных с жизнью, – подчеркивал Вернадский, – преобладает или исключительно существует один антипод”, а по его терминологии, “энантиоморф”, т.е. молекулярный стереоизомер.

Что же касается происхождения столь фундаментального свойства “живого вещества”, то подобно Пастеру, Вернадский рассматривал его не как планетарное, а как космическое явление, “наведенное” на живую материю факторами космического порядка. Правда, в отличие от Пастера, Вернадский не касался вопроса экспериментальной реконструкции молекулярных стереоизомеров. Случайно ли это? По-видимому, нет и вот почему.

В.И. Вернадский был сторонником идеи вечности жизни, объединяя материю и жизнь в единое и неразрывное целое. Иными словами, он считал живое на Земле порождением только живого же, самим живым созданным. Именно поэтому он столь высоко ценил так называемый “принцип Реди”, сформулированный еще в 1668 г. итальянским врачом и естествоиспытателем Ф. Реди: “все живое происходит только из живого” (от лат. omne vivum e vivo). В утверждении “принципа Реди” Вернадский превзошел даже Пастера. Последний, пытался воспроизводить молекулярную диссимметрию “непосредственных элементов жизни”, т.е. живое, в лабораторных условиях.

Утверждая незыблемость “принципа Реди”, геолог Вернадский опирался на данные геохимической истории Земли. И это давало ему повод утверждать: “Никогда в течение геологических периодов не было и нет никаких следов абиогенеза”, а “жизнь всегда была и не имела начала”, поскольку “живой организм – никогда и нигде не происходил из косной материи”, в связи с чем, в истории земли не было вообще геологических эпох, лишенных жизни.

Эти основополагающие тезисы Вернадский уточнял в последующее время (в 1940 г.) такими положениями: “1) нигде и ни в каких явлениях, происходящих или когда-либо имевших место в земной коре, не было найдено следов самозарождения жизни; 2) жизнь, какой она нам представляется в своих проявлениях и в своем количестве, существует непрерывно со времени образования самых древних геологических отложений, со времени архейской эры; 3) нет ни одного организма среди сотен тысяч различных изученных видов, генезис которого не отвечал бы принципу Реди”.

Однако воззрения В.И. Вернадского на возможность абиогенеза (зарождение живого из неживой – косной материи) не были стабильными: они эволюировали по мере привлечения новых данных к решению проблемы.

Выразилось это в том, что не будучи креационистом, он, в конечном итоге, признал возможность абиогенеза, но “оставаясь на точных и бесспорных фактах”, “вынес” зарождение жизни за пределы земной поверхности, придя в конечном итоге к достаточно компромиссному решению: “Принцип Реди… не указывает на невозможность абиогенеза вне биосферы или при установлении наличия в биосфере (теперь или раньше) физико-химических явлений, не принятых при научном определении этой формы организованности земной оболочки”.

Сегодня мы можем утверждать, что развитие естествознания не опровергает, а во много подтверждает идеи В.И. Вернадского. Касается это и его воззрений, противоречащих догме земного абиогенеза, т.е. так называемой “химической эволюции”, столь “удачно” завершившейся зарождением жизни[2].

2. Структура и функции биосферы по Вернадскому

Структура биосферы и ее функции отражены в пяти постулатах В.И. Вернадского, с помощью которых он представил структуру и функции первичной биосферы.

Постулат первый: “С самого начала биосферы, жизнь, в нее входящая, должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, поскольку связанные с жизнью ее биогеохимические функции по разнообразию и сложности не могут быть уделом какой-нибудь одной формы жизни”. Смысл сказанного однозначен: первобытная биосфера изначально была представлена богатым функциональным разнообразием.

Постулат второй: “Организмы проявляются не единично, а в массовом эффекте… имеет значение совокупность неделимых”. И далее: “Первое появление жизни… должно было произойти не в виде появления одного какого-нибудь вида организмов, а их совокупности, отвечающей геохимической функции жизни. Должны были сразу появиться биоценозы”.

Третий постулат: “В общем монолите жизни, как бы не менялись его составные части, их химические функции не могли быть затронуты морфологическим изменением”. Смысл приведенных постулатов таков: первичная биосфера была представлена “совокупностями” организмов типа биоценозов, которые и были главной “действующей силой” геохимических преобразований, а морфологические изменения компонентов этих “совокупностей” не отражались на их “химических функциях”.

Постулат четвертый: “Живые организмы… своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом… непрерывной сменой поколений… порождают одно из грандиознейших планетных явлений… миграцию химических элементов в биосфера”, поэтому “на всем протяжении протекших миллионов лет мы видим образование тех же минералов, во все времена шли те же циклы химических элементов, какие мы видим и сейчас”.

И пятый постулат: “Все без исключения функции живого вещества в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами”.

Какие же именно “геохимические функции” имел в виду Вернадский? Он определил их такими терминами: газовая, кислородная, окислительная, кальциевая, восстановительная, концентрационная, разрушение органических соединений, восстановительное разложение, метаболизм и дыхание. Функций этих было достаточно, чтобы “былая биосфера” сыграла свою определяющую роль в становлении оболочек Земли – атмосферы, гидросферы, литосферы и геосферы. Современная наука о биосфере те же функции классифицирует по пяти категориям: энергетическая, концентрационная, деструктивная, средообразующая, транспортная.

Естественно возникает вопрос, какой же механизм функционировал и продолжает обеспечивать способность биосферы выполнять геологические, а также и экологические функции?

Ответ на этот вопрос дает четвертый постулат Вернадского: трофико-метаболические связи между компонентами биосферы, обеспечивающие глобальный круговорот элементов, а самой биосфере – целостность единой живой системы – “огромного организма”.

Длительное время концепция биосферы В.И. Вернадского замалчивалась: она не соответствовала господствовавшей догме А.И. Опарина, утверждавшей идею постепенного морфо-функционального усложнения живой материи путем замены одних форм на другие – “более приспособленные”.

Правда, идея структурной целостности биосферы и изначального ее функционального многообразия продолжала жить в отечественной биологии: в трудах о биогенетическом покрове планеты В.Н. Сукачева, в концепции геомериды, или живого покрова Земли В.Н. Беклемишева, в теории живой материи Э.С. Бауэра[3].

3. Выводы из учения о биосфере

Первым выводом из учения о биосфере является принцип целостности биосферы. “Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе, как о едином целом в механизме биосферы”. Строение Земли, по Вернадскому, есть согласованный в своих частях механизм. “Твари Земли являются созданием космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма”.

Узкие пределы существования жизни – физические постоянные, уровни радиации и т.п. – подтверждают это. Как будто кто-то создал такую среду, чтобы жизнь стала возможна. Какие условия и константы имеются в виду? Гравитационная постоянная, или константа всемирного тяготения, определяет размеры звезд, температуру и давления 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 ядреных реакций не дойдут до углерода и азота. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет конфигурацию электронных оболочек и прочность химических связей; ее изменение делает Вселенную мертвой. К этому добавляется еще антропный принцип, с которым мировые константы как бы подгоняются к возможности существования жизни.

С принципом целостности биосферы и неразрывной связи в ней живых и косных компонентов связан и принцип гармонии биосферы и ее организованности. В биосфере, по 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”.

Роль живого 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”. Лик Земли как небесного тела, заключает Вернадский, фактически сформирован жизнью.

Космическая роль биосферы 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.

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.

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.

Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества.

Формы нахождения химических элементов: 1) горные породы и минералы; 2) магмы; 3) рассеянные элементы; 4) живое вещество. 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[4].

Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности. Пределы жизни определяются в конце концов физико-химическими свойствами соединений, стоящих 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 достижением высокой температуры. Интервал в 433єС (от -252°С до +180°С) является предельным тепловым полем.

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.

Всюдность жизни в биосфере. Жизнь постепенно, медленно, приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. После устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени.

Постоянство количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество свободного живого вещества (1,5х10 21 гр. и 10 20 -10 21 гр.). Скорость передачи жизни не может перейти пределы, нарушающие свойства газов. Идет борьба за нужный газ.

Всякая система достигает устойчивого равновесия, когда ее свободная энергия равняется или приближается к нулю, т.е. когда вся возможная в условиях системы работа произведена.

Подлинное возрождение идеи В.И. Вернадского о структуре и функциях как древней, так и современной биосферы произошло в середине 1970-х гг. благодаря трудам отечественного микробиолога Г.А. Заварзина. Он не только четко назвал механизмы функционирования биосферы и фактор, объединяющий ее в единую систему – трофические связи между организмами, но и расшифровал сложнейшую систему этих многосторонних связей. Главный вывод его исследований гласит: биосфера создавалась не на базе дивергентной эволюции входящих в нее организмов, а путем появления новых и усложнения уже имевшихся трофических связей между организмами, всегда существовавшими не отдельно, а в составе сообществ – экосистем различного масштаба. Отсюда следовал вывод: элементарной структурно-функциональной единицей эволюции биосферы всегда были не отдельные особи и даже не вида, а экологические сообщества, которые преобразовывались не за счет удаления из них “неприспособленных”, а аддитивным путем, т.е. присоединением новых элементов, “сопрягающим это сообщество с новыми факторами внешней среды”. Отсюда и другой не менее важный вывод: “Изучение эволюции микробных систем представляется необходимым для понимания геологических проблем и истории Земли в целом”. Главный вывод исследований как Г.А. Заварзина, так и многих зарубежных экологов, микропалеонтологов, геохимиков – Т. Брока, Дж. Шопфа, Е. Баргхорна, П. Клауда и других – сводится к тому, что главным фактором становления и функционирования биосферы были и остаются многосторонние трофические связи, установившиеся не менее, чем 3,4–3,5 млрд. лет тому назад, и определявшие характер и масштабы круговорота элементов в оболочках Земли.

Из сказанного следует, что ключевую роль в понимании существования живой природы на биосферном уровне играет экологический фактор. Именно ему отводил и В.И. Вернадский решающую роль, когда говорил об условиях функционирования и сохранения живого как “единого целого”, “как монолита жизни”. Особенно четко роль экологического фактора обозначилась тогда, когда биосфера обрела новую форму существования – форму неосферы.

Заключение

В заключении хотелось бы отметить, что изучая взаимодействие живых и неживых систем В.И. Вернадский выдвинул принцип неразрывной связи живого и неживого, переосмыслив понятие биосферы. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого.

Занимаясь им же созданной биогеохимеей, изучающей распределение химических элементов по поверхности планеты, Вернадский пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество. Вернадский подчеркивал также важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии.

Какими же данными располагает современная наука, позволяющая говорить, что Вернадский во много был прав, во всяком случае в той части его воззрений, которые касаются неразрывной связи геохимической истории Земли с жизнью, и если не ее вечности, то по крайней мере, неподозреваемой ранее древности биосферы “в лице” докембрийской (архейской) прокариотной жизни?

Данные эти, начиная с конца 1960-х гг., стали предоставлять естествознанию две дисциплины – геомикробиология и палеомикробиология. Первая исследует историю метаболической деятельности древнего прокариотного мира с помощью микроскопирования шлифововых (от нем. Schliff – тонкий слой горной породы), срезов биохимической идентификации хемофоссилий (химических ископаемых), изотопного фракционирования элементов ( 12 С/ 13 С; 32 S/ 34 S). С помощью данных этой науки установлено, что закладка основных осадочных пород произошла на границе докембрия и фанерозоя, а главные факторы гипергенеза (химический состав атмосферы и органическое вещество) остаются стабильными на протяжении всей истории Земли. В пользу этих выводов приводятся факты, подтверждающие неизменность распределения в осадочных породах углерода, серы, урана, окисленного железа. А последнее оценивается как довод в пользу докембрийского появления кислорода в атмосфере, что подтверждается и широко признанным представлением о том, что уже при 1%-ном от современного содержания О ₂ в атмосфере (“точка Пастера”) мог образоваться защитный озоновый слой – одно из условий благоденствия жизни и перехода от анаэробного образа жизни к аэробному.

Что же касается палеомикробиологии, то она исследует преимущественно микроскопические морфологические ископаемые – микрофоссилии, главным образом, строматолиты (морфологические остатки древних цианобактериальных сообществ) с широким использование метода изотопного фракционного анализа. Бурно развивавшаяся в период 1960 – 80-х гг., эта наука получила данные, подтверждающие не только не подозреваемую ранее древность живого мира (микроскопические ископаемые Исуа-формации датируются по 12 С-изотопу 3,8 срд. лет, в то время как общепризнанной датой зарождения жизни все еще пока остается дата 4.2–3.8 млрд. лет), но и поразительное метаболическое разнообразие древнего прокариотного мира. А это – еще одно подтверждение необычайного научного предвидения В.И. Вернадского, который опираясь лишь на геохимические данные, неотступно пропагандировал идею древнейшего происхождения и одновременного сосуществования метаболического разнообразия первичной биосферы[5].