Идея о влиянии жизни на природные процессы высказывалась в начале ХХ века еще В.В.Докучаевым в работах об особенностях почвообразования. В 20-е годы появились работы В.И.Вернадского о биосфере, в которых биосфера рассматривается как глобальная единая система Земли, где весь ход энергетических и геохимических превращений определяется жизнью. Его идеи были востребованы лишь во второй половине ХХ века, когда родилась концепция экосистем (А.Тенсли, 1935 г.). По определению Вернадского биосфера – это область нашей планеты, где существовала или существует жизнь.
В своих работах “Живое вещество”, “Химическое строение биосферы Земли и ее окружения”, “О пределах биосферы” В.И.Вернадский рассматривал довольно широкий круг вопросов: о ведущей роли живого вещества в геохимических процессах на Земле; сформулировал основные биогеохимические принципы; предложил свою классификацию вещества на планете; задался вопросом о границах биосферы и концентрациях в ней живого вещества; о месте и роли человека в биосфере.
Сформулированные им три биогеохимических принципа дают представление о роли живого вещества в формировании облика Земли.
Первый принцип гласит: биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.
Второй принцип – эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы или во второй интерпретации – “При эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию”.
Третий принцип: в течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможно для всего живого вещества.
Говоря о роли живого вещества, В.И.Вернадский выделял его энергетическую, средообразующую и транспортную функции.
Согласно предложенной им классификации все вещество на планете делится на 7 типов: живое вещество (совокупность всех организмов на Земле), косное (в создании которого живое вещество не принимало участия, например продукты вулканической деятельности), биокосное (созданное косным и живым веществом – вода, почва), биогенное (вещество, созданное жизнью, потенциальный источник энергии – нефть, битум, известняк, уголь), вещество рассеянных атомов (продукты распада земного вещества), вещество в радиоактивном распаде, космическое вещество.
Живое вещество в основном состоит из химических соединений, являющихся водными или воздушными мигрантами (образующими газообразные или растворимые соединения); 99% массы организмов приходится на 14 элементов, преобладающих в земной коре и составляющих 98,9% ее массы (но в других соотношениях), из чего следует, что жизнь – это химическое производное земной коры.
Биохимические процессы, происходящие в живых организмах, – очень сложные организованные циклы химических реакций. В неживой природе на их воспроизведение потребовались бы огромные энергетические затраты. В живых организмах они протекают при посредстве белковых катализаторов – ферментов, которые понижают энергию активации молекул на несколько порядков. Материалы и энергию для обменных процессов живое вещество черпает из окружающей среды, “преобразуя ее уже тем, что живут”. Расщепление жиров в неживой природе происходит при 400°С, а в организме – при 36,6°С. В.И.Вернадский называл живое вещество самой активной формой матери во Вселенной, производящей гигантскую геохимическую работу в биосфере, во-первых, многократно ее ускоряя; во-вторых, преобразуя верхнюю оболочку Земли за время своего существования.
Геохимическая работа живого вещества, по Вернадскому, заключается в следующем.
1. Основная планетарная функция живого вещества – в связывании и запасании солнечной энергии, которая затем идет на поддержание множества других геохимических процессов в биосфере. Через фотосинтез солнечная энергия живым веществом превращена в химическую работу. Часть превращена в залежи угля, торфа, нефти.
2. В результате жизнедеятельности микроорганизмов осуществляются такие химические процессы, как окисление и восстановление элементов с переменной валентностью (азота, серы, железа, марганца), концентрирование их в своем организме; в результате образуются осадочные месторождения серы, залежи сульфидов металлов.
3. При деструкции органических остатков происходит образование гумуса со значительным запасом энергии в почве.
4. Природные воды, обогащенные продуктами минерализации, становятся высокоактивными и интенсивнее выветривают горные породы (внешняя работа).
5. Живым веществом формируется воздушная оболочка Земли. Количество накопленного кислорода на настоящий момент оценивается в 1,6×1015 г, такое количество может быть восстановлено за 10 000 лет. Благодаря живому веществу над Землей сформирован защитный озоновый экран.
6. Геохимическая работа, выполняемая живым веществом, способствует еще и миграции (перемещению и перераспределению) атомов в биосфере через систему больших и малых круговоротов.
Биохимические процессы включаются в круговорот воды, который в свою очередь является источником энергии для внешнего изменения планеты (выветривание, эрозия, осаждение, накопление). Вместе они образуют глобальный круговорот веществ, перераспределяющий в биосфере энергию, поступающую от Солнца.
Скорости перераспределения зависят от емкости биологического круговорота (количества химических элементов, находящихся в живом веществе в данной экосистеме); скорости биологического круговорота (количества живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу времени). Скорость биологического круговорота на суше составляет годы и десятки лет; в водных экосистемах – несколько дней и недель. Для каждого элемента существует своя скорость миграции в малых и больших циклах: кислород атмосферы проходит через живое вещество за 2 тыс. лет; СО2 – 300 лет. Локальные круговороты имеют большую скорость.
В особенностях распределения живого вещества на Земле В.И.Вернадским выделялись две зоны концентрации жизни. Первая – жизненные пленки, занимающие большие площади, например планктонная пленка на поверхности океана вдоль экватора или вдоль границ материков, донная пленка (бенталь).
Вторая зона – сгущения жизни, которые имеют меньшие площади, но более высокую концентрацию живого вещества. Например, в сгущениях жизни в океане В.И.Вернадский выделял три вида: саргассовые (участки морей, переполненные многоклеточными свободно плавающими водорослями – саргассумом и филлофорой, продуктивность которых на мелководье может достигать 5500 т/км2), прибрежные (с преобладанием многоклеточных организмов, например мидиевые или устричные банки) и рифовые (на континенте к таковым он относил стоячие водоемы). Большая же часть поверхности планеты – зона разрежения жизни. В глубоководных водоемах, например, концентрация жизни в сотни тысяч раз меньше, чем в прибрежных. На суше В.И.Вернадским выделялись береговые и пойменные сгущения жизни (современные представления о биосфере добавляют к ним тропические и субтропические леса гумидных областей).
Профессором А.И.Перельманом было сформулировано обобщение, которое он предложил назвать “законом Вернадского”: миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО2, Н2S и т.д.) преимущественно обусловлены живым веществом, как тем, которое в данный момент населяет данную систему, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории.