Остов для науки о биосфере к 30-м годам нашего столетия создал Вернадский. Он говорил об этом так: «Я ясно стал осознавать, 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. Я чувствовал в себе демона Сократа. Сейчас я сознаю, что это же учение может оказать такое же влияние, как книга Дарвина, и в таком случае, я, нисколько не меняясь в своей сущности, попадаю в первые ряды мировых ученых».
Еще в студенческие годы Вернадский поставил перед собой вопросы о закономерностях развития живой материи, о ее составе и свойствах, о соотношениях с неживой материей, о сущности жизни и т. д. В последние годы пребывания в Петербургском университете он размышлял над проблемами взаимоотношений природы и человека. Докучаев оказал сильное влияние на становление его взглядов. Нельзя разделить природные явления на независимые друг от друга части без вреда для получаемого вывода. Надо брать природу как целое. Такой подход стал характерен для всего научного и философского творчества Вернадского. Он работал по проблемам, не считаясь с научными рамками.
История человеческого общества — это история взаимоотношений человека с природой. В античное время ведущим признаком этих взаимоотношений были единство и гармония. В средние века — подчинение человека природе. В новое время — противопоставление человека природе, покорение, природы. Повсеместно природные биогеоценозы заменяются культурными. В природных экосистемах коренным образом перестраиваются биотические связи.
Термин «биосфера» впервые был употреблен еще в начале прошлого века Жаном Батистом Ламарком. Геологический смысл в него вложил австрийский ученый Эдуард Зюсс. По Зюссу, биосфера — область нахождения живой материи; это статическое определение биосферы.
Основные идеи Вернадского о биосфере сложились к началу 20-х годов и были опубликованы в 1926 г. в книге «Биосфера», состоящей из двух очерков: «Биосфера в космосе» и «Область жизни». По Вернадскому, биосфера — организованная, динамическая и устойчиво уравновешенная, самоподдерживающаяся и саморазвивающаяся система. Основной чертой ее организованности является биогенная миграция химических элементов, производимая силами жизни, источником энергии которой является лучистая энергия Солнца. Вернадский так определил пространство, охватываемое биосферой Земли: вся гидросфера до максимальных глубин океана, верхняя часть литосферы материков до глубины 2-3 км, нижняя часть атмосферы (по крайней мере, до верхней границы тропосферы).
Вместе с другими геосферами биосфера образует единую планетарную экологическую систему высшего порядка, в которой действует единый планетарный механизм. В первой стадии происходит поглощение растениями солнечной энергии, углекислоты, воды и минеральных веществ. Вторая стадия — многократная трансформация и утилизация органических веществ, образовавшихся в виде биомассы, животными и микробами. Третья стадия — распад органических веществ до исходных минеральных продуктов с помощью микроорганизмов-минерализаторов. Динамическое равновесие всех этих процессов в масштабах планеты определяет существование жизни, направление биохимических процессов в твердых породах, воде и атмосфере планеты. На Земле есть и места, где это равновесие особо ранимо (например, в тропиках).
В начале XX в. изучение Вернадским роли живых организмов в химических процессах на поверхности Земли соотносилось с исследованием геохимии отдельных химических элементов, входящих в состав горных пород. Связующим звеном явились вопросы геохимии углерода. Поэтому ученый заинтересовался ролью отдельных видов — млекопитающих, птиц, рыб, растений; особенно его внимание привлек человек.
Изначальная, со студенческих пор полученная установка исследователя на изучение роли организмов в окружающей среде каждый раз получала все новый и новый материал в пользу значительного участия жизни в эволюции вещества планеты. Деятельность грызунов в степи, наблюдения за дождевыми червями, минерализующими органику почвы, геохимическая деятельность водорослей в водоемах — эти и другие наблюдения составляли творческую лабораторию ученого, в которой формировался биологический подход к осмыслению геохимических циклов земного вещества.
Что общего между почвой, осадочными породами, мировым океаном, подземными водами? Что позволяет объединить их в единое целое? Вернадский отвечает: общей является геохимическая работа живого вещества.
Живое представляется для Вернадского в виде зелени, охватившей всю планету пленкой жизни. Развитие живого в биосфере привело к огромному разнообразию органических соединений, число которых измеряется миллионами, в то время как число неорганических соединений (минералов) измеряется тысячами. Развитие живого вещества сопровождается его ростом. Но в природе протекает и обратный процесс — разрушение сложных органических соединений. Животные более энергично, чем растения минерализуют органические вещества. Противоположные процессы образования и разрушения органического вещества образуют единый биологический круговорот атомов на Земле.
Живые организмы, неживое вещество во всех его проявлениях заселяют особую планетарную оболочку — биосферу. Учение о живом веществе у Вернадского перерастает в учение о биосфере — цельное научное обобщение громадного количества фактов о происхождении, структуре и динамике окружающей среды.
До Вернадского организмам тоже отводилась определенная роль в жизни Земли. Среди осадочных пород выделяли особо органогенные породы: угли, ракушечники, диатомиты, торф и др. Однако подавляющее большинство других пород не связывали с деятельностью организмов. В особенности, как считали, не было никаких оснований связывать с жизнью граниты. Поэтому высказывание Вернадского о том, что граниты — это былые биосферы, многим показалось абсурдным. Причина этого — в рассмотрении биологами ОТДЕЛЬНОГО живого существа, роль которого представлялась весьма малой по сравнению с грандиозной деятельностью неживой природы: работой рек, ледников, ветра...
Вернадский ввел в науку понятие «живое вещество», — стало возможным оценить деятельность живого на планете в целом. «Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы, действенная его энергия по сравнению с энергией косного вещества в историческом времени огромна. Захватывая энергию Солнца, живое вещество создает химические соединения, при распадении которых эта энергия освобождается в форме, могущей производить химическую работу».
Для полного описания особенностей живого вещества Вернадский вводит в научный оборот понятия «сгущение жизни», «давление жизни», «всюдность жизни». Он говорит: «Живое вещество — совокупность организмов — подобно массе газа, растекается по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде, обходит препятствия, мешающие его передвижению, или ими овладевает, их покрывает».
Живые организмы не ограничены от неорганической неживой «косной» материи, они образуют вместе с ней особые системы, которые Вернадский назвал биокосными. Это подсистемы биосферы, в которых живое вещество и неорганическая материя проникают друг в друга; сама биосфера — наиболее крупная биокосная система. Первую биокосную систему — почву — открыл еще в XIX в. его учитель В. В. Докучаев, — благодаря такому подходу русское почвоведение завоевало ведущее место в мировой науке. В почве живые организмы, твердые, жидкие и газообразные вещества тесно между собой связаны и взаимообусловлены.
Живое вещество превращает происходящие в почве химические процессы в биогеохимические, нарушает соотношение между почвой и подпочвой, влияет на зернистость и рыхлость почвы. Вернадский указывает на зависимость вертикальной миграции почвенного населения от суточного вращения Земли и времен года, называет основные направления исследований влияния живых организмов на почву: роль живого вещества в формировании физических и химических свойств почвы, роль живого вещества в формировании почвенных дисперсий, роль живого вещества в процессе концентрации и рассеивании химических элементов в почве и др.
Определение в почве редких химических элементов поможет исследованию биологических процессов, так как почва является единственным источником редких элементов для сухопутных организмов. Анализировать почву необходимо со всем ее содержанием, со всеми ее организмами, их остатками и другими органическими материалами. «Вероятно, большая часть химических элементов находится в ней в виде живых организмов. Живое вещество не только управляет химическими процессами почвы, но и само входит в ее состав».
В своей работе «Об участии живого вещества в создании почв» Вернадский впервые обосновал фундаментальную идею об органогенном парагенезисе, которая имеет большое прикладное значение. Еще в 1909 г. он ввел в науку понятие о парагенезисе химических элементов в земной коре. Явлением органогенного парагенезиса Вернадский объяснил накопительную и распылительную в отношении химических элементов функцию живого вещества.
Вернадский изучает радиоактивные элементы во всех объектах окружающей среды. По его мнению, это поможет понять многие проблемы, связанные с геологией и геохимией планеты, более целенаправленно вести поисковые работы на радиоактивные элементы.
С развитием работ все большее внимание у него привлекает вопрос о космической роли живой материи. Лишайники на горных породах: Вернадский впервые изучает их в связи с их способностью изменять лучеиспускание и нагревание горных пород. Затем он обнаружил связь между стадиями разрушения пород и семействами или родами поселявшихся на них растений. Не являются ли лишайники и мхи своеобразными космическими агентами, влияющими на тепловой режим нашей планеты? «Ибо биосфера является той единственной земной оболочкой, в которую непрерывно проникают космическая энергия, космическое излучение и прежде всего лучеиспускания Солнца, поддерживающие динамическое равновесие, организованность: «биосфера - живое вещество».
В истории биосферы выделяются четыре крупных этапа: появление первичных автотрофов (новый способ питания, важнейший компонент биосферы); возникновение животных с кальциевым скелетом (усиление одной из биогеохимических функций); формирование лесных биогеоценозов (возникновение биогеоценозов, наиболее эффективно осуществляющих аккумуляцию солнечной энергии); создание ноосферы (резкое изменение всех биогеохимических и энергетических процессов в биосфере).
Наблюдая пласты древних осадочных пород, залежи известняка, железных и марганцевых руд, каменного угля, основоположник геохимии хорошо понимал роль живого вещества в их образовании. И вот что привлекло его внимание. Исследуя глубокие, самые древние пласты Земли, в которых были обнаружены следы живого вещества, он всегда встречал мощные проявления природопреобразующей деятельности живых организмов. Данные палеогеологических изысканий, считал Вернадский, — свидетельство множественности проявления жизни во всех горизонтах времени. Высока интенсивность работы разнообразных форм живого вещества, как далеко в прошлое мы бы ни возвращались. Это не может быть характеристикой только процесса эволюции, начатого одним только организмом или небольшой группой однородных организмов. Так около 60 лет назад Вернадский закладывает научные основы полифилии — гипотезы об изначальном многообразии жизни. Земная кора представляет собой преобразованные остатки былых биосфер. Окаменевшими продуктами жизнедеятельности являются громадные залежи горючих ископаемых, осадочные породы и, возможно, гранитная оболочка Земли.
Вернадский выдвинул идею об эволюции биосферы как результате постоянного взаимодействия органического мира и окружающей его среды в процессах круговорота вещества и трансформации энергии: «Эволюционный процесс живых веществ непрерывно в течение всего геологического времени охватывает всю биосферу и различным образом, менее резко, но сказывается на ее косных природных телах. Уже по одному этому мы можем и должны говорить об эволюционном процессе самой биосферы в целом». Им выделены в эволюции биосферы следующие основные тенденции: расширение области миграции элементов в результате захвата жизнью все новых зон обитания; усиление преобразующего влияния жизни на окружающую среду; общее ускорение темпов миграции элементов; появление качественно новых форм миграции элементов, непосредственно не связанных с обменом внутри организмов; резкое усиление отдельных биогеохимических функций; концентрация громадного количества солнечной энергии в приповерхностной оболочке Земли; общее усложнение структуры биогеохимического круговорота, связанное с появлением новых потоков миграции элементов.
За время геологической истории росло число видов организмов, они становились сложнее и совершеннее (от одноклеточных к млекопитающим). Эволюционировали биокосные системы: разнообразнее и сложнее становились почвы, илы, ландшафты. Увеличение сложности и разнообразия прежде всего проявляло себя в геологии: усложнялся минеральный состав руд, увеличивались кларки концентрации. Эти процессы происходили при непрерывном поступлении солнечной энергии, радиоактивной энергии, возможно и других (неизвестных нам сегодня) видов энергии. С помощью биологического круговорота атомов солнечная энергия превращалась в химическую.
Вернадский считал, что основная задача в изучении эволюции биосферы заключается в установлении связи эволюции видов с эволюцией биосферы. Эти процессы характеризуются едиными признаками, к которым он относил биомассу, химический состав и геохимическую энергию.
идообразование рассматривается им не только как изменение морфологических и физиологических признаков организмов, но и как изменение их веса, химического состава и геохимической энергии. Для измерения влияния организмов на среду Вернадским введено понятие «геохимическая энергия» и предложены формулы для ее вычисления. В результате эволюции биосферы в поверхностных оболочках Земли накапливается энергия. Ее увеличение происходит в результате: фотосинтеза и выделения кислорода, обладающего высокой химической активностью; захвата растениями новых областей жизни, превращения их в области аккумуляции солнечной энергии в процессах фотосинтеза; аккумуляции солнечной энергии в горючих ископаемых и биогенных минералах.