Концепции современного естествознания. Конспект лекций Горелов Анатолий
В этой главе мы займемся непосредственно самим кодом, но сначала уделим немного внимания мутациям — этим внезапным изменениям генетического материала, которые ведут к изменениям внешнего вида и функций организма. В свете того, что мы уже знаем, мы, естественно, связываем изменения генетического материала с нарушениями в последовательности оснований ДНК и считаем, что последующие изменения признаков организма обусловлены изменениями в последовательности аминокислот в одном или нескольких его белках. Изменения, вызванные мутацией, иногда едва заметны, а эти, казалось бы, незначительные изменения часто имеют весьма серьезные последствия для организма, в чем мы уже убедились на примере аномальных гемоглобинов. Бывает, что в результате случайной мутации функция белка оказывается полностью нарушенной. В таких случаях организм, как правило, погибает, и тогда мы называем мутацию летальной (смертельной). Хотя и очень редко, но возникают также полезные мутации. Обычно такие мутации в процессе естественного отбора закрепляются в последующих поколениях и служат уже признаками нормальной ДНК.
Какими могут быть мутации? Поскольку мы представляем себе наследственную информацию в виде последовательности оснований ДНК, мы можем рассматривать ее как зашифрованный текст. Тогда мутации будут чем-то вроде обычных опечаток. Я приведу несколько примеров таких опечаток, возможных в самых обычных фразах, встречающихся, скажем, в газетных статьях и объявлениях.
ОЖИДАЕТСЯ ПРОХЛАДНАЯ ПОГОДА С ЗАМОРОЗКАМИ НА ПОЧТЕ.
Опечатку такого рода можно назвать замещением: здесь нужная буква замещена неправильной.
ОТПРАВЛЕНИЕ ПОЕЗДА В ДЕСЯТЬ ЧАСОВ УТРА ПО НЕЧЕСТНЫМ ЧИСЛАМ.
Здесь вставлена лишняя буква; назовем такую ошибку вставкой.
В ДОМЕ КУЛЬТУРЫ СОСТОИТСЯ ОКЛАД НА ТЕМУ.
А тут, наоборот, буква пропущена; такую ошибку принято называть делецией.
ЧЕЛНЫ УЧЕНОГО СОВЕТА ОСВЕЩАЮТСЯ ПО ПОНЕДЕЛЬНИКАМ.
В данном случае часть текста напечатана в обратном порядке (переставлены две соседние буквы), это инверсия.
И наконец, сбой в наборе может породить полную бессмыслицу. Мы будем называть такие ошибки нонсенсами:
ПРОГРАММЫ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫХ ПЕРЕДАЧ.
ИНРГДХ ГПТ ИЮР УНСМ.
Надо вам сказать, что точно такого же характера опечатки встречаются и в генетическом материале живых организмов, и те названия, которые я им дал, взяты из лексикона генетиков, занимающихся изучением мутаций. В этой главе мы будем вести речь о трех видах мутаций.
Как возникают мутации? В наши дни почти каждый знает, что мутации могут быть вызваны радиацией. К нашему несчастью, мы из собственного опыта знаем о генетических последствиях ядерных взрывов. Среди встречающихся в природе мутаций многие обусловлены слабой радиацией. Действию такой слабой радиации — хотим мы того или нет — мы постоянно подвергаемся. Эта радиация совершенно не связана с испытаниями ядерного оружия. Правда, иногда она тоже обусловлена деятельностью человека. Речь идет, например, о различных рентгенологических обследованиях, радиоактивном излучении. Радиоактивны многие минералы, космические лучи, приходящие к нам из мирового пространства, тоже составляют один из видов радиации. Даже непосредственно в составе нашего тела небольшая доля атомов всегда радиоактивна (так, например, мы все содержим калий, а природный калий всегда слегка радиоактивен).
Мутации могут быть также вызваны химическими соединениями. В частности такое довольно простое соединение, как азотистая кислота, оказывает действие на некоторые основания, превращая, например, цитозин в урацил, что ведет к мутации, которую мы назвали замещением. Соединения другого класса — акридины — могут иногда приводить к появлению в последовательности дополнительного основания (вставки) или, наоборот, к выпадению основания — мутация, названному нами делецией.
Я упоминаю об этом потому, что среди великого множества экспериментов, стоящих за всеми упоминающимися в книге открытиями, изучение мутаций — естественных и искусственных — сыграло, пожалуй, главную роль. В частности мутации сыграли важную роль при изучении генетического кода, которым мы теперь и займемся.
Генетический код можно считать чем-то вроде азбуки Морзе. В азбуке Морзе имеются три символа — точка, тире и пустой промежуток (отделяющий соседние буквы). Код нуклеиновых кислот содержит четыре символа: А, Г, Ц и Т (или в РНК — А, Г, Ц, и У).
Трудность изучения кода состоит в том, что мы не умеем прямо определять последовательность оснований в нуклеиновых кислотах, как это удается сделать для последовательности аминокислот в белках[241]. Если бы мы умели определять последовательность оснований в нуклеиновых кислотах, то тогда можно было бы выделить информационную РНК, ведущую синтез определенного белка, установить последовательность оснований в этой РНК и последовательность аминокислот в белке, а затем выписать обе последовательности рядом, и весь код будет перед нами как на ладони. Но раз мы не можем сделать этого прямо, приходится идти кружным путем.
Прежде всего требуется выяснить «кодовое число», иными словами, узнать, сколько символов необходимо для кодирования одной аминокислоты. В азбуке Морзе кодовое число непостоянно, оно меняется от буквы к букве. Некоторые буквы обозначают одним символом, скажем, одна точка обозначает букву Е (кодовое число равно единице); буква М обозначается двумя символами — тире, тире (кодовое число два). Максимальное кодовое число у буквы Э: оно равно пяти (букву Э обозначают символами точка, точка, тире, точка, точка).
Что касается генетического кода, то здесь нам ясно, что кодовое число должно быть больше двух, так как в противном случае с помощью четырех символов мы могли бы составить только 4 4 = 16 возможных комбинаций. Следовательно, кодовое число должно быть равно по меньшей мере 3; тогда можно получить 4 4 4 = 64 комбинации, а этого более чем достаточно для обозначения 20 аминокислот. Правда, у нас получится 44 лишних комбинации; как быть с ними? Ну, во-первых, код может быть «вырожденым». На научном жаргоне это слово означает, что одной аминокислоте соответствует несколько различных комбинаций, точно так же, как одно и то же лекарство может идти в продажу под разными названиями. А может быть и так, что все лишние 44 комбинации являются «нонсенсами» и ничего не означают. Наконец, эти комбинации могут выполнять роль знаков препинания, обозначать начало или конец синтеза белка. Легко придумать и другие возможности. Все эти варианты следует иметь в виду при обсуждении любого кода. Нужно еще помнить, что один вариант не исключает другого: может существовать вырожденный код, содержащий к тому же несколько «нонсенсов».
Еще совсем недавно не было никаких экспериментальных данных, с помощью которых можно было бы проверить относящиеся к коду теории. Проблема кода представляла неплохую арену, на которой могли пробовать свои силы некоторые очень хорошие математики, ну и просто любители головоломок. Было предложено несколько решений, но если никто не мог поручиться, что хотя бы одно из них правильно, то в ошибочности некоторых из предложенных кодов сомнений не было.
Просто как пример остроумия предложенных ранее кодов приведу код Гамова — одно из первых всерьез предложенных решений. Этот код состоял из перекрывающихся триплетов и имел ту притягательную особенность, что, естественно, приводил к «магическому числу» 20 (аминокислот, как мы знаем, двадцать). Принцип этого кода иллюстрирует рисунок XV.
Рис. XV. Перекрывающийся триплетный генетический код, предложенный Г.А. Гамовым.
Как видно из рисунка, каждое основание служит частью сразу трех триплетов, кодирующих три соседние аминокислоты. Однако легко показать, что предложенная схема не может быть правильной. Если вы чуть внимательнее рассмотрите этот код, то увидите, что он налагает на возможные последовательности аминокислот ряд ограничений. Если этот код верен, то некоторые сочетания аминокислот не должны встречаться ни в одном белке. Однако было показано, что никаких подобных ограничений в действительности не существует. Кроме того, в таком случае точковая мутация, которая состоит в замене одного основания, должна была бы приводить к изменению сразу трех стоящих рядом аминокислот, во всяком случае, не менее чем трех. Но мы уже знаем, что это не так: достаточно напомнить аномальные гемоглобины, в которых изменена только одна аминокислота. Да и вообще аномалии в белках почти всегда сводятся к однократным изменениям последовательности. Следовательно, код Гамова не может служить правильным решением.
Первая аминокислота кодируется первым, вторым и третьим основаниями; вторая аминокислота — вторым и четверым и т. д. Согласной этой схеме возможно 20 независимых комбинаций, соответствующих 20 аминокислотам. Изменение одного основания, например основания Г (выделено жирным шрифтом), приведет к изменению сразу трех последовательно расположенных аминокислот (в нашем примере второй, третьей и четвертой). Код такого типа накладывает ограничения на возможные последовательности аминокислот. Например, за аминокислотой, кодируемой триплетом АТТ, может следовать только та аминокислота, которой соответствует кодовый символ, начинающийся с ТТ. Неперекрывающиеся коды не связаны с подобными ограничениями[242].
Был предложен еще ряд кодов. Но лишь совсем недавно были получены экспериментальные данные, позволяющие судить не только о природе кода, но и о том, какие конкретно комбинации оснований кодируют каждую аминокислоту. Я намерен описать два типа экспериментов: один дает сведения относительно общего характера кода, а другой устанавливает реальные символы и их значение.
Эксперименты, связанные с выяснением природы кода, будет легче понять, если я заранее скажу правильный ответ. Код состоит из неперекрывающихся триплетов оснований и читается с определенного места в одном направлении. Например, последовательность АГЦТТЦЦГТ… следует читать: АГЦ ТТЦ ЦГТ… и так до конца гена. Каждый триплет соответствует одной определенной аминокислоте (серину, фенилаланину, аргинину.). Этот результат был получен при изучении мутантных микроорганизмов, возникающих под действием акридина. Как вы помните, обработка акридиновыми красителями приводит либо к появлению в последовательности дополнительного основания (вставка), либо к пропуску основания (делеция); от случая к случаю происходит то вставка, то делеция.
Особенно просто прояснить этот эксперимент, обратившись к аналогии с азбукой Морзе. Пусть сообщение нчинается со слова:
(Чтобы сделать аналогию с кодом ДНК возможно ближе, я специально составил слово из букв, для которых требуются три символа, и выбросил пропуски между буквами.)
Теперь предположим, что где-то в середине случайно произошла вставка, например на седьмом месте появилась лишняя точка. Составляя снова символы в группы по три, прочтем текст:
Как видите, сразу после вставки символы стали читаться неправильно, и все слово превратилось в бессмысленное сочетание букв. Легко сообразить, что и следующие слова постигнет та же участь, и так до конца сообщения. Если, наоборот, в том же месте произойдет делеция, то мы снова прочтем бессмыслицу. Точно так же и в ДНК однократная вставка или делеция делает генетическое сообщение бессмысленным: в синтезируемой последовательности аминокислот с определенного места пойдет брак. Можно заранее предсказать, что белок, синтезируемый под контролем ДНК, которая была обработана таким способом, утратит свою функцию. Если же без этого белка организм не может существовать, то он погибнет — мутация будет летальной. На практике так и случается: однократные вставки и делеции летальны.
А теперь представим себе, что где-то произошла сначала вставка, а потом, чуть позднее, делеция. Как и прежде, сразу после вставки сообщение превратится в бессмыслицу, но после делеции правильное считывание восстановится и снова пойдет осмысленный текст:
Если то же произойдет с ДНК, то в белке появятся только две или три неправильные аминокислоты — во всяком случае, немного (если, конечно, делеция произойдет недалеко от вставки). Затем в последовательности аминокислоты снова встанут на свои места. Хотя такой белок будет работать хуже обычного, но, по крайней мере, можно надеяться, что совсем из игры он не выйдет. И снова предсказания подтверждаются на практике. Однократная делеция или вставка летальна, но две близко отстоящие мутации, из которых одна — вставка, а другая — делеция, хотя и ухудшают жизнеспособность организма, но в ряде случаев не летальны.
По-настоящему решающий эксперимент был выполнен, когда удалось в один участок ДНК ввести сразу три близко расположенные вставки. Как мы видели, одна вставка приводит к появлению бессмыслицы сразу с того места, где она произошла. Можно показать, что и вторая вставка, близкая к первой, даст тот же результат. Иными словами, сообщение становится бессмысленным после первой вставки, но вторая вставка (в отличие от делеции) текста сообщения не восстанавливает:
Если же ввести три вставки, то после третьей вставки смысл текста восстанавливается:
Подобные ситуации были обнаружены при изучении живых организмов. Оказалось, что одна вставка летальна, две — тоже летальны, а три — не летальны, хотя и оказывают вредный эффект, поскольку короткий участок молекулы белка оказывается измененным.
Как легко убедиться, отсюда с очевидностью следует, что кодовое число должно равняться трем: каждая аминокислота кодируется тремя символами. При кодовом числе, равном четырем, для восстановления смысла текста требовались бы четыре вставки. Итак, результаты проведенных экспериментов почти не оставляли сомнений в том, что код должен быть триплетным, неперекрывающимся и должен считываться по три, начиная с некоторой точки, которую можно было бы рассматривать как начало «предложения».
Обратимся теперь ко второй серии экспериментов, имевших целью выяснение действительных кодовых комбинаций. В этих экспериментах использовалась уже упоминавшаяся бесклеточная система. Итак, все компоненты, необходимые для синтеза белка, собраны вместе, в одной пробирке. Сюда входят рибосомы, источник энергии, запас аминокислот, некоторые из транспортных РНК и полный набор необходимых ферментов. Если теперь в пробирку добавить информационную РНК, то начнется синтез белка. Например, можно ввести туда РНК, кодирующую гемоглобин, и в системе начнут в заметном количестве синтезироваться молекулы гемоглобина.
Бесклеточная система, оказавшаяся необычайно полезной при изучении синтеза белка, с неменьшим успехом использовалась и для изучения кода. Было обнаружено, что такая система работает и тогда, когда в нее добавляется искусственный посредник — синтетическая РНК с известной последовательностью оснований. В первом из таких экспериментов в качестве посредника была добавлена синтетическая РНК, состоящая целиком из урацила, и «сообщение» читалось так: УУУУ… Оказалось, что в присутствии такой РНК в системе начинается синтез полипептида, состоящего из единственной аминокислоты — фенилаланина; этот полипептид называют полифенилаланином. Поскольку мы уже знаем, что код триплетный, мы можем сделать вывод, что символ УУУ соответствует именно фенилаланину:
УУУУУУ… Фен Фен.
Триплет УУУ был первым расшифрованным символом генетического кода. Этот первый успех побудил исследователей к постановке огромного числа подобных же экспериментов с добавлением в систему других синтетических РНК и анализом полученных полипептидов.
Работа была нелегкой отчасти в связи с тем, что бесклеточная система сама по себе очень сложна и никто как следует не знает, как она работает (иногда она вообще отказывается работать). Кроме того, получать синтетические РНК с нужной последовательностью оснований технически довольно сложно. Хотя это чисто химическая проблема, с ее решением тоже приходится довольно туго. Но вопреки всем этим трудностям удалось выяснить смысл почти всех 64 триплетных комбинаций для перевода кода оснований на язык аминокислот.
Кодовые символы, установленные в опытах с бесклеточной системой и искусственными РНК, могут быть выверены совершенно независимым способом. Чтобы пояснить, какие здесь возможны тексты, обратимся снова к аномальным гемоглобинам, в частности к гемоглобину серповидных клеток. Известно, что в этом гемоглобине один остаток глутаминовой кислоты замещен валином. Далее известно, что совсем другое заболевание крови, распространенное в Западной Африке, связано с замещением в гемоглобине той же самой глутаминовой кислоты на лизин. Наиболее вероятно, что каждое из этих замещений обусловлено мутацией, затрагивающей одно основание хромосомной ДНК. Если это в самом деле так и если наш словарь кодовых слов правилен, то можно с его помощью объяснить превращения:
заменой в каждом случае одного основания ДНК. Обращаясь к рисунку XV, мы замечаем, что такая возможность есть:
Сейчас уже известно довольно много аномалий такого рода, которые могут послужить тестами в аналогичных ситуациях. Почти во всех случаях результаты оказываются в согласии со словарем кодовых символов, приведенным на рисунке XV; следовательно, найденные комбинации далеко не случайны. Нет сомнений в том, что этот словарь, по-видимому, почти полностью правилен, и хотя остается еще несколько неясных мест, я уверен, что в скором времени их не будет.
Мы показали, как искусственные мутации помогли установить природу кода — помогли выяснить, что он составлен из триплетов оснований. Мы увидели также, как эксперименты с бесклеточной системой открыли нам реальные кодовые символы. И хотя многое еще остается неясным, у нас есть все основания рассматривать полученные результаты как подлинный триумф молекулярной биологии. Всего несколько лет назад только необыкновенно смелые люди могли предсказать появление такой таблицы в течение ближайших десяти лет.
Кендрью Дж.Нить жизни. — М., 1968.
Владимир Иванович Вернадский
Биосфера
Очерк первый
Биосфера в космосе
19. Биосфера — единственная область земной коры, занятая жизнью. Только в ней, в тонком наружном слое нашей планеты, сосредоточена жизнь. В ней находятся все организмы, всега резкой, непроходимой гранью отделенные от окружающей их косной материи.
Никогда живой организм в ней не зарождается. Он, умирая, живя и разрушаясь, отдает ей свои атомы и непрерывно берет их из нее, но охваченное жизнью живое вещество всегда имеет свое начало в живом же.
Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхности. Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном, интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших соединений. И этот процесс длится без перерыва десятки миллионов лет, от древнейших археозойских эр до нашего времени, в основных чертах оставаясь неизменным.
На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. И чем более мы изучаем химические явления биосферы, тем более мы убеждаемся, что на ней нет случаев, где бы они были независимы от жизни. И так длилось в течение всей геологической истории. Древнейшие архейские слои дают косвенные признаки существования жизни: древние альгонкские породы, может быть также и археозойские, сохранили прямые отпечатки и явные следы организмов. Правы ученые (как Шухрет), выделяющие наряду с богатыми жизнью палеозоем, мезозоем, кайнозоем еще и археозой. К нему принадлежат самые древние, нам доступные и нам известные части земной коры. Эти слои оказываются свидетелями древнейшей жизни, которая, несомненно, длится не менее 2 109 лет. За это время энергия Солнца не могла заметно меняться, и это вполне совпадает с астрономическими.
20. И даже больше — становится ясным, что прекращение жизни было бы неизбежно связано с прекращением химических изменений, если не всей земной коры, то, во всяком случае, ее поверхности — лика Земли, биосферы. Все минералы верхних частей земной коры — свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси железа и алюминия (бурые железняки и бокситы) и многие сотни других непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни. Если бы жизнь прекратилась, их элементы быстро приняли бы новые химические группировки, отвечающие новым условиям, старые, нам известные тела безвозвратно исчезли бы. С исчезновением жизни не оказалось бы на земной поверхности силы, которая могла бы давать непрерывно начало новым химическими соединениям.
На ней неизбежно установилось бы химическое равновесие, химическое спокойствие, которое временами и местами нарушалось бы привносом веществ из земных глубин: газовыми струями, термами или вулканическими извержениями. Но вновь вносимые этим путем вещества более или менее быстро приняли бы устойчивые формы молекулярных систем, свойственные условиям безжизненной земной коры, и дальше не изменялись бы.
Хотя число точек, откуда проникает вещество глубоких частей земной коры, исчисляется тысячами, рассеянные по всей поверхности планеты, они теряются в ее огромности; повторяясь временами, как, например, вулканические извержения, они незаметны в безмерности земного времени.
С исчезновением жизни на земной поверхности шли бы лишь медленные, от нас скрытые изменения, связанные с земной тектоникой. Они проявлялись бы не в наши годы и столетия, а в годы и столетия геологического времени. Только тогда в космическом цикле они стали бы заметны, подобно тому как только в нем выступают радиоактивные изменения атомных систем.
Постоянно действующие силы биосферы — нагревание Солнца и химическая деятельность воды — мало изменили бы картину явления, ибо с прекращением жизни скоро исчез бы свободный кислород и уменьшилось бы до чрезвычайности количество углекислоты, исчезли бы главные деятели процессов выветривания, постоянно захватываемые косной материей и постоянно восстанавливаемые в том же неизменном количестве процессами жизни. Вода в термодинамических условиях биосферы является могучим химическим деятелем, но эта вода природная, так называемая вадозная, богатая химически активными центрами жизни — организмами, главным образом невидимыми глазу, измененная растворенными в ней кислородом и углекислотой. Вода, лишенная жизни, кислорода, углекислоты, при температуре и давлении земной поверхности в инертной газовой среде явится телом химически малодеятельным, безразличным.
Лик Земли стал бы также неизменен и химически инертен, как является неподвижным лик Луны, как инертны осколки небесных светил, захватываемые притяжением Земли, богатые металлами метеориты и проникающая в небесные пространства космическая пыль.
21. Так, жизнь является великим, постоянным и непрерывным нарушителем химической косности поверхности нашей планеты. Ею в действительности определяется не только картина окружающей нас природы, создаваемая красками, формами, сообществами растительных и животных организмов, трудом и творчеством культурного человечества, но ее влияние идет глубже, проникает в более грандиозные химические процессы земной коры.
Нет ни одного крупного химического равновесия в земной коре, в котором не проявилось бы основным образом влияние жизни, накладывающей неизгладимую печать на всю химию земной коры.
Жизнь не является, таким образом, внешним случайным явлением на земной поверхности. Она теснейшим образом связана со строением земной коры, входит в ее механизм и в этом механизме исполняет величайшей важности функции, без которых он не мог бы существовать.
22. Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе, как о едином целом в механизме биосферы, хотя только часть его — зеленая, содержащая хлорофилл растительность — непосредственно использует световой солнечный луч, создает через него фотосинтезом химические соединения, неустойчивые в термодинамическом поле биосферы при умирании организма или при выходе из него.
С этой зеленой частью непосредственно и неразрывно связан весь остальной живой мир. Дальнейшую переработку созданных ею химических соединений представляет все вещество животных и бесхлорофилльных растений. Может быть, только автотрофные бактерии не являются придатком зеленой растительности, но и они генетически так или иначе с ней в своем прошлом связаны.
Можно рассматривать всю земную часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли. Животные и грибы скопляют такие формы богатых азотом тел, которые являются еще более могучими агентами изменений, центрами свободной химической энергии, когда они — при смерти и разрушении организмов или при выходе из них — выходят из термодинамического поля, где они устойчивы, и попадают в биосферу, в иное термодинамическое поле, где распадаются с выделением энергии.
Можно, следовательно, брать все живое вещество в целом, т. е. совокупность всех живых организмов без исключения, как единую, особую область накопления свободной химической энергии в биосфере, превращения в нее световых излучений Солнца.
23. Изучение морфологии и экологии зеленых организмов давно показало, что весь зеленый организм и в своих сообществах, и в своем движении приспособлен прежде всего к исполнению своей космической функции — улавливанию и превращению солнечного луча. Как давно заметил один из крупных натуралистов, глубоко вдумавшийся в эти явления австрийский ботаник И. Визнер, свет влияет на форму зеленых растений много больше, чем теплота: он «как будто лепит их формы, как из пластического материла».
Одно и то же огромной важности эмпирическое обобщение изложено здесь с разных, противоположных точек зрения, сделать выбор между которыми мы сейчас не в состоянии. С одной стороны, ищут причину явления внутри, в автономном живом организме, который приспособляется к тому, чтобы улавливать всю световую энергию солнечного луча, обрабатывающем, как инертную массу, зеленый организм, который он освещает.
Очень возможно, что правильнее искать причину явления в обоих объектах, но это дело будущего. Сейчас мы должны считаться с самим эмпирическим наблюдением, которое дает, мне кажется, много более, чем это выражено в приведенных представлниях.
Эмпирическое наблюдение указывает нам, что в биосфере видна неразрывная связь между освещающим ее световым солнечным излучением и находящимся в ней зеленым живым миром организованных существ.
Всегда существуют в биосфере такие условия, которые обеспечивают световому лучу на его пути встречу с зеленым растением — этим трансформатором носимой им энергии.
Можно утверждать, что такое превращение энергии нормально будет происходить с каждым солнечным лучом, и можно рассматривать это превращение энергии как свойство живого вещества, как его функцию в биосфере.
В тех случаях, когда такой трансформации не происходит и зеленое растение не может исполнять присущей ему в механизме земной коры функции, надо искать объяснения ненормальности явления.
Основным выводом наблюдения является чрезвычайная автоматичность процесса: нарушение его восстанавливается без всякого участия других объектов, кроме светового солнечного луча и определенным образом построенного и определенным образом живущего зеленого растения. Это восстановление равновесия не произойдет только в том случае, если силы, этому препятствующие, достаточно велики. Восстановление равновесия связано с временем.
24. Наблюдение окружающей природы на каждом шагу дает нам указания на существование в биосфере этого механизма, размышление легко приводит к сознанию его величия и значения.
В общем, вся суша покрыта зеленой растительностью. Обнаженные от зеленой жизни места составляют исключения и теряются в общей картине. В лике Земли, при взгляде из космических пространств, суша должна представляться зеленой.
Так же как непрерывно падает на лик Земли поток солнечного света, так же непрерывно растекается по всей поверхности Земли — суши и моря — зеленый аппарат его улавливания и превращения.
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.
С течением времени оно неизбежно покрывает весь земной шар своим покровом и только временно может отсутствовать на нем, когда его движение, его охват разрушен и сдерживается внешней силою. Эта неизбежность его всюдности связана с непрерывным освещением лика Земли солнечным излучением, созданием которого является зеленый окружающий нас живой мир.
Это движение достигается путем размножения организмов, т. е. автоматического увеличения количества их неделимых частей. Оно, в общем, никогда не прерываясь, идет с определенным темпом во времени, как с определенным темпом падает на лик Земли солнечный луч.
Несмотря на чрезвычайную изменчивость жизни, несомненно, что в комплексах организмов — в живом веществе, да и в отдельных организмах, размножение, рост, т. е. работа превращения ими энергии солнечной в земную, химическую, — все подчиняется неизменным математическим законностям. 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.
Вернадский В.И.Избранные сочинения. — М., 1969. — т. 5.
Несколько слов о ноосфере
1. Мы приближаемся к решающему моменту во Второй мировой войне. Она возобновилась в Европе после 21-годового перерыва, в 1939 г., и длится в Западной Европе пять лет, а у нас, в Восточной Европе, три года. На Дальнем Востоке она возобновилась раньше — в 1931 г. — и длится уже 13 лет.
В истории человечества и в биосфере вообще война такой мощности, длительности и силы — небывалое явление. К тому же ей предшествовала тесно с ней связанная причинно, но значительно менее мощная Первая мировая война с 1914 по 1918 г.
В нашей стране эта Первая мировая война привела к новой исторически небывалой форме государственности не только в области экономической, но и в области национальных стремлений.
С точки зрения натуралиста (а думаю и историка) можно и должно рассматривать исторические явления такой мощности, как единый большой земной геологический, а не только исторический процесс.
Первая мировая война 1914–1918 гг. лично в моей научной работе отразилась самым решающим образом. Она изменила в корне мое геологическое миропонимание.
В атмосфере этой войны я подошел в геологии к новому для меня и для других и тогда забытому пониманию природы — к геохимическому и к биохимическому, охватывающему и косную и живую природу с одной и той же точки зрения [1].
2. Я провел годы Первой мировой войны в непрерывной научно-творческой работе; неуклонно продолжаю ее в том же направлении и до сих пор.
28 лет назад, в 1915 г., в Российской академии наук в Петрограде была образована академическая «Комиссия по изучению производительных сил» нашей страны, так называемый КЕПС (председателем которой я был), сыгравшая заметную роль в критическое время Первой мировой войны. Ибо для Академии наук совершенно неожиданно в разгаре войны выяснилось, что в царской России не было точных данных о так называемом теперь стратегическом сырье, и нам пришлось быстро сводить воедино рассеянные данные и быстро покрывать недочеты нашего знания.
Подходя геохимически и биогеохимически к изучению геологических явлений, мы охватываем всю окружающую нас природу в одном и том же атомном аспекте. Это как раз — бессознательно для меня — совпало с тем, что, как оказалось теперь, характеризует науку XX в. и отличает ее от прошлых веков. XX век есть век научного атомизма.
Все эти годы, где бы я ни был, я был охвачен мыслью о геохимических и биогеохимических проявлениях в окружающей меня природе (в биосфере). Наблюдая ее, я в то же время направил интенсивно и систематически в эту сторону и свое чтение, и свое размышление.
Получаемые мною результаты я излагал постепенно, как они складывались, в виде лекций и докладов в тех городах, где мне пришлось в то время жить: в Ялте, в Полтаве, в Киеве, в Симферополе, в Новороссийске, в Ростове и других.
Кроме того, всюду — почти во всех городах, где мне пришлось жить, — я читал все, что можно было в этом аспекте, в широком его понимании, достать.
Стоя на эмпирической почве, я оставил в стороне, сколько был в состоянии, всякие философские искания и старался опираться только на точно установленные научные и эмпирические факты и обобщения, изредка допуская рабочие научные гипотезы. Это надо иметь в виду в дальнейшем.
В связи со всем этим в явления жизни я ввел вместо понятия «жизнь» понятие «живого вещества», сейчас, мне кажется, прочно утвердившееся в науке. «Живое вещество» есть совокупность живых организмов. Это не что иное, как научное, эмпирическое обобщение всем известных и легко и точно наблюдаемых бесчисленных, эмпирически бесспорных фактов.
Понятие «жизнь» всегда выходит за пределы понятия «живое вещество» в области философии, фольклора, религии, художественного творчества. Это все отпало в «живом веществе».
3. В гуще, в интенсивности и в сложности современной жизни человек практически забывает, что он сам и все человечество, от которого он не может быть отделен, неразрывно связаны с биосферой — с определенной частью планеты, на которой они живут. Они геологически закономерно связаны с ее материально-энергетической структурой.
В общежитии обычно говорят о человеке как о свободно живущем и передвигающемся на нашей планете индивидууме, который свободно строит свою историю. До сих пор историки, вообще ученые гуманитарных наук, а в известной мере и биологи, сознательно не считаются с законами природы биосферы — той земной оболочки, где может только существовать жизнь. Стихийно человек от нее неотделим.
И эта неразрывность только теперь начинает перед нами точно выясняться.
В действительности ни один живой организм в свободном состоянии на Земле не находится. Все эти организмы неразрывно и непрерывно связаны — прежде всего питанием и дыханием — с окружающей их материально-энергетической средой. Вне ее в природных условиях они существовать не могут.
Замечательный петербургский академик, всю свою жить отдавший России, Каспар Вольф (1733–1794) в год Великой французской революции (1789) ярко выразил это в книге, напечатанной по-немецки в Петербурге «Об особенной и действенной силе, свойственной растительной и животной субстанциям» [2]. Он опирался на Ньютона, а не на Декарта, как огромное большинство биологов в его время.
4. Человечество как живое вещество неразрывно связано с материально-энергетическими процессами определенной геологической оболочки Земли — и ее биосферой. Оно не может физически быть от нее независимым ни на одну минуту.
Понятие «биосферы», т. е. «области жизни», введено было в биологию Ламарком (1744–1829) в Париже в начале XIX в., а в геологию Э. Зюссом (1831–1914) в Вене в конце того же века.
В нашем столетии биосфера получает совершенно новое понимание. Она выявляется как планетное явление космического характера.
В биогеохимии нам приходится считаться с тем, что жизнь (живые организмы) реально существуют не только на одной нашей планете, не только в земной биосфере. Это установлено сейчас, мне кажется, без сомнений пока для всех так называемых земных планет, т. е. для Венеры, Земли и Марса.
5. В биогеохимической лаборатории Академии наук в Москве, ныне переименованной в Лабораторию геохимических проблем, в сотрудничестве с академическим же Институтом микробиологии (директор — член-корреспондент Академии наук Б.Л. Исаченко) мы поставили проблему о космической жизни еще в 1940 г. как текущую научную задачу. В связи с военными событиями эта работа была приостановлена и будет возобновлена при первой возможности.
В архивах науки, в том числе и нашей, мысль о жизни как о космическом явлении существовала уже давно. Столетие назад, в конце XVII в., голландский ученый Христиан Гюйгенс (1629–1695) в своей предсмертной работе, в книге «Космотеорос», вышедшей в свет уже после его смерти, научно выдвинул эту проблему. Книга эта была дважды, по инициативе Петра I, издана на русском языке под заглавием «Книга мирозрения» в первой четверти XVIII в. Гюйгенс в ней установил научное обобщение, что «жизнь есть космическое явление, в чем-то резко отличное от косной материи». Это обобщение я назвал недавно «принципом Гюйгенса».
Живое вещество по весу составляет ничтожную часть планеты. По-видимому, это наблюдается в течение всего геологического времени, т. е. геологически вечно.
Оно сосредоточено в тонкой, более или менее сплошной, пленке на поверхности суши в тропосфере — в лесах и в полях — и проникает весь Океан. Количество его исчисляется долями, не превышающими десятых долей процента биосферы по весу, порядка, близкого к 0,25 %. На суше оно идет не в сплошных скоплениях на глубину в среднем, вероятно, меньше 3 км. Вне биосферы его нет.
В ходе геологического времени оно закономерно изменяется морфологически. История живого вещества в ходе времени выражается в медленном изменении форм жизни, форм живых организмов, генетически между собой непрерывно связанных, от одного поколения к другому, без перерыва.
Веками эта мысль поднималась в научных исканиях; в 1859 г. она, наконец, получила прочное обоснование в великих достижениях Ч. Дарвина (1809–1882) и А. Уоллеса (1822–1913). Она вылилась в учение об эволюции видов — растений и животных, в том числе и человека.
Эволюционный процесс присущ только живому веществу. В косном веществе нашей планеты нет его проявлений. Те же самые минералы и горные породы образовывались в криптозойской эре [3], какие образуются и теперь. Исключением являются биокосные природные тела, всегда связанные так или иначе с живым веществом.
Изменение морфологического строения живого вещества, наблюдаемое в процессе эволюции, в ходе геологического времени, неизбежно приводит к изменению его химического состава. Этот вопрос сейчас требует экспериментальной проверки. Проблема эта поставлена нами в план работы 1944 г. совместно с Палеонтологическим институтом Академии наук.
6. Если количество живого вещества теряется перед косной и биокосной массами биосферы, то биогенные породы (т. е. созданные живым веществом) составляют огромную часть ее массы, идут далеко за пределы биосферы.
Учитывая явления метаморфизма, они превращаются, теряя всякие следы жизни, в гранитную оболочку, выходят из биосферы.
Гранитная оболочка Земли есть область былых биосфер. В замечательной по многим мыслям книге Ламарка «Hydrogologie» (1802) живое вещество, как я его понимаю, являлось создателем главных горных пород нашей планеты. Ж.Б.Ламарк де Монне (1744–1829) до самой смерти не принимал открытий Лавуазье (1743–1794). Но другой крупнейший химик — Ж.Б. Дюма, его младший современник (1800–1884), много занимавшийся химией живого вещества, долго держался представлений о количественном значении живого вещества в строении горных пород биосферы.
7. Младшие современники Ч. Дарвина — Д.Д. Дана (1813–1895) и Д. Ле Конт (1823–1901) — два крупнейших североамериканских геолога (а Дана к тому же минералог и биолог) — выявили еще до 1859 г. эмпирическое обобщение, которое показывает, что эволюция живого вещества идет в определенном направлении.
Это явление было названо Дана цефализацией, а Ле Контом — психозойской эрой. Д.Д. Дана, подобно Дарвину, пришел к этой мысли, к этому пониманию живой природы во время своего кругосветного путешествия, которое он начал через два года после возвращения в Лондон Ч. Дарвина, т. е. в 1838 г., и которое продолжалось до 1842 г. [4].
Нельзя здесь не отметить, что экспедиция, во время которой Дана пришел к своим выводам о цефализации, о коралловых островах и т. д., фактически исторически тесно связана с исследованиями Тихого океана — океаническими путешествиями русских моряков, главным образом Крузенштерна (1770–1846).
Изданные на немецком языке, они заставили американца Джона Рейнольдса (адвоката) добиваться организации такой же американской первой морской научной экспедиции. Он начал добиваться этого в 1827 г., когда появилось описание экспедиции Крузенштерна на немецком языке. Только в 1838 г., через одиннадцать лет, благодаря его настойчивости эта экспедиция состоялась. Это была экспедиция Уилькиса (Wilkes), окончательно доказавшая существование Антарктики.
8. Эмпирические представления о направленности эволюционного процесса — без попыток теоретически обосновать — идут глубже, в XVIII в. Уже Бюффон (1707–1788) говорил о царстве человека, в котором он живет, основываясь на геологическом значении человека.
Эволюционная идея была ему чужда. Она была чужда и Л. Агассицу (1807–1873), введшему в науку идею о ледниковом периоде. Агассиц жил уже в эпоху бурного расцвета геологии. Он считал, что геологически наступило царство человека, но из богословских представлений высказывался против эволюционной теории. Ле Конт указывает, что Дана, стоявший раньше на точке зрения, близкой к Агассицу, в последние годы жизни принял идею эволюции в ее тогда обычном, дарвиновском понимании. Разница между представлениями о психозойской эре Ле Конта и цефализации Дана исчезла.
К сожалению, в нашей стране особенно это крупное эмпирическое обобщение до сих пор остается вне кругозора биологов.
Правильность принципа Дана (психозойская эра Ле Конта), который оказался вне кругозора наших палеонтологов, может быть легко проверена теми, кто захочет это сделать, по любому современному курсу палеонтологии. Он охватывает не только все животное царство, но ярко проявляется и в отдельных типах животных.
Дана указал, что в ходе геологического времени, говоря современным языком, т. е. на протяжении двух миллиардов лет по крайней мере, а наверное много больше, наблюдается (скачками) усовершенствование — рост — центральной нервной системы (мозга), начиная от ракообразных, а которых эмпирически и установил свой принцип Дана, и от моллюсков (головоногих) и кончая человеком. Это явление и названо им цефализацией. Раз достигнутый уровень мозга (центральной нервной системы) в достигнутой эволюции не идет уже вспять, только вперед.
9. Исходя из геологической роли человека, А.П. Павлов (1854–1929) в последние годы своей жизни говорил об антропогенной эре, нами теперь переживаемой. Он не учитывал возможности тех разрушений духовных и материальных ценностей, которые мы сейчас переживаем вследствие варварского нашествия немцев и их союзников, через десять с небольшим лет после его смерти, но он правильно подчеркнул, что человек на наших глазах становится могучей геологической силой, все растущей.
Эта геологическая сила сложилась геологически длительно, для человека совершенно незаметно. С этим совпало изменение (материальное прежде всего) положения человека на нашей планете.
В XX в. впервые в истории Земли человек узнал и охватил всю биосферу, закончил географическую карту планеты Земли, расселился по всей ее поверхности. Человечество своей жизнью стало единым целым. Нет ни одного клочка Земли, где бы человек не мог прожить, если бы это было ему нужно. Наше пребывание в 1937–1938 гг. на плавучих льдах Северного полюса это ярко доказало. И одновременно с этим, благодаря мощной технике и успехам научного мышления, благодаря радио и телевидению, человек может мгновенно говорить в любой точке нашей планеты с кем угодно. Перелеты и перевозки достигли скорости нескольких сотен километров в час, и на этом они еще не остановились. Все это результат цефализации Дана (1856), роста человеческого мозга и направляемого им его труда.
В ярком образе экономист Л. Брентано иллюстрировал планетную значимость этого явления. Он подсчитал, что, если бы каждому человеку дать один квадратный метр и поставить всех людей рядом, они не заняли бы даже всей площади маленького Боденского озера на границе Баварии и Швейцарии. Остальная поверхность Земли осталась бы пустой от человека. Таким образом, все человечество, вместе взятое, представляет ничтожную массу вещества планеты. Мощь его связана не с его материей, но с его мозгом, с его разумом и направленным этим разумом его трудом.
В геологической истории биосферы перед человеком открывается огромное будущее, если он поймет это и не будет употреблять свой разум и свой труд на самоистребление.
10. Геологический эволюционный процесс отвечает биологическому единству и равенству всех людей — Homo sapiens и его геологических предков Sinanthropus и др., потомство которых для белых, красных, желтых и черных рас — любым образом среди них всех — развивается безостановочно в бесчисленных поколениях. Это закон природы. Все расы между собой скрещиваются и дают плодовитое потомство [5].
В историческом состязании, например в войне такого масштаба, как нынешняя, в конце концов побеждает тот, кто этому закону следует. Нельзя безнаказанно идти против принципа единства всех людей как закона природы. Я употребляю здесь понятие «закон природы», как это теперь все больше входит в жизнь в области физико-химических наук как точно установленное эмпирическое обобщение.
Исторический процесс на наших глазах коренным образом меняется. Впервые в истории человечества интересы народных масс всех и каждого — и свободной мысли личности определяют жизнь человечества, являются мерилом его представлений о справедливости. Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом, становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого.
Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть «ноосфера».
11. В 1922–1923 гг. на лекциях в Сорбонне в Париже я принял как основу биосферы биогеохимические явления. Часть этих лекций была напечатана в моей книге «Очерки геохимии» [6].
Приняв установленную мною биогеохимическую основу биосферы за исходное, французский математик и философ бергсонианец Е. Леруа в своих лекциях в Коллеж де Франс в Париже ввел в 1927 г. понятие ноосферы [7] как современной стадии, геологически переживаемой биосферой. Он подчеркивал при этом, что он пришел к такому представлению вместе со своим другом, крупнейшим геологом и палеонтологом Тейяром де Шарденом, работающим теперь в Китае.
12. Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше. Перед ним открываются все более и более широкие творческие возможности. И может быть, поколение моей внучки уже приблизится к их расцвету.
Здесь перед нами встала новая загадка. Мысль не есть форма энергии. Как же может она изменять материальные процессы? Вопрос этот до сих пор научно не разрешен. Его поставил впервые, сколько я знаю, американский ученый, родившийся во Львове, математик и биофизик Альфред Лотка [8]. Но решить его он не мог.
Как правильно сказал некогда Гёте (1749–1832), не только великий поэт, но и великий ученый, в науке мы можем знать только, как произошло что-нибудь, а не почему и для чего.
Эмпирические результаты такого «непонятного» процесса мы видим кругом нас на каждом шагу.
Минералогическая редкость — самородное железо — вырабатывается теперь в миллиардах тонн. Никогда не существовавший на нашей планете самородный алюминий производится теперь в любых количествах. То же самое имеет место по отношению к почти бесчисленному множеству вновь создаваемых на нашей планете искусственных химических соединений (биогенных культурных минералов). Масса таких искусственных минералов непрерывно возрастает. Все стратегическое сырье относится сюда.
Лик планеты — биосфера — химически резко меняется человеком сознательно и главным образом бессознательно. Меняется человеком физически и химически воздушная оболочка суши, все ее природные воды.
В результате роста человеческой культуры в XX в. все более резко стали меняться (химически и биологически) прибрежные моря и части Океана.
Человек должен теперь принимать все больше и больше меры к тому, чтобы сохранить для будущих поколений никому не принадлежащие морские богатства. Сверх того, человеком создаются новые виды и расы животных и растений.
В будущем нам рисуются как возможные сказочные мечтания: человек стремится выйти из предела своей планеты в космическое пространство. И, вероятно, выйдет.
В настоящее время мы не можем не считаться с тем, что в переживаемой нами великой исторической трагедии мы пошли по правильному пути, который отвечает ноосфере.
Историк и государственный деятель теперь подходят к охвату явлений природы с этой точки зрения.
13. Ноосфера — последнее из многих состояний эволюции биосферы в геологической истории — состояние наших дней. Ход этого процесса только начинает нам выясняться из изучения ее геологического прошлого в некоторых своих аспектах.
Приведу несколько примеров. Пятьсот миллионов лет тому назад, в кембрийской геологической эре, впервые в биосфере появились богатые кальцием скелетные образования животных, а растений — больше двух миллиардов лет тому назад. Это кальциевая функция живого вещества, ныне мощно развитая, была одной из важнейших эволюционных стадий геологического изменения биосферы.
Не менее важное изменение биосферы произошло 70-110 млн. лет тому назад, во время меловой системы и особенно третичной. В эту эпоху впервые создались в биосфере наши зеленые леса, всем нам родные и близкие. Это другая большая эволюционная стадия, аналогичная ноосфере. Вероятно, в этих лесах эволюционным путем появился человек около 15–20 млн. лет тому назад.
Сейчас мы переживаем новое геологическое эволюционное изменение биосферы. Мы входим в ноосферу. Мы вступаем в нее в новый стихийный геологический процесс — в грозное время, в эпоху разрушительной мировой войны.
Но важен для нас факт, что идеалы нашей демократии идут в унисон со стихийным геологическим процессом, с законами природы, отвечают ноосфере.
Можно смотреть поэтому на наше будущее уверенно. Оно в наших руках. Мы его не выпустим.
Примечания В.И. Вернадского.
1. Любопытно, что я столкнулся при этом с забытыми мыслями оригинального баварского химика X. Шёнбейна (1799–1868) и его друга, гениального английского физика М. Фарадея (1791–1867). В начале 1840-х гг. Шёнбейн печатно доказывал, что в геологии должна быть создана новая область — геохимия, как он ее тогда же назвал.
2. К сожалению, до сих пор оставшиеся после К. Вольфа рукописи не изучены и не изданы. В 1927 г. Комиссией по истории знаний при Академии наук СССР эта задача была поставлена, но не мола быть доведена до конца.
3. Криптозойской эрой я называю, согласно современным американским геологам, например Карлу Шухерту, умершему в 1942 г. (Ch. Schuchert and S. Dunber. А textbook of geology. Р. II. N.Y., 1941. — p. 88), тот период, который назывался раньше азойской или археозойской эрой (т. е. безжизненной или древнежизненной). В криптозойской эре морфологическая сохранность остатков организма сходит почти на нет, и они отличаются от кемберия, но существование жизни здесь проявляется в виде органогенных пород, происхождение которых не вызывает ни малейших сомнений.
4. См.: О. Gilman. The life of J.D. Dana. N.Y., 1889. Глава об экспедиции написана в этой книге Ле Контом. Работы Ле Конта «Evolution», 1888 г., я не имел в руках. Он считал это главным своим трудом. J «психозойской эре» он указывает в своей книге «Elеmеnts of geology», 5-th, 1915, с. 293, 626. Его автобиография издана в 1903 г.: W. Armes (Ed.). Autobiography of Joseph Leconte. — London, 1903.
5. Я и мои современники незаметно пережили резкое изменение в понимании окружающего нас мира. В молодости как мне, так и другим казалось — и мы в этом не сомневались, — что человек переживает только историческое время — в пределах немногих тысяч лет, в крайнем случае, десятков тысяч лет.
Сейчас мы знаем, что человек сознательно переживал десятки миллионов лет. Он пережил сознательно ледниковый период Евразии и Северной Америки, образование Восточных Гималаев и т. д. Деление на историческое и геологическое время для нас сейчас сглаживается.
6. В 1934 г. вышло последнее переработанное издание «Очерки геохимии». В 1926 г. появилось русское издание «Биосферы», в 1929 г. — ее французское издание. В 1940 г. вышли мои «Биогеохимические очерки», а с 1934 г. выходят в свет «Проблемы биогеохимии». Третий выпуск «Проблем биогеохимии» сдан в печать в этом году. «Очерки геохимии» переведены на немецкий и японский языки.
7. Слово «ноосфера» составлено из греческого ноос — «разум» и сфера в смысле оболочки Земли. Лекции Леруа вышли тогда же по-французски в виде книги: E. le Roy. L’exigellce ’ideliste еt la fait d’evolution. Paris, 1927.
8. A. Lotka. Elements of physical biology. — Baltimaurt, 1925. — Р. 406.
Вернадский В.И.Несколько слов о ноосфере // Русский космизм. — М., 1993. — с. 303–311.
Юджин Одум
Основы экологии
Часть I
Основные экологические принципы и концепции
Глава 1
Предмет экологии
Человек интересовался экологией с практической точки зрения с самых ранних периодов своей истории. В примитивном обществе каждый индивидуум, для того чтобы выжить, должен был иметь определенные знания об окружающей среде, о силах природы, о растениях и животных, которые его окружали. Фактически цивилизация возникла тогда, когда человек научился использовать огонь и другие средства, позволившие ему изменять среду своего обитания. И теперь, если человечество хочет сохранить свою цивилизацию, оно более чем когда-либо нуждается в достаточно полных знаниях об окружающей среде, поскольку основные «законы природы» действуют по-прежнему; рост населения и расширение возможностей воздействия на среду лишь изменили их относительное значение и усложнили зависимость от них человека.
Подобно всем другим областям знания экология развивалась непрерывно, но неравномерно. Труды Гиппократа, Аристотеля и других древнегреческих философов содержат сведения явно экологического характера. Однако греки не знали слова «экология». Термин этот недавнего происхождения. Он был предложен немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1869 г. Многие великие деятели «биологического Возрождения» (XVIII–XIX вв.) внесли свой вклад в эту область, хотя название «экология» долгое время не употреблялось. Например, Антон ван Левенгук, более известный как один из первых микроскопистов начала XVIII в., был также пионером в изучении «пищевых цепей» и регулирования численности популяций — двух важных разделов современной экологии. Как самостоятельная наука экология сформировалась приблизительно к 1900 г., но лишь в последнее десятилетие это слово приобрело особую популярность. В наши дни каждый остро осознает важность наук о среде для поддержания и повышения уровня современной цивилизации. Экология быстро становится отраслью науки, теснейшим образом связанной с повседневной жизнью каждого человека, будь то мужчина, женщина или ребенок.
Слово «экология» образовано от греческого «ойкос», что означает «дом» или «жилище». В буквальном смысле экология — это наука об организмах «у себя дома». Обычно экологию определяют как науку об отношениях организмов или групп организмов к окружающей их среде, или как науку о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания. Поскольку экология занимается преимущественно биологией групп организмов и функциональными процессами на суше, в море и в пресных водах, определение этой области исследований как науки о структуре и функциях природы будет более соответствовать ее современному направлению, причем человечество рассматривается как часть природы. Для последних десятилетий XX в. особенно подходит одно из определений, данных в полном словаре Уэбстера, а именно: «Предмет экологии — это совокупность или структура связей между организмами и их средой». Для «долгосрочного» употребления лучшим определением этого обширного по объему понятия будет, по-видимому, наиболее краткое и наименее специальное, а именно «биология окружающей среды» (environmentalbiology).
Но достаточно определений. Чтобы лучше понять предмет и задачи экологии, рассмотрим отношение этой последней к другим областям биологии и прочим «логиям». В современную эпоху специализации человеческой деятельности естественные связи между различными дисциплинами часто исчезают из нашего поля зрения вследствие обилия сведений в пределах каждой дисциплины (а иногда, как следует с сожалением признать, и вследствие шаблонного преподавания наук в учебных заведениях). Вместе с тем почти любую отрасль знаний можно определить слишком широко, так что предмет ее разрастется сверх всяких разумных пределов. Признанные «области» науки должны иметь признанные границы, пусть даже несколько условные и время от времени подверженные изменениям. Такой сдвиг границ и самого предмета исследований был особенно заметен как раз в экологии в связи с ростом общественного интереса к этой науке. Сейчас слово «экология» для многих означает «совокупность человека и окружающей среды». Но давайте вначале рассмотрим более традиционное, академическое положение экологии в семье наук.
Остановимся вкратце на том, как подразделяется «наука о жизни» — биология. Если представить себе структуру биологии в виде «слоеного пирога», то его можно разрезать на куски двумя разными способами. Можно делить его по горизонтали — тогда мы получим «фундаментальные» науки, изучающие основные, фундаментальные свойства жизни или по крйней мере не ограничивающиеся отдельными группами организмов. Примеры таких наук — морфология, физиология, генетика, теория эволюции, молекулярная биология и биология развития. Мы можем также делить наш «пирог» по вертикали и получим так называемые «таксономические» науки, изучающие морфологию, физиологию, экологию и т. д. определенных организмов. Крупные подразделения этого типа — зоология, ботаника и бактериология, а подразделения, имеющие дело с более узкими группами, — фикология, протозоология, микология, этомология, орнитология и т. д. Экология относится к фундаментальным разделам биологии и как таковая является составной частью каждого и всех таксономических подразделений. Оба подхода полезны. Часто весьма плодотворным оказывается ограничение исследований какой-то одной систематической группы, поскольку различные группы организмов требуют разных методов изучения (нельзя, скажем, изучать орлов теми же методами, что и бактерий) и поскольку некоторые группы организмов в экономическом или другом отношении намного важнее или интереснее для человека, чем другие. Однако коль скоро мы рассматриваем нашу науку как «фундаментальную», мы обязаны сформулировать и обосновать ее общие принципы. В этом и состоит цель первой части настоящей книги.
Вероятно, лучше всего можно определить содержание современной экологии, исходя из концепции уровней организации, которые составляют своего рода «биологический спектр». Сообщество, популяция, организм, орган, клетка и ген — главные уровни организации жизни. Взаимодействие с физической средой (энергией и веществом) на каждом уровне обусловливает существование определенных функциональных систем. Под системой мы подразумеваем именно то, что словарь Уэбстера для студентов определяет как «упорядоченно взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое». Системы, содержащие живые компоненты (биологические системы, или биосистемы), можно выделять на любом из уровней, или на любом промежуточном уровне, удобном или полезном для исследования. Например, мы можем рассматривать не только системы генов, органов и т. д., но также системы паразит — хозяин, что соответствует промежуточному уровню между популяцией и сообществом.
Экология изучает преимущественно те системы, которые расположены в правой части приведенного спектра, т. е. системы выше уровня организмов. Термин популяция (от лат. populus — народ), первоначально применявшийся для обозначения групп людей, в экологии приобрел более широкое значение и относится к группе особей любого вида организмов. Точно так же сообщество в экологическом смысле (иногда говорят «биотическое сообщество») включает все популяции, занимающие данную площадь. Сообщество и неживая среда функционируют совместно как экологическая система, или экосистема. Сообществу и экосистеме приблизительно соответствуют часто употребляемые в европейской и русской литературе термин биоценоз и биогеоценоз[243]. Самая крупная и наиболее близкая к идеалу «самообеспечения» биологическая система, известная нам, — это биосфера, или экосфера. Она включает все живые организмы Земли, находящиеся во взаимодействии с физической средой Земли, в результате чего эта система, через которую проходит поток энергии от мощного ее источника, Солнца, и которая переизлучает его в космическое пространство, поддерживается в состоянии устойчивого равновесия.
Отметим, что в приведенном выше «спектре»[244] нет четких границ или разрывов даже между уровнями организма и популяции. Поскольку мы привыкли, имея дело с людьми и высшими животными, представлять себе особь как конечную единицу, идея непрерывного спектра уровней может на первый взгляд показаться странной. Однако если принять во внимание такие факторы, как взаимозависимость, взаимосвязи и выживание, то и в самом деле здесь нигде не должно быть резких разрывов. Отдельный организм, например, не более способен к длительному существованию вне своей популяции, чем отдельный орган (в качестве самоподдерживающей системы) вне своего организма. Подобно этому, сообщество не может существовать без круговорота веществ и потока энергии в экосистеме.
Одна из причин, почему уровни организации изображены в виде горизонтального, а не вертикального ряда, состоит в том, что ни один из них, в общем, нельзя считать более или менее важным или более или менее заслуживающим изучения, чем какой-либо другой уровень. В этом ряду при движении слева направо некоторые признаки, несомненно, становятся более сложными и более изменчивыми, однако часто упускают из виду, что другие свойства при переходе от малых систем к большим становятся менее сложными и менее изменчивыми. Поскольку гомеостатические механизмы действуют на протяжении всего ряда, функционирование более мелких единиц внутри более крупных характеризуется определенной степенью интеграции. Например, интенсивность фотосинтеза лесного сообщества изменяется в меньшей степени, чем интенсивность фотосинтеза отдельных листьев или деревьев внутри сообщества, поскольку снижение фотосинтеза у одного члена сообщества может уравновешиваться его усилением у другого и наоборот. Что касается вопроса о специфических признаках, характерных для каждого уровня в отдельности, то нет оснований считать, что какой-то уровень легче или труднее поддается количественному изучению, чем другие. Например, рост и метаболизм можно успешно изучать на клеточном уровне и на уровне экосистемы, используя различные методы и единицы измерения, соответствующие разным порядкам величин. Кроме того, данные, полученные при изучении какого-либо уровня, помогают изучению другого уровня, но с их помощью никогда нельзя полностью объяснить явления, происходящие на этом другом уровне. Это важное положение, поскольку иногда приходиться слышать утверждение, что бесполезно пытаться работать со сложными объектами типа популяций и сообществ, пока полностью не изучены более мелкие единицы. Если довести эту мысль до логического конца, то в таком случае все биологи должны были бы сосредоточить внимание на одном уровне, например клеточном, впредь до разрешения всех связанных с ним проблем и лишь затем переходить к изучению тканей и органов. Такая точка зрения была широко распространена среди биологов до тех пор, пока они не убедились в том, что каждый уровень имеет особенности, которые лишь частично можно объяснить, исходя из особенностей нижележащего уровня. Иными словами, не все свойства более высокого уровня можно предсказать, зная только характеристики, относящиеся к более низкому уровню. Точно так же как нельзя предсказать свойства воды только по свойствам водорода и кислорода, нельзя предсказать и свойства экосистемы на основании сведений об отдельных популяциях. Изучать нужно и лес (целое), и деревья (части этого целого). Фейблмен назвал это важное обобщение «теорией уровней интеграции».
Итак, для эколога особенно важен принцип функциональной интеграции, согласно которому при усложнении структуры возникают дополнительные свойства. Технические достижения последнего десятилетия позволяли осуществить количественные исследования таких больших и сложных систем, какими являются экосистемы. Инструментами такого исследования могут служить изотопные, спектрометрические, колориметрические, хроматографические и другие химические методы, методы дистанционных измерений и автоматического контроля, математическое моделирование, вычислительная техника. Таким образом, техника — обоюдоострое оружие: она может быть средством познания единства человека и природы и средством разрушения этого единства.
Экологию иногда делят на аутэкологию и синэкологию. Аутэкология изучает индивидуальные организмы или отдельные виды. Обычно при этом особое внимание уделяется жизненным циклам и поведению как способам приспособления к среде. Синэкология изучает группы организмов, составляющих определенные единства. Так, если, скажем, изучается отношение белого дуба (одного дерева или вида в целом) или американского большого дрозда (одной особи или вида в целом) к среде, то это исследование является по своему характеру аутэкологическим. Если же изучается лес, в котором растет этот дуб или живет дрозд, то подход будет синэкологическим. В первом случае все внимание сосредоточено на отдельно взятом организме и цель состоит в том, чтобы увидеть, как он вписывается в общую экологическую картину, подобно тому как, рассматривая произведение живописи, можно сконцентрировать внимание на каком-то отдельном фрагменте. Во втором случае рассматривается картина в целом (т. е., если продолжить аналогию с живописью, — изучается композиция).
В соответствии с задачами книги мы разделили предмет экологии тремя способами. В первой части деление на главы проведено в соответствии с концепцией уровней организации, изложенной выше. Мы начнем с экосистемы, поскольку в конечном счете именно этим уровнем мы и должны заниматься; далее мы последовательно рассмотрим сообщества, популяции, виды и отдельные особи. Затем мы снова вернемся к уровню экосистемы и рассмотрим вопросы развития, эволюции и моделирования природы.
Во второй части подразделение идет по типам среды, или местообитания: отдельно рассматриваются экология пресных вод, моря и суши. Хотя фундаментальные принципы везде одни и те же, виды организмов, их взаимоотношения с человеком и методы изучения могут быть для разных условий среды совершенно различными. Рассмотрение местообитаний полезно также для подготовки к полевым экскурсиям и к оформлению материала описаний биоты.
В третьей части рассматриваются различные области практического приложения экологии — природные ресурсы, загрязнение среды, космические путешествия и прикладная экология человека с целью связать основные принципы, рассмотренные выше, с практическими проблемами.
Как и биология в целом, экология может быть подразделена на таксономические ветви, например, экологию растений, экологию насекомых, экологию микроорганизмов, экологию позвоночных. Подобное знакомство с той или иной систематической группой весьма полезно, поскольку при этом сосредоточивается внимание на специфических, уникальных чертах экологии данной группы и на разработке соответствующих тонких методов. Но в целом проблемы, касающиеся только ограниченных групп организмов, мы здесь не рассматриваем.
Выделение отраслей внутри экологии полезно, как и в любой другой науке, поскольку оно облегчает обсуждение и осмысление материала и дает общее направление для целесообразной специализации в пределах данной области. Как было кратко показано в этом разделе, можно специализироваться на изучении процессов, уровней организации, среды, организмов, практических проблем, внося ценный вклад в общее развитие биологии окружающей среды. <…>
Часть III
Прикладные и технологические аспекты экологии
Глава 21
На пути к прикладной экологии человека
«Оптимум качества всегда меньше того количественного максимума, который можно поддерживать». «Земля может прокормить больше живых существ, которые бы довольствовались, подобно домашним животным, загрязненной кормушкой, чем человеческих созданий, которым нужна свободная от загрязнения среда обитания, разумная степень личной свободы и разные возможности достижения счастья».
«Лимитирует не энергия сама по себе, а последствия загрязнения, порождаемого эксплуатацией энергии. В настоящее время загрязнение — один из важнейших лимитирующих факторов для человека».
«Человек именно как геологический фактор, а не как представитель животного мира находится под сильным воздействием положительной обратной связи, которой поэтому должна быть противопоставлена отрицательная обратная связь».
Чтобы поддерживать порядок в экосистеме, нужно затрачивать энергию на «откачивание неупорядоченности». Загрязнение и сбор продукции оказывают стрессовые воздействия, увеличивающие стоимость поддержания системы. Чем большие требования мы предъявляем к природе, тем меньше энергии для поддержания остается в природе, и человеку, таким образом, все дороже обходится предупреждение неупорядоченности.
«До сих пор человек существовал в своей среде как паразит, потребляя все, что ему нужно, и не заботясь о благосостоянии своего хозяина (т. е. своей системы жизнеобеспечения)».
Для того чтобы разрешить противоречие между использованием жизненного пространства и сохранением его в оптимальном незагрязненном состоянии, ландшафт следует разделить на части, обеспечив тем самым удовлетворительное равновесие между продуктивными и протективными экосистемами. Ограничения пользования землей и водой — наши единственные средства практически избежать перенаселения, или чрезмерного истощения природных ресурсов, или и того и другого вместе.
Разнообразие — это необходимость, а не только «приправа» к жизни.
Представление о многократном использовании должно стать одной из важных задач общества.
Читать бесплатно другие книги:
