О значении биологического круговорота веществ в природе наука “заговорила” после появления учения немецкого химика Юстуса Либиха о минеральном питании растений. Послелибиховский период изучения круговорота веществ стал периодом интенсивного накопления данных по зольному составу растений, а следовательно, более полного представления о балансе питательных веществ в земледелии. Накопление данных позволило глубже проникнуть во взаимоотношения растительности и почв и соответственно поставить на научную основу применение удобрений. И все же зольный анализ не может дать полной картины круговорота: нельзя правильно решить вопрос о количестве минеральных веществ, вовлекаемых в биологический круговорот, по одному анализу “трупов”. Нужно также изучать сезонные колебания обмена веществ между живой вегетирующей растительностью и почвой. Иначе говоря, нужно учесть огромное количество питательных веществ, ферментов и шлаков, перемещаемых растениями в ходе их жизнедеятельности. Суммарная масса веществ, участвующих в прижизненных процессах поглощения и выделения за все время жизни организма, во много раз превышает биомассу самого организма.

Строго говоря, понятие биологического круговорота веществ применимо лишь для биологических процессов метаболизма, протекающих внутри того или иного живого организма (отток веществ из одних органов в другие и обратно, через биолиты и т. п.), то есть на организменном уровне, поэтому изучение его — это область биологии (физиологии, биохимии и т. д.).

Не все этапы круговорота веществ в биогеоценозах осуществляются при прямом участии живых организмов; некоторые стадии протекают под действием абиогенных факторов (механические, физические и химические воздействия). Такое сочетание обеспечивает возникновение, по выражению Вернадского, “вихрей атомов”, составляющих характернейшую черту функционирования биосферы и ее структур. Исследование подобного (биогенного) круговорота — задача биогеоценологии.

Наряду с биологическим и биогенным круговоротом следует выделять биогеохимический круговорот (собственно биосферный), определяющий миграцию химических элементов в биосфере в целом. Здесь также определяющую роль в передвижении и перераспределении химических элементов играет живое вещество, но при этом из круговорота изымается и откладывается огромное количество химических элементов, главным образом в зоне геохимических барьеров (залежи угля, нефти, бокситов, известняков и т. п.). Изучение биогеохимического круговорота химических элементов в биосфере и их биогеохимических циклов относится к области биогеохимии.

Важнейшей характеристикой круговорота служат его емкость и скорость. Часто под скоростью имеют в виду количество живого вещества, образующегося за единицу времени. С геохимической точки зрения такое представление не является полным и достаточным. Ведь в ходе круговорота происходит процесс самообновления организмов, осуществляющийся благодаря его поглотительной и выделительной функциям. Именно это и составляет геохимическую работу живого вещества, которую оно выполняет не путем простого накопления, то есть всасывания и депонирования, а способом кругового движения. Поэтому мерой биогеохимической активности организма следует считать массу химических элементов, перемещаемую им в биогеоценозе или в биосфере за единицу времени. Следовательно, скорость круговорота элемента нужно определять временем, затрачиваемым организмами в биогеоценозе на биогенный перенос такого количества данного элемента, которое равно его содержанию в этих организмах в данное время. Биогенная миграция, составляющая часть общей миграции элементов в биосфере, — одна из главнейших форм работы в природных системах равновесий. В таких равновесиях работа достигает максимума, свободная энергия спускается до минимума. Обобщая огромный эмпирический материал, В. И. Вернадский сформулировал основные биогеохимические принципы. Первый биогеохимический принцип гласит: биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к максимальному своему проявлению. Выражением этого принципа в окружающей нас природе можно считать, во–первых, “всюдность жизни”, то есть захват биогенной миграцией всего возможного пространства, и, во–вторых, давление жизни и тот напряженный растущий темп, каким идет техническое творчество цивилизованного человечества.

Эмпирический анализ окружающей природы показывает, что “всюдность” и давление жизни создаются в биосфере эволюционным путем.

Суть второго биогеохимического принципа, сформулированного В. И. Вернадским, в том, что эволюция видов, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, должна сопровождаться усилением биогенной миграции атомов в биосфере.

В основе дарвиновской, биологической по своему смыслу, концепции эволюции органического мира лежит принцип отбора организмов по признаку их приспособленности к среде. Учение о биосфере выдвигает новый — геохимический — критерий отбора. Согласно второму биогеохимическому принципу Вернадского, в процессе эволюции органического мира происходит отбор организмов, способных внести наиболее весомый вклад в расширение емкости и увеличения скорости биогеохимического круговорота в биосфере.

Геохимическая функция живого базируется на двух взаимосвязанных противоположных процессах — поглощения и выделения вещества. В учении о биосфере, характеризуя активность живого вещества, Вернадский говорил о “давлении жизни”, о “всюдности жизни”, о “растекании живого вещества по планете”. Он не употребил антропоцентристское понятие “борьба за существование”, к которому прибегнул Дарвин.

Борьба за пищу, за источники питательного вещества — лишь один из моментов жизнедеятельности живого вещества, связанный с его способностью к поглощению. Не менее, а в ряде случаев и более важна противоположная — выделительная — функция. Их значение для эволюции органического мира определяется законом, который может быть сформулирован следующим образом: ни один организм не может существовать в среде своих выделений (метаболитов) и трупов предков, то есть организм может иметь в избытке для себя пищу, но он погибнет от отравления своими собственными выделениями и от “трупного яда” своих предков. Природа выработала санитарный механизм очищения себя от метаболитов и других прижизненных и посмертных отходов. Обратите внимание, что ни на одном участке планеты мы не встретим монокультурного единообразия. Везде, где царствует природа, распространены сообщества организмов (биоценозы). Монокультура отвергается природой. Она — создание человека. В биоценозе метаболиты и другие продукты жизнедеятельности одного вида угилизуются другими видами. Санитарная функция в биогеоценозах также не только влияет на формирование, но и определяет скорость и направление их эволюции.

Среда освобождается от метаболитов и за счет действия ряда факторов неорганического характера. Так, часть метаболитов разрушается под воздействием температуры и других физических и химических агентов, другая часть вымывается из почвы со стоком воды. Содействуют распаду метаболитов и морозы. Кроме того, в зимний период пауза в жизнедеятельности организмов снижает концентрацию метаболитов.

Биогенная миграция атомов указывает на существование определенного направления, в котором должен идти эволюционный процесс в биосфере. Палеонтологическая летопись имеет характер не хаотического изменения, а явления определенного, развертывающегося все время в одну и ту же сторону. В ходе эволюции видов происходили изменения биогенной миграции элементов, связанные с захватом в это время новых областей земной коры, новых пространств для жизни.

Впервые в истории Земли биогенная миграция, вызванная техникой, начала преобладать по своему значению над биогенной миграцией, производимой массой живого вещества. При этом изменились биогенные миграции для всех элементов. Этот процесс, совершающийся чрезвычайно быстро, в геологически ничтожное время изменил лик Земли до неузнаваемости.

В охвате геохимической динамики жизни планеты и заключается сущность учения о биосфере. На исследование этого нацелены науки, составляющие особый класс фундаментальных наук — почвоведение, биогеоценология, геохимия ландшафтов, биогеохимия, радиационная биогеоценология, гелиобиология и другие. Проблема “Биосфера и человечество” оказывается в центре биосферологии как теоретической концепции о становлении человечества — мощной геологической силы и об интегральных геохимических эффектах глобальных акций человечества.