Александр Перельман - Биокосные системы Земли

Если 30 лет назад биогеохимические идеи Вернадского еще порой встречали возражения или, во всяком случае, непонимание, то в наши дни положение коренным образом изменилось: учение Вернадского о биосфере приобрело большое практическое значение. Все, что говорилось выше об оптимизации культурного ландшафта, отрицательных обратных связях, централизации, может быть отнесено и к биосфере в целом, и к таким ее крупным подсистемам, как Мировой океан. Здесь также остро стоит проблема борьбы с загрязнением окружающей среды. Идеи Вернадского как основоположника новой науки получили всеобщее признание не только в нашей стране, но и за рубежом. Однако учение о биосфере еще не имеет особого наименования, неясно и его положение в системе наук. Существует тенденция включать его в биологию под наименованием «глобальная экология»; другие авторы относят науку о биосфере к числу наук о Земле.

Место биосферы в земном коре.«В „земную кору“... входит несколько геологических оболочек — биосфера, стратисфера, метаморфическая и гранитная оболочка. Все они когда-то в длении геологического времени находились на земной поверхности, были биосферами. Все они генетически между собой связаны, взятые в целом представляют одно явление» [20] Конечно, здесь имеет место и образование живого вещества, но оно образуется не из минеральных соединений (углекислый газ, вода и т. д.), как при фотосинтезе, а из органических веществ других организмов. В биосфере известны и реакции хемосинтеза , когда бактерии синтезируют органические вещества из минеральных без участия солнечного света. Однако роль этих реакций в создании биомассы невелика. , — писал В. И. Вернадский в 1939 г. В частности, «к былым биосферам» ученый относил и наиболее распространенные изверженные породы — граниты (рис. 28). По его представлениям, они образовались за счет переплавления осадочных пород, опустившихся при погружении в геосинклинальных зонах на большие глубины. Так, возможно, в земной коре осуществляется «большой круговорот веществ», а также передача на глубину солнечной энергии, аккумулированной в минералах биосферы.

Рис. 28. Земная кора и биосфера (строение земной коры — по В. Е. Хаину, граница биосферы — по автору).

1 — осадочный слой; 2 — «гранитный» слой; 3 — «базальтовый» слой; 4 — верхняя мантия; 5 — граница биосферы; 6 — нижняя граница вещества, прошедшего через биосферу (былые биосферы)

«Солнечная энергия, — писал Вернадский в „Очерках геохимии“, — через посредство живого вещества пребывает в потенциальном состоянии не только в каменном угле, происходящем прямо из зеленых растений, но во всех вадозных минералах углерода, в углекислом кальции и других биогенных минералах, в большинстве вадозных минералов и, думаю, в существенной мере во всех» [21] Вернадский В. И. Избранные сочинения, т. I, с. 215—216. .

Этим самым определяется влияние биосферы на процессы, протекающие в глубоких частях земной коры — в очагах магматизма, поясе гидротермальных процессов.

Биокосные системы различаются по степени сложности — уровням организации материи. К наиболее низкому уровню принадлежат почвенные горизонты (А 1, А 2, В 1, В 2и т. д.) и аналогичные части илов, водоносных горизонтов, кор выветривания. Это допочвенный уровень организации. К почвенному уровню, кроме самой почвы, автор относит илы, коры выветривания, водоносные горизонты, однородные водные массы рек, озер, морей. Более высокий уровень организации присущ ландшафтам (ландшафтный уровень), среди которых Б. Б. Полынов предложил различать элементарные и геохимические ландшафты (два уровня). Наконец, к надландшафтному уровню относятся артезианские и речные бассейны, моря, океаны и другие биокосные системы. Здесь, несомненно, существует своя иерархия (несколько уровней). И наконец, у основания пирамиды уровней находится биосфера — самая крупная и самая сложная биокосная система Земли. Биокосные системы, относящиеся к разным уровням организации, изучаются разными науками, достаточно далеко отстоящими друг от друга в официальной классификации знания (почвоведение, география, гидрогеология и т. д.). Вместе с тем все биокосные системы имеют много общих черт. Напомним, например, что десульфуризация протекает и в почвах (болота, солончаки), и в илах, и в водоносных горизонтах, и в морской воде (в Черном море, в фиордах Норвегии). То же можно сказать об оглеении, окислении сульфидов, процессах засоления, огипсования, карбонатизации и многих других.

Отсюда становится понятным сходство геохимических классификаций почв, илов, кор выветривания, водоносных горизонтов и поверхностных вод. Действительно, все эти биокосные системы характеризуются одинаковыми или близкими термодинамическими условиями — температурой, давлением. Во всех системах развивается биологический круговорот атомов, для них характерна водная среда в качестве основной среды миграции. По существу, во всех случаях мы классифицируем одно и то же образование — природные воды в их различных формах. Поэтому, отмечая существование в биосфере отдельных биокосных систем, необходимо не только подчеркивать их различия, но и выявить то общее, что их объединяет в одну категорию природных образований.

Особое положение среди рассмотренных биокосных систем занимают ландшафты, сущность которых заключается в биогенной аккумуляции элементов — образовании живого вещества. Однако в ландшафтах протекают и противоположные процессы разложения органических веществ, что сближает их как тип систем с почвами, илами, корами выветривания и т. д. Именно поэтому классы ландшафтов совпадают с классами почв и илов.

И наконец, к принципиально иным — биологическим системам относятся живые организмы, для которых характерны иные поля устойчивости химических соединений: белки, витамины, ферменты и другие органические соединения устойчивы только в организме и разрушаются после его смерти.

Вещество, энергия, информация.Геохимия изучает биокосные системы на атомарном уровне и в трех основных аспектах. Прежде всего, нас интересует, как изменяется вещество в биокосных системах, т. е. как мигрируют атомы. Но не менее важен и энергетический аспект — те сложные превращения энергии, которые при этом происходят. Вещественно-энергетическая картина мира, как известно, выявилась уже в середине XIX столетия, и тогда же изучение вещества и энергии стало основой методологии всех естественных наук. Прошло 100 лет, и в середине XX столетия, в годы научно-технической революции, выявился третий важнейший аспект изучения природы — информационный.