Александр Перельман - Биокосные системы Земли

«Информация» — одно из фундаментальных научных понятий того же ранга, что «вещество», «энергия», «пространство», «время». По мнению акад. А. И. Берга, информационные процессы сопровождают все превращения вещества и энергии. При характеристике биокосных систем следует использовать такие «информационные» понятия, как целостность, структура, сложность, устойчивость, саморегуляция, обратная связь и т. д. Информационные показатели биокосных систем устанавливаются на основе методов кибернетики и теории информации.

Итак, чтобы осветить геохимию биокосных систем, необходимо ответить на три основных вопроса: как мигрируют атомы в биокосных системах? как при этом превращается энергия? как изменяется информация? Несомненно, что главная составная часть биокосных систем, определяющая их своеобразие и сущность протекающих в них процессов, это живое вещество, совокупность живых организмов. В каждой биокосной системе протекает биологический круговорот атомов (сокращенно: бик), в ходе которого атомы входят в состав живых организмов и заряжаются энергией, становятся геохимическими аккумуляторами. Вторая ветвь бика — разложение органических веществ и переход атомов снова в минеральное состояние. При этом поглощенная солнечная энергия выделяется в тепловой и работоспособной химической форме. Именно за счет химической работы происходят почвообразование, выветривание горных пород и другие процессы, о которых уже говорилось в этой книге. «Захватывая энергию Солнца, живое вещество создает химические соединения, при распадении которых эта энергия освобождается в форме, могущей производить химическую работу», — писал Вернадский [22] Вернадский В. И. Избранные сочинения, т. V, с. 168. .

Разложение органических веществ — это сквозной процесс, характерный для всех биокосных систем, процесс, поставляющий в систему свободную энергию, делающий систему неравновесной. Именно поэтому биокосные системы — это неравновесные системы, и, чем энергичнее идет в них разложение органических веществ, чем больше разлагается этих веществ, тем дальше система от равновесия. Неравновесность наблюдается всюду, но особенно резко она выражена в ландшафтах теплого и влажного климата, где энергично протекает бик. Вспомним черные тропические реки и озера, «коричневые реки» и озера нашей тайги, где в одной и той же системе находятся и сильные восстановители — органические вещества, и сильный окислитель — свободный кислород. Но и биосфера в целом химически резко неравновесна (кислородная атмосфера + органические вещества). Постоянное поглощение солнечной энергии, перевод ее в химическую работоспособную форму определяет информационные особенности биокосных систем — сложность, дифференциацию, самоорганизацию, рост в них разнообразия. Достаточно сравнить в этом отношении однообразную толщу горной породы и сформировавшуюся на ней резко дифференцированную на горизонты почву (А 1, А 2, B 1, B 2, В 3и т. д.). Напомним, что в почве на расстоянии нескольких сантиметров меняются pH, содержание отдельных элементов, окислительно-восстановительные условия. Итак, биокосные системы — это системы, богатые информацией.

В нашей книге рассматриваются явления преимущественно с позиций геохимии. Нетрудно показать, что и в других отношениях, например по особенностям механических процессов, биосфера также глубоко неравновесна. Постоянно текущие реки, морские течения, ветры, переносящие воздушные массы, свидетельствуют о резкой механической неравновесности биосферы.

Окислительно-восстановительная и кислотно-щелочная зональность.Биологический круговорот атомов представляет собой окислительно-восстановительный процесс, и именно поэтому главные черты всех биокосных систем определяются окислительно-восстановительными реакциями. В каждой системе наблюдается зональность, которая характерна и для биосферы в целом: окислительная зона (атмосфера, ландшафт в целом, океаны и моря, частично водоносные горизонты), восстановительная зона (многие илы морей и океанов, глубокие подземные воды).

Наряду с живым веществом другим важнейшим компонентом биокосных систем является вода, которая также участвует в круговоротах различного масштаба и продолжительности.

Существенно, что в различных биокосных системах обнаруживаются одни и те же классы водной миграции, типоморфные элементы. Например, кислые системы характерны и для почв, и для коры выветривания, и для илов, и для водоносных горизонтов, и для ландшафтов. То же относится к сернокислому, кальциевому, кислому глеевому и другим классам. Это также свидетельствует о принадлежности биокосных систем к одной группе явлений, об их единстве.

С круговоротом воды и водной миграцией связано существование в биокосных системах кислотно-щелочной зональности. Кислотную обстановку в биосфере создают углерод (угольная и органические кислоты), сера (H 2S, H 2SO 4), в частных случаях — хлор (HCl) и фтор (HF). Остальные анионогенные элементы не имеют существенного значения из-за их низкого среднего содержания в земной коре (кларков). Но и у названных четырех элементов кларки очень невелики и, во всяком случае, намного меньше, чем у главных катионов, формирующих щелочную среду:

Таким образом, в литосфере явно наблюдается дефицит кислотообразующих элементов, среди которых ведущую роль в верхней части литосферы играет углерод.

Разложение органических веществ микроорганизмами поставляет в биокосные системы угольную и органические кислоты, которые и являются существенным источником кислой реакции. Важным источником углекислого газа на глубинах являются также процессы разложения карбонатов. В верхней части биосферы локальным источником сернокислой среды служит окисление пирита и других дисульфидов.

При взаимодействии кислых вод с горными породами преобладающие по массе катионы горных пород нейтрализуют кислоты. В результате гидролиза происходит подщелачивание раствора, так как угольная и органическая кислоты являются кислотами средней или слабой силы, в то время как главные катионы образуют сильные основания. Так, при взаимодействии кислых вод с горными породами кислая среда сменяется щелочной. В результате в различных частях биосферы возникает кислотнощелочная зональность — смена кислотных горизонтов щелочными. Наиболее изучены эти явления в почвах, коре выветривания и илах.