Александр Перельман - Биокосные системы Земли

• Название: Биокосные системы Земли
• Автор: Александр Перельман
• Издательство: Наука
• Жанр: Экология
• Год: 1977

Живые организмы и неорганическая (косная) материя на Земле тесно связаны между собой и образуют в совокупности различные сложные природные системы, которые В. И. Вернадский назвал биокосными. В книге биокосные системы рассмотрены с позиций геохимии.

Характеризуя почвы, подземные воды, биосферу и другие биокосные системы, автор рассказывает не только о том, как перемещаются атомы в этих системах, но и как происходит при этом превращение энергии, изменение информации. В последнее десятилетие изучение биокосных систем приобрело особенно большое значение в связи с проблемой охраны природы и загрязнения окружающей среды. Этим вопросам также уделено внимание.

---

Воды кислого класса формируются в районах развития изверженных и других пород, не содержащих растворимых компонентов (карбонатов, гипса и т. д.). Формирование химического состава вод протекает в почвах при разложении растительных остатков. Такие воды содержат очень мало растворимых минеральных веществ, обычно менее 100 мг в 1 л («ультрапресные»). По ионному составу это чаще всего гидрокарбонатно-кальциевые воды (Са2+ — НСО3-). Воды богаты растворенным органическим веществом, в связи с чем имеют коричневый цвет, напоминающий крепкий чай. К этому классу относятся и черные тропические реки, в том числе крупный приток Амазонки Рио-Негро (по-испански — «черная река»). Под защитой органических веществ мигрируют многие металлы. В физико-химическом смысле это крайне неравновесные системы, так как они содержат и сильный окислитель (свободный кислород), и сильные восстановители (органические соединения). Вместе с тем эта биокосная система устойчива, т. е. является стационарной.

Воды кальциевого класса — нейтральные и слабощелочные, пресные (маломинерализованные) — также распространены очень широко. Среди них можно выделить несколько разновидностей (подклассов, самостоятельных классов?).

В таежной и тундровой зонах, в районах, сложенных известняками или другими породами, содержащими растворимые компоненты, формируются весьма своеобразные воды кальциевого класса. Ведущее значение для формирования их химического состава наряду с разложением растительных остатков имеет растворение пород. Общая минерализация таких вод значительно выше, чем во втором классе, она составляет местами сотни миллиграммов на литр. По ионному составу воды гидрокарбонатнокальциевые (НСО3-—Са2+). Содержание растворенных органических веществ в водах значительно, они имеют коричневый цвет, но все же светлее, чем во втором классе. Возможно, эти воды следует выделять в самостоятельный класс.

Воды кальциевого класса, бедные растворенным органическим веществом, распространены во многих ландшафтах лесостепи, черноземных степей, горных стран. Главное значение в формировании состава вод здесь имеет разложение растительных остатков и растворение карбонатов кальция в почвах, корах выветривания, континентальных отложениях. Эти воды пресные, кальциевые, местами жесткие (в черноземных степях). Все же общее количество растворенных веществ обычно не превышает 1 г/л.

pH вод кальциевого класса может сильно колебаться в зависимости от интенсивности фотосинтеза. Во время наибольшего расцвета деятельности водорослей и других зеленых растений они почти нацело изымают из воды углекислый газ и pH повышается местами до 10. Ночью, когда фотосинтеза не происходит, а дыхание растений, поставляющее углекислый газ, продолжается, pH падает. За сутки колебание pH может составить 2 ед., т. е. кислотность изменится в 100 раз! Повышение pH за счет фотосинтеза возможно и в озерах кислого класса, и в морских лагунах с соленой водой.

Воды соленосного класса (Na+, Cl-, SO42-) распространены преимущественно в сухих степях и пустынях, главным образом в озерах. Еще А. Е. Ферсман выделил на территории СССР особый «пустынно-озерный пояс». По ионному составу эти воды очень разнообразны — известны и хлоридные, и сульфатные, и натриевые, и магниевые воды. Классификация их детально разработана в связи с большим практическим значением соляных озер. Напомним об огромном хозяйственном значении соляных озер Эльтон и Баскунчак в Прикаспийской низменности, залива Кара-Богаз-Гол в Туркмении. Реже встречаются соленые ручьи и реки, они известны в районах развития соленосных толщ. Летом при сильном испарении воды небольшие реки сухих степей и пустынь тоже могут осолоняться (а зимой и весной — опресняться). К соленосному классу относится также морская и океаническая вода.

Содовые воды наиболее характерны для лесостепи и северной степи, где широко распространены содовые озера. Классический район их развития в СССР — западносибирская лесостепь, например Барабинская низменность. Содовые щелочные реки редки.

В 1938—1939 гг. в штате Вайоминг (США) при поисках нефти и газа были открыты ископаемые залежи троны (Na2CO3 · NaHCO3 · 2H2O) — осадки эоценовых содовых озер. В 1964 г. из этих месторождений добывалось уже около 20% всей соды, производимой в США. Современные крупные содовые озера известны в Калифорнии, Восточной Африке и других местах. Процессы формирования содовых озер выяснены еще далеко не достаточно, в природе протекает много реакций, в ходе которых воды приобретают содовый состав. Наряду с климатом большую роль в формировании содовых озер во многих районах, вероятно, играл вулканизм.

Ландшафты

В последние годы жизни Докучаев открыл биокосную систему более крупного порядка (ландшафт), по отношению к которой почва является подсистемой. «... Основным предметом учения о ландшафтах являются не элементы ландшафта сами по себе — горные породы, водоемы, рельеф, растительность и животный мир, а взаимосвязь между ними — та „сложная цепь природы“, которой, по выражению Гете, „весь мир таинственно объят“», — писал Б. Б. Полынов[10].

Открытие ландшафта было связано с развитием представлений о зональности. О климатический зональности знали еще ученые Древней Греции, имелись общие представления и о зональности растительности. Великий немецкий натуралист А. Гумбольдт (1769—1859) в 1807 г. глубоко обосновал зональность растительного покрова и на этой основе построил здание географии растений. Наконец, в конце XIX столетия Докучаев доказал, что зональность наблюдается и в «минеральном царстве», что она характерна для размещения почвенного покрова. Отсюда неизбежно следовал вывод о зональности природы земной поверхности в целом, который и сделал Докучаев, создав учение о зонах природы.

Докучаев показал, что тундра, тайга, черноземная степь, пустыня, влажные тропики — это особые природные системы, в которых атмосфера, горные породы, животный и растительный мир, воды и почвы тесно между собой связаны, составляют единое целое. Подобные природные комплексы и ранее привлекали внимание натуралистов; в России они описывались как «типы и роды местности», в Германии — как «ландшафты». В немецкую науку термин «ландшафт» был введен в 1805 г. А. Гоммейером, который заимствовал его из народного языка. В то время под ландшафтом понимали облик местности. В 1840 г. вышла в свет «Естественная история Оренбургского края» Э. А. Эверсмана (1794—1860), в которой автор уже выделял такие природные комплексы, как «глинистые», «песчаные» и «солонцеватые степи», т. е. ландшафты в современном понимании. В конце XIX—начале XX в. видный немецкий географ З. Пассарге (1867—1958) выполнил большую работу по инвентаризации ландшафтов, характеристике ландшафтного покрова отдельных стран. Однако в то время еще не была разработана методология изучения ландшафтов, и поэтому данные исследования не могли привести и не привели к развитию самостоятельного научного направления. Докучаев же ясно представлял эту методологию; выражаясь современным языком, он видел ее в системном анализе. В 1898 г. в газете «Кавказ» ученый писал: «Не подлежит сомнению, что познание природы — ее сил, стихий, явлений и тел — сделало в течение 19 столетия такие гигантские шаги, что само столетие нередко называется веком естествознания, веком натуралистов. Но, всматриваясь внимательнее в эти величайшие приобретения человеческого знания, — приобретения, можно сказать, перевернувшие наше мировоззрение на природу вверх дном, особенно после работ Лавуазье, Лайэля, Дарвина, Гельмгольца и др., нельзя не заметить одного весьма существенного и важного недочета... Изучались, главным образом, отдельные тела — минералы, горные породы, растения и животные — и явления, отдельные стихии — огонь (вулканизм), вода, земля, воздух, в чем, повторяем, наука и достигла... удивительных результатов, но не их соотношения, не та генетическая вековечная и всегда закономерная связь, какая существует между силами, телами и явлениями, между мертвой и живой природой, между растительными, животными и минеральными царствами...»[11].

Через год Докучаев вновь вернулся к этому вопросу. Ученый писал: «Как известно, в самое последнее время все более и более формируется и обособляется одна из интереснейших дисциплин в области современного естествознания, именно учение о тех многосложных и многообразных соотношениях и взаимодействиях, а равно и о законах, управляющих вековыми изменениями их, которые существуют между так называемой живой и мертвой природой, между а) поверхностными горными породами, b) пластикой земли, с) почвами, d) наземными и грунтовыми водами, е) климатом страны, f) растительными и g) животными организмами (в том числе и даже главным образом низшими) и человеком, гордым венцом творения...