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.

---

Помимо кислорода в ландшафтах кислого глеевого класса дефицитны и другие элементы, в них избыточны вода, водородный ион, вероятно, местами железо и марганец. Условия жизни для большинства организмов здесь менее благоприятны, чем в кислых ландшафтах. В хозяйственном отношении ландшафты кислого глеевого класса освоены слабо, население в них редкое. Только коренная мелиорация (осушение) способна повысить их продуктивность.

Ландшафты кислого глеевого класса были широко распространены и в геологическом прошлом, особенно в конце девона и в каменноугольном периоде, в палеогене. В то время на заболоченных тропических низменностях росли леса, остатки которых дали залежи угля, известные во многих районах земного шара, в том числе и на территории нашей страны.

Проблема влияния кислой глеевой среды на эволюцию жизни на Земле также исключительно интересна. Будущим исследователям следует особое внимание обратить на роль растворенного органического вещества в эволюции — ведь животные этих ландшафтов в течение многих поколений пили «коричневую воду», содержащую сотни различных органических соединений, многообразное влияние которых на жизненные процессы можно считать установленным (в водах найдены и канцерогены, и вещества типа витаминов, и многие другие физиологически активные соединения).

Ландшафты карбонатного глеевого класса встречаются в болотах тундры, тайги, широколиственных лесов, влажных тропиков на участках распространения карбонатных пород, где в почвах развито карбонатное оглеение. Это также плавни южнорусских рек, некоторые тугаи (пойменные леса) в долинах рек Средней Азии, болота лесостепи, степей.

И в этих ландшафтах главный дефицитный элемент — кислород, а главный тип мелиорации — осушение. После осушения многие территории очень пригодны для земледелия. Некоторые густонаселенные низменности южных стран в прошлом были ландшафтами карбонатного глеевого класса.

Типоморфными элементами этих ландшафтов являются кальций, железо (Fe2+), местами марганец (Mn2+), воды также содержат растворенное органическое вещество, хотя и в меньших количествах, чем в кислых глеевых болотах. Геохимия этих ландшафтов почти не изучена, их роль в эволюции жизни на Земле — тоже.

К содовым глеевым ландшафтам относятся некоторые болота и луга в районах развития солонцов и содовых солончаков. В геохимическом отношении они почти не изучены, несмотря на важность таких исследований.

Ландшафты сульфидных (сероводородных) классов характерны для морских побережий, подтопленных солеными водами, для солончаков и соленых озер степей и пустынь. Наиболее распространен соленосно-сульфидный класс, который известен почти во всех типах ландшафтов: от тундр до пустынь и влажных тропиков. Геохимию лесных соленосно-сульфидных болот влажных тропиков — мангров — охарактеризовала М. А. Глазовская. Это периодически затопляемые морем болотистые низменности, где в почвах развивается десульфуризация за счет восстановления сульфатов морской воды, почва приобретает черный цвет и имеет запах сероводорода. Местами сероводород заражает приземный слой воздуха. В результате размыва красноземных и латеритных почв возвышенностей мангры обогащаются взвесью, содержащей много гидроокислов железа, которые восстанавливаются в почве с образованием черного гидротроилита. Главный дефицитный элемент мангров — кислород; на это указывают, в частности, воздушные корни растений.

Условия жизни в манграх менее благоприятны, чем в кислом тропическом лесу, и поэтому величины Б и П меньше: биомасса такая же, как в северной тайге (1200 ц/га). Однако соотношение между Б и П общее для типа тропических лесов:

  Б, ц/га П, ц/га К = lgП / lgБ Вечнозеленые тропические леса на красных почвах 6000 270 0,64 Мангры 1200 100 0,64

Это и дает основание включать мангры в тип ландшафтов тропических лесов.

Роль мангров как центров видообразования (отбор на химической основе) еще подлежит изучению.

Биосфера

В 1875 г. известный австрийский геолог Э. Зюсс (1831—1914) в книге, посвященной геологии Альп, наряду с атмосферой, гидросферой и литосферой выделил в качестве самостоятельной оболочки Земли биосферу — сферу жизни. Однако главная область научных интересов Зюсса была связана с тектоникой и региональной геологией; специально проблемой биосферы он не занимался[17].

Последующие 40 лет биосфера не привлекала внимания исследователей, и глубокой разработке этого понятия, созданию особого учения о биосфере наука обязана В. И. Вернадскому.

Вернадский стал размышлять о геологическом эффекте деятельности всей совокупности живых организмов, которую он назвал живым веществом. При таком подходе явления жизни можно было оценивать с геологических позиций, говорить о массе живого вещества так же, как о массе любой горной породы, выражать ее в тоннах. Особенно большое значение при этом приобретал энергетический подход, так как в отличие от горных пород живое вещество содержит огромное количество «действенной энергии» (по выражению Вернадского); оно совершает в земной коре большую работу, хотя и уступает горным породам по массе.

Развитие учения о биосфере. Вернадский пришел к выводу о том, что живое вещество представляет собой самую могучую геохимическую силу на земной поверхности. В 1928—1931 гг. он сформулировал очень четкие представления о пяти основных биогеохимических функциях живого вещества.

Первая функция — газовая. Ученый подчеркивал, что все газы верхней части земной коры порождены жизнью. Продуктом фотосинтеза зеленых растений является свободный кислород атмосферы, а продуктом дыхания всех организмов — углекислый газ. Вернадский полагал, что и азот атмосферы имеет биогенное происхождение. Углеводороды также в значительной степени являются продуктом жизнедеятельности микроорганизмов. Недаром самый распространенный углеводород метан (СН4) еще в старину именовался болотным газом. Наконец, сероводород, как мы убедились, в основном образуется при микробиологическом разложении сульфатов.

Многие другие газы тоже биогенны. Вернадский, в частности, отмечал большую роль «запахов», т. е. газообразных пахучих органических соединений. В наши дни под именем фитонцидов они являются предметом детальных исследований биологов.

Исключительно важна и вторая — концентрационная — функция живого вещества, так как организмы накапливают в своих телах многие химические элементы. Наиболее наглядный пример — каменные и бурые угли, торф, образовавшиеся из остатков растений и являющиеся концентраторами углерода. По сравнению со средним содержанием в земной коре (2,3 · 10-20%) в углях содержание углерода повышено в тысячи раз! Большинство геологов полагает, что и нефть — концентратор углерода и водорода — имеет биогенное происхождение.

Концентрационная функция живого вещества проявляется и в истории кальция. Достаточно напомнить о целых горных хребтах, сложенных остатками животных с известковым скелетом («Известковые Альпы» и т. д.).

Известны организмы — концентраторы кремния. Их деятельности обязаны отложения многих кремнистых горных пород, состоящих из остатков диатомовых водорослей, кремнистых губок и других организмов.

Концентраторами йода служат морские водоросли, железа, марганца, серы — особые бактерии, фосфора — позвоночные животные и т. д.

Третья — окислительно-восстановительная — функция играет важную роль в истории многих элементов с переменной валентностью. Напомним, что окисление и восстановление железа, серы, марганца, о которых говорилось в этой книге, связаны с деятельностью микроорганизмов. В истории азота, меди, селена, урана, кобальта, ванадия, молибдена и т. д. окислительно-восстановительная функция живого вещества также играет огромную роль.

К четвертой — биохимической — функции Вернадский отнес такие явления, как рост, размножение, перемещение живых организмов, которые имеют важное геологическое значение, так как приводят к быстрому распространению живых организмов — «давлению жизни».

Владимир Иванович ВЕРНАДСКИЙ (1863—1945)

Наконец, пятая функция — биогеохимическая деятельность человечества — представляет собой большую и самостоятельную область фактов, которые уже выходят за рамки понятия о биокосных системах.