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.

---

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

Общие черты биокосных систем

Биокосные системы различаются по степени сложности — уровням организации материи. К наиболее низкому уровню принадлежат почвенные горизонты (А1, А2, В1, В2 и 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.

«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].

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 (А1, А2, B1, B2, В3 и 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 (H2S, H2SO4), 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: