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.

---

Приведенный краткий и далеко не полный обзор все же позволяет установить, что число основных классов невелико и не превышает первого десятка. Как видно, в разных типах устанавливаются одни и те же классы, что, с позиций автора, представляет не только практические удобства при пользовании классификацией, но имеет и глубокий генетический смысл.

Необходимо дать разъяснение еще по одному вопросу. Как известно, почва состоит из различных горизонтов, причем нередко в одной и той же почве верхний горизонт — окислительный, нижний — глеевый и т. д. Как же в таком случае определить ряд и класс почв?

Это затруднение преодолимо с помощью введенного автором понятия о центре почвы. Известно, что в общей теории систем различают «централизованные системы», для которых характерен «структурный центр», играющий ведущую роль в данной системе (например, Солнце в солнечной системе). Структурный центр определяет связь и единство всей системы. К централизованным системам относятся высшие животные (центр — мозг), атом (ядро), клетка (ядро), предприятие (дирекция), армия (командующий) и т. д. Почвы в большинстве случаев принадлежат к централизованным системам, причем центром почвы, как правило, служит ее верхний горизонт А, где наиболее энергично идет разложение органических веществ, а следовательно, и выделение энергии, происходят наибольшие преобразования минеральной части и т. д. Поэтому при классификации почв — отнесении их к определенному ряду и классу — за основу следует брать геохимические особенности ее центра, т. е. горизонта А. Этот критерий позволяет в большинстве случаев при наличии в почве геохимической зональности, в том числе и окислительно-восстановительной, правильно оценить роль каждого горизонта и классифицировать почву. Однако выделение центра не должно быть формальным. Например, в солонцах в качестве центра фигурирует уже не горизонт А, а солонцовый горизонт В с обменным натрием.

Классификация, как известно, является одной из самых сложных проблем многих естественных наук. Это та проблема, по которой наиболее часто мнения ученых расходятся. Не избежало этой участи и почвоведение (советская, американская, французская и прочие классификации).

Приведенные выше рассуждения на эту тему не претендуют на разработку новой классификации почв, так как они не охватывают всего материала, не дают системы таксономических единиц. Скорее, это — некоторые принципы, которые, по мнению автора, следует использовать при построении геохимической классификации почв. Эти принципы позволяют с единых позиций рассматривать почвы и другие биокосные системы, о чем будет подробно рассказано в последующих разделах книги.

Илы — подводные почвы

Во многом аналогичны почвам речные, озерные и морские илы. «Ил... является природным телом, у которого существует очень глубокая аналогия с почвой. Это подводные почвы, где гидросфера занимает место атмосферы», — писал в 1936 г. В. И. Вернадский[7]. Как и почвы, илы зависят от климатических (главным образом термических) условий и в своем размещении подчиняются закону зональности. Они содержат коллоидную фракцию, в них протекают обменные реакции, по вертикали илы расчленяются на горизонты (рис. 6). Однако в отличие от почв илы — это двухфазные системы (твердая + жидкая фаза), они растут снизу вверх и, следовательно, не имеют материнской породы. В образовании илов, как правило, не принимают участия высшие растения, илы характеризуются постоянным увлажнением. Все это определяет меньшее разнообразие илов по сравнению с почвами, их большую однородность в пространстве. (Вспомним, как сильно различаются почвы по условиям увлажнения — от крайне сухих почв пустынь до постоянно влажных болотных почв тайги и тундры, как различаются почвы в одном и том же районе, на гранитах, известняках, базальтах, кварцевых песках, сланцах и других горных породах.)

Рис. 6. Расчленение ила по вертикали под влиянием микробиологической деятельности, диффузии и других процессов на горизонты (I, II, III, IV) — аналоги почвенных горизонтов (по Н. М. Страхову, 1954).

1 — формирование минеральных новообразований; 2 — интенсивность деятельности бактерий и их ферментов; 3 — перераспределение вещества в осадках с образованием цемента и конкреций; 4 — уплотнение осадка (литификация); 5 — дегидратация водных минералов и перекристаллизация

Николай Михайлович СТРАХОВ (род. в 1900 г.)

Изучение илов составляет важную задачу геологии, которая видит в них первую стадию формирования осадочных горных пород. Особенно большое значение в этом отношении имеют труды акад. Н. М. Страхова.

Илы — биокосные системы, так как они содержат органические остатки, являются ареной деятельности многочисленных роющих животных (илоедов и др.) и, наконец, что самое главное, содержат огромное количество микроорганизмов, разлагающих органические остатки. Поэтому илы, как и почвы, это — неравновесные динамические биокосные системы, богатые свободной энергией. Сущность илообразования заключается в разложении органических веществ, в окислительно-восстановительных реакциях. И для илов характерна окислительно-восстановительная зональность (рис. 7).

В соответствии с принципом централизации при геохимической классификации илов автор главное значение придает составу верхнего горизонта ила. Среди илов отчетливо выделяются три ряда: окислительный, глеевый и сульфидный (сероводородный).

Рис. 7. Зональность илов океана (вверху) и озера Байкал (внизу) (по Н. М. Страхову, 1960, упрощено).

О — окислительная зона; В — восстановительная зона: слабовыраженная (вертикальная штриховка) и сильновыраженная (клетка); 1 — окислы железа, окрашивающие окислительную зону в бурый цвет; 2 — участки, обогащенные железом и марганцем; 3 — железомарганцевые конкреции; 4 — равномерно окрашенные слабожелезистые ржавые пятна; 5 — марганцевые (черные) пятна; 6 — вивианитовые пятна

Окислительные, глеевые и сероводородные илы. Окислительные илы образуются в океанах, морях, озерах и реках — всюду, где в илах господствуют кислородные воды, создаются условия для перемешивания вод. Окислительная среда характерна для прибрежных песков, зоны волнений, но она также распространена и на больших глубинах, где мало органических остатков, а холодная вода богата растворенным кислородом. Так, например, около 50% площади дна Тихого океана покрыто «красной глубоководной глиной». Этот ил осаждается на глубинах более 4500 м с очень малой скоростью — за 1000 лет образуется лишь несколько миллиметров ила.

Окислительные илы преимущественно имеют желтую, бурую, красную окраску, обязанную гидроокислам трехвалентного железа.

Глеевые илы характерны для озер, расположенных во влажном климате, например в тундре, тайге, влажных тропиках. В этих ландшафтах продуцируется много органического вещества, а сульфатов в водах мало. Здесь развивается восстановительная обстановка без сероводорода (глеевая). Железо и марганец восстанавливаются, илы приобретают сизую, зеленоватую, серую, охристо-сизую окраску. В глеевых илах накапливается много органического вещества; к таким илам относятся типичные сапропели (гнилые озерные илы).

Сероводородные (сульфидные) илы широко распространены в морях и океанах, озерах степей и пустынь, где преобладают сульфатные воды, развивается десульфуризация, продуцируется H2S, образуются сульфиды железа. Эти илы имеют серый, черный и синеватый цвет (за счет гидротроилита — FeS · nH2O).

К сульфидному ряду относится синий ил океанов и морей, открытый еще в XIX в. экспедицией Челленджера. Он распространен на глубине от 200 до 5000 м, содержит рассеянное органическое вещество, пирит и гидротроилит.

Геохимические типы илов. Несомненно, что на илы оказывает влияние термическая зональность климатов. Например, окислительные илы мелководных полярных бассейнов отличаются от окислительных илов мелководий тропиков с их теплыми водами. Здесь различны и скорость микробиологических процессов разложения органических остатков, и состав самих остатков (иные флора и фауна). Аналогично глеевые илы тундры отличаются от глеевых илов влажных тропиков. Все это позволяет говорить о типах илов, различающихся по интенсивности биологического круговорота атомов, о зональности илов. Но зоны илов существенно отличаются от почвенно-растительных зон. Так, хотя тундровой зоне соответствует особый тундровый тип почв, один и тот же тип илов распространен и в тундре и в тайге. В качестве первого приближения можно выделить тины илов по географическим поясам (илы холодного, умеренного и жаркого поясов). К типу холодного пояса относятся также глубоководные илы морей и океанов, районов многолетней мерзлоты. Однако таксономическое значение широтной поясности для геохимической классификации илов недостаточно ясно. Возможно, ее роль проявляется не на уровне типа, а слабее.