Факультет

Студентам

Посетителям

Биосфера. Закон Вернадского

В отличие от земной коры вся биосфера доступна для непосредственного изучения. Это сложная динамическая большая система, целостность которой поддерживается с помощью биологического круговорота атомов, круговорота воды и других процессов. Создание учения о биосфере — гениальное открытие В. И. Вернадского, революционный взрыв в естествознании.

В. И. Вернадский предложил обозначать совокупность организмов всей биосферы или какой-либо ее части, выраженную в единицах массы, энергии, а сейчас можно добавить — и информации, термином «живое вещество». При таком подходе роль живых организмов в земной коре предстала в совершенно новом свете. Вернадский писал, что на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живое вещество, т. е. организмы, взятые в целом. Эти идеи ученого, легшие в основу созданной им науки биогеохимии, не сразу были по достоинству оценены современниками, они порой встречали и возражения. В первой половине XX столетия биогеохимия развивалась медленно, для ее прогресса в то время много сделали ученики В. И. Вернадского — Я. В. Самойлов и А. П. Виноградов, а также его последователь Б. Б. Полынов. И только в последние десятилетия в связи с остро вставшей проблемой окружающей среды биогеохимические идеи В. И. Вернадского получили всеобщее признание. Выяснилось, что учение о биосфере — теоретическая основа решения данной исключительно важной проблемы.

Недооценка роли живого вещества в земной коре в какой-то степени была связана с ничтожностью его массы по сравнению с массой земной коры. Великий норвежский ученый, один из основателей геохимии В. М. Гольдшмидт (1887—1947) привел такое сравнение: если твердую земную кору представить в виде каменной чаши весом в 13 фунтов, то вся гидросфера, помещенная в эту чашу, весила бы 1 фунт, масса атмосферы соответствовала бы весу медной монеты, а масса живого вещества — весу почтовой марки! Вот многим ученым и казалось, что роль «почтовой марки» в массивной каменной чаше ничтожна. Но такой вывод ошибочен по двум причинам. Во-первых, живое вещество в отличие от горных пород — это очень активная в химическом отношении масса. «Захватывая энергию Солнца, живое вещество создает химические соединения, при распадении которых эта энергия освобождается в форме, могущей производить химическую работу», — писал Вернадский. Во-вторых, эта «действующая масса» постоянно возобновляется. Наши подсчеты показали, что за время геологической истории общая масса живого вещества в земной коре превысила ее неорганическую массу, т. е. и массу «каменной чаши», и содержащегося в ней Мирового океана. Но какова же вся эта масса и где в основном сосредоточена? Точные подсчеты были выполнены в последние годы. Выяснилось, что в живом веществе преобладают растения, много меньше роль животных и микроорганизмов. Например, на материках масса животных обычно не превышает 2% от массы растений и лишь изредка достигает 10%. Общее количество растительной массы на Земле равно 2,4∙1012 т сухого вещества (без воды). Подавляющая часть его сосредоточена на материках и распределена неравномерно: много в тропических лесах (650 т/га), меньше в тайге (около 300 т/га), еще меньше в черноземных степях (около 20 т/га) и совсем мало в пустынях (2,5 т/га). Таким образом, основная часть живого вещества представлена лесами (82% от растительной массы). Растения океана составляют лишь 1,7∙108 т, т. е. 0,007% от всей фитомассы. По количеству живого вещества на 1 га океан близок к пустыням, но и в нем наблюдаются сгущения жизни (коралловые рифы, Саргассово море и т. д.).

Как же образуется живое вещество? Этот процесс хорошо изучен биологами и называется фотосинтезом: зеленые растения из воды и углекислого газа, используя солнечную энергию, синтезируют углеводы и другие органические соединения. Поглощая из почвы и воды кальций, магний, калий, железо и прочие элементы, растения включают их в состав своего тела, частично также в органические соединения. При фотосинтезе выделяется свободный кислород — продукт разложения воды.

С позиций геохимии особенно существенно, что при фотосинтезе возникают одновременно сильный окислитель — свободный кислород и сильный восстановитель — различные органические соединения.

Атомы углерода, водорода и кислорода, таким образом, при фотосинтезе заряжаются энергией, становятся геохимическими аккумуляторами энергии. Эта их роль в земной коре грандиозна. Свободный кислород Вернадский назвал самым могучим химическим деятелем на Земле. Это «геохимический диктатор», определяющий пути миграции и концентрации многих химических элементов. Другие геохимические аккумуляторы — углерод и водород — входят в состав органических веществ, являющихся в земной коре сильными восстановителями. Так, нейтральная с точки зрения окислительно-восстановительных условий среда (СО2 + Н2О) в результате фотосинтеза разделилась на две противоположности — сильно окислительную среду со свободным кислородом и сильно восстановительную с органическими соединениями. Следовательно, с энергетической точки зрения образование живого вещества — это процесс поглощения солнечной энергии, которая в потенциальной форме аккумулирована в свободном кислороде и органических соединениях (сжигая последние, мы можем быстро эту энергию извлечь).

Теперь рассмотрим образование живого вещества с информационных позиций. В растениях синтезируется огромное количество различных органических соединений — углеводов, белков, жиров и других. Животные, некоторые растения и большая часть микроорганизмов не способны синтезировать органические соединения из СО2 и Н2О. Используя белки, жиры, углеводы и другие вещества растений, они создают новые белки, жиры, углеводы своего тела. Так образуется огромное разнообразие органических соединений биосферы, число которых измеряется сотнями тысяч и миллионами. Следовательно, образование живого вещества приводит к резкому росту химической информации — «информационному взрыву». Для сравнения отметим, что число известных в биосфере неорганических соединений — минералов измеряется тысячами и вряд ли намного превысит 10 тыс. Но, пожалуй, еще важнее, что при образовании живого вещества происходит качественное изменение информации, возникает более сложный ее вид — биологическая информация. Она еще более разнообразна, так как число известных видов растений измеряется сотнями тысяч, а животных — миллионами (одних только насекомых насчитывается более миллиона видов!).

Итак, при образовании живого вещества происходит аккумуляция энергии, увеличивается разнообразие, т. е. растет информация, возникает новый, более сложный ее вид — биологическая информация, увеличивается упорядоченность, сложность, организация биосферы, растет негэнтропия, уменьшается информационная и термодинамическая энтропия.

В живом веществе обнаружены почти все химические элементы Периодической системы Менделеева, но преобладают в нем только три из них — кислород (70%), углерод (18%) и водород (10,5%), в сумме составляющие 98,5%. Таким образом, живое вещество, в том числе и мы с вами, читатель, это в первую очередь кислородное вещество. Эти числа характеризуют средний состав живого вещества, его клерки. Отдельные организмы достаточно разнообразны по составу.

Успехи биогеохимии по-новому осветили многие стороны эволюции жизни на Земле. Эта наука наметила пути решения ряда интереснейших проблем биологии. Изученные закономерности приобрели большое практическое значение в сельском хозяйстве, медицине, охране окружающей среды, геологии.

Разложение органических веществ

Эти процессы протекают в биосфере повсеместно, они противоположны фотосинтезу. Все растения дышат и, следовательно, наряду с фотосинтезом окисляют органические соединения до СО2 и Н2О. Но фотосинтез — более мощный процесс, чем дыхание, и растения в основном выступают в роли накопителей органических веществ и энергии.

Напротив, животные и большинство микроорганизмов в основном разлагают органические вещества, образуя или простые минеральные соединения (СО2, Н2О, NH3, соли Ca, Mg и т. д.) или менее сложные органические соединения (например, уксусная, муравьиная и другие кислоты, метан, спирты, альдегиды), которые в дальнейшем разлагаются другими микроорганизмами. Конечно, и животные, и бактерии синтезируют и сложные органические соединения своего тела, но только не из СО2 и Н2О, а из других органических веществ

Главные превращения растительные и животные остатки претерпевают в почвах и илах. В дальнейшем в биосфере происходит более медленное их изменение под влиянием подземных вод.

В процессе разложения органических остатков часть их минерализуется полностью, другая сохраняется, третья синтезируется заново (например, черные высокомолекулярные органические соединения гумуса почв, углей, торфа).

Биосфера чрезвычайно разнообразна, ее единство как особой оболочки Земли воспринимается не сразу. Что же позволяет рассматривать атмосферу, почву, океан и другие природные системы как части единого целого? Существуют ли природные процессы, которые характерны для всех частей биосферы? Именно таким процессом и является разложение органических веществ. Напротив, образование живого вещества из минеральных соединений характерно не для всей биосферы, а только для земной поверхности и верхней части Мирового океана, где протекает фотосинтез.

При разложении органических веществ выделяется энергия, которая была поглощена при фотосинтезе. Она выделяется в тепловой форме, но для геохимии наиболее существенно, что при этом совершается и химическая работа, т. е. энергия выделяется также в работоспособной, «действенной», как говорил В. И. Вернадский, форме. Богатство работоспособной энергией определило неравновесность биосферы, одновременное присутствие в ней веществ с резко противоположными свойствами. И там, где энергично разлагаются остатки организмов, этих веществ больше всего. Перенесемся мысленно в лесные дебри Южной Америки, в Амазонию, где во влажной и теплой атмосфере тропиков круглый год исключительно интенсивно работают микроорганизмы. Многие реки этой страны имеют воду черного цвета, а один из крупнейших притоков Амазонки — Рио-Негро, по-испански так и называется — «черная река». Речная вода здесь содержит много растворенных черных органических веществ, поступающих из соседних болот. Но она богата и свободным кислородом, поступающим из атмосферы. Так, в одной природной системе присутствуют и сильные окислители (свободный кислород) и сильные восстановители (органические вещества). В соответствии с законами термодинамики в воде все время протекает окисление органических веществ — система стремится к равновесию. Но оно никогда не достигается, так как новые массы кислорода поступают из воздуха, а органические вещества — из соседних болот. Но то, что наблюдается в черной тропической реке, характерно и для других частей биосферы. Почти везде мы видим неравновесность систем — и в реках тайги и тундры, которые имеют коричневую (от гумуса) воду, и в черноземной почве, где гумус соприкасается с кислородом воздуха в порах почвы. Итак, сосуществование химически активных веществ с противоположными свойствами — характерная особенность биосферы. Это частное проявление общего закона развития — закона единства и борьбы противоположностей.

Чем энергичнее протекает разложение органических веществ, тем интенсивнее многие геохимические процессы в биосфере. Хотя наиболее энергично органические вещества разлагаются в илах теплых морей и почвах влажных тропиков, этот процесс идет в холодных глубоководных илах, в подземных водах и т. д. В водоносных горизонтах, в частности, происходит значительное преобразование водовмещающих пород. За время геологической истории осадочные толщи сильно переработаны подземными водами. Благодаря деятельности макро — и микроорганизмов поверхностные, иловые и подземные воды обогащаются свободной энергией, являющейся главным фактором геохимических изменений пород в биосфере.

Вернемся снова к понятию о геохимических аккумуляторах солнечной энергии. Логично предположить, что, помимо углерода и водорода, к ним относятся и другие химические элементы — Si, Al, Mg, Ca и т. д., которые, входя в состав живого вещества, образуют сложные элементоорганические соединения.

Академик Н. В. Белов и профессор В. И. Лебедев высказали замечательную гипотезу, согласно которой Al, возможно, Mg и другие элементы также могут быть геохимическими аккумуляторами, определяя накопление солнечной энергии в глинистых минералах. Эти ученые обратили внимание на различные структуры алюмосиликатов, образующихся на земной поверхности и при застывании магмы. Из последней кристаллизуются полевые шпаты, в которых алюминий окружен четырьмя атомами кислорода. Межатомное расстояние Al — О составляет 0,16—0,175 нм (нанометр = 1∙10 9 м).

В глинистых минералах алюминий окружен шестью атомами кислорода, в связи с чем межатомное расстояние Al — О увеличивается до 0,18—0,2 нм. Следовательно, при образовании глинистых минералов расстояние между атомами Al и О увеличивается, на что затрачивается энергия, так как между атомами действуют силы электростатического притяжения. Поэтому глинистые минералы обладают большим запасом внутренней энергии, чем полевые шпаты магматических пород. Источником этой энергии в конечном счете служит солнечное излучение.

Белов и Лебедев не рассматривали механизм накопления солнечной энергии глинистыми минералами, так как решение этого вопроса находится за пределами методов кристаллохимии. Характеристика такого механизма содержится в трудах академика Б. Б. Полынова. На основе экспериментов и наблюдений в природе он установил, что при разложении органических остатков в почвах освобождающиеся SiO2, Al2O3, MgO могут вступать во взаимодействие, образуя глинистые минералы. Последние, таким образом, в почвах не менее биогенны, чем гумус, образующийся в процессе разложения органических остатков из C, H и O. Этот механизм хорошо объясняет аккумуляцию солнечной энергии глинами, которые с энергетических позиций оказываются аналогами углей. Различие состоит в том, что для извлечения энергии из углей их надо нагреть до температуры в сотни градусов, а из глин — до тысячи и более. К сожалению, прямые эксперименты с глинами очень сложны и построения Белова и Лебедева пока остаются гипотезой.

В биосфере солнечная энергия не только трансформируется в химическую энергию органических соединений и минералов, она расходуется также на перемещение веществ, их дифференциацию. Биосферу можно рассматривать как гигантский химический комбинат, в котором из смеси элементов (изверженные горные породы, Мировой океан) получаются новые, более простые соединения. К ним относятся, например, залежи поваренной соли, состоящие из двух основных элементов (Na и Cl), известняки (CaCO3), бокситы (Al, Fe, O, Н, Ti), латериты (Fe, Al, Н, O) и т. д. Эта особенность биосферы имеет большое практическое значение — многие концентрации используются в качестве месторождений полезных ископаемых (соли, фосфориты, бокситы, каолины, осадочные железные руды, осадочные сульфиды и т. д.). Для процессов разложения органических веществ характерно резкое уменьшение химической информации. Действительно, как велико число органических соединений живых организмов, которые в ходе разложения превращаются в небольшое число простых минеральных соединений — CO2, Н2O, NH3 и т. д. Правда, при этом образуются и сложные органические соединения гумусового типа, но они все же менее разнообразны и к тому же постепенно сами разлагаются до CO2, Н2O и т. д. Еще важнее, что при разложении органических веществ уничтожается более сложный вид информации — биологическая информация со всем ее колоссальным разнообразием (любые виды растений и животных после смерти превращаются в CO2, Н2O и т. д.).

Биологический круговорот атомов и круговорот воды

Образование живого вещества и разложение органических веществ — это две стороны единого процесса — биологического круговорота химических элементов. В ходе круговорота атомы поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию в окружающую среду. За счет этой биогенной энергии осуществляются многие химические реакции, главными носителями энергии являются природные воды. Биологические круговороты бывают разных масштабов и продолжительности: от быстрого круговорота, протекающего в конкретной почве, реке, озере, до грандиозного круговорота, охватывающего всю биосферу и продолжающегося целые геологические периоды. Сам термин «круговорот» нельзя признать удачным — он создает впечатление о развитии по кругу, о возвращении системы в прежнее состояние. В действительности это не так: биологический круговорот атомов обратим не полностью, часть веществ постоянно из него изымается и захороняется в толще осадочных пород в виде известняков, гумуса, торфа и других пород и минералов. В результате круговорота биосфера не возвращается в прежнее состояние: для нее характерно поступательное развитие. Поэтому и для биологического круговорота, как и для земной коры, подходящим символом развития будет не круг, а циклоида.

В биосфере протекает и другой грандиозный круговорот — воды. Это и водообмен океаны — материки, когда вода, испаряясь с поверхности океана, переносится ветрами на континент и с речным стоком снова возвращается в океан, и маленькие круговороты отдельного ландшафта, когда испарение воды в теплую погоду приводит к облачности и выпадению осадков. Солнечная энергия, затраченная на испарение воды, после выпадения осадков реализуется в кинетической энергии рек и ручьев. Так же, как и для отдельного живого организма, геологический эффект деятельности каждой дождевой капли, небольшого ручья ничтожны, но, суммируясь, эти капли и ручьи дают могучие реки, которые за геологические периоды разрушают горные хребты. Круговорот воды до известной степени можно сравнить с биологическим круговоротом, так как источником энергии в обоих случаях служит излучение Солнца. Только круговорот воды — главный агент механической работы, а биологический — химической. Правда, вода тоже выполняет химическую работу (растворение, выветривание и т. д.), но она осуществляется при участии живого вещества или за счет продуктов жизнедеятельности — CO2, гумуса и других химически активных веществ.

Закон Вернадского

Итак, миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (O2, СО2, H2S и т. д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории. Это положение автор предложил именовать законом Вернадского, считая его одним из основных законов геохимии.

Биокосные системы

В конце XIX столетия великий русский натуралист В. В. Докучаев открыл новый класс природных систем, в которых живые организмы и неорганическая материя тесно между собой связаны, взаимообусловлены и образуют единое целое. Первой такой системе Докучаев присвоил наименование почвы. Он в этом случае использовал термин, который существовал давно, но применялся в ином смысле. Агрономы понимали под почвой пахотный слой, геологи — кору выветривания, а врачи-гигиенисты — даже любую земную поверхность вплоть до городской мостовой. Открытие Докучаева привело к развитию почвоведения, первые годы нередко именовавшегося докучаевским. В дальнейшем Докучаев открыл еще один класс подобных систем — ландшафт. И опять: понятие о ландшафте существовало и ранее, но пониманием его как особой системы наука обязана именно В. В. Докучаеву. Развивая идеи своего учителя, В. И. Вернадский сформулировал понятие о биокосных системах (Вернадский употреблял термин «тела»): «Биокосные естественные тела характерны для биосферы. Это закономерные структуры, состоящие из косных и живых тел одновременно (например, почвы), причем все их физико-химические свойства требуют — иногда чрезвычайно больших — поправок, если при их исследовании не учтено проявление находящегося в них живого вещества».

По степени сложности, размерам, так называемым «уровням организации» биокосные системы образуют определенную иерархию. К более низкому уровню относятся почвы, илы, коры выветривания, водоносные горизонты, к более высокому — ландшафты, к еще более высокому — биосфера в целом.

Все биокосные системы богаты свободной энергией и неравновесны, в них осуществляется круговорот элементов, накапливается информация. Изучение геохимии биокосных систем привело к появлению самостоятельных научных направлений, среди которых наибольшее развитие получила геохимия ландшафта.

Изучением ландшафтов, как известно, в основном занимается физическая география. Однако в 40-х годах Б. Б. Полынов доказал большое значение для познавания ландшафтов методов геохимии. Он стал основателем особого научного направления геохимии ландшафта.

Геохимия ландшафта в СССР развивается быстро, большой интерес к ней проявляется и за рубежом. Эта наука нашла применение при поисках рудных месторождений: установлено, что в тундре, тайге, влажных тропиках, пустынях искать рудные месторождения надо по-разному, с учетом геохимических особенностей этих ландшафтов. Геохимия ландшафта также стала одной из теоретических основ решения различных проблем окружающей среды, нашла применение в медицине и сельском хозяйстве.

В СССР в качестве самостоятельных наук и научных направлений оформились также геохимия почв, кор выветривания, природных вод (гидрохимия), подземных вод (гидрогеохимия), океана. Во всех этих науках видное место занимает приложение биогеохимических идей В. И. Вернадского к изучению конкретных систем.

Структура, центр и обратные связи биосферы

В верхней части биосферы, куда проникает солнечный свет, возможен фотосинтез. Эта зона включает в себя ландшафты суши и верхнюю зону океана. Она называется по-разному; академик Е. М. Лавренко предложил термин фитосфера (фитогеосфера). В нижнюю часть биосферы солнечный свет не проникает, там фотосинтез невозможен и образование биомассы из минеральных соединений практически не имеет значения. Это область подземных вод на материках, темные глубины морей и океанов. Автор предложил именовать эту зону редусферой. Более мелкими структурными элементами биосферы служат ландшафты, почвы, илы, водоносные горизонты и другие биокосные системы.

Большой интерес представляет вопрос, существует ли у биосферы центр, т. е. такая ее часть, которая имеет ведущее значение, определяет своеобразие биосферы в целом, «управляет» всей этой сложной системой? Нетрудно доказать, что таким центром служат ландшафты суши, а точнее — лесные ландшафты, в которых сосредоточена основная масса живого вещества планеты — главного геохимического агента биосферы (вспомним закон Вернадского!). Именно в ландшафтах протекают те процессы разложения органических веществ, которые формируют химический состав поверхностных и грунтовых вод. Сток этих вод оказывает глубокое влияние и на процессы, протекающие в морях и океанах. Возможно, что к центру биосферы следует отнести и верхние горизонты океана, т. е. фитосферу в целом. С этих позиций особенно наглядно огромное научное и практическое значение такой науки, как география, в частности ландшафтоведение, основное внимание которого сосредоточено именно на природе поверхности нашей планеты.

Обратная связь очень характерна для биосферы, но с кибернетических позиций она еще слабо изучена. Поэтому ограничимся несколькими примерами, подчеркнув необходимость такого подхода. Напомним, что на основе положительных обратных связей происходит развитие системы, ее эволюция. Такие связи характерны для всех биокосных систем. Например, они ярко выражены в процессе зарастания озер, хорошо изученном геоботаниками. Напомним, что в лесной зоне у берега в мелководье поселяется особая водолюбивная флора. В середине озера нередко растут водоросли («тина»). Характерны для озер и различные животные. После отмирания организмов растительные и животные остатки минерализуются лишь частично, определенное их количество превращается в «гнилой озерный ил» — сапропель. В результате дно озера повышается, у берега оно мелеет, и новые поколения высших растений продвигаются от берега к центру озера. Конечно, эффект такого обмеления и зарастания озера за один год не заметен, но за сотни и тысячи лет озерная ванна может полностью заполниться сапропелем, озеро исчезнет, превратится в другой ландшафт — болото. Значительная часть торфяных болот Европейской России содержит под слоем торфа сапропель, т. е. это бывшие озера. В чем же здесь проявился механизм положительной обратной связи? Нетрудно убедиться, что результат зарастания — накопление сапропеля приводит к обмелению озера, т. е. усиливает зарастание, в результате чего система удаляется от исходного состояния, развивается. Положительные обратные связи ярко выражены и в степном почвообразовании. Травы энергично поглощают из почвы фосфор, серу, калий, которые после разложения растительных остатков накапливаются в верхнем горизонте почвы («биогенная аккумуляция»). Так в течение смены поколений трав ранее малоплодородная или совсем бесплодная горная порода превращается во все более плодородную почву, богатую биологически важными элементами — азотом, фосфором, калием и другими. Известны и другие примеры положительной обратной связи, но задачу изучения биосферы мы видим в том, чтобы установить данную связь во всех явлениях развития биокосных систем и биосферы в целом, чтобы на этой основе понять, как развивается биосфера, в чем состоит «механизм» ее эволюции.

Отрицательные обратные связи, как известно, тормозят процесс, стабилизируют его, они определяют устойчивость системы. Эти связи также очень характерны для биосферы. Так, еще в начале XX столетия великим шведским химиком С. Аррениусом было обращено внимание на роль вулканизма в развитии жизни на Земле: поступление СО2 в атмосферу при вулканических извержениях делает климат более теплым, способствует увеличению биомассы. Харьковский профессор Д. Н. Соболев в 20-х годах отметил связь вулканизма и углеобразования: он полагал, что энергичное поступление СО2 в атмосферу в эпохи вулканизма вело к развитию растительности и накоплению углей. Высокое содержание СО2 в атмосфере должно было также благоприятствовать усилению выветриваня и кислому выщелачиванию металлов из почв и кор выветривания. С вулканизмом коррелировалось и карбонатообразование в морях и океанах.

Автор наметил следующую связь между вулканизмом и миграцией элементов в биосфере: поступление СО2 в атмосферу при извержении вулканов → усиление фотосинтеза и энергичное разложение органических остатков → формирование коры выветривания и вынос из нее металлов углеобразование в болотах → интенсивный вынос железа из болот → осаждение железных руд и белых каолиновых глин → накопление карбонатных осадков в морях. В чем же здесь проявляется механизм отрицательной обратной связи? Очевидно, в том, что результат вулканизма, поступление СО2, приводит к накоплению известняков и углей, в результате чего содержание СО2 в атмосфере понижается и биосфера стабилизируется, возвращается в исходное состояние — с более низким содержанием СО2 в атмосфере, ослабленным карбонатонакоплением и углеобразованием.

Выявление механизма отрицательной обратной связи также очень важно — таким путем постигаются причины устойчивости биокосных систем и биосферы в целом, а это необходимо в решении вопросов охраны природы, защиты окружающей среды от загрязнения.

Из истории биосферы. Биосфера существует не менее 3,5 млрд. лет, за это время в ней произошли резкие изменения, исчезли одни процессы, появились другие. Это подробно освещено в трудах академиков Н. М. Страхова, А. Л. Яншина и других ученых. Так, в современную эпоху не образуются морские железистые осадки, широко распространенные в протерозое, черные металлоносные илы, характерные для нижнего палеозоя, красноцветы, писчий мел и т. д. В докембрии не было типичного углеобразования, только с девона известны лесные ландшафты, с неогена — степи, с четвертичного периода — тундры. Эволюционировал и элементарный состав осадочных пород. В ходе геологической истории в них увеличивалось содержание органического вещества, отношения кальция к магнию, трехвалентного железа к двухвалентному. От архея до протерозоя в глинах росли концентрации железа, от архея до нижнего палеозоя — калия.

За миллиарды лет существования жизни на Земле живое вещество превратило в химическую работу огромное количество солнечной энергии. Через живое вещество бесчисленное число раз прошли атомы почти всех химических элементов. Накопление солнечной энергии увеличивалось в ходе геологической истории. Действительно, для современной биосферы характерны залежи угля и других органических веществ, образовавшихся в девонском, каменноугольном, юрском, палеогеновом и других периодах. Понятно, что, например, в юрском периоде этих аккумуляторов солнечной энергии было меньше, так как отсутствовали палеогеновые и меловые угли.

По мере развития биосферы и аккумуляции солнечной энергии происходила дифференциация вещества: в современную эпоху в земной коре имеются осадочные месторождения, накопившиеся в архее, протерозое, палеозое, мезозое и кайнозое. Следовательно, в мезозое дифференциация была меньше, в палеозое — еще меньше и т. д.

Дифференциацию веществ можно трактовать и с информационных позиций, поскольку разделение веществ ведет к увеличению разнообразия, т. е. росту информации. Носителями биологической информации служат живые организмы. Палеонтологи установили, что в ходе эволюции число видов резко возрастало и, хотя за время геологической истории немало видов вымерло (особенно в конце палеозоя и мезозоя), все же им на смену появилось еще большее количество новых видов. Особое внимание привлекают «критические эпохи», в которые вымирали большие систематические группы растений и животных, существовавшие в течение десятков миллионов лет, а также эпохи быстрого развития отдельных систематических групп. Так, в начале кембрия в морях резко возросло число видов беспозвоночных животных, в конце палеозоя вымерли крупные земноводные и многие папоротникообразные растения, в середине мелового периода появились покрытосеменные растения, в конце мела вымерли крупные ящеры, в начале палеогена бурно развились млекопитающие.

Для биосферы, как и для земной коры в целом, очень характерна цикличность развития. Установлены периодические изменения климата 400 0004 ± 50 000, 200 0004 ± 50 000, 45 0004 ± 25 000, 11 000 ± 8 000 лет.

По А. Б. Ронову, каждый крупный цикл развития биосферы в фанерозое характеризовался в начальных и завершающих стадиях регрессиями морей, горообразованием, широким развитием аридных и семиаридных ландшафтов, сокращением биомассы, количества органического углерода в осадках, а также карбонатонакопления в морях (нижний кембрий, силур — нижний девон, верхняя пермь — средний триас, неоген — четвертичный период). В эти эпохи, по нашим представлениям, усиливалась динамика подземных вод, понижалась роль восстановительных процессов и увеличивалась — окислительных. Широкое распространение сухого климата обусловливало большую роль нейтральных и щелочных процессов. Значение живого вещества в миграции элементов уменьшалось.

При тектонических поднятиях кора выветривания смывалась и на земную поверхность выходили коренные породы, богатые Ca, Mg и Na, руды, содержащие тяжелые и радиоактивные металлы. Сухой климат не способствовал выносу подвижных элементов, и организмы подобных ландшафтов находили в почвах значительное количество металлов, подвергались более сильному радиоактивному облучению. Условия минерального питания резко менялись, и это не могло не отразиться на эволюционном процессе. Высокое содержание в районах рудных месторождений меди, свинца, цинка и других металлов могло быть вредным. Роды и виды, приспособившиеся в условиях предшествующей эпохи, частично вымирали, частично приспосабливались к новым условиям. Таким образом, эпохи горообразования, формирования карбонатной коры выветривания, вероятно, были эпохами возникновения новых видов, родов и семейств, «взрыва видообразования». Это были эпохи благоприятного минерального питания животных и растений, высокого потребления фосфора, кальция, калия и других элементов, хорошего развития скелета. Вместе с тем это были эпохи резкого недостатка влаги, что также влияло на эволюционный процесс.

Срединные стадии циклов были отмечены крупными трансгрессиями морей, панепленизацией рельефа, смягчением и увлажнением климата, ростом биомассы, накоплением органического углерода в осадках, энергичным вулканизмом и поступлением СО2 в атмосферу (ордовик, верхний девон — карбон, мел — палеоген), усилением роли кислых процессов. Эволюция организмов в срединные стадии, вероятно, происходила качественно по-иному, чем в эпохи горообразования.

Использование геохимических идей и методов в палеонтологии привело к обособлению палеобиогеохимии, которая изучает геохимические особенности организмов прошлых геологических эпох (на основе анализа раковин и других остатков организмов). Палеобиогеохимия может помочь решению крупных биологических проблем, как, например, выяснению причин вымирания отдельных групп организмов, отсутствия известкового скелета у докембрийских позвоночных и др.

Следовательно, повторение в истории биосферы влажного и сухого климата придавало геохимическим процессам разных геологических эпох некоторые общие черты. Однако все эти явления и процессы развивались на фоне общего необратимого прогрессивного развития биосферы. Именно поэтому нет полной повторяемости геохимических процессов в истории биосферы. Символом ее развития в целом, как и символом биологического круговорота, служит не круг, а спираль или циклоида.

Автор: Александр Ильич ПЕРЕЛЬМАН, старший научный сотрудник Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ) АН СССР, профессор географического факультета Московского университета.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: