Еще в XVII столетии французский математик и философ Р. Декарт в «Началах философии» (1644 г.) развивал идею о том, что наша планета в прошлом была маленькой звездой, остывание которой привело к образованию нескольких оболочек.
В центре сохраняется огненное ядро, а самая поверхностная оболочка состоит из камней и рыхлых пород, частично покрытых морями и океанами. Полвека спустя Г. Лейбниц в Германии, А. Моро в Италии также полагали, что Земля в прошлом была расплавленным шаром, остывание которого привело к образованию твердой каменной коры, под которой продолжает бушевать огненная стихия, дающая знать о себе в вулканических извержениях. В XVIII столетии уже многие ученые разделяли представления о твердой земной коре и расплавленном ядре планеты. Ценный вклад в эту концепцию внесли М. В. Ломоносов и шотландский геолог Д. Геттон. Законченное выражение данные идеи нашли в космогонической гипотезе И. Канта — П. Лапласа, которая с теми или иными вариантами дошла до начала XX в. Так, профессор Петербургского университета Д. И. Соколов писал в 1889 г., что Земля — это шарообразное тело, состоящее из твердой скорлупы и огненно-жидкого ядра. Подобные представления хорошо отвечали имеющимся в то время фактам. Они объясняли повышение температуры с углублением в толщу земной коры, явления магматизма — образование гранитов и других изверженных пород, несомненно, являющихся продуктами застывания силикатного расплава — магмы. О том же, казалось бы, говорили излияния жидкой лавы при вулканических извержениях, распространение во многих районах горячих источников, существование многочисленных рудных месторождений, образовавшихся в глубинах земли из горячих растворов. Не отказываясь от гипотезы Канта — Лапласа, многие ученые в XVIII в. считали, что Земля к современному этапу уже полностью остыла и представляет собой твердое тело, в котором имеются только отдельные очаги вулканизма, возникающие в результате возгорания горючих веществ (Ж. Бюффон, П. Паллас и др.).
В XIX в. гипотезы о твердом состоянии планеты получили наименование ригидизма. Они развивались главным образом физиками и астрономами. Высказывались взгляды и о газообразном состоянии центрального ядра планеты. В обоих случаях понятие о земной коре теряло свою определенность. Однако большинство ученых в прошлом веке разделяло космогонию Канта — Лапласа и вытекающее из нее представление о расплавленных глубинах и твердой земной коре.
В XIX в. были высказаны гипотезы и о химическом составе Земли, об ее аналогии с метеоритами. В 1866 г. французский ученый А. Добре предположил, что метеориты — это осколки планеты, причем ядро Земли по составу близко к железным метеоритам, т. е. состоит в основном из железа с примесью никеля. Эту гипотезу поддержал Д. И. Менделеев, ее разделяли и многие другие ученые.
В первой половине XX в. космогоническая гипотеза Канта—Лапласа утратила свое значение, однако пришедшие ей на смену представления американского астронома Д. Джинса (1916) и других ученых приводили к выводу о первоначально огненно-жидком состоянии планеты и формировании при ее остывании поверхностной твердой коры. Геофизические исследования начала XX столетия, особенно успехи сейсмологии, установили, что наша планета — это в основном твердое тело, для которого характерны лишь отдельные магматические очаги. И все же термин «земная кора» закрепился в науке, хотя в него стали вкладывать новое содержание, о котором мы расскажем позднее.
Изучение земной коры привело к возникновению десятков наук, которые, помимо познавательного значения, явились теоретической основой для поисков месторождений полезных ископаемых, строительства, водоснабжения, прогнозирования землетрясений и решения многих других практических проблем.
Обратимся к истории понятия о биосфере. По словам В. И. Вернадского, в 1802 г. знаменитый французский биолог-эволюционист Ж. Б. Ламарк в книге «Гидрогеология» вплотную подошел к понятию о биосфере, рассмотрев влияние живых организмов на процессы, протекающие на земной поверхности. Идеи ученого намного опередили свое время и не были освоены современным ему естествознанием. Ламарк не употреблял термин «биосфера», не сформулировал он четко и отвечающее ему понятие. Эта заслуга принадлежит выдающемуся австрийскому геологу Э. Зюссу, который три четверти века спустя в знаменитой книге «Происхождение Альп» (1875) развил учение об оболочках Земли. Он выделил литосферу, гидросферу, атмосферу и биосферу (сферу жизни). Таким образом, биосфера — часть земной коры. Э. Зюсса интересовали преимущественно проблемы геологического строения крупных областей и всей планеты в целом. Главный труд его жизни назывался «Лик Земли» (1883—1909). Специально биосферой ученый не занимался, представления о ней не развивал, и только в первой четверти XX в. на новой методологической (геохимической) основе гениальные исследования В. И. Вернадского (1863—1945) создали стройное учение о биосфере, как о сфере распространения жизни, особой оболочке нашей планеты. Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы (тропосферу), всемирный океан (и на самых больших глубинах есть жизнь!), поверхность суши с ее ландшафтами и, наконец, часть твердой земной коры, в которой на глубинах в сотни и тысячи метров в подземных водах существуют микроорганизмы. Исследования биосферы приобрели важное практическое значение, в частности, они стали основой для решения одной из важнейших проблем современности — проблемы окружающей среды.
Методология и конкретные методы изучения земной коры и биосферы во многом различны, в связи с чем у читателя может возникнуть вопрос о правомерности названия настоящей брошюры, т. е. о том, не искусственно ли связывает автор эти две части нашей планеты, есть ли основания для их совместного рассмотрения? Одна из задач этой книги и состоит в том, чтобы доказать существование таких связей.
Для того чтобы установить роль биосферы в земной коре, надо сперва рассмотреть в отдельности современные представления о земной коре и биосфере, а также выбрать эффективную методологию подобного анализа. С этой целью автор обратился к системному подходу, учитывая, что и земная кора, и биосфера представляют собой большие, сложные, динамические, открытые и неравновесные системы. Отсюда вытекает необходимость хотя бы кратко остановиться на системном подходе.
Системный подход к изучению земной коры и биосферы
Сущность этой методологии заключается в рассмотрении объекта исследования как системы, т. е. целостного образования, состоящего из взаимосвязанных частей. Подход к объектам природы как сложному целому (системе) был характерен уже для античной науки, и с этой точки зрения системный подход насчитывает более 2000 лет. Позднее он широко использовался как в общественных, так и в естественных науках, в том числе в науках о Земле. Классическим примером служат труды В. В. Докучаева (1846—1903), который в конце XIX века открыл две природные системы — почву и ландшафт, заложив тем самым основы почвоведения и ландшафтоведения.
В середине XX столетия произошел качественный скачок в развитии системного подхода: оформилась и стала быстро развиваться новая отрасль знания — общая теория систем, которая тесно связана с другими науками, вызванными к жизни новой научно-технической революцией, в первую очередь с кибернетикой и теорией информации. Одна из главных задач этой науки — изучение структуры систем, т. е. совокупности их составных частей и способов связи между ними. Но в каждой системе много частей, поэтому необходимо выделять главные части и связи, определяющие своеобразие данной системы, учитывать, что система — это не просто единство, а единство противоположностей. При изучении систем особенно важно учитывать положение В. И. Ленина: «Раздвоение единого и познание противоречивых частей его… есть суть (одна из «сущностей», одна из основных, если не основная, особенностей или черт) диалектики». Следовательно, изучая земную кору и биосферу, необходимо установить главные, противоречивые части этих систем, показать, как их взаимодействие определяет функционирование систем, их развитие, сущность. Для биосферы этот вопрос решается легче, чем для земной коры.
При изучении связей в системах главное внимание уделяется не их физической природе, обязанной действию гравитационных, электромагнитных, ядерных и прочих сил, а тому пониманию связи, которое подробно обосновано кибернетикой. Это в первую очередь понятие о прямой и особенно об обратной связи.
Прямую связь можно изобразить символами А → В, т. е. одно явление А (причина) влияет на другое В (следствие). Такая связь широко распространена в системах земной коры и биосферы, ее примером служат влияние солнечного излучения на процессы земной поверхности (обратным влиянием Земли на Солнце можно пренебречь), влияние радиоактивного распада на концентрацию в земной коре свинца, аргона и других продуктов этого распада (последние не влияют на радиоактивность земной коры).
Символом обратной связи служит А ↔ В, т. е. не только явление (событие, причина) А влияет на В, но и следствие (В), в свою очередь, оказывает влияние на А. На языке кибернетики это формулируется как воздействие управляемого процесса на управляющий орган или влияние выходного сигнала системы на ее рабочие параметры. Если результат процесса усиливает его и система удаляется от исходного состояния, то такая обратная связь называется положительной. Например, появление ледников увеличивает лучеиспускание с их поверхности и способствует дальнейшему охлаждению, увеличению оледенения. Селевые потоки в горах, снежные лавины, по мере движения вовлекающие все новые массы камней, грязи, снега, усиливают тем самым свое действие. Здесь часто действует экспоненциональный «закон лавины».
Если результат процесса ослабляет его и стабилизирует систему, восстанавливает ее исходное состояние, то обратная связь отрицательная. Такая связь способствует устойчивости системы, ее саморегулированию, когда всякое отклонение от стационарного состояния вызывает в системе такие процессы, которые возвращают ее в исходное состояние.
Во многих системах можно выделить структурный центр, т. е. главную ее часть, определяющую своеобразие системы в целом. В Солнечной системе таким центром служит Солнце, в любом предприятии — дирекция и т. д. С установления и изучения центра начинается исследование системы. Автор назвал это положение принципом централизации.
Таким образом, при характеристике земной коры и биосферы необходимо выявить характерные для них прямые и обратные связи, установить центры этих систем.
Информация и информационные процессы
В середине XX столетия выявился новый аспект исследования — информационный. Расширилось понятие об информации как об общей особенности материального мира, возникло понятие об информационных процессах, развилась математическая теория информации, тесно связанная с теорией вероятности. Академик А. И. Берг писал в 1970 г., что понятие «информация» имеет такое же фундаментальное значение, как «вещество» или «энергия»: «Ни вещества, ни энергии, не связанных с информационными процессами, не существует… не энергия, а информация выйдет, наверное, в XX веке на первое место в мире научных и практически действенных понятий».
Сам термин «информация», понятно, не является новым, он всегда широко использовался в смысле «передачи сведений», «совокупности знаний» и т. д. Однако «передача сведений» теперь трактуется лишь как частный случай информации, понятие о которой в широком смысле интерпретируется на основе категорий различия, степени разнообразия системы. В этом смысле говорят о качестве информации, выделяя наиболее сложную социальную, менее сложную биологическую и наиболее простую «информацию в неживой природе» (некоторые ученые отрицают существование последней). Информационные процессы включают в себя сбор, хранение, передачу, переработку и выдачу информации. Согласно крупному советскому математику А. А. Ляпунову воздействие циркулирующей информации на поведение системы называется управлением. Управление играет огромную роль в биологических и особенно социальных системах.
Значение информационного подхода, очевидно, интуитивно чувствовал В. И. Вернадский, когда в 1944 г. писал в статье «Несколько слов о ноосфере», что он не понимает, как мысль, не будучи материей, вызывает огромные изменения. Здесь великому ученому явно не хватало современного понятия об информации и управлении, которое развилось уже после его смерти. Все это показывает, что при характеристике земной коры и биосферы необходимо рассматривать не только вещественный состав и энергетику этих систем, но и характерные для них информационные процессы. Последние делятся на энтропийные — направленные к потере информации, уменьшению сложности, разнообразия, организации, упорядоченности и антиэнтропийные (негэнтропийные) — ведущие к увеличению сложности, разнообразия, упорядоченности, накоплению информации. В этой книге понятие «энтропия» в основном употребляется в информационном смысле, реже говорится о термодинамической энтропии.
Принцип историзма
Последний методологический принцип изучения земной коры и биосферы, на котором мы остановимся, хорошо известен и не нуждается в подробной характеристике. Это историзм. Все науки о Земле исторические, так как рассматривают развитие природных процессов за миллионы и миллиарды лет. И нам тоже неоднократно придется обращаться к истории земной коры и биосферы, возраст которых, по современным данным, превышает 3,5 миллиарда лет.
Автор: Александр Ильич ПЕРЕЛЬМАН, старший научный сотрудник Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ) АН СССР, профессор географического факультета Московского университета.