Формы в мире почв: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

ОТ РЕДАКТОРА

«Венец сознательной деятельности человека — решение стоящих перед ним вопросов путем математического анализа». Эти слова Е. С. Федорова (1883–1919 гг.) намечают тот идеал, к которому должна стремиться каждая естественноисторическая дисциплина. Как известно, наука о кристаллах — кристаллография, основываясь на федоровских достижениях, ближе всех других наук подошла к этому идеалу. Мало того, исходя из геометрически закономерных полиэдров — кристаллов — и узоров их бесконечно протяженных структур, она привела к учению о симметрии — подлинной и всеобъемлющей математике природы.

Казалось бы, почвоведение — наука о рыхлых, бесформенных, с первого взгляда лишенных каких бы то ни было геометрических закономерностей образованиях — дальше всех других научных дисциплин отстоит от федоровского идеала. Однако основоположник отечественного почвоведения В. В. Докучаев предвидел, что «почвоведение сделается действительно точной наукой». Лучшим доказательством справедливости этого дальновидного прогноза является предлагаемая читателю книга профессора И. Н. Степанова «Формы в мире почв». В ней на основе опыта предшествующих исследований описаны сложнейшие полигональные, криволинейные, ветвящиеся плоскостные формы почвенного покрова и приводятся расчленения и классификации этих конфигураций.

К. Линней считал, что неорганическая природа отличается плоскогранными и прямолинейными очертаниями фигур в отличие от органической, характеризующейся криволинейностью и кривогранностью. Это мнение великого натуралиста с неизбежными поправками и оговорками в общем выдержало испытание временем. Почвенные образования, лежащие на стыке неорганической и органической природы, должны, согласно сказанному, нести на себе следы одновременно и прямолинейности, и криволинейности, что еще более усложняет задачу их геометрического анализа. Однако в книге рассматривается обнаруженное автором явление «клеточного или ячеистого строения» земной поверхности и почвенного покрова. С этим явлением связан характерный «сетчатый орнамент», обусловленный конкретными геофизическими, биогеохимическими и почвенными условиями. Пять плоских сеток, играющих основополагающую роль в структурной кристаллографии, положены автором книги в основу «сетчатого орнамента» в почвоведении. Этим автор сблизил и связал между собой две столь отдаленные области природоведения, как кристаллография (симметрийный анализ) и почвоведение.

Привлекая на помощь такие новейшие понятия, как криволинейная симметрия (акад. Д. В. Наливкин), симметрия подобия и антисимметрия (акад. А. В. Шубников), гомология (проф. В. И. Михеев) и другие, И. Н. Степанов подводит под идеальные узоры сеток сложные реальные образования почвенных покровов. Детально, шаг за шагом читатель вводится в круг новейших понятий и представлений развиваемого автором геометрического почвоведения. При этом мы как бы присутствуем при самом зарождении новой и оригинальной научной концепции, во многом еще требующей доработки и строгих уточнений.

Нет надобности пересказывать здесь содержание книги — заинтересованный читатель сам прочтет ее. При этом он должен твердо помнить, что описанные в книге сложнейшие конфигурации с их расшифровками — не отвлеченные теоретические построения. Они должны всемерно способствовать развитию сельскохозяйственной, мелиоративной и геологоразведочной практики.

Книга И. Н. Степанова, написанная живо и увлеченно, с использованием обширного и разностороннего материала, безусловно, заинтересует читателя, а быть может, и привлечет его к дальнейшей разработке темы, таящей в себе множество новых и неожиданных моментов. Многочисленные рисунки и фотографии наглядно и доходчиво иллюстрируют текст. Остается лишь пожелать, чтобы эта книга нашла широкое распространение не только среди специалистов и любителей естествознания, но и среди учащейся молодежи, с которой связаны наши надежды на будущее развитие и процветание советского природоведения.

ВМЕСТО ПРЕДИСЛОВИЯ

Наша цель — доступное для специалистов-смежников изложение темы «Геометрия почвенно-геологического пространства». Теоретизация почвенной науки требует представления почвенных профилей и контуров в виде абстрактных образов — геометрических фигур — и выражения их в виде формул. Возникавшие на этом пути затруднения приводили некоторых ученых к выводу, что математизация наук о Земле, в том числе и почвоведения, бесперспективна. Так, профессор А. Зупан считал, что «свести изображения на карте к формуле было бы напрасным трудом» (1899, с. 646). Однако в те же годы В. В. Докучаев, понимая всю сложность условий почвообразования и трудности их формализации, писал: «…будем надеяться, что и эти препятствия со временем устранятся, и тогда почвоведение сделается действительно точной наукой».

История доказала справедливость слов Докучаева. На основании установленных им законов были подвергнуты более точному учету все известные соотношения вещественного состава почв и очертаний земной поверхности. Анализ топографических карт и аэрокосмических снимков дал возможность свести многообразие реальных индивидуальных контуров (ареалов, выделов) к простым понятиям — к абстрактным элементарным формам, или элементам. В последние годы почвоведение и особенно география и картография почв вышли на рубеж, когда без математизации знаний дальнейший прогресс невозможен. Возникла потребность в определении таких понятий, как элемент, структура (связь, отношение), система, симметрия.

Представления об элементах и их соотношениях имеют глубокие исторические корни. В ботанике выделены элементы — листья и цветы, в цитологии — клетки, в химии — атомы, в физике — частицы и поля. Из элементов строятся модели или идеализированные образы растений, животных, химических соединений, твердых тел. Например, в прошлом веке Р. Оуэн создал «архетип» — вымышленное ископаемое животное, из скелета которого он выводил формы всех позвоночных на Земле. В ботанике известен «архетип» И. Гете, представляющий собой модель универсального растения.

Поиск структурных элементов — важнейшая задача теоретического почвоведения, особенно на начальном, аналитическом, этапе развития. Элементы ищут среди сложной мозаики земной поверхности, в свойствах почвенных профилей. Их обнаруживают в массе твердых минеральных частиц, разделяя последние по механическому составу, в органических веществах при фракционировании гуминовой кислоты, в глинных минералах и т. п. Таким образом, аналитическое почвоведение — это наука об элементарном составе почв, наука о почвенном веществе, познающая единую природу почв по частям путем выделения отдельных не связанных между собой сущностей: «пространство», «время», «масса», «энергия», «вещество».

В. В. Докучаев мечтал о создании структурного почвоведения, которое изучало бы не отдельные тела и явления, а их соотношения, связи, синтез. В процессе синтеза и структурирования ранее искусственно разрозненные почвенные сущности должны последовательно объединяться: вещество — с пространством, пространство — со временем, энергия — с массой; явления тепловые — с водными, водно-тепловые — с биогеохимическими, последние — с гравитационными и электромагнитными полями. Только почвоведение, описывающее реальный почвенный мир с помощью формализованных понятий и представляющее его как совокупность взаимодействующих структур, определит генетическую сущность почв и превратится из науки прикладной в фундаментальную, теоретическую, базирующуюся на основаниях физики и математики.

В. И. Вернадский развил структурные идеи своего учителя — В. В. Докучаева. Он считал, что почвенные и геологические связи можно выразить геометрическими понятиями при изучении состояния пространства земной коры. По его мнению, математические истины, и прежде всего геометрические, «лежат в основе всего современного научного понимания реальности… геометрия… реально проявляется в земной природе, так как не может быть вполне от нее отделима» (1980, с. 88). В наши дни геологи, географы, почвоведы заняты поиском именно этих абстрактных геометрических истин, лежащих в основе реальных свойств земной коры, ландшафтов и почв. Большая заслуга в этом деле принадлежит ленинградским геологам, ведущим последние 15 лет под руководством И. И. Шафрановского исследования по проблеме симметрии в природе.

Существует мнение, будто структура неживой природы симметрична и ее можно представить в модели в виде прямых линий, а живой — диссимметрична и криволинейна. Почва — результат взаимодействия неживого (горные породы) и живого (микроорганизмы, растения). Поэтому ее элементарные структуры прихотливо сочетают симметричное и диссимметричное. Здесь уместно напомнить слова Гегеля (1930, 1958): «Мир — это гармония гармоний и дисгармоний», которые вполне характеризуют и почвенный мир. О поиске связей между почвенной гармонией и дисгармонией пойдет речь в книге.

Наша задача — показать, что между реальными почвенно-геологическими и абстрактными математическими структурами можно обнаружить тесную связь. Эта связь обосновывается посредством применения аппарата теории симметрии. При этом должны быть выполнены следующие требования: 1) абстрагирование реального почвенного объекта до геометрического образа; 2) установление в нем наиболее устойчивых геометрических элементов, которые принимаются за существенные свойства почвенной модели — точки, плоскости, оси; 3) выявление различных движений (перестановок, вращений, отражений) относительно указанных выше устойчивых элементов: точки, плоскости, оси. Эти три пункта строго учитываются в дальнейшем изложении.

Геометрические структуры почвенно-геологических тел можно представить как формальные системы, которые имеют следующий аппарат познания:

I. Язык учения о геосистемах (анализ, почвоведение вещества), включающий: а) строительные конструкции — элементарные символы, или вспомогательные образы: точку С, линию L, плоскость Р; б) алфавит — элементарные формы: квадрат, ромб, прямоугольник, шестиугольник, окружность, которые создаются с помощью вспомогательных образов и операций движения.

II. Аксиомы учения о геосистемах — исходные предложения, определяющие основные элементы и связи системы, принимаемые в силу их очевидности; устанавливаются строгими экспериментами.

III. Правила преобразований элементов в учении о структурах геосистем (синтез, структурное почвоведение). По ним при помощи движений из элементарных форм образуется та или иная упорядоченная совокупность структур в рамках единой целостной системы (для любых уровней организации: от макро- до микроскопических), называемая множеством.

Заданием языка, аксиом и правил формальная геосистема определяется как геометрический объект, который изучается специальным разделом почвоведения — морфологией почв. Общее почвоведение через морфологию почв осуществляет переход на абстрактно-теоретический уровень, в котором идеализированный мир почвенных форм сохранится неизменным при проведении движений — операций симметрии, причем для каждой почвенной теории окажется специфичным свой тип движения.

Множеством в науках о Земле можно назвать горные породы, почвы, ландшафты, если Представить эти сложные объекты в виде совокупности простых составляющих, объединенных некоторым общим признаком и воспринимаемых как целое. Например, элементарные единицы множеств в геологии — это минералы; в почвоведении — горизонты, профили, ареалы; в кристаллографии — точки, оси, плоскости.

Если формы почв и горных пород представить в виде геометрических образов, состоящих из множеств: точек, линий, плоскостей, как это сделали кристаллографы, изучая реальные кристаллы, то на множестве таких элементов можно задать отношения и операции. Например, операции вращения, отражения, а также умножение, прибавление, вычитание. Множество элементов, или, иначе, букв алфавита — М и отношений — операций Ω задает модель — алгебру объекта:

W=(M; Ω).

Модель W определяет язык на базе алфавита. Подобный лингвистический подход к построению науки известен давно. Так, Галилей писал, что природу нельзя изучать, «не научившись сперва понимать язык и различать знаки, которыми она написана. Написана же она языком математическим, и знаки ее суть треугольники, круги и другие математические фигуры» (1934, с. 25). В справедливости слов Галилея легко убедиться, взглянув на аэрофотоснимки (рис. 1). На них запечатлена еще не тронутая человеком структурная упорядоченность почвенных ареалов северных и южных территорий нашей планеты. Диаметр каждой элементарной ячейки на фотографии 40–60 м, в совокупности они образуют многокилометровые поверхности, фрагменты которых представлены на рисунке.

Эту на первый взгляд сложную мозаику почв можно все же расчленить. Для этого сначала надо выделить первичные структурные единицы — клетки или ячейки. Они, как видно на снимках, состоят из прямоугольников, косоугольников, квадратов, шестиугольников, окружностей. Это и есть буквы алфавита почвенных форм. Пока нам известны не все буквы. Но когда их изучат по всей Земле, можно будет составлять из «букв» слова и читать тексты (сочетания букв-форм), написанные природой. Тем не менее даже при имеющемся скудном знании об элементарных формах попробуем показать на конкретном материале, как это можно сделать.

На рис. 1 видно, что каждая элементарная почвенная клетка располагается по отношению к соседней клетке на разных снимках (А, Б, В, Г) неодинаково. Сочетаясь определенным способом, клетки каждого снимка создают разнородные и более сложные целостные формы почвенного покрова — множества, или слова, — прямолинейные и криволинейные ряды клеток. Совокупность этих рядов-слов образует единичную целостную структуру почвенного покрова, которую можно назвать текстом. На рис. 1 показаны различные виды почвенных «текстов», или систем почвенного покрова, именуемых также педосистемами.

Тексты, или системы земной поверхности, устанавливаются в результате операций симметрии — движений клеток вверх, вниз, влево, вправо, т. е. путем перестановок, вращений, отражений от зеркальной поверхности и других преобразований. Если на первом этапе изучения рис. 1 мы провели анализ, т. е. мысленно разложили почвенный покров на составные части — клетки, то теперь при помощи операций симметрии (движений) производим синтез, «собрание» клеток в целое, мысленно воссоздаем единство почвенной системы.

Рис. 1. Естественные поверхности почвенного покрова (слева) и их схематическое изображение (справа) А, В, В — тундра: А — Аляска, дельта р. Икпикпук, в 100 км от м. Барроу (по Дайсон, 1966), Б — Ямал, р. Каралуах, горы Бырранга (по Гусеву, 1938), В —Аляска (Fitzpatrik, 1980); Г — песчаная пустыня Каракум в Туркмении (Федорович, 1983)