О чем говорят и молчат почвы: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Среди животных организмов наибольшим числом видов представлен класс насекомых (около 1000000), причем это число не окончательное. Так что изучающему список видов современных обитателей Земли стоило бы задуматься над тем, что нынешняя геологическая эпоха — эпоха господства насекомых, а отнюдь не человека. Да и то сказать: 3,5 миллиона видов, прошедших миллиарднолетнюю эволюцию, и один вид — человек — возрастом в несколько тысячелетий. Тут есть над чем задуматься!

Биомасса живущих организмов характеризует один из статических аспектов биосферы. Скорость круговорота веществ и, в первую очередь, скорость размножения разных видов, или смена поколений, дает представление о биосферных процессах как о явлении динамическом. К сожалению, скорости размножения организмов еще должным образом не систематизированы, хотя оценке их В. И. Вернадский придавал большое значение. Известно, что быстрее всех размножаются микроорганизмы, медленнее других — млекопитающие. Скорости размножения организмов варьируют в интервале от 10¹ до 10⁶ минут.

Прижизненные функции живого вещества разнообразны по масштабам, а их вклад в геохимические процессы зависит от дифференциального эффекта каждого вида организмов, его численности, скорости размножения, метаболической активности и ряда других факторов.

С живым веществом, представляющим собой мощный геохимический фактор в биосфере, связаны следующие функции: газовые, концетрационные, окислительно–восстановительные, биохимические и биогеохимические. Совокупность этих функций определяет все химические превращения веществ в биосфере. Все функции, кроме биохимической, осуществляются в термодинамическом поле биосферы, которое, по В. И. Вернадскому, существенно отличается от автономного поля организма.

Газовые функции живого вещества проявляются в форме миграции газов и их превращений из простых форм в сложные и обратно, как следствий прижизненного и посмертного метаболизма. Живое вещество в биогеохимическом смысле состоит из газов (кислорода, азота, углекислоты, водород и др.). По мнению В. И. Вернадского, кислород и азот атмосферы, практически вся углекислота, в том числе связанная в известняках в виде карбонатов, природные горючие газы и т. п. — это производные живого вещества. Между живым веществом и газовой компонентой биосферы осуществляется постоянный обмен, определяющий важнейшие геохимические особенности нашей планеты. Среди основных газовых функций выделяются: кислородно–углекислотная, углекислая, озонная, азотная, углеводородная, сероводородная и терпеновая.

Концентрационные функции проявляются в способности живых организмов аккумулировать разные химические элементы, в том числе микроэлементы, из внешней среды (почвы, воды, атмосферы). Некоторые организмы концентрируют химические элементы в количестве, в десятки и даже тысячи раз превышающем их содержание в среде (растения–манганофилы, кальциефилы и др.).

Окислительно–восстановительная функция живого вещества определяет большой спектр химических превращений веществ, включающих атомы элементов с переменной валентностью, — соединений железа, марганца, микроэлементов и т. д. В основе этой функции лежит богатство живого вещества энергией, способной совершать разнообразные химические превращения.

Биогеохимические функции человечества (техногенез, по А. Е. Ферсману) — новая, в геологическом смысле, форма созидания и превращения веществ в биосфере. Они стимулируют переход биосферы в новое состояние — ноосферу.

В учении о биосфере выделяются следующие основные аспекты: энергетический, освещающий связь биосферно–планетарных явлений с излучением Космоса (в основном солнечными) и радиоактивными процессами в земных недрах; биогеохимический, освещающий роль живого вещества в распределении и поведении атомов (изотопов) в биосфере и ее структурах; информационный, освещающий принцип организации и управления в живой природе в связи с исследованием влияния живого вещества на структуру и состав биосферы (ноосферы); пространственно–временной, освещающий формирование и эволюцию различных структур биосферы в геологическом времени в связи с особенностями пространственно–временной организации живого вещества в биосфере (проблемы симметрии); ноосферный, освещающий глобальные эффекты воздействия человека на структуру и химию биосферы (разработка полезных ископаемых), создание новых для биосферы веществ (чистые алюминий, железо и другие металлы) и изотопов (радиостронций, радиоцезий и др.), преобразование биогеоценотических структур биосферы (сведение лесов, осушение болот, распашка территорий, создание водохранилищ, загрязнение вод, почв и атмосферы продуктами хозяйственной деятельности, внесение удобрений, эрозия почв, строительство городов и плотин, промысловое хозяйство и т. д.).

Выход человека в Космос за пределы биосферы будет стимулировать разработку новых аспектов учения о биосфере.

Эволюция биосферы тесно связана с эволюцией форм живого вещества (организмов и биоценозов) и усложнением их биогеохимических функций. Большую роль в эволюции биосферы играют трансформация солнечной энергии растениями и химической — хемосинтетиками и связанный с ней синтез биогенных веществ на Земле. Эволюция биосферы, обусловленная биогеохимической работой живого вещества, в свою очередь, стимулировала и направляла эволюцию конкретных видов организмов (обратная связь в эволюции). Чтобы лучше понять биосферные задачи, нужно в общей форме представить себе средний элементарный состав живого вещества.

В весовом отношении наибольшая доля приходится на кислород (65—70 процентов) и водород (10 процентов). Остальные 20—25 процентов представлены списком разнообразных элементов, общим числом более 50. К химическим элементам, содержащимся в организмах в количестве 1—10 процентов, относятся углерод, кремний, алюминий, железо, кальций, барий, марганец, сера, фосфор. В меньшем количестве (0,1—1 процент содержатся азот, магний, натрий, хлор, бром, йод, ванадий.

В составе живого вещества постоянно присутствуют рассеянные и редкие элементы общим числом не менее 25. Отдельные элементы почти целиком захватываются живым веществом, постоянно обращаясь в его различных формах. Таковы йод, фосфор, сера и, по–видимому, калий.

Существуют специфические организмы, обладающие способностью преимущественного (более 10 процентов) накопления отдельных элементов, таких как кремний, алюминий, железо, кальций, магний, барий, марганец, сера, стронций, фосфор и некоторых других, что вызвало многообразные изменения условий миграции и аккумуляции их соединений. Так появились в земной коре месторождения угля, нефти, битумов, торфа, горючих сланцев, сапропеля. Изменились соотношения изотопов кислорода, углерода, серы. Многие месторождения руд железа, марганца, фосфора и других элементов имеют биогенное происхождение, то есть их создали микроорганизмы–концентраторы (железобактерии, серобактерии, диатомовые водоросли и др.), а также крупные обитатели суши и моря.

Биосфера отражает геохимическую и геофизическую неоднородность лика Земли (океаны, озера, горы, пустыни, равнины), а также неравномерность в распределении живого вещества на планете. Но мозаичность планеты — в значительной мере результат эволюции биосферы за сотни миллионов лет. В каждую геологическую эпоху были свои центры видообразования организмов, они смещались на поверхности по мере изменения геохимии и энергетики разных участков территории или акватории Земли. В каждую геологическую эпоху на Земле существовали участки с высокой или малой биоценотической плотностью (число видов организмов на единицу площади в единицу времени) и с разной интенсивностью круговорота веществ и трансформации энергии. Вследствие разной биоценотической и популяционной плотности и соответственно разной интенсивности биогеохимической работы в различных палеобиогеоценозах направление и темпы эволюции разных форм организмов в различных частях планеты были неодинаковыми и, следовательно, был неодинаков их общий биогеохимический эффект в истории Земли (эпохи рудообразования, углеобразования, нефтеобразования и т. д.). Об этом говорят данные палеонтологии. К сожалению, мы еще крайне мало знаем о биогеохимической работе палеобиогеоценозов, но есть надежда, что развитие геохимии, эволюционного учения, палеогеографии, палеонтологии, почвоведения и других наук приоткроет картину возникновения и смерти “былых биосфер”.

Биосферная концепция Докучаева–Вернадского убедительно доказала, что исторический метод — это метод активного и объективного познания окружающего нас мира, показала, как возник и как развивался лик планеты под воздействием живого вещества и почему мы застали его таким, а не иным.

Жизнь и деятельность человека связаны в основном с относительно узким слоем биосферы — витасферой, или биогеоценотическим покровом, — реально окружающей нас живой природой во всем ее разнообразии. Здесь находится основная масса ныне существующих живых организмов и здесь наиболее активно протекают процессы биогенеза. В состав витасферы на суше входят биоценозы, нижние слои тропосферы, мощностью в несколько десятков метров, и почва с подпочвой — место средоточения корневых систем растений, микроорганизмов и многих видов животных. Таким образом, если мощность биосферы измеряется как в области суши, так и в области океанов километрами, то мощность витасферы — всего лишь метрами.

Витасфера, входящая структурно в биосферу, существенно отличается от основной массы биосферы как по составу, так и по энергетике. Витасфера представляет собой оболочку планеты, где совершается основная биогеохимическая работа ныне живых организмов, где дается старт длительным во времени и пространстве биогеохимическим циклам миграции веществ в биосфере планеты.

Элементарной структурной единицей витасферы является биогеоценоз (понятие, введенное В. Н. Сукачевым). Биогеоценоз представляет собой участок территории или акватории, однородной в топографическом, микроклиматическом, биоценотическом, почвенном, гидрологическом и геохимическом отношениях. Биогеоценоз — это естественноисторическое тело природы, оно объемно и неоднородно в физическом отношении, состоит из твердой, газовой и жидкой фаз, а также особой фазы — живого вещества.

Биогеоценоз включает в себя определенное сообщество организмов, почву, почвенно–грунтовую воду и нижние слои тропосферы. Реальные размеры биогеоценозов на планете варьируют в широких пределах: от нескольких метров (микрозападины в степях и полупустынях, березовые колки, песчаные дюны и т. д.) до нескольких километров (солончак, такыр, однородные участки степи, леса). Каждому биогеоценозу присущ свой круговорот вещества и определенный характер трансформации потоков солнечной энергии, функция которых — формирование биопродукции. Нарушение качественных или количественных характеристик круговорота веществ или трансформации энергии неизбежно ведет к изменению качественной структуры биопродуктивности (нарушение синтеза витаминов, аминокислот, ферментов и т. д.). Если круговорот веществ в биогеоценозе начинается и зависит от фотосинтеза растений, то управляющая система биогеоценоза сосредоточена в почве. Миллиарды почвенных микроорганизмов, грибов, актиномицетов, низших и высших почвенных животных осуществляют там постоянно с заданной ритмичностью грандиозный процесс разрушения и преобразования прижизненных метаболитов растений или их опада и ресинтез нового класса биоорганических веществ (гумус, антибиотики и т. д.).

Энергия, поступающая в почву с биоорганическими веществами, перераспределяется по различным структурам и компонентам почвы: пленочная, гигроскопическая и другие виды почвенной влаги, кристаллические решетки вторичных почвенных глинистых минералов, синтез гумуса и т. д. Изучение круговорота веществ и трансформации энергии в биогеоценозах только начато. Пока лишь можно предполагать, что равновесное (стационарное) состояние биогеоценозов в природе достигается за счет оптимизации круговорота вещества и потоков энергии в нем. Надежность работы биогеоценоза, этой сложной системы прямых и обратных связей между его звеньями, зависит от уровня и надежности работы почвенных организмов по деструкции (разрушению) и реутилизации метаболитов высших растений. Биогеоценозы и витасфера в целом — это энергетический и информационный мотор биосферы, задающий тип ее организованности.

Таким образом, при изучении биогеоценозов как открытых систем, способных к саморегуляции в течение длительного времени, особое внимание следует обратить на исследования почвы как динамической системы, определяющей надежность и длительность функционирования биогеоценоза. Конечным этапом подобных работ должна быть расшифровка механизмов управления биогеоценотическим процессом в природе, прогноз векторов и темпов этого процесса в разных зонах и ландшафтах и формулировка предпосылок к созданию научной концепции ведения хозяйства на биогеоценотической основе. Это означает эффективное использование биологических ресурсов лишь в размере “процента с оборота” веществ в биогеоценозах будущего. Создание биогеоценозов, работающих с высоким кпд и значительной надежностью в открытой или замкнутой среде, станет возможным после детального изучения механизмов управления в природе в комбинации с экспериментальным и математическим моделированием частных процессов в биогеоценозе и особенно в почвах.

Биосфера — хранилище памяти геологической истории планеты, “написанной” взаимодействием живого вещества с неживым. Главные действующие лица этой истории — биокосные системы (почвы и биогеоценозы), а ее “исполнители” — исторически меняющиеся сообщества (биоценозы) различных видов организмов.

Геологическая история планеты начинается с захвата фотосинтетиками лучистой энергии Солнца, с помощью которой осуществляется синтез высокомолекулярных соединений, богатых энергией. Жизнь была бы невозможна, если бы планету не обтекал солнечный луч — постоянный, непрерывно действующий и неисчерпаемый источник энергии. Вбирая в себя солнечную энергию, биосфера заряжает планету энергией, повышая ее энергетический потенциал. Непрерывность и неисчерпаемость солнечной энергии определяет непрерывность геологической истории планеты. Таков “вход” в биосферу. Все последующее определяется вступлением синтезированных живым веществом химических соединений в геохимический круговорот вещества в биосфере.

Наиболее простой путь изучения круговорота веществ в биогеоценозах — это изучение судьбы определенных химических элементов, их концентрирования или рассеивания в различных компонентах биогеоценоза (почвах, растениях, микрофлоре, газовой фазе биогеоценоза, животных организмах, водах и т. д.). Основной метод такого исследования состоит в зольном анализе компонентов биогеоценозов, по результатам которого сначала получают статическую картину распределения, а затем дедуктивным путем воссоздают картину круговорота веществ как динамического процесса.

О значении биологического круговорота веществ в природе наука “заговорила” после появления учения немецкого химика Юстуса Либиха о минеральном питании растений. Послелибиховский период изучения круговорота веществ стал периодом интенсивного накопления данных по зольному составу растений, а следовательно, более полного представления о балансе питательных веществ в земледелии. Накопление данных позволило глубже проникнуть во взаимоотношения растительности и почв и соответственно поставить на научную основу применение удобрений. И все же зольный анализ не может дать полной картины круговорота: нельзя правильно решить вопрос о количестве минеральных веществ, вовлекаемых в биологический круговорот, по одному анализу “трупов”. Нужно также изучать сезонные колебания обмена веществ между живой вегетирующей растительностью и почвой. Иначе говоря, нужно учесть огромное количество питательных веществ, ферментов и шлаков, перемещаемых растениями в ходе их жизнедеятельности. Суммарная масса веществ, участвующих в прижизненных процессах поглощения и выделения за все время жизни организма, во много раз превышает биомассу самого организма.

Строго говоря, понятие биологического круговорота веществ применимо лишь для биологических процессов метаболизма, протекающих внутри того или иного живого организма (отток веществ из одних органов в другие и обратно, через биолиты и т. п.), то есть на организменном уровне, поэтому изучение его — это область биологии (физиологии, биохимии и т. д.).

Не все этапы круговорота веществ в биогеоценозах осуществляются при прямом участии живых организмов; некоторые стадии протекают под действием абиогенных факторов (механические, физические и химические воздействия). Такое сочетание обеспечивает возникновение, по выражению Вернадского, “вихрей атомов”, составляющих характернейшую черту функционирования биосферы и ее структур. Исследование подобного (биогенного) круговорота — задача биогеоценологии.

Наряду с биологическим и биогенным круговоротом следует выделять биогеохимический круговорот (собственно биосферный), определяющий миграцию химических элементов в биосфере в целом. Здесь также определяющую роль в передвижении и перераспределении химических элементов играет живое вещество, но при этом из круговорота изымается и откладывается огромное количество химических элементов, главным образом в зоне геохимических барьеров (залежи угля, нефти, бокситов, известняков и т. п.). Изучение биогеохимического круговорота химических элементов в биосфере и их биогеохимических циклов относится к области биогеохимии.

Важнейшей характеристикой круговорота служат его емкость и скорость. Часто под скоростью имеют в виду количество живого вещества, образующегося за единицу времени. С геохимической точки зрения такое представление не является полным и достаточным. Ведь в ходе круговорота происходит процесс самообновления организмов, осуществляющийся благодаря его поглотительной и выделительной функциям. Именно это и составляет геохимическую работу живого вещества, которую оно выполняет не путем простого накопления, то есть всасывания и депонирования, а способом кругового движения. Поэтому мерой биогеохимической активности организма следует считать массу химических элементов, перемещаемую им в биогеоценозе или в биосфере за единицу времени. Следовательно, скорость круговорота элемента нужно определять временем, затрачиваемым организмами в биогеоценозе на биогенный перенос такого количества данного элемента, которое равно его содержанию в этих организмах в данное время. Биогенная миграция, составляющая часть общей миграции элементов в биосфере, — одна из главнейших форм работы в природных системах равновесий. В таких равновесиях работа достигает максимума, свободная энергия спускается до минимума. Обобщая огромный эмпирический материал, В. И. Вернадский сформулировал основные биогеохимические принципы. Первый биогеохимический принцип гласит: биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к максимальному своему проявлению. Выражением этого принципа в окружающей нас природе можно считать, во–первых, “всюдность жизни”, то есть захват биогенной миграцией всего возможного пространства, и, во–вторых, давление жизни и тот напряженный растущий темп, каким идет техническое творчество цивилизованного человечества.