1 — осадочный слой; 2 — «гранитный» слой; 3 — «базальтовый» слой; 4 — верхняя мантия; 5 — граница биосферы; 6 — нижняя граница вещества, прошедшего через биосферу (былые биосферы)
«Солнечная энергия, — писал Вернадский в „Очерках геохимии“, — через посредство живого вещества пребывает в потенциальном состоянии не только в каменном угле, происходящем прямо из зеленых растений, но во всех вадозных минералах углерода, в углекислом кальции и других биогенных минералах, в большинстве вадозных минералов и, думаю, в существенной мере во всех»[21].
Этим самым определяется влияние биосферы на процессы, протекающие в глубоких частях земной коры — в очагах магматизма, поясе гидротермальных процессов.
Общие черты биокосных систем
Биокосные системы различаются по степени сложности — уровням организации материи. К наиболее низкому уровню принадлежат почвенные горизонты (А1, А2, В1, В2 и т. д.) и аналогичные части илов, водоносных горизонтов, кор выветривания. Это допочвенный уровень организации. К почвенному уровню, кроме самой почвы, автор относит илы, коры выветривания, водоносные горизонты, однородные водные массы рек, озер, морей. Более высокий уровень организации присущ ландшафтам (ландшафтный уровень), среди которых Б. Б. Полынов предложил различать элементарные и геохимические ландшафты (два уровня). Наконец, к надландшафтному уровню относятся артезианские и речные бассейны, моря, океаны и другие биокосные системы. Здесь, несомненно, существует своя иерархия (несколько уровней). И наконец, у основания пирамиды уровней находится биосфера — самая крупная и самая сложная биокосная система Земли. Биокосные системы, относящиеся к разным уровням организации, изучаются разными науками, достаточно далеко отстоящими друг от друга в официальной классификации знания (почвоведение, география, гидрогеология и т. д.). Вместе с тем все биокосные системы имеют много общих черт. Напомним, например, что десульфуризация протекает и в почвах (болота, солончаки), и в илах, и в водоносных горизонтах, и в морской воде (в Черном море, в фиордах Норвегии). То же можно сказать об оглеении, окислении сульфидов, процессах засоления, огипсования, карбонатизации и многих других.
Отсюда становится понятным сходство геохимических классификаций почв, илов, кор выветривания, водоносных горизонтов и поверхностных вод. Действительно, все эти биокосные системы характеризуются одинаковыми или близкими термодинамическими условиями — температурой, давлением. Во всех системах развивается биологический круговорот атомов, для них характерна водная среда в качестве основной среды миграции. По существу, во всех случаях мы классифицируем одно и то же образование — природные воды в их различных формах. Поэтому, отмечая существование в биосфере отдельных биокосных систем, необходимо не только подчеркивать их различия, но и выявить то общее, что их объединяет в одну категорию природных образований.
Особое положение среди рассмотренных биокосных систем занимают ландшафты, сущность которых заключается в биогенной аккумуляции элементов — образовании живого вещества. Однако в ландшафтах протекают и противоположные процессы разложения органических веществ, что сближает их как тип систем с почвами, илами, корами выветривания и т. д. Именно поэтому классы ландшафтов совпадают с классами почв и илов.
И наконец, к принципиально иным — биологическим системам относятся живые организмы, для которых характерны иные поля устойчивости химических соединений: белки, витамины, ферменты и другие органические соединения устойчивы только в организме и разрушаются после его смерти.
Вещество, энергия, информация. Геохимия изучает биокосные системы на атомарном уровне и в трех основных аспектах. Прежде всего, нас интересует, как изменяется вещество в биокосных системах, т. е. как мигрируют атомы. Но не менее важен и энергетический аспект — те сложные превращения энергии, которые при этом происходят. Вещественно-энергетическая картина мира, как известно, выявилась уже в середине XIX столетия, и тогда же изучение вещества и энергии стало основой методологии всех естественных наук. Прошло 100 лет, и в середине XX столетия, в годы научно-технической революции, выявился третий важнейший аспект изучения природы — информационный.
«Информация» — одно из фундаментальных научных понятий того же ранга, что «вещество», «энергия», «пространство», «время». По мнению акад. А. И. Берга, информационные процессы сопровождают все превращения вещества и энергии. При характеристике биокосных систем следует использовать такие «информационные» понятия, как целостность, структура, сложность, устойчивость, саморегуляция, обратная связь и т. д. Информационные показатели биокосных систем устанавливаются на основе методов кибернетики и теории информации.
Итак, чтобы осветить геохимию биокосных систем, необходимо ответить на три основных вопроса: как мигрируют атомы в биокосных системах? как при этом превращается энергия? как изменяется информация? Несомненно, что главная составная часть биокосных систем, определяющая их своеобразие и сущность протекающих в них процессов, это живое вещество, совокупность живых организмов. В каждой биокосной системе протекает биологический круговорот атомов (сокращенно: бик), в ходе которого атомы входят в состав живых организмов и заряжаются энергией, становятся геохимическими аккумуляторами. Вторая ветвь бика — разложение органических веществ и переход атомов снова в минеральное состояние. При этом поглощенная солнечная энергия выделяется в тепловой и работоспособной химической форме. Именно за счет химической работы происходят почвообразование, выветривание горных пород и другие процессы, о которых уже говорилось в этой книге. «Захватывая энергию Солнца, живое вещество создает химические соединения, при распадении которых эта энергия освобождается в форме, могущей производить химическую работу», — писал Вернадский[22].
Разложение органических веществ — это сквозной процесс, характерный для всех биокосных систем, процесс, поставляющий в систему свободную энергию, делающий систему неравновесной. Именно поэтому биокосные системы — это неравновесные системы, и, чем энергичнее идет в них разложение органических веществ, чем больше разлагается этих веществ, тем дальше система от равновесия. Неравновесность наблюдается всюду, но особенно резко она выражена в ландшафтах теплого и влажного климата, где энергично протекает бик. Вспомним черные тропические реки и озера, «коричневые реки» и озера нашей тайги, где в одной и той же системе находятся и сильные восстановители — органические вещества, и сильный окислитель — свободный кислород. Но и биосфера в целом химически резко неравновесна (кислородная атмосфера + органические вещества). Постоянное поглощение солнечной энергии, перевод ее в химическую работоспособную форму определяет информационные особенности биокосных систем — сложность, дифференциацию, самоорганизацию, рост в них разнообразия. Достаточно сравнить в этом отношении однообразную толщу горной породы и сформировавшуюся на ней резко дифференцированную на горизонты почву (А1, А2, B1, B2, В3 и т. д.). Напомним, что в почве на расстоянии нескольких сантиметров меняются pH, содержание отдельных элементов, окислительно-восстановительные условия. Итак, биокосные системы — это системы, богатые информацией.
В нашей книге рассматриваются явления преимущественно с позиций геохимии. Нетрудно показать, что и в других отношениях, например по особенностям механических процессов, биосфера также глубоко неравновесна. Постоянно текущие реки, морские течения, ветры, переносящие воздушные массы, свидетельствуют о резкой механической неравновесности биосферы.