Биокосные системы Земли

В первую половину XX в. изучение ландшафтов проводилось преимущественно с физико-географических позиций. Это позволило четко сформулировать само понятие о ландшафте, изучить его морфологию и структуру, палеогеографию, разработать классификацию, составить особые ландшафтные карты, провести комплексное физико-географическое районирование нашей страны. Обобщающие труды в этой области принадлежат Д. Л. Арманду, Н. А. Гвоздецкому, И. П. Герасимову, А. Г. Исаченко, С. В. Калеснику, К. К. Маркову, Ф. Н. Милькову, Н. И. Михайлову, Н. А. Солнцеву, В. Б. Сочаве и другим советским географам.

Теоретические достижения в области физической географии, естественно, позволили решить и ряд практических вопросов, связанных с районированием, водохозяйственными и другими проблемами (орошение, строительство электростанций и т. д.).

Вместе с тем традиционные физико-географические исследования ландшафтов часто не позволяли глубоко познать те «связи между телами и явлениями», к изучению которых призывал Докучаев. Одним из первых это хорошо понял Б. Б. Полынов. В начале XX в. он прошел закономерную эволюцию почвоведа-докучаевца: от изучения почв — к изучению ландшафтов. Исследуя почвы донских террас, Полынов разработал фундаментальное понятие о мельчайшей единице ландшафта, которую назвал элементарным ландшафтом (например, участок плоской черноземной степи на лессе, склон моренного холма с еловым лесом, такыр, солончак и т. д.). В те же годы подобную единицу Р. И. Аболин назвал эпиморфой, а позднее Л. С. Берг — фацией, И. В. Ларин — микроландшафтом, В. Н. Сукачев — биогеоценозом.

При изучении ландшафтов Полынов особую роль отводил анализу рельефа, на этой основе он разработал метод картирования элементарных ландшафтов. Наконец, Полынов подчеркнул принцип историзма в изучении ландшафтов; он отмечал неравновесность ландшафта как системы, существование в каждом ландшафте реликтовых, консервативных и прогрессивных частей. Эти теоретические положения, а также результаты изучения Полыновым ландшафтов донских песков, Лахтинской впадины под Ленинградом, степей и пустынь Монголии представляли собой существенный вклад в науку о ландшафтах. Однако подобное направление исследований не удовлетворяло ученого, он искал новых путей в познании ландшафтов и нашел их в созданной Вернадским науке — биогеохимии (наука о геологической деятельности живых организмов). Биогеохимические идеи Вернадского и учение Докучаева о зонах природы — вот те исходные позиции, которые позволили Полынову приступить к созданию нового научного направления — геохимии ландшафта. В серии блестящих трудов 30—40-х годов Полынов сформулировал задачи геохимии ландшафта, разработал ее понятийный аппарат («геохимический ландшафт» и др.), оригинальные методы исследования (так называемый сопряженный анализ) и, наконец, дал геохимическую характеристику тайге, влажным субтропикам, черноземным степям, пустыням и другим типам ландшафтов.

Геохимия ландшафта. Если физико-географы при изучении ландшафта главное внимание обращают на климат, рельеф, растительность, почвы, воды ландшафта, то геохимики исследуют его на атомарном уровне, с точки зрения миграции атомов. Поэтому болото для геохимика — железный ландшафт (энергично мигрирует железо), черноземная степь — кальциевый, пустыня — натриевый, хлорный, серный и т. д.

Борис Борисович ПОЛЫНОВ (1877—1852)

Полынов очень широко трактовал задачи новой науки, подчеркивал ее значение для решения практических проблем. В 1947 г. в заключение доклада, посвященного почвоведению и геохимии ландшафта, Полынов сказал:

«Было бы глубоким заблуждением считать, что мы в состоянии расшифровать таким образом всякий ландшафт. Нет, много ландшафтов остается еще нерасшифрованными, и, мало того, даже в тех ландшафтах, о которых было здесь сказано, многое еще остается неясным и нераспознанным.

Но мы владеем самым главным оружием, мы владеем руководящими идеями и обоснованной методологией, и это открывает перед нами широкие перспективы, это дает нам известную уверенность в том, что заполнение пробелов в нашем знании — вопрос времени. Правда, кроме времени, такое заполнение требует большой и напряженной работы, но в Советском Союзе работы не боятся»[15].

За истекшие 30 лет предвидение Полынова полностью сбылось. Как и все науки об атомах, геохимия ландшафта в нашей стране быстро развивалась. Научные исследования в данной области ведутся в институтах Академии наук СССР и академиях союзных республик. Эта наука преподается на географических факультетах большинства университетов. В Московском университете на географическом факультете в 1959 г. была создана кафедра географии почв и геохимии ландшафтов, которой руководит профессор М. А. Глазовская. Судя по переводам трудов советских ученых в США, ГДР, Польше, Венгрии, Японии и других странах, интерес к геохимии ландшафта проявляется и за рубежом. В Канаде в университете провинции Онтарио на геологическом факультете проф. Фортеск уже несколько лет читает курс лекций по геохимии ландшафта, там же издается специальный журнал. Силами ученых университета ведутся ландшафтно-геохимические исследования на территории Канады и США.

Геохимия ландшафта применяется при поисках рудных месторождений, в медицине; выявилось большое значение этой науки в решении проблем охраны природы и борьбы с загрязнением окружающей среды.

Ландшафт и кибернетика. В последнее десятилетие выявилось еще одно перспективное направление в изучении ландшафтов — их анализ на основе положений общей теории систем, кибернетики, понятия об информации. Как мы убедились, изучению связей в ландшафте придавалось большое значение со времен Докучаева. В самом определении ландшафта особенно подчеркивалась его целостность, связи между компонентами. Однако это общая черта всех систем: и живой организм — целое и атом — целое, и любая фабрика — целое. Поэтому задача в значительной степени сводится к изучению характера целостности, т. е. природы связей в ландшафте.

Нетрудно убедиться, что по «прочности» связей ландшафт сильно уступает таким системам, как кристаллы, атомы, организмы. Ландшафт — это система не только с другой природой связей, но и с более «расшатанными» связями, более слабой интеграцией (рис. 25).

Рис. 25. Типы связен в лесном ландшафте.

Биокосные тела: почва (П); кора выветривания (КВ); ил (И); водоносный горизонт (ВГ); континентальные отложения (КО); поверхностные воды (ПВ); приземная атмосфера (А); наземный фитоценоз (Ф). Связи; прямые—водные (1); воздушные (2); обратные — биотические (3); биокосные (4); водные и воздушные (5); центр ландшафта (6); нижняя граница ландшафта (7); коренные породы (8)

В общей теории систем различают прямые и обратные связи, а среди последних — положительные и отрицательные.

Прямая связь состоит в одностороннем влиянии компонента ландшафта А на Б: А → Б. Примером может служить влияние почвенных процессов на формирование коры выветривания, грунтовых вод — на питание рек и озер.

Обратные связи передаются символом: А ↔ Б, т. е. не только А влияет на Б, но и Б на А. В кибернетике обратная связь определяется как воздействие управляемого процесса на управляющий орган (или влияние выходного сигнала на рабочие параметры системы). К обратным связям относятся взаимодействия в ландшафте: почва растительность, растение — животное, климат — лес и т. д.

Обратная связь положительна, когда результат процесса усиливает его, в связи с чем система удаляется все дальше и дальше от исходного состояния. Примером положительной обратной связи служит процесс зарастания озер: отмирающие ежегодно растения являются материалом для образования сапропеля, нарастание которого уменьшает глубину озера, что, в свою очередь, способствует зарастанию его, превращению озера в болото.

Отрицательная обратная связь ослабляет результаты процесса и способствует стабилизации системы, восстановлению ее исходного состояния. Пример подобной связи — взаимоотношение хищников и жертвы, подробно изученное экологами. Действительно, сильное размножение травоядных животных приводит к увеличению количества хищников, которые, поедая свои жертвы, стабилизируют как их количество, так и собственную численность.

Отрицательная обратная связь приводит к саморегулированию ландшафта, так как отклонения от устойчивого стационарного состояния вызывают изменения, уменьшающие это отклонение.

Особенно большое значение механизм обратной связи приобретает в культурных ландшафтах, где она осуществляется в процессе управления. Однако положительная обратная связь здесь нередко преобладает над отрицательной, в связи с чем культурные ландшафты часто в процессе своего развития становятся менее устойчивыми. Следствиями этого и служат «непредвиденные последствия хозяйственной деятельности», в том числе загрязнение окружающей среды и стихийные бедствия (пыльные бури, наводнения, эрозия почв и т. д.). Преодоление этих нежелательных явлений связано с усилением роли отрицательных обратных связей, позволяющих стабилизировать культурный ландшафт, сделать его саморегулируемой оптимальной системой.

Загрязнение окружающей среды и оптимизация ландшафта. Проблема эта, как известно, настолько актуальна, что ей уделяют внимание правительственные и международные организации. Так, в 1968 г. в Париже состоялась конференция ЮНЕСКО на тему «Биосфера и человечество». В марте 1970 г. в Токио международный симпозиум специально занимался проблемой борьбы с загрязнением окружающей среды. В 1972 г. проходила аналогичная международная конференция в Стокгольме.

Особенно катастрофическое положение сложилось в некоторых развитых и густонаселенных капиталистических странах, где развитие промышленности в условиях анархии производства угрожает жизни и здоровью миллионов людей. «На пути к экологической катастрофе» «Задыхающиеся города», «Реки — сточные канавы» «Проблема мусора», «Смерть от ртути» — эти и прочие заголовки статей в зарубежных журналах дают представление о возникающих проблемах. В глобальном масштабе эта проблема освещена А. М. Рябчиковым в книге «Структура и динамика геосферы» (1972).

Знаменательно в этом отношении признание американского эколога К. Уатта, который в предисловии к русскому переводу своей книги «Экология и управление природными ресурсами» писал: «Со времени написания этой книги моя точка зрения на предмет в целом, а также взгляды многих из моих коллег в Северной Америке радикальным образом изменились. Это изменение, происшедшее в период между 1965 и 1969 гг., для всех теперь очевидно. При написании книги я исходил из того, что главная проблема, стоящая перед современным миром, — это проблема регулирования роста народонаселения, связанная с продовольственной проблемой во всемирном масштабе. Разумеется, я полагал при этом, что мы в состоянии выработать такой подход к проблеме, в основе которого лежали бы сознание коллективной ответственности и терпимость, позволяющие избежать конфликтных ситуаций и гибельных для нашей планеты последствий.

В настоящее время я и большинство моих коллег убеждены, что главная и неотложная задача сегодняшнего дня — предотвратить дальнейшее загрязнение планеты. Данные метеорологии свидетельствуют о том, что концентрация вредных частиц в верхних слоях атмосферы растет в наши дни с угрожающей быстротой. Мы хорошо знаем, что в прошлом интенсивная вулканическая деятельность приводила к сильному загрязнению атмосферы и поверхности Земли. В наши дни широкое применение стойких пестицидов принесло известную пользу в сельском хозяйстве, но во многих других отношениях оказалось гибельным для живой природы. Установлено, что ничтожные концентрации ДДТ в морской воде (менее одной миллиардной доли) способны уничтожить все живое в океане. Данные, полученные в самое последнее время (в частности, Радомским и его сотрудниками в университете Майами), говорят о том, что такие пестициды не только оказывают вредное действие на популяции птиц, уничтожающих насекомых, но могут также неожиданным образом повлиять и на человека. Загрязнение вод отходами промышленных предприятий стало в наши дни поистине международной проблемой. Куда бы я ни выезжал в последние годы, я нигде не мог обнаружить в ручьях и мелких речках никаких признаков жизни, а ведь в годы моего детства эти ручьи изобиловали мелкой рыбешкой и головастиками»[16].

В СССР и других социалистических странах загрязнение среды значительно ниже, но оно все же имеет место, и с ним ведется борьба. В союзных республиках приняты законы об охране природы, имеются общесоюзные законы по основам земельного законодательства, здравоохранению, водному законодательству, охране недр.

В области защиты окружающей среды в нашей стране сделано немало. Например, в системе химической промышленности создана ведомственная служба контроля, которая рассматривает все проекты строительства новых заводов и реконструкции старых с точки зрения их влияния на загрязнение среды. Так, на Невинномысском химическом комбинате были сооружены эффективные каталитические установки, и теперь над трубами предприятия уже нет «лисьих хвостов», ранее загрязнявших атмосферу. На Северодонецком химическом комбинате осуществлен замкнутый цикл водоснабжения, и сточные воды, пройдя очистку, вновь поступают в производство.

Очень важно, что с 1975 г. задания по защите недр, водоемов, воздушного бассейна, лесов, рыбных ресурсов включены в народнохозяйственные планы.

Анализ проблемы загрязнения среды с системных позиций приводит к выводу, что при данном уровне развития производительных сил вполне возможно такое оптимальное использование ландшафтов, когда, с одной стороны, получается высокий хозяйственный эффект, а с другой — не происходит загрязнения среды. Путь такой оптимизации — усиление отрицательных обратных связей, стабилизирующих ландшафт, повышающих его самоорганизацию. В связи с этим существенную роль при решении задач оптимизации играют методы кибернетики.

Важнейшая практическая задача науки о ландшафтах следовательно, состоит в разработке теории оптимизации культурного ландшафта, т. е. в установлении оптимальных режимов для различных природных районов. Для каждого района должен быть составлен план использования природных ресурсов, основанный на комплексном изучении природы, особенно на изучении связей между биокосными системами. Одним из путей познания таких связей является и геохимическое изучение ландшафтов.

Кроме характера связей (прямые или обратные) необходимо также учитывать важность связей в ландшафте, существование в нем играющего ведущую роль «структурного центра». В природном ландшафте центром часто служат растительность и почва водораздельных участков («водораздельный центр»). Культурный ландшафт по своей природе в еще большей степени, чем природный, представляет собой централизованную систему. Для его нормального функционирования, для оптимизации необходим центр, из которого осуществляется управление системой. Вместе с тем, как правило, культурные ландшафты не имеют управляющих центров либо отдельные их части (заводы, сельскохозяйственные поля, транспортные артерии и т. д.) управляются из самостоятельных независимых центров. Это и приводит к ослаблению отрицательных обратных связей, саморегулирования, «непредвиденным последствиям», загрязнению среды и т. д. Поэтому, рассматривая проблему с позиций системного анализа и используя его понятийный аппарат, можно сказать, что централизация культурных ландшафтов составляет одну из самых важных практических задач организации территории. В каждом культурном ландшафте или группе ландшафтов должны быть самостоятельные центры управления, регулирующие взаимоотношения между частями, решающие задачу оптимизации. Силами специалистов различного профиля в центре следует разрабатывать планы отдельных производственно-территориальных комплексов (экономические районы, культурные ландшафты и т. д.).

Систематика ландшафтов на геохимической основе. Принципиальное отличие ландшафтов от почв, илов, кор выветривания, водоносных горизонтов состоит в том, что в ландшафтах ведущее значение приобретает фотосинтез, в то время как в других биокосных телах он отсутствует (исключая верхние, освещенные солнцем, горизонты речной, озерной и морской воды) и сущность этих тел определяется процессами разложения органических веществ.

В ландшафтах разложение также играет важную роль, однако оно не определяет их главные особенности. Именно поэтому самые крупные единицы ландшафтов выделяются по характеру фотосинтеза — особенностям растительного покрова. Фотосинтез, как и разложение органических веществ, есть процесс окислительно-восстановительный, только здесь восстанавливаются углерод и водород, окисляется кислород (хотя это звучит и непривычно).

Кислород действительно при фотосинтезе окисляется, так как отдает электроны и переходит в свободное состояние. При разложении органических веществ, напротив, углерод и водород окисляются, а кислород или другие элементы (Fe3+, S6+) восстанавливаются — приобретают электроны.

Следовательно, во всех биокосных системах главная их особенность, геохимическая сущность, заключается в окислительно-восстановительных процессах. В ландшафтах ведущее значение имеют восстановление углерода, водорода, азота и окисление кислорода, в то время как в других биокосных телах, наоборот, основное значение имеют окисление углерода, водорода, азота и восстановление марганца, серы, кислорода, железа.

По особенностям образования живого вещества автор предложил выделять группы, типы и семейства ландшафтов. Особенно большое значение приобрели два параметра — общее количество живого вещества в ландшафте, или биомасса (Б) и годичная биологическая продуктивность — П. Их соотношение, т. е. П/Б, позволяет выделять группы ландшафтов (лесные, тундровые и т. д.), а соотношение логарифмов (lgП/lgБ) — типы (таежные, влажные тропические и т. д.). Крупные таксоны геохимической классификации ландшафтов — группы, типы, семейства, — в общем, близки к единицам растительного покрова геоботаники и типам ландшафтов физической географии. К наиболее крупным единицам — группам — относятся лесные, степные, тундровые и пустынные ландшафты. И с геохимических позиций рационально в типе таежных ландшафтов выделять семейства северной, средней и южной тайги. Такое соответствие не является чем-то неожиданным — ведь и геохимик и геоботаник, по сути дела, классифицируют одно и то же — продукты фотосинтеза, только критерии у них разные. Но если они правильно оценивают значение отдельных признаков, умеют выделять главное, то понятно, что выделяемые единицы должны совпадать или быть близкими друг к другу.

Анализируя различия ландшафтов в пределах семейств, например в северной тайге или южных черноземных степях, автор пришел к выводу, что здесь главная роль в дифференциации принадлежит геохимическим классам вод. Поэтому следующая единица геохимической классификации ландшафтов — класс — выделяется по особенностям вод. Так в классификации появились ландшафты сернокислого, кислого, содового, глеевого и прочих классов. Но химизм вод в разных частях ландшафта неодинаков: в почвах — один, в коре выветривания — другой и т. д. Очевидно, на основе принципа централизации при выделении классов необходимо исходить из геохимических особенностей растворов горизонта А водораздельных почв.

Сернокислые ландшафты возникают там, где окисляются сульфиды, формируется сернокислый класс коры выветривания, образуются сернокислые водоносные горизонты, сильнокислые почвы, сернокислые поверхностные воды. Почвы и континентальные отложения в сернокислых ландшафтах обычно обогащены металлами.

Особенности почв оказывают большое влияние на биологический круговорот атомов, в частности на флору и фауну. Например, М. А. Глазовская установила, что кора березы, растущей на солончаках в районе одного из медноколчеданных месторождений Южного Урала, содержала 0,06% меди (в золе) против 0,009% на безрудном участке. В сернокислых ландшафтах растения часто содержат много железа, цинка, серебра, свинца и других металлов.

Можно не сомневаться, что и животные в подобных ландшафтах отмечены своеобразным химическим составом. Естественно, что не все организмы могут приспособиться к столь необычным условиям (низкий pH, высокое содержание тяжелых металлов в почве). Поэтому и растительные сообщества (фитоценозы), и сообщества животных (зооценозы) сильно отличаются в сернокислых ландшафтах от ландшафтов других классов (иной видовой состав, обилие и т. д.).

Следовательно, своеобразная геохимическая обстановка сернокислых ландшафтов создала особые условия эволюции, весьма возможно, что это особые центры видообразования, где происходил отбор на химической основе. Изучение сернокислых ландшафтов поэтому представляет большой общебиологический интерес; подобные исследования, несомненно, прольют свет на многие загадки эволюции и видообразования. Весьма возможно, что некоторые виды организмов с высоким содержанием меди, цинка, свинца, серебра, золота и других металлов возникли в сернокислых ландшафтах.

Конечно, класс — это таксономическая единица невысокою ранга, и поэтому в тайге сернокислые ландшафты относятся к таежному типу, в тундре — к тундровому, в пустыне — к пустынному. Интересно, что самые кислые воды характерны именно для пустынь — там выпадает очень мало атмосферных осадков и серная кислота, образующаяся при окислении пирита и других сульфидов, почти не разбавляется.

Таким образом, все биокосные тела на участке окисляющегося сульфидного месторождения обогащены рудными элементами; здесь в почвах, водах, растениях образуются так называемые вторичные ореолы рассеяния, радиусы которых достигают многих сотен и даже тысяч метров. Поэтому определяя содержание рудных элементов в почвах, водах и растениях, можно искать месторождения полезных ископаемых. Теоретические основы подобных геохимических методов поисков хорошо разработаны, они применяются в СССР и за рубежом.

Сернокислые ландшафты возникают не только на участках окисления сульфидных руд, но и на пиритизированных глинах и сланцах, на серных месторождениях. В вулканических районах также встречаются сернокислые ландшафты, известны здесь и солянокислые.

Сернокислые ландшафты возникают и в результате хозяйственной деятельности. Например, в районах металлургических комбинатов, перерабатывающих сульфидные руды, в атмосферу поступает сернистый газ, который, окисляясь до серного ангидрида и соединяясь с водяными парами, дает серную кислоту. Поэтому в таких районах идут «кислые дожди», понижается pH почв и вод, местами в реках гибнет рыба, изреживается растительный покров. Схему сернокислого ландшафта изобразил В. Г. Прохоров (рис. 26). Эффективная борьба с загрязнением окружающей среды позволяет рекультивировать искусственные сернокислые ландшафты, превратить их в ландшафты другого класса. При строительстве новых предприятий следует применять прогрессивную технологию, исключающую сернокислое загрязнение окружающей среды.

Кислые ландшафты господствуют в лесной и тундровой группах, но встречаются также в горных лугах и других типах ландшафта. Не характерны они только для степей, пустынь и сухих саванн.

В районах влажного климата при формировании ландшафта на бескарбонатных породах кислые продукты разложения растительных остатков в почвах не могут быть полностью нейтрализованы и верхние горизонты почв приобретают кислую реакцию, pH понижается до 6—5, иногда даже до 4. Это подзолистые, бурые лесные, латеритные, красноземные, горно-луговые и прочие почвы. Грунтовые и речные воды в таких ландшафтах могут быть и слабокислыми, и нейтральными, и даже слабощелочными.

В кислой среде хорошо мигрируют многие металлы, особенно в комплексе с органическими соединениями. Поэтому в элювиальных почвах развивается кислое выщелачивание, они обедняются подвижными элементами, которые становятся дефицитными для растений и животных. Особенно характерен дефицит кальция — этого важного элемента скелета многих животных. Дикие и домашние животные в кислых ландшафтах часто имеют малые размеры, хрупкий скелет (ломкость костей), болеют рахитом и т. д. Птицы здесь несут мало яиц, скорлупа их тонкая. В кислых ландшафтах наблюдается дефицит и других элементов, с чем связана характерная реакция флоры, фауны, а местами и человека. Недостатком фтора в водах объясняется широкое распространение кариеса зубов, недостатком кобальта — малокровие домашних животных, недостатком азота, фосфора, калия, магния — низкие урожаи и болезни растений. Особенно большой дефицит наблюдается в кислых ландшафтах влажных тропиков и тайги, занимающих огромные пространства на земном шаре. Эти ландшафты, вероятно, были важными центрами видообразования, в них формировались виды организмов, хорошо приспособленные к кислой среде и дефициту элементов (чай, ель, трава кислица и др.). В кислых ландшафтах наблюдается также избыток некоторых элементов, оказывающих вредное влияние на организмы (марганец, водородный ион и др.).

Рис 26. Схема сернокислого ландшафта (по В. Г. Прохорову).

Кальциевые ландшафты характерны почти для всех типов ландшафтов, но преобладают они в черноземных степях. Почвы в ландшафтах кальциевого класса содержат много подвижного кальция в виде CaCO₃ или обменного кальция. Поэтому кислые продукты разложения органических остатков полностью нейтрализуются, почвы имеют нейтральную или слабощелочную реакцию, кислое выщелачивание отсутствует и металлы малоподвижны. Организмы здесь, как правило, полностью обеспечены кальцием, и болезней, связанных с его дефицитом, не наблюдается. В таких ландшафтах воды богаты кальцием, они чистые и прозрачные, почти не содержат растворенных коллоидов, так как кальций сильный коагулятор. Многие металлы здесь мигрируют слабо, анионогенные элементы — сильно (например, молибден).

Рис. 27. Сернокислые, кальциевые и переходные от кислых к кальциевым ландшафты в широколиственных лесах.

В тайге и широколиственных лесах наряду с кислыми распространены и кальциевые ландшафты, например в районах распространения известняков, мергелей, красноцветов, карбонатной морены (рис. 27). Биологический круговорот атомов здесь всегда протекает интенсивнее, Б и П больше. Животные получают достаточное количество кальция — их размеры больше, скелет крепче, яйца имеют более толстую скорлупу, у улиток и других моллюсков более массивные раковины и т. д. Эти ландшафты характеризуются большим плодородием почв; с них начинались земледельческое освоение тайги, развитие культуры, рост населения (Пермское Приуралье, районы города Каргополя в Архангельской области и др.).

В сухих степях и пустынях кальциевые ландшафты характерны для мелкосопочника и гор, реже они встречаются на равнинах.

Весьма вероятно, что кальциевые ландшафты были центрами формирования кальциефильных видов и родов растений, которые давно уже выделены ботаниками.

Соленосные ландшафты распространены мало и только в пустынях, где в течение длительного времени может существовать соленосная кора выветривания. Организмы здесь поставлены в крайне неблагоприятные условия, так как безводье сочетается с сильным засолением почв. Поэтому принадлежащие к данному классу соленосные горы производят впечатление крайней пустынности. Один из таких хребтов в Ферганской долине называется даже Махаугаук, что в переводе означает «горы прокаженных».

Ландшафты содового класса типичны для лесостепи, степей и саванн, где они обычно встречаются на террасах рек, плоских равнинах, в озерных котловинах. Нередко это — пятна площадью в десятки и сотни квадратных метров, которые, как оспины, усеивают степные равнины. К этим ландшафтам относятся солонцы и содовые озера, воды которых имеют pH более 8,5 и содержат соду. В подобных условиях легко мигрируют анионогенные элементы (кремний, молибден, селен и др.), причем многие малоподвижные металлы входят в состав растворимых анионов (иттрий, бериллий, цинк, скандий и т. д.). С другой стороны, железо, кальций, магний, стронций, барий практически неподвижны. Поэтому организмы в содовых ландшафтах поставлены в исключительно своеобразные условия сильнощелочной среды, дефицита многих важнейших элементов (особенно железа, кальция, магния), повышенного содержания непривычных редких элементов. Все это определяет возможность энергичного отбора на химической основе, формирования особых видов. К сожалению, эта интереснейшая проблема почти не исследована.

Кислые глеевые ландшафты широко распространены в районах влажного климата, равнинного рельефа и бескарбонатных пород. К ним относится большая часть равнинной тундры, многие таежно-мерзлотные ландшафты Восточной Сибири, таежно-болотистые равнины Западной Сибири и европейской части СССР, лесисто-болотистые низменности влажных тропиков и в их числе значительная часть Амазонии. Во всех этих районах в почвах развито сильное оглеение, легко мигрируют железо и марганец, в водах много растворенных органических веществ, реки и озера имеют черную и коричневую воду. Прекрасное описание природы таких ландшафтов в Подмосковье дал К. Г. Паустовский в своей повести «Мещерская сторона». Главным дефицитным элементом здесь является свободный кислород, недостаток которого определяет низкие величины биомассы (Б) и продуктивности (П). Интересно, однако, что их соотношение в виде показателя K=lgП/lgБ остается постоянным, что и позволяет относить кислые и кислые глеевые таежные ландшафты к одному типу:

	Б, ц/га	П, ц/га	К = lgП / lgБ
Кислая южная тайга и смешанные леса	3000	75	0,54
Заболоченная кислая глеевая южная тайга и смешанные леса	800	40	0,55

Помимо кислорода в ландшафтах кислого глеевого класса дефицитны и другие элементы, в них избыточны вода, водородный ион, вероятно, местами железо и марганец. Условия жизни для большинства организмов здесь менее благоприятны, чем в кислых ландшафтах. В хозяйственном отношении ландшафты кислого глеевого класса освоены слабо, население в них редкое. Только коренная мелиорация (осушение) способна повысить их продуктивность.

Ландшафты кислого глеевого класса были широко распространены и в геологическом прошлом, особенно в конце девона и в каменноугольном периоде, в палеогене. В то время на заболоченных тропических низменностях росли леса, остатки которых дали залежи угля, известные во многих районах земного шара, в том числе и на территории нашей страны.

Проблема влияния кислой глеевой среды на эволюцию жизни на Земле также исключительно интересна. Будущим исследователям следует особое внимание обратить на роль растворенного органического вещества в эволюции — ведь животные этих ландшафтов в течение многих поколений пили «коричневую воду», содержащую сотни различных органических соединений, многообразное влияние которых на жизненные процессы можно считать установленным (в водах найдены и канцерогены, и вещества типа витаминов, и многие другие физиологически активные соединения).

Ландшафты карбонатного глеевого класса встречаются в болотах тундры, тайги, широколиственных лесов, влажных тропиков на участках распространения карбонатных пород, где в почвах развито карбонатное оглеение. Это также плавни южнорусских рек, некоторые тугаи (пойменные леса) в долинах рек Средней Азии, болота лесостепи, степей.

И в этих ландшафтах главный дефицитный элемент — кислород, а главный тип мелиорации — осушение. После осушения многие территории очень пригодны для земледелия. Некоторые густонаселенные низменности южных стран в прошлом были ландшафтами карбонатного глеевого класса.

Типоморфными элементами этих ландшафтов являются кальций, железо (Fe2+), местами марганец (Mn2+), воды также содержат растворенное органическое вещество, хотя и в меньших количествах, чем в кислых глеевых болотах. Геохимия этих ландшафтов почти не изучена, их роль в эволюции жизни на Земле — тоже.

К содовым глеевым ландшафтам относятся некоторые болота и луга в районах развития солонцов и содовых солончаков. В геохимическом отношении они почти не изучены, несмотря на важность таких исследований.

Ландшафты сульфидных (сероводородных) классов характерны для морских побережий, подтопленных солеными водами, для солончаков и соленых озер степей и пустынь. Наиболее распространен соленосно-сульфидный класс, который известен почти во всех типах ландшафтов: от тундр до пустынь и влажных тропиков. Геохимию лесных соленосно-сульфидных болот влажных тропиков — мангров — охарактеризовала М. А. Глазовская. Это периодически затопляемые морем болотистые низменности, где в почвах развивается десульфуризация за счет восстановления сульфатов морской воды, почва приобретает черный цвет и имеет запах сероводорода. Местами сероводород заражает приземный слой воздуха. В результате размыва красноземных и латеритных почв возвышенностей мангры обогащаются взвесью, содержащей много гидроокислов железа, которые восстанавливаются в почве с образованием черного гидротроилита. Главный дефицитный элемент мангров — кислород; на это указывают, в частности, воздушные корни растений.

Условия жизни в манграх менее благоприятны, чем в кислом тропическом лесу, и поэтому величины Б и П меньше: биомасса такая же, как в северной тайге (1200 ц/га). Однако соотношение между Б и П общее для типа тропических лесов:

	Б, ц/га	П, ц/га	К = lgП / lgБ
Вечнозеленые тропические леса на красных почвах	6000	270	0,64
Мангры	1200	100	0,64

Это и дает основание включать мангры в тип ландшафтов тропических лесов.

Роль мангров как центров видообразования (отбор на химической основе) еще подлежит изучению.

Биосфера

В 1875 г. известный австрийский геолог Э. Зюсс (1831—1914) в книге, посвященной геологии Альп, наряду с атмосферой, гидросферой и литосферой выделил в качестве самостоятельной оболочки Земли биосферу — сферу жизни. Однако главная область научных интересов Зюсса была связана с тектоникой и региональной геологией; специально проблемой биосферы он не занимался[17].

Последующие 40 лет биосфера не привлекала внимания исследователей, и глубокой разработке этого понятия, созданию особого учения о биосфере наука обязана В. И. Вернадскому.

Вернадский стал размышлять о геологическом эффекте деятельности всей совокупности живых организмов, которую он назвал живым веществом. При таком подходе явления жизни можно было оценивать с геологических позиций, говорить о массе живого вещества так же, как о массе любой горной породы, выражать ее в тоннах. Особенно большое значение при этом приобретал энергетический подход, так как в отличие от горных пород живое вещество содержит огромное количество «действенной энергии» (по выражению Вернадского); оно совершает в земной коре большую работу, хотя и уступает горным породам по массе.

Развитие учения о биосфере. Вернадский пришел к выводу о том, что живое вещество представляет собой самую могучую геохимическую силу на земной поверхности. В 1928—1931 гг. он сформулировал очень четкие представления о пяти основных биогеохимических функциях живого вещества.

Первая функция — газовая. Ученый подчеркивал, что все газы верхней части земной коры порождены жизнью. Продуктом фотосинтеза зеленых растений является свободный кислород атмосферы, а продуктом дыхания всех организмов — углекислый газ. Вернадский полагал, что и азот атмосферы имеет биогенное происхождение. Углеводороды также в значительной степени являются продуктом жизнедеятельности микроорганизмов. Недаром самый распространенный углеводород метан (СН₄) еще в старину именовался болотным газом. Наконец, сероводород, как мы убедились, в основном образуется при микробиологическом разложении сульфатов.

Многие другие газы тоже биогенны. Вернадский, в частности, отмечал большую роль «запахов», т. е. газообразных пахучих органических соединений. В наши дни под именем фитонцидов они являются предметом детальных исследований биологов.

Исключительно важна и вторая — концентрационная — функция живого вещества, так как организмы накапливают в своих телах многие химические элементы. Наиболее наглядный пример — каменные и бурые угли, торф, образовавшиеся из остатков растений и являющиеся концентраторами углерода. По сравнению со средним содержанием в земной коре (2,3 · 10-20%) в углях содержание углерода повышено в тысячи раз! Большинство геологов полагает, что и нефть — концентратор углерода и водорода — имеет биогенное происхождение.

Концентрационная функция живого вещества проявляется и в истории кальция. Достаточно напомнить о целых горных хребтах, сложенных остатками животных с известковым скелетом («Известковые Альпы» и т. д.).

Известны организмы — концентраторы кремния. Их деятельности обязаны отложения многих кремнистых горных пород, состоящих из остатков диатомовых водорослей, кремнистых губок и других организмов.

Концентраторами йода служат морские водоросли, железа, марганца, серы — особые бактерии, фосфора — позвоночные животные и т. д.

Третья — окислительно-восстановительная — функция играет важную роль в истории многих элементов с переменной валентностью. Напомним, что окисление и восстановление железа, серы, марганца, о которых говорилось в этой книге, связаны с деятельностью микроорганизмов. В истории азота, меди, селена, урана, кобальта, ванадия, молибдена и т. д. окислительно-восстановительная функция живого вещества также играет огромную роль.

К четвертой — биохимической — функции Вернадский отнес такие явления, как рост, размножение, перемещение живых организмов, которые имеют важное геологическое значение, так как приводят к быстрому распространению живых организмов — «давлению жизни».

Владимир Иванович ВЕРНАДСКИЙ (1863—1945)

Наконец, пятая функция — биогеохимическая деятельность человечества — представляет собой большую и самостоятельную область фактов, которые уже выходят за рамки понятия о биокосных системах.

Рассматривая деятельность живого вещества за все время геологической истории, Вернадский пришел к выводу, что организмы создали современную азотно-кислородную атмосферу, изменили состав литосферы и гидросферы. Именно поэтому ту часть Земли, где работает живое вещество, следует рассматривать как особую оболочку планеты — биосферу. К ней принадлежат тропосфера, весь Мировой океан, литосфера до глубины в несколько километров. Учение о биосфере, о геологической деятельности живого вещества Вернадский оформил в самостоятельную науку — биогеохимию. Он создал представление о «биокосных телах» — подсистемах биосферы. В этих представлениях Вернадский поднял Докучаевское учение на новый уровень — вскрыл сам механизм деятельности биокосных систем.

В представлениях о биосфере Вернадский во многом опередил свое время, и первые годы его идеи воспринимались с трудом или даже полностью отвергались. Ученым казалось, что Вернадский сильно преувеличил роль живого вещества. Они полагали, что главную роль на земной поверхности играют могучие неорганические силы природы, к которым живые организмы лишь вынуждены приспосабливаться.

Особенно четко подобная концепция была сформулирована в трудах крупного советского петрографа и геохимика Л. В. Пустовалова. Он писал: «...процесс минерального образования в основном определяется вовсе не жизнедеятельностью организмов, а совершенно иными факторами (ликом Земли, осадочной дифференциацией, процессами разрушения изначальных минералов и т. д.). Организмы, сами зависящие в своем развитии от неорганической жизни земного шара, не могли и не могут самостоятельно играть той будто бы ведущей и определяющей роли, которую ошибочно нередко приписывают им в данном случае.

Попутно небезынтересно отметить, что, по В. И. Вернадскому, общий вес живого вещества Земли равен примерно 1014 т, что по сравнению с весом земной коры до глубины 20 км составляет лишь одну стотысячную ее часть»[18]. Пустовалов здесь допускал ошибку, свойственную многим его современникам — противникам биогеохимических идей Вернадского. Говоря о ведущем значении неорганических факторов, он не понимал, что сами эти факторы, как, например, pH вод, содержание кислорода, углекислого газа, сероводорода и других активных веществ в окружающей среде, являются продуктом жизни, эффектом работы живого вещества.