Таковы основные вехи развития научной мысли о планетарном значении жизнедеятельности организмов и их тесной взаимосвязи с неживым веществом окружающей среды. Многочисленные, но разрозненные и трудно сопоставимые факты и гипотезы нуждались в обобщении на новой методологической основе. Эту основу предоставила геохимия.
Согласно принципам этой науки, любой объект можно охарактеризовать соотношением образующих его атомов химических элементов. Геохимический подход позволяет сопоставлять и сравнивать самые различные природные тела и процессы. В частности, определив средний суммарный состав живых организмов Земли и сопоставив его со средним составом земной коры, можно оценить направленность геохимической деятельности живого вещества во времени. Определив массы химических элементов, ежегодно захватываемых приростом растительности Мировой суши, и массы этих же элементов, выносимых с годовым стоком всех рек, можно получить представление о значимости каждого из планетарных процессов. Геохимический подход дает возможность объективно, на строго научной основе оценить планетарный эффект деятельности живого вещества или отдельных групп живых организмов.
Развитие геохимии в разных странах шло различными путями. В США было положено начало статистическому изучению распределения химических элементов. Химик геологической службы США Ф.У. Кларк с целью установления средних значений концентрации десяти главных химических элементов в основных типах горных пород, природных водах и других объектах в 80-х гг. XIX в. приступил к обобщению имевшихся аналитических данных. С 1889 г. по 1924 г. он несколько раз публиковал все более обоснованные сведения о среднем содержании химических элементов. Книга Ф. Кларка «The Date of Geochemistry» явилась первым объективным обоснованием закономерностей распределения главных химических элементов в земной коре.
В Европе геохимия складывалась на базе минералогии - науки о природных химических соединениях и процессах их образования. По этой причине главное внимание уделялось процессам, определявшим распределение химических элементов.
В Норвегии при университете в Осло сложилась сильная научная школа минералогов и химиков, представители которой изучали распределение и соотношение элементов в связи с физико-химическими процессами рудо- и породообразования. В недрах этой научной школы сформировался как ученый выдающийся геохимик В.М. Гольдшмидт. Он разработал учение о глобальных закономерностях распределения химических элементов в зависимости от строения их атомов и ионов.
В России становление геохимии происходило на кафедре минералогии Московского университета. Возглавлявший кафедру В.И. Вернадский читал оригинальный курс генетической минералогии, где внимание акцентировалось не только на внешних свойствах и признаках минералов, что было свойственно классической описательной минералогии, но и на динамике их образования. Проблемы истории образования минералов привели В.И. Вернадского к изучению природных процессов на атомном уровне. В дальнейшем он разработал основополагающие положения геохимии о миграции химических элементов, о значении изоморфизма для распределения элементов в земной коре, о формах нахождения элементов и явлении их рассеяния.
Перечисленные направления геохимии сыграли важную роль в формировании биогеохимии.
3. В.И. Вернадский и создание биогеохимии
В.И. Вернадский - одна из наиболее выдающихся личностей в истории науки XX в. Его разносторонняя деятельность оставила глубокий след в истории отечественной науки. Он является основателем нескольких крупных научных направлений в современном естествознании. Вершина его научного творчества - создание учения о живом веществе, его планетарной геохимической роли и уникальной оболочке Земли, порожденной живым веществом, - биосфере.
В.И. Вернадский получил высшее образование на естественном отделении физико-математического факультета Петербургского университета в 1881-1885 гг. В эти годы в столичном университете был представлен цвет российской науки. Наибольшее впечатление на юного студента произвел В.В. Докучаев. В 1904 г. В.И. Вернадский писал о своем учителе: «Это была крупная своеобразная фигура, резко выделявшаяся на фоне бледной русской общественности; и всякий, кто с ним сталкивался, чувствовал влияние и осознавал силу его своеобразной индивидуальности. В истории естествознания России в течение XIX в. немного найдется людей, которые могли бы быть поставлены наряду с ним по влиянию, какое они оказывали на ход научной работы, по глубине и оригинальности их обобщающей идеи».
Идеи В.В. Докучаева о всеобщей взаимосвязи компонентов природы и живых организмах как неотъемлемой составной части почвы и одновременно важнейшем факторе ее образования явились отправной научно-философской основой, на которой сформировались разработанные В.И. Вернадским генетическая минералогия и геохимия, а затем биогеохимия и учение о биосфере.
Концепция живого вещества создавалась на рубеже XIX-XX вв. В.И. Вернадский указывал, что биогеохимические проблемы начали его интересовать с 1891 г., когда он приступил к работе над созданием курса генетической минералогии в Московском университете. Но можно предполагать, что мысли о направленном воздействии живых организмов на неживую природу возникли еще раньше под влиянием лекций Докучаева о факторах почвообразования.
С 1916 г. В.И. Вернадский начинает многолетнюю работу по созданию «науки о жизни». Прежде всего, необходимо было разработать подход к объективной оценке живого вещества и эффекта его деятельности. Пути решения этой совершенно новой задачи Вернадский наметил в 1918-1919 гг., когда под его руководством проводились первые биогеохимические исследования на Украине, где он возглавлял только что организованную Украинскую академию наук. В начале 20-х гг. он излагает свои идеи в докладах в Петрограде, Праге, а затем в курсе лекций, прочитанных в Сорбонне. В.И. Вернадский считал: «…чтобы правильно оценить геохимическое значение живого вещества, мы должны знать для этого, во-первых, средний элементарный химический состав всех организмов, живого вещества и, во-вторых, выразить его количественно, знать вес живого вещества. Этот состав и этот вес мы должны связать с весом и составом среды, в которой земное вещество находится».
В результате настойчивых усилий В.И. Вернадского в 1928 г. была создана Биогеохимическая лаборатория АН СССР, которую он возглавлял до конца своих дней. К сожалению, по причине малочисленности сотрудников лаборатории и недостаточности средств экспериментальные исследования были ограничены определением содержания химических элементов в разных организмах. Большая и весьма трудоемкая работа по определению масс живых организмов осталась неосуществленной. Эта работа была широко развернута после смерти В.И. Вернадского во второй половине XX в. экологами, почвоведами, океанологами. Полученные данные о динамике живого вещества полностью подтвердили мысли В.И. Вернадского о биогеохимических циклах миграции химических элементов как основе существования биосферы.
В.И. Вернадский был убежден в перспективности биогеохимических исследований не только для познания фундаментальных законов жизни, но и для решения конкретных производственных задач. Для оказания практической помощи народному хозяйству он настойчиво добивался постановки биогеохимических исследований на различных производственных объектах. Его предложения не вызвали интереса у руководителей сельского хозяйства страны, но получили поддержку геологической службы. По инициативе Вернадского в середине 30-х гг. XX в. была начата работа по созданию биогеохимического метода поисков месторождений руд.
4. Соотношение биогеохимии с геохимией, биологией и почвоведением
Биогеохимия методологически тесно связана с геохимией. Эти науки изучают распределение химических элементов в пространстве и во времени, возникновение и трансформацию разных форм нахождения элементов, процессы их миграции, проявления рассеяния и аккумуляции в разных природных условиях. Различие двух наук заключается в том, что геохимия преимущественно изучает поведение элементов в природных растворах, расплавах и продуктах кристаллизации, состояние и взаимопереходы которых определяются законами термодинамики, физической химии и кристаллохимии, а биогеохимия изучает миграцию и распределение химических элементов в биосфере, где главной движущей силой является деятельность организмов. Это различие такое же глубокое, как различие между неорганической и молекулярной химией. Разумеется, существуют природные обстановки и процессы, в которых действие законов геохимии и биогеохимии тесно переплетаются. Идеи В.И. Вернадского о планетарной роли живого вещества обогатили теорию геохимии и создали основу для выяснения некоторых важных геологических процессов, в том числе процессов осадочного рудообразования.
Биогеохимия связана и с другими науками о Земле, особенно с теми, что изучают состав горных пород, минералов, природных вод и газов, а также развитие природной среды на протяжении геологической истории.
Своеобразно складывались взаимоотношения идей Вернадского с биологическими науками. В.И. Вернадский полагал, что изучение живого организма изолированно от среды обитания методологически ошибочно, ибо и то, и другое неразрывно связаны. Он считал, что, изучая живые организмы, биологи в большинстве своих работ оставляют без внимания неразрывную связь, тончайшую функциональную зависимость, существующую между окружающей средой и живым организмом, заменяют сложные явления природы упрощенными моделями.
В то же время известно критическое отношение к биогеохимии представителей физико-химической биологии, которые не видели смысла в определении содержания химического элемента в организме без изучения его конкретных органических соединений, расшифровки их молекулярной структуры, изучения типа связей данного элемента с другими. Здесь уместно еще раз вспомнить, что главной задачей биогеохимических исследований является изучение массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой. Эта задача не входит в сферу интересов комплекса наук физико-химической биологии (биохимии, молекулярной и биоорганической химии), но близка к целям биологических наук, изучающих связи между организмами и средой их обитания: геоботаники, биоценологии и особенно экологии. Идеи и подходы биогеохимии весьма перспективны для развития экологии. Изучению массообмена в экосистемах уделяется большое внимание при экологических исследованиях.
Благодаря очень непродолжительным жизненным циклам микроорганизмов геохимический эффект их деятельности наглядно свидетельствует о справедливости главного положения биогеохимии: глубокой взаимозависимости состава окружающей среды и живого вещества. По этой причине принципы биогеохимии были органично восприняты микробиологией. С одной стороны, микробиологи установили закономерное преобразование химического состава воды замкнутых бассейнов под влиянием микробиологической деятельности и важную роль микроорганизмов в глобальном газовом режиме. С другой стороны, было обнаружено, что микроорганизмы, обитающие в илах и почвах (бактерии и актиномицеты), могут адаптироваться к сильно различающимся уровням концентрации кобальта, молибдена, меди, ванадия, урана, селена и бора. Эта способность передается по наследству, благодаря чему адаптация сопровождается перестройкой популяций микроорганизмов.
Страницы: 1, 2, 3
