CC BY
103
УДК 551.1
В.С. Савенко1
ЭКОЛОГИЯ В ГЕОХИМИИ
Рассмотрено современное состояние экологического направления в геохимии в контексте общей тенденции экологизации наук о Земле. Отмечена важная роль русской школы системного естествознания (В.В. Докучаев, В.И. Вернадский, Б.Б. Полынов, В.Н. Сукачев, Н.В. Тимофеев-Ресовский и др.) в становлении экологической геохимии, изучающей на атомно-молекулярном уровне строение и развитие системы человек — биота — абиотическая окружающая среда. Объектом изучения экологической геохимии является экосфера — система внешних геосфер Земли (атмосфера, гидросфера и верхняя часть литосферы до зоны метаморфизма включительно), представляющая собой «дом» для всего живого, в том числе человека.
Ключевые слова: геохимия, экология, экологическая геохимия, экосфера.
The modern state of ecological direction in geochemistry in context of general tendency of the Earth's sciences ecologization is considered. The key role of Russian school of system natural sciences (V.V. Dokuchaev, V.I. Vernadsky, B.B. Polynov, V.N. Sukachyov, N.V. Timofeev-Resovsky, and others) in development of ecological geochemistry studying the structure and the progress of system people — biota — abiotic environment at a nuclear-molecular level is noted. Object of studying of the ecological geochemistry is ecosphere — system of external geospheres of the Earth (the atmosphere, the hydrosphere, and the top part of the lithosphere up to metamorphism zone inclusive) representing "house" for all lively, including people.
Key words: geochemistry, ecology, ecological geochemistry, ecosphere.
Экология и науки о Земле. Рождение науки экологии принято связывать с публикацией в 1866 г. книги Э. Геккеля «Всеобщая морфология организмов», в которой общая наука об отношениях организмов с окружающей средой была названа так: совокупность всех биотических и абиотических условий существования организмов, оказывающих влияние на их жизнедеятельность и эволюцию. Возникнув как отрасль биологии, экология сначала изучала преимущественно влияние факторов окружающей среды на организмы. Другой стороне взаимодействия организмов с окружающей средой, а именно изменению окружающей среды организмами, уделялось значительно меньше внимания, но признавалось, что оно есть неотъемлемый атрибут взаимодействия.
В 30—40-х гг. прошлого века в экологии быстрыми темпами стало развиваться системное направление, объекты изучения которого — биологические системы разных уровней организации (вид, популяция, биоценоз, биогеоценоз, экосистема). Сюда же были причислены биогеоценозы и экосистемы вообще, хотя отнесение их к биологическим системам надорганизменного уровня весьма условно, поскольку в их состав входят как биотические, так и абиотические компоненты среды обитания организмов. Изучение структуры, функционирования и развития биотического компонента биогеоценозов находится в ведении биологии. Когда биогеоценозы рассматриваются в целом как природные системы определенного типа, исследования выходят за рамки биологии и составляют предмет изучения биогео-
ценологии — самостоятельной и, как подчеркивали Н.В. Тимофеев-Ресовский и А.Н. Тюрюканов [1967], небиологической науки, идейно связанной с докуча-евским почвоведением.
В течение длительного времени экология оставалась чисто биологической наукой, в которой в конечном счете все было направлено на изучение влияния абиотических и биотических факторов окружающей среды на состояние, функционирование и развитие (эволюцию) биологических систем. Преобразования окружающей среды, производимые организмами, рассматривались, как правило, с точки зрения изменения условий их существования. Экология виделась наукой, изучающей взаимоотношения живой и неживой природы с точки зрения отражения этих взаимоотношений в органическом мире. Именно в таком — биоцентристском — виде экология заняла свое место в структуре биологических знаний.
Во второй половине ХХ в., когда стало ясно, что неконтролируемый рост промышленного и сельскохозяйственного производства ведет к изменению окружающей среды, несовместимому с условиями биологического существования человека, слово «экология» стали употреблять в контексте взаимоотношений человека с окружающей биотической и абиотической средой. Под экологией многие стали подразумевать науку (или комплекс наук) о взаимодействии общества и природы. Более умеренные авторы, избегая «недружественного» поглощения биологической экологии, предлагали называть это направление исследований экологией человека или социальной
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра гидрологии суши, вед. науч. с., профессор, e-mail: [email protected]
экологией (социоэкологией). Для исследований системы человек — окружающая среда предлагалось также использовать нейтральное название: учение об окружающей среде, близко соответствующее широко распространенному в западной литературе названию энвайронментология (environmental science).
Антропоцентризм, став методологической основой «новой» экологии, повлек за собой распространение чисто утилитарного вйдения экологических проблем и сведение экологических исследований к разработке природоохранных и санитарных мероприятий. Этому в немалой степени способствовало преобладание в научной среде идеологии экологического конформизма, согласно которой все негативные последствия хозяйственной деятельности можно легко устранить, обладая более совершенными технологиями и необходимыми финансовыми ресурсами. Другая причина расширения экологии и сведения ее к природоохранным мероприятиям заключалась в стремлении многих представителей науки из конъюнктурных соображений приобщиться к модной экологической тематике. В итоге к экологии стали относить любые природоохранные мероприятия, разработку энерго- и материалосберегающих технологий, оптимизацию землепользования и т.п.; в настоящее время насчитывается более сотни разного рода самостоятельных «экологий» (в том числе таких, как экология личности, экология культуры, экология сознания). Логическим обоснованием процесса неконтролируемого размножения псевдоэкологических дисциплин служит тезис, согласно которому цель всех экологических исследований заключается в поиске путей обеспечения нормальных условий жизни людей [Горшков, 1995]. Такое утверждение, однако, в равной степени применимо к любой науке, и нельзя не согласиться с Г.А. Заварзиным [2003], который назвал нынешний экологический бум экодемагогией.
Но будет ли верно ограничить употребление слова «экология» и использовать его только в связи с изучением взаимоотношений (взаимодействий) организмов с окружающей средой? Дословно экология — это наука о жилище, причем очень важно смысловое содержание, вкладываемое в понятие «жилище». В классической экологии оно соответствует совокупности живых организмов и среды их обитания, т.е. дому вместе с жильцами. С появлением человека изменился качественный состав жильцов, усложнились и принципиально изменились взаимоотношения между ними, но при этом в полной мере сохранилась возможность рассмотрения таких объектов в качестве специфических экосистем (природно-антропогенных) со всеми вытекающими последствиями в отношении расширенного толкования экологии. Как только в область изучения экологии вошел человек с его хозяйственной деятельностью, она утратила свое первоначальное чисто биологическое содержание и стала превращаться в междисциплинарное научное направление, объединяющее с определенной точки
зрения естественные, гуманитарные и технические науки. В основе объединения лежит новая экологическая парадигма, согласно которой человеческое общество, органический мир и абиотическая среда являются функционально сопряженными компонентами единой экосистемы планетарного масштаба.
Хозяйственная деятельность несвойственна остальному органическому миру. Она протекает во взаимосвязи с абиотическими и биотическими процессами и вместе с ними создает особую форму структурно-функциональной организации земного пространства. Мы не знаем и, откровенно говоря, пока не слишком стремимся узнать законы, которые определяют функционирование и развитие природно-антропогенных экосистем, состоящих из абиотических компонентов окружающей среды, биоты и человеческого общества вместе с созданной им техникой и социально-производственной инфраструктурой. Выяснение этих законов — общенаучная фундаментальная и, несомненно, экологическая проблема.
В.В. Докучаев одним из первых указал на необходимость всесторонне изучать неразрывную триаду человек, живая и неживая природа. В публичной лекции, прочитанной в 1898 г., он сказал: «В самое последнее время... все более и более начинает выделяться из обширнейшей области биологических наук и обособляться в особую дисциплину. учение о тех соотношениях и взаимодействиях (а равно и законах, управляющих вековыми изменениями их), которые существуют между так называемыми живой и мертвой природой, с одной стороны, и человеком, со всеми многообразными проявлениями его физической и духовной жизни, — с другой» [Докучаев, 1961, с. 55]. Эти слова, произнесенные более ста лет назад, столь же актуальны и в наши дни, когда кризис во взаимоотношениях человека с природой достиг предела и когда создание комплексного учения о взаимоотношениях между человеком, живой и неживой природой стало жизненно необходимой задачей современной цивилизации. Происходящий в настоящее время процесс экологизации науки, несомненно, ведет к формированию новой экологии — междисциплинарного научного объединения, целью которого является комплексное изучение системы человек — биота — абиотическая окружающая среда.
Для новой экологии предлагали много названий: большая экология, экология с большой буквы, мега-экология, глобальная экология, социальная экология, экология человека, эколономия, геоэкология и др. Последнее название — геоэкология — представляется предпочтительным, поскольку геоэкология в дословном переводе означает науку о доме (жилище), расположенном на Земле. Все природные и антропогенно измененные экосистемы не только занимают определенную часть земного пространства, но и создают его и в совокупности образуют жилище, современными обитателями которого являются живые организмы и человек. Поэтому предметом изучения
этой науки можно считать закономерности функционирования и эволюции естественных и техногенных биокосных геосистем всех уровней иерархической организации. По существу, такое представление о геоэкологии полностью соответствует современному расширенному пониманию экологии.
Геоэкология очень близка к географии, которой У. Дэвис еще в самом начале ХХ в. отводил роль глобальной экологической дисциплины, считая предметом ее изучения взаимоотношения между живой и неживой природой. Воздействие хозяйственной деятельности на живую и неживую природу и обратное влияние измененной окружающей среды на человека также давно стало предметом географических исследований. Более того, сам термин «геоэкология» был впервые использован в 1939 г. немецким географом К. Троллем в качестве синонима ландшафтной экологии [Тролль, 1972]. Реально география изучает область взаимного проникновения и сосуществования трех фазовых состояний земного вещества (атмосферы, гидросферы и литосферы), в которой осуществляется климатический круговорот вещества. Эта область, включающая нижние слои атмосферы, Мировой океан и верхний деятельный слой суши, называется ландшафтной оболочкой и является функциональным ядром биосферы. Различные компоненты ландшафтной оболочки (органический мир, почвы, природные воды, атмосфера) изучают биоценология, почвоведение, океанология, гидрология, метеорология и другие специальные науки, имеющие географические направления, где внимание акцентируется на пространственном аспекте строения и функционирования изучаемых объектов.
Собственно география направлена на выяснение общей структурно-функциональной организации ландшафтной оболочки и представляет собой, по существу, топологию многомерного пространства последней, в котором измерениями, помимо пространственных координат и времени, являются все учитываемые физические, химические, биологические и другие параметры. Если бы при взаимодействии между биотой, хозяйствующим человеком и абиотической средой все системообразующие процессы были локализованы в пределах ландшафтной оболочки, геоэкологию, действительно, можно было бы рассматривать как избыточный синоним географии.
Однако нижняя граница ландшафтной оболочки, ограничивающая проникновение географов в недра Земли, как на суше, так и в океане, проходит в литосфере на глубине нескольких десятков, в лучшем случае сотен метров. Глубже расположена область исключительного ведения геологии, изучающей процессы, не менее важные для существования жизни на Земле, чем те, которые протекают в ландшафтной оболочке. В первую очередь это относится к регенерации необходимых автотрофам «питательных веществ» (СО2, СН4, Н2О и другие летучие компоненты), возвращающихся в биосферу в результате метаморфизма
осадочных пород при высоких значениях температуры и давления. В отсутствие этого процесса при современном уровне первичной продукции органического вещества экосистемами Земли весь доступный авто-трофным организмам неорганический углерод был бы полностью утилизирован всего лишь за 140 тыс. лет [Савенко, 2004], а это означало бы прекращение жизни на нашей планете. Не менее важны для жизни на Земле и геотектонические процессы, благодаря которым происходит конвективная циркуляция литогенного материала в земной коре, осуществляется перемещение материков, а также имеют место другие явления, побуждаемые к действию силами, находящимися за пределами ландшафтной оболочки. Поэтому геоэкология не является ни синонимом, ни частным разделом географии, геологии или биологии. Геоэкология — это междисциплинарное научное направление, изучающее глобальную геосистему человек — биота — абиотическая окружающая среда, которую можно назвать экосферой.
Экологическое направление в геохимии. Геохимия изучает природные объекты и явления на атомно-молекулярном уровне, выясняя законы и историю миграции атомов химических элементов в пространстве Земли. Современные аналитические методы позволяют достаточно точно определять количество любого химического элемента в любом объекте, доступном для отбора образцов. Геохимический язык очень прост, поскольку геохимический «алфавит» включает всего около 90 «букв» — химических элементов, а геохимическое описание самых разных объектов и явлений природы обладает значительной универсальностью, поскольку в основе современной геохимии лежат фундаментальные законы физики и химии. В силу этих обстоятельств геохимический подход позволяет на единой количественной основе рассматривать разнообразные природные и антропогенные процессы, что имеет неоценимое значение при решении комплексных экологических проблем, затрагивающих человеческое общество, живую и неживую природу в их неразрывном единстве.
Формирование научных дисциплин происходит в том случае, если изучаемый объект (явление) обладает некоторой совокупностью свойств, существенно отличающих его от других объектов (явлений). Геохимия в этом отношении не исключение. Однако с точки зрения химии все геохимические процессы протекают в строгом соответствии с химическими законами. Мы не знаем ни одного факта, который свидетельствовал бы о том, что взаимодействие электронных оболочек атомов в природных условиях происходит не так, как при тех же условиях в химических лабораториях или технологических процессах. Тем не менее само существование геохимии указывает на наличие у геохимических процессов специфических черт. Химические и химико-технологические процессы идут в условиях, которые создает человек. Совсем иная ситуация возникает в геохимии,
где условия задаются эволюционно сложившейся формой структурно-функциональной организации природных систем, или, иными словами, формой пространственно-временного сопряжения элементов систем и элементарных процессов, их связывающих. Геохимические процессы протекают в условиях, определяемых системной организацией природы, и в этом заключается их принципиальное отличие от чисто химических процессов, а геохимии от химии.
Истоки эколого-геохимических воззрений можно найти уже на первых этапах зарождения научной химии. На рубеже ХУШ—Х1Х вв. химик А.Л. Лавуазье и биолог Ж.-Б. Ламарк независимо друг от друга дали описание биотического круговорота веществ в природе и указали на его определяющую роль в формировании вещественного состава и строения земной поверхности. При этом Ж.Б. Ламарк обратил внимание на то, что, действуя непрерывно, живые организмы, несмотря на их ничтожную массу по сравнению с неживой материей, за длительное время изменяют окружающую среду не менее сильно, чем абиогенные процессы. Спустя 100 лет схожие представления о биогенной миграции как о глобальном биотическом круговороте вещества, в котором участвует весь органический мир нашей планеты, высказал выдающийся микробиолог С.Н. Виноградский в речи «О роли микробов в общем круговороте жизни», произнесенной в 1896 г. на собрании членов Императорского Института экспериментальной медицины. «Вся живая материя, — говорил он, — восстает перед нами как одно целое, как один огромный организм, заимствующий свои элементы из резервуара неорганической природы, целесообразно управляющий всеми процессами своего прогрессивного и регрессивного метаморфоза и, наконец, отдающий снова все заимствованное назад мертвой природе» [Виноградский, 1996, с. 1120].
В наиболее общей форме экологическая парадигма в геохимии реализовалась В.И. Вернадским в учении о биосфере, в котором живые организмы и среда их обитания рассматривались в неразрывном единстве и взаимосвязи миграционных потоков атомов химических элементов. В изданной в 1926 г. небольшой книге «Биосфера» сформулировано несколько фундаментальных положений, имеющих непосредственное отношение к экологии.
Первое положение констатировало существование на Земле единого механизма, посредством которого различные геологические (планетные) процессы, включая явления жизни, определенным образом взаимодействуют и организуются в пространстве и времени, образуя динамическую структуру, элементом которой является биосфера — часть земного пространства, где существуют живые организмы. Понятие жизни связывалось не с отдельными организмами и даже не с их совокупностью, а с функционированием биосферы как целостной системы. «Явления жизни, — указывал В.И. Вернадский, — должны быть
рассматриваемы как части механизма биосферы, и те функции, какие живое вещество исполняет в этом сложном, но вполне упорядоченном механизме — биосфере, основным глубочайшим образом отражаются на характере и строении живых существ» [Вернадский, 1960, с. 48—49]. Это утверждение формулирует главную цель системно-экологического подхода в науках о Земле — выяснение способов (механизмов) сопряжения физических, химических и биологических процессов, приводящих к формированию определенной структурно-функциональной организации пространства жизни.
Второе положение указывало на организующую роль в биосфере космической энергии, особенно излучения Солнца. То, что солнечное излучение составляет энергетическую основу жизни на Земле, было известно задолго до В.И. Вернадского. Новое состояло в утверждении, что энергия космоса формирует на поверхности Земли особую динамическую структуру определенным образом взаимосвязанных потоков вещества, создающих облик биосферы. В.И. Вернадский писал: «Вещество биосферы благодаря им (космическим излучениям. — В.С.) проникнуто энергией; оно становится активным, собирает и распределяет в биосфере полученную в форме излучений энергию, превращает ее в конце концов в энергию в земной среде, свободную, способную производить работу... Лик Земли ими меняется, ими в значительной степени лепится. Он не есть только отражение нашей планеты, проявление ее вещества и ее энергии, он одновременно является и созданием внешних сил космоса. Благодаря этому история биосферы резко отлична от истории других частей планеты, и ее значение в планетном механизме совершенно исключительное» [Вернадский, 1960, с. 10—11].
Третьим фундаментальным положением стало признание определяющей роли биоты в создании биосферы: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. И чем более мы изучаем химические явления биосферы, тем более мы убеждаемся, что на ней нет случаев, где бы они были независимы от жизни. И даже больше — становится ясным, что прекращение жизни было бы неизбежно связано с прекращением химических изменений если не всей земной коры, то, во всяком случае, ее поверхности — лика Земли, биосферы» [Вернадский, 1960, с. 21].
Для современного этапа развития экологического направления в геохимии особое значение имеют рассуждения В.И. Вернадского относительно хозяйственной деятельности человека как новой формы биогеохмических процессов. В «Очерках геохимии» В.И. Вернадский дал следующую характеристику геохимической деятельности человека: «Человек ввел в структуру планеты новую форму действия живого вещества на обмен атомов живого вещества с косной
материей. Раньше организмы влияли на историю только тех атомов, которые были нужны для их роста, размножения, питания, дыхания. Человек расширил этот круг, влияя на элементы, нужные для техники и для создания цивилизованных форм жизни. С дальнейшим развитием цивилизации влияние этих процессов должно все возрастать, миграция атомов на биогенном базисе будет все больше расширяться и в то же время будет расти число ею захваченных атомов. Очевидно, что это не случайный факт, что он был предзаложен всей палеонтологической эволюцией. Это такой же природный факт, как и остальные» [Вернадский, 1954, с. 222—223].
Это исключительно важное эмпирическое обобщение В.И. Вернадского дает основание считать, что решение экологических проблем современности нельзя искать в простом снижении интенсивности хозяйственной деятельности до уровня, который не искажал бы существенным образом естественную организацию биосферных процессов, так как это был бы путь назад, противоречащий процессу эволюции жизни на Земле. В то же время такое обобщение указывает на возможность «примирения» человека с биосферой. Хозяйственная деятельность, сознательно развиваемая и управляемая, должна быть приведена в соответствие с теми принципами организации биосферных процессов, которые сложились в результате длительной совместной эволюции биотических и абиотических компонентов и которые обеспечивали устойчивое развитие биосферы на протяжении миллиардов лет.
В.И. Вернадский указывал, что все геохимические проявления жизни на Земле связаны с процессами размножения и метаболизма [Вернадский, 1954, 1960]. Человек тоже является живым организмом, и все физиологические процессы, находимые у животных, ему также присущи. Но метаболизм человека не ограничен только физиологическими процессами: с человеком связан «техногенный» метаболизм — его хозяйственная деятельность, выражающаяся в особом способе энергомассообмена с биотическим и абиотическим окружением, которая осуществляется при помощи орудий труда, не являющихся частями человеческого организма. Это отличает человека от всех других форм жизни на Земле. Но в геохимическом отношении физиологический метаболизм и хозяйственная деятельность, различаясь по форме, сводятся в конечном счете к одному и тому же — миграции химических элементов.
С появлением человека и ростом интенсивности хозяйственной деятельности произошло существенное изменение исторически сложившейся на протяжении многих миллионов лет структурно-функциональной организации геохимических процессов в биосфере, а сама биосфера постепенно переходит в новое состояние — ноосферу, в которой определяющими факторами в равной степени являются человеческое общество и остальная живая и неживая природа.
В ноосфере законы биосферной миграции химических элементов должны кардинальным образом меняться. Все биогеохимические законы конечно же сохраняют свое действие, но здесь к ним добавляются новые законы техногенной миграции, выяснение которых, несомненно, представляет самостоятельную геохимическую проблему.
К настоящему времени в геохимии сформировалось несколько экологических направлений, в значительной степени перекрывающихся по решаемым задачам, но акцентирующих внимание на разных аспектах взаимоотношений человечества, живой и неживой природы. К сожалению, не для всех из них имеется устоявшееся толкование предмета исследования, что порождает значительную неопределенность во взаимоотношениях между ними.
Биогеохимия. В.И. Вернадский [1980] назвал биогеохимией науку, изучающую влияние жизни на историю земных химических элементов, включая химический состав организмов и миграцию атомов, происходящую при прямом или косвенном их участии. Если исходить из того, что жизнь как химический и геохимический процесс реализуется в форме обмена веществ между организмами и средой их обитания, то к биогеохимическим процессам следует отнести любые формы прямого и опосредованного химического взаимодействия организмов с абиотической средой. При этом в случае опосредованного взаимодействия изучаемое биогеохимией пространство может быть значительно шире биосферы, т.е. больше той части земного пространства, где обитают живые организмы. Связанная с деятельностью живых организмов биогенная миграция химических элементов протекает как в самих организмах, так и вне их, поэтому объектами биогеохимии являются и биота, и окружающая абиотическая среда. Такое понимание биогеохимии как науки, изучающей биогенную миграцию химических элементов в биосфере, наиболее распространено.
В основе биогеохимии лежит концепция биогеохимических циклов, которые представляют собой наиболее полное выражение биогенной миграции и вообще способ существования жизни на Земле. В.И. Вернадский [1980] наметил три основные линии биогеохимических исследований: 1) биологическую — биогеохимическое познание явлений жизни, 2) геологическую — биогеохимическое познание среды жизни и 3) прикладную — изучение биогеохимической роли человечества. Впоследствии их стали рассматривать как самостоятельные научные направления. Биогеохимические функции человечества, как правило, исключаются из предмета изучения собственно биогеохимии и относятся к сфере интересов отдельной науки, о содержании и названии которой ведутся дискуссии.
Геохимическая экология. Это направление часто рассматривают как раздел биогеохимии, занимающийся изучением влияния геохимических факторов среды на живые организмы, но в то же время его
можно отнести к факториальной экологии, принадлежащей к биологическим наукам. По мнению В.В. Ковальского [1974], предмет изучения геохимической экологии — взаимодействие организмов и их сообществ с геохимической средой и между собой, причем основной задачей считается изучение процессов приспособления организмов, популяций и других сообществ к условиям окружающей среды. При этом в исследовании системы организм — среда обитания прослеживаются определенные приоритеты: геохимическая экология больше внимания уделяет действию геохимической среды на организмы, тогда как биогеохимию, наоборот, больше интересует влияние организмов на миграцию химических элементов в окружающей среде.
Важный раздел геохимической экологии, имеющий большое практическое значение, — учение о биогеохимических провинциях [Виноградов, 1963], которое связывает физиологические, морфологические и наследственные изменения организмов с пространственной геохимической неоднородностью биосферы (геохимическими аномалиями).
Процессы на суборганизменном уровне (физиологические, биохимические, генетические) рассматриваются в геохимической экологии не сами по себе, а в той связи, в какой они находятся с внешней средой и через нее регулируются. Точно так же трофические взаимоотношения разных групп организмов рассматриваются не только как потоки химических элементов в биотическом круговороте веществ, но и с точки зрения их распространенности и форм нахождения в абиотической среде.
Разделом геохимической экологии можно считать антропохимию, в задачи которой входит изучение роли окружающей среды в жизни человека и человеческих цивилизаций [Александровская, Александровский, 2004].
Геохимия ландшафтов, химическая география и геохимическая биогеоценология. Геохимия ландшафтов, тесно связанная с докучаевским почвоведением и учением о биосфере В.И. Вернадского, сформировалась в географии, внеся геохимический аспект в изучение ландшафтов. Ее основатель Б.Б. Полынов [1952] рассматривал ландшафты с точки зрения структурно-функциональной организации миграционных потоков химических элементов, в которой биотический и климатический круговороты веществ выступали в качестве системообразующих процессов. Этот подход реализован в работах отечественной школы ландшафтных геохимиков (М.А. Глазовская, А.И. Перельман, Н.С. Касимов, В.В. Добровольский и др.), лимнологов (С.И. Кузнецов, Д. Хатчинсон) и океанологов (А.П. Лисицын, М.Е. Виноградов). За рубежом он весьма детально изложен Дж. Фортескью [1985] под названием «геохимия окружающей среды».
К объектам изучения геохимии ландшафтов относятся и ландшафты, преобразованные хозяйственной деятельностью.
А.А. Григорьев [1936] назвал химической географией направление, призванное изучать химические аспекты физико-географического процесса. Поскольку последний с геохимической точки зрения представляет собой круговорот веществ в ландшафтной оболочке, химическая география не выходит за пределы интересов геохимии ландшафтов, и предложение А.А. Григорьева ученые не поддержали.
Еще одно эколого-геохимическое направление, примыкающее к геохимии ландшафтов, представлено биогеоценологией, исследующей энергомассообмен, или биотический круговорот, в биогеоценозах — наиболее простых биокосных системах [Сукачев, 1967; Тимофеев-Ресовский, Тюрюканов, 1967; Базилевич, 1979].
Геохимия окружающей среды. Под этим названием за рубежом, как правило, объединяются все направления эколого-геохимических исследований. В нашей стране это в основном работы прикладного характера по изучению загрязнения и геохимическому мониторингу среды обитания человека — атмосферы, поверхностных и подземных вод, почв и грунтовых толщ, растительного и животного мира [Беус и др., 1976; Сает и др., 1990].
Геохимия техногенеза. Техногенезом А.Е. Ферсман назвал совокупность процессов, производимых человеком. В соответствии с этим задачи геохимии техногенеза связаны с изучением различных геохимических аспектов промышленной и аграрной хозяйственной деятельности [Сутурин, 19902; Таусон, 1990]. А.Е. Ферсман рассматривал хозяйственную деятельность как специфический, свойственный только человеку способ борьбы за существование и предпринял первую попытку связать количественные характеристики техногенных потоков вещества с геохимическими свойствами элементов (распространенностью, способностью к концентрированию в месторождениях и т.д.). Одной из важнейших задач геохимии техногенеза А.Е. Ферсман считал поиск законов, связывающих геохимию с собственно экономикой, т.е. распространение геохимического подхода на все стороны хозяйственной деятельности, включая процессы производства и потребления. Исследования в этом направлении до сих пор не являются предметом планомерного изучения и затронуты лишь в отдельных публикациях, например в [Глазовский, 1982]. Сюда же с некоторыми оговорками можно отнести попытки создания экономической теории на основе общей теории энергомассообмена [Алексеев, 1995].
Экологическая геохимия. Понимание целей и задач экологической геохимии у разных авторов сильно расходится. С одной точки зрения, предметом ее
2 Для научного направления, изучающего геохимию хозяйственной деятельности человека, А.Н. Сутурин использовал не очень удачное название «геохимия антропогенеза», поскольку антропогенез можно понимать как процесс появления и биологической эволюции человека.
изучения называется история атомов химических элементов в биосфере [Алексеенко, 2000] или поведение химических элементов в условиях взаимодействия живого и косного вещества [Гавриленко, 1994], что практически совпадает с традиционным толкованием биогеохимии. Согласно другой точке зрения, экологическая геохимия призвана изучать геохимические аспекты хозяйственной деятельности человека [Сутурин, 1990; Таусон, 1990; Барабанов, 1994; Янин, 1999], и в этом случае она оказывается синонимом геохимии техногенеза.
В соответствии с классическим определением экологии как науки, изучающей взаимоотношения живых организмов с окружающей средой, все упомянутые выше направления в геохимии, безусловно, относятся к экологическим дисциплинам. Отнесение к экологии геохимических аспектов хозяйственной деятельности не противоречит данному утверждению, поскольку человек — это один из многих видов организмов, который получил в результате эволюционного процесса способность к труду, т.е. к особой форме энергомассообмена с окружающей средой, выделяющей его из всей остальной живой природы.
Изучение с геохимических позиций хозяйственной деятельности является в силу ее несомненной специфики вполне самостоятельным научным направлением, для которого, по-видимому, подошло бы название «геохимия техногенеза», поскольку оно точно отражает основное отличие человека от других организмов. В то же время название «экологическая геохимия» наилучшим образом соответствует складывающемуся сейчас на основе широкого толкования пониманию экологии, в котором абиогенные, биогенные и техногенные процессы рассматриваются в совокупной взаимосвязи и взаимообусловленности.
Перечисленные выше эколого-геохимические «дисциплины» связаны с изучением на атомно-молекулярном уровне тех или иных аспектов строения и функционирования глобальной планетарной системы человек — биота — абиотическая окружающая среда. Поэтому все они представляют собой разделы формирующегося на стыке геохимии и экологии (в широком понимании последней) научного направления, для которого, по-видимому, лучше всего подходит название «экологическая геохимия». Предметом изучения геохимии В.И. Вернадский [1954] считал историю атомов нашей планеты, т.е. их движение в пространстве и во времени, сопровождающееся образованием и разрушением химических соединений, синтезом и распадом самих атомов. Экология в ее широком понимании изучает устройство и функционирование разного иерархического ранга экосистем нашей планеты, включая такие, в состав которых входит человек с сопутствующими ему атрибутами хозяйственной деятельности. Очевидно, что пересечение интересов геохимии и экологии происходит в области изучения экосистем на атомном уровне, когда внутреннее устройство, внешние связи и раз-
витие экосистем рассматриваются с точки зрения структурно-функциональной организации всей совокупности системообразующих абиотических, биотических и антропогенных геохимических процессов. Исходя из этого предметом изучения экологической геохимии можно считать историю атомов в экосфере Земли — глобальной планетной оболочке, представляющей собой совокупность всех экосистем различных иерархических уровней, компонентами которой являются человеческое общество, живое и неживое вещество. Понимаемая таким образом экологическая геохимия оказывается значительно шире как биогеохимии, исследующей биогенную миграцию химических элементов в биосфере, так и всех других эколого-геохимических направлений, изучающих различные геохимические аспекты хозяйственной деятельности человека.
Объектом изучения экологической геохимии является экосфера — система внешних геосфер Земли (атмосфера, гидросфера и верхние части литосферы до метаморфической оболочки включительно), представляющая собой «жилище» для человека и других живых организмов. Хотя обширные пространства экосферы лишены жизни, ее с полным основанием можно рассматривать как «дом» для всего живого, поскольку все ее части функционально связаны между собой и образуют целостную систему. В любом доме имеется не только жилая площадь, но и стены, крыша, фундамент, различные коммуникации, без которых он не был бы жилищем. Экосфера шире биосферы, которая, образно говоря, и есть та «жилая площадь», где обитают живые организмы. Биосфера — область непосредственного существования живых организмов — является частью экосферы, и жизнь как геологическое явление выходит далеко за ее пределы.
Специфика методов экологической геохимии связана с изучением экосистем на атомно-молекулярном уровне. Другая важная особенность методов ее исследования заключается в использовании системно-эволюционного подхода, в основе которого лежит постулат о системном устройстве окружающего мира. Текущее состояние какой-либо природной, техногенной или природно-техногенной экосистемы определяется характером внутренней структурно-функциональной организации ее составных элементов и процессов взаимодействия между ними, участием этой системы в структурно-функциональной организации систем более высокого иерархического уровня, а также предшествующей историей ее развития. Системно-эволюционный подход предполагает решение трех основных вопросов: 1) о принадлежности изучаемого объекта (явления) к определенному типу систем, 2) об определении его места во внутренней и внешней структурно-функциональной организации данной системы, 3) об установлении генетической связи с другими объектами (явлениями), связанными с данной системой и ее внешним окружением.
Следует обратить внимание на два существенных момента, связанных с применением системно-эволюционного подхода в экологической геохимии и геохимии вообще. Один из них касается особенностей проявления фундаментальных законов химии в природных системах, другой относится к особенностям эволюционного развития последних.
Системно-эволюционный подход основан на признании потенциальной многовариантности траекторий развития экосистем. Эволюция живой материи является соединением случайных и направленных процессов. Возникновение новых видов организмов связано со случайной мутацией генов, но не все мутации достигают уровня видообразования: большинство их подавляется механизмами гомеостаза биосферы, и лишь немногие, выдерживающие давление других форм жизни, реализуются в биосфере и становятся фактором ее эволюционного развития. Вероятностная в своей основе биологическая эволюция получает направленность благодаря ограничениям, накладываемым текущим состоянием биосферы, которое в свою очередь причинно связано с предшествующей историей развития. В силу огромного потенциаль-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Александровская Е.И., Александровский А.Л. Историко-географическая антропохимия — новое направление в науках о человеке и геосфере // Изв. РАН. Сер. геогр. 2004. № 4. С. 19-26.
Алексеев В.В. Энергетический базис экономики // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1995. № 2. С. 10-16.
Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. М.: Логос, 2000. 627 с.
Базилевич Н.И. Биогеохимия Земли и функциональные модели обменных процессов природных экосистем // Тр. биогеохим. лаборатории. Т. 16. М.: Наука, 1979. С. 56-73.
Барабанов В.Ф. Введение в экологическую геохимию. СПб.: Изд-во СПбГУ, 1994. 143 с.
Беус А.А., Грабовская Л.И., Тихонова Н.В. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1976. 248 с.
Вернадский В.И. Очерки геохимии // Избранные сочинения. Т. 1. М.: Изд-во АН СССР, 1954. С. 5-392.
Вернадский В.И. Биосфера // Избранные сочинения. Т. 5. М.: Изд-во АН СССР, 1960. С. 5-102.
Вернадский В.И. Проблемы биогеохимии. 1. Значение биогеохимии для познания биосферы // Тр. биогеохим. лаборатории. Т. 17. М.: Наука, 1980. С. 10-54.
Виноградов А.П. Биогеохимические провинции и их роль в органической эволюции // Геохимия. 1963. № 3. С. 199-212.
Виноградский С.Н. Роль микробов в круговороте жизни // Вестн. РАН. 1996. № 12. С. 1116-1120.
Гавриленко В.В. Некоторые актуальные проблемы экологической минералогии и геохимии // Зап. ВМО. 1994. Ч. 123. № 3. С. 1-8.
Глазовский Н.Ф. Техногенные потоки веществ в биосфере // Добыча полезных ископаемых и геохимия природных экосистем. М.: Наука, 1982. С. 7-28.
Горшков В.Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. М.: Изд-во ВИНИТИ, 1995. 470 с.
ного разнообразия видов все возможные варианты развития не могут быть реализованы даже за очень длительный интервал времени. Это означает, что эволюцию органического мира можно рассматривать как результат одновременного проявления двух разных по отношению ко времени процессов — мутаций, которые сами по себе не ориентированы во времени, и естественного отбора, обеспечивающего временную векторизацию эволюционного развития.
Из принципа потенциальной многовариантности биологической эволюции вытекают два важных следствия, имеющие отношение к изучению жизни как планетного явления. Во-первых, текущее состояние биоты однозначно не предопределяется ее предшествующим состоянием, равно как не предопределяет ее последующие состояния. Во-вторых, любое реализованное в прошлом или существующее в данный момент времени состояние биоты нельзя априорно считать наиболее оптимальным из всех возможных ее состояний. Эти обстоятельства указывают на необходимость рассмотрения эколого-геохимических проблем в историческом аспекте во всех без исключения случаях.
Григорьев А.А. О химической географии // Академику
B.И. Вернадскому к пятидесятилетию научной и педагогической деятельности. Т. 2. Л.: Изд-во АН СССР, 1936.
C. 1231-1236.
Докучаев В.В. К вопросу о соотношениях между живой и мертвой природой // Соч. Т. 8. М.: Изд-во АН СССР, 1961. С. 55-57.
Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии. М.: Наука, 2003. 348 с.
Ковальский В.В. Геохимическая экология. М.: Наука, 1974. 229 с.
Полынов Б.Б. Геохимические ландшафты // Географические работы. М., 1952. С. 381-393.
Савенко В.С. Что такое жизнь? Геохимический подход к проблеме. М.: ГЕОС, 2004. 203 с.
Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. и др. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 335 с.
Сукачев В.Н. Биогеоценология и ее современные задачи // Журн. общей биологии. 1967. Т. 28, № 5. С. 501-508.
Сутурин А.Н. Геохимические черты антропогенных процессов // Геохимия техногенных процессов. М.: Наука, 1990. С. 60-74.
Таусон Л.В. Современные проблемы геохимии тех-ногенеза // Геохимия техногенных процессов. М.: Наука, 1990. С. 3-13.
Тимофеев-Ресовский Н.В., Тюрюканов А.Н. Биогеоце-нология и почвоведение // Бюл. МОИП. Отд. биол. 1967. Т. 72, № 2. С. 106-117.
Тролль К. Ландшафтная экология (геоэкология) и био-геоценология. Терминологическое исследование // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1972. № 3. С. 114-120.
Фортескью Дж. Геохимия окружающей среды. М.: Прогресс, 1985. 360 с.
Янин Е.П. Введение в экологическую геохимию. М., 1999. 70 с.
Поступила в редакцию 26.10.2010
