CC BY
192
ГЕОГРАФИЯ
УДК 911.2 Н. Н. Верзилин
ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ОБОЛОЧКА:
ПОНЯТИЕ И МОДЕЛЬ ЭВОЛЮЦИИ
В 2002 г. в журнале «Вестник Санкт-Петербургского университета» была опубликована большая статья Президента Русского географического общества, заведующего кафедрой физической и эволюционной географии СПбГУ проф. Ю. П. Селиверстова «Новые рубежи и проблемы землеведения» [1]. Этот очень содержательный научный труд посвящен критическому рассмотрению широкого спектра важнейших научных открытий XX в., имеющих первостепенное значение для географической науки, и представляет программу ее дальнейшего развития в XXI в. Его автор отмечает, что за последние 50 лет появились принципиально новые данные, свидетельствующие об иных, чем ранее предполагалось, основных положениях наук о Земле. Он приводит и комментирует важнейшие из них и обосновывает вывод, что они требуют корректировки основных положений землеведения, прежде всего состояния и деятельности отдельных сфер, их взаимодействия и взаимообусловленности, а также проблем эволюции географической оболочки. Новые сведения, относящиеся к наукам о Земле, по мнению Ю. П. Селиверстова, в значительной мере должны изменить основы нашего мировоззрения, особенно в отношении оценки роли живого вещества в истории Земли. Автор настоящей статьи полностью согласен с последним заключением, что и явилось одной из причин ее появления. Конечно, когда говорится о значении живого вещества в истории Земли, прежде всего имеется в виду определяющее влияние его функционирования на эволюцию географической оболочки.
На важность познания эволюции географической оболочки для развития географической науки Ю. П. Селиверстов обращал внимание неоднократно [1-3]. Он разработал и читал для студентов факультета географии и геоэкологии Санкт-Петербургского государственного университета оригинальный курс «Эволюция географической оболочки». При рассмотрении эволюции географической оболочки Ю. П. Селиверстов стремился не только дать свое видение проблемы, но и заострить внимание на разных существующих представлениях и подходах к трактовке тех или иных ее сторон. Это нашло яркое отражение в учебниках по землеведению, вышедших на рубеже XX и XXI вв. [2, 3]. Так, в предисловии к «Общему землеведению» [2] указывается, что часть введенного в учебник материала носит проблемно-полемический характер, отражая соответствующее состояние информации. Иногда это стремление - учесть все новейшее и отразить главные, подчас несовместимые представления, гипотезы - приводило к неоднозначности заключений. Но это, очевидно, неизбежный результат попытки учесть все новейшие сведения, факты, гипотезы, имеющие отношение к
© Н. Н. Верзилин. 2005
такой всеобъемлющей и еще слабо разработанной проблеме, как эволюция географической оболочки.
Современные представления о содержании понятия «географическая оболочка». Приведем некоторые комментарии в связи с принятыми в наше время трактовками содержания и объема географической оболочки. В наиболее поздней работе [3] указывается: «Мы считаем, что оптимальными границами географической оболочки являются верхняя граница озонового слоя и подошва земной коры, в пределах которых находятся основная часть атмосферы, вся гидросфера и верхний слой литосферы с живущими или жившими в них организмами и следами человеческой деятельности» [3, с. 69]. При этом в [2] подчеркивается, что «все указанные компоненты географической оболочки в той или иной степени взаимодействуют или взаимодействовали в прошлом с живым веществом и несут в себе влияние биологической активности» (с. 101).
Обоснование отнесения всей земной коры к географической оболочке приводится в работе [1]. Из нее следует, что Ю. П. СеливерСтов отождествлял нижнюю границу географической оболочки с контактом слагающего ее материала, возникшего за счет собственных сил Земли, с первичным веществом планеты. Согласно его представлениям, этот контакт в современных глубинах земной коры фиксируется по резкому изменению физических свойств пород, отражающихся в смене скоростей и направлений сейсмических продольных и поперечных волн, который известен как уровень поверхности Мохоровичича, или Мохо. Ю. П. Селиверстов утверждал, что весь вышераспо-ложенный объем планеты возник и продолжает формироваться за счет собственных сил Земли, под воздействием и определенным участием окружающего пространства. Верхняя граница географической оболочки, по его мнению, менее отчетлива, и ее наиболее часто совмещают с уровнем повышенной концентрации озона, так называемым озоновым экраном планеты, являющимся одним из своеобразных фильтров на пути космического излучения к поверхности Земли.
Конечно, если к оценке положения нижней границы географической оболочки подходить с историко-генетических позиций, то к этой оболочке можно отнести всю земную кору. Но и при таком подходе включение в нее базальтового слоя не представляется достаточно аргументированным. Скорее, сохранившиеся геологические образования, начавшие формироваться одновременно с возникновением функционирования географической оболочки, слагают лишь верхнюю часть континентальной земной коры - гранитно-метаморфическую, или сиаличе-скую, оболочку. Как обосновывал ранее В. М. Синицын в книге «Сиаль. Историко-генетические аспекты» [4], по существу все вещество этой оболочки прошло через ландшафтную сферу и неоднократно было переработано в ней. Сиаль является как бы гигантской корой выветривания Земли, сформированной в континентальную стадию развития регионов планеты. В. М. Синицын полагал, что ландшафтная сфера, наряду с астеносферой, есть геологически активный уровнь Земли, формирующий ее кору. Если астеносфера питает кору вулканическим материалом, то ландшафтная сфера производит его преобразование в осадочные породы, более активные в геологическом и геохимическом отношении [4]. В связи с вышеотмеченным следует напомнить, что во время написания книги В. М. Синицыным [4] обычно было принято понятия «ландшафтная оболочка Земли» и «географическая оболочка» понимать как синонимы [5].
Вместе с упомянутым широким пониманием географической оболочки, авторами книги [2] указывается: «Поскольку биота распространена во всей географической оболочке, понятия биосфера и географическая оболочка становятся идентичными. Подчеркнем, что географическая оболочка, или глобальная геосфера, состоит из неразрывного комплекса частных геосфер, совместно функционирующих в присутствии биоты, и это определяет специфические черты и особенности географической оболочки как единого целого. В общем землеведении географическая ооолочка включает в себя все живые организмы (каждая частная сфера имеет свою биоту, и она является ее неразрывным компонентом), поэтому самостоятельное выделение биосферы вряд ли необходимо. В биологии, напротив, выделение биосферы правомерно» (с. 101). Однако, по нашему мнению, утверждение об идентичности биосферы и географической оболочки не согласуется с принятыми авторами [2] оптимальными границами географической оболочки. Жизнь чрезвычайно удалена от подошвы земной коры. Нельзя соответственно согласиться и с мнением о нецелесообразности самостоятельного выделения биосферы. Если мы признаем биосферу как реально существующую специфическую оболочку, населенную жизнью, а не как «совокупность живых организмов в определенной среде обитания» [2, с. 101], то она должна выделяться и при геологических, и при географических, и при иных построениях, а не только биологами.
Приведенные материалы дополним выдержкой из введения учебника «Общее землеведение»: «Предметом курса общего землеведения...является географическая оболочка нашей планеты, т.е. вся газовая, водная и каменная окружающая нас среда (выделено нами. - Н. В.), где происходят разнообразные процессы и явления и функционируют живые организмы. Иначе говоря, географическая оболочка Земли - это часть Космоса, которая находится под властью земных сил и развивается в процессе сложного космически-планетарного взаимодействия» [2, с. 7]. Опять отмечается как характерная черта географической оболочки функционирование живых организмов. Существенно также, что под такой оболочкой понимается «окружающая нас среда». Обе эти черты вызывают сомнение в правомочности проведения нижней границы географической ооолочки по подошве земной коры.
Еще более определенно значение организмов для функционирования географической оболочки было подчеркнуто Ю. П. Селиверстовым в [1]. Он указывал, что поскольку вся географическая оболочка е настоящее время и известная ее часть в прошлом всегда развивались в присутствии и при участии живого вещества, постольку она является результатом совместной деятельности неживой и живой природы, биокосной системой глобальной орга-
низации пространства. В этом плане, по его мнению, она совпадает с понятием «биосфера», но не как объединение сообществ, живущих или ранее живших живых существ, а как среда их обитания совместно с живущими организмами, т.е. как географическое пространство. Далее Ю. П. Селиверстов делает программное заключение о том, что выводы В. И. Вернадского о геохимической или геологической роли биосферы в развитии Земли - одновременно и положения об особенностях эволюции гео!рафической оболочки, а потому необходимо тщательно исследовать наследие этого выдающегося ученого и включить в теорию землеведения основные положения его учения о биосфере [2, с. 36, 37].
Мы полностью разделяем такие представления. Однако как это высказывание, так и ранее приведенные определения и суждения относятся по существу лишь к современной географической оболочке. Но ведь географическая оболочка и биосфера прошли длительную эволюцию, в процессе которой существенно менялись сами, что сопровождалось и изменениями соотношений между ними. Поэтому, прежде чем перейти к рассмотрению вероятной эволюции географической оболочки, остановимся на вопросе о содержании понятий «географическая оболочка» и «биосфера» вообще (вне времени), а не только современных, и на соотношении их между собой.
Представляется, что отмечавшаяся выше близость или даже идентичность понятий «географическая оболочка» и «биосфера» не случайны, если географическую оболочку сопоставлять с современной биосферой, т.е. рассматривать проблему с позиций, принятых в общем землеведении. Несомненно, сейчас жизнь распространена чрезвычайно широко - на поверхности Земли нет стерильных от жизни обстановок. Считать, что границы географической оболочки могут быть уже, чем распространения жизни, конечно нельзя. Ведь все проявления жизни прямо или косвенно связаны с поверхностью Земли, с существованием разнообразных экзогенных процессов. В то же время они сами преобразуют эти процессы, что проявляется и в трансформации климатических типов литогенеза с ходом эволюции биосферы.
Граница географической оболочки в литосфере в любой этап ее существования, очевидно, должна примерно совпадать с границей проявления экзогенных процессов. Вряд ли ее целесообразно проводить по нижней границе земной коры или даже стратисферы. Конечно, основные составляющие последней, а по некоторым представлениям, и всей земной коры возникли вследствие функционирования географической оболочки. Однако, если подходить к проблеме с позиций функционирования географической оболочки, то ясно, что резко преобладающая часть земной коры даже в масштабе геологического времени уже очень давно вышла из сферы воздействия поверхностных (экзогенных) процессов. Таким образом, при функциональном подходе нижнюю границу географической оболочки следует проводить в литосфере по границе проявления экзогенных процессов, т.е. по подошве зоны гипергенеза, как было принято многими исследователями, в том числе С. В. Калесни-ком [5].
В связи с рассматриваемой проблемой приведем мнение геологов и палеогеографов В. И. Славина и Н. А. Ясаманова о содержании понятия «географическая оболочка» и отношении палеогеографии к объекту, ему отвечающему. В своей книге «Методы палеогеографических исследований» они писали, что объект изучения физической географии охватывает все пространство, непосредственно связанное с земной поверхностью, вследствие чего «географическая оболочка - это сложная внешняя оболочка Земли, в пределах которой происходит соприкосновение и взаимопроникновение четырех внешних оболочек Земли: атмосферы, гидросферы, биосферы и литосферы, точнее только той части последней, в пределах которой с веществом земной коры взаимодействуют атмосфера, гидросфера и биосфера. Все объекты изучения палеогеографии, все интересы этой науки, таким образом, сосредоточены на географической оболочке минувших лет» [6, с. 8]. Рисунок 1 иллюстрирует эти представления.
fue. i. Схема строения географической оболочки [6].
1 - земная кора. 2 - гидросфера, 3 - биосфера, 4 - атмосфера, 5 - географическая оболочка.
Целесообразно присоединиться к мнению исследователей, проводящих верхнюю границу географической оболочки по тропопаузе (верхней границе тропосферы), а не внутри или выше озонового слоя. Данная граница представляется более обоснованной. Во-первых, это будет примерно соответствовать физическому пределу распространения жизни в биосфере современной структуры. Во-вторых, привязка границы к озоновому слою приводит к неопределенности ее для этапов геологической истории, когда этого слоя не было. Соответственно при рассмотрении эволюции географической оболочки возникнут определенные трудности, так как на протяжении резко преобладающей по продолжительности части ее существования озоновый слой, вероятно, отсутствовал. Напротив, можно считать, что верхней границей биосферь! во время существования озонового слоя была его нижняя часть, а до его возникновения - граница проникновения в водоемы смертоносных жестких ультрафиолетовых лучей (глубина около 10 м) [7].
К географической оболочке, независимо от этапа ее существования, следует всегда относить часть атмосферы, в которой происходят круговорот воды, интенсивное перемещение воздушных масс, содержится основная масса атмосферы, формируются погодные условия, проявляется зональность распределения тепла и влаги, т.е. тропосферу. Именно в ней идут процессы, определяющие возникновение и функционирование климатических типов литогенеза, обусловивших формирование всей стратисферы.
Таким образом, в функциональном смысле (т.е. в любой момент ее длительного существования, а не как вещественный итог такого существования) географическая оболочка -сложная внешняя оболочка Земли, в пределах которой происходят интенсивные взаимодействия минеральной, водной и газовой сред, а после возникновения биосферы - и живого вещества под воздействием космических явлений, прежде всего солнечной энергии. Биосфера - часть этой оболочки, населенная организмами. Потому можно дать следующее ее краткое определение: биосфера - сложная внешняя оболочка Земли, населенная организмами. (Если географическая оболочка вся населена организмами, она совпадает с биосферой.)
Соответственно, в принятом понимании, географическая оболочка существовала на Земле всегда. Биосфера же - понятие естественноисторическое, она возникла на некоторой стадии развития географической оболочки. Структура, планетарная роль биосферы сущеет-
венно менялись с ходом геологического времени. В конечном итоге пространственное распространение ее в общем совпало с географической оболочкой. Биосфера, как и географическая оболочка, - производное (детище) Земли и Космоса, но интенсивно эволюционирующее вследствие коэволюции живого и минерального миров. Потому прямо или косвенно живое вещество всегда определяло и определяет в настоящее время многие существенные особенности географической оболочки.
Роль фотосинтетического кислорода в эволюции географической оболочки. При выявлении вероятных основных причин коэволюции географической оболочки и биосферы первостепенное значение имеет оценка влияния на нее увеличения содержания фотосинтетического кислорода. До последнего времени господствовали представления, что такой кислород был практически единственным источником свободного кислорода на Земле [7-14 и др.]. Более того, исходя из таких представлений и имевшихся данных о величине захороненного в осадочных породах разного геологического возраста стратисферы органического вещества (или Сорг), производились реконструкции изменения содержания свободного кислорода в атмосфере Земли на протяжении фанерозоя [8-10, 15 и др.].
Ю. П. Селиверстов сомневался в справедливости указанных представлений [1-3]. Такое сомнение, с одной стороны, обосновывалось ссылками на сведения о том, что удельный вес кислорода атмосферного воздуха оказался больше удельного веса фотосинтетического кислорода, и на данные о присутствии иногда свободного кислорода среди газов, поступающих из недр Земли при вулканических процессах. К сожалению, источники таких экзотических сведений не были указаны. С другой стороны, как главный аргумент в пользу указанных сомнений, приводилась определенная интерпретация результатов некоторых имеющихся реконструкций эволюции содержания в геологической истории в атмосфере Земли кислорода и углекислого газа.
Например, отмечалось, что в конкретных условиях последних 1,5 млрд лет развития Земли выявляется прямая зависимость концентрации кислорода в атмосфере от количества вулканических поступлений, а это свидетельствует о более значительной, часто преобладающей роли глубинного кислорода в формировании атмосферы Земли. Утверждалось, что, поскольку при фотосинтетическом образовании кислорода растения используют углекислый газ, должно было проявляться определенное несовпадение тенденций их концентраций в каждую геологическую эпоху. Однако, как отмечалось далее, построенные на основании имеющихся данных графики свидетельствуют об общих однотипных изменениях содержаний 02 и С02, к тому же совпадающих с колебаниями количеств выбросов вулканического материала (рис. 2). Исходя из указанных соотношений, делался вывод: «Получается, что от процессов вулканизма и сопутствующей дегазации недр зависит концентрация как углекислого газа, так и кислорода, роль фотосинтетического кислорода в графиках незаметна (курсив наш. - Н. Я)» [1, с. 43].
Мы не будем здесь останавливаться на обсуждении вопроса, насколько хорошо на рис. 2 совпадают колебания количеств рассматриваемых компонентов. Это не столь уж важно, так как взаимосвязи их в биосфере могут быть очень сложными. Например, содержание С02 в атмосфере в геологической истории в основном определялось не интенсивностью захоронения органического вещества - продукта фотосинтеза, а образованием карбонатных пород. Еще более существенно то, что возрастание содержания С02 могло стимулировать интенсификацию фотосинтеза и захоронения органического вещества. В таком случае, соответственно для эпох относительно повышенного содержания углекислого газа, можно ожидать и увеличение фотосинтетического кислорода. Такое предположение будет тем более правомочным, если считать, что количество углекислого газа, как показано на рис. 2, в фанерозое не превышало 0,3%, а кислорода - превосходило его более чем на два порядка.
д
Период, млн лет 5оо 400 300 200 100 0
Рис. 2. Эволюция содержания 02 и С02 и колебаний выбросов вулканического материала Увулк
в фанерозое (по М. И. Будыко; см. [3]).
Конечно, такие предположения - лишь варианты возможных основных тенденций направленности процессов в географической оболочке. Реально все могло было быть значительно сложнее из-за действия принципа всеобщей связи явлений и принципа Ле Шателье. К тому же и сама схема, представленная на рис. 2, - лишь один из возможных вариантов эволюции содержаний свободного кислорода и углекислого газа в атмосфере в фанерозое. Однако, поскольку именно она легла в основу обоснования вышерассмотренных представлений о преобладающей роли глубинного кислорода в формировании атмосферы Земли, для оценки степени их обоснованности нужно анализировать именно ее. Если подходить с таких позиций, то схема свидетельствует о противоположном. Ведь приводимые содержания 02 вычислены на основании данных об Сорг, захороненном в осадочных породах соответствующего возраста. Возможность поступления глубинного кислорода не учитывалась. Соответственно нельзя использовать такую схему для обоснования преобладания в атмосфере кислорода глубинного происхождения и утверждения, что роль фотосинтетического кислорода незаметна. Поставленная проблема должна решаться на основании иных данных. Но при любом подходе будет оставаться незыблемым принцип, заключающийся в том, что в географическую оболочку всегда должен был поступать свободный кислород в количестве, эквивалентном захороняющемуся в стратисфере органическому веществу, образовавшемуся первоначально в результате жизнедеятельности аэробных фотосинтетиков. Не подлежит сомнению, что количество такого кислорода было очень велико, но лишь небольшая его часть осталась в атмосфере [11].
Противоречия, подобные вышеуказанным, неизбежны при стремлении отразить в модели эволюции географической оболочки большую часть имеющихся сведений и представлений. Модели эволюции географической оболочки могут быть разные. Их надо сравнивать между собой, как варианты, которые не всегда возможно объединить в одну модель. Осо-
бенно большие сложности и неопределенности возникают при оценке основных причин эволюции географической оболочки вообще и некоторых переломных эпизодов ее в частности. Например, существуют различные мнения о причинах внезапного массового появления в кембрийских водоемах организмов, образовывавших карбонатные скелеты, или о причинах выхода растений на сушу лишь в конце силурийского периода. Эти и другие проблемы эволюции географической оболочки кратко рассмотрим ниже.
Основные движущие силы и причины эволюции географической оболочки. Можно предполагать, что основной движущей силой эволюции географической оболочки является функционирование бесчисленных биогеохимических круговоротов благодаря использованию солнечной энергии. Обмен веществом между организмами и окружающей их средой и получение энергии извне, т.е. функционирование биогеохимических круговоротов разного ранга, - обязательное условие существования любого проявления жизни от единичного организма до всей их совокупности - живого вещества Земли. Поэтому жизнь и биогеохими-ческие круговороты неразделимы и должны были возникнуть одновременно, что определяет функционально обусловленное единство организмов и минерального («косного») вещества, слагающего биосферу. Притом единственная форма энергии, участвующая в бесчисленных круговоротах, пронизывающих биосферу, - энергия химических связей, в подавляющей части представляет собой трансформированную в процессах фотосинтеза лучистую энергию Солнца.
Поскольку движущей силой любых биогеохимических круговоротов является жизнедеятельность организмов, эволюция жизни неминуемо должна была приводить к адекватной эволюции самих круговоротов. Вследствие незамкнутости круговоротов различия молекулярного строения веществ на их входе и выходе обусловливали эволюцию не только самой биосферы, но и географической оболочки. Более того, менялись даже параметры и структура биосферы, что, в свою очередь, кардинально влияло на пространственно-временные закономерности биокосного взаимодействия как планетарного, специфически земного явления.
Таким образом, биокосное взаимодействие должно было возникнуть еще в начале геологической истории нашей планеты и сразу оказывать активное влияние на экзогенные процессы, происходившие в географической оболочке. Поэтому нельзя не согласиться с утверждением известного исследователя докембрия акад. А. В. Сидоренко: «Геологическая история земной коры началась с того момента, когда в первых осадочных породах зародилась жизнь и началось эволюционное развитие осадочных процессов, благодаря великой преобразующей роли живого вещества» [16, с. 13].
Понятие «биокосное взаимодействие» в узком смысле является синонимом понятия «функционирование биогеохимических круговоротов» или их составляющих. В широком же смысле оно включает все взаимоотношения между живым и минеральным мирами в биосфере. В таком понимании часто эти взаимоотношения выступают, как антагонистические, как проявление борьбы противоположностей, борьбы качественно различных, непримиримых субстанций - «жизни и камня». Символом ее можно считать нередкие взаимоотношения растительности и подзижных песков в пустынях. Однако в постоянной борьбе живого и минерального миров в геологической истории (до интенсивного вмешательства человека) в общем побеждала жизнь. В результате на поверхности Земли распространение организмов стало повсеместным и не осталось стерильных от жизни обстановок. И главной причиной такого итога, вероятно, была не столько чрезвычайная жизнестойкость организмов, которая нередко поразительна, а то, что жизнь сама создавала условия, благоприятные для своего существования.
Согласно предложенной модели коэволюции биосферы, литогенеза и палеогеографических обстановок [11, 17, 18], основной причиной эволюции биосферы и соответственно гео-
графической оболочки было появление, а затем увеличение в атмосфере количества свободного кислорода, продуцировавшегося при процессах аэробного фотосинтеза. При этом скорость поступления такого кислорода в систему географической оболочки непосредственно не зависела от масштабов фотосинтетической деятельности аэробных автотрофных организмов. Она определялась лишь выходом биогенного кислорода из глобального био-геохимического круговорота в результате захоронения в осадочных породах эквивалентного ему количества органического вещества. Такая закономерность функционирования биосферы, определявшая эволюцию географической оболочки, ярко проявляется при рассмотрении принципиальной схемы химической реакции аэробного фотосинтеза:
2Н20 + С02 + солнечный свет = СН20 + 02+ Н20.
Как всякая химическая реакция, она может идти как слева направо, так и в обратном направлении. Более того, исходные вещества, отвечающие левой части реакции, являются в общем нейтральными, не антагонистическими. Напротив, вследствие фотосинтеза образуются как сильный восстановитель - органическое вещество (условно оно символизировано как СН20), так и сильный окислитель - свободный кислород. Естественно, сосуществовать сколько либо длительное время, особенно в обстановке присутствия вездесущих микроорганизмов, данные геохимические антиподы не могут. И это проявляется очень ярко. Ведь ежегодно уничтожается масса органического вещества, практически соответствующая годовой первичной продукции. Как свидетельствуют геологические данные, по крайней мере на протяжении фанерозоя, лишь сотые доли процента от вероятной глобальной первичной продукции автотрофных организмов захоронялись в осадочных породах. Именно благодаря этой изоляции в стратисфере органического вещества от свободного кислорода, последний мог участвовать в других процессах в географической оболочке и накапливаться в ней.
Первоначально такой сохранившийся биогенный кислород целиком расходовался на разнообразные окислительные процессы, т.е. происходило непрерывное «титрование» свободным кислородом географической оболочки, насыщенной разнообразными восстановленными соединениями. Лишь после того, как титрование привело к замене восстановительной атмосферы окислительной, относительно незначительная часть свободного кислорода, постоянно поступавшего в атмосферу, стала расходоваться на увеличение содержания его в атмосфере. Основная же часть его продолжала расходоваться на разнообразные окислительные процессы в географической оболочке. В результате к настоящему времени масса свободного кислорода в атмосфере достигла всего лишь 1,2- 10‘5 т, что значительно меньше, чем количество захороненного в стратисфере органического вещества. При этом есть основания предполагать, что временами в палеозое и мезозое резервуар кислорода в атмосфере превышал эту величин)' (см. рис. 2), а следовательно, баланс между поступлением в географическую оболочку свободного кислорода и расходованием его в ней в геологическом времени испытывал существенные изменения [11, 39].
Основные рубежи эволюции географической оболочки. Они могут быть намечены при совместном использовании: 1) общей направленности изменения в геологической истории количества свободного кислорода в атмосфере; 2) результатов расчетов Л. В. Беркнера и Л. С. Маршалла содержаний кислорода в атмосфере, при которых озоновый экран, задерживающий проникновение смертоносной для жизни составляющей солнечного излучения, формируется у поверхности Земли, а затем и на удалении от нее [20-22]; 3) данных о времени проявления некоторых важнейших палеонтологических и геологических событий.
Знаменательным событием для эволюции географической оболочки было возникновение аэробного фотосинтеза в начале развития биосферы еще в пределах 4-3,5 млрд лет назад. Именно с него началось не только бурное развитие жизни, но и постоянное выделение в огромных масштабах свободного кислорода и эквивалентное ему изъятие воды из биосферы. Началось кардинальное преобразование жизнью окружающей среды в направлении ее
оксигенизации. Вероятно, имевший до этого события широкое распространение бактериальный анаэробный фотосинтез не оказывал существенного воздействия на изменения геохимических параметров среды обитания и географической оболочки в целом. Символом таких процессов может служить реакция, соответствующая деятельности серобактерий:
2Н?8 + С02 + солнечный свет = СН20 + 2Б + Н20.
Хотя вследствие функционирования анаэробного фотосинтеза геохимические обстановки, по-видимому, не испытывали существенных изменений, значение фотосинтеза могло иметь важные последствия, так как в результате его в географическую оболочку должна была поступать вода. Количество ее, возможно, было весьма велико, поскольку анаэробные обстановки господствовали в водоемах длительное время, а потому могло захорониться значительное количество и органического вещества, созданного анаэробными фотосинтетиками. Соответственно значительным должен был быть и вклад этих организмов не только в энергетику географической оболочки и земной коры, но и в увеличение резервуара воды на Земле. Кстати, В. Г. Горшков [23], отмечая возможность осуществлять синтез свободной воды организмами палеобиосферы (например; из СН4 и С02, которые могли присутствовать в палеобиосфере Земли), указывал, что не исключено биогенное происхождение большей части гидросферы Земли.
С появлением аэробных фотосинтетиков, интенсивно выделявших свободный кислород, в гидросфере возникла контрастность окислительно-восстановительных обстановок, а с течением времени и преобладание окислительных условий. Затем, вероятно на рубеже 2,2-2 млрд лет назад, атмосфера стала окислительной, что привело к существованию на поверхности суши исключительно окислительных и преимущественно щелочных обстановок. Можно предполагать, что в восстановительной атмосфере присутствовали пары кислот и большое количество углекислого газа, которые, вследствие растворения в атмосферных осадках, обусловливали существование на суше кислых обстановок выветривания. В окислительной атмосфере пары кислот отсутствовали, меньше стало и углекислого газа, а потому геохимические обстановки на поверхности суши стали контролироваться реакциями гидролиза. Из-за того, что подавляющее количество породообразующих минералов является солями сильных оснований и слабых кислот, при их гидролизе в результате процессов выветривания должны были возникать щелочные обстановки.
Появление и широкое распространение в кембрии животных с карбонатными скелетными образованиями и общую небывалую вспышку в это время развития различных форм жизни легче всего объяснить тем, что именно на границе докембрия и кембрия возник озоновый слой у поверхности Земли. Такое событие, согласно расчетам Л. Беркнера и Л. Маршалла [7, 20-22], должно было произойти при достижении содержания свободного кислорода в атмосфере уровня, отвечающего примерно \Уо от его количества в современной атмосфере. В результате ультрафиолетовые лучи в количествах, губительных для жизни, перестали пронизывать верхнюю примерно десятиметровую часть водоемов, и она быстро была заселена разнообразными организмами. В этих мелководных обстановках содержалось меньше растворенного углекислого газа, чем в более глубоких, где большое его количество могло препятствовать не только образованию, но и сохранению карбонатного материала. В мелководье же, ставшем в то время доступным для обитания животных, карбонатный материал мог не только образовываться биогенным путем, но и сохраняться.
Таким образом, возможно, в докембрии животные обитали лишь на глубинах, куда не проникали губительные для них ультрафиолетовые излучения Солнца. На этой же глубине содержалось такое количество углекислого газа, которое препятствовало существованию карбонатных и фосфатных минералов. Водоросли и бактерии, вероятно, могли переносить несколько более повышенные дозы облучения, потому обитали и часто формировали карбонатные породы на меньшей глубине. Кроме того, аэробные фотосинтетики, поглощая при
фотосинтезе углекислый газ, понижали его содержание в воде. Животные, наоборот, при дыхании увеличивали его количество. По этой причине критическая глубина формирования карбонатных выделений для водорослей и животных могла значительно различаться.
С образованием озонового экрана у поверхности гидросферы в нее перестали проникать губительные ультрафиолетовые лучи. Животный мир сразу на громадных пространствах захватил мелководные зоны, в пределах которых стало возможно возникновение карбонатных скелетных образований. Появление у организмов скелета давало им большие преимущества перед бесскелетными формами. Поэтому в процессе борьбы за существование у многочисленных и разнообразных форм организмов стали возникать различные скелетные образования.
Существуют представления, что появление экзоскелетов на рубеже венда и кембрия имело прямую связь с важнейшей физиологической функцией - дыханием организмов. Для простейших и многоклеточных животных низших ступеней эволюционного развития, обладавших кожным, кожно-кишечным или кожно-жаберным типом дыхания, возникновение плотных оболочек при прочих равных условиях означает сокращение количества кислорода, поступавшего в организм. Синхронное появление скелетов у различных организмов могло произойти в том случае, если в среде обитания возросло содержание кислорода, что компенсировало потери его поступления из-за возникновения экзоскелетов [24]. Не исключено, что в рассматриваемых событиях нашла отражение функция защиты организмов с помощью экзоскелетов от избыточного поверхностного дыхания. Ведь с распространением жизни в крайнем мелководье должны были резко возрасти выделение свободного кислорода фотосинтезирующими организмами в гидросферу и обогащение воды им.
Итак, живые организмы создали свободный кислород на Земле. Рост его количества привел к образованию озонового экрана, который расширил границы распространения жизни в гидросфере, сделав доступными для нее даже самые верхние слои воды. В них проникало больше солнечного света, и поэтому фотосинтез растений стал идти интенсивнее. В результате увеличивались масса автотрофных организмов и количества выделяемого ими кислорода и поглощаемого углекислого газа. Соответственно резко возросла и роль животных организмов. При этом, благодаря широкому распространению животных с карбонатными скелетными образованиями, появился новый механизм изъятия углекислого газа из окружающей среды - жизнедеятельность животных.
Дальнейшее увеличение содержания в атмосфере свободного кислорода примерно до 10% от современного привело, согласно [7, 20—22], к формированию озонового слоя высоко от поверхности Земли, и жизнь смогла выйти на сушу и заселить ее. Это событие, как следует из данных палеонтологии, произошло в конце силурийского периода. Соответственно сразу увеличились сфера биокосного взаимодействия и многообразие форм его проявления. С развитием жизни на суше на ней возникла контрастность геохимических сред как кислотно-щелочных, так и окислительно-восстановительных, а определяющей характеристикой ландшафтов стали особенности растительного покрова. Более того, результаты биокосного взаимодействия в водоемах и на суше свидетельствуют об определенной противоположности этого процесса: для водоемов было характерно биогенное минералообразование, а для суши - интенсивное разрушение минералов различными организмами.
Все указанные рубежи были вызваны развитием биосферы и, в свою очередь, определяли ее особенности - вплоть до размеров и структуры. Могут быть выделены стадии развития биосферы: эмбриональная восстановительная - живые организмы существовали лишь в водоемах на глубинах более 10 м, атмосфера восстановительная; эмбриональная окислительная - жизнь также развита в водоемах на глубинах более 10 м, но атмосфера окислительная; юная - жизнь распространялась по всему объему водоемов, заселяла мелководье; зрелая - со структурой современной биосферы. Возможно, с рубежа ХУШ-Х1Х вв. биосфе-
ра вступила в старческую стадию, правда, скорее это не новая стадия, а глубокая болезнь биосферы, наподобие раковой, которая вызвана непомерным увеличением численности людей и усилением антропогенного прессинга. Иногда полагают, что на этом рубеже уже был превзойден пороговый уровень степени замкнутости глобального биогеохимического круговорота [25-27].
Изменения глобального взаимодействия живого и минерального миров вследствие эволюции биосферы. Из вышерассмотренного следует, что эволюция жизни, благодаря биокосному взаимодействию, привела к существенным изменениям живым веществом параметров окружающей среды. Это, в свою очередь, вызвало изменения глобального взаимодействия между живым и минеральным мирами. Так, в стадию существования эмбриональной восстановительной биосферы, т.е. пока окислительная атмосфера еще не возникла, при диагенезе сохранялось больше органического вещества, чем на более поздних стадиях, поскольку оно не расходовалось на восстановление в осадках на дне водоемов окисленных на поверхности Земли соединений, так как их не было. Соответственно влияние отлагавшегося на дне водоемов органического вещества на диагенетические процессы должно было быть очень слабым. Напротив, воздействие захороненного в осадочных породах органического вещества на процессы катагенеза и особенно метаморфизма должно было быть несравненно более значительным, чем позже. Более того, можно предположить, что именно содержавшаяся в захоронявшемся органическом веществе энергия химических связей в большой мере способствовала широкому развитию процессов метаморфизма.
Образование кислородной атмосферы привело к отложению на дне водоемов значительного количества окисленных соединений, потому существенная часть органического вещества в донных осадках начала расходоваться на их восстановление. Вследствие этого процессы диагенеза стали более разнообразными и интенсивными. Соответственно из-за значительных потерь органического вещества при диагенетических процессах оно все меньше стало участвовать в катагенетических и метаморфических процессах. В результате меньшего конечного захоронения органического вещества понизилась и интенсивность поступления свободного кислорода в атмосферу. С возникновением растительного покрова на суше воздействие живого вещества наиболее сильно стало проявляться при мобилизации осадочного материала и слабее - на последующих стадиях литогенеза. Для современного состояния биосферы характерно увеличение неравномерности воздействия живого вещества на осадки и породы из-за редуцирования растительного покрова и возрастания техногенного влияния. В целом это воздействие, вероятно, усилилось при мобилизации и отложении осадочного материала.
Заключение. Определяющей причиной рассмотренных существенных изменений географической оболочки является то, что глобальный цикл органического углерода, как и все его составляющие, не является замкнутым. Отсюда следует, что если суммарный объем биогеохимических круговоротов и скорости их функционирования определяют степень воздействия живого вещества на минеральный мир, то скорости изменения многих параметров географической оболочки обусловливаются величиной разомкнутости этих круговоротов. Наиболее объективный показатель такой разомкнутости - суммарное количество органического вещества, захоронявшегося в единицу геологического времени в осадочных толщах. Именно на основе данных об изменении этого параметра в геологической истории Земли можно относительно объективно судить об интенсивности коэволюции живого и минерального миров и физико-географических обстановок в географической оболочке. Из глобального цикла органического углерода постоянно выпадало, вследствие захоронения в осадочных толщах, органическое вещество. Примерно половина его в дальнейшем уничтожалась при разрушении более древних осадочных пород, остальная же часть постоянно увеличивала резервуар органического углерода. Соответственно происходило неуклонное
возрастание количества органического вещества, захороненного в осадочной оболочке. Параллельно с таким процессом эвтрофикации планеты в географическую оболочку постоянно поступал свободный кислород в количестве, эквивалентном захоронявшемуся органическому веществу. Последнее и обусловливало оксигенизацию атмосферы и земной коры, в свою очередь, вызывавшую кардинальные изменения географической оболочки и ее эволюцию.
Summary
Verzilin N. N. Geographical environment: concept and model of evolution.
Some problems connected with existing representations of the concept geographical cover and its ratio with the concept of biosphere are discussed. According to the model considered the principal evolution reason of biosphere and geographical cover was occurrence and then increase of Сь in the atmosphere, produced at photosynthesis processes. Tne most significant events for evolution of geographical cover were: occurrence of aerobic photosynthesis,, occupation of reservoirs shoal after occurrence of an ozone cloud at the surface of the Earth, an exit of life on land after formation of an ozone cloud at the distance from the surface of a planet.
Литература
1. Селиверстов Ю. П. Новые рубежи и проблемы землеведения // Вести. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7: Геология, география. 2002. Вып. 1 (№ 7). 2. Боков В. А.. Селиверстов Ю. П.. Черванев И. Г. Общее землеведение: Учебник. СПб., 1999. 3. Селиверстов Ю. П.. Бобков А. А. Землеведение: Учеб. пособие. М., 2004. 4. Синицын В. М. Сиаль: Историко-генетические аспекты. Л., 1972. 5. Колесник С. В. Общие закономерности Земли. М., 1970. 6. Славин В. И.. Ясаманов Н. А. Методы палеогеографических исследований. М., 1982. 7. Руттен М. Происхождение жизни / Пер. с англ.; Под ред. А. И. Опарина. М., 1973. 8. Будыко М. И. Эволюция биосферы. JL, 1984. 9. Буды-ко М. И.. Ронов А. Б.. Яншин А. Л. История атмосферы. Л., 1985. 10. Верзилин Н. Н. К вопросу об изменении количества свободного кислорода в атмосфере Земли в фанерозое // Изв. Всесоюз. геогр. об-ва. 1981. Т. 113, вып. 5. М. Верзилин Н. И. Учение о биосфере (эволюция биосферы): Учеб. пособие. СПб., 2004. 12. Гаррелс Р. М. Круговорот углерода, кислорода и серы в течение геологического времени. М., 1975. 13. Казанский Ю. П. Физикохимические особенности среды развития биосферы в докембрии // Современные геологические проблемы учения В. И. Вернадского о биосфере: Труды Ленингр. об-ва естествоиспытателей. Т. 81, вып. 2. Л., 1990. 14. Холленд X. Химическая эволюция океанов и атмосферы / Пер. с англ.; Под ред. В. А. Гринко. М., 1989. 15. Неручев С. Г. Опыт количественной оценки параметров древних атмосфер Земли // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1997. № 10. 16. Сидоренко А. В. Осадочная геология докембрия и ее значение для -познания допалеозойской истории Земли // Сов. геология. 1975. Jsr« 2. 17. Верзилин И. Н. Методы палеогеографических исследований. Л., 1979. 18. Верзилин Н. Н., Окно-ва Н. С. Изменение воздействия живого вещества на литогенез в свете эволюции биосферы // Эволюция осадочного процесса в океанах и на континентах / Под ред. П. П. Тимофеева. М., 1983. 19. Верзшин И Н. Живое вещество как определяющий фактор развития палеогеографических обстановок и геологических процессов в истории Земли // Современные геологические проблемы учения В. И. Вернадского о биосфере: Труды Ленингр. об-ва естествоиспытателей. Т. 81, вып. 2. Л., 1990. 20. Беркнер Л.. Маршалл Л. Кислород и эволюция // Земля и Вселенная. 1966. № 4. 23. Berkner L. V., Marshall L. С. On the origin and rise of oxygen concentration in the Earth’s atmosphere // J. At-mosph. Sci. 1965. Vol. 22, N 3. 22. Berkner L. V.. Marshall L. C. Limitation on oxygen concentration in a primitive planetary atmosphere // J. Atmosph. Sci. 1966. Vol. 23, N 2. 23. Горшков В. Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. М.. 1995. 24. Сочава А. В. Квазистационарная модель геохимического цикла и эволюции биосферы на рубеже докембрия и фанерозоя // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1992. № 6. 25. Горшков В. Г. Энергетика биосферы и устойчивость существования окружающей среды // Итоги науки и техники. Сер. Теоретические и общие вопросы географии. М.. 1990. 26. Кондратьев К. Я Парадигма глобальной экологии. I. Окружающая среда // Изв. Русск. геогр. об-ва. 1993. Вып. 6. 27. Кондратьев К. Я.. РоманюкЛ. П. Проблемы окружающей среды и Всемирный Банк // Изв. Русск. геогр. об-ва. 1996. Вып. 2.
Статья поступила в редакцию 20 февраля 2005 г.
