На предыдущих примерах можно было заметить, что каждая обсуждаемая проблема носит характер антиномии, противопоставления.
Это отражено в принципе дополнительности Н. Бора, а математически — в теории групп. Обсудим с позиций антиномии еще один вопрос существования материи, прямо касающийся почв. Это второй закон термодинамики, который в науке до недавнего времени не имел дополнительной пары. Согласно этому закону, изолированная физическая система самопроизвольно и необратимо стремится к состоянию равновесия; при этом энергия непрерывно рассеивается, а не концентрируется.
Но можно ли считать почву физической системой, да еще закрытой, изолированной от внешнего мира? Если почва не физическая система, то какая? Не будем же мы считать почву живым существом. А если она физическая система, то согласно физической теории в ней должно идти разрушение порядка, выравнивание различий и симметризация явлений, чего не наблюдается. Если же почву считать живой системой, то согласно биологической теории в ней должно идти непрерывное и повсеместное созидание, структурирование, диссимметризация, накопление энергии, способной производить работу.
Можно ли ожидать, что физические законы, выявленные для мертвой материи, и биологические — для живой, могут быть одновременно применимы при описании природы почв? Если придерживаться физических законов, то почва должна терять свободную («работоспособную») энергию, увеличивая энтропию; если же биологических — она должна концентрировать, накапливать, такую энергию. От того, какое из этих двух аксиоматических положений будет нами принято, зависит ход дальнейших теоретических построений. Поэтому антиномия «концентрация—деконцептрация» имеет большое значение для почвоведения.
П. К. Ощепков (1967) указывал на существование такой дополнительной пары: «деконцентрация», когда «нагретый чайник» остывает, а «концентрация» — обратный процесс, когда «чайник с холодной водой» сам закипает без огня, вбирая тепло из окружающего пространства. Эта антиномия для несамоорганизующихся систем противоречит здравому смыслу. Но поищем аналогии в природе. Природным объектом, в котором одновременно происходит самопроизвольная концентрация и деконцентрация свободной энергии, являются почвы. Они, как и все живое на Земле, казалось бы, противоречат обычному проявлению второго начала термодинамики в физических системах: в начальной стадии развития за счет фотосинтеза растений почвы активно концентрируют энергию, в зрелости находятся в устойчивом неравновесном состоянии, а разрушаясь, рассеивают свободную энергию, повышая энтропию.
Так, в черноземе свободной энергии, содержащейся в органическом веществе, во много раз больше, чем в подстилающей эту почву породе. При деградации чернозем, рассеивая свободную энергию, резко теряет плодородие. Последнему часто способствует неразумная деятельность человека. За последние 100 лет в черноземах гумуса стало меньше на 1%. Это равносильно потере энергии, вырабатываемой несколькими сверхмощными электростанциями, которая использовалась бы только для производства урожая. Так что почвоведам не чужды задачи энергетики. Ученые, разрабатывавшие энергетические проблемы почвоведения, неоднократно награждались Государственными премиями СССР. Только в отличие от гидроэнергетиков почвоведы строят свои «электростанции» не на реках, а на сельскохозяйственных полях, планируя агротехнические приемы в целях повышения в почвах энергетических ресурсов, чтобы обеспечить максимум урожая при: небольших материальных и энергетических затратах.
Почва — тот самый «чайник», в котором энергия Солнца самопроизвольно стремится перейти в «тепло» (в свободную энергию органических веществ) благодаря фотосинтезу и удержаться в нем. В почве идет непрерывное обесценивание энергии, и энтропия есть мера этого процесса. Переработка энергии происходит за счет получения отработанного вещества — новообразованных гумуса и глинных минералов, результатов полезной работы. Пополнение свободной энергии, совершающей такую работу, ежегодно происходит при накоплении биомассы в почве, что позволяет почвенным временным диссипативным структурам понижать свою энтропию в пределах собственного объема (в процессе эволюции) или удерживать ее на определенном уровне — в динамическом устойчивом неравновесии.
Диссипативные (летучие) структуры придают почве — неживому телу — удивительные свойства: она эволюционирует как самоорганизующаяся система. При этом возникают структуры, способные «запоминать» некие правила, обеспечивающие их существование, устойчиво их фиксировать и воспроизводить в пространстве. В мире почв оказывается возможной особая форма «наследственной» информации — самодостраивающиеся диссипативные структуры. Они прослеживаются на всех уровнях организации, от ультрамикроскопических до почвенных ареалов.
Примером таких структур являются конвекционные неустойчивости Бенара, или ячейки Бенара. Благодаря закономерной циркуляции внутрипочвенных тепловых потоков, видимо, создающих электромагнитные поля, в общем-то изначально бесструктурная почвенная масса со временем с поверхности разбивается на правильные ячеи, подобные сеткам или пчелиным сотам. Таким образом, энергетически неравновесное состояние почвенной системы становится причиной возникновения в ней пространственно-временных структур в виде геометрически правильных форм (прямоугольников, шестиугольников, окружностей). Такие структуры И. Пригожин назвал диссипативными, так как со временем они видоизменяются за счет расходования свободной энергии, потребляемой из окружающей среды.
Вероятно, почву следует изучать с позиций неклассической термодинамики (синергетики). Если классическая термодинамика имеет дело с одним процессом — деконцентрацией, когда из первоначальной упорядоченности в результате роста энтропии возникает беспорядок, то неклассическая (неравновесная) термодинамика рассматривает дополнительные аспекты, характерные для самоорганизующихся систем: при концентрации энергии из беспорядка рождается порядок. Эти представления в приложении к экологическим системам развиты И. И. Свентицким (1982), Н. С. Печуркиным (1982).
Антиномия «концентрация — деконцентрация» затрагивает самую важную проблему современности: обеспечение жителей нашей планеты достаточным количеством энергоресурсов. Энергию можно добывать не только за счет использования горючих ископаемых: угля, газа, нефти, а также атомной энергии. Исследуются реакции, которые позволяют концентрировать солнечную энергию подобно тому, как это происходит в хлорофилловых зернах. Пока такой процесс осуществляют сами организмы: на Земле только растениями ежегодно накапливается органических веществ в несколько раз больше всего добываемого за этот же год угля. Не использовать энергию Солнца — обеднить не только себя, но и грядущее поколение людей: «…каждый луч Солнца, не уловленный, а бесследно отразившийся назад в мировое пространство,— кусочек хлеба, вырванный изо рта отдаленного потомка» (Тимирязев, 1948).
Фредерик Жолио-Кюри писал: «Хотя я и верю в будущее атомной энергии и убежден в важности этого изобретения, однако я считаю, что подлинный переворот в энергетике наступит только тогда, когда мы сможем осуществить массовый синтез молекул, аналогичных хлорофиллу или более высокого качества» (1957, с. 518).
В обнаружении новых природных источников энергии почвоведение выходит на передовые позиции. В почвах превращение одних видов энергии в другие отличается большим разнообразием. При этом в них возникают постоянные естественные поля с напряжением 0,01—0,001 В. Электромагнитные поля почв и земной коры изучают геофизики, а редокс-потенциал замеряется почвоведами, биологами. Эти поля хотя и невелики, но выполняют различную работу: в одних случаях полезную для человека, в других — неблагоприятную. Различные металлические предметы: трубы, провода, опоры, закопанные в почву, подвергаются коррозии за счет возникновения вокруг этих предметов электрических полей. С другой стороны, электромагнитные поля, видимо, участвуют в образовании и концентрации гумуса, водопрочных микроагрегатов почв, конкреций.
Микровольтметры показывают очень четкое возрастание напряжения электрического поля при повышении температуры почвы. В теплый солнечный день редокс-потенциал почв увеличивается на 30—50 мВ по сравнению с холодным утром. Причем эти колебания носят закономерный синусоидальный характер в течение суток (Снакин, 1984). Деятельность электронов и (или) ионов можно и послушать: для этого нужно подключить провода репродуктора или телефона к двум разнородным металлическим стержням, воткнутым в почву. Послышится слабый треск, усиливающийся при повышении температуры почвы, увлажнении, увеличении содержания солей, гумуса. Видимо, почвообразование протекает под контролем естественных гравитационных, электромагнитных и биологических полей.
Если бы удалось изучить природу этих полей в почвах, то можно было бы ими управлять в целях повышения биологической продуктивности растений.
Предполагается, что необычайно мощный рост дальневосточных растений связан с высокой магнитной восприимчивостью почв, в десятки раз превышающей таковую почв европейских. Можно привести и другие примеры, которые свидетельствуют о корреляции почвенных процессов с электромагнитными свойствами почв.
Всем известен факт несимметричного строения рельефа земной поверхности, ее высокой «гофрированности»: одни склоны — холодные и влажные, теневые обращены на север и запад, а другие — теплые и более сухие, солнечные — на юг и восток. Почвы теневых склонов всегда мощные, многогумусные, мелкоземистые, а почвы солнечных склонов — маломощные, малогумусные, щебнисто-мелкоземистые. Заметное расхождение в содержании гумуса (3—5%) объясняют просто: на теневых склонах идут процессы, благоприятствующие его накоплению, а на солнечных гумус минерализуется, «сгорает».
Однако различия в природе почв можно объяснить иначе. Разница в температурах поверхности почв теневого и солнечного склонов достигает 10—30° С. Тепло от нагретого склона перемещается к холодному, создавая эффект, который внешне подобен явлению, происходящему в термопаре, что способствует возникновению естественного потока зарядов. Видимо, он несет отрицательно заряженные анионы — радикалы гуминовых кислот — с теплого склона па холодный, пополняя запасы гумуса в его почвах, а из почв холодных склонов на теплые мигрируют катионы — кальций, магний, которые способствуют окарбоначиванию почв солнечных склонов. По механизму это явление напоминает термоградиентный перенос вещества в почве.
Подобные электрические токи идут и по вертикальному почвенному профилю, осуществляя электрофорез, проявляющийся в специфике гумусообразования — в равномерном окрашивании почвенной толщи, создании глееватости и охристости в периодически увлажняемых почвах. Смена тепла и влаги изменяет полярность электрического поля, что приводит к перезарядке некоторых почвенных горизонтов (особенно глеевых).
Представление о «перетекании» электричества из одной элементарной почвенной ячейки в другую, от одного склона к другому помогает объяснить природу многих физико-географических явлений: например, наличие четкой границы между лесом и субальпийскими лугами в горах, формирование снежников и ледничков в пригребневых частях теневых склонов и т. п. Здесь, видимо, возможно возникновение эффекта, подобного эффекту Пельтье.
Эффект Пельтье — выделение или поглощение тепла при прохождении тока через контакт (спай) двух разных проводников. Количество тепла пропорционально силе тока.
Если в качестве «электрической цепи», состоящей из проводников разного качества, рассматривать почвы склонов северной и южной экспозиции, а спаем считать рыхлые горные породы водораздела, то можно ожидать этот эффект. Он, вероятно, вызывает температурные различия в почвах пригребневых частей склонов: в месте контакта склона с гребнем, где располагается граница между лесом и лугом или где сохраняются снежники, образуются аномально низкие температуры (теневой склон), а на противоположном солнечном склоне — аномально высокие температуры. Замеры электродвижущей силы показывают здесь высокие значения.
Если согласно гипотезе существует перетекание заряженных частиц с одного склона на другой, то это явление может объяснить роль человека в почвообразовании с иных позиций, а именно тем, что он в результате хозяйственной деятельности меняет электрический потенциал и полярность. Но как это влияет на свойства почвы, остается неизвестным. Изменяя электромагнитные свойства почв в одном месте, человек нарушает их в другом, непредвиденном месте, удаленном от первого на десятки и сотни километров.
Например, истощение запасов гумуса в почвах одного склона может оказаться зависимым от того, как используются человеком почвы противоположного склона. Становится понятной асинхронная динамика ледников: в одних бассейнах они отступают, деградируют, в других — наступают, растут, хотя в общем находятся в равных климатических условиях. Видимо, хозяйственная деятельность человека на противоположном солнечном склоне отражается через электромагнитные поля на динамике ледников, и не только их. Неизвестную роль играют также «сбросы» в почву промышленных токов.
Другим примером возможного возникновения электрического поля и его существенного влияния на почвообразование являются мерзлотные полигональные почвы. Почвенные полигоны напоминают термобатареи, состоящие из термоэлементов и образующие термопары. В отличие от холмистых поверхностей на плоских равнинах только таким образом создаются условия для возникновения электрического поля. Холодные ледяные блоки (прямоугольники, шестиугольники) разделены торфянистыми полосками. Эти полосы-перегородки выполняют роль мембран, которые охраняются «демонами Максвелла» и через которые осуществляется избирательный перенос вещества и энергии из одной почвенной ячейки в другую.
Демоны Максвелла — вымышленный агент природы, борющийся с ростом энтропии; наблюдает за деятельностью молекул и сортирует их по размерам, вещественному составу, энергетическим показателям по своему усмотрению. Не все ученые согласны с возможным существованием такого «демона».
Холодные ледяные блоки при периодическом таянии питают разделяющие их торфянистые почвы энергией, поэтому на последних могут произрастать сельскохозяйственные культуры. Местные жители умело используют это явление в практических целях.
Специфика электронов и силовых линий электромагнитных полей будет зависеть от состава горных пород, характера почвообразования, что в общем отражается на формах элементов различных уровней организации: от субмолекулярных до многокилометровых. Каждую элементарную клетку почвенного покрова можно представить в виде сложной электромеханической системы, центр управления которой расположен в самой клетке. Элементы этого почвенного механизма управления — атомы и молекулы, сами создающие электромагнитные волны, упорядоченно мигрируют под влиянием электрических полей; последние возникают и регулируются под воздействием вертикальных и горизонтальных потоков влаги и тепла, а также жизнедеятельности организмов.