Интеграционные процессы, отражающие тенденцию к синтезу научного знания, привели к появлению пограничных наук, одной из которых стала геохимия ландшафта, возникшая на стыке геохимии и ландшафтоведения.
Одним из её ключевых разделов является биогеохимия ландшафта, в которой разрабатываются вопросы о роли биотических компонентов в организации геосистем. Её методологическую основу составляют концептуальные положения, заложенные в учении В. И. Вернадского (1965 и др.) о живом веществе, его функциях при эволюции биосферы и влиянии на геохимические процессы.
Рассматривая живое вещество как совокупность живых организмов, В. И. Вернадский подчеркивал его дисперсность, необыкновенное разнообразие и химическую активность; в пространстве оно образует своеобразный изменчивый покров, в котором сконцентрирована свободная энергия, выработанная за счёт энергии Солнца. Поэтому при характеристике живого вещества необходим учет его массы, химического состава, меры энергии, геохимической активности, распределения в пространстве. Это определяет общую стратегию выбора информативных параметров, используемых в биогеохимии ландшафта.
Особые свойства живого вещества по сравнению с косной материей выявляются при рассмотрении с геохимических позиций проблемы пространства-времени: диссимметрия пространства жизни и собственное характерное время. В целом В. И. Вернадским выделено три формы проявления времени, каждому из них даны специальные названия.
1. Время разрушения, которому отвечают направленные и необратимые процессы распада атомов химических элементов, не зависящие от внешних воздействий. По проведенным подсчетам скорости распада атомов разных элементов различаются в 1038 раз, а наиболее устойчивые из них практически «бессмертны».
2. Круговой ход времени, которому подчиняются различные по скорости круговороты вещества в атмосфере, гидросфере и литосфере.
3. Время созидания и развития, отражающее для живых организмов не только время их индивидуального существования и смены поколений, но и время эволюционных преобразований. В ходе геологической истории это сопровождалось увеличением разнообразия форм жизни, расширением её биогеохимических функций и усилением влияния на процессы массообмена с окружающей средой.
Функционирование живого вещества является основным механизмом, обеспечивающим, по выражению В. И. Вернадского, определённую структуру и геохимическую организованность биосферы.
Биогеохимические функции живого вещества объединены В. И. Вернадским в пять групп, которые отражают разные аспекты влияния живых организмов на геохимические процессы в ландшафтной оболочке. Дальнейшие исследования позволили расширить геохимическую трактовку последствий их деятельности в ландшафтах, в том числе и в свете учения А. И. Перельмана о геохимических барьерах.
1. Концентрационные функции — накопление химических элементов организмами-концентраторами, биогенная аккумуляция в почвах, образование пород органогенного происхождения, влияние на интенсивность круговорота, глобальный массообмен и геохимическую историю биогенных элементов.
2. Газовые функции:
- кислородно-углекислотная — поглощение CO2 и образование свободного кислорода при фотосинтезе; обогащение атмосферы кислородом;
- озонная — образование озонового экрана;
- углекислотная — выделение CO2 при дыхании живых организмов; разложение органических веществ с образованием CO2 и его влияние при растворении в водах на щелочно-кислотную обстановку водной миграции;
- углеводородная — микробиологическое разложение органических веществ (уголь, нефть, битумы и др.) в анаэробной среде и образование углеводородов (метан и др.), с которыми связано образование газовых залежей, эпигенетические изменения во вмещающих породах и геохимические процессы в подземных водах;
- сероводородная — разложение сульфатредуцирующими бактериями в бескислородной среде органических веществ и сульфатов с выделением H2S, являющегося сильнейшим осадителем металлов; создание предпосылок формирования сероводородного барьера;
- водородная — разложение органических веществ в анаэробной среде с выделением Н2 при водородном брожении клетчатки; выделение гидробионтами перекиси водорода и её участие в трансформации органических веществ в водах;
- азотная — фиксация азота из воздуха почвенными бактериями и сине-зелёными водорослями; микробиологические круговороты, выполняющие процессы аммонификации, нитрификации и денитрификации.
3. Окислительно-восстановительные функции:
- восстановительная — гниение органических веществ в анаэробных условиях и формирование восстановительной глеевой обстановки; создание предпосылок возникновения глеевого барьера; микробиологическое восстановление Fe, Mn, Р, S, N и других элементов гетеротрофами в процессе глеегенеза; восстановление Fe и Mn биохимическим путем под влиянием редуцирующих веществ, выделяющихся при разложении растительных остатков;
- окислительная — участие в процессах оксидогенеза автотрофных и гетеротрофных микроорганизмов, выполняющих биогеохимическое окисление Fe, Mn и других металлов с переменной валентностью (железобактерии, железомарганцевые бактерии), в том числе в зоне кислородного барьера.
4. Биохимические функции, осуществляющиеся внутри живого вещества и определяющие биогенную миграцию химических элементов из внешней среды в живое вещество (в процессе питания, дыхания, размножения организмов) и из живого вещества в окружающую среду (разрушение организмов); обеспечение биологического круговорота (БИКа) и распространение в пространстве («напор жизни»).
5. Биогеохимические функции человека — изменение условий миграции химических элементов и вещественно-энергетических потоков в ландшафтах; в настоящее время последствия производственной деятельности человечества проявляются не только на локальном уровне, а оказывают деформирующее влияние на процессы массообмена и судьбу химических элементов в глобальных биогеохимических циклах (Добровольский, 1998).
Анализ всей совокупности биогеохимических функций показывает, что одни являются универсальными, а связанные с ними процессы реализуются во всех биогенных ландшафтах, хотя и с разной интенсивностью (кислородно-углекислотная, концентрационная, биохимическая функции). Наряду с такими функциями существуют другие специфические формы проявления геохимической активности живого вещества, отличающиеся дискретным распространением (сероводородная, углеводородная и другие функции) и действующие в ландшафтах определённых типов, а также в более глубоких горизонтах литогенной основы в пределах зоны гипергенеза. Сочетание универсальных и специфических геохимических явлений, в которых отражается работа живого вещества, меняется в пространстве и во времени, создавая предпосылки для возникновения тенденций к дифференциации или интеграции ландшафтов в ходе эволюции биосферы.
Биогеохимические законы и принципы, в которых сфокусированы механизм действия и оценка планетарной роли живых организмов, составляют концептуальное ядро биогеохимии ландшафта. Они сформулированы на основании идей В. И. Вернадского о том, что влияние живого вещества имеет всеобъемлющий характер и является важнейшей геохимической силой, преобразующей земную кору. В совокупности биогеохимические законы раскрывают основную сущность воздействия живого вещества и его эволюционные изменения.
Закон Вернадского (закон биогенной миграции атомов): миграция химических элементов в биосфере происходит при непосредственном участии живого вещества или в среде, геохимические свойства которой обусловлены живым веществом, функционирующим сейчас или действовавшим на протяжении всей геологической истории Земли. Данный закон имеет принципиальное значение, так как утверждает центральную роль живого вещества как активного геохимического агента биосферы. Оценивая геологическую роль живых организмов, Б. Б. Полынов (1953) подчеркивал неправильность утверждений, что какой-либо процесс может протекать и без организмов так же, как протекает сейчас в их присутствии. Он обосновывал это тем, что мысленно снимая участие организмов в процессе, нельзя не учитывать те элементы обстановки, которые были созданы ими в ходе исторического развития. Осознание связей между биотическими компонентами и направленностью геохимических процессов имеет не только теоретическое, но и практическое значение. Необходимо учитывать, что при антропогенном воздействии на биоту возможно изменение условий миграции элементов и, как следствие, нарушение устойчивости природно-антропогенных ландшафтов. По мнению Н. Ф. Реймерса (1994), такая ситуация создает предпосылки для глубоких химических перемен в организации геосистем и развития деструктивных процессов, которые при глобальном размахе могут стать неуправляемыми.
Биогеохимические принципы Вернадского базируются на оценке свойств живого вещества в связи с эволюцией биосферы. Им выделено три фундаментальных принципа.
I. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Принцип основан на энергетической сущности живого вещества, которое является источником действенной свободной энергии и, вовлекая неорганическое вещество в «вихрь жизни», способно увеличивать свою геохимическую активность. Интерпретируя данный принцип, В. С. Савенко (2003) отмечает стремление биоты к установлению максимально возможной при данных условиях биомассы, что достигается путем размножения и усиления биогенной миграции, в том числе и непосредственно не связанной с физиологическим метаболизмом. Очевидно, для всесторонней оценки биогенной миграции необходимо использование экстенсивных и интенсивных параметров, а также рассмотрение косвенного влияния биоты на миграционные процессы.
II. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых форм жизни, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов. Согласно второму принципу, при эволюции возникают и сохраняются виды, способные увеличивать биогенную геохимическую энергию. Это подразумевает изменчивость во времени и высокую приспособляемость живого вещества.
III. В течение геологической истории (с криптозоя) заселение планеты должно было быть максимально возможным для всего живого вещества, которое тогда существовало. По расчетам В. И. Вернадского, в каждый момент на Земле существует примерно 1020-1021 г живого вещества, хотя предположение о постоянстве его массы на протяжении геологической истории в настоящее время подвергается сомнению.
Закон Вернадского-Бауэра (закон максимума биогенной энергии): любая система с участием живого вещества, находясь в состоянии «устойчивой неравновесности» и эволюционно развиваясь, увеличивает своё воздействие на среду Закон был сформулирован на основании биогеохимических принципов В. И. Вернадского и «принципа максимума эффекта внешней работы» Э. С. Бауэра. При его введении были учтены различия между:
- системами, состоящими из косного вещества и стремящимися к достижению устойчивого равновесия и максимуму энтропии,
- негэнтропийными системами с участием живого вещества, которые никогда не бывают в равновесии и обладают свободной энергией.
По Э. С. Бауэру, эволюция биосистем является результатом увеличения эффекта их внешней работы в связи с ассимилированной ими энергией. Поступательное развитие живого вещества имеет своеобразную векторную направленность от меньшей организованности к большей. Это объясняет такое поразительное, по мнению В. П. Казначеева (1983), явление жизни и биологической эволюции как её необратимость и прогрессивное развитие, что сопровождается увеличением неравновесности и усилением воздействия на окружающую среду. В соответствии с гипотетическими представлениями о динамике негэнтропийных процессов на Земле в разные фазы планетогенеза выявляется возможность разрушения в ходе эволюции биокосных и биотических систем, особенно под влиянием деятельности человечества, что объясняет обострение экологических проблем в настоящее время. В целом закон Вернадского-Бауэра подчеркивает активность живого вещества, которое определяет биогеохимическую организованность ландшафтов.
Рассматривая вопрос о биотических и геоматических факторах ландшафтогенеза, Н. А. Солнцев в 1973 г. отмечал способность биоты видоизменять геоматическую среду, а также увеличение степени модифицированности по мере накопления биомассы. Это позволило ему сформулировать ландшафтное правило: степень биотической модификации геоматической среды ландшафта прямо пропорциональна суммарному количеству накопленного им живого или мертвого органического вещества. Хотя Н. А. Солнцев предпочитал не говорить о биогенном формировании природной среды, выявленная тенденция отражает ведущую роль БИКа в функционировании ландшафтов.
Закон биологического круговорота химических элементов: в ландшафте в ходе БИКа атомы химических элементов поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, а при разложении органического вещества отдают в окружающую среду накопленную энергию, за счет которой осуществляется многообразная химическая работа. Такая формулировка закона предложена
A. И. Перельманом (1973 и др.) на основании научных трудов B. И. Вернадского, Б. Б. Полы нова и других исследователей и отражает роль круговоротов в развитии материальных систем, постоянное взаимодействие и массообмен живого вещества с окружающей средой и его энергетическую функцию. По образному выражению В. И. Вернадского, биосфера представляет собой область земной коры, занятую трансформаторами, переводящими космическое излучение в действенную земную энергию. В современной трактовке этого закона в ходе БИКа последовательно сменяются противоположные процессы: негэнтропийный, сопровождающийся образованием геохимических аккумуляторов, и энтропийный, когда при их разрядке носителями энергии становятся агрессивные природные воды. Биологический круговорот (как и круговорот воды) является одним из основных механизмов, поддерживающих целостность биосферы, её организованность и поступательное развитие.
Наряду с биогеохимическими законами, концептуальную основу биогеохимии ландшафта составляют теоретические положения о самоорганизации геосистем, их структуре и функционировании. Самоорганизация ландшафта проявляется в его целостности, когерентности и способности сохранять свои основные свойства при изменении внешних условий. По А. И. Перельману (1995), она зависит от комплекса факторов, причем каждому фактору, усиливающему самоорганизацию, противостоит его противоположность, ослабляющая ее.
Главным механизмом самоорганизации является БИК, так как в зависимости от интенсивности и соотношения процессов автотрофного и гетеротрофного биогенеза меняется количество свободной энергии, поступающей в ландшафт. Оно растет при увеличении продуктивности ландшафтов и усилении процессов разложения органического вещества, что способствует интенсификации геохимических процессов и усилению когерентности между природными компонентами. Другие группы факторов (климатические, геолого-геоморфологические и др.), подлежащие учету при оценке степени самоорганизации геосистем, отражают гидротермические особенности и литогенную основу ландшафтов и оказывают прямое или косвенное влияние на БИК. В совокупности с процессами биогенеза они определяют термодинамические условия, характер прямых и обратных связей, интенсивность водной и механической миграции. Учет эффектов их совместного действия позволил А. И. Перельману сформулировать основной закон самоорганизации природных ландшафтов: степень самоорганизации тем больше, чем больше в ландшафтах живого вещества (Б), продукция (П), энергичнее БИК, и тем меньше, чем энергичнее геоморфологические процессы и разнообразнее геологическое строение. Таким образом, исходя из такой трактовки, видно, что самоорганизация выше в оптимальных для БИКа эколого-геохимических условиях и снижается при усилении роли лимитирующих климатических факторов и современных экзогенных процессов, стимулирующих развитие агрессивных абиотических потоков. В то же время вопрос о снижении самоорганизации ландшафтов на территориях с разнообразной литогенной основой требует дальнейшей проработки, так как последствия смены пород могут быть неоднозначны (например, рост продуктивности таёжных ландшафтов на карбонатных породах по сравнению с флювиогляциальными равнинами).
Исходя из фундаментальной роли биогенеза в функционировании геосистем, можно говорить об особой биогеохимической организованности ландшафтов; её изучение может быть проведено для геосистем разного уровня сложности (фаций, геохимических ландшафтов, природных зон) и включает выявление отношений, возникающих в процессе БИКа и оказывающих влияние на миграционные потоки. В процессе развития формируется внутренняя биогеохимическая структура ландшафтов, основу которой составляет комплекс биотических и биокосных связей. По М. А. Глазовской (1984), между её усложнением и степенью геохимической устойчивости биогеоценозов существует прямая зависимость. Особенности биогеохимической структуры обусловлены: видовым разнообразием организмов, входящих в состав биоценозов; характером отношений между отдельными ярусами и группами видов; их биогеохимической специализацией. При выявлении этой специализации учитывается элементный состав растений и теоретические положения А. П. Виноградова (1932) и других исследователей о связях химического состава организмов с их происхождением, эволюцией и влиянием экологических факторов.
Совершенство и степень биогеохимической организованности ландшафтов тесно связаны с особенностями продукционного процесса и соотношением внутренних и выходных потоков, определяющих уровень замкнутости геосистем. По И. П. Герасимову (1985), общее совершенство внутренней организации достигается в геосистемах, способных наиболее полно использовать поступающие и находящиеся в их пределах вещества без их потерь (отдачи во вне) или излишней аккумуляции в виде инертного, неиспользуемого продукта. Это предполагает сбалансированность входных, внутренних и выходных потоков, обеспечивающих устойчивость ландшафтов. Структурно-функциональные различия сопряженных элементарных комплексов позволили М. А. Глазовской (1992) выдвинуть тезис об особой биогеохимической организованности экологического пространства в природных ландшафтах, которая зависит от деятельности биоты в разных частях катен.
При этом роль биоты проявляется в разных аспектах:
- вовлечение химических элементов в БИК;
- выполнение концентрационных функций;
- регулирование внутреннего оборота вещества;
- влияние на обстановку водной миграции, с которой связана потеря биогенов при формировании выходных потоков.
Одним из главных концентрационных механизмов, препятствующих выносу элементов, являются биогеохимические барьеры. Их ёмкость зависит от структуры фитоценозов и интенсивности автотрофного и гетеротрофного биогенеза. Использование концепции геохимических барьеров способствует выявлению факторов, оказывающих влияние на биогеохимическую организованность ландшафтов.
В соответствии с теоретическими положениями, составляющими основу биогеохимии ландшафта, выделяется три методологических подхода. Первый подход — системный, согласно которому основной объект исследований — геосистемы разного иерархического ранга. Они относятся к саморегулирующимся, неравновесным, диссипативным системам, в функционировании которых ведущая роль принадлежит живому веществу. Предметом исследований являются процессы биогенеза и их влияние на формирование миграционных потоков. Второй подход — атомистический, заключается в рассмотрении химического состава биотических и биокосных компонентов ландшафта на «атомарном» уровне, выявлении биогеохимической специализации живых организмов и изучении поведения отдельных химических элементов в процессе биогенной миграции. Третий подход — исторический, его использование раскрывает изменение биогеохимических параметров ландшафтов при эволюции биосферы. Совместное использование разных методологических подходов раскрывает роль биогеохимических процессов в структурно-функциональной и пространственно-временной организации ландшафтов и последствия их нарушений при техногенезе.