Из истории развития идей биогеохимии

Контуры биогеохимии вырисовывались постепенно на фоне общего развития естествознания и, главным образом, химии. Как показано выше, основные идеи биогеохимии ориентированы на оценку явлений жизни, деятельности живого вещества с научных позиций, т.е. «числом и мерой». Вместе с тем они невольно касались сферы исконных интересов религии, философии и, следовательно, идеологии. Это обстоятельство во все времена требовало незаурядных качеств личности исследователя. Хотя развитию идей биогеохимии способствовали работы многих ученых, наиболее заметный след в истории этих идей оставили весьма неординарные фигуры, являвшиеся не только крупными учеными, но и яркими личностями.

В конце XVIII в. благодаря открытию кислорода, азота, диоксида углерода (углекислого газа) и расшифровке химического состава воздуха в научных кругах Парижа и Лондона активно обсуждалось значение газов в жизни растений. В это время один из основателей химии Антуан Лавуазье решил задачу количественной оценки химических элементов, участвующих в реакции, и изучил явление эквивалентного обмена кислорода и углекислого газа растениями. Этими работами он заложил основу современных представлений о геохимии углерода в биосфере. Убедившись в том, что главный химический элемент органического вещества – углерод – растения получают из воздуха, а при разложении растительных остатков углерод в составе углекислого газа вновь возвращается в атмосферу, А. Лавуазье пришел к выводу об универсальности механизма круговорота при взаимодействии живых организмов с природой.

Незадолго до трагической гибели от революционного террора А. Лавуазье написал трактат «Кругооборот элементов на поверхности земного шара», где обосновал идею циклического обмена химических элементов между тремя царствами природы: минеральным, растительным и животным. В этом трактате он поставил вопрос, на который спустя двести лет стремится дать ответ биогеохимия: «Какими путями осуществляет природа этот изумительный круговорот веществ между тремя своими царствами?»

После работ А. Лавуазье стало очевидно, что живые организмы в основном состоят из элементов, образующих на поверхности Земли газы, и что в химии жизни исключительно важное значение имеет взаимосвязь организмов с газами атмосферы. Эта проблема продолжала оставаться в центре внимания в начале XIX в. В 1841 г. два выдающихся французских ученых – знаменитый химик, один из основателей органической химии Жан-Батист Дюма и Жан-Батист Буссенго, основатель агрохимии, путешественник и натуралист, – окончательно сформулировали идею циклического круговорота газов в системе живые организмы – атмосфера, изложив ее в яркой и несколько парадоксальной форме: «…мы видим, что первичная атмосфера Земли подразделилась на три большие части: одна из них образует современный атмосферный воздух, вторая представлена растениями, третья – животными… Таким образом, все, что воздух дает растениям, растения уступают животным, животные же возвращают воздуху; вечный круг, в котором жизнь трепещет и выявляется, но где материя только меняет свое место».

Как ни велико значение круговорота газов, этим обмен веществ между живыми организмами и окружающей средой не ограничивается. Следующий шаг в познании биогеохимических циклов на суше связан с исследованиями выдающегося немецкого химика Ю. Либиха. Он показал, что химические элементы поступают в растения двумя путями: одни как углерод из воздуха, другие – в виде водных растворов из почвы. Ю. Либих провел широкие исследования, последовательно определив состав почв и содержание минеральных веществ в разных органах растений и животных, продуктах их жизнедеятельности. По существу, он впервые применил метод сопряженного анализа, широко используемый в современной геохимии ландшафтов. Многочисленными экспериментами он доказал, что растения избирательно поглощают из почвы химические элементы. На основании этого открытия Ю. Либих разработал широко известную теорию минерального питания растений и положил начало изучению циклической миграции элементов в системе почва–растения–почва, получившей позже название биологического круговорота.

Значение работ Ю. Либиха для биогеохимии трудно переоценить. Он наметил пути экспериментального изучения биогеохимических циклов большей части химических элементов, перевел проблему взаимодействия живых организмов и минеральной природы из области философских построений в плоскость конкретных научных исследований и практической деятельности. После его работ биологический круговорот химических элементов приобрел осязаемую реальность. Либих показал, как человек может им управлять, искусственно вводя в миграционные циклы дополнительные массы элементов. В его знаменитой книге «Химия в приложении к земледелию и физиологии растений», изданной в Германии в 1840 г., впервые была предпринята попытка рассмотреть судьбу народов и стран в связи с нарушением естественного массообмена отдельных химических элементов. Аналитическое мастерство, широкая эрудиция, научная целеустремленность покоряют и современного читателя его трудов.

В 80-х гг. XIX в. в России возникло генетическое почвоведение. Его основатель – яркий и оригинальный ученый, профессор Петербургского университета В.В. Докучаев рассматривал образование (генезис) почвы как результат взаимодействия многих факторов-почвообразователей: почвообразующей горной породы, растений и животных, климатических условий, форм рельефа, грунтовых вод.

Учение В.В. Докучаева углубило и конкретизировало представления великих химиков о деятельности живых организмов на примере широко распространенного природного образования – почвенного покрова суши. Одновременно впервые было показано неразрывное единство живых организмов с другими компонентами природной системы и невозможность существования этой системы без явлений жизни.

Таковы основные вехи развития научной мысли о планетарном значении жизнедеятельности организмов и их тесной взаимосвязи с неживым веществом окружающей среды. Многочисленные, но разрозненные и трудно сопоставимые факты и гипотезы нуждались в обобщении на новой методологической основе. Эту основу предоставила геохимия.

Согласно принципам этой науки, любой объект можно охарактеризовать соотношением образующих его атомов химических элементов. Геохимический подход позволяет сопоставлять и сравнивать самые различные природные тела и процессы. В частности, определив средний суммарный состав живых организмов Земли и сопоставив его со средним составом земной коры, можно оценить направленность геохимической деятельности живого вещества во времени. Определив массы химических элементов, ежегодно захватываемых приростом растительности Мировой суши, и массы этих же элементов, выносимых с годовым стоком всех рек, можно получить представление о значимости каждого из планетарных процессов. Геохимический подход дает возможность объективно, на строго научной основе оценить планетарный эффект деятельности живого вещества или отдельных групп живых организмов.

Развитие геохимии в разных странах шло различными путями. В США было положено начало статистическому изучению распределения химических элементов. Химик геологической службы США Ф.У. Кларк с целью установления средних значений концентрации десяти главных химических элементов в основных типах горных пород, природных водах и других объектах в 80-х гг. XIX в. приступил к обобщению имевшихся аналитических данных. С 1889 г. по 1924 г. он несколько раз публиковал все более обоснованные сведения о среднем содержании химических элементов. Книга Ф. Кларка «The Date of Geochemistry» явилась первым объективным обоснованием закономерностей распределения главных химических элементов в земной коре.

В Европе геохимия складывалась на базе минералогии – науки о природных химических соединениях и процессах их образования. По этой причине главное внимание уделялось процессам, определявшим распределение химических элементов.

В Норвегии при университете в Осло сложилась сильная научная школа минералогов и химиков, представители которой изучали распределение и соотношение элементов в связи с физико-химическими процессами рудо- и породообразования. В недрах этой научной школы сформировался как ученый выдающийся геохимик В.М. Гольдшмидт. Он разработал учение о глобальных закономерностях распределения химических элементов в зависимости от строения их атомов и ионов.

В России становление геохимии происходило на кафедре минералогии Московского университета. Возглавлявший кафедру В.И. Вернадский читал оригинальный курс генетической минералогии, где внимание акцентировалось не только на внешних свойствах и признаках минералов, что было свойственно классической описательной минералогии, но и на динамике их образования. Проблемы истории образования минералов привели В.И. Вернадского к изучению природных процессов на атомном уровне. В дальнейшем он разработал основополагающие положения геохимии о миграции химических элементов, о значении изоморфизма для распределения элементов в земной коре, о формах нахождения элементов и явлении их рассеяния.

Перечисленные направления геохимии сыграли важную роль в формировании биогеохимии.