93

5.4. Ритмические закономерности формирования рельефа Земли

Вся земная кора, то поднимается вверх, трескается, сдвигается в сторону и опускается вниз. Речь фактически идет о пульсационных расширениях и сжатиях планеты. Согласно общепринятому пониманию пульсационной гипотезы, расширение земной коры вызывает в подвижных поясах образование геосинклиналей; в стабильных участках кора вспучивается и разбивается трещинами; в геосинклиналях, подвергшихся складчатости в предыдущую фазу сжатия, происходит поднятие складчатой страны в результате изостатического выравнивания (Хаин, 1964). К сказанному надо добавить, что сжатие коры должно способствовать закрытию геосинклиналей в подвижных поясах; в стабильных участках кора, очевидно, будут проседать, горные страны, поднявшиеся во время расширения коры, будут иметь тенденцию к опусканию.

Итак, во время расширения коры происходит общий подъем гипсометрии планеты за исключением молодых подвижных областей, где, очевидно, преобладают опускания; во время сжатия коры происходит общее опускание гипсометрии планеты: за исключением молодых подвижных областей, где, вероятно, преобладают поднятия.

Очень важно подчеркнуть, что пульсационная гипотеза подразумевает неодинаковый характер движений в стабильных и подвижных областях. Материковая и океаническая глыбы обладают единым ритмом движений – они то вместе поднимаются, то вместе опускаются. Подвижные области, соответствующие на гипсографической кривой её эфемерным частям – высоким горам и глубоководным океаническим впадинам, характеризуются более сложными движениями: «старые» геосинклинали воздымаются в виде складчатых или глыбовых гор, а «молодые» интенсивно прогибаются. В этом смысле движения определенно носят противоположный характер.

Таким образом, кажется возможным предположить, что в развитии гипсометрии Земли принимают участие и пульсационные движения, определяющие единонаправленные перемещения материковой и океанической глыб, и колебательные движения, определяющие разнонаправленные перемещения в подвижных областях.

И колебательное и пульсационное развитие земной коры в общем случае может быть представлено в виде процесса синусоидального типа (рис. 29). Процесс, формирующий поверхность планеты, не может быть во времени равновеликим: он сначала нарастает, а затем после достижения экстремума, ослабевает. В развитии поверхности планеты неминуемо проявляется момент наиболее благоприятных условий для ее формирования. Гипсографически поверхность планеты неоднородна: есть высоты, получившие особенно широкое развитие, и, напротив, есть высоты сугубо локальные.

Экстремумы процесса, формирующего поверхность планеты регулируют пульсационные перемещения материковой и океанической глыб. Уровнем симметрии (или равновесия) этого процесса является уровень – 2500 км. При положительном колебании (т.е. во время континентализации), когда вся система поднимается вверх, происходит формирование поверхности континентов; при этом процесс континентализации сначала протекает бурно,

94

достигает экстремальных значений при достижении нулевых отметок, а затем замедляется, постепенно локализуясь и затухая. На определенном этапе подъемы прекращаются совсем (т.е. процесс достигает линии нулевого баланса) и начинается океанизация, протекающая в известных пределах симметрично и зеркально по отношению к континентализации.

Обширная научная литература, посвященная тектоническим движениям Земли, охватывает весь последующий период от неогена до современности.

Новейшие движения охватили в геологическом отношении очень короткий отрезок времени последние 323000 лет.

Общее вздымание гор прошло через семь фаз ускорения, обусловленных проявлением 40700-летнего ритма. Эти семь фаз фиксировали восемь поверхностей выравнивания, считая исходную (наиболее высокую) и еще неподнявшуюся (наиболее низкую).

Рис. 29. Стратиграфический метод прогнозирования залегания пластов горных пород.

I – залегание пластов в нормальном разрезе, не нарушенном дислокациями. II – залегание тех же пластов в опрокинутой и значительно размытой складке. 1-6 – последовательность пластов.

Первый процесс, регулирующий положение земной коры в целом, фактически является пульсационным, при котором общее расширение коры закономерно сменяется ее сжатием. Второй процесс, в тесном смысле слова колебательный, регулирует вздымание гор и прогибание геосинклинальных впадин. Для него характерен не единый ритм движений то вверх, то вниз, а противоположная направленность движений, при которой подъем гор, сопровождается прогибанием геосинклиналей, и наоборот.

Ритмичность геофизических процессов геологического развития является конкретным выражением самого общего закона природы – закона «отрицание отрицания», который раскрывает сущность взаимодействия объектов в процессе их эволюции.

Ритмичность геологической эволюции, проявляется в цикличности осадконакопления и магматизма, во взрывах видообразования в органическом

95

мире и в других явлениях, представляет код, в котором в форме деления записана пространственная структура взаимодействующих частей системы Земля-Галактика.

Наличие сложных, но иерархически закономерных систем геологических ритмов позволяет говорить о прерывности геологического времени. Длительность ритмов является, следовательно, объективным критерием выявления закономерностей геологического развития. Таким образом, длительность ритмов может быть важным элементом ритмохронологической периодизации.

В синхронном развитии ландшафтов и тектонических движений проявляется поступательно-циклическая направленность, фиксирующаяся в образовании ритмов и циклов осадконакопления (Н.Ф. Балуховский, 1973).

Исходной причиной ритмичности и цикличности физико-географических процессов служат пульсационные и волновые колебания земной коры.

Мелкие ритмы развиваются на фоне более длительных ритмов и циклов. Повторяемость фиксируется как в виде кратковременных флишевых и флишоидных ритмов продолжительностью 1,85 – 40 тыс. лет, так и в виде циклов и мегациклов длительностью в десятки и сотни миллионов лет. Ряд исследователей – В.Г. Бондарчук, В.П. Казаринов, Г.Ф. Лунгерсгаузен, Н.П. Семененко, Г.П. Тамразян, Ю.Ф. Чемеков – отмечают большое влияние на историю Земли периодических обращений Солнечной системы вокруг центра Галактики.

Длительность галактического года П.П. Паренаго определяет в 176 млн. лет. В геологической истории Земли прослеживается 12 галактических лет, с которыми связаны процессы сжатия и растяжения Земли.

Сжатию Земли соответствуют изостатические погружения дна океанов, сопряженные с подъемом континентов, при этом увеличивается амплитуда соответствующей планетарной ундационной волны. Опускания дна сопровождаются регрессиями, похолоданием климата и оледенениями. Восходящие движения на континентах при сжатиях Земли связаны с формированием речных и морских террас. Чем выше в рельефе расположена терраса, тем к более древнему моменту четвертичной истории она относится. Однако это правило довольно часто имеет исключения: в зонах местных погружений – синклиналях и грабенах – образуются наложенные террасы. В этом случае наблюдается постепенное уменьшение уровней террас при следовании от вложенных террас к наложенным, что иногда приводит к ошибочным определениям их возраста.

Расширение Земли проявляется в виде трансгрессий, потеплении климата и наступления межледниковий. При морских трансгрессиях и ингрессиях на континентах происходит подпруживание рек и аккумуляция аллювия. Обычно эрозионно-аккумулятивные – уровни речных долин соответствуют эвстатическим подъемам уровня моря.

Закономерное проявление пульсационных и волновых движений в истории Земли позволили Ю.А. Жемчужникову разработать ритмостратиграфический метод.

Ритмо-стратиграфический анализ дает возможность представить сложную совокупность природных процессов четвертичного периода в виде

96

ряда сменяющих друг друга явлений, в которых оледенения, межледниковья, трансгрессии, регрессии, изостатические движения земной коры, минимумы и максимумы солнечной радиации характеризуют естественную последовательность геологических событий, фиксирующихся в виде ритмов.

В.А. Зубаков выделяет три интервала – 965-605, 605-225 и 225-0 тыс. лет, характеризующихся закономерной последовательностью событий. «Все три интервала начинаются, – пишет В. А. Зубаков, – сильно выраженным двухфазным оледенением типа днепровского, длительностью около 50 тыс. лет. За ним следует длительное, около 60-70 тыс. лет, межледниковье одинцовского типа. Затем – короткий, около 10-15 тыс. лет, но интенсивный ледниковый надвиг типа варты. После него – короткое, около 30 тыс. лет, но более теплое межледниковье земского типа. Затем снова двухфазное оледенение длительностью около 60 тыс. лет. И, наконец, очень длительное, около 145 тыс. лет, межледниковье с тремя фазами похолодания, из которых средняя в ряде районов вполне может относиться к самостоятельному оледенению глючского типа, 10-15 тыс. лет длительностью».

Установление границ между мезоритмами и ритмами в четвертичном периоде основывается на анализе оледенении и межледниковий, при этом учитываются экстремумы солярной кривой, отмечающие минимумы – и максимумы солнечной радиации.

Пульсационные движения земной коры, вызывающие морские трансгрессии и регрессии, а связанная с ними периодичность осадконакопления обусловливаются геотектоническими факторами.

Под воздействием тектонических процессов формируются угленосные и другие осадочные формации, а также рельеф, меняются ландшафты и климат.

Периодичность в геологии понимается обычно как процесс, повторяющийся через определенные промежутки времени, это термин широкого профиля. Для обозначения таксонов периодичности разного порядка и их классификации автором были использованы термины «ритм», «мезоритм», «макроритм», «цикл», «мезоцикл», «макроцикл», «циклопериод» и «мегацикл», а также предложена их классификация (Балуховский, 1966). Основное семантическое значение приведенных терминов заключается в идентичности интервалов времени, причем последнее оценивается по абсолютной продолжительности.

Поскольку развитие естественных наук характеризуется переходом от эмпирического познания через генетическое к систематике, то и каждая классификация явлений геологической периодичности должна базироваться на том или ином представлении об их генезисе.

Большинство исследователей придерживается представления о космической природе ритмов и циклов. К их числу принадлежат такие ведущие специалисты в этой области, как В.А. Зубаков, Г.Ф. Лунгерсгаузен, Г.П. Тамразян и А.В. Шнитников, а также Е.А. Борисенко, И.В. Круть, Е.В. Максимов, Ю.М. Малиновский, Л.И. Панкуль и Ю.Ф. Чемеков.

Ю.Ф. Балуховским в 1966 г. предложена астрорезонансная гипотеза геологической цикличности. По этой гипотезе Земля отзывается на обращения планет, звезд, звездных систем и звездных ассоциаций в виде пульсационных и волновых движений геосфер. Она «выбирает» из внешнего воздействия

97

синусоидные колебания определенной частоты и является в физическом смысле резонатором.

Данные абсолютной геохронологии свидетельствуют о том, что соотношения между длительностью ритмов и циклов выражаются целыми числами. Макроцикл, например, находится в резонансных соотношениях с другими циклами и ритмами, в частности он содержит 24 мезоритма. В отдельных группах ритмов и циклов проявляется тенденция к установлению простейших резонансных соотношений. Ведущие ритмы и циклы характеризуют хроно-масштабом, причем в качестве эталона времени наиболее подходящим является макроцикл.

Этапы палеографического развития, выделяемые при формационном анализе, увязываются с масштабом времени.

А.В. Шнитников и В. А. Зубаков допускают колебания длительности для установленных ими ритмов: в первом случае – 1850-2000 лет, во втором – 360380 тыс. лет.

В генетическом плане проявляется группировка ритмов и циклов от низших рангов к высшим – солнечные, планетарные, звездные и галактические. Основной ритм солнечной деятельности равен в среднем 11 годам.

А.В. Шнитников (1971) отмечает большое значение 22-летней ритмичности как общей закономерности четырехмерного космического пространства, находящей отражение в процессах ландшафтной оболочки. Существуют и другие периоды в деятельности Солнца. Так, историки Плутарх, Дио Кассий, Прокопий и Кедрен отмечали необычное потемнение Солнца, продолжавшееся до одного года, в 44, 137, 360, 526, 624-625 и 733 гг. Фриц вывел 300-летний ритм на основании анализа повторяемости северных сияний. Б.М. Рубашев пришел к выводу, что максимальное количество комет появляется через 600 и 900 лет.

Интегральный ритм Солнца, согласно А.В. Шнитникову, равен 1850-2000 годам. В.А. Зубаков и И.И. Краснов (1959) отмечают достоверность существования 40 000-летнего климатического ритма, состоящего из двух полярных полуритмов в 20 тыс. лет, соответствующих прецессионному ритму и ритму наклона эклиптики. В угольных бассейнах четко фиксируется ритм в 120 тыс. лет.

С мезоритма В.А. Зубакова в 360-370 тыс. лет начинается следующая иерархия ритмов и циклов продолжительностью 3,6 х 106, 7,2 х 105 и 2,16 х106 лет. Ритм Зубакова находится в основании гаммы сильной (в энергетическом значении) группы ритмов и циклов, в течение которых на значительных площадях проявлялись трансгрессии и регрессии.

Макроцикл входит в иерархию галактических циклов и обусловливается высвобождением мощной энергии галактического происхождения. К границам макроциклов приурочиваются волновые движения земной коры, крупные тектонические фазы и инверсии геотектонического режима.

Периодизация истории развития Земли имеет непосредственное отношение к стратификации четвертичных отложений, в особенности к определению их нижней границы. Решение столь ответственного вопроса зиждется обычно на биостратиграфических, литостратиграфических и

98

климатостратиграфических данных. Ритмостратиграфический метод содействует не только расчленению геологического разреза, но и реконструкции палеогеографической обстановки.

Таким образом, метод ритмостратиграфического анализа позволяет расширить круг представлений по столь существенным вопросам естествознания, как положение Земли в мировом пространстве, структура и взаимодействие геосфер и пр. Явление геологической цикличности свидетельствует о слоисто-волновом строении земного шара.

Космические процессы неумолимо нарушают физико-химическое и энергетическое равновесие земных оболочек. Это обстоятельство служит исходной причиной циклически поступательной эволюции нашей планеты.

5.5. Ритмо - цикличность в истории развития морфогенеза

Развитие геологической формы материи, так же как и связанный с ним процесс морфогенеза, имеет направленно-цикличный, усложняющийся характер. Направленность и цикличность являются двумя составляющими этого единого процесса. Первая из них обусловливается необратимым развитием Земли, Солнечной системы и всей Вселенной, вторая – накладывающейся на него ритмичностью в проявлениях пространственновременных связей Земли с другими космическими телами и их системами, а также саморазвитием Земли.

Ритмичность и цикличность отчетливо проявляются в истории развития мегарельефа Земли в виде сменяющих друг друга этапов, непохожих один на другой. Выделение этих этапов основано на поисках различий в истории развития рельефа в геологическом прошлом. Общеизвестным примером периодизации истории Земли является геохронологическая шкала, включающая зоны – катархей, архей, протерозой и фанерозой – с более дробным делением последних на эры, периоды и другие, менее крупные подразделения. Каждое из них характеризуется неповторимыми особенностями.

Явление чередования различных этапов называется ритмичностью в истории развития мегарельефа Земли. Она является следствием направленного, поступательного развития геологической формы материи. Этапность может быть глобальной или локальной. Первая из них охватывает всю Землю. Примером ее может служить геохронологическая шкала, о которой упоминалось выше.

К настоящему времени установлено мозаичное строение земной коры в плане. Она является сочетанием крупных блоков, называемых нами геоблоками или геоплитами. Они различаются по строению земной коры в разрезе и характеризуются специфической историей геологического и геоморфологического развития. Для каждого из них типичен, поэтому свой «набор» этапов морфогенеза.

Локальная ритмичность обусловливается неодинаковой историей развития мегаблоков земной коры. Так, например, этапы развития Сибирской

99

платформы, гор Северо-Востока и впадины Тихого океана значительно отличаются друг от друга.

Ритмичность морфогенеза – установленный факт. Она подтверждается обширным фактическим материалом и проявляется в виде сменяющих друг друга геоморфологических этапов, циклов или морфоциклов.

Схема строения материковой коры (по В.В.Белоусову) представлена на рис. 30. Из рисунка следует, что земная кора отражает всеобщую цикличность природных процессов и представляет собой одну из ее сторон. Особенно отчетливо она связана с геологической цикличностью, выражающейся в закономерном повторении геологических циклов (геоциклов) разных порядков продолжительностью от суток до сотен миллионов лет.

Развитие мегарельефа регулируется геоциклами и отвечающими им морфоциклами длительностью 4-6, 15-20, 30-40, 150-200 млн. лет и более, описанными H.Ф. Балуховским, В.В. Белоусовым, В.А. Зубаковым, И.И. Красновым, Г.Ф. Лунгерсгаузеном, Д.В. Наливкиным, А.А. Прониным, М.М. Рубинштейном, В.А. Хаиным, Ю.Ф. Чемековым и многими другими исследователями.

Рис. 30. Схема строения материковой коры (В. В. Белоусов)

А-В – усредненное строение; В-С – наблюдаемые пределы колебаний мощностей отдельных слоев коры.

1 – осадочные породы; 2 – метаморфические породы – зеленосланцевой фации; 3 – метаморфические породы амфиболовой фации; 4 – граниты; 5 – метаморфические породы гранулитовой фации; 6 – анортозиты и чарнокиты; 7 – габброидные интрузии; 8 – эклогит; 9 – верхняя мантия.

100

В самой общей форме глобально проявляющаяся ритмичность выявляется в чередовании фаз активизации и фаз стабилизации процессов морфогенеза. Каждая их пара (мобильная фаза + стабильная фаза) отвечает единичному морфоциклу.

Рассматривая соотношение ритмичности и цикличности, следует подчеркнуть, что первая имеет планетарный характер, а последняя представляет собой конкретизацию ритмичности в локальных пространственно-временных условиях.

Цикличность накладывается на этапность, обусловливая направленноцикличное развитие земной коры и мегарельефа Земли. Графически его можно представить в виде восходящей спирали. Вертикальная ордината ее выражает направленность развития, а каждый виток – морфоцикл. Морфоцикл не является замкнутым кругом, так как он развивается на постоянно меняющейся и усложняющейся морфогенетической, историко-геологической и временной основе.

Этап может состоять из нескольких (многих) морфоциклов. Так, например, геоморфологический мегаэтап Земли, начавшийся с момента образования планеты, содержит большое число циклов продолжительностью, равной галактическому году (около 200 млн. лет). Если анализировать циклы с целью поисков различий между ними, то охватываемые ими временные интервалы можно рассматривать как этапы. В этом случае временные объемы циклов и этапов совпадают. Наконец, в крупных циклах нередко выделяется ряд сменяющих друг друга этапов. Таким образом, соотношения между циклами и этапами (в особенности учитывая их разный таксономический ранг) могут быть весьма различными.

В глобальном масштабе некоторые циклы асинхронны и имеют скользящие границы. Таков, например, суточный цикл морфогенеза, обусловленный вращением Земли вокруг своей оси. Скольжение его границ можно легко установить по разновременному наступлению дня (или ночи) на разных долготах. Циклы более высокого таксономического ранга являются глобально синхронными. Синхронность не может быть нарушена небольшими интервалами скольжения временных границ циклов на фоне их значительной длительности.

Важнейшее значение имеет явление интерференции морфоциклов разных порядков. Накладываясь друг на друга, они создают чрезвычайно сложную картину процессов морфогенеза. Графически она выражается в виде сложной кривой, в которой ритмичные элементы нередко непосредственно не выявляются. Лишь применяя математические методы (ряды Фурье, гармонический анализ), можно разложить эту кривую на составляющие её разнопорядковые ритмы. Последние в практике геолого-геоморфологических исследований могут быть выделены, конечно, и без применения математического аппарата – на основе комплексного изучения имеющихся материалов. Интерференция циклов ведет к осложнению фаз активизации крупных циклов фазами активизации и стабилизации мелких циклов и к усложнению фаз стабилизации крупных циклов фазами стабилизации и активизации циклов низких таксонов.

101

Характеристика морфоциклов Морфоцикл – временной интервал истории развития рельефа,

характеризующийся закономерной цикличной сменой контрастного рельефа выровненным, происходящей на фоне поступательно-направленного процесса морфогенеза. В каждом морфоцикле различаются: 1) мобильная фаза с контрастным рельефом и 2) стабильная фаза с выровненным рельефом. Морфоциклы отвечают геоциклам соответствующей продолжительности. Для них также типичны указанные выше фазы. В мобильную фазу гео- и морфоциклов наблюдаются: планетарная синхронная активизация таких геологических процессов, как тектонические движения (поднятия и погружения, горизонтальные перемещения), осадконакопление, складчатость, вулканизм, магматизм; возникновение контрастного рельефа, который на суше формируется на фоне восходящего развития, интенсивное расчленение возвышенностей, интенсивная денудация и снос; во впадинах – аккумуляция осадков. Для стабильной фазы характерно резкое ослабление (но не полное прекращение) таких процессов, как тектонические движения, складчатость, магматизм, которое создает условия для нисходящего развития рельефа на суше. Денудация по-прежнему остается интенсивной, но характер ее меняется. В первую фазу она происходит на фоне восходящего развития рельефа и, несмотря на высокую интенсивность, не может остановить роста гор, во вторую фазу она приводит к уничтожению возвышенностей (они сохраняются лишь в виде остаточных гор) и к полигенетическому выравниванию рельефа. Термин «стабильная фаза» следует понимать не как режим полного покоя, а как время значительного ослабления ряда процессов.

Крупными типологическими категориями являются: 1) аккумулятивные морфоциклы, развивающиеся на фоне прогрессирующего, прерывистого погружения и характеризующиеся господством аккумулятивных форм, и 2) денудационные морфоциклы, связанные с прогрессирующим прерывистым воздыманием и развитием преимущественно тектонических и денудационнотектонических форм.

Обусловленность мегарельефа Земли особенностями строения земной коры лежит в основе типологической классификации морфоциклов, которая рассматривается на таксономическом уровне основных, крупных геоструктурных элементов. Каждому из них присущи особые черты рельефа,

2) морфоциклы эпигеосинклинальных мобильных складчатых и складчатоглыбовых областей (эпигеосинклинальные морфоциклы); 3) морфоциклы плит; 4) морфоциклы щитов; 5) морфоциклы областей эпиплатформенного тектогенеза (эпиплатформенные морфоциклы).

Для каждого типа морфоциклов характерны особые черты эндогенного морфогенеза.

Перечисленные морфоциклы, проявляясь в разных ланд-шафтно- географических зонах Земли, образуют климатические варианты или подтипы: 1) денудационных и аккумулятивных морфоциклов зоны арктического климата; 2) денудационных и аккумулятивных морфоциклов зоны умеренно теплого климата; 3) денудационных и аккумулятивных

102

морфоциклов зоны пустынного климата; 4) денудационных и аккумулятивных морфоциклов зоны тропического климата. Эти подтипы выделяются в пределах пяти типов морфоциклов (например, подтип денудационного морфоцикла щита зоны арктического климата, подтип аккумулятивного.

В основе морфоциклов лежит идея предопределенности крупных черт рельефа Земли эндогенными факторами, тесная их связь со строением земной коры и верхней мантии, основными типами геоструктурных областей. Концепция морфоциклов учитывает развитие рельефа во всевозможных тектонических режимах (движениях и геоструктурах), предусматривает особенности развития рельефа не только при поднятиях, но и при опусканиях и в состоянии относительного тектонического покоя. Существенная роль в морфогенезе отводится активно развивающимся пликативным и дизъюнктивным структурным формам. Большое значение экзогенного рельефообразования отражено в выделении климатических вариантов (подтипов) морфоциклов, которые (в отличие от географического цикла В.М. Дэвиса) строятся не по ведущим агентам экзоморфогенеза, а по основным ландшафтно-географическим зонам земного шара, что представляется более правильным.

Согласно концепции морфоциклов, вулканогенные процессы закономерно проявляются в мобильные фазы, когда земная кора подвергается интенсивному растрескиванию, и образуются многочисленные каналы для внедрения магмы и вывода её на земную поверхность.

Большинство исследователей считает, что в тектоническом (геологическом) цикле наблюдается следующая закономерная смена явлений: погружение – осадконакопление – складчатость – поднятие – выветривание и денудация; в действительности все эти явления синхронны и их наибольшая активизация наблюдается в мобильную фазу морфоцикла; в стабильную фазу все эти явления ослабевают, а глубинная денудация сменяется боковой денудацией.

Концепция морфоциклов заключается в следующем: а) земная кора за время своего развития многократно подвергалась глобальным перестройкам; б) эти перестройки происходят в течение нескольких десятков– первых сотен миллионов лет; в) изменение структурного плана земной коры предшествует изменению макрорельефа Земли; антиизостатические тенденции в развитии земной коры указывают на наблюдающиеся направления в её эволюции.

5.6.Ритмо-цикличность в угленосных формациях

Явление ритмичности угленосных толщ отмечалось уже в начале XIX в. (Ковалевский, 1827).

Систематическое изучение ритмичности угленосных толщ развернулось с конца 20-х– начала 30-х годов этого столетия. В 1926 г. начались знаменитые исследования Дж. Уэллера (Weller, 1930, 1964). В 1931 г. геологическая служба штата Иллинойс опубликовала сборник статей, посвященный цикличности карбоновых угленосных толщ США. Почти одновременно аналогичные работы проводились в Англии, Франции, Германии, Бельгии и

103

СССР. В 1948 г. ритмической седиментации различных отложений, в том числе угленосных толщ, были посвящены работы специальной секции XVIII сессии Международного геологического конгресса.

В настоящее время установлена и описана ритмичность почти всех угленосных формаций, как в России, так и наиболее крупных угольных бассейнов за рубежом, проделана большая работа по изучению состава, строения, генезиса и классификации угленосных ритмов на основе общего учения об угленосных формациях, разработанного главным образом советскими геологами.

По последовательной смене осадков разной крупности зерна, простоте или сложности строения, наличию или отсутствию пластов угля, фациальному составу и другим признакам различаются полные, неполные, простые, сложные, срезанные, угольные, безугольные, лагунные, аллювиальные, морские и другие ритмы (рис. 31).

Рис. 31. Различные типы гранулометрических ритмов Печерский бассейн, Воркутинская свита (Г.А. Иванову).

а – полный простой (лагунный, угольный); б – неполный простой (аллювиальный, угольный); в – полный сложный (угольный), состоящий из трех элементарных ритмов; г – неполный сложный (угольный), состоящий из трех элементарных ритмов; д – полный простой ритм, «срезанный» неполным ритмом; е – полный простой ритм (морской).

1 – уголь; 2 – аргиллиты; 3 – алевролиты; 4 – песчаники; 5 – конгломераты; 6 – известняки; 7

– поверхность размыва; 8 – гранулометрическая кривая; 9 – обобщающая гранулометрическая кривая.

106

Изучение ритмичности показало, что в результате взаимодействия фациальных и геотектонических факторов между характером ритмичности и угленосностью – мощностью ритмов, их строением (степенью асимметричности), мощностью пластов угля, их строением и распределением по разрезу и на площади распространения формаций – существуют парагенетические взаимосвязи, вскрытие которых, помимо теоретического интереса, представляет большое практическое значение для прогноза угленосности в количественном и качественном отношениях. Как уже установлено, парагенезис ритмичности с угленосностью наиболее отчетливо наблюдается в прибрежно-морских – лагунных отложениях.

На рисунке 33 приводятся опорные разрезы палеогеновых и неогеновых отложений на Дальнем Вотсоке в бассейне р. Амур, где в палеогене и неогене имели место ритмы воздымания и опускания суши и связанные с ними морские трансгрессии и регрессии.

Образование угленосных, как и других осадочных, формаций происходит в волновых прогибах земной коры – областях седиментации, в которые поступает материал из волновых поднятий – областей размыва. Погружение в волновом прогибе следует рассматривать как нисходящую ветвь колебательного движения самого высокого порядка, на которое накладываются колебания более низких порядков.

Рис. 34. Компенсационные прогибания краевых (фронтальных) зон тектонических покровов. (северный склон Туркестано-Алая в позднегерцинскую эпоху (Г.С. Поршняков)).

На рисунке 34 приведено сочетание общего передового опускания и повторных гравитационных шарьяжей и даже ретрошарьяжей на склонах передовых поднятий склонах Туркестано-Алайского хребта. Вынос рыхлого материала из наиболее ранних по возрасту участков орогенных систем происходило не только в сторону продольных передовых прогибов, но и в гораздо большем объеме в сторону ещё опущенных не инверсировавших участков палепрогиба.

Статистическим анализом подтверждено, что в лагунных ритмах 1-го порядка с угольными пластами, залегающими в их основании (рис. 34), до определенной мощности ритмов (различной для разных бассейнов)

107

взаимосвязь между ними выражается в виде прямой зависимости, близкой к пропорциональной, а затем снова в виде обратной (рис. 35).

Так, в юрско-меловых угленосных отложениях Ленского бассейна, по данным Н.В. Иванова и Г.П. Дубаря, прямая связь между мощностями ритмов 1-го порядка и угольных пластов наблюдается в ритмах мощностью до 65 м. При мощности ритмов более 65 м прямая зависимость сменяется обратной. Зависимость между мощностями ритмов (циклов) 1-го порядка и мощностями пластов угля в их основании установлена М.Т. Кучеренко в карбоне Донецкого бассейна, где прямая зависимость между ними сохраняется при возрастании мощности ритмов до 36 м, а затем она сменяется обратной.

Рис. 35. Зависимость мощности угольных пластов от мощности заключающих их ритмов.

1 – Ленский бассейн (по Иванову, 1963 и Дубарю, 1970); 2 – Тунгусский бассейн (Норильский район; по Гуревичу, 1969); 3 – Сахалинский бассейн (по Гуревичу, 1969).

В верхнепалеозойской толще Тунгусского бассейна, по наблюдениям А.Б. Гуревича (1969), изменение прямой зависимости на обратную происходит при мощности ритмов свыше 25 м, а в верхнедуйской свите Сахалина – при мощности свыше 35 м. При этом градиент изменения мощности пластов находится в пределах 0,02-0,07 м/м.

Максимальные средние мощности угольных пластов связаны, таким образом, с какими-то средними, а не наиболее мощными ритмами. Для разных типов формаций оптимальные мощности ритмов различны и, судя по приведенным выше данным, варьируют в пределах 25-65 м. Очевидно, именно в ритмах средней величины чаще реализовались оптимальные соотношения между скоростями прогибания территории и приростом органической массы торфяника, что приводило (при прочих равных условиях) к накоплению угольных пластов значительной мощности. При больших скоростях опускания торфяников это равновесие нарушается, – очевидно, они затоплялись водами

108

лагунного бассейна в то время, когда не были еще полностью использованы все потенциальные возможности нарастания органической массы.

Влагунных ритмах 1-го порядка, как отмечалось выше, устанавливается также связь между мощностями угольных пластов в их основании и мощностями песчаников, находящихся в средней части ритмов. Так, например, в Тунгусском бассейне в ритмах одинаковой мощности угленасыщенность возрастает при увеличении коэффициента песчанистости (т.е. процентного отношения мощности песчаников к общей мощности лагунных ритмов) до 70%. При средних значениях мощности пластов угля эта зависимость близка к прямой пропорциональной. Связь между угленосностью

ипесчанистостью имеет генетический (ландшафтно-фациальный) характер, поскольку мощность баровых песчаников и их участие в строении ритма в какой-то мере характеризуют длительность существования защитной баровой полосы (барового поля), а, следовательно, устойчивость лагунного режима побережья, на котором накапливался торфяник. Вместе с тем при содержании в ритмах песчаников свыше 70% собственно лагунная зона (водоем) образует, вероятно, узкую полосу между заболачивающейся сушей и баровым полем. Незначительная ширина этой зоны определяет относительную кратковременность существования лагуны при трансгрессивном опускании и, следовательно, меньшую длительность торфонакопления на ее побережье.

Многопорядковая ритмичность (цикличность) впервые была систематически изучена на примере Донбасса А.П. Феофиловой, а затем М.И. Ритенберг, Е.А. Слатвинской и другими геологами на примере ряда угольных бассейнов России. Установлено влияние этой многопорядковой ритмичности (цикличности) на распределение в разрезах и на площади угольных пластов с закономерно изменяющимися мощностями в ритмах различного порядка.

Вциклах высоких порядков (2-го и выше) наблюдаются явления суммирования (и рассеивания) угленосности, которые заключаются в том, что суммарный пласт угля в наиболее угленасыщенном цикле (ритме) равен сумме мощностей угля предшествующего или последующего циклов, составляющих в целом цикл 2-го или более высокого порядка.

а). В регрессивном мезоцикле (макроцикле и т.д.) наиболее угленасыщенный цикл 1-го порядка приурочен к верхней части мезоцикла, а его суммарный угольный пласт равен суммарному пласту предшествующих циклов того же порядка.

б). В однородном мезоцикле (макроцикле и т.д.) наиболее угленасыщенный цикл приурочен к средней части мезоцикла, а мощность заключенных в нем пластов (пласта) угля равна сумме мощностей угольных пластов ниже – и вышележащих циклов того же порядка.

в). В трансгрессивном мезоцикле максимальная угленосность приурочена к нижнему циклу и равна суммарной угленосности вышележащих циклов.

Подобное явление было установлено в Донецком, Карагандинском, Тунгусском, Минусинском, Майкюбеньском и ряде других бассейнов и месторождений.

109

Тестовые задания к главе 5

1.Солнце, погружаясь в моменты перигалактия в самую гущу нашей звездной системы, попадают в более мощные поля электромагнитных сил и сил тяготения, более плотные среды космической пыли и газа, чем те, которые воздействовали в дальних частях орбиты.

Как новая среда отразиться на солнечной активности и геофизических процессах Земли?

1)все процессы будут заметно снижены, подавлены внешней средой;

2)активизации процессов ожидать не следует;

3)солнечная активность возрастет, геофизические процессы активизируются в литосфере и атмосфере.

2.Причиной солнечной активности являются:

1)влияние планет солнечной системы;

2)магнитные инверсии Солнца;

3)геомагнитная активность Земли.

3.Какой из земных ритмов оказывает наибольшее влияние на климат планеты?

1)эклиптика (40 тыс.лет);

2)прицессия (26 тыс. лет);

3)эксцентриситет (92 тыс лет).

110

Глава 6

БИОСФЕРА ЗЕМЛИ, ЕЕ РИТМЫ И ЦИКЛЫ

Приводится характеристика и состав биосферы Земли. Раскрывается ритмо-цикличность в возникновении и развитии жизни на Земле и биохимические основы наследственности.

6.1.Характеристика и состав биосферы

Вбуквальном переводе термин «биосфера» обозначает сферу жизни, и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом

ипалеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 - 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности «пространство жизни», «картина природы», «живая оболочка Земли» и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина «биосфера» Э.Зюсс в своей книге «Лик Земли», опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли».

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.Б.Ламарк (1744-1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. Те элементы знания, которые стали необходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связанными с возникновением экологии, науки, которая изучает взаимоотношения организмов и окружающей среды. Биосфера является определенной природной системой, а её существование в первую очередь выражается в круговороте энергии и веществ, при участии живых организмов.

Очень важным для понимания биосферы было установление классификации живых организмов по способу питания:

автотрофное – построение организма за счет использования веществ неорганической природы;

гетеротрофное – строение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;

миксотрофное – смешанный тип построения организма (автотрофногетеротрофный).

111

Биосфера (в современном понимании) – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом. Атмосфера имеет несколько слоев:

тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9-17 км). В нем состредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;

стратосфера; ионосфера – там «живое вещество» отсутствует.

Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78%),

О2 (21%), СО2 (0,03%) .

Гидросфера – водная оболочка Земли. В следствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр / л растворимых веществ. Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na, Mg, Са, Cl, S, С. Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы. Преобладающие элементы химического состава литосферы: О, Si, A1, Fe, Са, Mg, Na, К.

Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% её объема, однако кислород прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. Т.о. в количественном отношении земная кора – это «царство» кислорода, химически связанного в ходе геологического развития земной коры.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и

112

процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже XIX – XX вв. в науку всё шире проникают идеи целостного подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.

Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или физические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют её структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и всё они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли. Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой – сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача – конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физикохимические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский

(1863 - 1945).

Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В.И.Вернадский определяет как совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В.И.Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.

Это воздействие сказывается, прежде всего, в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.

По мнению В.И.Вернадского, в прошлом не придавали значения двум важным факторам, которые характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности:

открытию Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с дисимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел;

явно недооценивался вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Ведь в состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые В.И.Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т.д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы,

113

поверхностные воды и т.п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.

Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, поэтому можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы. В.И.Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны. Живые организмы, являются огромной геологической силой, ее определяющей.

Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты и в первую очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний в свою очередь - жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете.

Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следующем:

изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах – геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического;

в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает В.И. Вернадский, проявляется, прежде всего «в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно»;

эволюция живых организмов осуществляется под влиянием изменения окружающей среды, адаптируются к ней в непрерывной борьбе за существование.

Непрерывный процесс эволюции, сопровождается появлением новых видов организмов, которые продолжают свое воздействие на биосферу в целом, в том числе и на природные биокосные тела, например, почвы, наземные и подземные воды и т.д. Появление человека оказывает антропогенное воздействие на биосферу в результате его хозяйственной деятельности.

Биогенная миграция химических элементов и биогеохимические принципы

По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:

химической (биохимической) – I род геологической деятельности; механической – II род такой деятельности.

Теологическая деятельность I рода – построение тела организмов и переваривание пищи, – конечно, является более значительной. Классическим

114

стало функциональное определение жизни, данное Фридрихом Энгельсом: «жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь».

Сейчас появилась возможность вычислить скорость этого обмена. Так, по данным Л.Н. Тюрюканова, в пшенице, например, полная смена атомов происходит для фосфора за 15 суток, а для кальция – в 10 раз быстрее: за 1,5 суток ! Постоянный обмен веществ между живым организмом и внешней средой и обусловливает проявление большинства функций живого вещества в биосфере. В течение жизни человека через его тело проходит 75 т воды, 17 т углеродов, 2,5 т белков, 1,3 т жиров. Между тем по геохимическому эффекту своей физиологической деятельности человек отнюдь не самый важный вид разнородного живого вещества биосферы. Геохимический эффект физиологической деятельности организмов обратно пропорционален их размерам, и наиболее значимой оказывается деятельность прокариотов – бактерий и цианобактерий.

Большое значение имеет также количество пропускаемого через организм вещества. В этом отношении максимальный геохимический эффект на суше имеют грунтоеды, а в океане – илоеды и фильтраторы. Еще Чарлз Дарвин подсчитал, что слой экскрементов, выделяемых дождевыми червями на плодородных почвах Англии, составляет около 5 мм в год! Таким образом, почвенный пласт мощностью в 1 м дождевые черви полностью пропускют через свой кишечник за 200 лет. В океане с дождевыми червями по «пропускной способности» могут конкурировать их близкие родственники, представители того же типа кольчатых червей – полихеты, а также ракообразные. Достаточно 40 экземпляров полихет на 1 м2, чтобы поверхностный слой донных осадков мощностью в 20-30 см ежегодно проходил через их кишечник. Субстрат при этом существенно обогащается кальцием, железом, магнием, калием и фосфором по сравнению с исходными илами.

Копролиты (ископаемые остатки экскрементов) известны в геологических отложениях, начиная с ордовика, однако бесспорно, что большинство их при геологических описаниях не учитывается. Происходит это из-за слабой изученности вопроса и из-за отсутствия диагностических признаков для определения копролитов.

Между тем, в донных отложенияк современных водоемов фекальные комочки беспозвоночных распространены очень широко и нередко являются основной частью осадка. В южной Атлантике, например, илы почти нацело слагаются фекалиями планктонных ракообразных, а по берегам Северного моря донные осадки, образованные фекалиями мидий, имеют мощность до 8м.

Биогенная миграция атомов II рода – механическая – отчетливо проявляется в наземных экосистемах с хорошо развитым почвенным покровом, позволяющим животным создавать глубокие укрытия (гнездовые камеры термитов, например, расположены на глубине 2-4 м от поверхности). Благодаря выбросам землероев, в верхние слои почвы попадают первичные невыветрившиеся минералы, которые, разлагаясь, вовлекаются в

115

биологический круговорот. Недаром известный геолог Г.Ф. Мирчинк (1889 – 1942) называл сурка-тарбагана «лучшим геологом Забайкалья» – его норы окружены «коллекциями» горных пород, добытых с глубины нескольких метров!

Понятие «нора» и «гнездо» обычно ассоциируются у нас с грызунами и птицами. Между тем биогенная миграция атомов II рода распространена не только в наземных, но и в морских экосистемах, и здесь ее роль, может быть, еще более значительна. И на дне моря организмы строят себе укрытия, причем не только в мягком, но и в скальном грунте. Олигохеты и полихеты углубляются в грунт на 40 см и более. Двустворчатые моллюски зарываются обычно неглубоко, но некоторые из них – солениды и миа – роют норы, которым позавидует и сурок: они достигают глубины нескольких метров. В зоне прибоя и на перемываемом волнами песке норы не выроешь и гнездо не совьешь. Приходится сверлить скальные породы. Сверлят водоросли и губки, бактерии и моллюски, полихеты, морские ежи, рачки.

Сверлильщики появились в далеком геологическом прошлом. Источенные ими породы находят даже в докембрийских отложениях; и поныне они продолжают свою разрушительную работу. Сверлящая деятельность моллюсков фолад вызывает иногда катастрофические последствия. Когда в районе Сочи в результате непродуманного строительства берег обнажился от гальки, он начал отступать со скоростью до 4 м в год. Главным виновником разрушения были фолады, которые заселили каждый метр скального берега, сложенного глинистыми сланцами, и принялись дружно сверлить себе подводные норки. К счастью, был найден выход: берег стали укреплять поперечными стенками, а между ними засыпать гальку. В результате сверлильщики были уничтожены, движущаяся под ударами волн галька перемолола их. А в Западной Европе не менее опасную деятельность проводит случайно завезенный из Китая мохнаторукий краб – он проник во многие реки, и, строя свои норы, подрывает берега и разрушает плотины.

К биогенной миграции II рода можно отнести и перемещение самого живого вещества. Сюда относятся сезонные перелеты птиц, перемещения животных в поисках корма, массовые миграции животных. Естественно, что все эти разнообразные формы движения живого вызывают и транспортировку небиогенного вещества.

Вернадский, как мы видели, подразделял процессы, осуществляемые в биосфере живым веществом, по характеру самих процессов. Несколько иначе подошел к этому вопросу современник Владимира Ивановича Н.А. Андрусов. «Химическая деятельность организма вообще, имеющая геологическое значение, – писал Андрусов, – может быть сведена к двум категориям: вопервых, к образованию на наружной поверхности или внутри твердых выделений, способных сохраняться; во-вторых, к образованию жидких и газообразных выделений, способных вступать в различные химические реакции с окружающим неорганическим миром». По существу, эту же мысль развивала на современном материале микробиолог Т.В. Аристовская. Она указала, что миграция атомов химических элементов может быть как прямым, так и косвенным результатом жизнедеятельности организмов (в первую

116

очередь бактерий). Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере, очень важными являются три основных положения, которые Владимир Иванович называл «биогеохимическими принципами».

В формулировке В.И.Вернадского они звучат следующим образом:

I принцип: «Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению».

IIпринцип: «Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы» (или в другой формулировке: «При эволюции видов выживают те организмы, которые своею жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию»).

IIIпринцип: «В течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможное для всего живого вещества, которое тогда существовало».

Для Вернадского I биогеохимический принцип был тесно связан со способностью живого вещества неограниченно размножаться в оптимальных условиях. «Вихрь атомов», который представляет собой жизнь, по определению Жоржа Кювье, стремится к безграничной экспансии. Следствием этого и является максимальное проявление биогенной миграции атомов в биосфере.

IIбиогеохимический принцип, по существу, затрагивает кардинальную проблему современной биологической теории – вопрос о направленности эволюции организмов. По мысли Вернадского, преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность усваивать новые формы энергии или «научились» полнее использовать химическую энергию, запасенную в других организмах. В ходе биологической эволюции, таким образом, увеличивается «КПД» биосферы в целом. Чисто математически это показал В.В.Алексеев, который на основе расчетов пришел

кследующим выводам: «Эволюция должна идти в направлении увеличения скорости обмена веществом в системе». И далее: «Становится понятным, почему образовались ферменты, роль которых заключается в резком увеличении скоростей реакций, идущих при обычных условиях исключительно медленно».

IIбиохимический принцип Вернадского получает подтверждения на самом разнообразном эмпирическом материале. Так, в 1956 году почвовед В.Л. Ковда изложил результаты химического исследования более 1300 образцов золы современных высших растений. На этом обширнейшем фактическом материале автор пришел к выводу, что (за несколькими исключениями) зольность растений возрастает от представителей древних таксонов к более молодым. Эта закономерность – одно из частных проявлений II биогеохимического принципа.

IIIбиогеохимический принцип связан с «давлением» жизни. Этот фактор обеспечивает безостановочный захват живым веществом любой территории, где возможно нормальное функционирование живых организмов.

117

6.2.Происхождение и ритмичность в развитии жизни на Земле

Происхождение жизни на Земле явилось третьим значительным этапом в ряду происхождения нашей Вселенной и происхождения Земли.

Исследования Луи Пастера в 19-м веке окончательно подтвердили ошибочность представлений происхождения жизни как о спонтанном самозарождении.

И только 3 мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества ученый А.И. Опарин с новой точки зрения рассмотрел проблему возникновения жизни. Его доклад «О возникновении жизни» стал исходной точкой нового взгляда на вечную проблему нашего появления на Земле. Необходимо подчеркнуть, что независимо от А.И. Опарина, несколько позже к таким же выводам пришел английский ученый Дж. Холдейн.

Общим во взглядах Опарина и Холдейна было объяснение возникновения жизни в результате химической эволюции. Оба они подчеркивали огромную роль первичного океана как огромной химической лаборатории, в которой образовался «первичный бульон».

Зарождение жизни не произошло само по себе, а совершилось благодаря определенным внешним условиям, сложившимся к тому времени.

Важным условием возникновения жизни являлось наличие заболоченной суши и соответствующих значений температуры воздуха и воды. Значение воды для жизни исключительно. Это обусловлено ее специфическими особенностями: огромной теплоемкостью, слабой теплопроводностью, расширением при замерзании, хорошими свойствами как растворителя и др.

Третьим элементом явился углерод, который присутствовал на Земле в виде графита и карбидов. Из карбидов при их взаимодействии с водой образовывались углеводороды.

Четвертым необходимым условием являлась внешняя энергия. Такая энергия на земной поверхности имелась в нескольких формах: лучистая энергия Солнца, в частности ультрафиолетовый свет, электрические разряды в атмосфере и энергия атомного распада природных радиоактивных веществ.

Появление живых существ

Когда на Земле возникли вещества подобные белкам, начался новый этап в развитии материи – переход от органических соединений к живым существам. Первоначально, органические вещества находились в морях и океанах в виде растворов. В них не было какого-либо строения, какой-либо структуры. Но когда подобные органические соединения смешивались между собой, из растворов выделялись особые полужидкие, студенистые образования – коацерваты. В них концентрировались все находящиеся в растворе белковые вещества.

Хотя коацерватные капельки были жидкие, они обладали определенным внутренним строением. Частицы вещества в них были расположены не беспорядочно, как в растворе, а с определенной закономерностью. При образовании коацерватов возникали зачатки организации, однако, еще очень примитивной и неустойчивой. Для самой капельки эта организация имела большое значение. Любая коацерватная капелька была способна улавливать из

118

раствора, в котором плавает, те или иные вещества. Они химически присоединялись к веществам самой капельки. Таким образом, в ней протекал процесс созидания и роста. Но в любой капельке наряду с созиданием существовал и распад. Тот или иной из этих процессов, в зависимости от состава и внутреннего строения капельки, начинал преобладать.

Врезультате, в каком-нибудь месте мелководного первичного океана смешались растворы белково-подобных веществ и образовались коацерватные капельки. Они плавали не в чистой воде, а в растворе разнообразных веществ. Капельки улавливали эти вещества и росли за их счет. Скорость роста отдельных капелек была неодинакова. Она зависела от внутреннего строения каждой из них.

Если в капельке преобладали процессы разложения, то она распадалась. Вещества, ее составляющие, переходили в раствор и поглощались другими капельками. Более или менее длительно существовали лишь те капельки, в которых процессы созидания преобладали над процессами распада.

Таким образом, все случайно возникающие формы организации сами собой выпадали из процесса дальнейшей эволюции материи.

Каждая отдельная капелька не могла расти беспредельно, как одна сплошная масса – она распадалась на дочерние капельки. Но каждая капелька

вто же время была чем-то отлична от других и, отделившись, росла и изменялась самостоятельно. В новом поколении все неудачно организованные капельки погибали, а наиболее совершенные участвовали в дальнейшей эволюции материи. Так в процессе возникновения жизни происходил естественный отбор коацерватных капелек. Рост коацерватов постепенно ускорялся. Причем научные данные подтверждают, что жизнь возникла не в открытом океане, а на её мелководной части в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболее благоприятные условия для концентрации органических молекул и образования сложных макромолекулярных систем.

Вконечном итоге усовершенствование коацерватов привело к новой форме существования материи – к возникновению на Земле простейших живых существ. Вообще, исключительное разнообразие жизни осуществляется на единообразной биохимической основе: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких соединений типа фосфатов.

Основные химические элементы, из которых построена жизнь, – это углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, организмы используют для своего строения простейшие и наиболее распространенные во Вселенной элементы, что обусловлено самой природой этих элементов. Например, атомы водорода, углерода, кислорода и азота имеют небольшие размеры и образовывают устойчивые соединения с двух и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность. А образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизни вообще невозможны, связано со специфическими химическими особенностями углерода.

Сера и фосфор присутствуют в относительно малых количествах, но их роль для жизни особенно важна. Химические свойства этих элементов дают