Текст книги "100 великих открытий российской науки"

Геохимия

Геохимию можно считать использованием методов химии для познания земных природных процессов. Но в таком случае минералогию вполне можно считать и геохимией, ибо она учитывает химический состав минералов.

Одним из первых высказался о геохимии швейцарский химик Х. Шенбейн: «Мы должны иметь геохимию, прежде чем может идти речь о настоящей геологической науке, которая, очевидно, должна обращать внимание на химическую природу масс, составляющих наш земной шар, и на их происхождение» (1842). Отдельные аспекты химии Земли исследовали многие учёные.

Сотрудник Американского геологического комитета Ф. Кларк в книге «Данные геохимии» (1908) привёл конкретные материалы о распространении химических элементов в земной коре, горных породах, реках, морях. Это была ценная геохимическая статистика, можно сказать, скелет геохимии.

Тогда же в Норвегии отдельные аспекты геохимии исследовали Г. Фогг и В.М. Гольдшмидт, основатель кристаллохимии. Но именно в Московском университете были впервые изложены основы геохимии как новой науки. Это сделал В.И. Вернадский. Первый в мире курс лекций по геохимии прочёл в 1912 году А.Е. Ферсман (вскоре ставший академиком Петербургской АН) в народном университете им. Шанявского в Москве.

Вернадский дал такое определение: «Геохимия изучает историю химических элементов в земной коре в отличие от минералогии, изучающей природные химические соединения, молекулы, минералы».

Надо пояснить: история почти всех химических элементов связана с их переходами из земной коры в природные воды, прежде всего в Мировой океан, и в атмосферу, включая её верхние слои. По косвенным данным разрабатываются гипотезы геохимии глубоких слоёв литосферы, мантии, земного ядра. Выходит, исследует геохимия всю Землю как планету и её отдельные части.

В непростой книге «Занимательная геохимия» Ферсман писал: «Химические элементы как самостоятельные единицы природы перемещаются, странствуют, соединяются, – словом, как мы говорим, мигрируют в земной коре…» Можно добавить: и не только там. По его словам, современная геохимия изучает «законы сочетаний химических элементов и минералов при различных давлениях и температурах в разных участках земной коры, законы участия элементов в построении почвы, горных пород и живого вещества и законы использования вещества самим человеком».

Одновременно с теоретическими исканиями начались на научной основе разработки геохимических методов поисков и разведки полезных ископаемых. Но если это важно для развития техники, промышленности, то другой аспект геохимии позволяет по-новому осмыслить роль живых организмов и цивилизации на планете и в космосе.

Эвристическое значение геохимии раскрывает такой пример.

В 1923 и 1924 годах Вернадский прочёл в Сорбонне, в Парижском университете, цикл лекций по геохимии. Они привлекли внимание не только химиков и геологов, но и философов, биологов.

Приступая к этим лекциям, Вернадский заново продумал и привел в порядок огромный фактический материал. Он излагал основы цельного и оригинального мировоззрения, значительно более глубокого и важного для людей, чем мировоззрение, основанное на ошеломляющих достижениях физики.

Вернадский открывал слушателям мир изменчивой бесконечно сложной природы. Не отдельных ее частей, не полуабстрактных тел физики, идеальных фигур математики, а живой природы в её земных проявлениях.

«Очерки геохимии». 1927 г.

Он говорил о химическом строении Земли, о круговоротах химических элементов – атомных вихрях геосфер, о геологической истории отдельных веществ, о значении воды, коллоидных частиц, живого вещества и человечества – великих планетных сил, приводящих в движение огромные массы материи с помощью солнечной лучистой энергии.

В первом издании этих лекций на русском языке («Очерки геохимии», 1927 год; французское издание вышло тремя годами раньше) Вернадский особо отметил значение геохимии: «Знание её достижений необходимо для химика, минералога, биолога, геолога, географа. Её искания сталкиваются с областью, охваченной физикой, и подходят к самым общим проблемам естествознания. С ними неизбежно должна считаться философская мысль. Её положения играют все большую и большую роль и начинают входить в область земледелия и лечения».

На сорбонских лекциях присутствовали французские учёные, друзья: математик и философ Ле Руа и палеонтолог, теолог, антрополог Тейяр де Шарден. Большое впечатление произвели на них идеи Вернадского о биосфере, где активно проявляется сила жизни и разума. Это был неожиданный взгляд на живое вещество (совокупность живых организмов) и на человечество как геохимические силы, преобразующие планету.

Ход их рассуждений был примерно такой. Биосферу перестраивает человек разумный. Значит, она превращается в прежде небывалую земную оболочку. Это уже не биосфера… А что? Интеллект – интеллектосфера… нет, не подойдёт. Сапиенсфера? Они решили, что самое точное и благозвучное – ноосфера, от греческого «ноос» – разум.

Создание геохимии, связанной с ней биогеохимии, учения о Биосфере и о геологической деятельности цивилизации (техногенезе) – величайшие достижения русской научной мысли. Они имеют и философское значение, раскрывая с новых позиций смысл бытия человечества.

Биогеохимия

Некоторые научные направления настолько насыщены идеями, что сравнительно быстро начинается их «информационный распад» на целый ряд научных дисциплин. Так вышло с геохимией. Наиболее плодотворно разрабатывали её разделы советские геологи (кроме кристаллохимии В.М. Гольдшмидта). Среди них: региональная геохимия (А.Е. Ферсман, Ю.А. Билибин), гидрогеохимия (В.И. Вернадский), геохимия ландшафта (Б.Б. Полынов, А.И. Перельман).

Особо выделим биогеохимию. После смерти Вернадского и его ученика академика А.П. Виноградова это направление постепенно стушевалось. А на эту науку Вернадский возлагал большие надежды.

«Биогеохимия, – писал он, – новая большая отрасль геохимии, изучающая влияние жизни на геологические процессы, связывает по-новому науки о жизни с геологией и науками об атомах».

По его мнению, она важна для познания явлений жизни как планетного явления и для познания области жизни – биосферы. Он упомянул и о «биогеохимической роли человечества», правда, не пояснил, что под этим понимать. Возможно, предполагал изменения природной среды сельским хозяйством.

Если иметь в виду геохимическую деятельность человечества, включая промышленность, строительство и т. д., то это относится к учению о техногенезе и связано с эволюцией техники, а не биологических систем.

Вернадский отозвался и на активно обсуждаемую в начале века проблему механизма и организма, их сходства и различия. При этом перешёл на глобальный уровень:

«Биосфера не может рассматриваться как механизм. Граница между организмами и биосферой есть граница логическая и в научном смысле не реальная. Организм фактически, реально, неотделим от биосферы. В нашей жизни мы непрерывно несём её с собою, ибо мы являемся неразрывной и неотделимой частью биосферы. Слово «механизм» поэтому научно удобно отбросить, говоря не только о живом организме, но и о среде жизни – биосфере».

Мы состоим из земного праха, воды и лучистой энергии Солнца. Каждый наш вздох, каждый глоток воды приобщают нас к биосфере. Мы абсолютно зависим от неё. Но если каждый живой организм является её частью, составляет с ней единство, значит, она живая, ибо живое не может быть органичной частью мёртвого.

Вернадский связывал эту науку с теорией познания:

«Наши знания о биосфере и о её содержимом резко отличаются от всякого другого знания, так как мы живём в биосфере и ощущаем её всем свои существом. Всё передаётся нам через биосферу. Выше и ниже её человек может проникать только логическим путём, разумом. Через неё он охватывает космический мир, преломлённый в биосфере. И так же преломлёнными в биосфере он может изучать глубины планеты, лежащие ниже земной коры».

Правда, во второй половине ХХ века астронавты США посетили Луну, оставили на ней свои следы и даже показали землянам опыт: на нашей спутнице, не имеющей атмосферы, геологический молоток и птичье перо падают с одинаковой скоростью. Это выглядит чудом, ибо в атмосфере, в среде жизни, такое невозможно.

Наука дополняет наш обыденный опыт, расширяет горизонты познания.

По материалам исследований в Биогеохимической лаборатории АН, Вернадский выяснил, что живые организмы накапливают редкие элементы, в частности радий. «Концентрация радиоактивных элементов, – писал он, – с энергетической точки зрения является процессом, нарушающим природное устанавливающееся неоднородное равновесие в отсутствие жизни. С энергетической точки зрения устойчивым состоянием в земной коре является рассеяние радиоактивных элементов, но не их концентрация.

Жизнь является в биосфере фактором, нарушающим обычный ход процесса: организм действует здесь вопреки правилу энтропии».

На первый взгляд, вывод очевиден. Однако Владимир Иванович не учёл два важных обстоятельства.

В биосфере концентрируют химические элементы не только живые существа. Природные насыщенные рассолы образуются в результате выпаривания морской воды (например, в заливе Кара-Богаз-Гол богатые запасы серы, магния, натрия, хлора) или подземной воды (солонцы, солончаки). Неплохо «впитывают» некоторые химические элементы глины. Гигантские скопления нефти и газа образуются при определённых условиях залегания горных пород и смятия их в складки.

Биохимический круговорот веществ в природе

Выходит, не только живые организмы, но вся биосфера как глобальный организм препятствует рассеянию химических элементов. Можно ли это считать действием «вопреки правилу энтропии»? Нет.

Увеличивается энтропия в закрытых системах, изолированных от окружающей среды. (Есть ли в реальности такие системы?) Организм, как справедливо отметил Вернадский, – открытая система, часть биосферы. А биосфера существует благодаря притоку лучистой солнечной энергии, то есть тоже является открытой системой.

Живое вещество аккумулирует лишь малую часть солнечной энергии, поступающей на Землю. Значит, в относительно закрытой системе «Солнце – биосфера – организм» расход энергии колоссальный, а аккумуляция живыми организмами ничтожна. Второе начало термодинамики остаётся в силе.

В книге «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» (1948) Норберт Винер подчеркнул, что живой организм связан с внешним миром и обменом веществ, и обменом информацией. Но автоматы и в этом отношении сближаются с организмами, а потому между организмами и сложными автоматами нет принципиальной разницы.

Позже, в книге «Кибернетика и общество» (1954) Винер продолжил: «На мой взгляд, лучше избегать всех таких сомнительных понятий, как, например, «жизнь»… и в отношении машин просто сказать, что нет оснований, почему бы машины не могли иметь сходства с людьми в том, что они представляют сосредоточение уменьшающейся энтропии в рамках, где большая энтропия стремится к возрастанию». Он пояснил:

«Подобно живому организму, машина представляет собой, как я уже сказал, устройство, которое временно и в ограниченных рамках, по-видимому, противодействует общей тенденции к возрастанию энтропии. Благодаря своей способности принимать решения машина может создать вокруг себя локальную зону организации в мире, общей тенденцией которого является разрушение».

Винер, в отличие от Вернадского, не видел непреодолимого различия между живым организмом и роботом. Зато оба они предполагали, что техническая деятельность человека продолжает на более высоком энергетическом уровне функцию живого вещества.

Пожалуй, в этом оба мыслителя ошибались.

Безусловно, и живой организм, и активный робот – это сгустки энергии, сложности, информации. Но на этом их сходство заканчивается. Живое существо естественно рождается в биосфере, растёт благодаря ей и растворяется в её лоне. Потребляя энергию и вещество биосферы, оно практически всё ей возвращает.

У механизма не так. Он создаётся искусственно, с огромными затратами вещества и энергии: добыча и обработка полезных ископаемых, работа геологов, учёных, инженеров, рабочих. Действует машина за счёт энергетических ресурсов биосферы (организмы используют даровую солнечную энергию). Техника наносит урон биосфере, загрязняя её и увеличивая энтропию.

Однако живые организмы не противодействуют процессу рассеивания энергии, не нарушают законы термодинамики, так как они лишь частично закрытые системы (как особи) и являются частью биосферы. А с ней не так просто, и это до сих пор остаётся научной проблемой, не замечаемой специалистами.

Как свидетельствует геологическая история, биосфера постоянно развивалась, становилась сложнее, в ней появлялись новые виды организмов, минералов, горных пород, залежей полезных ископаемых. Этот процесс противоположен энтропии…

Но в целом система «Солнце-биосфера» ежесекундно теряет колоссальное количество энергии. Считается, что она рассеивается в космическом пространстве. В таком случае остаётся в силе следствие из второго начала термодинамики: Вселенная как единое целое, как замкнутая система обречена на вырождение, переход к полному равновесию «тепловой смерти».

Об этом Норберт Винер выразился образно: «Мы в самом прямом смысле являемся терпящими кораблекрушение пассажирами на обречённой планете… Мы пойдём ко дну, однако и в минуту гибели мы должны сохранять чувство собственного достоинства».

Отлично сказано. Хотя почему бы считать нашу планету обречённой? Разве что мы сами своей алчной деятельностью обескровим биосферу. Или действительно Вселенная обречена на всеобщее выравнивание температур, затухания движений и «тепловую смерть»?

Вернадский на этот счёт имел своё мнение: в геологической истории мы не видим начала жизни и не имеем оснований предполагать её конец. В таком случае не подходит единый поток абсолютного времени Ньютона. То же относится и к теории относительности Эйнштейна, на основе которой создана популярная концепция Большого взрыва Вселенной.

Не соглашаясь с теорией относительности, Вернадский не привёл убедительных доводов против неё. А они могут появиться, если принять во внимание существование «светоносной среды», вакуум-эфира, который, кстати, признавал Ньютон и даже высчитал его плотность…

Впрочем, это уже другая проблема, и даже не одна.

Может показаться, что мы забрели, что называется, в чужой огород, перешли от конкретной биогеохимии к проблемам других наук и философии. Мол, каждый сверчок знай свой шесток.

Когда речь идёт об использовании природных ресурсов, тогда оправдан принцип «разделяй и властвуй». На это и существуют науки, постоянно дробящиеся на всё новые и новые отрасли знаний. Но если мы хотим познавать Природу, то надо исходить из её единства, переходя от научного анализа к синтезу.

Основав науку биохимию, Вернадский вскрыл целый ряд важных проблем, на которые до него не обращали внимания. В науке это очень важная часть – постановка проблемы. Основав биогеохимию, Вернадский открыл новые горизонты познания Земли и Жизни.

Учение о биосфере

Если можно говорить о национальной особенности российской науки, то кроме приоритета наук о Земле и Жизни это создание учений – синтеза разнообразных знаний.

Для конкретных исследований требуются отлично оборудованные лаборатории, сложные приборы. В этом отношении Россия отставала. До ХХ века российские учёные стажировались обычно за рубежом. Но это не мешало им делать крупные обобщения.

О сфере жизни на Земле (биосфере) писали главным образом географы, начиная с немецкого натуралиста Александра Гумбольдта, понимая под этим термином совокупность организмов. В середине ХІХ века австрийский геолог Э. Зюсс среди оболочек Земли выделил биосферу. Он отождествлял её с «пространственно ограниченной совокупностью организмов».

Английский учёный Дж. Мёррей в книге «Океан» дал такое определение: «Биосфера. Где только существует вода или, вернее, где вода, воздух и земля соприкасаются и смешиваются, обыкновенно можно найти жизнь… Можно даже всю планету рассматривать как одетую покровом живого вещества. Давши нашему воображению немножко больше свободы, мы можем сказать, что в пределах биосферы у человека родилась сфера разума и познания и он пытается истолковать и объяснить космос; мы можем дать этому наименование психосферы».

Книга эта была издана в Лондоне в 1870 году (на русском языке появилась полвека спустя). Мёррей выступил как океанолог и натуралист-мыслитель. Его психосфера вошла в философию под именем ноосферы, понятие «живое вещество» использовал Вернадский.

В живые организмы и горные породы входят одни и те же химические элементы. Феномен жизни (так же, как разума) – проявление структурных особенностей сложно организованной материи. Наша плоть состоит из веществ, входящих в три поверхностных сферы Земли. В этом отношении ничего специфически живого в растениях или животных нет. Другое дело – генетическая информация. Она и энергия Солнца одухотворяют земное вещество.

Интуитивно мы обычно чётко разделяем живые и косные (мёртвые) природные тела. В этом смысле допустимо, хотя и не вполне корректно говорить о «живой материи».

Биосфера

…Университетский товарищ Вернадского геолог И.Д. Лукашевич, находясь в Шлиссельбургской крепости в бессрочном заключении за покушение на жизнь Александра III, начал писать обстоятельное исследование: «Неорганическая жизнь Земли». В третьем томе (1911 год) глава «Биосфера» посвящена геологической роли живых организмов. Лукашевич утверждал: «Жизнь как проявление особого вида энергии так же вечна, как движение, теплота, свет и электричество».

Годом позже А.Е. Ферсман, читая первый в мире курс геохимии, высказался определённей: «В этой зоне жизни или биосфере протекает наше существование, здесь вокруг нас кипит и волнуется мир людей, необъятно кишит животная жизнь, распускается и дышит растительность, – всюду колоссальная и интенсивная жизнь Земли».

И ещё: «Организмы являются великими геологическими деятелями, и неизбежно весь характер химических процессов земной поверхности будет зависеть, как он зависит уже и сейчас, от истории развития органического мира». Наконец, со ссылкой на Лукашевича, тезис: органический мир – дитя Солнца.

В апреле 1917 года журнал «Природа» опубликовал статью об энергетике жизни французского физика Виктора Анри, приглашённого в Москву для чтения лекций и работы в недавно созданном Институте труда.

«В каждом жизненном процессе, – писал В. Анри, – происходит превращение некоторых продуктов, называемых пищевыми, и образование сложных тел, составляющих живую материю…

С мировой точки зрения жизнь есть не что иное, как постоянное задержание и накопление химической и лучистой энергии, замедляющее превращение полезной энергии в теплоту и препятствующее рассеиванию последней в мировом пространстве».

Во всем этом было нечто важное, но недосказанное, нераскрытое во всей полноте и ясности. Хороший наглядный образ – все организмы планеты образуют плёнку жизни. А дальше? Разве она существует сама по себе? Допустимо ли считать её оболочкой Земли?

Поэты и философы с давних пор воспринимали земную природу как нечто живое, одухотворённое и обожествляли все её проявления.

«Есть всегда учёные, – писал Вернадский, – которые ярко чувствуют и охватывают эту живую, реальную природу нашей планеты, всю проникнутую вечным биением жизни, и для которых это понимание единой Природы является руководящей нитью всей их научной работы…

Они выходят из рутинных рамок и, не ограничиваясь изучением жизни в организме, переходят к изучению её проявлений в мёртвой природе, широко смотрят на задачи биологического исследования».

Отметим некоторую непоследовательность Владимира Ивановича. Сначала он упоминал «природу нашей планеты, всю проникнутую вечным биением жизни», но затем – о проявлениях жизни «в мёртвой природе». Это противоречие он преодолел в монографии «Биосфера» (1926):

«История биосферы резко отлична от истории других частей планеты, и её значение в планетном механизме совершенно исключительное. Она в такой же, если не в большей степени есть создание Солнца, как и выявление процессов Земли. Древние интуиции великих религиозных созданий человечества о тварях Земли – в частности о людях – как детях Солнца, гораздо ближе к истине, чем думают те, которые видят в тварях Земли только эфемерные создания слепых и случайных изменений земного вещества, земных сил.

Твари Земли являются созданием сложного космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма, в котором, как мы знаем, нет случайностей.

Медленно и с трудом выявляется нашему уму механизм превращения солнечной энергии в биосфере в земные силы. Мы привыкли видеть другие черты в отвечающих ему явлениях; он скрыт для нас в бесконечном разнообразии красок, форм, движений природы – мы сами составляем его часть нашей жизнью. Века и тысячелетия прошли, пока человеческая мысль могла отметить черты единого связного механизма в кажущейся хаотической картине природы».

Движения воздуха и воды, разрушение горных пород, нагревание поверхности суши и Мирового океана, фотосинтез, – формы накопления лучистой энергии Солнца. Хранят её осадочные горные породы, которые со временем погружаются в земные недра. Так энергия звезды медленно проникает внутрь планеты, как бы пропитывая земную кору.

«Как мог образоваться этот своеобразный механизм земной коры, каким является охваченное жизнью вещество биосферы, непрерывно действующий в течение миллионов лет геологического времени, – мы не знаем.

Это является загадкой так же, как загадкой в общей схеме наших знаний является и сама жизнь». По его словам: «Жизнь является великим, постоянным и непрерывным нарушителем химической косности поверхности нашей планеты». Постоянное обновление живого вещества, горение жизни, которым охвачена поверхность планеты, – замечательное качество Земли.

Мы, вступая в этот круговорот жизни – недолгие, мимолетные в смене поколений, – сохраняем неразрывную связь со всей средой жизни. Вернадский делает вывод: «Организм, нераздельно связан с земной корой и должен изучаться в тесной связи с её изучением. Автономный организм вне связи с земной корой реально в природе не существует».

Не странно ли? Ведь очевидно: каждый организм обособлен; так и называют – особь. Её мы видим, изучаем, можем сфотографировать, – а она «реально в природе не существует»?!

Французский натуралист Кювье называл организм «вихрем атомов». Жизнь организма невозможна без обмена веществом с окружающей средой. Как воздушный вихрь не существует вне воздуха, а водоворот немыслим вне воды, так и организм живёт только в особой среде – в биосфере.

Уточним афоризм Кювье: живое существо – это устойчивые, сложно организованные вихри атомов биосферы. Поэтому вне её нет реального организма. Мы не замечаем этого, ибо не задумываемся о том, что каждый живой организм является эфемерным созданием. Он возникает из воздуха, воды и земного праха по генетической программе и после недолгого срока, утрачивая энергию, переходит в воздух, воду и прах земной.

Причастность к биосфере сказывается и на стиле мышления. Как писал Вернадский: «В сущности человек, являясь частью биосферы, только по сравнению с наблюдаемыми на ней явлениями может судить о Мироздании. Он висит в тонкой пленке биосферы и лишь мыслью проникает вверх и вниз».

Но только ли телесно принадлежит человек биосфере? Наш мозг – результат эволюции животных (цефализации), а мысли, разум, интеллект возникли в биосфере и благодаря нашей взаимосвязи с ней. Не означает ли это, что существует неведомый нам разум живой оболочки планеты Земля?

Впрочем, это отчасти философский вопрос. Одно бесспорно: приоритет целого, а не его части, то есть биосферы, а не человека. Но до сих пор это остаётся в забвении. Один из предвестников глобального экологического кризиса – рост климатических и погодных аномалий, активизация природных стихий.

…Учение о биосфере основал не биолог или географ, а геохимик, минералог, историк науки. Вообще, крупные открытия в естествознании обычно совершаются на стыке наук, при синтезе знаний. Для узкого специалиста такой научный подвиг невозможен. Он способен создать научную теорию в конкретной научной дисциплине.

Идею биосферы высказывали многие учёные, вкладывая в это понятие разный смысл. Комплексное учение о биосфере как планетной геологической оболочке, имеющей свойства живого организма, основал академик Вернадский.

Это – классическая биосфера (с маленькой буквы), о которой написано в учебниках. Она выделена по формальному географическому признаку: пределы распространения современных живых существ. Земную кору Вернадский называл «областью былых биосфер».

Мы не считаем ствол дерева областью былого дерева, хотя у него есть годовые кольца, показывающие очередной прирост древесины. В биосфере ничего подобного нет. Она живёт как единое целое и развивается непрерывно миллиарды лет.

Вернадский имел в виду часть планеты, где в данный момент обитают живые существа. Примерно того же мнения придерживались немецкие географы ХIХ века. Но если учесть всю геологическую историю, то земная кора предстанет как органическая часть области жизни.

Владимир Иванович утверждал, что область жизни существует непрерывно всю геологическую историю. А если так, то былые биосферы и будущие – это единая Биосфера (с заглавной буквы) или Биогеосфера.

С геологических позиций надо иметь в виду планету, живущую миллиарды лет с постоянным обменом веществ всех трёх оболочек (воздушной, водной и каменной) с живыми организмами.

…Учение Вернадского о биосфере – одно из крупнейших научных достижений ХХ века. Английский зоолог и эколог Дж. Хатчинсон подчеркнул: «Концепция биосферы, которую мы принимаем сейчас, в основном опирается на идеи Вернадского».

Но это не косный монумент, а живая гибкая структура, способная к развитию. В истории естественных наук немало таких учений, теорий, гипотез, которые развивались, преображаясь.

Да и сам Владимир Иванович в своей концепции диссимметрии Земли (о ней будет сказано особо) показал перспективы дальнейшей разработки учения о живой оболочке планеты Земля.