Рождение геохимии

галактикаВ 2013 году исполняется 150 лет со дня рождения Владимира Ивановича Вернадского (12 марта 1863 — 6 января 1945). Юбилей включен в список памятных дат ЮНЕСКО, и его отмечают не только в нашей стране

«Корни всякого открытия лежат далеко в глубине, и, как волны бьются с разбега о берег, много раз плещется человеческая мысль около подготовляемого открытия, пока придет девятый вал»: эти слова В. И. Вернадского в полной мере относятся к геохимии — от первого упоминания этого слова до ее признания и формирования как науки прошло больше столетия. Сегодня это важнейшая дис­циплина, которая теснейшим образом связана с экологическим мониторингом и решением экологических проблем.

Впервые термин «геохимия» употребил в 1838 году швей­царский химик Христиан Фридрих Шенбейн (1799— 1868). «Уже несколько лет тому назад, — писал он в 1842 году, — я публично высказал свое убеждение, что, прежде чем может идти речь о настоящей геологической науке, мы должны иметь геохимию, которая должна направить свое внимание на химическую при­роду масс, составляющих наш земной шар, и на их происхожде­ние, по крайней мере, столько же, сколько и на относительную древность этих образований и в них погребенных остатков допотопных растений и животных. С уверенностью можно, ко­нечно, утверждать, что геологи не вечно будут следовать тому направлению, последователями которого они сейчас являются. Они, для расширения своей науки, как только окаменелости не смогут достаточно служить им, должны будут искать новые вспо­могательные средства и, без сомнения, тогда введут в геологию минералого-химические пути исследования. Время, когда это свершится, кажется мне не столь далеким».

Шенбейн ошибся только в одном: время его идей пришло лишь в ХХ веке. В XIX веке научные умы занимал многовековой спор плутонистов и нептунистов. Последние считали, что земля получила свой вид благодаря воде. Плутонисты полагали, что окружающую природу создает расплавленная горячая магма, находящиеся внутри планеты, а значит, главное в геологии — это вулканы, гейзеры, землетрясения, термы. Именно благодаря внутренним силам земли образуются горы, горные породы и ландшафты.

Немного позднее, в 1866 году, известный немецкий химик и фармацевт Карл Фридрих Мор (кстати, это он ввел понятие «нормальность раствора», разработал метод определения серебра, сконструировал бюретку и пипетку) напечатал за­мечательный труд «История Земли. Геология на новых основа­ниях». В этой книге, анализируя геологические знания своего времени, Мор с ужасом отмечал, что геологи создали свою «физику» и «химию», в которых «легчайшие тела тонут в тяже­лейших средах», а пар имеет силу, «какая не снилась обычной физике». Сравнивая относительную силу двух важных кислот, угольной и кремниевой, в различных геологических условиях, он показал, что ближе к поверхности сильнее угольная кисло­та, поскольку вытесняет кремниевую из ее солей. А в глубине Земли, в области высоких температур и давлений, наоборот, кремниевая становится сильнее. Это был уже вполне совре­менный геохимический подход, основанный на эмпирических минералогических данных.

В то время ни в геологии, ни в химии не было благоприят­ной среды для выделения геохимических идей в отдельную дисциплину. Почва для этого медленно подготавливалась в течение десятилетий со второй половины XIX века. Не буду перечислять все события и высказывания, которые, «как вол­ны», готовили открытие новой отрасли науки, тем более что это полно и емко сделал В. И. Вернадский в первой же части своих знаменитых «Очерков геохимии». Сама геохимия как наука родилась только в начале ХХ века.

Было два основных направления ее развития, которые долгое время почти не пересекались. Одно из них родилось из кристаллохимии, и его родоначальниками можно считать Минералогический институт в Гёттингене и Университет в Осло. Усовершенствовавшиеся к тому времени рентгено­метрические методы позволили наконец связать свойства кристаллических веществ с их атомной структурой и поло­жением в Периодической системе элементов. Норвежский химик и кристаллограф Виктор Гольдшмидт (1988—1947) ввел понятия об атомных и ионных радиусах, сформулировал закон изоморфизма (этот закон носит его имя), применил термодинамическое правило фаз к геологическим объектам и построил геохимическую классификацию элементов. Но самое главное — был найден инструмент исследований: им стали представления о размерах атомов и о связях между ними.

Огромную роль в формировании геохимии сыграла так­же Фенноскандия (географическая область, включающая Скандинавию, Кольский полуостров, Финляндию и Карелию). Ее географические и геологические особенности нацелили ученых на исследование минералов, магматических и мета­морфических горных пород и тех процессов, которые про­исходят в более глубоких геосферах Земли, — в частности на изучение того, как перемещаются элементы в условиях градиентных значений температур и давлений. Геохимия минеральных веществ быстро вошла в геологию, а затем сделалась самостоятельной наукой. Объектами ее иссле­дований стали минералы и все, что состоит из минералов.

Второе направление геохимии связано с именем Влади­мира Ивановича Вернадского, оставившего богатый архив дневников и рабочих записей, писем родным и друзьям, по которым можно проследить все этапы развития его мировоз­зрения. Он сформулировал идеи, к которым только сейчас подходит научная мысль. А формирование его уникального мышления началось еще в детстве.

Представление о единстве мира сложилось у подрастаю­щего Володи под влиянием прогулок с двоюродным дядей Евграфом Максимовичем Короленко. Евграф Максимович, поклонник Вольтера, занимался наукой как любитель, в частности вдохновленный теорией Дарвина, писал сочинение о происхождении человека. В своем племяннике он нашел благодарного слушателя. «Никогда не забуду того влияния, какое имел для меня этот старик в первые годы моей ум­ственной жизни, — писал Вернадский в 24 года жене Наталии Егоровне. — Вспоминаются мне темные зимние звездные вечера. Перед сном он любил гулять, и я, когда мог, всегда ходил с ним. Я любил всегда небо, звезды, особенно Млечный Путь поражал меня, и в эти вечера я любил слушать, как он мне о них рассказывал; я долго после не мог успокоиться; в моей фантазии бродили кометы через бесконечное мировое пространство; падающие звезды оживлялись; я не мирился с безжизненностью Луны и населял ее целым роем существ, созданных моим воображением. Такое огромное влияние имели эти простые рассказы на меня, что мне кажется, что я и ныне не свободен от них».

экзамен у менделееваФото после сдачи экзамена Д. И. Менделееву. Слева направо: А. Краснов, В. Вернадский, Е. Ремизов

Ощущение единства человека и природы, идею целостности мира и одновременно бренности всех его живых и неживых (косных) объектов Вернадский усвоил с детства и воспри­нимал как аксиому. Понимание взаимосвязи между самыми разными объектами природы и стремление найти эти связи стало характерной чертой всей его научной деятельности.

Окончив гимназию, В. И .Вернадский поступил на естественное отделение Петербургского университета. Позднее, в 1922 году, он вспоминал: «Университет имел для всех нас огромное значение. На первом курсе открылся перед нами новый мир, и мы все бросились страстно и энергично в научную работу». Лекции Д. И. Менделеева оказали решающее влияние на молодого сту­дента, нацелили молодого исследователя на химическое мыш­ление. «На его лекциях мы освобождались от тисков, входили в новый чудесный мир, и в переполненной 7-й аудитории Дмитрий Иванович, подымая и возбуждая глубочайшие стремления человеческой личности к знанию и к его активному приложению, в очень многих возбуждал такие логические выводы и настроения, которые были далеки от него самого». Отношение к лекциям Д. И. Менделеева можно оценить хотя бы по тому, что три друга,

А. Краснов, В. Вернадский и Е. Ремизов, после сдачи экзаменов своему любимому профессору специально пошли в фотоателье и сфотографировались на память (рис. 1). Понимание Вернадским химии и глубокое уважение к ней зародилось в университете.

Окончив университет, Вернадский поступил на должность хранителя минералогического кабинета Императорского Московского университета. Первые же его исследования по минералогии отличались внимательным отношением к химии минералов и глубокой проработкой химизма их образования, в то время как до него упор в минералогии делали на кри­сталлические формы, оптические характеристики и условия, в которых нашли минерал. Его работы «Лекции описательной минералогии» (1899), «Опыт описательной минералогии» (1908) и «Минералогия» (1910) — это фундаментальные труды по химии минералов. Отсюда начался его путь в геохимию.

Как представитель точного знания, В. И. Вернадский во всех своих работах всегда старался опираться на количественные характеристики, выраженные числом и мерой. И в то же вре­мя его интересовали самые разные природные объекты. Как найти общую меру для различных природных тел: больших и малых, земных и космических, живых и косных? Масса — не информативный параметр, а морфология может быть похожа у самых разных объектов (например, облако и опухоль описыва­ют примерно одинаково). Ответ подсказала химия минералов. «В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности по мере увеличения точности наших исследований мы откры­ваем все новые и новые элементы. В песчинке или капле, как в микромире, отражается весь состав космоса». Эти слова, сказанные при открытии секции геологии и минералогии на съезде русских естествоиспытателей и врачей (1909), стали ключевыми для целой серии работ по «спектроскопии земной коры» и последовавших затем «очерков геохимии».

Итак, все элементы есть везде, но в разных количествах. И это не случайность, а проявление законов природы. «Како­во бы ни было объяснение этого явления, схема рассеяния элементов очень удобна для классификации фактов». Общая мера найдена! Закономерности распределения химических элементов — вот та единая мера, которую можно применить ко всем природным телам. Этот подход объединил методы изучения и живого, и косного вещества.

В 1908 году главный химик Американского геологического комитета Франк Уиглсуорк Кларк, всю жизнь занимавший­ся геологическими проблемами, свел и переработал все имевшиеся данные, в книге «Data of Geochemistry». Там он впервые привел статистические данные о распределении элементов в природных телах и минералах. Это было очень важно: геологические данные приобрели наконец геохими­ческий смысл. Ведь все тела состоят из атомов, только из каких именно, определяется законами природы. Именно на этом подходе позднее были построены знаменитые лекции Вернадского, которые он читал в Коллеж де Франс в Сорбонне. В 1924 году лекции издали во Франции на французском языке, а потом и на русском под заглавием «Очерки геохимии».

Элементный химический состав природных тел настолько по­казателен, что его, как выяснилось, можно использовать как один из видовых признаков, и не только для минералов и горных пород, но даже для всех живых организмов. Это оказалось единой мерой измерения, центральным ядром синтетического подхода к косным и живым объектам природы, с помощью которого можно понять, как они влияют друг на друга. А также как они влияют на процессы, происходящие в земной коре, гидросфере и атмосфере.

Если атомная геометрия применима только к минералам и природным объектам, состоящим из минералов (как в первом кристаллохимическом направлении), то такой инструмент, как изучение распределения элементов, подходит ко всему, в том числе и к живым организмам. Как горная порода состоит из минералов, которые потихоньку разрушаются, а потом пре­вращаются в что-то другое, так и живые организмы создают сообщества, биоценозы, внутри которых одни виды питаются другими и происходит своеобразный круговорот элементов. Для анализа живых организмов с точки зрения распределе­ния элементов Вернадский вводит новое понятие — «живое вещество».

Получилась единая система уровней организации косного и живого на планете. В минеральном веществе это минерал — по­рода — комплекс и т. д. В живых организмах это биологи­ческий вид — биоценоз — биотоп (участок пространства, занятый определенным биоценозом) и т. д. Но эти линии не изолированы друг от друга, между ними есть непрерывная связь. Единая мера позволяет сопоставлять химию живого и косного, исследовать круговорот элементов между ними. Это было не так важно в начале ХХ века, но становится особенно ценным сейчас, в современных экологических исследованиях.

С введением этих понятий открылся еще один важный аспект геохимического анализа развития нашей планеты — историче­ский. «Биогенные породы… идут далеко за пределы биосферы. Учитывая явления метаморфизма, они превращаются, теряя всякие следы жизни, в гранитную оболочку, выходят из биосферы. Гранитная оболочка Земли есть область былых биосфер». Все это происходит по своим законам, и, чтобы их узнать, надо изучать распределение элементов в природных объектах, их изменения в пространстве и во времени. Говоря о своем понимании геохи­мии, В. И. Вернадский писал: «Я подошел к новому для меня и для других и тогда забытому пониманию природы — геохимическому и биогеохимическому, охватывающему и косную и живую природу с одной и той же точки зрения. Подходя геохимически к изучению геологических явлений, мы охватываем всю окружающую нас природу в одном и том же атомном аспекте».

К пониманию этого Вернадский шел в течение многих лет упорной работы. Только в 1916 году он завел специальную папку для рабочих материалов по живому веществу, которые легли в основу его фундаментальной работы «Биосфера», вышедшей из печати в 1926 году, — для того, чтобы идеи выстроились в теорию, понадобился не один десяток лет.

Но это еще не все. Постоянная сменяемость любых природ­ных объектов (организмы рождаются и умирают, минералы и горные породы зарождаются, растут и разрушаются) привела Вернадского к идее геохимических циклов. В вечный кругово­рот включены все элементы земной коры, только скорость этих круговоротов различна. У каких-то элементов циклы могут ис­числяться годами, у других сотнями, миллионами и даже мил­лиардами лет. Элементами обмениваются не только твердые, жидкие и газовые оболочки земной коры, но и живые и неживые (косные, по терминологии Вернадского) природные тела.

Свои идеи Вернадский сформулировал и опубликовал в то время, когда происходила дифференциация науки — возника­ли все новые и новые научные дисциплины: физическая химия, химическая физика, электрохимия и прочие. Поэтому в начале ХХ века синтетическое мышление Вернадского, объединяющее все, было просто непонятно.

К тому же в Советском Союзе на все смотрели через при­зму марксистско-ленинской догмы. В 1932 году академик А. М. Деборин, главный редактор журнала «Под знаменем марк­сизма», подвел итог: «Все мировоззрение В. И. Вернадского, естественно, глубоко враждебно материализму и нашей жизни, нашему социалистическому строительству». Малая советская энциклопедия 1934 года так характеризовала Вернадского: «По своему мировоззрению — сторонник идеалистической фило­софии; в научных работах проводит идеи «нейтрализма» науки, выступает в защиту религии, мистики, «исконности жизни и живой материи» и ряда виталистических и антиматериалисти­ческих концепций, отрицая материалистическую диалектику».

Но даже если отбросить идеологические нападки советских ортодоксальных марксистов, идея взаимосвязи косного и живого не нашла понимания среди геохимиков. В 1929—1930 годы во время заграничной поездки, Вернадский вел пере­говоры о создании международного журнала по геохимии. Саму идею журнала поддержали, но крупные европейские геохимики Виктор Гольдшмидт, Вильгельм Эйтель и другие видели эту науку только как химию косного вещества планеты. Они не отдавали должного роли живого вещества в эволюции планеты, считали, что изучение живого — прерогатива био­логов и геохимикам здесь делать нечего. Даже ближайший ученик и сподвижник А. Е. Ферсман до конца не воспринял этих идей: в своей статье «Успехи минералогии и геохимии за 25 лет Советской власти», перечислив 13 основных направлений развития геохимии, он вообще не упомянул биогеохимию.

Не случайно в 1931 году ученый записал в своем дневнике: «Царство моих идей впереди». Для научных идей, как и для растений, нужна подходящая почва, которая зреет постепен­но, по мере накопления нового научного знания. Положение начало меняться только в конце прошлого века — ученым стало ясно, что для понимания глобальных геологических явлений одной физики и химии совершенно недостаточно.

Сейчас уже нет сомнения, что живое вещество оказывало кар­динальное влияние на формирование и развитие всей земной коры. Достаточно напомнить, что все карбонатные породы (толщи известняков, мрамора) имеют биогенное происхождение, то есть в основе — кальциевые скелеты биоты. Практически весь сво­бодный кислород атмосферы возник в результате фотосинтеза, то есть результат действия живого вещества. Например, сегодня кислород образуется с такой скоростью, что его количество в атмосфере может удвоиться всего за 4000 лет (если бы он не расходовался на окисление). В некоторые предыдущие эпохи эта скорость могла быть еще больше.

В процессах фотосинтеза растения ежегодно используют 430-млрд. тонн воды, причем выделяющийся кислород берется именно из воды (а углекислый газ превращается в органические вещества). Поэтому вся вода современной гидросферы могла бы пройти через биосферу за 3,2 млн. лет. Следовательно, с начала кембрийского периода (около 542 млн. лет), вся гидросфера могла пройти через фотосинтез 180 раз. Залежи углей, нефти и газа, массы углеродистых сланцев теснейшим образом связаны с накоплением умерших живых организмов (рис. 2).

обмен веществОбмен веществ между атмосферой, литосферой и гидросферой

Сегодня геология под влиянием новых геохимических данных постепенно переходит от упрощенных линейных моделей развития земной коры к пониманию взаимосвязи разновозрастных природных образований. Ученые начинают рассматривать последовательные природные события как единую систему, в которой происходит неоднократное перераспределение химических элементов. Например, «бездонные» гранитные массивы, уходящие в глубь Земли (их называют батолиты), оказались не внедрившимися, а образовавшимися горными породами — они возникли после преобразования осадочных пород. Так подтверждается взаимное влияние косного и живого вещества. Теория геохимических циклов В. И. Вернадского объединила не только отдельные геологические тела, но и целые геосферы. Ведь огромные массы кристаллических пород земной коры оказались «областью былых биосфер».

Итак, в развитии геохимии хорошо прослеживаются два направле­ния, которые в конце концов сливаются в один общий поток. Первое направление, его можно назвать гёттингенским, родилось из кри­сталлографии. Основным его инструментом стало представление об атоме, его геометрии и структуре, а также пространственном взаимодействии атомов, из которых состоит кристаллическое тело. Основной объект — минерал и все тела, состоящие из минералов.

В основе второго направления, созданного В. И. Вернадским, лежит другой подход, позволяющий измерять и описывать абсолютно все природные объекты. Это распределение составляющих их элементов, в котором отображается специфика самого объекта и история его образования. Здесь объектом исследования может быть любое природное тело: косное и живое, земное и космическое.

И самое главное: сейчас этот инструмент становится рабочим орудием экологического мониторинга и решения экологических проблем. Мониторинг — это только анализ, который, как и в медицине, выявляет отклонения от нормального распределения элементов. Это констатация факта, а не лечение. А методы «лечения» аномальных экологических обстановок предлагают геохимия и биогеохимия. Преимущества последней в более быстрых процессах перераспределения элементов, но в строгом соответствии с законами миграции. Их надо изучать, знать и разумно применять при экологической «терапии» и «хирургии». Принцип «не навреди» из медицины переходит в биогеохимию и экологию.

Настало время объединения разных направлений геохимии. Оно идет очень медленно, поскольку процесс этот еще не вполне осознан. Как только все поймут, что это объединение носит не исключительный, а общий характер, процесс ускорится. Ведь механика Эйнштейна не исключает механику Ньютона, а геометрия Лобачевского — Эвклидову геометрию. Просто для решения разных вопросов нужны разные подходы и разные инструменты. Сейчас, когда перед человечеством встают проблемы устойчивого развития цивилизации, геохимия и биогеохимия становятся важнейшими дисциплинами, которые могут помочь отдельным территориям выжить.

Доктор геолого-минералогических наук Г. Б. Наумов

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>