1 год назад
Нету коментариев

Представление о почве будет неполным, если не рассмотреть иерархию ее форм от атомов до агрега­тов — почвенных комочков. Почву как организацию уровней начали изучать Б. Г. Розанов и А. Д. Воронин с 1970 г. Если почвы существуют в определенных орга­низационных формах, то нужно искать их веществен­ный носитель, обладающий атрибутами материи: пространством, временем, движением. Учение о почвенных уровнях ставит задачи — понять принципы, по кото­рым пространство построено в иерархическую систему; объяснить, каким способом в природе расположены по ступеням элементы почв и как они взаимодействуют между собой, образуя регулярные структуры; где «за­писан» план развития почвы и какие процессы его реа­лизуют. Девиз такого метода исследования: «разделить для того, чтобы затем объединить».

Мы уже знаем, что профиль почвы состоит из гори­зонтов А, В и С. Каждый из них слагается из отдель­ностей, отдельности из агрегатов, агрегаты из микро­агрегатов и так далее вплоть до атомов. Изменение размеров — явление закономерное, оно сопровождается скачкообразным преобразованием свойств почвенных элементов через каждый «шаг», или «квант организа­ции». Если такой шаг установлен, то систему можно назвать иерархизованной. Известно, что природные объекты квантованы в геометрической прогрессии: 0,6; 1,3; 1,6; 2,6; 3,4; 4,5; … 10; 15. Одна из трудных задач — найти естественный, созданный самой приро­дой шаг в мире почв. Он еще не обнаружен, и потому условно примем, что квант равен (в ангстремах): 1, 10, 100, 1000…, т. е. один уровень отличается от дру­гого на порядок (рис. 8,7—VIII).

Такое деление только на первый взгляд кажется «безобидным». За ним скрыты философско-методологи­ческие проблемы, так как в ряду: профиль—горизон­ты—отдельности—агрегаты … атомы объединены в еди­ное целое два различных мира: микроскопический и макроскопический. Это делает почвоведов участниками общенаучного спора о взаимоотношении микро- и мак­рообъектов. Из двух спорящих сторон одни считают, что явления микромира нельзя переносить в макромир; другие, ссылаясь на то, что природа едина, полагают, что процессы, происходящие в этих мирах, могут быть описаны едиными законами. Так, закон дуализма Луи де-Бройля запрещает выводы квантовой механики рас­пространять на микрообъекты, т. е. объединять одним принципом процессы, происходящие на атомарном и агрегатном уровнях. М. М. Марков (1976) не согласен с этим. Он уверен, что проблемы макро- и микрофизи­ки «могут быть завязаны в один тугой узел».

Изучение иерархии почвенных структур обнажает еще одну важную проблему, объясняющую специфику взаимопереходов: «элемент — система» или «система — подсистема». Раньше думали, что каждая предшест­вующая система есть простая сумма предыдущих под­систем (элементов), дающая правильные формы. Од­нако обнаружилась дислокация — нарушение порядка при переходе от одного уровня к другому, от подси­стемы (элемента) к системе. Что же такое дислока­ция—хаос, беззаконие?

Дислокация является отсутствием закона только для данного уровня иерархической системы и его су­ществованием для подсистемы. Если подсистему рас­сматривать как среду, симметрия которой не совпада­ет с симметрией почвенного тела, то в таком случае можно считать, что среда определит его дислокацию. Следовательно, система обязательно должна быть свя­зана с подсистемой. Именно это и утверждается в зна­менитой теореме К. Геделя, который доказал, что для каждой системы имеется подсистема, причем система не может быть описана только своими внутренними параметрами; хотя бы один из них заимствуется из подсистемы.

Отсюда следует, что почвенную иерархическую си­стему нельзя полностью формализовать; она должна включать какие-то аксиомы, принадлежащие подсисте­ме. Как «город» невозможно представить без «улицы», «улицу» без «дома», «дом» без «стен» и т. д., так и по­нятие «профиль» нельзя описать без понятия «гори­зонт», «горизонт» без «отдельности», «отдельность» без «агрегата». Каждое изменение размеров есть не про­стое преобразование геометрической фигуры, а скачок в иное состояние: например, из агрегатов формируется новое тело — отдельность, из отдельности еще одно новое тело — горизонт, из горизонтов — профиль поч­вы.

Следовательно, каждый уровень — это не механиче­ское скопление элементов, а концентрированный син­тез, не только включающий в себя сумму свойств, но и исключающий все лишнее, случайное при масштаб­ном переходе от одного уровня к другому. Вероятно, такой переход от атомов к геологическим объектам имел в виду В. И. Вернадский (1975), когда писал: «В веществе планеты, в атомных его свойствах… мы должны искать причину многих геологических явле­ний». Другой пример: М. В. Волькенштейн (1965, с. 203) отмечает, что в идеале, решив задачу организации вещества, можно «предсказать микроскопическое строение мышцы, зная химическое строение ее белков»,

Ю. А. Урманцев (1978, с. 190) по форме изомерных молекул альдогексозы воссоздал структуру соответст­вующего ей изомера листа липы. Он решил и обрат­ную задачу: исходя из изомера контура листа липы, нарисовал структуру изомера альдогексозы. Воистину справедливы поэтические строки Валерия Брюсова: «Есть тонкие, властительные связи меж контуром и за­пахом цветка»!

Реализация закона структурных уровней в почво­ведении может позволить, например, по форме одних изомеров-агрегатов определить состав соответствую­щих им других изомеров — органо-минеральных моле­кулярных соединений, а также решить обратную зада­чу. Пока это мечта, но ее осуществление позволит пе­рейти к более глубокому пониманию почвенной иерархии. Ниже приводятся описания разных уровней организации почв.

Уровень /, атомарный. Размеры элементов около 1 А. Их свойства зависят от атомной структуры (рис. 8,/). Энергетическое состояние элементарных за­рядов связано с валентностью: ее повышение увеличи­вает заряды. Поэтому, например, преобладание в поч­вах водоразделов трех-четырехвалентных ионов, а в почвах понижений одно-двухвалентных обусловливает возникновение и распределение электрогенеза и элект­ромагнитных полей.

Иерархия структурных единиц по размерам

Иерархия структурных единиц по размерам

Иерархия структурных единиц по размерам

Иерархия структурных единиц по размерам

Иерархия структурных единиц по размерам

Иерархия структурных единиц по размерам

Иерархия структурных единиц по размерам

Иерархия структурных единиц по размерам

Уровень II, молекулярный. Размеры элементов 1— 10А, они образуют симметричные структуры (рис. 8,

Если предположить, что информация о конфигура­ции агрегатов закодирована в структуре электронных оболочек молекул, то знание их архитектуры позволит предвидеть, будут ли эти агрегаты иметь ореховатую, призматическую или пластинчатую формы? Разнооб­разие форм почвенных агрегатов есть результат состоя­ния равновесия, рассматриваемого как стремление электронов сочетаться в наиболее устойчивых и мини­мальных в энергетическом отношении положениях. Автоматизм запоминания структур на этом уровне, ви­димо, связан со свойством почв и наносов создавать магнитное поле; каждый новый этап наносо- и почво­образования характеризуется своей остаточной намаг­ниченностью.

Различная ориентировка окислов железа в шлифах, взятых из разновозрастных почв, доказывает, что био­геохимические процессы на данном и более высоком уровнях организации коррелируют с магнитными по­лями, которые периодически через века и тысячелетия меняют направленность. При этом в связи с полярной инверсией магнитного поля меняется видовой состав почвенной микрофауны и микрофлоры, увеличивается или уменьшается скорость размножения, переориен­тируется структура тончайших органо-минеральных частиц. Кроме того, в разных точках Земли намагни­ченность почв разная, особенно она высока на Дальнем Востоке. Это влияет на парамагнитный резонанс элект­ронов (работы Е. А. Завойского, С. А. Алиева).

Уровень III, элементарные специфические ячейки размером 10—100 А с тождественными формами и параметрами блоков: диаметр 10—20 А, высота 10— 30 А, расстояние между слоями по вертикали 2,3— 3,6 А, число слоев, расположенных параллельно, 4—6; угол кручения создает спиральную пространственную правизну-левизну (рис. 8, III). Преобладают ячейки: а — молекулы ДНК, б — глинного минерала (галлуа­зита), в, г — гуминовой кислоты.

Макромолекулы этого уровня «подражают» по фор­ме одна другой, как бы стараясь одинаково отразиться в зеркале. Отражение в неживой природе подобно при­митивной памяти; это процесс адекватного соответст­вия форм, их взаимного запечатления, передачи основ­ных структурных качеств молекул. При образовании устойчивых почвенных молекул из неустойчивых необ­ходимо, чтобы последние имели упорядоченность, об­условленную какими-то предпочтительными стереохи­мическими отношениями. В противном случае, если бы молекулы образовывали неустойчивые, хаотичные структуры, их физические свойства были бы непред­сказуемыми, а их функции (например, плодородие) не­выполнимыми.

Предполагают, что взаимодействие органических и минеральных молекул в современных естественных ус­ловиях приводит к созданию специфического для почв органо-глинного минерала (Ковда, Трубин, 1977). Ме­стоположение его составных частей в иерархии почвенных тел рассчитано теоретически (Ковалева и др., 1984). При этом возникает предположение о возможной информационной роли молекулы ДНК в структурообразовании. Этот биополимер в относительно больших количествах в свободном состоянии находится в почвах и коррелирует с содержанием гумуса (работы И. В. Асеевой, Н. С. Паникова, О. Т. Самко, Д. Г. Звягинце­ва). Видимо, молекулы ДНК почвенных растительных и микроскопических живых организмов контролируют, правда, в очень коротком жизненном цикле, при отми­рании клеток, наследственные признаки. Вероятно, в почвах молекулы ДНК и РНК способны «размно­жаться», синтезируя полимеры с помощью минераль­ных матриц как источников информации кода. Сочета­ние минералогического кода с кодом нуклеиновых кис­лот, по-видимому, может дать матричный синтез органо-глинных минералов — первичных почвенных тел. Эта идея требует строгой проверки.

Уровень IV, ядра конденсации коллоидных частиц размером 100—1000 А. По данным академика Е. Н. Мишустина (1975), любому типу почв соответствует своя микробная ассоциация, каждая с доминантными фор­мами микроорганизмов. Геометрическое соответствие форм микроорганизмов типам почв еще не выявлено, но многое видно из микрофотографий (рис. 8, IV): а — кристаллы бацилл (Вайнштейн, 1979), б, в — ви­русы (Феннер и др., 1977). Вирусы и микроорганизмы выполняют огромную разрушительную и созидатель­ную роль при почвообразовании. Но и сами по себе они, как физические тела, служат центрами агрегации, или затравками, определяя конфигурацию почвенных тел следующего уровня.

Микроорганизмы могут иметь формы: 1) спираль­ные, или палочковидные; 2) изометрические, или сфе­рические; 3) симметричных многогранников, или икосаэдрические. Так, в черноземах преобладают изометри­ческие микробы, образующие микроагрегаты почв сферической формы — наиболее «выгодные» энергети­чески природные структуры. В каштановых и подзоли­стых почвах развиты спиральные микробы, образую­щие призматические агрегаты.

Уровень V, первичные коллоиды размером до 10000 А. Образуют агрегаты иловатой фракции (ме­нее 0,001 мм) почв; их структура определяется симмет­рией микробных пейзажей (рис. 8, V). Каждый из этих микробных узоров, как видно на фотографиях, имеет определенную симметрию: а — плоской кристал­лографической решетки (гексагональную, косоуголь­ную), б — спиральную, в — радиальную, г — бордюрную.

Уровень VI, улътрамикроагрегатный. Твердые ор­гано-минеральные частицы размером около 100000 А, образующие агрегаты фракции «физическая глина». Они изучаются по микроскопическим срезам почв — шлифам. Здесь организующая роль принадлежит плаз­ме — подвижной части почв; в ней упорядоченно рас­сеяны минеральные зерна — скелет. Плазма, видимо, создает пленки-мембраны, через которые осуществляет­ся избирательная миграция ионов, способствующая возникновению разности потенциалов.

На рис. 8, VI схематично показана симметрия вза­имного расположения коллоидных частиц различных почв: а, б — черноземов, гексагональная, в — серых лесных, квадратная; г —каштановых и подзолистых, ромбическая, д — такырных, слоистая, е — болотных и луговых, концентрическая.

Уровень VII, микроагрегатный. Твердые органо­минеральные частицы размером 0,1—1 мм, возникшие в результате агрегации более мелких частичек. Почво­образование — это прежде всего агрегация, что и запе­чатлено на фотографиях шлифов (рис. 8, VII).

Уровень VIII, макроагрегатный. Естественные поч­венные комочки (агрегаты) размером до 1 см, пред­ставленные в идеализированной форме на рис. 8, VIII. Каждому типу почв соответствует своя, присущая только ему геометрическая форма агрегатов: чернозе­му — додекаэдр, солонцу — призма, подзолу и такы­ру — моноэдр.

Агрегаты — основной строительный материал поч­венных отдельностей и горизонтов. Их внутренняя морфология изучается с учетом центра — затравки, а также текстурной неоднородности в виде пирамид и зон роста. Так, следуя И. И. Шафрановскому, в поч­венных агрегатах можно выделить 9 вершинных и 27 плоских реберных форм. Завершив описание всех восьми уровней, сделаем следующие предположения, касающиеся автоматизма процесса самоорганизации. Почвообразование требует значительных энергетиче­ских ресурсов. Последние создаются в результате фотосинтеза зелеными растениями, использующими энергию Солнца, и микроорганизмами, потребляющими рассеянную энергию. При этом формируются новые энергетически емкие почвенные электромагнитные структуры в виде агрегатов разных уровней. Преобра­зуемая и в значительной части рассеиваемая свободная энергия в результате почвообразования частично кон­центрируется в разноуровенных структурах, замыкая тем самым биологический круговорот вещества. Прев­ращения элементов различных почвенных уровней вы­свобождают дополнительные внутренние запасы свобод­ной энергии, столь необходимые для агрегирования.

В борьбе за энергию из конкурирующих живых ор­ганизмов или матричных молекул побеждают те, у которых скорость приращения массы в биохимиче­ских реакциях выше (Шноль, 1979). Это и позволяет сравнивать почвенные реакции по кинетическому или биологическому совершенству. По признаку наиболь­шей скорости реакции молекул со средой на первом месте, видимо, стоят черноземы, а на последнем — пустынные такырные и тундровые почвы. Внешнее и физико-химическое сходство любых почвенных типов различных точек Земли обусловлено тем, что из спе­цифических органо-глинных соединений почв в кон­куренции за вещество и энергию побеждают те «моле­кулы-мутанты», у которых выше коллективная ско­рость заполнения пространства. У почв с близкими скоростями биологических и физико-химических реак­ций, возможно, тождественны электродвижущие силы и конфигурации электромагнитных полей.

Естественная иерархия почвенных тел — это отра­жение способности разных уровней проводить через себя непрерывные информационные сигналы — потоки электронов — и тем самым осуществлять роль элект­рических проводников. По В. С. Авязнову и др. (1971), многоуровенность почв и горных пород можно понять лишь тогда, когда при построении иерархической мо­дели будут учтены электрические законы. Разность потенциалов порождается любым изменением состоя­ния атомов или ионов в почве: ее нагреванием, охлаж­дением, сжатием, растяжением, дроблением, смачива­нием, иссушением; четко она возникает на поверхно­сти контакта двух тел, особенно на границе раздела: лед — вода или лед — почва.

Лед может заряжаться положительно или отрица­тельно, что зависит от свойств контактирующей с ним почвы. Способствуя перераспределению вещества, лед при фазовых переходах (лед — талая вода) в течение суток, сезонов, лет и веков периодически изменяет электрическое поле, количество и качество химического состава почв, создавая в них «мерцающий» эффект раз­личной продолжительности. Так как лед и мерзлота раньше занимали обширные пространства Земли, то следы их упорядоченной деятельности заметны по­всюду.

А. Ф. Вадюнина, А. И. Поздняков (1977), Л. П. Пи­воваров и др. (1979) видят причины появления стацио­нарного электрического поля естественной природы в почве в неоднородностях любого порядка: физического, химического, биологического. Вероятно, электрический ток возникает на мембранах, которые, облекая твердые органо-минеральные части почв, формируют непрерыв­ность и могут быть солевыми, в виде органических пленок и глинистой плазмы. По обе стороны мембран создается разность концентраций протонов, в резуль­тате чего образуется электрическое поле.

Электромагнитные поля действуют в ограниченных диапазонах тепла и влаги, строя внешне одинаковые свойства почв, что является источником почвенных аналогий. Несмотря на большое разнообразие внешней среды, почвы разных точек Земли имеют большое сходство. Оно вызвано самопроизвольным отбором не­многих почвенных элементов из большого их разнооб­разия электромагнитными волнами определенной для каждой среды частоты. Влияние электронов проявляет­ся во всем: это электролитическое осаждение таких элементов, как медь и железо, образующих краснова­тые пленки на агрегатах, или как кальций и магний, создающих белые налеты. Окрашивание профиля почвы гумусом — ровное, плавное, без отдельных пятен и линз — возможно только при электрофорезе, особенно во влажных почвах, где увеличивается количество под­вижных электрически заряженных частиц.

comments powered by HyperComments