В северном полушарии мерзлотные ландшафты (экосистемы) Аляски, Канады и России занимают огромные территории. В России эти системы охватывают более 55% ее территории, где сосредоточены значительные минеральные и биологические ресурсы. Чтобы их рационально использовать и сохранить, необходимо исследовать процессы самоорганизации систем, определяющих устойчивость, структуру и функционирование их.
В.И. Вернадский [1] и его последователи [2,3] установили, что основной самоорганизации и саморегуляции природных химических ландшафтов является биологический круговорот элементов - образование живого вещества и его разложение. А.И. Перельман [3] показал, что «геохимический ландшафт - это сложная, открытая, динамическая, резко неравновесная система, но упорядоченная, стационарная саморегулирующая система земной поверхности с многими положительными и отрицательными обратными связями. Самоорганизация ландшафта - это выражение его целостности, относительный самостоятельности - способности сохранять свои особенности при изменении внешних условий (в первую очередь макроклимата), а также сохранение устойчивости ландшафта, структуры и функционирования его».
В природных системах непрерывно из физического, геологического, биологического, социального хаоса возникают устойчивые упорядоченные структуры - системы с новыми свойствами. К ним относятся высокоупорядоченные пространственные и временные структуры, возникшие из «хаотических» состояний природных тел (микроорганизмов, растений, животных, воды, горных пород). По современным представлениям [4,5,6], самоорганизация - это автоматический процесс, представляющий участие большого количества объектов (элементов, их соединений, систем), которые определяют совокупное кооперативное действие. В процессе самоорганизации образуются и выживают комбинации, системы-минералы, горные породы и живые организмы, экосистемы, наиболее энергетически выгодные с точки зрения адаптации всего комплекса, сообщества и отдельных организмов. При изучении самоорганизующих систем важным является выявление причин самоорганизации и главных факторов, определяющих действие их в соответствии с иерархической подчиненностью подсистем. В этом отношении интересны мерзлотные биокосные системы.
Мерзлотные геохимические ландшафты - это естественно - исторические комплексы - биогенные ландшафты, образовавшиеся из ряда подсистем в криолитозоне. Они возникали на Земле во время глобальных похолоданий и сформировались в последний четвертичный ледниковый период. Такие открытые неравновесные системы с диссипативными структурами функционируют за счет непрерывного поступления в ландшафт потоков энергии Солнца и криолитозоны Земли.
В мерзлотных ландшафтах - составной части биосферы процесс самоорганизации осуществляется в неравновесных условиях кооперативным взаимодействием биогенных и криогенных процессов. Самоорганизация мерзлотных ландшафтов определяется явлением криобиогенеза и эффектами, которые он вызывает [7]. Криобиогенез - это бинарное (двуединое) природное явление, формирующие мерзлотный ландшафт, самоорганизация которого обусловлена единством и взаимодействием энергии, вещества, информации биогенеза и криогенеза. При этом в геологическом времени создается целостная биокосная система с качественно новым вещественно-энергетическим и высоким информационным уровнем организации. Криобиогенез как механизм самоорганизации системы определяет внутреннее содержание и динамику ее - единство всех многообразных процессов и их функциональных связей.
Главным условием возникновения и развития мерзлотных экосистем является непрерывный периодический (зима- лето, ледниковье - межледниковье) круговорот вещества и энергии во времени - криогенный и биогенный, проявляющиеся в единстве, взаимодействии и соответствии друг с другом. Периодичность явлений зим и лета - важный признак мерзлотных экосистем. Этот признак является обобщающим критерием и мерой самоорганизации мерзлотной системы. Периодичность и взаимодействие главных противоположных криогенных и биогенных процессов обеспечивают целостность и устойчивость системы.
В мерзлотных экосистемах биологический круговорот выполняют главную организующую роль, и определяет соответствие (когерентность) системы. Он связывает воедино биогенный и криогенный циклы миграции - потоки вещества и энергии биогенеза и криогенеза, создают новую информационную систему, качественно отличную от исходных составляющих. Криобиогенез наиболее активно проявляется в экосистемах на рудоносных осадочных породах былых биосфер, рудных провинциях и лессах, нефтегазоносных и угленосных площадях, где в биогеохимический цикл вовлекается большая масса химических элементов. При этом усиливается биопродуктивность системы и как следствие биоразнообразие, повышается геохимическая энергия живого вещества.
Самоорганизация мерзлотного ландшафта как биокосной системы обеспечивается внутренними связями зоны криогенеза с биогенными процессами. Это способствует сохранению структуры и функционированию системы и его устойчивости при стабильном термическом режиме криолитозоны. В ландшафте механизм самоорганизации регулируется сезонным режимом тепла и определяется возникновением и развитием двух основных геохимических циклов (зимнего и летнего) системы.
Зимний цикл. При криогенном выветривании горных пород возникают геохимические поля [8]. Незамерзающие пленочные воды (растворы) под воздействием градиента концентрации и температуры формируют восходящие потоки вещества к поверхности, образуют криогенные солевые ореолы в почвах, дисперсных отложениях, в снежном и ледяном покрове [9,10,11]. При криогенной метаморфизации вод характерно увеличение минерализации их, осаждение (вымораживание) карбонатов, сульфатов и других солей с микроэлементами. Высокая растворимость кислорода и углекислого газа в пленочных водах способствуют выветриванию алюмосиликатов, окислению сульфидов. Зимой при окислении сульфидных руд образуются сульфатные зоны легко растворимых солей железа, меди и других рудных минералов [12,13]. В криолитозоне возникают разнообразные глинистые минералы - криопелит с высокой поверхностной энергией. Криогенные процессы способствуют концентрации химических элементов и увеличению информации в ландшафте, формированию криогенных геохимических барьеров. С последними связаны разнообразные геохимические аномалии и энергетически наиболее устойчивые для мерзлотной системы минералы и горные породы. Снежный покров играет большую роль в жизни некоторых животных и растений. Он служит убежищем для них, защищает от холода. Некоторые грызуны (лемминги, полевки) размножаются под снегом. Грызуны под снегом находят обильный корм - корни многолетних трав. Многие копытные (северные олени, овцебыки, кабаны, лошади) питаются растительностью из-под снега.
Зимой биологический круговорот резко ослаблен. Он поддерживается многолетними растениями, которые зимой удерживают минеральные и питательные вещества и обеспечивают начало пищевой цепи для многих животных. В питание травоядных и птиц тайги и тундры преобладает грубый корм: ветви, корни, семена, лишайники. Зимой бурый медведь, сурки, суслики и другие залегают в спячку, используют летние запасы питательных веществ обеспечивает их необходимой энергией. Зимняя спячка решает проблему питания, является надежным средством борьбы с холодом, спасает животных от бескормицы, сохраняет их половые клетки и зародыши. При глубоком замерзании сохраняются семена растений. Сохранение генетической информации при криогенной консервации является одним из главных приспособлений растений и животных к холоду и развития биологического круговорота в течение года и функционирования мерзлотной экосистемы. Зимой в ландшафте происходит мобилизация минеральных веществ из зоны криогенеза и концентрация их в почве, дисперсных отложениях, снегу, льду. Зона криогенеза - один из основных источников минерального питания растений и животных. Часть подвижных элементов после разложения живого вещества снова возвращается в ландшафт и вовлекается в биологический круговорот.
Летний цикл и биохимические барьеры. Летом накопившиеся за зиму в ландшафте (почве, криолитозоне, снежном покрове) химические элементы активно вовлекаются в биологический круговорот и круговорот воды. Происходит усиление биогенной и водной миграции элементов, образования живого вещества и функционирования биологической системы. Весной сочный зеленый корм, талые воды и обилие природных солонцов - продуктов криогенеза быстро ликвидируют минеральный голод у травоядных животных. У самок лосей, маралов, диких северных оленей, косуль происходит быстрое развитие зародыша и появление потомства, у самцов - рогов - концентраторов химических элементов.
Важную роль в самоорганизации мерзлотных ландшафтов выполняют биогеохимические барьеры. Они удерживают значительное количество органического и минерального вещества и препятствуют выносу их за пределы ландшафта. Химические элементы поступают на барьер из криогенных образований - почв, со склоновыми и выходящими трещинными водами. Биогеохимический барьер усиливает информацию в ландшафте - увеличивается масса живого вещества, концентрация элементов, возникают геохимические аномалии рудных элементов [7.14.15]. В высокогорье в гольцовых ландшафтах растения (кустарники, травы, мох, ягель, лиственница) на рудных полях активно накапливают золото. Золото по пищевым цепям поступает в организм животных, обитающих в ландшафтах на золоторудных полях. Так, в организме длиннохвостого суслика в таких ландшафтах золото в 70-100 раз больше, чем на фоновых. Золото - универсальный индикатор геохимических процессов в мерзлотных ландшафтах. Этот металл обладает разнообразными формами миграции (механической, водной, биогенной), концентрируется на геохимических барьерах, в т.ч. в снежном покрове. Особенно важно, что по золоту можно видеть единство и взаимосвязь криогенного и биогенного циклов миграции в мерзлотном ландшафте.
Таким образом, летний цикл в системе обеспечивает создание геохимической энергии живого вещества и усиление биологического круговорота - главного фактора самоорганизации мерзлотной системы. Очень важно, что биологические системы мерзлотных ландшафтов способны сохранять и передавать генетическую информацию, возникшую в прошлом в процессе длительной эволюции.
Годичные геохимические циклы - один из универсальных явлений в живой природе и биокосных системах. В мерзлотных экосистемах продолжительный зимний цикл подготавливает базу для энергичного биологического круговорота атомов в сравнительно короткий летний период. Эта особенность определяет глубокую связь между двумя циклами миграции. Закономерное изменение условий миграции элементов в течение года в мерзлотных экосистемах вызвали в эволюции растений и животных разнообразные адаптации, особенно к холоду. В ледниковый период возникли новые виды и сообщества - криофитные растения, мамонтовая фауна, животные тайги, высокогорий, полярных тундр и морей. Формирование экосистемы шло в соответствии с похолоданием климата сверху - вниз. О высокой степени самоорганизации мерзлотных тундростепей и луговых степей средне-позднего плейстоцена свидетельствует мамонтовая фауна. Она обитала на богатых разнотравьем пастбищах с природными солонцами на лессовых и рудоносных породах, нефтегазоносных бассейнах и рудных провинциях Евразии и Северной Америки. Сохранившиеся от вымирания современные виды мамонтовой фауны (лоси, олени, изюбри, косули, яки, горные козлы, снежные бараны и др.) несут генетическую информацию прошлых систем и отражают высокий уровень самоорганизации современных мерзлотных экосистем на геохимически специализированных породах. Такие высокопродуктивные системы с обилием зверя и рыбы были главным фактором освоения их древним человеком [16]. Здесь возникли благоприятные экологические ниши - убежища для человека. Считается, что Homo sapiens - продукт последнего ледникового периода.
Животные-индикаторы самоорганизации экосистем. Особенно велико значение млекопитающих в изучении самоорганизации наземных и аквальных экосистем. Большинство этих животных венчают пищевую пирамиду, отражают видовой состав трофической связи. «Млекопитающие являются одной из наиболее удобных таксономических групп для изучения связи между биоразнообразием наземных экосистем и климата и не только потому, что они являются одним из наиболее хорошо изученных классов биоты, но и потому, что существует возможность прямого сравнения размещения современных и ископаемых форм, видового состава, разнообразия таксоценов в течении различных эпох плейстоцена и голоцена» [17]. В нашем понимании млекопитающие отражают уровень самоорганизации экосистемы. Животные являются важным звеном и показателем самоорганизации ландшафтов, наличия убежищ в высоких широтах и высокогорье [7]. Они отражают обеспеченность экосистем питательными и минеральными веществами, концентрируются на геохимически специализированных породах. Многие животные являются литофагами, поедают глины, цеолиты, лессы, соли, грязи озер, пьют соленую воду минеральных источников и морей. В гольцово-таежных и таежных ландшафтах на рудоносных площадях Восточного Саяна, Прибайкалья, Забайкалья, Енисейского и Патомского нагорья и др., богатых ягелем и травяно-кустарничковыми сообществами до недавнего времени обитали самые крупные стада диких и домашних северных оленей, были высокопродуктивные охотничьи угодья. Эти ландшафты отличались также богатством лососевых и хариусовых рыб в озерно-речных системах.
Овцебык, песец, северные дикие олени, живущие в арктической пустыне и тундре вдоль побережий Северного ледовитого океана и островах, ярко отражают условия самоорганизации самых суровых экстремально холодных ландшафтов планеты с эффектом криобиогенеза.
Индикаторами самоорганизации и совершенства высокогорных ландшафтов - субальпийских лугов, криофитных степей южных гор Сибири и Монголии являются сообщества фауны - горный козел, горный баран, марал и снежный барс. Барс питается травоядными животными, хорошо отражает связи между биоразнообразием высокогорных экосистем на фосфоритоносных, черносланцевых, бокситоносных, железо-марганцевых породах. В указанных экосистемах, богатых кормовыми ресурсами и обилием природных солонцов, характерна наибольшая концентрация этих животных.
Возникновение мерзлотных ландшафтов следует рассматривать как скачкообразный процесс развития биосферы, связанного с криолитозоной ледниковых эпох нижнего и среднего протерозоя, рифея - венда и четвертичного периода. В этой связи эволюция органического мира и возникновение новых видов в четвертичное время может быть оценена как высшее проявление происходящих в природной системе процессов самоорганизации, определяемых эффектами криобиогенеза. Такой подход соответствует второму биосферному постулату В.И. Вернадского: в нашем представлении эволюция биогенных мерзлотных ландшафтов идет в направлении максимизации биогенной миграции атомов. Главную роль в функционировании мерзлотных ландшафтов играют информационные связи, определяемые переносом энергии и вещества встречными потоками информации в системе Солнце - криолитозона Земли.
Список литературы
- Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения.-М.: Наука, 1965.-215с.
- Глазовская М.А. // Известие РАН. Сер. Географ. 1992, №5.-С. 5-12.
- Перельман А.И. // Вестник МГУ, Сер. 5., География, 1995, №4.-С. 10-17.
- Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса.-М.: Мир, 1986.-431 с.
- Хакен Г. Синергетика.-М.: Мир, 1980.-400 с.
- Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах.-М.: Мир, 1979.-512 с.
- Тайсаев Т.Т. // Вестник БГУ. Сер. 3. География, геология. Выпуск 1.-Улан-Удэ, БГУ, 1997.-С. 6-26.
- Тютюнов И.А. Процессы изменения и преобразования почв и горных пород при отрицательной температуре. - М.: Изд-во АН СССР, 1960.-125 с.
- Макаров В.Н., Винокуров И.П. Геохимические поиски скрытых месторождений в криолитозоне.- Якутск: ИМ СО АН СССР. 1987.- 108 с.
- Мельников П.И., Иванов О.П., Макаров В.Н., Питулько В.М., Шварцев С.Л. // ДАН. 1988. т. 303. №4.-С. 963-967.
- Тайсаев Т.Т. // ДАН. 1991. т. 317. №2 -С. 440-443.
- Птицын А.Б., Сысоева Е.И. // Геология и геофизика, 1995. №3.-С. 90-97.
- Юргенсон Г.А. // Записки ВМО. 1997. №5.- С. 15-27.
- Тайсаев Т.Т. Геохимия таежно-мерзлотных ландшафтов и поиски рудных месторождений. - Новосибирск: Наука, 1981.-137 с.
- Тайсаев Т.Т. // ДАН, 1991. т. 317. №2.- С. 440-443
- Тайсаев Т.Т. // ДАН, 2002. т. 382. №5.- С. 674-677
- Шварц Е.А., Пушкарев С.В., Кревер В.Т., Островский М.А. // ДАН, 1996. Т. 347. №5. -С. 682-686