Формы в мире почв

Степанов Игорь Николаевич

На предыдущих примерах можно было заметить, что каждая обсуждаемая проблема носит характер антиномии, противопоставления. Это отражено в принципе дополнительности Н. Бора, а математически — в теории групп. Обсудим с позиций антиномии еще один вопрос существования материи, прямо касающийся почв. Это второй закон термодинамики, который в науке до недавнего времени не имел дополнительной пары. Согласно этому закону, изолированная физическая система самопроизвольно и необратимо стремится к состоянию равновесия; при этом энергия непрерывно рассеивается, а не концентрируется.

Но можно ли считать

почву физической системой, да еще закрытой, изолированной от внешнего мира? Если почва не физическая система, то какая? Не будем же мы считать почву живым существом. А если она физическая система, то согласно физической теории в ней должно идти разрушение порядка, выравнивание различий и симметризация явлений, чего не наблюдается. Если же почву считать живой системой, то согласно биологической теории в ней должно идти непрерывное и повсеместное созидание, структурирование, диссимметризация, накопление энергии, способной производить работу.

Можно ли ожидать, что физические законы, выявленные для мертвой материи, и биологические — для живой, могут быть одновременно применимы при описании природы почв? Если придерживаться физических законов, то почва должна терять свободную («работоспособную») энергию, увеличивая энтропию; если же биологических — она должна концентрировать, накапливать, такую энергию. От того, какое из этих двух аксиоматических положений будет нами принято, зависит ход дальнейших теоретических построений. Поэтому антиномия «концентрация — деконцептрация» имеет большое значение для почвоведения.

П. К. Ощепков (1967) указывал на существование такой дополнительной пары: «деконцентрация», когда «нагретый чайник» остывает, а «концентрация» — обратный процесс, когда «чайник с холодной водой» сам закипает без огня, вбирая тепло из окружающего пространства. Эта антиномия для несамоорганизующихся систем противоречит здравому смыслу. Но поищем аналогии в природе. Природным объектом, в котором одновременно происходит самопроизвольная концентрация и деконцентрация свободной энергии, являются почвы. Они, как и все живое на Земле, казалось бы, противоречат обычному проявлению второго начала термодинамики в физических системах: в начальной стадии развития за счет фотосинтеза растений почвы активно концентрируют энергию, в зрелости находятся в устойчивом неравновесном состоянии, а разрушаясь, рассеивают свободную энергию, повышая энтропию.

Так, в черноземе свободной энергии, содержащейся в органическом веществе, во много раз больше, чем в подстилающей эту почву породе. При деградации чернозем, рассеивая свободную энергию, резко теряет плодородие. Последнему часто способствует неразумная деятельность человека. За последние 100 лет в черноземах гумуса стало меньше на 1 %. Это равносильно потере энергии, вырабатываемой несколькими сверхмощными электростанциями, которая использовалась бы только для производства урожая. Так что почвоведам не чужды задачи энергетики. Ученые, разрабатывавшие энергетические проблемы почвоведения, неоднократно награждались Государственными премиями СССР. Только в отличие от гидроэнергетиков почвоведы строят свои «электростанции» не на реках, а на сельскохозяйственных полях, планируя агротехнические приемы в целях повышения в почвах энергетических ресурсов, чтобы обеспечить максимум урожая при небольших материальных и энергетических затратах.

Почва — тот самый «чайник», в котором энергия Солнца самопроизвольно стремится перейти

в «тепло» (в свободную энергию органических веществ) благодаря фотосинтезу и удержаться в нем. В почве идет непрерывное обесценивание энергии, и энтропия есть мера этого процесса. Переработка энергии происходит за счет получения отработанного вещества — новообразованных гумуса и глинных минералов, результатов полезной работы. Пополнение свободной энергии, совершающей такую работу, ежегодно происходит при накоплении биомассы в почве, что позволяет почвенным временным диссипативным структурам понижать свою энтропию в пределах собственного объема (в процессе эволюции) или удерживать ее на определенном уровне — в динамическом устойчивом неравновесии.

Диссипативные (летучие) структуры придают почве — неживому телу — удивительные свойства: она эволюционирует как самоорганизующаяся система. При этом возникают структуры, способные «запоминать» некие правила, обеспечивающие их существование, устойчиво их фиксировать и воспроизводить в пространстве. В мире почв оказывается возможной особая форма «наследственной» информации — самодостраивающиеся диссипативные структуры. Они прослеживаются на всех уровнях организации, от ультрамикроскопических до почвенных ареалов.

Примером таких структур являются конвекционные неустойчивости Бенара, или ячейки Бенара (см. рис. 1). Благодаря закономерной циркуляции внутри-почвенных тепловых потоков, видимо, создающих электромагнитные поля, в общем-то изначально бесструктурная почвенная масса со временем с поверхности разбивается на правильные ячеи, подобные сеткам или пчелиным сотам. Таким образом, энергетически неравновесное состояние почвенной системы становится причиной возникновения в ней пространственно-временных структур в виде геометрически правильных форм (прямоугольников, шестиугольников, окружностей). Такие структуры И. Пригожин назвал диссипативными, так как со временем они видоизменяются за счет расходования свободной энергии, потребляемой из окружающей среды.

Вероятно, почву следует изучать с позиций неклассической термодинамики (синергетики). Если классическая термодинамика имеет дело с одним процессом — деконцентрацией, когда из первоначальной упорядоченности в результате роста энтропии возникает беспорядок, то неклассическая (неравновесная) термодинамика рассматривает дополнительные аспекты, характерные для самоорганизующихся систем: при концентрации энергии из беспорядка рождается порядок. Эти представления в приложении к экологическим системам развиты И. И. Свентицким (1982), Н. С. Печуркиным (1982).

Антиномия «концентрация — деконцентрация» затрагивает самую важную проблему современности: обеспечение жителей нашей планеты достаточным количеством энергоресурсов. Энергию можно добывать не только за счет использования горючих ископаемых: угля, газа, нефти, а также атомной энергии. Исследуются реакции, которые позволяют концентрировать солнечную энергию подобно тому, как это происходит в хлорофилловых зернах. Пока такой процесс осуществляют сами организмы: на Земле только растениями ежегодно накапливается органических веществ в несколько раз больше всего добываемого за этот же год угля. Не использовать энергию Солнца — обеднить не только себя, но и грядущее поколение людей: «…каждый луч Солнца, не уловленный, а бесследно отразившийся назад в мировое пространство, — кусок хлеба, вырванный изо рта отдаленного потомка» (Тимирязев, 1948).