Атомы – преобразователи ландшафта
«К географии ландшафтов и цветов мы присоединяем географию геохимических явлений, и простые законности внешних соотношений мы хотим свести к единым великим законам строения и свойств атома».
В ЛЕСАХ
На тысячи километров от берегов Балтийского моря до берегов Тихого океана, сплошной полосой через всю нашу страну протянулась лесная зона. Это царство хвойных, смешанных и лиственных лесов, полноводных рек, торфяных болот.
Природные ресурсы лесной зоны велики и разнообразны — климат и почвы многих ее районов благоприятны для сельского хозяйства, реки таят огромные запасы гидроэнергии, недра богаты углем, нефтью, рудами почти всех металлов, леса — ценными породами деревьев.
Однако большая часть лесной зоны СССР освоена еще сравнительно мало, населена редко, ее природные ресурсы используются далеко не полно. Это в особенности относится к огромным территориям Сибири и Дальнего Востока. Вместе с тем в условиях планового социалистического хозяйства, на базе высоко развитой техники теперь есть возможность быстро осваивать многие малонаселенные лесные ландшафты. Те их неблагоприятные особенности, которые раньше казались неодолимым препятствием для хозяйственного освоения, в настоящее время могут быть преодолены, малопроизводительный природный ландшафт может быть превращен в высокопроизводительный культурный. Рассмотрим это превращение на примере одного из лесных ландшафтов.
В прошлом худая слава как о местах бедных, малоплодородных шла о ландшафте, который мы будем называть полесским. Этот тип ландшафта распространен в лесной полосе европейской части нашей страны и в Западной Сибири.
Писатель П. В. Засодимский в конце прошлого века посетил Приветлужье, один из полесских ландшафтов в среднем Поволжье. Вот что он там видел: «…несмотря на всю свою изворотливость, несмотря на все свое умение «на обухе рожь молотить», бедны лесные жители, и мало красных дней и радости видят они в жизни. Многие круглый год не видят мясной пищи, даже молоко, получаемое от мелких и тощих коров, сберегается только для детей, а взрослые принуждены довольствоваться творогом, разведенным сывороткой или водой. Далеко не у всякого из ветлужан находится лошадь или корова,— оттого нередко и поля остаются незасеянными. Жалко смотреть на этих бедняков, всю жизнь проводящих в тяжком труде, в борьбе с горем и бедностью… Дряхлость, кажется, не составляет здесь исключительной принадлежности старческого возраста».
Даже в отсталой дореволюционной России полесские районы поражали своей особой бедностью. С их неблагоприятными природными условиями крестьяне тогда не могли и не умели бороться.
Вместе с тем лесная зона получает значительное количество солнечного тепла, в ней выпадает много осадков в виде дождя и снега и почти никогда не бывает засух.
Микроорганизмы в лесной почве работают интенсивно, поэтому в ней накапливается мало мертвых органических веществ: почти все что умерло, то и минерализовалось.
Сосновый лес в Полесье
Таким образом, климатические условия этого ландшафта благоприятны для биологического круговорота атомов. Значительно менее благоприятны здесь свойства почв. Растворимые соединения, важные для жизни растений и животных, в состав которых входят кальций, магний, натрий, калий, фосфор, легко вымываются из почвы и уносятся с грунтовыми водами в реки. В результате образующиеся при разложении растительных остатков органические кислоты не могут быть полностью нейтрализованы. Поэтому характерные для полесского ландшафта песчаные подзолистые и дерново-подзолистые почвы, — кислые, бедные подвижными минеральными соединениями. Нередко пески полесий на 98% состоят из минерала кварца (SiO2). Только немногие растения приживаются на таких почвах: сосна, лишайники, вереск, черника.
Следовательно, в геохимическом отношении полесский ландшафт — это ландшафт, бедный важными для растений элементами. Вот эта его особенность и определила низкое естественное плодородие песчаных подзолистых почв полесий.
На животных организмах полесского ландшафта особенно резко сказывается недостаток кальция — элемента, входящего в состав костей, скорлупы, раковин.
В полесьях многие животные имеют меньшие размеры (например, моллюски в реках), яйценоскость птиц уменьшается, яйца имеют тонкую и пористую скорлупу, домашние животные страдают болезнью скелета (рахит). Молочный скот здесь теряет породистость, удои падают, животные становятся приземистыми, малорослыми.
Рахит у домашних животных
В некоторых полесских ландшафтах домашние животные страдали от неизвестного заболевания. Они быстро истощались, становились вялыми, шерсть их грубела. Значительная часть больного скота погибала. Причина болезни долго составляла загадку. Все попытки найти микроба-возбудителя кончались неудачей, так же как не помогали различные методы лечения, пока, наконец, не было установлено, что загадочное заболевание вызвано пониженным количеством в кормах кобальта.
Ценные свойства кобальта для металлургии были открыты уже давно, но его значение для живых организмов долгое время оставалось неизвестным. Кобальт относится к так называемым редким металлам. В земной коре его среднее содержание составляет всего 0,003%. В полесских же ландшафтах местами в почвах находится этого металла меньше 0,0005%. В растительных кормах там его содержание также понижено. А так как кобальт входит в состав особого витамина В12, жизненно необходимого животным, то снижалось и количество этого витамина, что приводило к заболеванию домашнего скота. Прибавка к кормам совсем небольших количеств солей кобальта или применение особых кобальтовых удобрений полностью ликвидировало акобальтоз (так называется это заболевание), повысило продуктивность овец и молочного скота. Акобальтоз известен и за пределами нашей страны, в Австралии, Новой Зеландии, Шотландии, где также имеются ландшафты, почвы которых бедны кобальтом.
Акобальтоз у коров
Кто не знает, что торфяные болота после осушки обладают высоким плодородием, что они особенно пригодны для посевов овощей и картофеля.
В долинах рек полесских ландшафтов много торфяных болот. И вот, бывают случаи, когда на землях, отвоеванных у этих болот, несмотря на применение обычных удобрений, не только вызревают очень низкие урожаи, но культурные растения даже болеют: кончики их листьев желтеют и скручиваются, злаки не дают семян.
Длительное время попытки выявить особые микробы этого заболевания, получившего название «болезни обработки», кончались неудачей. Позднее было установлено, что в осушенных почвах содержится меди меньше 0,001%, а в почвах, на которых растения не болеют «болезнью обработки», более 0,001%. После этого было предложено попробовать применить медные удобрения. Это сразу же дало замечательный результат: «болезнь обработки» была ликвидирована, плодородие осушенных почв восстановлено. В настоящее время многие колхозы и совхозы уже систематически применяют особые медные удобрения.
Но, может быть, вообще не стоит заниматься сельскохозяйственным освоением полесских ландшафтов, раз их природные свойства имеют столько недостатков? Такой вывод был бы грубо ошибочным.
Полесские ландшафты получают много солнечного тепла и света, они достаточно обеспечены водой, их почвы содержат некоторое количество питательных для растений веществ. Следовательно, в этих ландшафтах есть все условия для осуществления фотосинтеза, для получения органических веществ, необходимых человеку. Иначе говоря, в полесьях, как и в других ландшафтах, мы можем с помощью растений использовать солнечную энергию. А это главное! Недостаток же минеральных элементов может быть восполнен их привнесением извне. Для этого надо только знать геохимические особенности ландшафта.
Для повышения продуктивности земледелия и животноводства в этом ландшафте необходимо ликвидировать кислую реакцию почв, вредную для большинства культурных растений. Это достигается посевом трав и известкованием, т. е. добавлением в почву углекислой извести (СаСО3). В известкованной почве усиливаются полезные для культурных растений микробиологические процессы, содержание кальция повышается, а содержание вредных для растений растворимых соединений железа и алюминия понижается. Большое значение для удобрения почв имеет навоз, так как он содержит почти все необходимые минеральные вещества и азот. Важны также минеральные удобрения: фосфорные, азотные, медные; домашним животным дают минеральную подкормку: толченую известь, поваренную соль, местами — соли кобальта.
Так ликвидируются неблагоприятные геохимические особенности полесского ландшафта и полностью используются его богатые ресурсы влаги, солнечного тепла и света.
Прекрасно сказал С. М. Киров на I съезде колхозников-ударников Ленинградской области и Карелии в 1933 г.: «Неверно, товарищи, что наш край какой-то особо бедный… Нет такой земли, которая в умелых руках при советской власти не могла быть повернута на благо человечества».
Действительно, в наши дни колхозы и совхозы добились поразительных результатов в использовании природных ресурсов полесских ландшафтов и получают там сельскохозяйственной продукции во много раз больше, чем в дореволюционное время.
КАЛЬЦИЙ ИЗМЕНЯЕТ ЛАНДШАФТ
Но далеко не все ландшафты лесной зоны так бедны кальцием и другими элементами, как полесские. Имеются в лесной зоне места и совершенно иного облика.
Может быть, вам случалось бывать на Ижорской возвышенности, расположенной неподалеку от Ленинграда. Вспомните, как вдруг расступается хвойный лес, чтобы освободить место не лужайке, не поляне, а обширным, как в степи, полям. Только далеко, по самому горизонту, виден силуэт окружающих лесов, да кое-где поднимаются небольшие рощи, возле которых расположились деревни.
Объяснение своеобразия этого ландшафта, который мы будем называть ижорским, и, в частности, резкому его отличию от «кислого» полесского дает геохимия.
Оказывается, здесь близко к поверхности залегают известняки, доломиты и другие породы, богатые углекислой известью (СаСО3). Богатство горных пород углекислой известью обусловливает богатство этим соединением и почв: они не оподзолены, очень плодородны и по внешнему виду и некоторым свойствам напоминают степные черноземы. Поверхностные и грунтовые воды, соприкасаясь с углекислой известью, обогащаются кальцием; они имеют не кислую, а нейтральную или слабо щелочную реакцию. Гумусовые вещества и соединения железа в этих водах не растворяются, и поэтому родники и реки в таких ландшафтах особенно чисты и прозрачны. Организмы имеют все признаки вполне достаточного кальциевого питания: на пойменных лугах много ярких цветов, в частности требовательного к кальцию клевера и других бобовых, и, наоборот, мало осок, т. н. «кислых злаков», хвощей, растущих на кислых почвах. Домашние животные значительно реже, чем в полесьях, болеют рахитом, раковины у моллюсков крупнее и толще, молочность коров выше и т. д.
Когда-то здесь сплошь росли великолепные леса с высокими прямоствольными деревьями и богатым подлеском. Но еще древние земледельцы подметили высокое плодородие здешних почв. Поэтому в период земледельческого освоения лесной зоны именно эти места заселялись в первую очередь и леса здесь интенсивно вырубались. Постепенно ландшафт приобретал тот лесостепной облик, который мы застали.
Таких распаханных, почти безлесных «островов» много в лесной зоне. Они резко выделяются на фоне окружающих таежно-болотных пространств и напоминают лесостепные ландшафты далекого юга.
В европейской части СССР лесные ландшафты., богатые кальцием, в значительной степени уже освоены, в них развита промышленность и сельское хозяйство, имеется густое население. Но во многих районах Сибири они заняты вековой нетронутой тайгой. Освоение этих ландшафтов, развитие в них сельского хозяйства для обеспечения быстро растущих промышленных центров Сибири картофелем, овощами, молоком и другими продуктами земледелия и животноводства — важная народнохозяйственная задача. В ее решении очень большую роль может сыграть геохимическое изучение ландшафта.
Понятно, что ландшафтное разнообразие лесной зоны не исчерпывается полесским и ижорским ландшафтами. Но и этих двух примеров достаточно, чтобы еще раз в конкретной форме увидеть, как свойства ландшафта связаны с его геохимией.
Вместе с тем знакомство с лесными ландшафтами дает нам возможность познакомиться с еще одной важной закономерностью геохимии ландшафта.
ЕЩЕ О ЗАКОНАХ ГЕОХИМИИ ЛАНДШАФТА
Мы видели, что геохимическое своеобразие ижорского ландшафта, его отличие от полесского связано с высоким содержанием кальция в горных породах, почвах и водах. Кальций определяет здесь многие важнейшие и характерные особенности ландшафта.
В других знакомых нам уже ландшафтах роль кальция была значительно меньше. Для влажных тропиков характерны кремний и алюминий (вспомним опал в стволе бамбука, состав золы чая и перьев птиц).
Важнейшие характерные элементы ландшафтных зон
Многие особенности солончаков связаны с накоплением в почве легкорастворимых солей: поваренной соли (NaCl), сернокислого натрия (Na2SO4). Они содержатся в почвах, водах и в виде пыли рассеяны в воздухе.
Такие химические элементы, играющие особенно важную роль в жизни ландшафта, определяющие существенные и характерные его свойства, называются типоморфными. «Миграция этих элементов,— писал Б. Б. Полынов,— накладывает яркий отпечаток и на почвы, и на местные воды, и на растительность и связывает все эти «черты ландшафта» между собой крепкой причинной обратимой связью».
Но вот что чрезвычайно важно: роль того или иного элемента в ландшафте зависит не от его общего содержания в горных породах и почвах, а от его способности в данных условиях переходить в воды и поглощаться организмами, или, как говорят, от его миграционной способности.
Так, например, во всех горных породах содержится много кремния, входящего в состав кварца, полевых шпатов, слюд. Однако, как правило, кремний мало подвижен, его соединения cлабо растворимы, они содержатся в небольших количествах в водах, а следовательно, и в организмах. Поэтому влияние кремния на ландшафт в большинстве природных зон не велико, во всяком случае намного меньше, чем кальция, натрия, серы, хлора, содержание которых в горных породах значительно ниже. А вот во влажных тропиках выветривание горных пород протекает настолько интенсивно, что и кремний уже в больших количествах поступает в природные воды. Поэтому там и растения содержат много кремнезема и в целом в ландшафте роль кремния резко возрастает — он становится типоморфным элементом.
Теперь мы можем четко сформулировать второй важный закон геохимии ландшафта: особенности ландшафта определяются теми элементами, которые в данных условиях подвижны, способны давать, газообразные или растворимые соединения и которые вместе с тем могут накапливаться в ландшафте. Элементы малоподвижные, не образующие растворимых или газообразных соединений, не накапливающиеся в ландшафте, оказывают на него сравнительно малое влияние, даже если они преобладают по массе.
Но для того чтобы атомы могли быть подвижными, для того чтобы осуществлялся их биологический круговорот, необходима вода. Вода — это «кровь ландшафта». Где вода — там и жизнь. Особенно убедительно об этом свидетельствует сравнение: пустыня — оазис.
ПУСТЫНЯ И ОАЗИС
Само название пустыни говорит о наиболее характерной черте этого ландшафта — бедной, разрозненной растительности. Иначе говоря, продукция живого вещества в пустыне невелика, биологический круговорот атомов в ней слабый.
В отличие от других ландшафтов со слабым круговоротом (например, тундры) здесь он осуществляется быстро, т. е. мертвые остатки растений и животных быстро разлагаются. Поэтому почвы пустынь светлые и содержат мало гумуса. А так как в пустыне выпадает мало осадков, то труднорастворимые соли, например, углекислый кальций (СаСО3), из почв не вымываются и они богаты такими важными для растений элементами, как фосфор, кальций, калий, магний.
И все-таки, несмотря на обилие тепла и света, необходимых для фотосинтеза, несмотря на плодородие почв, биологический круговорот атомов в пустыне очень ослаблен, большая часть пустынной зоны — лишь пастбища для овец и верблюдов. Основная причина этого в недостатке воды. Вода здесь делает чудеса, создавая контрасты, всегда изумляющие путешественников.
Однажды со своими товарищами по работе я пересекал на автомашине щебнистую пустыню: буровато-желтую плоскую равнину, усеянную щебенкой песчаников да жалкими серыми кустиками полыни. Час, другой, третий тянулся этот однообразный ландшафт. Нами овладела апатия, внимание утомилось, мы уже «клевали носом», несмотря на немилосердные толчки нашего ГАЗ-67.
Вдруг кто-то закричал: «Смотрите! Смотрите!»
Машина все еще тряслась по щебнистой равнине, которая слева тянулась до линии горизонта; справа же показался глубокий обрыв, а внизу, в долине небольшой реки, раскинулись хлопковые поля, искрились под солнцем арыки, по краям которых росли тутовые деревья. Там и тут виднелись урючные сады, а в их тени — глинобитные домики с плоскими крышами; по дороге сновал народ, ехали арбы, на полях пестрели яркие одежды колхозников.
А за долиной в пыльной дымке виднелся противоположный обрыв, от которого дальше, до горизонта снова простиралась выжженная солнцем щебнистая пустыня.
Такова картина оазиса в пустыне. Вода вызывает огромное усиление и ускорение биологического круговорота атомов: продукция растительности возрастает в десятки и сотни раз, происходит подлинный «взрыв» микробиологических процессов в почве, в связи с чем остатки организмов быстро разлагаются и дают пищу новым поколениям.
Пески и солончаки в центре Ферганской долины
Вода в пустыне делает чудеса
Орошение, полностью обеспечивая растения водой, тем самым позволяет использовать богатые природные ресурсы пустынь: тепло, свет, плодородие почв. Хлопок, джут, виноград, дыни, рис и многие другие культуры дают высокие и устойчивые урожаи в оазисах.
Орошение пустынь сыграло выдающуюся роль в истории человечества. Именно на орошаемых землях возникли многие государства Востока, достигшие высоких ступеней культуры: Египет, Хорезм, Вавилония. Свыше тысячи лет существуют некоторые оазисы в нашей стране (например, в долине Зеравшана) и они по-прежнему поражают нас плодородием своей земли.
За годы советской власти намного выросли площади орошаемых земель в Средней Азии и Закавказье. В шестой пятилетке будут построены новые плотины и каналы, орошены новые сотни тысяч гектаров пустынных земель (Каракумский канал, Кайрак-Кумская плотина на Сыр-Дарье около Ленинабада и другие).
Но значит ли это, что орошение решает все вопросы освоения пустынь? Что, насытив там землю водой, мы достигаем предела продуктивности ландшафта?
Нет, не значит. Даже и здесь, на этих сказочно-плодородных почвах, можно собирать еще более высокие урожаи, если использовать минеральные удобрения. Почвы оазисов наименее обеспечены азотом, и поэтому применение азотных удобрений позволяет резко поднять урожайность, особенно такой культуры, как хлопок. Применяют там и другие удобрения.
ЧТО ЗНАЧАТ 0,00007 ПРОЦЕНТА
Много лет назад, работая в горах Таджикистана, я попал в кишлак, часть жителей которого имела зоб. По словам старика, прожившего всю жизнь в этом кишлаке, недуг одолевал там человека постепенно. Дети рождались здоровыми, и лишь через несколько лет у них на шее появлялась небольшая припухлость, которая к зрелому возрасту заболевшего достигала размера головы ребенка. Откуда приходит это заболевание, старик не знал, он только заметил, что зоб не причиняет особенных беспокойств и жители кишлака не чувствуют себя больными.
— А нельзя ли полностью вырезать зоб? Вероятно, операция не будет особенно сложной,— спросил один из моих спутников по экспедиции.
Этот вопрос напомнил мне о последствиях такой операции, описанных В. В. Вересаевым в нашумевшей в свое время, книге «Записки врача». Вот, что сообщил там писатель, в молодости сам работавший врачом.
«Среди жителей многих гористых местностей распространена своеобразная болезнь — зоб, заключающаяся в опухании лежащей над нижней частью горла щитовидной железы. В числе различных способов лечения зоба было, между прочим, предложено полное удаление всей щитовидной железы. Результаты этой операции оказались очень хорошими, больные выписывались здоровыми, лишение щитовидной железы (назначение которой совершенно неизвестно), по-видимому, не вызывало никаких вредных последствий. Но вот в 1883 году бернский профессор Кохер опубликовал статью, где сообщил следующее. Он произвел тридцать четыре полных иссечения зоба и был очень доволен результатами; но однажды один его знакомый врач рассказал ему, что он пользует девушку, которой девять лет назад Кохер вырезал зоб; врач этот рекомендовал Кохеру посмотреть больную теперь. И вот что увидел Кохер. У больной была младшая сестра, девять лет назад обе они были так похожи друг на друга, что их часто принимали одну за другую. «За девять эти лет,— рассказывает Кохер,— младшая сестра превратилась в цветущую, хорошенькую девушку, оперированная же осталась маленькой и являет отвратительный вид полуидиотки». Тогда Кохер решил навести справки о судьбе всех оперированных им зобатых. Все 28 человек, у которых было сделано лишь частичное вырезывание щитовидной железы, были найдены совершенно здоровыми; из восемнадцати же человек, у которых была вырезана вся железа, здоровыми оказались только двое; остальные представляли своеобразный комплекс симптомов, который Кохер характеризует следующим образом: «задержание роста, большая голова, шишковатый нос, толстые губы, неуклюжее тело, неповоротливость мысли и языка при сильной мускулатуре — все это с несомненностью указывает на близкое родство описываемого страдания с идиотизмом и кретинизмом». Между тем некоторым из оперированных зоб доставлял очень незначительные неудобства и операция была предпринята почти лишь с косметической целью, а результат — идиотизм…»
С тех пор как Вересаев написал свою книгу, прошло более полустолетия. Проблема зоба теперь в основном уже разрешена. В частности, давно установлено, что щитовидная железа, разрастание которой представляет собой зоб, выделяет в кровь секрет (гормон) — тироксин. Если этот секрет поступает в уменьшенном или в увеличенном количестве, то человек заболевает тяжелыми расстройствами. Химики установили, что в состав тироксина входит химический элемент иод. В организме взрослого человека весом 70 кг содержится около 50 мг иода, т. е. всего 0,00007%, из которых немногим меньше двух третей приходится на щитовидную железу.
После этого начались исследования возможных путей поступления иода в организм, и сразу же обнаружилось, что в районах, пораженных зобом, содержание иода в воздухе, воде и пище ниже, чем в районах, где эта болезнь неизвестна.
Но почему в одних местностях иода содержится больше, чем в других? Откуда иод попадает в воду, пищу, воздух? Каково содержание иода в природе?
На помощь врачам в решении всех этих сложных вопросов пришли геохимики. Они выяснили, что иод — очень редкий элемент: в твердой земной коре его содержится всего 0,00003 %. Вместе с тем иод «вездесущ», хотя и в ничтожных количествах, но он обнаруживается всюду: в воздухе, в морской воде, в почве, в растениях, в воде рек и озер. Геохимики нашли и главный источник иода. Им оказался океан, а переносчиком иода с океана на сушу — ветры. Они приносят сравнительно богатый иодом морской воздух на материк. С дождевой водой иод попадает в почву, в грунтовые воды, в реки, из почвы и воды — в растения, из воды и растений — в тело животных.
Но некоторые высокие горные хребты преграждают морским ветрам путь в горные долины. Туда поступает ВОЗДУХ, почти не содержащий иода. Поэтому и почва в горных районах бедна иодом, а следовательно, бедны иодом и местные продукты питания как растительного, так и животного происхождения. Речные воды в горах бедны иодом также и потому, что они образуются за счет таяния ледников.
Тут и разгадка происхождения зоба: в районах его распространения население получало мало иода с пищей, водой и воздухом. Точными опытами установлено, что в ландшафтах, где не встречается зоб, суточное потребление иода человеком в пять — десять раз больше, чем в ландшафтах, где зоб развит широко. В этих районах организм «борется» с недостатком иода увеличением щитовидной железы, которая, разрастаясь до размеров зоба, может производить больше тироксина.
Совместная работа геохимиков и врачей позволяет успешно бороться с зобом. С этой целью населению продается поваренная соль (NaCl), содержащая небольшую примесь (0,001%) йодистого калия (KJ) или йодистого натрия (NaJ). На вкусе, цвете, запахе соли такая прибавка совершенно не отражается.
Эти меры борьбы оказались столь эффективными, что заболевание зобом было практически ликвидировано.
Низкий уровень иода в ландшафте сказывается также и на здоровье домашних животных. В некоторых районах развития зоба наблюдались болезни домашнего скота: молодняк рождался слабым, у овец была низка продукция шерсти, новорожденные поросята не имели щетины. Добавление иода к кормам ликвидировало эти болезненные явления.
Ученые детально изучили географию зоба. Оказалось, что заболевание это связано не только с расстоянием от моря, но и с характером источников водоснабжения. Так, глубокие артезианские воды содержат значительное количество иода, и поэтому в населенных пунктах, получающих питьевую воду из глубоких скважин, не наблюдается зоба. Большое значение имеет и состав продуктов питания. Например, установлено, что мясо морской рыбы содержит значительно больше иода, чем мясо пресноводной рыбы; особенно высоко содержание иода в печени рыбы.
Вот мы и познакомились еще с одним случаем, когда геохимические методы позволяют более полно охарактеризовать ландшафт, дать ему санитарно-гигиеническую оценку, объяснить причины заболеваний людей и домашних животных, наметить пути борьбы с этими заболеваниями.