Значение работ Ю. Либиха для биогеохимии трудно переоценить. Он наметил пути экспериментального изучения биогеохимических циклов большей части химических элементов, перевел проблему взаимодействия живых организмов и минеральной природы из области философских построений в плоскость конкретных научных исследований и практической деятельности. После его работ биологический круговорот химических элементов приобрел осязаемую реальность. Либих показал, как человек может им управлять, искусственно вводя в миграционные циклы дополнительные массы элементов. В его знаменитой книге «Химия в приложении к земледелию и физиологии растений», изданной в Германии в 1840 г., впервые была предпринята попытка рассмотреть судьбу народов и стран в связи с нарушением естественного массообмена отдельных химических элементов. Аналитическое мастерство, широкая эрудиция, научная целеустремленность покоряют и современного читателя его трудов.
В 80-х гг. XIX в. в России возникло генетическое почвоведение. Его основатель – яркий и оригинальный ученый, профессор Петербургского университета В.В. Докучаев рассматривал образование (генезис) почвы как результат взаимодействия многих факторов-почвообразователей: почвообразующей горной породы, растений и животных, климатических условий, форм рельефа, грунтовых вод.
Учение В.В. Докучаева углубило и конкретизировало представления великих химиков о деятельности живых организмов на примере широко распространенного природного образования – почвенного покрова суши. Одновременно впервые было показано неразрывное единство живых организмов с другими компонентами природной системы и невозможность существования этой системы без явлений жизни.
Таковы основные вехи развития научной мысли о планетарном значении жизнедеятельности организмов и их тесной взаимосвязи с неживым веществом окружающей среды. Многочисленные, но разрозненные и трудно сопоставимые факты и гипотезы нуждались в обобщении на новой методологической основе. Эту основу предоставила геохимия.
Согласно принципам этой науки, любой объект можно охарактеризовать соотношением образующих его атомов химических элементов. Геохимический подход позволяет сопоставлять и сравнивать самые различные природные тела и процессы. В частности, определив средний суммарный состав живых организмов Земли и сопоставив его со средним составом земной коры, можно оценить направленность геохимической деятельности живого вещества во времени. Определив массы химических элементов, ежегодно захватываемых приростом растительности Мировой суши, и массы этих же элементов, выносимых с годовым стоком всех рек, можно получить представление о значимости каждого из планетарных процессов. Геохимический подход дает возможность объективно, на строго научной основе оценить планетарный эффект деятельности живого вещества или отдельных групп живых организмов.
Развитие геохимии в разных странах шло различными путями. В США было положено начало статистическому изучению распределения химических элементов. Химик геологической службы США Ф.У. Кларк с целью установления средних значений концентрации десяти главных химических элементов в основных типах горных пород, природных водах и других объектах в 80-х гг. XIX в. приступил к обобщению имевшихся аналитических данных. С 1889 г. по 1924 г. он несколько раз публиковал все более обоснованные сведения о среднем содержании химических элементов. Книга Ф. Кларка «TheDateofGeochemistry» явилась первым объективным обоснованием закономерностей распределения главных химических элементов в земной коре.
В Европе геохимия складывалась на базе минералогии – науки о природных химических соединениях и процессах их образования. По этой причине главное внимание уделялось процессам, определявшим распределение химических элементов.
В Норвегии при университете в Осло сложилась сильная научная школа минералогов и химиков, представители которой изучали распределение и соотношение элементов в связи с физико-химическими процессами рудо- и породообразования. В недрах этой научной школы сформировался как ученый выдающийся геохимик В.М. Гольдшмидт. Он разработал учение о глобальных закономерностях распределения химических элементов в зависимости от строения их атомов и ионов.
В России становление геохимии происходило на кафедре минералогии Московского университета. Возглавлявший кафедру В.И. Вернадский читал оригинальный курс генетической минералогии, где внимание акцентировалось не только на внешних свойствах и признаках минералов, что было свойственно классической описательной минералогии, но и на динамике их образования. Проблемы истории образования минералов привели В.И. Вернадского к изучению природных процессов на атомном уровне. В дальнейшем он разработал основополагающие положения геохимии о миграции химических элементов, о значении изоморфизма для распределения элементов в земной коре, о формах нахождения элементов и явлении их рассеяния.
Перечисленные направления геохимии сыграли важную роль в формировании биогеохимии.
3. В.И. Вернадский и создание биогеохимии
В.И. Вернадский – одна из наиболее выдающихся личностей в истории науки XX в. Его разносторонняя деятельность оставила глубокий след в истории отечественной науки. Он является основателем нескольких крупных научных направлений в современном естествознании. Вершина его научного творчества – создание учения о живом веществе, его планетарной геохимической роли и уникальной оболочке Земли, порожденной живым веществом, – биосфере.
В.И. Вернадский получил высшее образование на естественном отделении физико-математического факультета Петербургского университета в 1881–1885 гг. В эти годы в столичном университете был представлен цвет российской науки. Наибольшее впечатление на юного студента произвел В.В. Докучаев. В 1904 г. В.И. Вернадский писал о своем учителе: «Это была крупная своеобразная фигура, резко выделявшаяся на фоне бледной русской общественности; и всякий, кто с ним сталкивался, чувствовал влияние и осознавал силу его своеобразной индивидуальности. В истории естествознания России в течение XIX в. немного найдется людей, которые могли бы быть поставлены наряду с ним по влиянию, какое они оказывали на ход научной работы, по глубине и оригинальности их обобщающей идеи».
Идеи В.В. Докучаева о всеобщей взаимосвязи компонентов природы и живых организмах как неотъемлемой составной части почвы и одновременно важнейшем факторе ее образования явились отправной научно-философской основой, на которой сформировались разработанные В.И. Вернадским генетическая минералогия и геохимия, а затем биогеохимия и учение о биосфере.
Концепция живого вещества создавалась на рубеже XIX–XX вв. В.И. Вернадский указывал, что биогеохимические проблемы начали его интересовать с 1891 г., когда он приступил к работе над созданием курса генетической минералогии в Московском университете. Но можно предполагать, что мысли о направленном воздействии живых организмов на неживую природу возникли еще раньше под влиянием лекций Докучаева о факторах почвообразования.
С 1916 г. В.И. Вернадский начинает многолетнюю работу по созданию «науки о жизни». Прежде всего, необходимо было разработать подход к объективной оценке живого вещества и эффекта его деятельности. Пути решения этой совершенно новой задачи Вернадский наметил в 1918–1919 гг., когда под его руководством проводились первые биогеохимические исследования на Украине, где он возглавлял только что организованную Украинскую академию наук. В начале 20-х гг. он излагает свои идеи в докладах в Петрограде, Праге, а затем в курсе лекций, прочитанных в Сорбонне. В.И. Вернадский считал: «…чтобы правильно оценить геохимическое значение живого вещества, мы должны знать для этого, во-первых, средний элементарный химический состав всех организмов, живого вещества и, во-вторых, выразить его количественно, знать вес живого вещества. Этот состав и этот вес мы должны связать с весом и составом среды, в которой земное вещество находится».
В результате настойчивых усилий В.И. Вернадского в 1928 г. была создана Биогеохимическая лаборатория АН СССР, которую он возглавлял до конца своих дней. К сожалению, по причине малочисленности сотрудников лаборатории и недостаточности средств экспериментальные исследования были ограничены определением содержания химических элементов в разных организмах. Большая и весьма трудоемкая работа по определению масс живых организмов осталась неосуществленной. Эта работа была широко развернута после смерти В.И. Вернадского во второй половине XX в. экологами, почвоведами, океанологами. Полученные данные о динамике живого вещества полностью подтвердили мысли В.И. Вернадского о биогеохимических циклах миграции химических элементов как основе существования биосферы.
В.И. Вернадский был убежден в перспективности биогеохимических исследований не только для познания фундаментальных законов жизни, но и для решения конкретных производственных задач. Для оказания практической помощи народному хозяйству он настойчиво добивался постановки биогеохимических исследований на различных производственных объектах. Его предложения не вызвали интереса у руководителей сельского хозяйства страны, но получили поддержку геологической службы. По инициативе Вернадского в середине 30-х гг. XX в. была начата работа по созданию биогеохимического метода поисков месторождений руд.