ЭВОЛЮЦИОННАЯ ТЕОРИЯ В НАУКЕ О СНЕЖНОМ ПОКРОВЕ

Исходные положения концепции

В настоящем сообщении эволюция снежного покрова рассматривается на основе его трактовки как иерархически организованной системы дискретных кристаллических пространств, в понимании В.И. Вернадского [2]. В основе этой системы лежит основное структурное качество снега – формы растущих кристаллов, которые находятся в тесном взаимном влиянии и одновременно испытывают регулирующее воздействие извне, прежде всего со сто­роны атмосферы. Снежный покров представлен как природное сообщество разнокачественных индивидов – кристал­лических форм. Такой подход позволяет провести анализ  структуры и метаморфизма снега с помощью  методов кристалломорфологии и на основе фундаментальных законов природной симметрии, которые широко используются в генетической минералогии и минералогической кристаллографии [4, 5, 10, 11, 15].

В свете известного принципа симметрии–диссимметрии Пьера Кюри [10, 14] развитие структуры снега представляет собой необратимый во времени процесс, который состоит из последовательных этапов суперпозиции (взаимного наложения) кристаллохимической (гексагональной) симметрии льда как минерала (генотипа) и диссимметрии векторного гидротермического поля снежной толщи, а также поля релаксации в ней механических напряжений. В результате формируется множество реальных (вынужденных, ложных – тригональных, ромбических, моноклинных и триклинных) кристаллических форм (фенотипов) как способа приспособления растущих кристаллов к условиям среды (cм. далее рис. 2). Огромное значение принципу Кюри в возникновении и эволюции живого вещества биосферы  придавал В.И. Вернадский [3].

Проблемы развития наиболее полно разработаны в биологических науках, поэтому  при интерпретации полученных результатов использованы достижения эволюционной биологии [8, 9, 12, 13], которые уже нашли воплощение в кристаллографии и генетической минералогии [5, 10, 11, 15 и др.]. Известно, что «… явления зарождения и роста кристаллов по своему многообразию могут быть поставлены в сравнение только с явлениями настоящей жизни» [14, с. 7].  Речь идет о таких  процессах, как рост и регуляция, саморазвитие и самовоспроизведение, борьба за источники питания и естественный отбор.

Детерминированная модель сублимационно-метаморфического цикла снега

На основе многолетних стационарных наблюдений, проведенных автором в средней тайге Западной Сибири, а затем в горной тайге Нижнего Приамурья и в высокогорье Центрального Кавказа (Приэльбрусье), установлено [7], что время (возраст снежного горизонта) является главным фактором, по которому необходимо рассматриваться закономерности и результаты  ме­таморфизма снега. Основной эволюционной единицей снежного покрова является генетически единый снежный горизонт (СГ) как элементарное саморазвивающееся сообщество кристаллов различной формы. Эволюция каждого горизонта есть направленный процесс возникновения и исчезновения последовательно сменяющих друг друга кристаллических форм при энерге­тическом воздействии окружающей снег среды как необходимом условии этой эволюции. Истоки эволюции СГ сосредоточены в системах кристалл–пар и кристалл–кристалл.

Автором разработана эмпирическая детерминированная модель, описывающая эволюционный незамкнутый сублимационно-метаморфический цик­л сезонного снежного покрова и региональные (полиморфные) варианты этого цикла. Цикл состоит из трех периодов метаморфизма (рис. 1): I – деструктивного (подготовительного), II – конструктивного (восходящего, экспоненциального) и III – регрессивного (нисходящего, асимптотического). В течение первого периода идет процесс, аналогичный выветриванию горных пород, и первично идиоморфные (атмосферные) кристалл превращаются в ксеноморфные (округленные) частицы. Степень перекристаллизации снега (развитие глубинной изморози) определяется конструктивным метаморфизмом, который занимает в континен­тальных районах большую часть зимы.  На начальных стадиях гранного роста (II₁ и II₂) кристаллы имеют ещё сравнительно малые размены (средний радиус от 0,3–0,5 до 0,8–1,0 мм), поэтому преобладает тенденция и простоте и совершенству формы, с их гексагональной симметрией (рис. 2 а, б) – по принципу Гиббса-Кюри-Вульфа [12]. Кристаллы образуют сравнительно однородные классы форм, подчиняющиеся законам нормального распределения.

Появление и развитие скелетных кристаллов (ажурных, пустотелых, огрубленно-ступенчатых) – первый качественный скачок в метаморфическом цикле

Рис. 1. Принципиальная схема сублимационно-метаморфического цикла сухого снега в его полиморфных вариантах: 1 – переходы основный (элементарной) цепи преобразований форм кристаллов и снежных горизонтов; 2 – переходы возрастного усложнения структуры горизонтов и смещения их с  одного варианта (программы) метаморфизма на другую.

(стадии II₃ и II₄, см. рис. 1). Преобладающей стано­вится приспособительная тенденция роста (по принципу мак­симальной скорости завершения процесса кристаллизации), кото­рая дает большое разнообразие скелетных форм. Развиваются  «… структуры, растущие в условиях «погони» за веществом в ущерб заполнению пространства» [15, с. 27]. Скорость метамор­физма резко возрастает. Кристаллы достигают в среднем ради­усе 2,0–3,5 мм. Благодаря структурному отбору [7], гранные формы интенсивно превращаются в полускелетные, а затем и скелетные.

Этот процесс обусловлен адаптацией кристаллов к диссимметричной среде, обеспечивающей их дальнейший рост  в соответствии с принципом Кюри. Вслед за пирамидальными усложнения на гранях кристаллов (рис. 2, в) возникают и расширяются незамкнутые полости (каверны, рис. 2 г, д), что означает постепенное  вхождение парообразной  среды  в  состав  кристаллов [11]. Одновременно  идет   массовое  снижение их реальной симметрии, вплоть до моноклинной планальной (рис. 2 е, ж) и триклинной примитивной (рис. 2 и, к). Со-

Рис. 2. Некоторые формы роста и разрушения снежных     кристаллов,   характеризующие    приоды  и стадии сублимационно-метаморфического цикла  в  снежснежной  толще.  Объяснения в тексте.

ответственно идет увеличение процентного содержания  этих форм по всем СГ, хотя и с разной скоростью. Все это характеризует «углубление специализации» индивидов, по терминологии [9], т.е. повышение избирательности точек их дальнейшего роста (от гранного роста к реберному).

Сублимационно-метаморфический цикл в своих главных чертах является инвариантным и характеризует процесс саморазвития снежного покрова, которое можно выразить известной логистической (сигмоидальной) кривой. Инвариантность метаморфического цикла выражена стадийной сменой классов форм кристаллов. Типы же форм в пределах каждого класса характеризуют различные варианты этого цикла, обусловленные регулирующим внешним воздействием – гидротермическим режимом всей системы почва–снег–воздух. Выделено три варианта развития (см. рис. 1): столбчатый, плоский и смешанный. Первый вариант имеет цепь смены кристаллических форм I₁ → I₂ →II₁ → II₂^С→II₃^С → II₄^С. Он свойствен районам с умеренно континен­тальными и мягкими зимами, однако при достаточно  быстром нарастании снега может развиваться в нижних и средних горизонтах и при суровых зимах. Второму, плоскому, варианту скелетного роста свойственна стадийная последовательность:  I₁ → II₁ → II₃^П→ II₄^П. Отсутствуют полиэдрическая и гранная столб­чатая стадии существенно ускоряет процесс «созревания» глубинной изморози. Плоские скелетные кристаллы образуются в результате роста низ­ких ступеней на базисной плоскости или косого их наращивания. Призмы и пирамиды приобретают вид косых многогранников (рис. 2, е, ж). Такие кристаллы развиваются преимущественно в верхних горизонтах, с их нестационарным температурным полем, однако в резко континентальных районах могут охватывать всю снежную толщу. Столбчатый и плоский варианты (программы) перекристаллизации снега – это проявление адаптационного полиморфизма эволюционных процессов, по терминологии [9]. Скелетные кристаллы во многих случаях  являются формами «ступенчатой, или криволинейной сим­метрии» (см. рис. 2 ж, л), или гомологии, которая широко распро­странена среди живых организмов [12].

Регрессивный метаморфизм как заключительный этап сублимационно-метаморфического цикла есть «движение» кристаллических индивидов и снежных горизонтов вспять,  по линии упро­щения их структуры и приближения к состоянию с наибольшей энтро­пией. Это второй качественный скачок в метаморфическом цикле. Появляются секториальные выросты по ребрам кристаллов,  затем последние  расщепляются  и распадаются на отдельные чешуйчатые пластинки (рис. 2 л, м). Постепенно пластинки также исчезают, и горизонт переходит в стадию сублимационной фирнизации. Снег становится мучнистым и состоит исключительно из мельчайших зернистых частиц. Этот процесс может быть назван «старением» снега. Наступает состояние, аналогичное гиперморфозу живых организмов – переразвитию индивидуума, которое свойственно очень быстрой эволюции [15], что и наблюдается обычно в припочвенных слоях снега (см. рис. 3 а).  На протяжении секториальной  и пластинчатой стадий средний радиус частиц уменьшается до 1,2–0,8 мм. Состав форм в горизонте резко обедняется (исчезают многие скелетные и гранные формы). В ко­нечных индивидах  уже не остается следов и приближенной ­симметрии, полностью преодоленной асимметрией неупо­рядоченной среды.

Регрессивный метаморфизм вызван, по-видимому, двумя причинами. Во-первых, приспособление растущего крис­талла к среде и специализация его механизмов роста достигают своего предела и оказываются в неразрешимом противоречии с его внутренним стремлением к совершенству формы. В конце концов кристалл теряет свою индивидуальность как целостное образование: «… при максимальной специализации организм идет навстречу вымиранию» [13, с. 404], поскольку более специализированные формы менее адаптированы к изменениям во внешней среде [8]. Во-вторых, в нижних горизонтах при возрастающей нагрузке вышележащими слоями снега развиваются хрупкие деформации кристаллов – одна из причин старения и разрушения минеральных индивидов. Аналогичное процессы подмечены в мире минералов. «Химические и физические изменения минерала, способные привести его к полному уничтожению, – вот что старит минерал и подводит его к гибели»  [5, с. 165–166].

Модели авторегуляции метаморфизма в снежных горизонтах

Эволюция снежного покрова имеет не только однозначно детерминированные, но и вероятностные закономерности, что выражено наличием в нем  процессов  авторегуляции  метаморфизма. Известный постулат эволюционной биологии гласит: «Всякое развитие есть по меньшей мере авторегуляция» [12, с. 45]. Различаются два типа регулирования динамики СГ: 1) саморегуляцию («движение» горизонтов по одной из начально «заданных» метеоусловиями зимы программ развития и последующее возрастное наращивание их структуры); 2) регулирование их извне под влиянием атмосферных возмущений (потеплений или похолоданий, снегопадов, метелевых явлений и др.). В основе саморегуляции лежит стадийное развитие кристаллических форм при  внутренних взаимодействиях в СГ (см. выше). Внешние же сигналы переводят снежный горизонт с одной программы развития на другую и тем самым не только ускоряют или, наоборот, замедляют общую скорость метаморфизма, но и приводят нередко к иным структурным результатам, чем «задавалось» вначале. Первое явление есть направленный и упорядоченный во вре­мени эволюционный процесс, второе – процесс регулирующий, ненап­равленный и неупорядоченный во времени.

Механизмы авторегуляции снежных горизонтов выявляются  при расчетах их структурных изменений, произошедших в течение месячного периода (шага). Такие переходы носят принципиально вероятностный характер, что обусловлено неравномерностью роста  различных кристаллов одного и того же возраста. Процессы авторегуляции метаморфизма СГ вскрываются с помощью матриц и графов вероятностей переходов [7] одних кристаллических классов и типов в другие на протяжении данной серии временны́х шагов (рис. 3)

Процесс саморегуляции  наблюдается при длительном сохранении начальной программы метаморфизма. В нижних слоях снега сообщество кристаллов на цепь преобразований по столбчатому  алгоритму  (см. рис. 1),  нередко достигая протяжении одного–двух первых шагов (месяцев) проходит практически всю уже ко второму шагу фазы с преобладанием II₃ и II₄ форм (см. рис. 3 а). «Центр тяжести»  переходов сосредоточен на скелетных индивидах. Дальнейшие преобразования СГ связаны с возрастным наращиванием классов форм кристаллов, процесс которого носит колебательный, циклический характер.

Рис. 3. Стохастические структурные модели авторегуляции сублимационного метаморфизма в горизонтах снежной толщи.

Модели саморегуляции (саморазвития): а – полная столбчатая программа; b – неполная плоская программа.     Модели регуляции метаморфизма извне:  c  – полигенетическая программа с одним необратимым возмущением, переходом  от плоского алгоритма к столбчатому; d  – полигенетическая программа с одновременным плоским и столбчатым ростом кристаллов.  Вероятности (частоты) переходов одних классов форм в другие: 1 – 0.01–0.25; 2 – 0.26–0.50; 3 – 0.51–0.75; 4 – 0.76–1.00. 1 шаг ≈ 25–35 дней. Остальные обозначения см. на рис. 1.

Каждый цикл начинается с разрыва элементарной цепи после стадий гранных призм или между ними.  В процессе интенсивного скелетного роста исчерпываются все наиболее развитые гранные кристаллы. Наступает «дефицит эволюционного материала» (цит. по [9]), подготовленного для перехода в новую стадию, что вызывает разрыв цепи. Дефицит нейтрализуется за счет  появления и развития новой (второй) возрастной генерации кристаллических сообществ, начиная с плоских гранных призм, частично замещающих скелетные и пластинчатые формы (второй и четвертый шаги на рис.  3 а). Это и есть стабилизирующий отбор. «Волна» дефицита кристаллов в каждом цикле проходит по всей элементарной цепи, вызывая серию соответствующих реакций в каждом ее звене. Цикл заканчивается восстановлением цепи и возобновлением интенсивного скелетного роста (третий и пятый шаги на рис. 3 а). При каждом цикле наращивания форм кристаллов горизонт как бы возвращается к начальным этапам конструктивного метаморфизма. Идет периодическое «омоложение» кристаллических сообществ в СГ, обусловленное исключительно его саморазвитием.

Таким образом, воз­растное усложнение структуры горизонта есть форма его саморегулирования, направленного на стабилизацию структуры в пределах прогрессивного развития, к полному или временному предотвращению наступ­ления регрессивного метаморфизма, ведущего к уничтожению скелетных частиц как наиболее высокоорганизованных.

Регуляция метаморфизма снега извне осуществляется атмосферными сигналами, которые  вызывают перестройку текущей программы преобразований снежного горизонта, с плоской на столбчатую или  –  наоборот. Идет непрерывный процесс адаптации  развивающегося кристаллического сообщества к изменчивой окружающей среде (адаптивный отбор).

Наиболее частый тип возмущений свойствен слоям, которые долго находились вблизи снежной поверхности и испытывали сильное выхолаживание и резкие колебания температуры, а затем были погребены под новыми слоями снега и оказались в более умеренных термических условиях. Аналогичный эффект может дать длительное устойчивое потепление. В нашем примере такое воздействие фиксируется на втором шаге переходов (см. рис. 3 в). Резкое возмущение  начального алгоритма вызывает распад и последующее исчезновение плоской цепи развития. «Центр тяжести» переходов смещается на гранные столбчатые призмы, которые уже обнаруживают признаки скелетизации.

     В верхних горизонтах нередко реализуются смешанные варианты метаморфизма с одновременным развитием как плоских, так и столбчатых форм кристаллов. Плоская цепь переходов обычно  опережает столбчатую (первый шаг на рис. 5 г). В дальнейшем при достижении и  столбчатыми кристаллами скелетной стадии роста обе цепи смыкаются. Пульсирующие «волны» дефицита гранных частиц, готовых к скелетизации, проходит поочередно по каждой цепи, вызывая соответствующее ослабления и усиления частот переходов. При общем повышении температуры в конце зимы плоская цепь обычно распадается и «центр тяжести» переходов смещается на столбчатую ветвь.

Обсуждение результатов

Как известно, «краеугольным камнем» дарвинизма является положение о том, что «… направление эволюции  определяется не прямым влиянием внешних условий, а сложными противоречиями, разрешающимися в процессе естественного отбора, т.е. взаимодействиями между особями внутри популяции, между популяциями, а также с абиотической средой» [6, с.42]. То же самое можно сказать и об эволюционных процессах в толще снега. Скелетные индивиды возникают как результат внутренних взаимодействий – постоянного разрешении противоречия между стремлением растущего кристалла к созданию совершенной постройки, с одной стороны, и условиями окружающей его среды, к которым он вынужден приспосабливаться в процессе своего роста, – с другой [10]. Это придает сублимационному метаморфизму снега определенные черты независимости – инвариантности. «Независимость – это такое же фундамен­тальное явление природы, как наличие взаимозависимости» [1, с. 10). Внешняя среда играет роль стрелочного механизма, переключающего траекторию метаморфического цикла снега на ту или иную  программу (вариант) развития.      Адапта­ция –  не главная движущая сила эволюции, а только регулирующий механизм процессов саморазвития, лежащих в основе всякой эволюции [12].

Описанные колебательные процессы, происходящие в толще снега, по своей форме напоминают известные в эволюционной биологии популяционные волны, или «волны жизни», которые «… являются поставщиками эволюционного материала [в нашем случае –  новой возрастной генерации кристаллов – Э.К.] под действие относительно интенсивного отбора» [9, с. 70]. Такие «волны» способствуют продлению периода конструктивного метаморфизма в снежном горизонте путем периодического наращивания его структуры. Возрастное увеличение разнообразия форм в сообществе обусловлено фактором «эволюционного времени» [8], поэтому «… зная направление отбора, изучая закономерности эволюции …, мы можем с той или иной степени точности предсказать направление эволюции данной группы» [10, с. 199]. В этом вся суть развиваемой нами идеологии прогнозного направления в структурном снеговедении.

«Закономерности эволюции определяются взаимодействием сил внут­ри данной системы; … организация системы с ее внутренними силами вводит массовые случайные явления в русло закономерных, строго на­правленных процессов. Это положение получило огромное значение в современной физике» [12, с. 85] и оно, несомненно, должно найти достойное место в теории снеговедения.

Таким образом, развитие снежных структур по своей форме подчинено тем же фундаментальным закономерностям, которые свойст­венны биосистемам. Это открывает широкие перспективы использования основных положений теории эволюции, разработанных биологическими науками и уже нашедших эффективное применение в генетической минералогии, при изучении структуры и метаморфизма снежного покрова.

Заключение

Проявление всеобщего закона эволюции как процесса саморазвития географических систем убедительно показали В.М. Дэвис и Л. Кинг в геоморфологических циклах эрозии и развития рельефа, В.В. Докучаев в процессах почвообразования, А.Е. Ферсман – в генезисе минералов, Б.Б. Полынов – в стадийности выветривания горных пород, наконец,  В.Н. Сукачев  – в сукцессионной динамике  биогео­ценозов. Этот же закон отчетливо проявляется и в сублимационно-метаморфических преобразованиях  сезонного снежного покрова.

Список литературы

1. Берг Р.Л., Ляпунов А.А. Предисловие к книге И.И. Шмальгаузена «Кибернетические вопросы биологии».  Новосибирск: Наука, 1968. – С. 5–13.

2. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения.  М.: Наука, 1965. – 374 с.

3. Вернадский В.И. Живое вещество и биосфера.  М.: Наука, 1994.– 671 с.
4. Григорьев Д.П. Онтогения минералов. Львов: Изд-во Львовск. ун-та, 1961. – 284 с.

5. Жабин А. Г. Жизнь минералов. М.: Сов. Россия, 1976. –  221 с.
6. Завадский К.М., Георгиевкий А.Б. К оценке эволюционных взглядов Л.С. Берга. Л.С. Берг. Труды по теории эволюции.  Л.: Наука, 1977. – С. 7–42.

7. Коломыц Э.Г. Теория эволюции в структурном снеговедении. М.: ГЕОС,
8. – 482 с.
9. Пианка Э. Эволюционная экология. Пер. с англ. М.: Мир, 1981. – 399 с.
10. Тимофеев-Ресовский Н.В., Воронцов Н.Н., Яблоков А.В. Краткий очерк теории  эволюции.  М.: Наука, 1977. – 301 с.

10. Шафрановский И.И. Лекции по кристалломорфологии. М.: Высшая школа,
11. – 174 с.
12. Шефталь Н.Н., Коломыц Э.Г. Эволюция конечных форм роста кристаллов взависимости от вхождения среды в их состав. Acta Physica Academiae Scientiarum Hungaricae. 1973. T. 33.  № 3–4. – P. 335–351.

12. Шмальгаузен И.И. Кибернетические вопросы биологии. Новосибирск: Наука, 1968. 223 с.

13. Шмальгаузен И.И. Проблемы дарвинизма. Л.: Наука, 1969.   493 с.
14. Шубников А.В., Парвов В.Ф. Зарождение и рост кристаллов. М.: Наука – 210 с.
15. Юшкин Н.П. Теория и методы минералогии. Л.: Наука, 1977. – 291 с.[schema type=»book» name=»ЭВОЛЮЦИОННАЯ ТЕОРИЯ В НАУКЕ О СНЕЖНОМ ПОКРОВЕ» description=»Изложена эмпирически обоснованная теория системной организации и эволюции снежного покрова, опирающаяся на его кристалломорфологию и законы природной симметрии и эволюционной биологии. Снежный покров рассматривается как иерархически организованное сообщество форм кристаллов, растущих в тесном взаимодействии и испытывающих воздействие внешней среды. Предложена детерминированная модель, описывающая эволюционный сублимационно-метаморфиче-ский цик¬л снежного покрова и полиморфные варианты этого цикла. Кинематическими моделями авторегуляции метаморфизма выявлен также его стохастический характер.» author=» Коломыц Эрланд Георгиевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-07″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_27.06.2015_06(15)» ebook=»yes» ]