Следы былых биосфер, или Рассказ о том, как устроена биосфера и что осталось от биосфер геологического прошлого

Лапо Андрей Витальевич

Энергия, заключенная в горючих ископаемых, в течение 100 с лишним лет удовлетворяла потребности человечества. Однако в наши дни человечество каждый год сжигает столько горючих ископаемых, сколько былые биосферы накопили их за миллион. При таких темпах потребления энергии, как говорилось на 27-м Международном геологическом конгрессе в 1984 г., разведанных запасов нефти едва хватит на 32 года, газа — на 39 лет, угля — на 72 года. И поневоле взоры человечества снова обратились к возобновимому источнику энергии — живому веществу, а точнее, к зеленой массе растений (Свифт как в воду глядел!), из которой путем микробиологической переработки получают жидкое или газообразное топливо. В Бразилии, например, уже в ближайшие годы весь автомобильный транспорт должен перейти с бензина на этанол, получаемый при микробиогенной переработке сахарного

тростника; та же схема получения горючего применяется и в Зимбабве. А в нашей стране разрабатывается проект использования фотосинтеза для разложения воды с получением кислорода и водорода. Для осуществления этого проекта выращивается культура двух микроорганизмов: водоросли и анаэробной цианобактерии. Осуществится ли этот проект — покажет будущее. Но, как бы то ни было, можно не сомневаться, что для удовлетворения своих потребностей человечество всегда в той или иной форме будет использовать энергетическую функцию живого вещества.

Вторая основная функция, осуществляемая живым веществом в биосфере, — концентрационная. Концентрируемое вещество частично используется для построения мягкого тела и скелета организмов, а частично — выделяется во внешнюю среду в виде экскрементов.

Концентрация вещества осуществляется двояко. Наиболее распространенный случай — это концентрация элементов в ионной форме из истинных растворов. Так строит свой скелет большинство морских беспозвоночных. Второй случай — это седиментация вещества из суспензий коллоидных растворов фильтрующими организмами.

Вопрос о концентрации живым веществом элементов из истинных растворов интенсивно разрабатывал выдающийся русский минералог, профессор Яков Владимирович Самойлов (1870—1925). Он был не только учеником и соратником Вернадского, но и его крестным сыном; при крещении он получил отчество, образованное от имени Владимира Ивановича.

В отличие от своего учителя Самойлов подходил к этому вопросу не с геохимических, а с минералогических позиций. Фактического материала в начале века было маловато, и опираться иногда приходилось на интуицию. И интуиция не подводила Якова Владимировича. В 1910 г. в статье о месторождениях барита Самойлов писал следующее: «И нам представляется уместным поставить вопрос… не имеются ли какие-нибудь организмы, содержащие в своей раковине барий, и следовательно, не происходит ли концентрация этого элемента в силу жизнедеятельности известных организмов…»

Данных о нахождении бария в составе морских организмов не было. Но в том же 1910 г. выходит книга А. Щепотьева «Исследование над низшими организмами», в которой были описаны кристаллы барита, найденные в организмах планктона — корненожках! Предположение Я. В. Самойлова блестяще подтвердилось.

Сейчас установлено, что способность концентрировать элементы из весьма разбавленных растворов является характерной особенностью живого вещества. Известно, что в современной биосфере организмы массами извлекают из недосыщенных растворов углекислые соли кальция, магния и стронция, кремнезем, фосфаты, йод, фтор и другие компоненты. Действуют они при этом строго избирательно, что можно проиллюстрировать на следующем примере. В морской воде содержание магния достигает 1350 мг/л, кальция — 400, а кремния — единицы миллиграммов. Однако, несмотря на такое соотношение, гидробионты строят свой скелет преимущественно из соединений кальция и кремния, а не магния. Степень солености морской воды в то же время в значительной мере регулирует интенсивность концентрации организмами микроэлементов.

Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы. Известный западногерманский микробиолог В. Э. Крумбейн показал, что в продуктах жизнедеятельности некоторых видов микроорганизмов по сравнению с окружающей средой содержание марганца увеличено в 1 200 000 раз, железа — в 650 000 раз, ванадия — в 420 000 раз, серебра — в 240 000 раз и т. д. Однако и бактерии не творят минералы «из ничего». Эту особенность живого вещества в афористической форме сформулировал геолог Александр Васильевич Хабаков: «Бактерии не самовластные творцы месторождений, а их природные технологи-обогатители».

Благодаря концентрационной функции живого вещества во многих живых организмах обособляются минеральные образования. Морфологически они очень разнообразны. В качестве примеров можно назвать минеральные включения в тканях высших растений,

капельки элементарной серы в клетках некоторых бактерий, раковины моллюсков и брахиопод, панцири диатомовых водорослей, скелеты животных и т. д.

Минералы, входящие в состав живого вещества, сейчас получили название «биоминералов», и наука, занимающаяся их изучением, обособилась в самостоятельную отрасль минералогии — биоминералогию. Ее основы в конце 10-х годов нашего века были заложены Я. В. Самойловым (правда, сам Самойлов предлагал для новой отрасли науки другое, менее удачное название — «палеофизиология»). Своими современными успехами биоминералогия в значительной мере обязана профессору Хейнцу А. Ловенштаму — выдающемуся ученому, вынужденному покинуть родную ему Германию в годы фашизма и сейчас работающему в США.

В телах живых организмов биоминералы могут встречаться изолированно. Однако чаще биоминералы слагают наружный или внутренний скелет живых организмов. Внутренний скелет все представляют себе хорошо; наружным скелетом является футляр, которым организм защищает себя от внешней среды. Это известковые раковины моллюсков, морских ежей, роговые панцири черепах, раков и некоторых древних рыб. У одноклеточных организмов, особенно планктонных, наружный скелет в особой моде. Щеголяют в нем не только животные из подцарства простейших, но и многие водоросли. Форма панциря может быть довольно разнообразной, а что касается его материала, то многолетний (измеряемый сотнями миллионов лет) опыт показал, что лучше всего подходят для этого дела аморфный кремнезем (его предпочитают наиболее примитивные организмы — одноклеточные водоросли, простейшие и губки) и углекислый кальций. Некоторые организмы, впрочем, отдают предпочтение сульфатам.

Высшие растения скелета не имеют, и их минеральная составляющая представлена так называемыми фитолитами — продуктами выделения в форме кристаллов или округлых включений. Фитолиты состоят из неорганического (кремнезем) или органо-минерального вещества (щавелевокислый кальций). А некоторые многоклеточные водоросли, в противоположность высшим растениям, предпочитают, подобно животным, «подпорки» из карбоната кальция.

Низкоорганизованные виды организмов, как правило, выделяют только один минерал, хотя разные их виды, порядки и классы могут секретировать разные минералы. У более сложно организованных животных скелет может быть построен из двух минералов, а иногда в их теле представлен и какой-нибудь третий минерал. Например, у некоторых моллюсков раковины сложены из арагонита и кальцита, а жевательный аппарат инкрустирован кристаллами гетита — гидрата окиси железа. Моллюски в отличие от человека получают свои железные зубы не в кабинете стоматолога, а еще в колыбели — у природы.

X. А. Ловенштам составил таблицу, иллюстрирующую распределение минералов в составе разнородного живого вещества (рис. 5). Оказалось, что среди крупных таксонов органического мира наибольшее количество минералов образуют многоклеточные животные: моллюски (20 минералов) и позвоночные (17). Большинство минеральных образований, входящих в состав живого вещества, плохо растворимо в морской воде и благодаря этому после отмирания организмов накапливается в осадках (из этого правила имеются, конечно, и исключения).

Рис. 5. Минералы, образуемые живыми организмами (по Ловенштаму, 1984). Наверху — названия царств органического мира (по Маргелис, 1983), внизу — названия типов

По степени концентрации химических элементов Вернадский разбил живые организмы на 4 группы. В первую группу — «организмы какого-либо элемента» — были включены организмы, концентрирующие данный элемент в количестве 10% и выше. Существуют, например, кремниевые организмы (диатомовые водоросли, радиолярии, кремниевые губки), кальциевые (бактерии, водоросли, простейшие, моллюски, брахиоподы, иглокожие, мшанки и кораллы), железные (железобактерии) и т. д. Во вторую группу — «богатые каким-либо элементом» — относились организмы, содержащие данный элемент в количестве около 1% и выше (до 10%). При этом содержание элементов в первых двух группах должно быть выше, чем кларк данного элемента. Третью группу составляют «обычные организмы», четвертую — «бедные данным элементом».