Следы былых биосфер, или Рассказ о том, как устроена биосфера и что осталось от биосфер геологического прошлого
Шрифт:
Пионеры жизни на скалах — цианобактерии, бактерии, грибы и лишайники — ведут с горными породами настоящую химическую войну, воздействуя на них богатым арсеналом своеобразного оружия, включающего растворы как неорганических кислот — угольной, азотной, серной (вплоть до 10%-ного раствора, способного прожечь бумагу!), — так и органических. Располагают химическим оружием и некоторые высшие растения — например, корни елей, растущих на бедных питательными веществами почвах, также выделяют сильные кислоты, разлагающие минералы абиогенного вещества.
Сейчас можно считать твердо установленным, что в биосфере происходит биогенное химическое разложение каолинита, серпентина, нефелина, мусковита, биотита, альбита, апатита и многих других минералов.
Разлагая те или иные минералы, организмы избирательно извлекают из них (и тем
Человечество научилось использовать деструктивную деятельность микроорганизмов в своих целях: в некоторых промышленно развитых странах выщелачивание полезных компонентов из руд производят с участием бактерий. Уже сейчас бактериальными методами выделяют из руд медь, уран, цинк и даже мышьяк. В США бактерии «выдают на-гора» около 10% всей добычи меди. На очереди бактериальное выщелачивание свинца, никеля, кобальта, молибдена, кадмия и титана. По сравнению с обычными методами металлургии бактериальное выщелачивание отличается гораздо более полным извлечением металлов. Поэтому новый метод особенно эффективен при переработке бедных руд, которые иным путем перерабатывать невыгодно или просто невозможно. Так, на Урале из-за низкого содержания меди забросили было месторождение, название которого говорит само за себя — «Южная Выклинка». А призвав на помощь тионовые бактерии, вернули рудник к жизни и стали получать сотни тонн в год высококачественного металла. Таким же путем на одном из мексиканских рудников из старых заброшенных забоев за один только год было извлечено 10 000 т меди. Больше того, бактерии работают настолько чисто, что с их помощью можно пускать в переработку даже «хвосты» обычных обогатительных фабрик.
Деструктивная функция живого вещества — важный аспект его деятельности в биосфере. Биосфера не только «фабрика макромолекул», как назвал ее известный советский биолог, профессор Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский (1900—1981), но и гигантская мельница. Как в японской сказке, эта мельница никак не может остановиться — мелет и мелет безостановочно уже четвертый миллиард лет. Мелет не соль — скалы! Энергичнее всего мельница жизни работает на суше, а среди морских экосистем — в прибрежных сгущениях жизни. «Мы не имеем на Земле более могучего дробителя материи, чем живое вещество», — писал Вернадский.
Четвертая основная функция живого вещества в биосфере — средообразующая: преобразование физико-химических параметров среды в результате процессов жизнедеятельности. Если влияние внешней среды на организмы входит в круг традиционных тем биологии со времени ее возникновения, то обратная связь — воздействие организмов на среду (жизни — на «нежизнь») — стала вырисовываться значительно позже. Выдающуюся роль в этом отношении сыграл труд Ч. Дарвина «Образование растительного слоя земли деятельностью дождевых червей» (1881), о котором мы уже упоминали. В нем на примере дождевых червей Дарвин впервые убедительно показал воздействие организмов на среду обитания. Важным событием явился также более поздний общий вывод М. А. Егунова (1901) о создании организмами неоднородности («биоанизотропии») среды. Основополагающий тезис сформулировал В. И. Вернадский: «Организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена к нему» [52] .
52
Вернадский В. И. Проблемы биогеохимии. — Труды БИОГЕЛ ГЕОХИ АН СССР, вып. 16,
Наиболее очевидное (но не самое важное!) проявление влияния живого вещества на среду — механическое воздействие, или II род геологической деятельности живого вещества. Многоклеточные животные, строя свои норы в грунте, сильно изменяют его свойства (например, благодаря рыхлению почвы дождевыми червями объем воздуха в ней увеличивается в 2,5 раза). Изменяют механические свойства почвы и корни высших растений (особенно древесных): они скрепляют ее и предохраняют от эрозии. Так, если в прериях смыв поверхностного 20-сантиметрового слоя почвы происходит за 29 тыс. лет, то в лесах — в 6 раз медленнее: за 174 тыс. лет! Лесная растительность способна удерживать почву даже на склонах с уклоном до 20—40°. Подобным же образом действуют и нитчатые цианобактерии: они создают подобие сети, которая предохраняет почву от эрозии. В горных почвах Таджикистана содержится иногда больше 100 м нитчатых цианобактерий в 1 г почвы! По существу, это уже не почва, а войлок — никакой ливень ее не размоет.
Механическая деятельность живого вещества имеет, бесспорно, большое влияние на внешнюю среду, но по своим масштабам она не может сравниваться с влиянием необиогенного вещества, образуемого живыми организмами (I род геологической деятельности, протекающий вне организмов). Чтобы полнее понять это влияние, остановимся вкратце на основных параметрах, характеризующих физико-химические условия среды. Таких параметров два: водородный показатель и окислительно-восстановительный потенциал.
Водородный показатель (его обозначают как pH) характеризует содержание водородных ионов в среде и численно равен отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов H+ в данной среде, выраженной в грамм-ионах на литр. Для дистиллированной воды pH равно 7. Среди привычных нам объектов томатный сок имеет pH около 4, столовый уксус — около 3, а лимонный сок — около 2. Природные воды с pH от 6,95 до 7,3 считают нейтральными, ниже этого предела — кислыми, выше — щелочными. Морская вода имеет pH 8, озерная вода, которую называют «мягкой», — pH от 5 до 6.
Окислительно-восстановительный потенциал среды (Eh) служит мерой ее способности к окислительно-восстановительным реакциям. Eh измеряется в вольтах или милливольтах. При положительных значениях окислительно-восстановительного потенциала среда является окислительной, при отрицательных — восстановительной. В современных донных осадках морей Eh изменяется в пределах от +600 мВ до -350 мВ.
Фотоавтотрофы в процессе своей жизнедеятельности непрерывно производят кислород. Благодаря этой реакции в биосфере повсеместно (за исключением ее подземной части и отдельных участков Мирового океана) существует окислительная обстановка, а в атмосфере содержание углекислого газа удерживается на низком уровне.
Однако при фотосинтезе, как известно, не только выделяется кислород — сильный окислитель, но возникают и органические вещества. При их разложении в анаэробных условиях образуются водород, аммиак, органические кислоты и анионы SO42-, PO43-, NO3– . Как показал В. А. Ковда, продукты разложения степных трав образуют растворы нейтральной и слабощелочной реакции, некоторые виды полыни и опад саксаула дают щелочную реакцию (pH 8—8,5), а масса отмершей хвои, вереска, лишайников и сфагнума — кислую (pH 3,5—4,5).
Вспоминаются слова академика Б. Б. Полынова «Прежде всего я считаю неправильным указание, которое так часто встречается, что то или иное явление — скажем, образование осадка — зависит не от организмов, а от величин pH. Я считаю неправильным само противоположение pH организмам. Представим себе, что кого-либо заинтересовал высокий рост какого-либо дерева, и на его вопрос о причинах этого роста ему отвечают, что рост дерева зависит от количества метров, укладывающихся по длине его ствола. Я полагаю, что объяснение со ссылкой на pH ничем не отличается от такого, потому что pH тоже мера — тот же аршин или метр и первозданной причиной не может быть, а кроме того, и сама pH очень часто находится в прямой зависимости от количества CO2, выделяемого организмами».