Земля и жизнь
Шрифт:
Эти материалы привели к необходимости пересмотреть взгляды на породообразующую роль микроорганизмов, особенно ископаемых. Первое место среди них теперь приходится приписывать бактериям.
Изучая деятельность морских денитрифицирующих бактерий в Атлантическом океане, Г. Дрю открыл формы, осаждающие из морской воды карбонат кальция. Эти бактерии оказались денитрифицирующими и декальцинирующими. Они как бы снижают содержание нитратов в морской среде, ограничивая тем самым масштаб жизнедеятельности фитопланктона. Бактерии проявляют свою "деятельность" в районах тропических и субтропических морей и океанов. Оптимальная температура для них - около 29,5° С. Рост их отмечается при температуре выше 10°, при 33°С он начинает замедляться. Образуемый ими карбонатный осадок в виде белого облака - мути - медленно оседает (в лабораторных условиях) или остается в течение длительного времени во взвешенном состоянии. Такое явление можно наблюдать и в СССР на оз. Балхаш. Осадок получается или иловидный, или в виде мелких шариков типа оолитов, если в воду добавлять мелко раздробленный
Советские микробиологи полагают, что выделение карбоната кальция бактериями из морской воды и других минерализованных сред происходит за счет сульфата кальция (гипса) в процессе его разрушения, иногда с получением конечного продукта в виде серы. Ход реакций представляется таким:
CaSО4 -> CaS CaS + СО2 -> СаСО3 + S
Таким образом, выпадение карбоната кальция, а иногда и магния из природных водных сред приходится считать связанным в той или иной степени с жизнедеятельностью бактерий. Процесс этот в морях геологического прошлого некоторые литологи и геологи иногда недооценивают, иногда совсем не принимают во внимание как массовое явление.
Как известно, карбонатные породы начали входить в состав осадочных отложений непосредственно с архейского времени, с момента начала формирования древнейших нормальноосадочных пород. Если биогенное происхождение многих известных слоев и горизонтов известняков, например: рифовых, археоциатовых, коралловых, брахиоподовых, фораминиферовых и прочих, не вызывало никаких сомнений, то в отношении многих толщ и свит таких "плотных" пород вопрос о генезисе не всегда был ясен. Чем древнее карбонатные породы, тем чаще мы встречаем так называемые "немые" слои и толщи, лишенные видимых остатков ископаемых организмов. Подобные породы мы находим, в сущности, во всех геологических системах. Слои с органическими остатками в природе все же редкость, но там, где они имеются, мы уделяем им преимущественное внимание, в результате чего наши коллекции относительно богаче остатками ископаемых макроорганизмов, чем отображаемые ими естественные разрезы соответствующих геологических свит и серий.
Между тем тщательные поиски органических остатков часто позволяют охарактеризовать палеонтологически многие толщи древних морских отложений, в которых обнаруживаются остатки породообразующих синезеленых водорослей в виде строматолитов, онколитов и даже иногда плотных внешне пород. Тем не менее еще бытует мнение о распространенности "немых толщ" и вследствие этого часто некоторые морские осадки признаются имеющими химическое происхождение, что не всегда правильно.
Известно, что пересыщенный раствор карбоната кальция в морской воде мог бы получаться лишь при выпаривании последней на 75%, что и осуществляется в природе, но не в нормально морских, а в лагунных условиях. Выпадение карбоната кальция при этом может сопровождаться осаждением сернокислого кальция в виде гипса. Некоторые исследователи, подсчитывая растворимость карбоната кальция в морских водах, полагают, что и там могут возникать обстановки насыщения среды этой солью, т. е. условия для ее химического выпадения. Но нужно учитывать запасы в морских водах свободной углекислоты, способной растворять твердый карбонат кальция. Таким образом, от идеи массового химического осаждения морских известняковых осадков приходится решительно отказаться. Главную массу их приходится определенно считать микробиогенной. Следовательно, мы должны поддерживать ранее высказанные взгляды Мэррея, В. И. Вернадского, Б. Л. Исаченко, А. П. Виноградова и других.
Изготовляя тончайшие прозрачные шлифы из различных известняков древнейших толщ, мы смогли в ряде случаев, окрашивая препараты, различать палочковидные, кокко-бацилловидные тельца, в которых нельзя не узнавать фоссилизированных, пропитанных карбонатом кальция клеток каких-то породообразующих бактерий. Открытые нами палочковые бактерии в кембрийском известняке имеют толщину около 1 pH при длине в 2,0-2,5 .
Нам думается, что выпадение карбоната кальция из морской воды происходит не при косвенном участии бактерий, как это представляли себе многие исследователи ранее, а в теле бактерий, в процессе превращения бикарбоната кальция морской воды в кальцийорганическое соединение, близкое к кальциту. Поэтому образование карбонатной мути, известкового илового осадка в теплых морях, вероятно, есть процесс осаждения отмерших клеток бактерий, пересыщенных твердым минеральным веществом в виде кальцийорганических соединений. При этом органическая оболочка этих сгустков на пути ко дну бассейна, в осадке, а иногда даже после превращения его в известняк, защищает их более или менее длительно от перераспределения вещества. Последнее происходит, несомненно, лишь после полного распада органических веществ клетки с выпадением в осадок карбоната кальция в виде мелких кристалликов. Вследствие этого нам и удается наблюдать иногда подобные образования в очень древних породах.
По данным исследований академика Б. Л. Исаченко, изучавшего условия образования известкового ила в озере Севан (Армения), а также известковых образований в горячих источниках, существует ряд видов бактерий, способных выделять углекислый кальций сначала в виде кальцийорганических соединений, потом в виде бесформенных скоплений карбоната кальция, затем в кристаллической форме кальцита или арагонита. Иногда образуются округлые тела - сферолиты, или оолиты, радиально-лучистые или концентрически наслоенные. Внутри последних исследователь обнаруживал клетки бактерий. Поэтому Б. Л. Исаченко полагал, что таким путем и в древних пресных и соленых водоемах могли образовываться известковые отложения.
Принимая такой взгляд, мы должны допустить, что группа денитрифицирующих (высвобождающих азот) бактерий является одновременно и накопителем в биосфере органического вещества. Этого нельзя хотя бы отчасти не связать с одновременным выделением сероводорода, т. е. с деятельностью сероводородных бактерий, разрушающих при этом белковые вещества отмерших клеток "кальциевых" бактерий.
Таким образом "немые", плотные, массивные и слоистые известняки, часто перекристаллизованные, лишенные, следовательно видимых остатков животных и растений, мы иногда имеем основание считать микробиогенными образованиями, биолитами, биокосными телами, что указывает на колоссальную роль кальциевых бактерий в формировании живого вещества - вообще органического вещества в биосфере. Если учесть, что эти организмы усваивают большую часть приносимого в моря и океаны с суши кальция (по Кларку, 577 670 000 т кальция ежегодно!), то живому веществу кальциевых бактерий будет принадлежать видное место среди породообразователей - концентраторов минерального вещества.
К "кальциевым" бактериям, по их роли в породообразовании, приближаются лишь карбонатные водоросли группы синезеленых, в ископаемом состоянии представленные изучаемыми нами строматолитами, скопления которых, особенно в древнейших отложениях, часто наблюдаются в виде слоев и толщ мощностью во много сотен метров. В протерозое и кембрии эти образования формировались в изобилии, местами до 40-50% по отношению к микробиогенным карбонатным породам. Синезеленые водоросли живут в тесном общении с различными бактериями, чаще с железобактериями. Формирование живого вещества здесь завершалось почти полной фоссилизацией остаточного материала в виде упомянутых строматолитов - продуктов их многолетней жизнедеятельности. Следует думать, что экзотермический характер реакции выделения твердого карбоната кальция в организме играл также свою роль и в энергетическом балансе некоторых древнейших водорослей, как это, несомненно, имело место в слоевищах мезозойских и более поздних кораллинацей.
В связи с отмеченным выше мы можем позволить себе по-новому взглянуть и на процесс накопления карбоната кальция многими беспозвоночными, например в виде раковин моллюсков, брахиопод, кораллитов кораллов, скелета археоциат, спикул известковых губок и т. д. Клетки мантий и соответствующих других тканей этих организмов, живших и живущих в той же морской среде, восстанавливая тот же бикарбонат кальция, должны получать и освобождающуюся при этом энергию. Мы можем вспомнить при этом о безобразно толстой, неуклюжей многослойной раковине некоторых современных и ископаемых устриц, о чем выше мы уже говорили. Такие раковины изучать очень интересно, можно видеть, как она развивается, как непрерывно утолщается корка за коркой, иногда даже без прямой связи с ростом мягкого тела животного. Чем вызвано это явление? Поскольку этот процесс непрерывен, хотя и идет в течение года с неодинаковой скоростью, он больше похож на процесс питания, чем на тенденцию к защите от механических воздействий извне. Некоторые ученые думают, что такой устрице нужно увеличивать свой вес, чтобы ее "не беспокоила" волна или течение. Естественный отбор мог бы создавать и такие организмы, но он бессилен создать упомянутую функцию мантии, если она не возникла в ходе эволюции данной группы для выполнения определенной физиологической задачи. А эта задача для карбонатотлагающих организмов - превращение бикарбоната кальция в карбонат (экзотермическая реакция!). Поэтому в жизненном цикле устриц предполагаемый нами источник энергии (вероятно, исторически первичный) занимает, по-видимому, видное место. В энергетическом балансе других животных, из числа вышеупомянутых, кроме кораллов, тоже постоянно отлагающих карбонат кальция, этот источник жизненной энергии, по-видимому, играет относительно скромную роль в виде "дара предков", в ходе эволюции иногда постепенно утрачиваемого.
Палеонтология дает нам немало таких примеров, до перехода к "бесскелетным" формам, как это намечается у некоторых археоциат к началу позднего кембрия, а также у кораллов.
Таким образом, для нас представляется весьма соблазнительным предположить, что все карбонатотлагающие многоклеточные организмы, не исключая и высших представителей животного мира (с фосфатами кальция в скелете), относятся к числу участвующих в процессе энергетического использования восстанавливаемого ими растворенного карбонатного вещества, т. е. к числу полуавтотрофных, в той или иной степени несвободных от этого примитивного древнейшего источника химической энергии. Исходя из этого, мы получаем новое представление о размахе взаимосвязи между живым и минеральным веществом природы, отличное от наших прежних представлений. При этом мы признаем, конечно, обломочное, а местами химическое происхождение многих известняков. Сидериты, магнезиты, доломиты и другие карбонаты имеют, по-видимому, лишь косвенную связь с деятельностью живого вещества.