Земля и жизнь
Шрифт:
В существующих учениях о рудных месторождениях и минералах миграция железа и марганца в земной коре и на ее поверхности часто трактуется в свете чисто химических процессов.
Микробиологические отложения окислов железа и марганца в наземных - дерновых, болотных и озерных условиях известны давно. В изучении этих образований принимали участие многие исследователи.
Поиски морских железобактерий, начавшиеся с экспедиций "Челленджера", вначале были безуспешными. Открытие морских железо-марганцевых бактерий было у нас осуществлено лишь В. С. Буткевичем. Тем не менее многие ученые не сомневались в том, что величайшие скопления железа в земной коре образовались биохимическим путем при незначительном участии в этом процессе водорослей. Так, В. И. Вернадский считал мезозойские железные руды Эльзас-Лотарингии и керченские третичные руды биогенными, вероятно, бактериальными, как и марганцевые чиатурские
Биогенный путь состоит в окислении гидратов закиси железа и марганца, а также их бикарбонатов, с переводом, с помощью соответствующего фермента бактерий, двухвалентного железа в трехвалентное, при переработке колоссальных количеств закиси железа, выносимой из недр Земли подземными водами.
Мы предприняли поиски микробиогенных структур в железных и марганцевых рудах осадочных толщ различного геологического возраста, начиная с раннепротерозойского, а также в районах подобных руд первично магматогенного происхождения, в обломочных терригенных породах и в зоне выветривания массивных пород. Результаты оказались замечательными.
Изучая под микроскопом шлиф из образца железистого кварцита бедной руды Кривого Рога (докембрий), мы обнаружили массовые скопления чехликов железобактерий, заключенных в коллоидную кремнеземную массу, по-видимому, и сохранившую эту микробиогенную структуру сгустков окислов железа. Первичные гидроокислы железа в результате метаморфизма представлены теперь магнетитом. Такие же скопления ожелезненных клеток железобактерий в ассоциации с коллоидным кремнеземом мы открыли и в железистых сланцах гребенской свиты протерозоя р. Ангары, нижнего палеозоя хребта Каратау.
Бурые железняки, образование которых В. Линдгрен считал химическим, представляли для нас большой интерес. Мы изучали их по материалам Кокчетавского района в Казахстане, в отложениях, относимых к докембрию. Для всех изученных образцов руд происхождение оказалось общим. В них удалось ясно различить чехлики древнейших представителей железобактерий, из которых слагается вся масса руд. Размеры ожелезненных клеток близки к современным. Изучение бурых железняков и лимонитов многих других месторождений, до так называемых "железных шляп", формирующихся в поверхностных условиях при выветривании сульфидных руд железа, показало решительно то же самое. Все бурые железняки и лимониты прекрасно сохраняют свою микробиогенную структуру. При этом стало ясно, что жизнедеятельность железобактерий, типичных аэробов, осуществлялась и осуществляется и в недрах Земли, в зоне циркуляции кислородных вод. Обычные в магнетитовых месторождениях магматогенного происхождения бурые железняки показали ту же микробиогенную структуру и, следовательно, огромный размах этого процесса.
Мы изучали природные скопления марганца в месторождениях Казахстана, Сибири, относящиеся к нижнему и среднему палеозою, и получили такие же результаты. Руды, за исключением части их, подвергшейся перекристаллизации, оказались сложенными сплошь микротельцами фоссилизированных клеток бактерий, имеющих около 1,33 в поперечнике и до 2,0-3,6 в длину, соединенных в длинные изогнутые, плотно сплетенные нити. Последние различимы тем лучше, чем "беднее" изучаемая руда, в которой рудная масса перемежается с нерудными, обычно прозрачными, минералами. Общим признаком для отмеченных марганцевых биолитов, как и для железных, по казахстанским и сибирским материалам, является плотное коллоидоподобное их сложение, или волокнисто-лучистое (псиломелан, лимониты), тогда как в поверхностных, "осадочных" условиях чаще распространены конкреционно-желваковые и гороховые - пизолитовые структуры. Природа конкреционных образований, по-видимому, связана с разложением органического вещества бактериальных клеток и потерей микробиогенной структуры таких руд.
Микробиогенными образованиями являются и так называемые "дендриты" - налеты окислов марганца на стенках трещин горных пород, вблизи от скоплений марганцевых руд и минералов. Природа рисунка дендритов, вероятно, связана со строением колоний марганцевых и железобактерий. Такого же происхождения, по-видимому, и "пустынный загар" горных пород, нами пока ближе не изучавшийся. Железистый цемент красноцветных песчаников, например, пермского возраста с р. Шугор (бассейн Печоры), оказался массовым скоплением между песчинками породы фоссилизированных телец железобактерий, пропитанных окислами железа. Такое же происхождение имеют различные охры, ржавчины, распространенные в природе в трещинах горных пород, в карстовых полостях, образовавшихся в процессах выветривания пород, где бактериям, несомненно, принадлежит ведущая роль.
Постоянное присутствие органических веществ, часто в виде углистой массы, в фосфоритовых слоях Каратау давно уже привлекало к себе внимание, но выяснить его природу и происхождение самих фосфоритов мы смогли тоже лишь в последние годы.
Накопление фосфатов в осадках до сих пор объяснялось учеными с помощью двух теорий. Первая, так называемая "биолитная", теория рассматривала образование фосфоритов как следствие массовой гибели организмов и перехода их фосфора в фосфатную горную породу. Согласно второй теории, происходило непосредственное осаждение фосфорных солей из морской воды под влиянием изменения их растворимости. По первой теории, причиной гибели организмов считались изменения уровня моря, направления течений, степени солености в эпохи "перерыва", крупных тектонических движений. Химическая теория родилась в свете представлений о повышенном содержании фосфора в водах морских глубин (до 300 мг/м3). Поднимаясь с гипотетическими восходящими течениями до глубин в 50-150 м, эти воды должны переносить содержащийся в них фосфор и отлагать его вслед за несколько ранее выпадающим в осадок карбонатом кальция. Но ведь здесь фосфор снова становится объектом использования его фитопланктоном, т. е. субстратом для морских водорослей. Верхние слои морских вод всегда поэтому бедны фосфором. Слабое место этой теории - отсутствие в морях массовых "восходящих течений" и отсутствие в нормально морских условиях возможности химического осаждения карбоната кальция, о чем выше мы уже говорили.
Каратауские фосфориты развиты в слоях среднего кембрия на обширной площади. Они представлены здесь плотными массивными ("плита") и оолитовыми разновидностями. Последние очень напоминают внешне бокситы, за которые первоначально они и были приняты. Сначала мы исследовали оолитовые фосфориты, состоящие из серых зерен, сцементированных желтовато-бурым веществом. В этом цементе мы обнаружили железо. Тончайшие шлифы, изготовленные из таких фосфоритов, при увеличениях свыше 2000 раз показали, что оолитовые зерна являются местом массовых скоплений микротелец бактериального облика, имеющих в поперечнике 1,1 при длине в 1,3 , то соединенных в изгибающиеся нити, то одиночных. Бактериальная природа этих образований несомненна. Ясно, что это прекрасно сохранившие свои очертания окаменевшие клетки каких-то бактерий кембрийского возраста. Интересно, что в центрах оолитовых зерен расположение бактериальных клеток беспорядочное, но по мере приближения к периферии в концентрических наслоениях зерен они начинают принимать более или менее радиальное расположение, указывающее на формирование колоний "фосфатных бактерий" в условиях сезонно изменчивой среды. В составе концентрических наслоений, часто перемежаясь с ними, наблюдаются тонкие пленки, сложенные тельцами железистого состава в виде обогащенных железом отмерших клеток железобактерий. Цемент природы, скрепляющий оолитовые зерна, целиком состоит из ожелезненных клеток отмерших железобактерий знакомого уже для нас облика. Последние развивались позже, в условиях несколько измененного температурного режима.
Изучение немногих образцов плотных разновидностей каратауских фосфоритов показало, что они или сплошь состоят из клеток "фосфатных" бактерий и бесструктурной массы карбоната кальция, или же к минерализованным клеткам "фосфатных бактерий" примешиваются тельца клеток железобактерий. Последние в таких случаях местами группируются в виде тонких пленок, линзочек.
Раскрытие природы каратауских фосфоритов позволяет нам думать, что и другие известные месторождения фосфоритов имеют, возможно, такое же органическое, бактериальное происхождение.
Интересно, что при изучении разреза фосфоритовой свиты мы наблюдали смену фосфоритовых слоев марганцево-железистой породой с прослоем карбонатных синезеленых водорослей. Разрез показывает на близость экологических условий для автотрофных бактерий, усваивавших фосфор, железо и марганец, и для синезеленых автотрофов. Известна местная засоренность каратауских фосфоритов терригенным материалом.
О современных бактериях - накопителях фосфатов почти ничего неизвестно. Известны лишь почвенные бактерии, растворяющие фосфаты, фосфатредуцирующие, способные образовывать растворимые соли фосфорной кислоты. Между тем концентрирующие фосфор бактерии в кембрии, по-видимому, существовали. Может быть, подобные организмы формируют и редкие в наше время скопления фосфоритов на дне моря, как, например, в районе южной оконечности Африки.