Следы былых биосфер, или Рассказ о том, как устроена биосфера и что осталось от биосфер геологическо - Лапо Андрей Витальевич
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».
Высказывание Б. Б. Полынова хорошо подтверждается на примере природных вод Земли. Так, кислая реакция вод чаще всего связана с растворением в них биогенных веществ — углекислого газа или гуминовых кислот. Процесс фотосинтеза в поверхностных частях водоемов вызывает уменьшение парциального давления углекислого газа и увеличение pH. Процессы же разложения необиогенной органики идут во всей толще вод, и живое население везде дышит, а это приводит к противоположным результатам — увеличению парциального давления углекислого газа в воде и к понижению pH.
В донных осадках водоемов физико-химические условия среды определяются главным образом наличием органического необиогенного вещества: есть оно — обстановка восстановительная, нет — окислительная. Восстановительные условия создаются в застойных средах при разложении отмершей органики сульфатредуцирующими бактериями с образованием сероводорода. Если при этом сероводород из среды не удаляется, происходит самоотравление системы. В Черном море средообразующее действие живого вещества проявляется особенно ярко: донная пленка сульфатредуцирующих бактерий толщиной до 5 см отравляет сероводородом более чем километровую толщу морской воды, ограничивая распространение зоопланктона и крупных морских животных лишь верхними 200—300 м водной толщи!
Наряду с сульфатредуцирующими важную роль в биосфере играют и тионовые бактерии. Если сульфатредуцирующие бактерии превращают сульфат-ион в сероводород, то тионовые осуществляют обратную реакцию — окисляют сероводород до серной кислоты. Средообразующую роль этой реакции доказывать не приходится.
Ситуацию, близкую к драматической, тионовые бактерии создали при строительстве Киевского метрополитена. До начала подземных работ они влачили жалкое существование в палеогеновых песках. Доступ кислорода на глубину был затруднен, и бактерии испытывали «кислородное голодание». При строительстве метро в забои стали закачивать сжатый воздух, и бактерии ожили. В результате их деятельности водородный показатель среды достиг значений меньше 1 (иначе говоря, подземные воды превратились в крепкий раствор серной кислоты). Массивные болты железобетонных конструкций за один-два месяца разрушались наполовину. Положение становилось критическим, а строители разводили руками — такого никогда не бывало. Выручили ученые из Института микробиологии и вирусологии им. Д. К. Заболотного в Киеве — они нашли виновников и посоветовали изменить способ проходки. Строителям пришлось отказаться от закачки в тоннель сжатого воздуха.
Пример с Киевским метро — не единственный, когда микробиологи приходят на помощь строителям. Известно, как много хлопот причиняют при строительстве плывуны, особенно та их разновидность, которую называют истинными плывунами (есть еще ложные плывуны, с которыми справляться легче). Эти текучие грунты, обладающие огромным запасом внутренней энергии, перемещаются общей массой, как тесто или свежеприготовленный бетон.
Грунтовед Варвара Васильевна Радина при исследовании грунтов проектируемой Нижне-Обской ГЭС доказала, что необычные свойства истинных плывунов определяются средообразующей деятельностью сапротрофных бактерий, которые перерабатывают всегда имеющееся в плывунах органическое вещество. 90% образующихся при этом продуктов составляют газы. При затрудненном обмене с окружающей средой эти газы накапливаются в грунтах и вкупе с содержащимися в них коллоидами переводят их в пластичное состояние. Создается явление, сходное с «воздушной подушкой», применяемой в современной технике, когда подаваемым под давлением воздухом снимают трение между поверхностями двух сред. В роли компрессора в данном случае выступают бактерии. А степень разжижения грунтов зависит от наличия пищи для бактерий (калия, фосфора, отмершей органики).
Явление, описанное В. В. Радиной, признано открытием — случай, в геологии нечастый. Формула этого открытия, зарегистрированного 13 октября 1970 г., следующая: «Установлено неизвестное ранее явление образования истинных плывунов, заключающееся в том, что в водонасыщенной дисперсной породе происходит накопление в виде пузырьков газообразных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, которые вызывают избыточное давление в жидкой фазе породы, являющееся энергетическим фактором ее подвижности» [53].
