Следы былых биосфер, или Рассказ о том, как устроена биосфера и что осталось от биосфер геологическо - Лапо Андрей Витальевич
Раз в системе есть живое вещество — значит, обязательно есть и продукты его жизнедеятельности, и отмершая органика, иначе говоря, необиогенное вещество. Обязательно есть в биокосных системах и абиогенное вещество (оно может поступать дополнительно в виде терригенной примеси, продуктов вулканизма или внеземного материала — земное и внеземное вещество мы на этой схеме объединяем). Может присутствовать (но не обязательно) и палеобиогенное вещество, например, известняки, фосфориты и т. д.
Живое вещество в ходе процессов жизнедеятельности непрерывно потребляет и вовлекает в биотический круговорот все новые порции абиогенного вещества (мы помним, что в этом заключается одна из основных функций живого вещества в биосфере). Усваивается большей частью абиогенное вещество земного происхождения, но видимо, используется и часть абиогенного вещества внеземного происхождения.
Наряду с абиогенным живое вещество потребляет и необиогенное. Утилизируется им и палеобиогенное вещество (так, сверлильщики используют для построения своих раковин биогенные известняки). Высшие растения осваивают биогенные минералы фосфора, а некоторые виды бактерий — органическое вещество углей и нефтей; тионовые бактерии окисляют биогенные сульфиды, которые созданы трудами их предшественников — сульфатредудирующих бактерий, и т. д.
Таким образом, как 40 рек впадают в Байкал, а вытекает только одна, так и живое вещество вовлекает в свой состав все типы неживого вещества, а продуцирует только один тип — необиогенное вещество.
Биокосные системы творят осадочные породы Земли. После захоронения жизнь в них замирает, и биокосное естественное тело превращается в косное. В результате из четырех типов веществ, входящих в состав биокосных систем, сохраняются два типа неживого вещества косных систем: абиогенное и биогенное.
Процесс формирования осадочных пород — литогенез — геологи делят на четыре стадии. Первая из них — стадия гипергенеза — является как бы подготовительной: в это время образуются исходные продукты, из которых в дальнейшем формируются осадочные породы. Во второй стадии — седиментогенеза — происходит перенос вещества и образование рыхлых несцементированных осадков: песков, глин, ракушняка, илов, торфа и т. д. Биогенная компонента представлена здесь необиогенным веществом. Третья стадия носит название диагенеза. В этот период рыхлые, зачастую сыпучие осадки преобразуются в плотные прочно сцементированные породы: песчаники, аргиллиты, известняки, ископаемые угли. Необиогенное вещество после захоронения переходит в палеобиогенное. Наконец, в четвертой стадии — ее называют катагенезом — происходит дальнейшее уплотнение и преобразование осадочных пород. Как мы увидим дальше, живое вещество играет важнейшую, а большей частью — определяющую роль на трех первых стадиях литогенеза, и лишь на стадии катагенеза его влияние сходит на нет. Не участвует живое вещество и в процессах метаморфизма, в результате которых осадочные породы переходят в метаморфические.
Вместо термина «гипергенез» часто употребляется более близкий по смыслу и простой — выветривание. Появился он тогда, когда думали, что основным агентом разрушения горных пород являются чисто физические факторы, и в их числе — ветер. Такие представления господствовали в науке примерно до 40‑х годов нашего века. Вернадский писал в 1938 г.: «Процесс выветривания горных пород есть биокосный процесс, что обычно не учитывается. Мне кажется, это объясняет отставание этой области химической геологии (коры выветривания) от современного уровня знания. К нему подходят только как к процессу физико-химическому. Биогеохимический подход к решению этой проблемы должен дать много» [62].
Подход, о котором писал В. И. Вернадский, действительно, много дал для познания процессов гипергенеза. В нашей стране в 40‑е годы инициатором и организатором исследований в этом направлении явился выдающийся почвовед, геохимик и географ академик Борис Борисович Полынов (1877—1952). С геологических позиций было важно выяснить, как происходит выветривание в горных районах: именно там сильнее всего происходит денудация и именно оттуда выветрившийся материал поступает в бассейны аккумуляции. Поэтому исследования Б. Б. Полынова и его соратников проводились на скальных породах Урала, Кавказа и Тянь-Шаня. Этими работами было показано, что даже самые первые стадии выветривания скальных пород — образование мелкозема — происходят при активном воздействии живых организмов.
Б. Б. Полынов сделал вывод: «Представление о том, что происходит какое-то стерильное — абиотическое — выветривание, несомненно, является совершенно нереальным, придуманным и не подтвержденным фактами. Мы, понятно, не отрицаем возможности термического дробления массивной породы, как не отрицаем возможности реакций окисления и карбонатизации, но мы категорически отрицаем возможность изолированного, стерильного проявления этих процессов, проявления их как чисто абиотических, подготовительных к захвату организмами минеральных элементов». Время подтвердило справедливость этой позиции.
Сейчас показано, что наиболее активное биогенное выветривание горных пород происходит в пределах довольно тонкой поверхностной пленки, толщина которой на скальных породах обычно колеблется от долей миллиметра до 5 мм и лишь изредка превышает 1 см. Она развита во всех климатических поясах земного шара.
Там, где условия существования наиболее суровые, живые организмы селятся не на поверхности, а внутри камня. Такая форма жизни получила название эндолитной: от греческих корней «эндо» (внутри) и «литос» (камень). Уход в камень позволяет живым организмам спастись от палящих солнечных лучей и несколько сгладить суточные температурные скачки, характерные для самых экстремальных местообитаний Земли — пустынь полярных и жарких стран.
В Антарктиде, казалось бы, можно не опасаться солнечного удара, но знаете ли вы, что именно Антарктида — самый солнечный материк на нашей планете? Избыток солнца и очень неприятные для живых организмов колебания температуры около 0° (в летний сезон) заставляют гегемонов антарктической биоты — лишайники — прятаться под камнями. Селятся они и в трещинах, порой почти незаметных. Биомасса лишайников в Антарктиде достигает довольно внушительной величины — 175 г/м². Функционируют они, естественно, только летом, а зимой впадают в состояние анабиоза.
В противоположной ситуации — в пустынях приэкваториальных стран такую же скрытную жизнь внутри камня ведут прокариоты — цианобактерии и бактерии. Они активно «всверливаются» в скалы, причем глубина их нор достигает порой 3 см. Из скальных пород пустынь Америки, Азии и Африки выделено около 150 культур цианобактерий.
Несмотря на незначительную мощность поверхностной пленки биогеохимического выветривания, действие ее в зоне гипергенеза играет решающую роль: именно здесь происходят первичная дезинтеграция и минеральные преобразования скальных пород. Основными «действующими лицами» являются бактерии, цианобактерии, аэрофильные водоросли и грибы, подготавливающие субстрат для заселения лишайников и высших растений (последние воздействуют на скалы механически, разламывая их своими корнями). Среди автотрофных организмов наиболее активными являются нитрифицирующие бактерии, а среди гетеротрофов — микроскопические грибы. Из поверхностных слоев зоны гипергенеза изверженных пород канадские микробиологи выделили 31 вид микроскопических грибов.
Так, при определяющем влиянии живого вещества протекают процессы гипергенеза в наземных экосистемах. В водных экосистемах гипергенез также регулируется деятельностью живого вещества, в данном случае — бентосных сверлящих организмов. «Действующие лица» здесь те же: бактерии, цианобактерии, водоросли и грибы. Правда, в море нет лишайников, да и высшие растения как будто в процессах гипергенеза не участвуют, но их с успехом заменяют многоклеточные животные — сверлильщики, осуществляющие деструктивную функцию.
