В предыдущих главах уже говорилось о многократном использовании живым веществом элементов, вовлеченных в биотический круговорот. Однако проблема заключается в том, что живое вещество не может использовать нужные ему элементы в каком попало виде: органическая составляющая необиогенного вещества должна быть разложена до простых неорганических соединений — углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака и т. д. Разложением отмершей органики, как мы знаем, занимается целая армия сапротрофов. Значительную часть органики полностью минерализуют и некротрофы.
Другой аспект проблемы — разложение неорганического вещества. Мы уже упоминали в начале этой главы о морских сверлильщиках. Первое обстоятельное исследование сверлящих цианобактерий и водорослей опубликовал в 1902 г. наш соотечественник, впоследствии академик, Георгий Адамович Надсон (1867—1940). Он показал, что сверлящие водоросли селятся главным образом на карбонатных породах и играют значительную роль в возвращении в биотический круговорот не только кальция, но и других жизненно важных элементов — магния и фосфора. Работы Г. А. Надсона не вызвали интереса ни у биологов, ни у геологов начала века. Больше того, когда я заказал в библиотеке «Ботанические записки» за 1902 г. со статьей Надсона, журнал оказался неразрезанным: за три четверти века его не прочитал никто! Личная судьба Георгия Адамовича сложилась неблагоприятно, научной школы он не создал. Теперь труды его переизданы. И поныне исследователи используют результаты его наблюдений и отводят им почетное место в обзорных работах о морских сверлильщиках.
Деятельность сверлильщиков не ограничивается, однако, известняками — недавно показано, что они могут рассверливать эффузивные породы и даже… стекло. Однако Г. А. Надсон был прав, что именно известняки наиболее подвержены атакам сверлильщиков. Для полного перемалывания слоя известняка мощностью 1 м сверлящим губкам требуется примерно 70 лет.
В морских экосистемах в качестве важного поставщика карбонатного детрита выступают морские ежи и рыбы, специализирующиеся на поедании бентоса. Эти рыбы, представленные массовыми видами, обладают мощным зубным аппаратом, позволяющим легко дробить раковины, откусывать и перемалывать кончики кораллов. Откусанные кусочки карбоната кальция они пропускают через желудочный тракт и извергают в виде известкового ила. Подсчитано, что в районе Виргинских островов морские ежи ежегодно отлагают таким путем несколько килограммов тонко измельченных карбонатов на квадратный метр дна! Опираясь на эти наблюдения, можно предполагать, что широко распространенные в осадочных толщах органогенно-обломочные карбонатные породы возникли не за счет механического воздействия волн, как это считалось раньше, а в результате биогенного раздробления исходного карбонатного субстрата.
Если карбонаты в морских экосистемах измельчаются в результате механической деятельности живого вещества, то при разложении большинства породообразующих минералов на суше преобладает химическая деструкция. Вообще химическое разложение различных минералов под действием живого вещества происходит в биосфере в огромных масштабах.
Существует значительное отличие биотического фактора от абиотического в интенсивности разложения минералов. Оно заключается в том, что живые организмы оказывают на разлагаемый субстрат более разнообразное и глубокое воздействие, чем абиотические реагенты, и используют до полного истощения все имеющиеся в среде доступные источники энергии, включая и продукты собственного метаболизма.
Еще в начале нашего века был проделан следующий эксперимент. На измельченные породообразующие минералы было высеяно 14 видов бактерий, содержащихся в кишечнике дождевых червей. Оказалось, что большинство минералов подверглось биогенному разложению, степень которого зависела как от вида бактерий, так и от состава минералов. Легче всего в раствор переходили щелочные элементы, затем щелочноземельные, а также железо, кремнезем и глинозем. Плесневый грибок в лабораторных условиях за неделю высвобождал из базальта 3% содержащегося в нем кремния, 11% алюминия, 59% магния, 64% железа.
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 самым вовлекают в биотический круговорот) кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, а также многие микроэлементы. Например, слоновая трава в африканских саваннах ежегодно извлекает с 1 га почвы 250 кг кремнезема и 80 кг щелочей и щелочных земель, а джунгли с той же площади — даже 8 т кремнезема! Процесс вовлечения химических элементов в биотический круговорот идет в биосфере повсеместно. Бактерии действуют даже в таких токсичных (с точки зрения человека) обстановках, как зона окисления сульфидных месторождений меди, сурьмы, молибдена, что, кстати, имеет большое рудообразующее значение. Бактерии окисляют даже золото — металл, который мы называем вечным. И, как с грустью заметил один микробиолог, мраморный памятник Луи Пастеру в Париже также разрушается бактериями, деятельность которых он так стремился доказать…
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].
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.
