БИОСФЕРА. Геологическая работа живого вещества

Средообразующее влияние живого вещества

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».

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».

Механизм образования истинных плывунов прояснился. Видимо, не за горами и биологическое управление плывунами.

В водных экосистемах средообразующая роль живого вещества, пожалуй, проявляется наиболее отчетливо и многогранно. «Разнородное живое вещество океана, жизни моря, взятая в целом, может быть рассматриваема как специальный механизм, совершенно изменяющий химию моря», – писал В. И. Вернадский.

Важнейшим средообразующим фактором в водных экосистемах являются фильтраторы зоопланктона и бентоса. Байкал своей исключительной чистотой обязан тому, что всю его водную массу трижды за год процеживает эндемичный веслоногий рачок эпишура. А организмы, извлекающие из водной толщи для построения своего скелета карбонат кальция или кремнезем, изменяют не только ее солевой состав, но и кислотность среды. Среди морских сообществ, оказывающих наибольшее влияние на окружающую среду, выделяются коралловые рифы, мидиевые банки, поселения морских ежей, заросли бентосных водорослей – макрофитов. Значительное влияние на водную среду оказывают и птичьи базары. У скал, на которых они расположены, прибрежная полоса шириной около 50 м интенсивно обогащается фекалиями птиц. В период гнездования содержание фосфатов и нитратов в морской воде может повышаться больше чем в 100 раз, а площадь участков моря, обогащенных этими элементами, иногда превышает 200 км².

На суше мощнейшим средообразующим агентом являются леса. Они регулируют поверхностный слой, увеличивают количество атмосферных осадков, охраняют поля от суховеев и пыльных бурь, очищают атмосферу от вредных газов и обогащают ее кислородом, озоном и фитонцидами. Гектар леса за год очищает 18 млн. м³ воздуха и обеспечивает кислородом семь человек. Посадки некоторых древесных и даже травянистых культур, обладающих повышенной транспирационной способностью, используются для биодренажа переувлажненных земель. Так, разведение в Колхиде эвкалиптов позволило успешно осушить и преобразовать в благодатный край эту прежде заболоченную и зараженную малярией территорию.

Менее всего средообразующее влияние живого вещества, казалось бы, должно проявляться в слабо заселенных зонах биосферы. Но – очередной парадокс! – именно в пустынях роль живого вещества оказывается весьма значительной. Биогеограф В. С. Залетаев пишет (речь идет именно о пустынях ): «Животные и растения здесь наряду с факторами абиотической среды оказываются мощными агентами средообразовательного процесса, влияющими на формирование рельефа поверхности, развитие ветроэрозионных процессов, гидрологические свойства почв и миграцию солей в них, на структуру и плотность поверхности почвогрунтов, особенности микроклимата и в конечном итоге на структуру биогеоценозов и сам облик ландшафтов».

Живое вещество изменяет не только химические, но и физические параметры среды, ее термические, электрические и механические характеристики. Существует, например, аргументированное мнение, что «бабье лето» вызвано деятельностью живого вещества, точнее, осенним пиком деятельности сапротрофов. Все обстоит довольно просто: в это время много разлагающейся органики – значит, при ее разложении сапротрофами выделяется много тепла. Выходит, что «бабье лето» вызывают грибы…

Интересное проявление средообразующей деятельности живого вещества было обнаружено недавно советскими океанологами сначала на Черном, а потом и на Белом морях. Оно получило название «биоэлектрического эффекта». Это явление заключается в создании живым веществом (фитопланктоном) электрического поля с отрицательным зарядом, а скоплениями необиогенного вещества (отмершего планктона) – положительных полей.

Многообразная средообразующая деятельность живого вещества выявляется в последние годы во все большем объеме и в самых различных проявлениях. Один из наиболее общих выводов сформулировали недавно ученые Сибирского отделения АН СССР: «Растительный мир активно влияет на изменение газового состава в атмосфере и соответственно на ионный состав океанической воды, в то время как животные почти не оказывают влияния на атмосферу, но изменяют катионный состав морской воды».

В закономерностях влияния живого вещества на среду, видимо, многое еще остается неизвестным, а то, что известно, нуждается во всестороннем обдумывании и обобщении. Поэтому мы излагали вопрос о средообразующей роли живого вещества так подробно и с привлечением самых разнообразных фактов. Создание общей теории средообразующей роли жизни – дело будущего.