Интересно, что первая научная работа В. И. Вернадского, написанная еще в студенческие годы, была посвящена именно механической деятельности живого вещества. Она была составлена В. И. Вернадским по материалам почвенной экспедиции 1884 г. в Екатеринославскую губернию и опубликована В. В. Докучаевым без ведома автора в 1889 г. (Вернадский в это время находился в заграничной научной командировке). В этой работе В. И. Вернадский, едва перешагнувший за рубеж своего двадцатилетия, впервые в мировой литературе попытался количественно оценить влияние роющей деятельности сурка. Для самого Вернадского эта работа, видимо, послужила той своеобразной затравкой, из которой через 40 с лишним лет окончательно выкристаллизовалась стройная концепция биосферы.
Роющая деятельность в наземных экосистемах осуществляется главным образом млекопитающими и распространена повсеместно: в лесах, на лугах, в тундрах, степях, полупустынях и пустынях. При этом наибольшее развитие роющая деятельность животных получает в открытых ландшафтах аридной зоны из-за отсутствия там естественных убежищ. Мелкие млекопитающие этой зоны - сурки, суслики и слепыши - буквально перелопачивают почвы и подстилающие их отложения. Благодаря их выбросам в верхние слои почвы попадают первичные невыветрившиеся минералы, которые, разлагаясь, вовлекаются в биогеохимический круговорот. Попутно эти животные иногда оказывают ценные услуги геологам. Вспоминается следующий факт, описанный в научной литературе.
В годы Великой Отечественной войны возникла острая нехватка писчего мела - все его месторождения, расположенные на Украине и в Белгородской области, были захвачены врагом. Новое месторождение, пригодное для эксплуатации, в кратчайший срок было найдено в Казахстане по выбросам из нор сурков. Может быть, заслуга сурков и меньше, чем гусей (которые, как известно, "Рим спасли"), но добрым словом их помянуть стоит.
Как показали исследования Бориса Даниловича Абатурова, в экосистемах полупустыни роющая деятельность животных представляет собой одну из важнейших форм механической работы, ведущей к глубокому преобразованию почв и даже рельефа страны. Норы млекопитающих обеспечивают более интенсивное увлажнение почв атмосферными осадками и поступление воды в более глубокие ее горизонты. Роющая деятельность, продолжаясь в течение тысячелетий, стала важнейшим фактором формирования характерного для полупустынь микрорельефа "сусликогенного" облика, состоящего из микроповышений и западин.
В пустынях в результате совокупной деятельности ветра, растений (шишконосной эфедры), паукообразных, насекомых и мелких млекопитающих (полуденной песчанки) возникают целые "крепостные" сооружения высотой до 5 м. В увлекательной книге А. В. Смирнова "Мир растений" (1982) так описывается процесс их возникновения на примере Каракумов.
Все начинается с того, что вокруг кустиков эфедры ветер надувает холмики песка. Опавшие ветви эфедры цементируются песком, в котором много гипса. Образуется песчаный бугор с прочным куполом, в котором сохраняется постоянная температура. В нем поселяются песчанки, паукообразные, насекомые - обычные обитатели пустыни. Песчанки проделывают в бугре множество ходов, зачастую перегрызая корневища эфедры. Куст местами усыхает, но разрастается дальше своими корневищами. Каждый новый куст собирает вокруг себя песок, и история повторяется сначала. Так в пустыне появляются песчаные города с крепостными стенами (остатками первичного бугра) и башнями (вторичными дочерними буграми).
В тропиках подобными своеобразными памятниками механической деятельности живого вещества являются термитники. Их высота достигает 15 м! Если бы люди умели строить сооружения в таком же соотношении к размерам своего тела, как термиты, то Землю бы украшали небоскребы высотой до 3400 м. Исходный материал для своего строительства термиты, к вящей радости геологов, извлекают с глубины до 12 м (суркам до них далеко!). При этом, располагая термитники на линиях тектонических нарушений и в зонах повышенной трещиноватости пород, они оказывают геологам дополнительные услуги, помогая тем самым в составлении крупномасштабных структурногеоморфологических карт.
В лесных экосистемах важную механическую деятельность в виде строительства плотин осуществляют бобры. Длина некоторых бобровых плотин достигает 100 м, а рекорд, зафиксированный на Джефферсон-Ривер (штат Монтана, США), составляет 700 м! Течение рек из-за плотин замедляется; иногда образуется даже целая цепь прудов со слабо проточной водой и широкие выровненные поймы. В запрудах постепенно оседает ил. Если это происходит достаточно долго, то его отложения достигают большой мощности. При перемещении бобровых запруд или их исчезновении плодородные илы обнажаются, покрываясь густой растительностью. Таким путем в Северной Америке образовались богатые пастбища и луга, которые называют "бобровыми". Подобно человеку, но без использования техники, бобры преобразовали облик целой страны. Не зря индейцы считали бобра своим младшим братом, а у американцев существует пословица: "трудиться, как бобр".
Термитники в тропиках и "крепостные" сооружения в пустынях, сусликогенный рельеф полупустынь и бобровые луга лесной зоны - примеры грандиозной механической деятельности живого вещества в наземных экосистемах. С неменьшим успехом эта деятельность осуществляется живым веществом и в морских экосистемах.
На дне моря, как и на суше, организмы роют себе укрытия, причем не только в мягком, но и в скальном грунте. Олигохеты и полихеты углубляются в грунт на 40 см и более. Двустворчатые моллюски зарываются обычно неглубоко, но некоторые из них, например миа, роют норы, которым позавидует и сурок: они достигают глубины нескольких метров. В зоне прибоя и на перемываемом волнами песке - вот беда! - норы не выроешь и гнездо не совьешь. Приходится сверлить скальные породы. И сверлят. Сверлят водоросли и губки, бактерии и моллюски, цианобактерии, полихеты, морские ежи, рачки, мшанки… При этом, если сверление производится механически, образуются мельчайшие "опилки" диаметром в десятки микронов. Только сверлящие губки, живущие на 1 м² морского дна, выделяют за год 250 г таких "опилок".
Сверлильщики появились в далеком геологическом прошлом. Источенные ими породы находят даже в докембрийских отложениях, и поныне они продолжают свою разрушительную работу. Сверлящая деятельность моллюсков фолад вызывает иногда катастрофические последствия. Когда недавно в районе Сочи в результате непродуманного строительства берег лишился гальки, он начал отступать со скоростью до 4 м в год. Главным виновником разрушения были фолады, которые заселили каждый метр скального берега, сложенного сланцами, и принялись дружно сверлить себе подводные норки. К счастью, был найден выход: берег стали укреплять поперечными стенками, а между ними засыпать гальку. В результате сверлильщики были уничтожены: движущаяся под ударами волн галька перемолола их. А в Западной Европе не менее опасную деятельность производит случайно завезенный из Китая мохнаторукий краб - он проник во многие реки и, строя свои норы, подрывает берега и разрушает плотины.
Механическая деятельность живого вещества в значительной мере определяет микрорельеф морского дна. Положительные формы рельефа создаются активными фильтраторами и морской растительностью, скрепляющей отложения, а отрицательные - теми бентосными организмами, которые активно взмучивают ил: бентосными рыбами, декаподами, морскими ежами. Амплитуда микрорельефа обычно не превышает 30-50 см, однако угри, например, способны создавать и более глубокие воронки - до 1 м при диаметре до 3 м. В тропических и субтропических морях дно в прибрежной зоне обычно сплошь перерыто креветкой, выбросы которой имеют форму конусов высотой от 6 до 50 см. А в Баренцевом море в мелководных заливах с илисто-песчаным грунтом микрорельеф дна определяется конусами выбросов морских червей с высотой 15 см и диаметром основания 20 см. Невольно возникает аналогия с сусликогенным рельефом полупустынь (правда, поверхность морского дна более сглажена воздействием волн). Характер геологической деятельности II рода, осуществляемой живым веществом, оказывается принципиально сходным в море и на суше.
В. И. Вернадский, как мы упоминали в начале главы, подразделял геологическую деятельность живого вещества по характеру протекающих процессов. Несколько иначе подошел к этому вопросу современник Владимира Ивановича Н. И. Андрусов. Он писал, что химическая деятельность организмов вообще, имеющая геологическое значение, может быть сведена к двум категориям: во-первых, к образованию на наружной поверхности или внутри их твердых выделений, способных сохраняться; во-вторых, к образованию жидких и газообразных выделений, способных вступать в различные химические реакции с окружающим неорганическим миром. По существу, эту же мысль развивала на современном материале ленинградский микробиолог, доктор биологических наук Т. В. Аристовская. Она указала, что миграция атомов химических элементов может быть как прямым, так и косвенным результатом жизнедеятельности организмов (в первую очередь бактерий). В табл. 4 совмещены классификационные подходы Вернадского (горизонтальные ряды) и Андрусова - Аристовской (вертикальные столбцы).
Таблица 4
Характер и локализация процессов, осуществляемых живым веществом
| Род геологической деятельности | Характер процесса \ Где протекает процесс | Внутри организма | Вне организма |
|---|---|---|---|
| I | Химический (биохимический) | Переваривание пищи, построение тела организма | Выделение во внешнюю среду продуктов метаболизма и экскретов; внеклеточное пищеварение |
| II | Механический | Пропускание через желудочный тракт грунтоедов и илоедов неорганических компонентов пищи, не подверженных перевариванию | Перемещение неживого вещества организмами в ходе жизнедеятельности |
Каковы же функции живого вещества в биосфере? По Вернадскому, таких функций девять: а) газовая; б) кислородная; в) окислительная; г) кальциевая; д) восстановительная; е) концентрационная; ж) функция разрушения органических соединений; з) функция восстановительного разложения; и) функция метаболизма и дыхания организмов. Эти выделенные Владимиром Ивановичем функции живого вещества с учетом накопленного за последние десятилетия материала можно несколько перегруппировать (табл. 5).
Таблица 5
Основные функции живого вещества в биосфере
| № п/п | Функции | Краткая характеристика происходящих процессов |
|---|---|---|
| 1 | Энергетическая | Поглощение солнечной энергии при фотосинтезе, а химической энергии - путем разложения энергонасыщенных веществ; передача энергии по пищевой цепи разнородного живого вещества |
| 2 | Концентрационная | Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества: а) используемых для построения тела организма; б) удаляемых из него при метаболизме |
| 3 | Деструктивная | 1) Минерализация необиогенного органического вещества; 2) разложение неживого неорганического вещества; 3) вовлечение образовавшихся веществ в биотический круговорот |
| 4 | Средообразующая | Преобразование физико-химических параметров среды (главным образом за счет необиогенного вещества) |
| 5 | Транспортная | Перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении |
Энергетическая функция проявляется в ассимиляции живым веществом энергии и передаче ее по трофической цепи. Установлено, что на собственные нужды организмы расходуют не более 10-12% ассимилированной ими энергии; остальная ее часть перераспределяется внутри экосистемы. Частично энергия рассеивается, а частично накапливается в биогенном веществе. После перехода в ископаемое состояние энергия "консервируется" в земной коре и служит энергетической базой для экзогенных геологических процессов.
Живое вещество является довольно совершенным приемником солнечной энергии. Вернадский подсчитал, что если поверхность Земли составляет едва 0,0001% поверхности Солнца, то суммарная поверхность ассимиляционного аппарата растений - от 0,86 до 4,2%. Измерения, произведенные красноярскими биофизиками в конце 70‑х годов, подтвердили порядок величин, полученных В. И. Вернадским.
Еще совсем недавно солнечная энергия считалась единственным энергетическим источником всех биотических процессов. При этом считалось, что и хемоавтотрофы используют энергию, когда-то ранее ассимилированную фотоавтотрофами и в дальнейшем законсервированную в метабиосфере. Сейчас, однако, показано, что живое вещество с успехом может использовать и "первичную" эндогенную энергию: абиссальные рифтовые сгущения жизни, описанные в предыдущей главе, потребляют эндогенный сероводород и энергетически независимы от солнечного излучения. Масштабы этого новооткрытого приемника энергии пока трудно оценить, но факт остается фактом: живое вещество ассимилирует энергию из обоих источников, поступающих в биосферу, - космического и эндогенного. А в итоге, как четко сформулировал французский ботаник Г. Гегамян, "энергетический баланс планеты как космической системы зависит от живого вещества".
В "Путешествиях Гулливера" Дж. Свифта мимолетно описан член Великой Академии Лапуты, восемь лет разрабатывающий проект извлечения энергии из огурцов и хранения ее в герметически закупоренных склянках. Неизвестно, решил ли эту проблему лапутянский труженик науки, но человечество в течение тысячелетий, действительно, использовало исключительно энергию, заключенную в живом веществе (правда, не в огурцах, а в дровах). Первые трудности возникли в середине прошлого века. В "Вестнике естественных наук" за 1847 г. можно прочитать следующее: "Ныне, когда в скором времени железные дороги прорежут Россию в разных направлениях, когда уже в Москве за сносную сажень березовых дров случается платить по 45 рублей ассигнациями, ныне по необходимости общее внимание обращено на приискание нового горючего материала, который ожидают получить или в каменном угле, или в торфе".
Энергия, заключенная в горючих ископаемых, в течение 100 с лишним лет удовлетворяла потребности человечества. Однако в наши дни человечество каждый год сжигает столько горючих ископаемых, сколько былые биосферы накопили их за миллион. При таких темпах потребления энергии, как говорилось на 27‑м Международном геологическом конгрессе в 1984 г., разведанных запасов нефти едва хватит на 32 года, газа - на 39 лет, угля - на 72 года. И поневоле взоры человечества снова обратились к возобновимому источнику энергии - живому веществу, а точнее, к зеленой массе растений (Свифт как в воду глядел!), из которой путем микробиологической переработки получают жидкое или газообразное топливо. В Бразилии, например, уже в ближайшие годы весь автомобильный транспорт должен перейти с бензина на этанол, получаемый при микробиогенной переработке сахарного тростника; та же схема получения горючего применяется и в Зимбабве. А в нашей стране разрабатывается проект использования фотосинтеза для разложения воды с получением кислорода и водорода. Для осуществления этого проекта выращивается культура двух микроорганизмов: водоросли и анаэробной цианобактерии. Осуществится ли этот проект - покажет будущее. Но, как бы то ни было, можно не сомневаться, что для удовлетворения своих потребностей человечество всегда в той или иной форме будет использовать энергетическую функцию живого вещества.
Вторая основная функция, осуществляемая живым веществом в биосфере, - концентрационная. Концентрируемое вещество частично используется для построения мягкого тела и скелета организмов, а частично - выделяется во внешнюю среду в виде экскрементов.
Концентрация вещества осуществляется двояко. Наиболее распространенный случай - это концентрация элементов в ионной форме из истинных растворов. Так строит свой скелет большинство морских беспозвоночных. Второй случай - это седиментация вещества из суспензий коллоидных растворов фильтрующими организмами.
Вопрос о концентрации живым веществом элементов из истинных растворов интенсивно разрабатывал выдающийся русский минералог, профессор Яков Владимирович Самойлов (1870-1925). Он был не только учеником и соратником Вернадского, но и его крестным сыном; при крещении он получил отчество, образованное от имени Владимира Ивановича.
В отличие от своего учителя Самойлов подходил к этому вопросу не с геохимических, а с минералогических позиций. Фактического материала в начале века было маловато, и опираться иногда приходилось на интуицию. И интуиция не подводила Якова Владимировича. В 1910 г. в статье о месторождениях барита Самойлов писал следующее: "И нам представляется уместным поставить вопрос… не имеются ли какие-нибудь организмы, содержащие в своей раковине барий, и следовательно, не происходит ли концентрация этого элемента в силу жизнедеятельности известных организмов…"
Данных о нахождении бария в составе морских организмов не было. Но в том же 1910 г. выходит книга А. Щепотьева "Исследование над низшими организмами", в которой были описаны кристаллы барита, найденные в организмах планктона - корненожках! Предположение Я. В. Самойлова блестяще подтвердилось.
Сейчас установлено, что способность концентрировать элементы из весьма разбавленных растворов является характерной особенностью живого вещества. Известно, что в современной биосфере организмы массами извлекают из недосыщенных растворов углекислые соли кальция, магния и стронция, кремнезем, фосфаты, йод, фтор и другие компоненты. Действуют они при этом строго избирательно, что можно проиллюстрировать на следующем примере. В морской воде содержание магния достигает 1350 мг/л, кальция - 400, а кремния - единицы миллиграммов. Однако, несмотря на такое соотношение, гидробионты строят свой скелет преимущественно из соединений кальция и кремния, а не магния. Степень солености морской воды в то же время в значительной мере регулирует интенсивность концентрации организмами микроэлементов.
Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы. Известный западногерманский микробиолог В. Э. Крумбейн показал, что в продуктах жизнедеятельности некоторых видов микроорганизмов по сравнению с окружающей средой содержание марганца увеличено в 1 200 000 раз, железа - в 650 000 раз, ванадия - в 420 000 раз, серебра - в 240 000 раз и т. д. Однако и бактерии не творят минералы "из ничего". Эту особенность живого вещества в афористической форме сформулировал геолог Александр Васильевич Хабаков: "Бактерии не самовластные творцы месторождений, а их природные технологи-обогатители".
Благодаря концентрационной функции живого вещества во многих живых организмах обособляются минеральные образования. Морфологически они очень разнообразны. В качестве примеров можно назвать минеральные включения в тканях высших растений, капельки элементарной серы в клетках некоторых бактерий, раковины моллюсков и брахиопод, панцири диатомовых водорослей, скелеты животных и т. д.