Соль жизни: планетарная "солонка" и "первичный бульон"

А.В. КУЛИК профессор Курского государственного университета

Гипергенез: дорога к жизни

Существующие в биосфере банки плодородия различны по своей природе, тем не менее общее, принципиальное значение для их образования имел процесс выветривания горных пород (гипергенез, по терминологии А.Е. Ферсмана). Нам совершенно необходимо, хотя бы вкратце, рассмотреть существо этого грандиозного планетарного явления.

Основным источником минеральных элементов жизни, некой планетарной «солонкой», является земная кора, та гигантская «каменная чаша», которая сложена разнообразными кристаллическими горными породами. Образующая ее масса минерального вещества в целом очень велика. Особенно в континентальной части земной коры, которая характеризуется весьма значительной толщиной (порядка 40—50 км, а в горных областях и того больше) и наряду с базальтовым основанием имеет мощный гранитный слой на всем своем протяжении. Однако это вовсе не означает, что, во-первых, земная кора насыщена именно теми минеральными элементами, которые необходимы для жизни, и во-вторых, эти элементы изначально находятся в доступной для нее форме.

Главная геохимическая особенность земной коры — чрезвычайно высокое содержание (кларк) кислорода, проистекающее от его способности образовывать очень прочные связи с различными элементами. Кислород составляет 46,6% от массы земной коры. Второе место занимает кремний, на долю которого приходится 27,72%. Кремнекислородные соединения (главным образом силикаты) практически полностью слагают объем земной коры, включая минералы, образующие гранит: кварц, полевые шпаты, слюды, роговую обманку.

Если учесть относительно более крупные размеры анионов кислорода по сравнению с катионами кремния, то нам откроется и вовсе парадоксальная картина — все вещество земной коры предстанет в виде сплошного кислородного каркаса, в пустотах которого располагаются более мелкие катионы кремния, а также некоторых других химических элементов. Каркас кислородных анионов играет роль своеобразного геохимического фильтра, который допускает внутрь кристаллической решетки только положительно заряженные ионы определенного размера. В числе допущенных элементов оказались алюминий, железо, магний, кальций, калий и натрий. Вместе с кислородом и кремнием они составили, как это было установлено еще американским геохимиком Ф. Кларком, основную восьмерку химических элементов (преимущественно легких), на долю которых приходится в совокупности более 99% массы земной коры.

Такое своеобразие химического состава земная кора унаследовала от породившей ее магмы, представляющей собой силикатный раствор-расплав, в котором изначально преобладают названные выше 8 химических элементов во главе с кислородом и кремнием. Разница состоит лишь в том, что магма содержит в себе еще значительное количество летучих соединений в виде паров и газов, от которых она освобождается в процессе остывания и отвердения. Основная, силикатная, часть магмы претерпевает при этом главным образом структурные (хотя и весьма сложные) изменения, связанные с последовательной кристаллизацией и закономерной сортировкой атомов содержащихся в ней химических элементов (еще раз подчеркнем — под контролем кислородно-кремниевого фильтра).

В магме (а стало быть, и в порожденных ею магматических горных породах) имеются и все другие химические элементы, отображенные в таблице Менделеева. Так, в граните присутствуют титан, фосфор, марганец, сера, фтор, хлор, барий, стронций, литий, хром, рубидий, ванадий, цирконий, никель, медь, цинк и многие другие элементы. Одни элементы из категории малораспространенных, имеющие подходящий ионный радиус, вошли в кристаллохимические структуры силикатов в виде изоморфных примесей (надо заметить, что явления изоморфизма играют очень важную роль в химии силикатов). Другие, обладающие слишком большими или слишком малыми радиусами ионов, не смогли преодолеть упомянутый фильтр и оказались в силу этого в магматическом остатке в неупорядоченной и рассеянной форме. Но все они в сумме составляют меньше 1%.

Итак, земная кора безусловно располагает в потенции всеми необходимыми для жизни зольными элементами. Однако их кларки зачастую невелики. Многие элементы пребывают в рассеянном состоянии. Все они при этом изначально находятся в инертной, законсервированной форме, поскольку заключены в твердую каменную оболочку. Основная масса этих элементов располагается к тому же на недосягаемой (для тончайшей поверхностно-планетарной пленки живого вещества) глубине. На этом фоне не только существование жизни, но и само ее появление на Земле выглядит маловероятным и даже совершенно бесперспективным.

И вот здесь начинаются такие события, которые в корне меняют дело. Выплавленная из магмы и оказавшаяся на поверхности земная кора вступает в качественно новую фазу своей эволюции. Начинается грандиозное по своим масштабам и последствиям выветривание горных пород, или гипергенез. Причиной этого весьма сложного планетарного явления служит то обстоятельство, что структура и химическое строение минерального вещества закономерно стремится к равновесию с окружающей его средой, и стало быть, прочные и устойчивые системы из атомов, образовавшиеся в одних условиях, становятся совершенно неустойчивыми — в других. Горные породы земной коры сложены минералами, возникшими в глубинах при очень высоких температурах и давлении. Однако на поверхности суши давление не превышает одну атмосферу, низка и температура, которая к тому же непостоянна и подвержена сезонным и суточным колебаниям. Наконец, что очень важно, земная кора находится под прямым воздействием солнечной энергии и воды. На этом фоне в твердых породах исподволь начинается перегруппировка атомов и образование новых минералов, которые соответствовали бы изменившимся внешним условиям.

Если говорить конкретно, трехмерные кристаллические силикаты перестраиваются в почти двухмерные плоские структуры. В зоне гипергенеза образуются принципиально новые силикаты (ранняя Земля их еще не знала) — глины, которые составлены из плоских, микроскопических размеров (порядка 0,001 мм) кристаллических частиц, представляющих собой листы кремнекислородных тетраэдров, связанных в двух- или трехслойные пакеты. Эти листы в процессе выветривания последовательно «штампуются» на поверхности горной породы и отделяются от нее под действием воды. Кристаллохимическая структура глинистых минералов приходит в равновесие с новыми условиями. На поверхности суши глины оказываются более устойчивыми, чем «несокрушимый» гранит.

В контексте рассматриваемой нами проблемы наибольшее значение имеет, однако, то обстоятельство, что в процессе выветривания толщи горных пород, составленных трехмерными силикатами, освобождаются от катионов химических элементов с большим ионным радиусом, поскольку им становится тесно в плоских пакетах. Диффузия катионов начинается в результате того, что на границе контакта глубинного силиката и воды возникает перепад концентрации: в воде мало катионов, но есть протоны, а в минерале много катионов. Катионы уходят в воду и затем с ней выносятся. Потеря заряда при уходе катиона компенсируется внедряющимися в структуру протонами, которые связываются с ионами кислорода.

По данным геохимической науки, первыми из горной породы уходят в водные растворы кальций, натрий, калий, а затем магний и железо. Вместе с ними частично удаляются атомы, находившиеся в виде изоморфной примеси или в состоянии неупорядоченного рассеяния. В результате помимо кислорода и кремния в конечных продуктах выветривания остается только алюминий. Такова цена приобретенной устойчивости.

В целом же от всего этого происходит колоссальный выигрыш: природа получает реальную перспективу для дальнейшей эволюции в сторону жизни. Дело в том, что необходимые для будущей жизни зольные химические элементы освобождаются от каменного плена, переходят в подвижное растворимое состояние, тем самым создаются предпосылки для их включения в грядущие биологические процессы. Вследствие гипергенного преобразования вещества земной коры на поверхности суши начинается грандиозное по своим масштабам движение (миграция) атомов в природных водах. Значительная часть высвободившихся элементов с речным стоком покидает сушу и направляется в сторону океана, вливаясь в «первичный бульон».

Жизнь, как мы знаем, долгое время (до начала фанерозоя) существовала только в океане, где она претерпела прогрессивные превращения и прошла длительный эволюционный путь, начиная от прокариот и заканчивая хордовыми. Многие обстоятельства указывают (прямо или косвенно) на то, что там она и начиналась. Жизнь возникла в растворе и из раствора. Вода («самое лучшее, что есть») — главная составная часть (до 99%) живого вещества. Организмам, находящимся в окружении воды, не грозит губительная для них потеря влаги, т. е. высыхание. Водная среда благоприятствует половому размножению. В то же время вода в природе никогда не бывает в химически чистом виде, а представляет собой растворы различных веществ, в том числе жизненно необходимых. Обитающие в водной среде автотрофные организмы (в том числе и многоклеточные) могут воспринимать эти вещества кратчайшим путем, через поверхность своего тела, не испытывая нужды в специальных для этого органах. Немаловажное значение имеет и то обстоятельство, что достаточно большой и стабильный объем воды создает постоянство экологических условий. Покинув в силуре океан и став настоящими сухопутными организмами, высшие позвоночные животные (начиная от рептилий) сохранили его в себе на эмбриональном уровне в виде так называемой амниотической полости, которая по существу представляет собой индивидуальный микробассейн, создающий благоприятные условия для развития зародыша.

Между тем первичный океан был абсолютно непригоден для жизни. Он возник свыше 4 млрд лет назад в результате выноса из расплавленного вещества мантии вышеупомянутых паров воды и газов с последующей их конденсацией и превращением в жидкую форму. Поскольку мантийные магматические газы были насыщены преимущественно анионогенными элементами (Cl, S, As, Br, I и др.), которые легко перешли в водный раствор, первичный океан оказался «посоленным» лишь односторонне. В нем преобладали анионы, а этого недостаточно для реализации жизненных процессов. К тому же кислые вулканические дымы (содержащие огромное количество НСl, СО₂, HF и других газов), растворяясь, определяли в это время сильно кислую и, следовательно, несовместимую с жизнью реакцию океанических вод.

К счастью (для будущей жизни), химический состав океана, как и его кислотность, были позднее нормализованы (приведены в соответствие с требованиями жизни), главным образом благодаря поступлению с речным стоком катионов, высвобождающихся в процессе выветривания континентальных горных пород. Конечно, были и другие источники поступления в океан минеральных веществ: льды, подземный сток, гидротермы, морская эрозия, аэрозоли, пыль, внеземные источники. Ветры, дующие с континентов, поставляют в океан значительное количество тонкой пыли, переносимой на значительные расстояния. Эта пыль осаждается на дно океана и входит в состав океанических осадков. Однако все они в сумме никак не могли конкурировать в приходном балансе растворенного вещества в океане с континентальным выветриванием. Именно в результате интенсивного выщелачивания катионов из глубинных горных пород в океанической воде установилось равновесие анионов и катионов. Только поэтому океан обрел с течением времени качества жизненной среды.

И, стало быть, процесс выветривания континентальных горных пород — гипергенез, обстоятельно описанный в геологической, географической и геохимической литературе в соответствующих категориях и терминах (со времен В.В. Докучаева, К.Д. Глинки, Б.Б. Полынова, И.И. Гинзбурга, О. Тамма, З. Келлера, Г. Грассовица), приобретает в свете сказанного нами статус основополагающего фактора не только существования и развития жизни, но и самого ее возникновения на Земле.

И еще. Образование, перемещение и отложение глинистых частиц является конечным итогом процесса выветривания. Однако ему предшествует и всегда сопутствует прогрессирующее физико-механическое измельчение кристаллических горных пород под действием воды и колебания температур (суточного и сезонного). В результате в речную систему направляется еще и твердый сток, состоящий из различного рода и величины минеральных частиц, включая глинистые. Масса вещества, переносимого поверхностными водами в виде твердых обломков, нередко бывает больше количества химических элементов, которые переносятся в растворимом состоянии.

Казалось бы, весь твердый сток рано или поздно должен оказаться в океане, поскольку именно туда текут континентальные реки. Однако основная масса осадочных пород, образующихся в процессе выветривания, остается в пределах континентов. Это объясняется тем, что в континентальной части земной коры, в силу тектонических процессов, возникают местами огромные прогибы — геосинклинали. Постепенное их опускание сопровождается одновременным заполнением продуктами разрушения окружающих горных пород. В геосинклиналях откладываются мощные толщи. В них сосредоточено около 75% всех осадочных пород, которые находятся на континентах. Но и большая часть обширных, выровненных выветриванием платформ также покрывается чехлом осадочных пород, правда, их мощность оказывается значительно меньше, чем в геосинклинальных прогибах. В результате отложения измельченных продуктов выветривания горных пород постепенно (в течение миллионов лет) на Земле формируется особое геохимическое образование — континентальная кора выветривания. В отличие от монолитной горной породы, это образование изначально приобретает рыхлую структуру, не только способную, как губка, удерживать в себе воду, но и доступную для прорастания корней будущих высших растений.

Тем самым кора выветривания создает необходимые физико-механические предпосылки для грядущего образования почвенного покрова, который станет в свою очередь ареной континентальной жизни. Мы непременно поговорим об этом подробнее, но сначала посмотрим, какие последствия имел континентальный гипергенез для океанической жизни, которая не только шла впереди, но и достигла высокой организации, в то время как материки продолжали оставаться бесплодными.

Океанические поля плодородия

Мировой океан огромен: он покрывает более двух третей поверхности Земли, его глубина достигает 11 000 м. Однако, несмотря на благоприятные в принципе условия для существования жизни, океан в целом (во всей его массе) нельзя назвать идеальным питательным раствором для первичных продуцентов органического вещества. Соленость океана, которая составляет в среднем 3,5%, обусловлена главным образом хлористым натрием и в меньшей степени — сернокислым магнием. Незначительная примесь и следы других элементов, в том числе биофильных, составляют в сумме не более 0,5%. Несмотря на постоянный приток с континентов минерального вещества (по расчетам разных специалистов, ежегодно приносится от 2,5 до 3,2 млрд т солей), океаническая вода не может быть достаточно, как это требуется для жизни, насыщена ими (слишком велик ее объем). К тому же не все привнесенные вещества остаются в растворе. Частично они захватываются морскими организмами (которые с течением времени отмирают), сорбируются взвешенными глинистыми частицами, концентрируются в фекальных комках — пеллетах и в конце концов уходят в донные осадки. Наконец, такие природные процессы, как перемешивание морской воды (приливами и отливами, течениями и водоворотами, восходящими и нисходящими потоками и т. д.) и диффузия ионов, приводят к рассеянию химических элементов в необозримой океанской пелагиали.

Кроме того, значительная часть солей с брызгами волн захватывается ветром и вовлекается в обратную миграцию через атмосферу. Особенно это касается анионов (Cl, Br, S, I и др.), которые составляют основную массу веществ, переносимых с океана на сушу, где они активно участвуют в различных геохимических процессах на ее поверхности и вновь с речным стоком возвращаются в океан. Тем самым осуществляется непрерывный циклический обмен минеральных веществ между сушей и океаном, в котором ведущая роль их первичного генератора (по крайней мере, относительно катионов) принадлежит суше. В результате поступление веществ в современный океан в общем становится уравновешенным процессами их удаления в осадки дна и в атмосферу.

Как это ни парадоксально, океан, с точки зрения существующих в нем живых организмов, постоянно испытывает минеральный голод. Несмотря на изобилие воды, которая является необходимым условием жизни, по биологической продуктивности (в среднем на единицу площади пелагиали) открытый океан сопоставим с безводной континентальной пустыней. Океаническая жизнь сосредоточена главным образом в неритовой зоне, которая простирается от берега моря до конца материковой отмели, что обычно соответствует глубине до 200 м. Главная экологическая особенность этой зоны состоит в том, что она характеризуется повышенным содержанием элементов минерального питания первичных продуцентов за счет берегового стока. Неритовый фитопланктон как фундаментальная основа существования всех других форм жизни в целом значительно богаче по видовому составу и в несколько раз продуктивнее океанического. На долю промыслового лова рыбы в шельфовых водах приходится 92%.

Не только сейчас, но и во все прошлые геологические времена жизнь в океане была сосредоточена главным образом у морских побережий. Об этом со всей определенностью свидетельствуют сохранившиеся на континентах биогенные рифы. В качестве примера можно привести известковые холмы и гряды, тянущиеся длинной (на 250 км), но узкой (5—6 км) полосой вдоль Восточных Карпат (от г. Броды до г. Каменец-Подольский) в районе Днестра. Это остатки когда-то существовавшего барьерного рифа, построенного в основном красными водорослями литотамниями (Lithothamnion) в прибрежной полосе миоценового моря.

Есть и куда более древние свидетельства — так называемые строматолиты. На дне прибрежных мелководных участков докембрийских морей существовали синезеленые водоросли. Они извлекали из воды растворенные соли кальция и откладывали в слизистых чехлах своих нитей зернышки кальцита. Так образовались строматолиты (плотные слоистые овальные тела с разнообразной внутренней структурой, имеющие поперечник в несколько метров и высоту 1—2 м), которые являются, кстати, почти единственными неоспоримыми следами жизни, дошедшими до нас со времен докембрия. Именно по находкам строматолитов специалисты реконструируют очертания береговых линий давно исчезнувших морей и океанов.

Та же закономерность относительно распределения фитопланктона наблюдается и в крупных континентальных водоемах. Биологическая продуктивность в центральной части водоема очень низка, а у берегов, особенно в мелководных заливах и против устьев рек, она резко возрастает. Наконец, следует отметить, что фитопланктон практически полностью отсутствует в приледниковых водах. Эти чистые, прозрачные для света воды содержат в себе много кислорода и углекислого газа, но нет в них элементов минерального питании (а стало быть, нет и жизни).

Приведенные факты свидетельствуют в пользу того, что минеральные ресурсы, которыми располагает океаническая жизнь, представлены водным раствором и сконцентрированы главным образом в узкой прибрежной полосе. Они проистекают главным образом от постоянного притока минеральных солей, освобождающихся в результате выветривания континентальных горных пород.

Но есть в океане еще и другие банки плодородия, имеющие осадочное происхождение. Под действием гравитации мертвое органическое вещество, образующееся в результате жизнедеятельности всевозможных морских организмов в неритовой зоне, постоянно осаждается на дно наряду с твердыми минеральными продуктами выветривания, поступающими со стороны континентов. В результате континентальный шельф с течением времени покрывается слоем весьма плодородного ила. Однако донное плодородие становится недоступным для автотрофной жизни на недосягаемых для солнечного света глубинах и потому в значительной мере выводится из биологического круговорота и с течением времени «уходит в геологию». Не случайно в пределах континентального шельфа нередки месторождения различных полезных ископаемых (нефти, газа и др.).

О том, насколько велика питательная ценность морских илистых отложений, можно судить по тем случаям, когда перешедшие в донный осадок биогенные элементы вновь возвращаются с токами воды в верхние, доступные для света слои воды. Известно явление, названное апвеллингом, суть которого состоит в подъеме глубинных вод, вызванном благоприятным сочетанием морских течений, а также ветровым сгоном поверхностных вод от крутого материкового склона. Апвеллинг мобилизует донное плодородие, перемещая и возвращая минеральные вещества в верхние слои воды и делая их доступными для фитопланктона со всеми вытекающими отсюда позитивными последствиями для всей морской экосистемы. Очень интенсивен апвеллинг у перуанского побережья. На базе высокой продуктивности фитопланктона здесь чрезвычайно высока продуктивность зоопланктона, а за счет этого растет соответственно численность рыб, главным образом анчоусов (Engraulis). Будучи небольшой страной, Перу в 1960-х годах по уловам рыбы вышла на первое место в мире. Периодическое ослабление действия пассатных ветров (обычно в конце декабря — начале января) и прекращение подъема холодных вод к поверхности в прибрежной части океана вызывают катастрофическое явление Эль-Ниньо. В отдельные годы Эль-Ниньо усиливается настолько, что проникает далеко на юг, оттесняет от побережья холодные воды Перуанского течения. К тому же тонкий поверхностный слой теплых вод прекращает поступление кислорода в более глубокие слои, что губительно действует на планктон и рыб богатейшего перуанского продуктивного района. В годы развития Эль-Ниньо рыба или гибнет, или покидает прибрежные воды, что вызывает высокую смертность питающихся рыбой морских птиц и уменьшает количество гуано, имеющего большую ценность как сельскохозяйственное удобрение.

Океанический ил — предшественник континентального почвенного покрова. Как и почва, ил представляет собой высокоплодородную органо-минеральную систему. Как и в почве, в нем обитают и питаются органическим детритом различные беспозвоночные животные, например, столь широко распространенные в почве малощетинковые черви. Более того, в нем происходят и столь характерные для почвы процессы гумификации.

Как и следует ожидать, освобождаясь по тем или иным причинам от воды и оказываясь на поверхности суши, морские илы становятся весьма плодородным субстратом для наземной растительности. Свидетельством тому могут служить так называемые марши, которые тянутся, например, вдоль побережья Северного моря в пределах Бельгии, Голландии и Дании полосой, которая имеет ширину около 30 км. Эти низменные равнины, которые заливаются морем только во время наиболее сильных приливов, заполнены илистыми морскими отложениями с обилием погребенных горизонтов торфа и разных видов сапропеля, на которых формируются богатые гумусом почвы. Окультуренные почвы маршей поддерживают экономику стран на очень высоком уровне. Обычные урожаи сена здесь 50—120, зерновых культур 40—60 ц/га. Основное направление сельскохозяйственного производства в этих странах — молочное животноводство — не имеет себе равных в мире.

Таким образом, можно заключить, что континентальным полям плодородия предшествовали подводные илистые отложения. Еще не было на Земле почвенного покрова, но уже давным-давно существовали плодородные подводные илы. Исторически в биосфере возникает биокосная система ил как некий банк плодородия, и только после этого — почва. Органоминеральная осадочная система, в полной мере обладающая свойствами плодородия, сначала образовалась под водой, в субаквальных условиях, и только значительно позднее в масштабах геологической шкалы времени — в субаэральных (В этой связи уместно напомнить весьма любопытный факт, что известный русский географ и путешественник, член Петербургской АН П.С. Паллас высказывал в 1779 г. хотя и ошибочное, но не лишенное своей логики предположение о том, что в основе образования черноземных почв лежит морской ил, оставшийся после отступления Черного и Каспийского морей).

Нет сомнения в том, что в далеком прошлом (начиная с силура) именно таким, илистым по своей природе полям плодородия, простиравшимся узкой извилистой полосой на границе между морем и сушей и насыщенным элементами минерального питания растений, суждено было сыграть (в отсутствие континентального почвенного покрова) роль стартового полигона в приспособительной эволюции многоклеточных морских бентосных водорослей к условиям континентальной жизни.