Кто возводит горы и насыщает породу минералами: миллиарды крохотных строителей

На фоне бескрайней монгольской степи горы смотрятся особенно внушительно. Стоя у подножия, так и тянет поразмышлять о колоссальной мощи земных недр, нагромоздивших эти хребты. Но уже на пути к вершине в глаза бросается тонкий узор, покрывающий скальные выступы. Это дождевая вода чуть-чуть вытравила слагающие гору пористые скелеты древних губок-археоциат, настоящих строителей горного массива.

Когда-то, более полумиллиарда лет назад, ярким рифом вулканического острова они поднимались со дна теплого моря. Он погиб, накрытый мощным слоем горячего пепла – некоторых археоциат даже выжгло, и в застывшем туфе сохранились полости. Однако многие остовы, еще при жизни сросшиеся между собой и «вмороженные» в породу извилистыми прослойками морского цемента, остаются на своих привычных местах и сегодня, когда моря здесь давно нет. Каждый такой скелет меньше мизинца. Сколько же их здесь?

Известно, что в каждом 1 см³ писчего мела содержится порядка 10 млрд изящных известковых чешуек планктонных водорослей кокколитофорид. Намного позднее времени монгольских морей, в мезозойскую и нынешнюю кайнозойскую эру, они воздвигли меловые утесы Англии, приволжских Жигулей и других массивов, покрыли дно всех современных океанов. Масштабы их строительной деятельности поражают воображение. Но и они меркнут в сравнении с другими преобразованиями, которые произвела на планете ее собственная жизнь.

Соленый вкус морей и океанов определяется присутствием хлора и натрия. Ни тот ни другой элемент не требуется морским существам в больших количествах, и они накапливаются в водном растворе. Зато почти все остальное – все, что выносится реками и поступает из недр через горячие донные источники, – поглощается в одно мгновение. Кремний берут для своих витиеватых раковинок одноклеточные – диатомовые водоросли и радиолярии. Почти все организмы нуждаются в фосфоре, кальции и, конечно, углероде. Интересно, что создание известкового скелета (как у кораллов или древних археоциат) происходит с выделением углекислого газа, поэтому побочным результатом строительства рифов стал парниковый эффект.

Кокколитофориды поглощают из воды не только кальций, но и растворенную серу. Она требуется для синтеза органических соединений, которые повышают плавучесть водорослей и позволяют им держаться вблизи освещенной поверхности. Когда эти клетки отмирают, органика распадается, и летучие соединения серы испаряются вместе с водой, служа затравкой для образования облаков. В литре морской воды кокколитофорид может содержаться до 200 млн, и ежегодно эти одноклеточные поставляют в атмосферу до 15,5 млн т серы – почти в два раза больше, чем наземные вулканы.

Солнце способно дать Земле в 100 млн раз больше энергии, чем собственные недра планеты (3400 Вт/м² против 0,00009 Вт/м²). Благодаря фотосинтезу жизнь может распоряжаться этими ресурсами, получая силу, превосходящую возможности геологических процессов. Конечно, значительная доля солнечного тепла просто рассеивается. Но все равно поток энергии, производимый живыми организмами, в 30 раз превышает геологический. Жизнь контролирует планету не менее 4 млрд лет.

Без живых организмов многие осадочные породы не образовались бы вовсе. Минералог Роберт Хейзен, сравнивший разнообразие минералов на Луне (150 видов), Марсе (500) и нашей планете (более 5000), сделал вывод, что появление тысяч земных минералов прямо или косвенно связано с деятельностью ее биосферы. Осадочные породы накапливались на дне водоемов. Опускаясь на глубину, за миллионы и сотни миллионов лет останки организмов образовали мощные отложения, которые оставалось выдавить на поверхность в виде горных хребтов. Это происходит за счет перемещения и столкновения огромных тектонических плит. Но и сама тектоника не была бы возможной без разделения горных пород на своего рода «темную» и «светлую материю».

Первую представляют, например, базальты, где преобладают минералы темных тонов – пироксены, оливины, основные плагиоклазы, а среди элементов – магний и железо. Вторые, такие как граниты, сложены минералами светлых оттенков – кварцем, калиевыми полевыми шпатами, альбитовыми плагиоклазами, богатыми железом, алюминием и кремнием. Темные породы плотнее светлых (в среднем 2,9 г/см³ против 2,5–2,7 г/см³) и образуют океанические плиты. При столкновении с менее плотными, «светлыми» континентальными плитами океанские погружаются под них и переплавляются в недрах планеты.

Древнейшие минералы указывают, что первой появилась именно «темная материя». Однако эти плотные породы не могли погружаться сами в себя, чтобы привести плиты в движение. Для этого понадобилась «светлая сторона» – минералы, которые в неподвижной коре Марса и Луны как раз оказываются в дефиците. Недаром Роберт Хейзен считает, что именно живые организмы Земли, преобразуя одни породы в другие, в конечном счете привели к накоплению «светлой материи» плит. Конечно, такой сверхзадачи эти существа – по большей части одноклеточные актиномицеты и другие бактерии – себе не ставили. Их цель, как и всегда, заключалась в поисках пропитания.

В самом деле, изверженное вулканом базальтовое стекло на 17% состоит из железа, и каждый его кубометр способен прокормить 25 квадриллионов железобактерий. Существуя не менее 1,9 млрд лет, они умело превращают базальт в «нанорешето», наполненное новыми глинистыми минералами (в последние годы такой механизм получает признание под названием биогенной фабрики глинистых минералов). Когда подобная порода отправляется в недра на переплавку, из нее образуются новые, «легкие» минералы.

Вероятно, являются продуктом деятельности бактерий и железные руды. Более половины из них образовалось между 2,6 и 1,85 млрд лет назад, и одна только Курская магнитная аномалия содержит около 55 млрд т железа. Без жизни они вряд ли могли бы накопиться: для окисления и выпадения в осадок растворенного в океане железа требуется свободный кислород, появление которого в нужных объемах возможно лишь за счет фотосинтеза.

Жизнь способна вести «переработку» железа и в темных, лишенных кислорода глубинах. Атомы этого металла, выносимые подводными источниками, захватываются бактериями, способными окислять двухвалентное железо с образованием трехвалентного, оседающего на дно зеленой ржавчиной. Пару миллиардов лет назад, когда на планете кислорода было еще очень мало, такое происходило повсеместно, а сегодня деятельность этих бактерий можно увидеть в некоторых бедных кислородом водоемах.

Возможно, что и крупные месторождения золота не появились бы без участия анаэробных, не нуждающихся в кислороде бактерий. Основные залежи драгоценного металла (в том числе и в Витватерсранде на юге Африки, где разведанные запасы составляют около 81 тыс. т) сформировались 3,8–2,5 млрд лет назад. Традиционно считалось, что здешние золотые руды образовались при переносе и перемывании золотых частиц реками. Однако изучение золота Витватерсранда открывает совсем иную картину: металл «добыли» древние бактерии.

Странные углеродные столбики, обрамленные частицами чистого золота, Дитер Хальбауэр описал еще в 1978 году. Долгое время его открытие не привлекало большого внимания, пока микроскопический и изотопный анализ рудных образцов, моделирование рудообразования колониями современных микробов и другие расчеты не подтвердили правоту геолога. По-видимому, около 2,6 млрд лет назад, когда вулканы насыщали атмосферу сероводородом, серной кислотой и сернистым газом с парами воды, кислотные дожди размывали породы, содержавшие рассеянное золото, и выносили растворы на мелководье. Однако сам драгоценный металл поступал туда в виде опаснейших для любых живых существ соединений, подобных цианиду.

Отводя угрозу, микробы «обеззараживали» воду, восстанавливая токсичные соли золота до органометаллических комплексов или даже до чистого металла. Сверкающие частицы оседали на бактериальные поселения, формируя слепки многоклеточных цепочек, которые сегодня можно рассмотреть с помощью сканирующего электронного микроскопа. Микробы продолжают осаждать золото и сейчас – этот процесс наблюдается, например, в горячих источниках Новой Зеландии, хотя и в весьма скромных масштабах.

И Витватерсранд, и, вероятно, другие месторождения того же возраста стали итогом жизнедеятельности бактериальных сообществ в бескислородной атмосфере. Курская магнитная аномалия и близкие ей железорудные месторождения были сложены в начале кислородной эпохи. Однако больше месторождения такого масштаба не появлялись и вряд ли когда-нибудь начнут складываться снова: состав атмосферы, горных пород и вод океана с тех пор многократно изменился.

Но за это время сменились и бесчисленные поколения живых организмов, и каждое из них успело поучаствовать в глобальной эволюции Земли. Исчезли заросли морских губок и древовидных хвощей суши, даже стада мамонтов ушли в прошлое, оставив след в геологии. Настало время других существ и новых перемен всех оболочек нашей планеты – водной, воздушной и каменной.