В биосфере Земли происходит практически полный рециклинг материи - вторичное использование атомов, постоянный процесс движения и перераспределения вещества, который определяет даже формирование литосферы за счет осадочных горных пород под влиянием живого вещества. Можно считать, что гранитно-осадочная оболочка земного шара отражает процессы, происходящие в биосфере. Около 99% всего вещества в верхних слоях литосферы трансформировано живыми организмами. Большая часть поверхности земного шара покрыта вторичными осадочными породами, которые являются результатами жизнедеятельности живых организмов. В.И. Вернадский показал, что в природе нет более мощной геологической силы, чем живые организмы и продукты их жизнедеятельности.
Весь лик Земли: все ее ландшафты, атмосфера, химический состав вод - все это обязано своим происхождением прежде всего жизни. Именно жизнь, или, как говорил В. И. Вернадский, живое вещество, определила в первую очередь те эволюционные процессы, которые привели нашу планету в современное состояние. Жизнь - это связующее звено между космосом и Землей, которое, используя энергию, приходящую на Землю из космоса (прежде всего от Солнца), трансформирует мертвое (косное, по терминологии В. И. Вернадского) вещество, создает новые формы
77
материального мира, в миллионы раз ускоряя все процессы развития, протекающие на Земле. Жизнь - тонкая пленка между космосом и Землей, благодаря способности которой усваивать энергию космоса и произошли удивительные трансформации косного вещества, преобразовавшие "лунные пейзажи" и сейчас покрывающие лик нашей соседки в прекрасный лик современной Земли. Появление жизни на Земле - это естественный этап ее развития, ознаменовавший качественную эволюцию Земли как космического тела.
В.И. Вернадский подчеркивал, что живое вещество - самая активная форма материи во Вселенной. Оно производит гигантскую геохимическую работу в биосфере, оно за время своего существования полностью преобразовало верхние оболочки Земли.
В биосфере в результате жизнедеятельности микроорганизмов в больших масштабах осуществляются такие химические процессы, как окисление и восстановление элементов с переменной валентностью (азот, сера, железо, марганец и др.). Микроорганизмы-восстановители гетеротрофны, используют в качестве источника энергии органические вещества. К ним относятся денитрифицирующие и сульфатредуцирующие бактерии, восстанавливающие из окисленных форм азот до элементарного состояния и серу до сероводорода. Микроорганизмы-окислители могут быть как автотрофами, так и гетеротрофами. Это бактерии, окисляющие сероводород и серу, нитри- и нитрофицирующие микроорганизмы, железные и марганцевые бактерии, концентрирующие эти металлы в своих клетках.
Геологические результаты деятельности этих организмов проявляются в образовании осадочных месторождений серы, в образовании в анаэробных условиях залежей сульфидов металлов, а в аэробных условиях - в окислении их и переводе в растворимое состояние, возникновении железных и железомарганцевых руд.
За счет жизнедеятельности огромного числа гетеротрофов, в основном грибов, животных и микроорганизмов, происходит гигантская в масштабах всей Земли работа по разложению органических остатков. При деструкции органической массы протекает два параллельных процесса. Разложение органических соединений в конечном счете до углекислого газа, аммиака и воды, а в анаэробных условиях - еще и до водорода и углеводородов представляет процесс минерализации. Продукты минерализации вновь используются автотрофами. Кроме того, в почве часть освобождающихся веществ ароматической природы под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов вновь конденсируется с образованием сложного комплекса соединений - почвенного гумуса (различные гумусовые кислоты и их соли) со значительным запасом энергии. Этот процесс стимулируется деятельностью многих почвенных групп гетеротрофов. Гумус является основой почвенного плодородия. Его разложение протекает в дальнейшем очень медленно,
78
под влиянием определенной, автохтонной микрофлоры почв, чем достигается постоянство в обеспечении растений элементами минерального питания.
Природные воды, обогащенные этими продуктами минерализации, становятся химически высокоактивными и разрушают горные породы.
Процесс разложения органических веществ, при котором освобождается химическая энергия, характерен для всех частей биосферы, где есть живые организмы, тогда как фотосинтез протекает только на поверхности суши и в верхнем слое водоемов. Часть органического вещества, попадающего в условия, неблагоприятные для деятельности деструкторов, захоранивается и консервируется в составе осадочных пород, поэтому синтез органических веществ в масштабе всей биосферы неполностью уравновешивается их разложением.
Эта некоторая несбалансированность процессов синтеза и разложения органических веществ в биосфере определила кислородный режим современной воздушной оболочки Земли.
Кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза. Единственный источник абиогенного поступления свободного кислорода - фотодиссоциация молекул воды в верхних слоях атмосферы - очень незначителен. Количество молекул О2, выделяемых зелеными растениями, пропорционально количеству связываемых молекул СО2. Выделенный кислород вновь используется на окисление углерода при минерализации органического вещества и дыхании организмов, но так как часть органических веществ захоранивается в осадочных породах, то эквивалентное количество О2 остается в атмосфере. Значительная часть его идет на окисление минеральных веществ. С увеличением концентрации свободного кислорода в воздухе расход его на окисление минералов возрастает, с уменьшением - снижается. Накопление кислорода в атмосфере началось еще с докембрия, и к началу палеозоя содержание его, по некоторым данным, не превышало 10% от современного. В дальнейшем оно подвергалось довольно значительным колебаниям, но в целом с тех пор неуклонно растет, хотя в истории Земли были периоды, когда концентрация О2, по-видимому, превышала современную. Весь наличный запас свободного кислорода в атмосфере оценивается в 1,6 · 1015 т, зеленые растения могут воссоздать его за 10 тыс. лет.
В верхних слоях тропосферы под влиянием ультрафиолетового излучения из кислорода образуется озон. Существование озонового экрана - также результат деятельности живого вещества, которое, по выражению В. И. Вернадского, "как бы само создает себе область жизни".
Углекислый газ поступает в атмосферу за счет дыхания всех организмов. Второй, менее мощный его источник - выделение по трещинам земной коры из осадочных пород за счет химических
79
процессов, совершающихся под действием высоких температур. Он также имеет биогенное происхождение. Часть углекислого газа поступает в атмосферу из абиогенного источника - непосредственно из мантии Земли при вулканических извержениях. Эта часть лишь 0,01% от СО2, выделенного живыми организмами.
Расходуется углекислый газ в процессах органического синтеза, а также на выветривание горных пород и образование харбо-натов. Содержание СО2 в атмосфере в ранний период развития жизни было более высоким. В течение фанерозоя оно изменялось в довольно широком диапазоне. В девоне и начале карбона, а также в перми, по новейшим подсчетам, оно превышало современный уровень в 6-10 раз, а начиная с середины мела неуклонно падает.
Азот атмосферы химически инертен, но и он участвует в процессах синтеза и распада органического вещества. Азот усваивают из атмосферы многие прокариотические организмы - азотфиксаторы, после их смерти он переходит в доступные растениям соединения и включается в цепи питания и разложения.
К газам органического происхождения относятся также сероводород, метан и множество других летучих соединений, создаваемых живым веществом. За один день, например, 1 га можжевелового леса может выделить в атмосферу до 30 кг летучих веществ - фитонцидов.
Продуцируя и потребляя газообразные вещества, организмы биосферы поддерживают постоянство состава воздушной оболочки Земли.
Живое вещество перераспределяет атомы в биосфере. Многие организмы обладают способностью накапливать, концентрировать в себе определенные элементы, несмотря на часто ничтожное содержание их в окружающей среде. Например, литотамниевые водоросли накапливают в своих телах до 10% магния, в раковинах брахиопод содержится около 20 % фосфора, в серных бактериях - до 10% серы. Многие организмы концентрируют кальций, кремний, натрий, алюминий, йод и т.д. Отмирая и захора-ниваясь в массе, они образуют скопления этих веществ. Возникают залежи таких соединений, как известняки, бокситы, фосфориты, осадочная железная руда и др. Многие из них человек использует как полезные ископаемые.
Живое вещество активно участвует также в грандиозных процессах перемещения, миграции атомов в биосфере через систему больших и малых круговоротов.
Энергия Солнца растрачивается в громадном большинстве физических и химических процессов в гидросфере, атмосфере и литосфере: при перемешивании воздушных и водных масс, выветривании, испарении, перераспределении веществ, растворении минералов, поглощении и выделении газов и т. п.
80
На Земле существует один-единственный процесс, при котором энергия солнечного излучения не только тратится и перераспределяется, но и связывается, запасается на очень длительное время. Этот процесс - создание органического вещества в ходе фотосинтеза. Сжигая в топках каменный уголь, мы освобождаем и используем солнечную энергию, запасенную растительностью сотни миллионов лет назад.
Основная планетарная функция живого вещества на Земле заключается, таким образом, в связывании и запасании солнечной энергии, которая затем идет на поддержание множества других геохимических процессов в биосфере.
За время существования жизни на Земле живое вещество преобразовало огромное количество солнечной энергии. Значительная часть ее в ходе геологической истории накопилась в связанном виде. Для современной биосферы характерны залежи угля и других органических веществ, образовавшихся в палеозое, мезозое и кайнозое.
81
