Основные черты глобального биокосного взаимодействия

VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013
ОСНОВНЫЕ ЧЕРТЫ ГЛОБАЛЬНОГО БИОКОСНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Н.Н. Верзилин
Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург,
geografff@gmail.com
Биокосные системы могут быть условно подразделены на несколько уровней. К наиболее
высокому из них, конечно, принадлежит биосфера. Под биосферой принято понимать сложную
наружную оболочку Земли, населенную жизнью. Но жизнь не может существовать вне
биохимических круговоротов. Поэтому, исходя из функциональной сущности этой оболочки,
понятие биосфера может быть определено как оболочка Земли, в пределах которой происходят
биокосные взаимодействия. Естественно, где нет жизни, там нет и биокосного взаимодействия,
а где она есть — они неизбежны (Верзилин, 2004). Соответственно, учение о биосфере
может быть определено как наука о коэволюции живого и косного миров и планетарных
ее результатах. Следует указать, что, говоря о биокосном взаимодействии, имеют в виду
взаимоотношения между живыми организмами и косным веществом, понимая под последним,
согласно В.И. Вернадскому, материал, образуемый процессами, в которых живое вещество
не участвует. При этом под косным веществом понимается не только минеральное, но любое
неорганогенное (абиотическое, небиологическое) вещество независимо от того, твердое ли оно,
жидкое, газообразное или составное, как донные илы, в которых жидкая составляющая может
быть даже резко преобладающим компонентом.
По нашему мнению, к первому, низшему, уровню иерархической лестницы устойчивых
саморегурирующихся природных биокосных систем относятся разнообразные биогеоценозы.
Под биогеоценозом обычно принято понимать относительно пространственно ограниченную,
142
Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории
внутренне однородную природную систему функционально взаимосвязанных живых организмов
и окружающей их абиотической среды, характеризующуюся определенным энергетическим
состоянием, типом и скоростью обмена веществом и информацией (Реймерс и др., 1982).
Природный биогеоценоз представляет собой относительно автономную систему, сложившуюся
в результате длительной эволюции и способную, благодаря процессам саморегуляции,
противостоять как внешним, так и внутренним изменениям. Каждый биогеоценоз включает в
себя все основные экологические группы организмов и необходимую для их существования среду
обитания, а потому по своим потенциям аналогичен биосфере. Эта закономерность послужила
основанием М.М. Камшилову (1979) сделать заключение, что биогеоценоз представляет собой
как бы первичную ячейку эволюции и является своеобразной моделью биосферы в миниатюре.
Вероятно, правомочно сделать и обратное — рассматривать биосферу как макромодель, причем
интегральную, усредненную модель всех относительно независимых биогеоценозов Земли.
Соответственно, глобальный биотический круговорот (цикл органического углерода) может
рассматриваться как своеобразная обобщающая модель биотических круговоротов отдельных
биогеоценозов. Поэтому именно анализ закономерностей функционирования глобального
цикла органического углерода (рисунок) может позволить вскрыть основные общие причины
специфики проявлений результатов суммарного взаимодействия живого и косного миров в
биокосных системах разного типа.
Биокосные системы промежуточного ранга между биогеоценозами и биосферой трудно
подразделить на иерархические уровни, так как они обладают очень различными составом
и строением. Часто принято выделять в качестве биокосных систем высшего ранга почвы и
донные осадки. Почвенный покров даже часто рассматривается как самостоятельная сфера
Земли — педосфера. Иногда к этой сфере относят и донные осадки. Такое объединение
вряд ли может считаться оправданным, так как эти системы характеризуются различной
функциональной направленностью (Верзилин, 2002, 2006), хотя нередко и считают, что
аналогом почвообразовательных процессов является диагенез (Перельман, 1987).
Принципиальная схема глобального цикла органического углерода для фанерозоя.
Потоки вещества даны в 109 т/год (без учета антропогенного воздействия)
143
VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013
В верхней части литосферы иногда выделяют зону мощностью до нескольких километров
распространения двух микробных систем. Верхняя из них, называемая условно «наземной»,
функционирует за счет использования продуктов фотосинтеза, т. е. существует за счет
преобразования в конечном счете солнечной энергии. Нижняя система, «подземная», существует
за счет использования восстановленных газообразных соединений, поступающих из недр Земли
с глубинными эсгаляциями (Кожевина, 1999). На первый взгляд эти системы выступают
как антагонистические. Но фактически разделить их между собой часто затруднительно.
Ведь утверждение о существовании подземной микробной системы исключительно за
счет поступающих из недр Земли химических соединений абиотического происхождения,
представленных H 2 , CO, NH3, H2S, CO2 , CH4, не является корректным. Перечисленные
соединения могли образоваться и вследствие изменений органического вещества при
процессах диагенеза, катагенеза и метаморфизма. Бактериям безразлично, каков генезис таких
соединений. Может быть, более определенным показателем различия этих систем следует
считать существование «наземной» системы в основном за счет использования органического
вещества, а «подземной» — неорганического. Но и в этом случае граница между ними
представляется неопределенной, размазанной, поскольку встречные потоки питающих их
органических и неорганических (газообразных) веществ являются взаимопроникающими и в
масштабе геологического времени очень изменчивыми. Поэтому вряд ли сейчас целесообразно
выделять в литосфере две самостоятельные микробные системы, их следует рассматривать как
части единой системы — буферной зоны, трансформирующей потоки веществ, поступающих
из «недр» Земли и с ее поверхности. Сообщество бактерий всеядно, а потому оно реагирует на
любые внешние воздействия.
Может возникнуть вопрос, правомочно ли микробную (бактериальную) систему литосферы
за пределами почвенного покрова и донных осадков водоемов относить к биокосным системам,
так как распространение живых организмов в ней часто ничтожно. Конечно, правомочно,
так как все участки на Земле, где есть жизнь, относятся к биосфере. Более того, биокосные
взаимодействия в микробной системе литосферы нередко проявляются весьма интенсивно.
Некоторые результаты такого взаимодействия были детально изучены геологами-нефтяниками,
так как проявление их нередко влияло даже на особенности формирования и разрушения
месторождений нефти и газа. Не подлежит сомнению, что вследствие жизнедеятельности
бактерий на значительных глубинах, особенно на древних водонефтяных контактах, может
происходить не только разуплотнение коллекторов в результате растворения и изменения
минералов, но и интенсивное аутигенное минералообразование, в частности, пиритизация
пород (Сахибгареев, 1989). На основании проведенных этим ученым исследований был сделан
вывод, что нефтяные углеводороды, попадая в резервуары, в которых могли существовать
бактерии, сразу вступали на путь биодеградации. Поэтому процесс формирования залежей
нередко представлял собой борьбу двух процессов: поступления углеводородов в природные
резервуары и разрушения или преобразования их микроорганизмами. При этом большую роль
часто играли сульфатредуцирующие микроорганизмы, жизнедеятельность которых нередко
приводила к интенсивной пиритизации пород (Сахибгареев, 1989).
Обычно полагают, что биокосное взаимодействие в ряду осадочного породообразования
заканчивается на стадии диагенеза. При этом в связи с огромной ролью в процессах диагенеза
жизнедеятельности бактерий считают, что одним из признаков завершения этой стадии служит
исчезновение в осадке или породе живых организмов (Страхов, Логвиненко, 1959; Логвиненко,
Грамберг, 1997; Япаскурт, 1999). Иногда утверждают, что для всех биокосных систем характерна
общая геохимическая особенность, заключающаяся в разложении, по крайней мере, части
органического вещества микроорганизмами. Такое заключение может считаться справедливым
для зоны диагенеза, но отнюдь не для всех биокосных взаимодействий. Примером исключений
из этого правила являются биогеоценозы, существующие за счет гидротермальных эсгаляций
на дне океанов в районах существования так называемых черных и белых курильщиков
(Лобье, 1990). Биокосные взаимодействия в таких обстановках осуществляются на основе
жизнедеятельности автотрофных хемосинтезирующих бактерий. Возможно, бурное развитие
жизни и связанного с ним минералообразования в глубоководных обстановках обусловлено
144
Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории
нахождением мест их проявления в зоне интенсивного взаимодействия поступающих из
недр гидротерм и восстановленных газов с аэробными обстановками холодных придонных
океанских вод. Здесь анаэробная микробная автотрофная система литосферы как бы вскрыта
поверхностью дна и непосредственно взаимодействует не с «наземной» микробной системой,
а с сообществами аэробных гетеротрофных организмов и средой их обитания — наземной
гидросферой. Вследствие такого взаимодействия возникла специфическая биокосная система,
по способу функционирования являющаяся значительно более древней, чем почвенная система.
Для биокосных взаимодействий типичны чрезвычайно разнообразные проявления,
которые нередко имеют даже антагонистическую направленность. Это очень ярко проявляется
в «борьбе» наземной растительности и сыпучих песков, длящейся уже сотни миллионов лет,
или мангровых зарослей и песчаных наносов; в многократно повторявшейся массовой гибели
от стихийных событий даже не имевших достойных соперников организмов. Если же принять
гипотезу С. Г. Неручева о функциональной связи в истории Земли изменений содержания
урана в среде обитания и многих кардинальных событий в биосфере (Неручев, 1999, 1982), то
грандиозность проявлений биокосных взаимодействий будет вырисовываться еще более ярко и
определенно.
Согласно этой гипотезе, существовавшие в геологической истории Земли эпохи
повышенного захоронения урана возникали в этапы активизации рифтовых зон, во время
которых периодически возрастала радиоактивность. Повышение радиоактивности среды
обитания вызывало усиление мутационных процессов, что, в свою очередь, приводило к
интенсивному вымиранию одних форм организмов и возникновению других. Подавление
конкурентов приводило к глобальному «цветению» фитопланктона, в основном цианобактерий,
которые интенсивно накапливали уран и при отмирании выводили его избыток в воде в донные
осадки. Из этих осадков в дальнейшем образовывались обогащенные ураном отложения,
называемые часто «черные сланцы». Одновременно формировались месторождения урана и на
суше. Существуют представления, что в настоящее время месторождения урана, возникшие
таким образом, залегающие на значительной глубине и имеющие даже докембрийский возраст,
могут оказывать негативное воздействие на человека (Рудник и др., 1998, 2002). Стало быть,
результаты биокосного взаимодействия, имевшего место сотни миллионов лет назад, сейчас
могут негативным образом воздействовать на живые организмы, включая человека.
Хорошо известно, что существенные разливы нефти часто приводят к возникновению
критических экологических ситуаций, так как нефть ведет себя как вещество косное, агрессивное
по отношению к живым организмам. И это несмотря на то, что она возникла из органического
вещества, измененного в значительной степени благодаря жизнедеятельности микроорганизмов.
Возможно, это микробиологическое разложение органического вещества в рассматриваемом
случае достигло такой степени, что оно уже не может эффективно использоваться природными
сообществами микроорганизмов обычным способом. Ряд геологов-нефтяников считает, что
основной этап преобразования органического вещества отвечает нахождению его в зоне
диагенеза, характеризующейся протеканием биохимических реакций, в результате которых
образуются не только углеводородные газы, но и исходные продукты для нефти. При этом
органическое вещество, оставшееся после такой биохимической переработки, крайне инертно
и способно к дальнейшей переработке только в глубинных зонах (зонах пиролиза), для которых
характерны температуры в сотни градусов Цельсия (Жижченко, 1974).
Как утверждал В.Ф. Барабанов (1994), один из основных «законов» экологии гласит:
«Организм не может жить в среде своих отходов». Возможно, этот закон определяет то, что
возникает ситуация, когда автотрофные организмы не могут использовать нефть, так как это
органическое вещество, а гетеротрофные — из-за того, что она является конечным продуктом
их метаболизма, то есть отходами их жизнедеятельности. Может быть, здесь проявляется общая
закономерность — использование микроорганизмами для питания мертвого органического
вещества не может идти беспредельно, так как организмы не могут существовать в среде
своих отходов. Важно, чтобы такие отходы удалялись, а это осуществляется в нефтяных
месторождениях отнюдь не часто.
145
VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013
Литература
Барабанов В.Ф. Введение в экологическую геохимию: учебное пособие. СПб.: СПбГУ, 1994. 144 с.
Верзилин Н.Н. Глобальные закономерности биогенного разрушения и образования минералов и
горных пород // Биокосные взаимодействия: жизнь и камень. Материалы I Международного симпозиума.
СПб., 2002. С. 8–11.
Верзилин Н.Н. Учение о биосфере (эволюция биосферы). СПб., 2004. 212 с.
Верзилин Н.Н. Основные закономерности биогенного разрушения и образования горных пород и
минералов // Известия РГО. 2006. Т. 138. Вып. 4. С. 14–29.
Жижченко Б.П. Методы палеогеографических исследований в нефтегазоносных областях. М.:
Недра, 1974. 376 с.
Камшилов М.М. Эволюция биосферы. М., 1979. 256 с.
Кожевина Л.С. Микробные системы литосферы // Геоэкология. Инженерная геология.
Гидрогеология. Геокриология. 1999. № 4. С. 304–309.
Логвиненко Н.В., Грамберг И.С. Введение в геохимию экзогенных процессов. СПб.: СПбГУ, 1997.
132 с.
Лобье Л. Оазисы на дне океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 156 с.
Неручев С.Г. Периодичность крупных геологических и биологических событий в фанерозое //
Геология и геофизика. 1999. Т. 40, № 4. С. 493–511.
Неручев С.Г. Уран и жизнь в истории Земли. СПб.: ВНИГРИ, 2007. 328 с.
Перельман А.И. Геохимия. М., 1979. 423 с.
Перельман А.И. Изучая геохимию…(О методологии науки). М.: Наука, 1987. 152 с.
Реймерс Н.Ф., Яблоков А.В. Словарь терминов и понятий, связанных с охраной живой природы. М.:
Наука, 1982. 144 с.
Рудник В.А., Мельников Е.К., Белишева Н.К. и др. Минеральное вещество как главнейший фактор
геологического воздействия на биогенные системы // Биокосные взаимодействия: жизнь и камень.
Материалы I Международного симпозиума. СПб., 2002. С. 27–34.
Рудник В.А., Мельников Е.К., Мусийчук Ю.И. Геологический фактор: состояние и здоровье человека
// Минерал. 1998. № 1. С. 41–55.
Сахибгареев Р.С. Вторичные изменения коллекторов в процессе формирования и разрушения
нефтяных залежей. Л.: Недра, 1989. 260 с.
Страхов Н.М., Логвиненко Н.В. О стадиях осадочного породообразования и их наименовании //
Доклады АН СССР.1959. Т. 125, № 2. С. 389–392.
Япаскурт О.В. Предметаморфические изменения осадочных пород в стратисфере: Процессы и
факторы. М.: ГЕОС, 1999. 260 с.
146