Следы былых биосфер, или Рассказ о том, как устроена биосфера и что осталось от биосфер геологического прошлого - Андрей Лапо

При формировании фосфатных пород (в частности, фосфоритов) наиболее ярко проявляется концентрационная функция живого вещества. И если при сжигании горючих ископаемых человечество использует энергию, накопленную живым веществом миллионы лет назад, то, удобряя фосфоритами поля, оно возвращает в биотический круговорот фосфор обитателей древних морей. Транспортная функция живого вещества — перемещение необиогенного вещества из моря на континент — проявляется при накоплении гуано.

Следующими группами осадочных пород являются железистые и марганцевые. Поскольку при их формировании живое вещество выполняет сходные функции, мы рассмотрим их совместно.

Железистые осадочные породы залегают в виде пластов, линз или гнезд. В докембрийской части метабиосферы широко распространены своеобразные метаморфические породы — железистые кварциты, или джеспилиты. Они представляют собой яснослоистые породы, в которых чередуются тонкие прослойки, в различной степени обогащенные железом и кремнеземом. Возраст джеспилитов около 2 млрд. лет.

Образование осадочных железистых и марганцевых руд фанерозоя происходило в морской или озерно-болотной обстановке. «Вероятно, нет ни одного металла, в образовании больших скоплений которого жизнь играла бы такую роль, как для марганца, — сказал Вернадский в своем выступлении на Конференции по вопросам генезиса руд железа, марганца и алюминия в апреле 1935 г.[75] — Для кальция и железа точно так же биогенные образования отвечают наибольшим их природным массам, но для них наряду с концентрациями такого происхождения известны не меньшие скопления, связанные с магматическими процессами, совершенно независимые от биосферы. Ничего подобного неизвестно для марганца».

Марганцевыми обычно называют породы с содержанием окиси марганца больше 10%. Как и железистые породы, они залегают в форме пластов мощностью до 20 м и пластообразных или линзовидных залежей. Основные минералы марганцевых пород — окислы и гидроокислы марганца. Один из этих минералов назван в честь Владимира Ивановича вернадитом.

Вопрос о роли жизни в формировании железистых и марганцевых пород волнует геологов уже больше 100 лет. И может быть, ни в каком другом вопросе науки об осадочных породах борьба мнений не принимала такие острые, подчас драматические формы.

К. Г. Эренберг (это имя мы уже упоминали) еще в 1836 г. выявил в так называемых болотных (или озерных) железных рудах микробиогенные структуры. Бактерии, концентрирующие железо, были открыты в конце прошлого века. Великий русский микробиолог С. Н. Виноградский предложил для них название «железобактерии».

В январе 1947 г. на сессии Отделения геолого-географических наук АН СССР выступил с докладом член-корреспондент АН СССР Александр Григорьевич Вологдин (1896—1971). Вологдин рассказал, что, следуя совету академика В. Л. Комарова поискать в горных породах остатки древних бактерий или следы их деятельности, оп предпринял микроскопическое исследование широкого круга геологических объектов. В противоположность ранее предпринимавшимся попыткам Г. Молиша, Я. В. Самойлова и В. С. Буткевича Вологдину посчастливилось найти оруднелые остатки железобактерий в железистых и марганцевых породах.

Доклад А. Г. Вологдина вызвал суровую критику собравшихся. Докладчика упрекали в бездоказательности основных положений, в излишнем увлечении микроскопированием, в неубедительности фотографий микроорганизмов… И лишь четверть века спустя эта работа получила иную оценку.

«Гипотеза Вологдина была отвергнута геологами, как совершенно необоснованная, что отчасти можно объяснить неподготовленностью геологической аудитории к восприятию высказанных идей. Главной же причиной была, как нам кажется, нечеткость представленных автором микрофотографий и недостаточная изученность в то время флоры железобактерий. Многие из известных теперь представителей этой группы в 40‑х годах еще не были описаны, и поэтому обнаруженные автором микроподобные структуры не имели достаточно сходных в морфологическом отношении живых аналогов». Эти слова, сказанные в 1973 г., принадлежат известному микробиологу, доктору биологических наук Т. В. Аристовской.

Достигнуть значительного прогресса в области изучения железобактерий микробиологам удалось при исследованиях современного железомарганцевого рудообразования в лабораториях природы. Одной из таких природных лабораторий явились озера северо-запада нашей страны. Озерные руды представляют собой конкреции, содержащие до 80% окислов железа и марганца. По размеру конкреций выделяют различные виды руд: пороховую, градовидную, гороховидную, монетную, тарелочную, лепешечную, щитовидную и др.

В 1926 г. при исследовании озерных руд Карелии было сделано выдающееся открытие. Оно принадлежит Борису Васильевичу Перфильеву (1891—1969), впоследствии профессору, лауреату Ленинской и Государственной премий.

В озерных рудах Б. В. Перфильеву удалось обнаружить несомненные бактериальные структуры, а в донных осадках — микрозональность, обусловленную различной интенсивностью деятельности железобактерий. Борис Васильевич высказал предположение, что и в прошлые геологические эпохи механизм накопления железа также был бактериальным.

Открытие Б. В. Перфильева послужило толчком для развития исследований по бактериогенному рудообразованию. Были описаны новые роды и виды железобактерий, принимающие участие в этом процессе. В 1936 г. Б. В. Перфильев описал новый род бактерий, который, по современным данным, играет основную роль в концентрации марганца и железа в донных осадках. Борис Васильевич именовал его «Metallogenium» — «рождающий металл». А другой исследователь, В. О. Калиненко в 1949 г. назвал один из новых видов железобактерий Leptothrix Wernadskyi.

В результате кропотливых работ микробиологов было установлено, что образование железомарганцевых конкреций в озерах и болотах происходит в два этапа. Сначала окисные соединения этих металлов восстанавливаются в донных осадках сульфатредуцирующими и другими бактериями, и восстановленные соединения железа и марганца поступают из ила в воду. На втором этапе происходит обратный процесс — железобактерии окисляют растворенные в придонной воде закисные соединения железа и марганца с образованием ферригидрита, вернадита и других минералов. Установлено, что образование вернадита возможно лишь при очень быстром окислении двухвалентного марганца до четырехвалентного — настолько быстрого, что осуществляться оно может только с участием живого вещества. При этом бактериогенное окисление железа и марганца происходит при столь низких их концентрациях в растворах, что хемогенное осаждение элементов исключается.

Другим естественным полигоном, где проводили исследования микробиологи, были области железомарганцевого конкрециообразования Мирового океана. На океанском дне на глубине от 4 до 6,5 км эти конкреции иногда образуют сплошной покров, напоминающий булыжную мостовую. Площадь, ими покрытая, составляет около 10% дна Мирового океана. Марганца в конкрециях около 25%, железа — около 15%; остальные 60% приходятся на долю кислорода, никеля, кобальта, меди и других 35 элементов таблицы Менделеева. Наравне с торфом, конкреционными фосфоритами и озерными железомарганцевыми рудами и в противоположность всем древним ископаемым это — возобновляемый источник сырья. Ежегодный прирост запасов железомарганцевых конкреций составляет миллионы тонн.

Океанские конкреции иногда считают абиогенными, однако исследования показали, что живое вещество играет важную роль в их формировании. Железо в водной толще интенсивно потребляется фитопланктоном. Осаждение железа и марганца в значительной мере осуществляется фильтрующими организмами планктонной и донной пленок жизни. Дальнейшее преобразование соединений этих элементов на дне морей и океанов производится бактериями, многочисленные чехлы которых были найдены в конкрециях.

На основании опыта этих исследований, накопленного за последние десятилетия, Т. В. Аристовская произвела ревизию выводов А. Г. Вологдина. Для изучения ею были выбраны образцы нескольких железистых минералов: лимонита, гетита и магнетита. Исследование производилось микроскопически в проходящем свете после специальной подготовки препаратов. Что же увидела Татьяна Вячеславовна?

Гетит и лимонит оказались полностью состоящими из железистых отложений, повторяющих очертания клеток замурованных в них железобактерий. Сравнивая микроскопическую структуру минеральных масс с формами роста железобактерий, можно было обнаружить черты сходства между остатками микроорганизмов, слагающих минералы, и фрагментами колоний некоторых современных бактерий. Магнетит же в противоположность гетиту и лимониту показал полное отсутствие бактериальной структуры.