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.

А.В. КУЛИК профессор Курского государственного университета “Экология и жизнь”