Более 100 лет назад, в 1875 г., впервые появилось по­нятие о сфере жизни, и был введен в, обиход термин «биосфера». Полвека спустя наш великий соотечествен­ник академик В. И

Ионовородный показатель (его обозначают как рН) ха­рактеризует содержание водородных ионов в среде и чис­ленно равен отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов Н⁺ в данной среде, выраженной в граммах на литр. Для дистиллированной воды рН равно 7. Среди привычных нам объектов томатный сок имеет рН около 4, столовый уксус — около 3, а лимонный сок —око­ло 2, Природные воды с рН от 6,95 до 7,3 считают нейт­ральными, ниже этого предела — кислыми, выше — щелочными, Морская вода имеет рН 8, озерная вода, которую называют «мягкой»,— рН от 5 до 6.
В современных донных осадках морей Eh изменяется в пределах от +600 мВ до —350 мВ.
Фотоавтотрофы в процессе своей жизнедеятельности непрерывно производят кислород. Благодаря этой реакции в биосфере повсеместно (за исключением ее подземной части отдельных участков Мирового океана) существует окислительная обстановка, а в атмосфере содержание углекислого газа удерживается на низком уровне.
Однако при фотосинтезе, как известно, не только вы­деляется кислород — сильный окислитель, но возникают и органические вещества. При их разложения в анаэроб­ных условиях образуются водород, аммиак, органические кислоты и анионы SO, PO, N. Как показал В. А. Когда, продукты разложения степных трав образуют растворы нейтральной и слабощелочное реакции, некоторые виды полыни и саксаула дают щелочную реакцию (рН 8—8,5), а масса отмершей хвои, вереска, лишайников и сфагнума — кислую (пр. .4,5 —4,5).
Вспоминаются слова академика Б. Б. Полынова: «Прежде всего я считаю неправильным указание, которое так часто встречается, что то или иное явление — скажем, образование осадка — зависит не от организмов, а от ве­личин рН. Я считаю неправильным само противоположе­ние рН организмам. Представим себе, что кого-либо за­интересовал высокий рост какого-либо дерева, и на его вопрос о причинах этого роста ему отвечают, что рост де­рева зависит от количества метров, укладывающихся по длине его ствола. Я полагаю, что объяснение со ссылкой на рН ничем не отличается от такого, потому что рН тоже мера — тот же аршин или метр и первозданной причиной не монет быть, а кроме того, и сама рН очень часто на­ходится в прямой зависимости от количества СО2, выде­ляемого организмами».
Высказывание Б. Б. Полынова хорошо подтвержда­ется па примере природных вод Земли. Так, кислая реак­ция вод чаще всего связана с растворением в них биоген­ных веществ — углекислого газа или гуминовых кислот. Процесс фотосинтеза в поверхностных частях водоемов вызывает уменьшение парциального давления углекис­лого газа и увеличение рН. Процессы же разложения необиогенной органики идут во всей толще вод, и живое на­селение везде дышит, а это приводит к противоположным результатам — увеличению парциального давления угле­кислого газа в воде и к понижению рН.
В донных осадках водоемов физико-химические усло­вия среды определяются главным образом наличием ор­ганического необиогенного вещества: есть оно — обста­новка восстановительная, нет — окислительная. Восста­новительные условия создаются в застойных средах при разложении отмершей органики сульфатреду­цирующими бактериями с образованием сероводорода. Ес­ли при этом сероводород из среды не удаляется, происхо­дит самоотравление системы. I! Черном море средообразующее действие живого вещества проявляется особенно ярко: донная пленка сульфатредуцирующнх бактерий толщиной до 5 см отравляет сероводородом более чем ки­лометровую толщу морской воды, ограничивая распростра­нение зоопланктона и крупных морских животных лишь верхними 200—300 м водной толщи!
Наряду с сульфаторедуцирующими важную роль в био­сфере играют и тионовые бактерии. Если сульфатредуцй¹-рующие бактерии превращают сульфат-ион в сероводо­род, то тионовые осуществляют обратную реакцию — окис­ляют сероводород до серной кислоты. Средообразующую роль этой реакции доказывать не приходится.
Ситуацию, близкую к драматической, тионовые бактерии создали при строительстве Киевского метрополитена. До начала подземных работ они влачили жалкое существование в палеогеновых песках. Доступ кислорода на глубину был затруднен, и бактерии испытывали «кисло-
родное голодание». При строительстве метро в забои стали закачивать сжатый воздух, и бактерии ожили. В результате их деятельности водородный показатель среды достиг значений меньше 1 (иначе говоря, подземные воды превратились в крепкий раствор серной кислоты). Массивные болты железобетонных конструкций за один-два месяца разрушались наполовину. Положение становилось критическим, а строители разводили руками — такого никогда не бывало. Выручили ученые из Института микробиологии и вирусологии им. Д. К. Заболотного в Киеве — они нашли виновников и посоветовали изменить способ проходки, Строителям пришлось отказаться от закачки в
толь сжатого воздуха. Пример о Киевском метро — не единственный, когда микробиологи приходят на помощь строителям. Известно, как мною хлопот причиняют при строительстве плывуны, особенно их разновидность, которую называют истинными плывунами (есть еще ложные плывуны, с которыми справляться легче). Эти текучие грунты, обладающие огромным запасом внутренней энергии, перемещаются массой, как тесто или свежеприготовленный бетон.
Грунтовед Варвара Васильевна Радина при исследовании грунтов проектируемой Нижне-Обской ГЭС доказала, что необычные свойства истинных плывунов определяются средообразующей деятельностью сапротрофных бактерий, которые перерабатывают всегда имеющееся в плывунах органическое вещество. 90%образующихся при атом продуктов составляют газы. При затрудненном об­мене с окружающей средой- эти газы накапливаются в грунтах и вкупе с содержащимися в них коллоидами пере­водят их в пластичное состояние. Создается явление, сходное с «воздушной подушкой», применяемой 'в современ­ной технике, когда подаваемым под давлением воздухом снимают трение между поверхностями двух сред. В роли компрессора в данном случае выступают бактерии. А сте­пень разжижения грунтов зависит от наличия пищи для бактерии (калия, фосфора, отмершей органики).
Явление, описанное 15. П. Радиной, признано откры­тием — случай, в геологии нечастый. Формула этого от­крытия, зарегистрированного 13 октября 1970г., следую­щая: «Установлено неизвестное ранее явление образова­ния истинных плывунов, заключающееся в том, что в водонасыщенной дисперсной породе происходит накопле­ние в виде пузырьков газообразных продуктов жизнедея­тельности микроорганизмов, которые вызывают избыточ­ное давление в жидкой фазе породы, являющееся энерге­тическим фактором ее подвижности» ¹¹.
Механизм образования истинных плывунов прояснил­ся. Видимо, не за горами и биологическое управление плывунами.
В водных экосистемах средообразующая роль живого вещества, пожалуй, проявляется наиболее отчетливо и многогранно. «Разнородное живое вещество океана, жизнь моря, взятая в целом, может быть рассматриваема как специальный механизм, совершенно изменяющий химию моря»,— писал В. И. Вернадский ¹².
Важнейшим средообразующим фактором в водных эко­системах являются фильтраторы зоопланктона и бентоса. Байкал своей исключительной чистотой обязан тому, что всю его водную массу трижды за год процеживает энде­мичный веслоногий рачок эпишура. А организмы, извле­кающие из водной толщи для построения своего скелета карбонат кальция или кремнезем, изменяют не только ее солевой состав, но и кислотность среды. Среди морских сообществ, оказывающих наибольшее влияние на окру­жающую среду, выделяются коралловые рифы, мидиевые банки, поселения морских ежей, заросли бентосных водо­рослей — макрофитов. Значительное влияние на водную среду оказывают и птичьи базары. У скал, на которых они расположены, прибрежная полоса шириной около 50 м интенсивно обогащается фекалиями птиц. В период гнез­дования содержание фосфатов и нитратов в морской воде может повышаться больше чем в 100 раз, а площадь участков моря, обогащенных этими элементами, иногда преиздает 200 км ².
Па суше мощнейшим средообразующим агентом явля­ются леса. Они регулируют поверхностный слой, увеличи­вают количество атмосферных осадков, охраняют поля от суховеев и пыльных бурь, очищают атмосферу от вредных газов и обогащают ее кислородом, озоном и фитонцидами. Гектар леса за год очищает 18 млн. м³ воздуха и обеспе­чивает кислородом семь человек. Посадки некоторых древесных и даже травянистых культур, обладающих повы­шенной рационной способностью, используются для переувлажненных земель. Так, разведе­ние в Колхиде эвкалиптов позволило успешно осушить и преобразовать в благодатный край эту прежде заболочен­ную и зараженную малярией территорию.
Менее всего средообразующее влияние живого вещества, должно проявляться в слабо заселенных слоях биосферы. Но — очередной парадокс! — именно в роль живого вещества оказывается весьма значимый. Биогеограф В. С. Залетаев пишет (речь идет о пустынях): «Животные и растения здесь наряду с факторами горами абиотической среды оказываются мощны­ми агентами средообразовательного процесса, влияющими па формирование рельефа поверхности, развитие ветровых процессов, гидрологические свойства почв и миграцию солей в них, на структуру и плотность поверхности, особенности микроклимата и в конечном структуру биогеоценозов и сам облик ландшаф­тов».
Живое вещество изменяет не только химические, но и физические параметры среды, ее термические, электрические и механические характеристики. Существует, например, аргументированное мнение, что «бабье лето» вы­звано деятельностью живого вещества, точнее, осенним пи­ком деятельности сапротрофов. Все обстоит довольно про­сто: в это время много разлагающейся органики — зна­чит, при ее разложении сапротрофами выделяется много тепла. Выходит, что «бабье лето» вызывают грибы...
Интересное проявление средообразующей деятельно­сти живого вещества было обнаружено недавно советски­ми океанологами сначала на чёрном, а лотом и на Белом морях. Оно получило название «биоэлектрического эф­фекта». Это явление заключается в создании живым ве­ществом (фитопланктоном) электрического поля с отри­цательным зарядом, а скоплениями необиогенного веще­ства (отмершего планктона) — положительных полей.
Многообразная средообразующая деятельность живого вещества выявляется в последние годы во все большем объеме и в самых различных проявлениях. Один из наи­более общих выводов сформулировали недавно ученые Си­бирского отделения СССР: «Растительный мир актив­но влияет на изменение газового состава, в атмосфере и со­ответственно на ионный состав океанической воды, в то время как животные почти не оказывают влияния на ат­мосферу, но изменяют катионный состав, морской воды».
В закономерностях влияния живого вещества на среду, видимо, многое еще остается неизвестным, а то, что изве­стно, нуждается во всестороннем обдумывании и обобще­нии. Поэтому мы излагали вопрос о средообразующей роли живого вещества так подробно и с привлечением са­мых разнообразных фактов.
Создание общей теории средо­образующей роли жизни — дело будущего.
Наконец, пятая основная функция живого вещества в биосфере — транспортная. Еще со времен Ньютона из­вестно, что перемещение потоков вещества на нашей пла­нете определяется силой земного тяготения. Неживое вещество само по себе перемещается по наклонной плос­кости исключительно сверху вниз. Только в этом направ­лении движутся реки, ледники, лавины, осыпи.
Живое вещество — единственный (помимо поверхно­стного натяжения) фактор, обусловливающий обратное перемещение вещества — снизу вверх, из океана — на кон­тиненты, реализующий тем самым «восходящую» ветвь биогеохимического круговорота. В первую очередь это ка­сается воды.
Высшие растения осуществляют транспирацию влаги из почвы в атмосферу. Подсчитано, что при образовании каждого грамма биомассы высшие растения испаряют 100 г воды. Что же касается горизонтального переноса водяных паров в глубь континентов, то оно также происходит при участии наземных растений. В самом деле, осадки выпадают лишь на небольшом уда-
лении от источников испарения (морей или крупных рек им эта влага впитывается растениями, вновь испаряется ими и переносится в глубь материка воздушными потоками. Этот процесс повторяется неоднократно. Влаги, как ступенькам лестницы, поднимается на «верхние этажи» континентов. Не будь растений, в отдалении моря районы континентов, как известно, потребляют из почвы не дистилированную воду, а питательный раствор, состав которого они сами регламентируют (не обходится, правда, без некоторого принудительного ассортимента). Элементам
минерального питания растений, таким образом, также обеспечен биогенный транспорт, по крайней мере вертикаль. Вносят свою лепту в вертикальное перемещение вещества в наземных экосистемах и роющие организмы, доставляющие на поверхность материал из подпочвенных горизонтов. Во второй главе мы уже говорили, что перемещение ве­щества по латерали в биосфере осуществляется многокле­точными животными, большинство которых обладает ак­тивной формой передвижения. В море в транспортировке материала велика роль нектона, в частности рыб и млеко­питающих. В глобальном масштабе благодаря транспор­тной функции живого вещества осуществляется перенос вещества против направления стока. «Питание наземных организмов морской пищей,— писал Вернадский,— идет в таких размерах, что, может быть, компенсирует — во всяком случае возвращает на сушу — соизмеримую часть тех масс химических элементов, которые реки в растворе приносят с суши в море. С, мезозойской эры эту роль глав­ным образом играют птицы» *. Такую же роль выполня­ют и стаи морских рыб, поднимающиеся па нерест вверх по рекам, а па пресноводных водоемов значительная часть вещества выносится на сушу полчищами крылатых насекомых. «Мыши и люди, почвы и песни — возможно, всего средства, замедляющие движение атомов к морю»,— писал популярный американский писатель и лесовод Олдо Гопольд (1887 1948).
Спиртная функция осуществляется живым веществом ак­тивно. «Двигателем» при этом являются процессы жизне­деятельности. Однако бывает иначе, когда живые орга­низмы лишь пассивно способствуют перемещению веще­ства, а в качестве «двигателя» выступают другие механиз­мы. Такого рода транспортную функцию выполняют циа­нобактерии и водоросли.
Известно, что дно некоторых водоемов бывает, покры­то толстым ковром цианобактерии (в научной литературе такие ковры называют матами). Когда фотосинтез проис­ходит наиболее интенсивно, в матах накапливается кис­лород. Под действием ere подъемной силы фрагменты ма­та отрываются от дна, захватывая с собой частицы грун­та. В устье Волги в весенние дни всплывших дернинок цианобактерии бывает так много, что создается впечатле­ние ледохода. Это — первый случай.
В другом случае пассивную транспортную функцию в море осуществляют бентосные бурые водоросли. Во время штормов они отрываются от дна вместе с галькой, к кото­рой прикреплены. По наблюдениям, проведенным на Ба­ренцевом море, вес открываемой таким образом гальки (и даже валунов) в отдельных случаях достигает 3,5 кг. Эти своеобразные «плавсредства» оказываются во власти бу­шующей стихии и становятся «на якорь» только после то­го, как волнение стихает — зачастую довольно далеко от места первоначального произрастания.
«Живое вещество охватывает и перестраивает все хи­мические процессы биосферы,— писал Вернадский,— Жи­вое вещество есть самая мощная геологическая сила, рас­тущая с ходом времени» ¹³ (из этого высказывания и по­заимствовано название данной главы). Воздавая должное памяти великого основоположника учения о биосфере, следующее обобщение профессор А. И. Перельман пред­ложил называть «законом Вернадского»: «Миграция хи­мических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО2, H2S и т. д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время на­селяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории».