Жизнь в почве

Неведомая земля

В истории не раз случалось, что те или иные науки «вырывались вперед», привлекали наибольшее внимание, становились «модными». Другие же научные дисциплины ждали своего часа, своих открытий, чтобы познакомить человечество с новыми тайнами окружающего мира. По мере развития науки как бы обосабливались друг от друга, углубляясь в свою узкую сферу. Но вот настал момент, когда понадобилось объединить усилия ученых разных специальностей. И на стыке наук стали возникать новые дисциплины.

Так родились физическая химия, химическая физика, молекулярная биология, экологическая физиология. Такой же самостоятельной отраслью научного знания является почвенная биология.

Известно определение почвы, в свое время данное В. В. Докучаевым: «Почвой следует называть дневные, или наружные, горизонты горных пород (все равно каких), естественно измененные совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов, живых и мертвых». Таким образом, деятельность организмов, в том числе животных, — один из факторов почвообразования.

Ученик В. В. Докучаева В. И. Вернадский, основатель биогеохимии и представлений о биосфере и ноосфере (сфере разума на планете), анализируя различие между живыми и косными (то есть неорганизованными) телами, ввел понятие «биокосных естественных тел». Так он обозначил «закономерные структуры, состоящие из косных и живых тел одновременно» (например, почвы).

Своеобразие почвы, позволяющее рассматривать ее как особое естественноисторическое тело, свойства которого зависят и от населяющих его различных организмов, должно было бы, казалось, привлечь внимание биологов всех специальностей, в том числе и зоологов. Но этого долго не происходило. Земля — та, что у нас под ногами, — оставалась поистине терра инкогнита — «землей неведомой».

Отец современной систематики шведский натуралист XVIII века К. Линней различал лишь три категории природных тел: минерал, растение, животное. Докучаев определял почву как «четвертое тело природы» и превратил почвоведение в самостоятельную естественную науку, имеющую свой объект изучения и требующую специфических методов исследования. У Докучаева еще не было достаточных данных, чтобы оценить роль животных в почвообразовании, но мысль об этом уже приходила в голову — не случайно в его экспедициях принимали участие зоологи. А в своем классическом труде «Русский чернозем» ученый приводит данные о численности и массе разных групп вредных почвенных насекомых.

В 1839 году по возвращении из кругосветного плавания на «Бигле» Ч. Дарвин опубликовал первый набросок работы о роли дождевых червей в формировании органического слоя почвы. В 1881 году вышла его книга «Образование растительного слоя деятельностью дождевых червей», над которой он работал почти всю свою жизнь. Примечательно, однако, что слово «почва» Дарвин еще не употреблял.

В. В. Докучаев был знаком с трудом Ч. Дарвина и даже высказывался о нем в работе «Русский чернозем», но считал, что данные английского натуралиста завышены или имеют лишь локальное значение.

Некоторая недооценка роли животных Докучаевым объясняется, во-первых, тем, что он работал летом в степях, где, как известно, климат сухой, а в летнее время деятельность почвенных беспозвоночных, и особенно дождевых червей, в этих условиях не слишком многочисленных, вообще прекращается. Во-вторых, 100 лет назад после блестящих открытий Л. Пастера и бурного расцвета микробиологии разложение остатков растений и животных в почве стали связывать именно с деятельностью микроорганизмов. Успехи молодой науки затмили еще не сформировавшиеся представления о роли животных в этом процессе. И в-третьих, надо учитывать, что точных данных о том, какова численность и масса почвенных животных, во времена В. В. Докучаева, в сущности, не было. Отрывочные же сведения обобщить и экологически осмыслить не представлялось возможным. Да и экология еще не сформировалась как наука.

Изучая биологию почвы, ученые опирались на громадный практический опыт земледельцев, накопленный за многие тысячелетия.

Люди издавна знали о многих почвенных животных (дождевых червях, кротах, насекомых — вредителях корней) и, не ведая ни о каких микробиологических процессах, на практике заботились о земле, чтобы она была плодородной. Хорошо освоил земледелец и те растения, у которых в пищу шли корневые части (например, свеклу, картофель, маниоку). И таким путем постепенно накапливались знания, которые во второй половине прошлого века положили начало новой отрасли науки — биологии почвы.

Здесь необходимо одно отступление. Середина прошлого века была временем, когда начали понимать, какие же реальные биологические процессы происходят в почве, когда осознали, что почва — живая, постоянно меняющаяся среда и что человек способен регулировать ее плодородие. Такому повороту во взглядах естествоиспытателей в огромной степени способствовали работы выдающегося немецкого химика Ю. Либиха. Именно он, как теперь бы сказали, «чистый» химик, а не биолог, заставил самых разных специалистов обратить пристальное внимание на то, что происходит в почве, заглянуть в эту темную, «грязную», на взгляд обывателя, среду.

Да что там начало девятнадцатого века, время декабристов и разгула крепостного нрава! Еще и сейчас многие люди с высшим образованием никак не свыкнутся с мыслью, что основа всех экосистем суши, начало всех трофических цепей, основная часть животной и почти вся микробиальная масса, половина продуцируемого экосистемой белка, ²/₃ генетического фонда живых организмов приурочены к почве.

А что же конкретно сделал Ю. Либих? В первые месяцы 1840 года одновременно на французском, немецком и английском языках появилась его книга «Органическая химия в применении к сельскому хозяйству и физиологии» (или просто «Сельскохозяйственная химия»), которая принесла Либиху огромную популярность при жизни и благодарную память потомков. Его работу высоко оценил К. Маркс: «Выяснение отрицательной стороны современного земледелия, с точки зрения естествознания, представляет собой одну из бессмертных заслуг Либиха».

К. Маркс использовал выводы Ю. Либиха в «Капитале», где сказано: «Капиталистическое производство, постоянно увеличивая перевес городского населения, которое это производство скопляет в крупных центрах, накопляет тем самым, с одной стороны, историческую силу движения общества вперед, а с другой стороны, препятствует обмену веществ между человеком и землей, то есть возвращению почве ее составных частей, использованных человеком в форме средств питания и одежды, то есть нарушает вечное естественное условие постоянного плодородия почвы».

Точными химическими опытами Либих доказал, что в состав всех растений входят десять основных элементов: углерод, кислород, водород, сера, железо, кальций, магний, азот, калий и фосфор. Первыми тремя элементами в достатке снабжают атмосфера и вода: углекислота обеспечивает растения углеродом, а вода — кислородом и водородом. Остальные элементы, минеральные, поставляет земля. Анализы почвы убедили Либиха, что она может в достатке дать растениям все нужные элементы, кроме азота, фосфора, калия. И был сделан правильный вывод, который вроде бы напрашивался сам собой, но никем ранее не был ни четко осознан, ни методически «чисто» доказан, ни недвусмысленно высказан: для поддержания плодородия почвы надо постоянно вносить в нее эти элементы — причем столько, сколько она теряет, «выдавая» сельскохозяйственную продукцию.

Доказательство необходимости возвращения полям утраченных ими минеральных веществ, а следовательно, производства и применения минеральных удобрений — главная заслуга Либиха. Существовавшую в его время систему земледелия он называл «системой грабежа» и приводил яркие примеры: «Действия земледелия, основанного на грабеже, нигде не были так очевидны, как в Америке, где первые колонисты в Канаде, в штате Нью-Йорк, в Пенсильвании, Виргинии, Мэриленде и т. д. находили пространства земли, доставлявшие вследствие одной вспашки и после того много лет подряд постоянные урожаи пшеницы и табака, причем земледельцу вовсе не нужно было думать о возвращении полям того, что он у них отнимал в составе хлеба и табачных листьев.

Все мы знаем, что стало с этими полями. Менее чем в течение двух поколений эти столь богатые нивы были превращены в пустыни, и во многих районах они были приведены в такое состояние, что даже после оставления их под пар в течение целого столетия они уже не давали более вознаграждающих урожаев зерновых».

Увы, такая порочная система земледелия и сейчас еще практикуется во многих районах Земли, где минеральные удобрения из-за их высокой стоимости недоступны миллионам мелких единоличных крестьянских хозяйств. Между тем уже земледельцы древности знали, что поля нужно удобрять.

В XIX веке на помощь практике пришла теория, объяснившая, как биогенный, то есть вызванный живыми существами, круговорот элементов осуществляется в природе. Оказалось, что растения лишь одно из звеньев в этом сложном механизме: они обеспечивают синтез органических веществ, избирательное накопление отдельных элементов. Основным потребителем живых тканей растений и части их мертвых остатков выступают животные, а трупы животных и значительную долю остатков растений перерабатывают микробы, доводя разложение до простейших химических соединений и возвращая почве то, что когда-то поглотили растения. Так совершается биологический, или биогенный, круговорот вещества.

А составными звеньями этого круговорота в почве является «великая триада»: микроорганизмы, корни высших растений и почвенные животные.

Немалая заслуга в изучении почвы принадлежит Д. И. Менделееву. Его как исследователя интересовали прежде всего методы рационального ведения сельского хозяйства. Еще в студенческие годы он опубликовал в «Журнале Министерства народного просвещения» такие работы, как «Влияние азотнокислых солей на растения», «Откуда берется азот в растениях».

В апреле 1866 года на заседании Вольного экономического общества России Менделеев предложил программу возделывания опытных полей. Общество ассигновало на эти опыты около 7 тысяч рублей. Так удалось, хотя средства были и невелики, организовать в России четыре опытных поля. Наблюдения вели ученики и знакомые Д. И. Менделеева: К. А. Тимирязев — в Симбирской губернии, Г. Г. Густавсан — в Смоленской, Т. А. Шмидт — в Московской, А. В. Советов — в Петербургской. По точности и многосторонности, географическому подходу менделеевские опыты стали исключительным событием не только для России, но и для всего мира.

Думая о будущем России, ученый ставил такие проблемы развития сельского хозяйства, осуществление которых стало возможным лишь в советское время. Это — введение травопольных севооборотов с системой удобрений, механизация сельскохозяйственных работ, мелиорация и орошение, полезащитное лесоразведение. Он писал: «Наибольшего и наивернейшего успеха, по моему мнению, можно ждать от устройства орошения больших пространств земли по сухим в климатическом отношении берегам низовьев Волги, Урала, Дона и Днепра. Особую важность во всех отношениях… должно иметь устройство обширных площадей орошения по берегам Волги…»

Вера в неисчерпаемые возможности позволила ему сделать вывод, правильность которого подтверждена историей: «Сила народная будет определяться умелым сочетанием индустрии и сельского хозяйства».

Микроорганизмы — мельчайшие живые существа, в большинстве своем одноклеточные, были открыты голландцем А. Левенгуком в конце XVII века. Левенгук создал уникальные микроскопы, имея в объективе всего лишь одну двояковыпуклую линзу, они давали увеличение в 250–300 раз. Очень долго прогресса в изучении этого загадочного живого мира не наблюдалось, пока гениальный французский ученый Л. Пастер не проник в тайны многих процессов в природе, регулируемых микробами. К этому времени, середине XIX века, были созданы вполне пригодные для повседневной работы микроскопы, а знаменитый немецкий микробиолог Р. Кох, современник Л. Пастера, придумал ряд простых приемов, позволяющих не только изучать, но и культивировать микробы. Эти приемы используются в лабораториях и поныне.

Незримый мир бактерий, риккетсий, вирусов, лучистых грибков и плесневых грибов, дрожжей и других микроорганизмов повсюду окружает нас. Воздух, которым мы дышим, вода в прудах, озерах, морях и океанах, почва, дающая жизнь растительному царству, руда, из которой выплавляется металл, пищевые продукты, приобретенные на рынке или в магазине, книга, которую мы читаем, и рука, переворачивающая очередную страницу, густо населены микроорганизмами. Они живут в самой глубокой океанской впадине и на высочайшей земной вершине — Эвересте, их находят во льдах Арктики и Антарктиды и в подземных источниках горячих вод. Их обнаружили в пробах воздуха, взятых на высоте 85 километров геофизическими ракетами, и в охладительных контурах атомных реакторов.

Тысячи лет назад люди научились использовать процессы брожения для получения сыра, кваса, хлеба. Но то, что брожение вызывают особые микробы и что они обычный компонент почвенной микрофлоры, стало известно лишь в середине прошлого века благодаря гигантским успехам микробиологии.

Основы ее заложил Л. Пастер. Остроумнейшими опытами он опроверг прежнее представление о самозарождении микробов. Ученый показал, что брожение, гниение и заразные болезни вызываются особыми микробами. Он предложил простые способы обеззараживания продовольственных продуктов и хирургических инструментов; эти способы с тех пор так и называются по имени автора — пастеризацией.

В мире микробов действуют те же законы, что и в остальной живой природе. И здесь идет жестокая повседневная борьба за существование, борьба за пищу и место, за право оставить потомство.

У микробов для защиты и нападения есть и свое оружие. Это химические вещества, которые образуются и накапливаются внутри клетки или выделяются в окружающую среду. Но микробы враждуют не только с внешним миром, а и между собой. Этот антагонизм между микроорганизмами как внутри одного вида, так и между разными видами отметил впервые Л. Пастер в 1877 году.

И вскоре возникла мысль использовать этот антагонизм для лечения инфекционных заболеваний. Ее всесторонне и глубоко обосновал И. И. Мечников. Он доказал, что молочнокислые микробы подавляют развитие вредных гнилостных бактерий, обитающих в кишечнике животных и человека. Ученый полагал, что хроническое действие ядовитых продуктов гниения и маслянокислого брожения в кишечнике приводит к преждевременному старению. И он предложил использовать болгарскую простоквашу и применяющиеся при ее изготовлении молочнокислые бактерии для лечения кишечных заболеваний. Это была первая в истории науки успешная попытка применения микробов-антагонистов и продуктов их жизнедеятельности для лечения и предупреждения заболеваний, вызванных другими микробами.

В Пастеровском институте, созданном в 1888 году в Париже на средства, собранные по международной подписке, была организована и первая в мире лаборатория почвенной микробиологии. Ее возглавил русский ученый С. Н. Виноградский (1856–1953). Основоположник почвенной микробиологии, он в 1890–1892 годах доказал, что микроорганизмы могут создавать органическое вещество из неорганического соединения — углекислоты, используя энергию окисления минеральных веществ, например окисления аммиака в азотную кислоту. А в 1953 году, также впервые в мире, была организована кафедра микробиологии, почв на биолого-почвенном факультете Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. Первым заведующим кафедрой стал Н. А. Красильников — член-корреспондент Академии наук СССР, удостоенный в 1951 году Государственной премии СССР за работы по изучению микробов как организмов, способных создавать антибиотики.

Мы редко задумываемся о том, насколько лик нашей планеты зависит от деятельности микробов. А между тем именно эти организмы, появившиеся задолго до растений и животных, смогли из газов первичной атмосферы Земли (метана, водорода, аммиака, углекислоты, водяного пара) образовать ту привычную для нас атмосферу, где 78 процентов приходится на молекулярный азот, а 21 — на кислород. Со временем высшие растения заняли место микробов, которые, правда, тоже могли использовать солнечный свет, но, вероятно, не столь эффективно. Однако высшие растения не способны усваивать молекулярный азот, и без содружества с микробами они не смогли бы существовать долгое время. А животные?

Микроорганизмы населяют желудочно-кишечный тракт животных и человека, и без них невозможны важные биохимические процессы превращения веществ, биосинтез аминокислот, витаминов и других необходимых биологически активных соединений. Почвенные микробы также тесно взаимодействуют с почвенными животными. Еще в начале нашего века известный польский микробиолог К. Бассалик исследовал микробы, обитающие в кишечном канале дождевых червей. В ту пору было известно, что черви пропускают через кишечник огромное количество земли, но никто не знал, как это отражается на почве. К. Бассалик доказал, что в кишечнике червей происходит гумификация — превращаются в перегной такие органические соединения, как целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза, и что в этой специфической среде постоянно обитает около 90 видов микробов.

Позднее подобные наблюдения проводились и над другими животными. Оказалось, например, что у термитов, являющихся основными разрушителями растительного опада (опавших листьев, плодов, ветвей) в тропиках, жизнь и пищеварение целиком зависят от микроорганизмов, которые обитают в кишечниках этих насекомых.

Очень показателен пример жвачных животных. В обиходе принято считать, что они питаются растительной пищей — травой, сеном, силосом и т. д. На самом деле теленок, корова, так же как ягненок или баран, усваивают в основном не сами растительные корма, а продукты переработки этих кормов микробами (бактериями, инфузориями, грибками, в том числе дрожжами).

Трава, сено, силос, съеденные теленком, коровой или быком, после разжевывания попадают в преджелудки, рубец, сетку и книжку, где становятся добычей великого множества микробов. Преджелудки и главная их часть — рубец — это не что иное, как своего рода биохимический завод, в котором мириады микробов днем и ночью преобразуют углеводистые и азотистые вещества кормов в высокоценный белок, аминокислоты, витамины и другие питательные вещества, необходимые для нормальной жизнедеятельности организма животного.

У взрослых быка или коровы емкость рубца составляет от 100 до 250 литров, а в каждом миллилитре рубцовой жидкости насчитывается от 8 до 15 миллиардов бактерий, иногда же их количество достигает 40–46 миллиардов. Под действием микробных ферментов в преджелудке переваривается от 70 до 80 процентов сухих веществ корма. Полагают, что от 50 до 80 процентов азотистых веществ рациона перерабатывается в микробный белок, который и служит для животного организма источником аминокислот.

Таким образом, жвачные животные питаются не столько белком кормов, сколько более ценным белком микроорганизмов. В рубце коровы за сутки синтезируется от 700 до 900 граммов бактериального белка, а в рубце овцы — от 20 до 100 граммов. При среднем удое в 20 килограммов корова выдает с молоком за сутки около 700 граммов белка. Следовательно, этот расход может полностью покрываться микробным белком, поступающим из рубца. Поэтому экологи говорят о «внутренних пищевых цепях» в организме жвачных. Но такие же процессы свойственны и другим травоядным животным, в том числе многим почвенным, которые заметную часть белкового питания получают, переваривая микробов.

Трофические (пищевые) цепи всего населения планеты начинаются с растений и микроорганизмов, которые в результате фотосинтеза или хемосинтеза продуцируют, создают из простых минеральных веществ очень сложные органические вещества, богатые связанной энергией солнечных лучей или химических соединений.

Далее пищевые цепи включают растительноядных животных. Они поедают организмы, создающие первичное органическое вещество (продуценты), и, в свою очередь, служат пищей для плотоядных (например, мелких хищников, которые часто сами становятся кормом для более крупных хищников, настигающих свою жертву на лету, на бегу или в воде). Сюда же относятся паразиты животных.

Замыкают пищевые цепи сапрофаги (от греческих слов «сапрос» — гнилой и «фагос» — пожиратель). В основном это микроорганизмы — бактерии и грибы, которые питаются трупами, растительным опадом, постепенно разлагая, минерализуя органические вещества и возвращая их в мир неживой природы. Среди сапрофагов — множество почвенных животных, которые переваривают мертвые ткани растений вместе с заселяющими их микробами. Но окончательное разложение и самих животных — сапрофагов, и их экскрементов выпадает на долю микробов.

Академик А. М. Уголев обратил внимание, что процессы поглощения и распада органических веществ в природе на всех уровнях трофической цепи, на всех уровнях организации биологических систем имеют очень много общего. Сейчас происходит становление новой научной дисциплины — трофологии, которая изучает закономерности ассимиляции (то есть поглощения и усвоения) веществ живыми организмами на всех уровнях.

Доказано, что, несмотря на фантастическую разницу в масштабах явлений, которые происходят на клеточном уровне, в организме или в биосфере в целом, многие закономерности ассимиляции универсальны. Взять хотя бы такой процесс, как деполимеризация (гидролиз, переваривание) пищевых продуктов, в результате чего уничтожается их специфичность, принадлежность определенному виду животных или их органу, и образуются такие формы утилизируемых веществ, которые могут транспортироваться через клеточные мембраны. Сравнительно недавно стало понятно, что у всех живых организмов — от бактерий до млекопитающих — есть три основных типа пищеварения: внеклеточное, мембранное и внутриклеточное.

При внеклеточном пищеварении клетка выделяет растворимые ферменты «наружу», где они разрушают крупные молекулы или агрегаты пищевых веществ, осуществляют их начальное переваривание. Ферменты, которые связаны с клеточной мембраной, гидролизуют мелкие молекулы и способствуют всасыванию полученных полупродуктов. После того как эти вещества проникли внутрь клетки, их переваривание завершают ферменты в цитоплазме или в специальных полостях — вакуолях.

Поразительно сходны у всех живых существ, включая бактерии и дрожжи, механизмы переноса пищевых веществ через клеточные мембраны. Это единство механизмов переваривания пищи, как и единство химического состава организмов, является основой, на которой разные живые существа могут находить между собой «общий язык», совместно или поэтапно ассимилировать одну и ту же пищу, например растительные ткани.

Но нам бы хотелось обратить внимание на другое: именно благодаря деятельности микроорганизмов смогла возникнуть на суше основа существования растений, животных и человека — плодородная почва. Не случайно в земледелии многие приемы агротехники направлены на создание благоприятных условий для деятельности почвенной микрофлоры, от которой зависит урожай.

По своей численности и плодовитости микробы значительно превосходят все другие организмы, вместе взятые. И по своим функциям микробы служат опорой всего живого — ведь они важнейшие звенья в круговороте веществ на планете. Да и по возрасту они самые древние среди живых существ.

И вот что любопытно: животные и растения не могут существовать ни друг без друга, ни без микробов. Микробы же не нуждаются в чужих соседях. Два миллиарда лет назад только они одни и существовали на нашей планете. Все другие формы жизни возникли не более одного миллиарда лет назад, причем и растения и животные могли произойти лишь от тех же самых микробов.

С микробами теснейшим образом связаны и высшие растения.

В середине XIX века одной из острых проблем практического земледелия было обеспечение почвы азотом в доступной растениям форме (атмосферный молекулярный азот они не усваивают). И здесь давний практический опыт заставил приглядеться к бобовым растениям, особенно к клеверу, поскольку было доказано, что они обогащают почву азотом. Но как это происходит?

Руководитель одной из сельскохозяйственных опытных станций в Германии Г. Гельригель в 80-х годах прошлого столетия обнаружил, что атмосферный азот бобовые растения усваивают благодаря особым клубенькам на их корнях. Гельригель предположил, а затем доказал экспериментально, что фиксируют азот не сами бобовые растения, а какие-то еще неизвестные в то время микроорганизмы, которые являются симбионтами (сожителями) растений.

Заслуга же открытия клубеньковых бактерий принадлежит русскому микробиологу М. С. Воронину, который в 1866 году опубликовал подробнейшее описание возникновения клубеньков на корнях ольхи и люпина и развития микроорганизмов в этих клубеньках. Гельригель знал о работах Воронина и опирался на установленные им факты. Работы Воронина вызвали оживленную полемику в научных кругах: не все приняли его вывод о бактериальном происхождении клубеньков, некоторые полагали, что здесь присутствуют споры гриба или же «выродившиеся» грибы.

Вопрос этот окончательно решен был лишь выдающимся голландским микробиологом М. Бейеринком, который взялся проверить данные Воронина. Довольно быстро Бейеринк убедился, что в клубеньках бобовых живут действительно бактерии, но он пошел значительно дальше и получил чистую культуру этих бактерий в специально разработанной им самим среде. В своем капитальном исследовании «Бактерии из клубеньков бобовых растений», опубликованном в 1888 году, Бейеринк подробно описал выделенную бактерию и дал ей латинское название бациллюс радициола (корневая бацилла).

Между тем агрохимики доказывали, что в почвах происходит накопление азота и без участия бобовых растений. Например, А. Н. Энгельгардт, ученый-химик, пропагандист агрохимии в России, автор популярной в свое время книги «Химические основы земледелия», утверждал, что луга обогащаются азотом независимо от наличия бобовых культур. Такие же наблюдения были сделаны в Германии, Франции и Англии. И только после того, как С. Н. Виноградский показал, что выделенная им бактерия клостридиум может усваивать молекулярный азот воздуха, а затем и получил эту бактерию в чистой культуре, наука и земледелие получили ясный ответ: связанным азотом, который доступен растениям, почву обогащают микроорганизмы.

Но благотворное влияние невидимок на почву, а следовательно, и на весь зеленый мир планеты не ограничивается фиксацией молекулярного азота. Микробы разрушают трупы животных, остатки корней, стеблей и листьев растений и превращают мертвое органическое вещество в плодородный гумус, или перегной. Многие органические вещества они преобразуют в более простые минеральные вещества, растворимые в воде и поэтому доступные для растений.

Так обеспечивается на Земле непрерывность процессов образования все новой и новой органической, живой материи. И неудивительно что многие приемы современной агротехники направлены на интенсификацию микробиологических процессов в почве.

Почвенная зоология развилась на стыке зоологии и почвоведения. Зоология — одна из старейших отраслей естествознания, зародившаяся в глубокой древности и нашедшая отражение уже в трудах великого энциклопедиста античного мира Аристотеля. Почвоведение же — сравнительно молодая наука, получившая признание и современное развитие благодаря трудам замечательного русского естествоиспытателя В. В. Докучаева.

Роль животных в круговороте веществ в природе известна натуралистам давно. К. Линней писал, что в тропиках три мухи с их потомством съедают труп лошади быстрее, чем лев. Английский естествоиспытатель В. Кирби в 1800 году описал процесс разрушения мертвых деревьев в лесу и участие в нем насекомых и грибов примерно так же, как ученые, вернувшиеся к этой проблеме через полтора столетия.

Наблюдения петербургского профессора П. А. Костычева, современника В. В. Докучаева, показали, что именно деятельность животных (в его опытах — личинок грибных комариков) способствует превращению гниющих листьев в аморфный перегной. Без животных, если разложение происходит только при участии грибов и бактерий, листья много лет сохраняют свою структуру.

И. И. Мечников в 1880 году писал, что в наших степных районах личинки жука кузьки и близких видов играют такую же роль, как и дождевые черви в более влажных районах. И немудрено, что в последних трудах В. В. Докучаева мы уже читаем: «Попробуйте пройтись по такой целинной древней степи и вырезать из нее кубик почвы, увидите вы, что в нем больше корней, трав, ходов жучков, личинок, чем земли. Все это бурлит, сверлит, точит, роет почву, и получается несравнимая ни с чем губка». Так изменились взгляды В. В. Докучаева менее чем за 20 лет!

Немецкий исследователь Р. Франсэ в 1912 году на страницах нашего старейшего журнала «Почвоведение» выступил со статьей, где говорилось о взаимосвязанных, обеспечивающих циркуляцию материи организмах, никогда не оставляющих почву, — сообществе, аналогичном планктону водоемов.

Почвенная фауна привлекала все большее внимание, методы исследования совершенствовались. Итальянский зоолог А. Берлезе в 1905 году предложил новый способ быстрого извлечения мелких членистоногих из проб почвы и других субстратов, а когда в 1918 году для нагрева почвы датчанин А. Тульгрен применил в приборе электрическую лампочку, метод получил название «автоматической выборки». Новые приемы, позволяющие учитывать живущих в почве личинок, ввели у нас в практику З. С. Головянко и другие энтомологи.

В начале XX века в разных странах стремительно накапливались материалы, касающиеся почвенных беспозвоночных.

В 30-е годы уже было собрано довольно много сведений о численности ряда групп животных в почвах разного типа, под различного типа растительностью, об экологических требованиях некоторых представителей почвенной фауны, об их деятельности в почвах и т. д. Все это позволило М. С. Гилярову обобщить разрозненные материалы, опубликованные в советской и зарубежной печати, и дать в 1939 году в журнале «Почвоведение» краткие обзоры: «Почвенная фауна и жизнь почвы» и «Влияние почвенных условий на фауну почвенных вредителей».

Эти статьи привлекли внимание почвоведов Московского университета, и автору предложили организовать при почвенном отделении геолого-почвенного факультета небольшую лабораторию. Там он составил первую сводку по методам количественного учета групп почвенных беспозвоночных. В этот период проводились исследования взаимосвязи численности почвенных животных, микроорганизмов и корневой массы.

В 1956 году в Институте эволюционной морфологии и экологии животных имени А. Н. Северцова Академии наук СССР в Москве была создана первая в мире специализированная лаборатория почвенной зоологии. Она и по сей день — центр почвенно-зоологических работ в нашей стране.

По мнению М. С. Гилярова, почва представляет собой особую среду обитания, которая для многих групп животных оказалась переходной от водного образа жизни к наземному. Посвященная этой проблеме монография «Особенности почвы как среды обитания и ее значение в эволюции насекомых», изданная в 1949 году, способствовала рождению новой отрасли биологии — почвенной зоологии. Несколько позже стали появляться специальные книги по почвенной зоологии в ГДР, Австрии, Англии, Франции, ФРГ, ЧССР, Польше и других странах.

Деятельность животных в почвах многообразна. Они не только непосредственно перерабатывают растительный опад, но и стимулируют активность микроорганизмов. При отсутствии животных микробы разлагают опад в два-шесть раз медленнее, он накапливается на поверхности, в лесах резко возрастает опасность пожаров. Рассеивая экскременты по поверхности и в толще почвы, животные разносят и микробов, создают благоприятные очаги для их размножения и деятельности.

Л. С. Козловская в Карелии описала своеобразные отношения между почвенными беспозвоночными и микроорганизмами на примере животных торфяных почв. При прохождении пищи через кишечник животных одни группы микроорганизмов стимулируются, другие подавляются. При этом либо стимулируется активность разрушителей клетчатки, либо, наоборот, разложение клетчатки подавляется и интенсифицируется трансформация соединений, содержащих азот, с последующим образованием молекул гуминовых соединений. В кишечнике сапрофагов создаются благоприятные условия для массового развития тех или иных представителей микрофлоры.

В процессе трансформации органического вещества большое значение имеет деятельность микроорганизмов-аммонификаторов, фиксаторов молекулярного азота и разрушителей клетчатки. Почвенные беспозвоночные успешно сожительствуют с представителями всех этих групп микрофлоры.

Пропуская через кишечник массу растительных тканей, животные размельчают их и тем самым многократно увеличивают суммарную поверхность растительного материала, доступную микроорганизмам, а также воздействию воздуха и воды.

С помощью собственных ферментов и ферментов симбиотических микроорганизмов беспозвоночные расщепляют целлюлозные компоненты клеток и высвобождают лигнин, который находится в сложном соединении с клетчаткой, что имеет большое значение для развития процессов гумификации органических остатков в почве.

В ходе пищеварения в кишечнике почвенных беспозвоночных происходит частичная минерализация растительных остатков, а у некоторых групп — и частичная гумификация. Экскременты животных — одна из составляющих почвенного гумуса.

Многие почвенные животные заглатывают вместе с органическими пищевыми веществами минеральные частицы почвы, способствующие перетиранию в кишечнике пищи. Проходя через кишечник, минеральные частицы (глинистые, песчаные) перемешиваются, спрессовываются и склеиваются выделениями кишечника, образуя разной величины зернистые комочки. И чем их больше, тем плодороднее почва.

Совершая вертикальные миграции в почве, животные заносят растительные остатки в глубокие горизонты и перемешивают органические и минеральные частицы. Передвижения животных способствуют и улучшению аэрации почвы, что в первую очередь стимулирует аэробные процессы разложения органических остатков.

В обычной почве очень много корней. Мы в этом воочию убеждаемся, когда видим бурты выкопанного картофеля, сахарной свеклы или же маниоки и батата в тропиках. Но не меньше их в естественных, «диких» условиях.

Несколько цифр.

В кустарниковых тундрах масса корней достигает 200–300 центнеров на гектар, что составляет около 80 процентов массы всего растительного покрова.

В лесах на долю корней приходится не столь большая часть всей массы растений (15–30 процентов), поскольку слишком велика здесь масса стволов и ветвей деревьев. И все же абсолютные величины стоят того, чтобы о них упомянуть. В тайге это 300–800, в дубравах несколько больше, а в субтропических и тропических лесах масса корней достигает 900–1000 центнеров на гектар.

Корни проникают в глубь почвы на многие метры, поставляя растениям воду и растворенные минеральные вещества. Корневые системы растений оказывают очень сильное влияние на химический состав и физические свойства почвы, ее проницаемость для воды и воздуха, на образование гумусовых веществ и их распределение. Корни участвуют в разложении минералов почвы, снабжают органическим веществом большинство почвенных микробов и животных.

Очень важна и способность корней выделять органические растворы — экскреты. Они вызывают глубокие изменения в химическом составе почвенной среды, влияют на жизнь микробов, животных, на жизнь других растений.

Изучение физиологии корней, их роли в питании надземной части растения насчитывает почти два с половиной столетия: первая книга на эту тему появилась во Франции в 1758 году. Большой вклад в изучение корневых систем растений внесли наши известные почвоведы Д. Н. Прянишников, В. Р. Вильямс, Н. А. Качинский, С. П. Костычев.

Самые ближайшие к корню слои почвы, так называемая ризосфера, служат ареной бурной микробиологической активности бактерий, актиномицетов, грибов, водорослей и микроскопических животных: простейших, нематод, коловраток. Микробов привлекают не только органические вещества, выделяемые корнями, но и сами корни, живые и отмирающие. А животные неравнодушны еще и к самим микробам, которыми они питаются. Корни любого растения выполняют множество функций: они создают опору для всего растительного организма, закрепляя его в почве, они поглощают воду, минеральные вещества, в корнях происходит синтез многих органических соединений, через корни выделяются продукты обмена. Для моркови или свеклы корень — место хранения запасов, для осины или сирени — орган вегетативного размножения: от корней идут новые побеги.

«Рабочий орган» корней — корневые волоски — выросты клеток поверхностного слоя молодого корня. Они увеличивают всасывающую поверхность корней, выделяют ненужные вещества, служат опорой для растущей верхушки корня.

Удивительным образованием является микориза (по-русски — грибокорень) — взаимовыгодное сожительство гриба с корнем высшего растения, например гриба подосиновика с осиной или подберезовика — с березой.

Корневые волоски живут недолго, обычно один сезон. По мере роста корня на его верхушке все время образуется зона новых корневых волосков, а старые отмирают. Строение корней разных растений почти так же разнообразно, как и строение надземных частей. У деревьев многие корни живут десятилетия, даже столетия, а у степных трав после плодоношения вся корневая система может полностью отмирать.

Полагают, что количество растительной массы, создаваемой зерновыми культурами, составляет 60–110 центнеров на гектар, а отношение надземной массы к корневой в среднем равно 4:1. Так, в частности, обстоит дело с пшеницей, ячменем, кукурузой, овсом. Но нет ничего более утомительного, чем изучение продуктивности корневых систем в полевых условиях. Методика здесь сложна, кропотлива, а ошибки все же возможны, так как отмыть (а без этого невозможно изучать корневые системы) самые мелкие корешочки не всегда удается.

В песчаных пустынях масса корней во много раз, иногда в 10–20, превышает массу надземной растительности.

В прериях Северной Америки ежегодно обновляется около 0,5 килограмма корней на каждом квадратном метре почвы, или 25 процентов их биомассы. Отмирающие органические вещества пополняют запас перегноя в почве, но чтобы «набрать» современное содержание гумуса, требуется столетие для верхней и около шестисот лет для нижней части почвенного слоя. Разница объясняется тем, что большинство корней сосредоточено в самом верхнем слое, в глубину проникают немногие, а значит, и мала их масса; в глубине к тому же медленнее идут процессы обновления.

Каждый вегетационный сезон происходит нормальное природное отмирание корней и у плодовых растений (корнепад) или циклическое обновление, смена корней системы.

Мы не всегда отдаем себе отчет, в каких гигантских количествах корни «пьют» воду, а цифра — весьма внушительна: для леса она равна почти 10 тысячам тонн на гектар.

Многие корни используются в пищу человеком, а еще чаще — дикими животными, поскольку содержат крахмал, сахара, масла, витамины. Существуют даже специализированные животные, например слепыши, которые питаются только корнями растений, для чего проделывают в почве длинные ходы.

Сложные и многообразные отношения складываются между корнями и почвенными беспозвоночными. Беспозвоночные — сапрофаги проделывают исключительно важную работу, вместе с микробами утилизируя мертвые корневые остатки, освобождая место и питательные вещества для нового поколения растений. Прокладывая подземные лабиринты, они облегчают корням проникновение в глубину, обеспечивают их воздухом и водой.

Но эти отношения далеко не всегда складываются к обоюдной пользе. Многие беспозвоночные, особенно личинки насекомых, питаются живыми корнями растений. Перегрызая корни всходов и сеянцев, особенно у молодых посадок сосны, у свеклы, хлопчатника, насекомые способствуют их заболеванию или даже гибели. Так, за «чахотку» табака в Крыму принимали повреждения корней личинками жука песчаного медляка, настолько были похожи симптомы у заболевших растений и тех, которые пострадали от этих личинок. Личинки долгоносиков ситон развиваются в клубеньках на корнях бобовых там же, где и клубеньковые бактерии, и это тоже вредит растениям.

Однако даже такие обитатели почвы наносят не только ущерб: и они прокладывают растениям ходы, выедают подгнившие участки корня, способствуют расселению полезных микроорганизмов, экскременты животных служат питательной средой микробам. Правда, не все такие микробы полезны. Порой животные заражают растения вредными микробами, которых заносят в поврежденные участки корня, например нематоды, личинки луковой мухи и луковой мухи-журчалки. Но и корни своими выделениями создают иногда непригодные условия для жизни животных.

На этом основан один из методов борьбы с вредителями растений, которые разыскивают в почве нужные им растения по их «запаху» — корневым выделениям.

Выращивание нескольких сельскохозяйственных культур на одной и той же площади приводит к изменению популяции вредителей, — так утверждает группа биологов из Кембриджского университета. Дело в том, что взрослые насекомые не прочь поживиться и за счет других растений, которые, однако, оказываются совсем неподходящими для них. Обнаружив ошибку, вредители поспешно разбегаются, не успевая подчас отложить яйца. В этом смысле защитником капусты может выступить фасоль, а моркови — лук, который не только отвлекает внимание вредителей, но и блокирует их обоняние острым запахом.

И наконец, надо сказать о дыхании корней. Ведь выдыхаемая углекислота может в почве, где затруднен газообмен, достигать концентрации 10–12 процентов против 0,03 процента в атмосферном воздухе. Все ли животные способны это выдержать?

Так непросто складываются в почве отношения между корнями, микробами и растениями.

Почвы изменяются со временем. Об этом известно любому земледельцу, который, заботясь о плодородии почвы, заправляет ее удобрениями, поддерживает комковатую структуру. Если этого не делать, плодородие иссякает, разрушается водопрочная структура, убывает гумус.

Постоянные изменения почв происходят и без воздействия человека. И такие изменения наглядны, их легко наблюдать: на чистых песчаных наносах поселяются растения, за ними другие, и вот уже песок закреплен, он медленно превращается в почву. Или обнажилась скальная поверхность. Прошло время, и ее заселили лишайники, потом мхи, за ними травянистые растения, и в скором времени образовался слой почвы, в котором успешно поселяются первые деревья.

Во всех этих явлениях действующей силой выступают живые организмы: сначала микробы, затем лишайники, мхи и высшие растения. Им всюду сопутствуют и почвенные животные: простейшие, нематоды, клещи, ногохвостки, личинки насекомых и дождевые черви. При этом горная порода превращается в почву, все более мощную, все более богатую гумусом.

Было бы неправильным не видеть в этом процессе, называемом эволюцией почвы, также действия атмосферного воздуха, воды и растворенных в ней химических веществ. Наконец, в современную эпоху, названную в начале века известным нашим геологом академиком А. П. Павловым антропогенной, то есть определяемой деятельностью человека, на почвенный покров все большее влияние оказывает человек.

Русскому почвоведению, начиная с работ В. В. Докучаева, было всегда присуще понимание динамики почвенного покрова, изменения почв в пространстве и во времени. В советское время вопросы эволюции почв не раз широко обсуждались, причем иногда эти обсуждения были очень бурными.

Не чужды эти идеи и работам зарубежных почвоведов. Особенно подробно динамика почвообразования, эволюция почв рассмотрены в книге французского почвоведа профессора Филиппа Дюшофура, переведенной в 1970 году на русский язык. На большом материале Ф. Дюшофур показывает, как под влиянием эволюции минеральной части почвы, ее глин, органического вещества, органо-минеральных комплексов, ионных равновесий в почвенном растворе, влиянием растительности на биологический цикл элементов меняются во времени почвы холодного, умеренного и жаркого климата. Ученый предлагает убедительные схемы стадийного развития почв в условиях избытка воды, кальция, натрия, железа и других компонентов. (Менее подробные, но удобные и вполне обоснованные схемы строили и наши почвоведы, одну из них в 1911 году предложил П. С. Коссович, другую в 1927-м — С. А. Захаров.)

Нашли последователей среди почвоведов и идеи яркого американского геоботаника Ф. Клеменсу, который в развитии растительности различал промежуточные стадии (сукцессии) и заключительную устойчивую фазу (климакс).

В нашей стране горячо обсуждались взгляды В. Р. Вильямса о «едином почвообразовательном процессе». Все зональные типы почв ученый рассматривал в качестве стадий, этапов единого процесса.

В работах советских почвоведов в 30-е годы, в том числе Н. П. Ремезова, В. А. Ковды, С. В. Зонна, были описаны конкретные случаи эволюции почв в лесах, степях. В трудах нынешних почвоведов идеи эволюции почв нашли отражение в классификации почвенных типов, где учтены особенности современных почвенных процессов («почва-момент») и реликтовых свойств, оставшихся от прошлого («почва-память»).

Особое место в исследованиях по эволюции почв занимает небольшая книжка профессора А. А. Роде «Почвообразовательный процесс и эволюция почв», увидевшая свет в Москве в 1947 году. Алексей Андреевич здесь не только четко систематизировал все имевшиеся в науке на тот период данные об эволюции почв, но и определил ее движущие силы. Он выделил четыре фактора эволюции:

действие сил внешних по отношению к биогеоценозу;

воздействие соседних биогеоценозов;

саморазвитие почв из-за действия внутренних сил в биогеоценозе;

филогенез растений и других живых организмов, обладающих новыми геохимическими особенностями.

Последнее обстоятельство первым среди почвоведов отметил А. А. Роде. А ведь именно оно является главной движущей силой эволюции почв в масштабах геологической шкалы времени.

Авторы имели удовольствие не раз обсуждать с Алексеем Андреевичем вопросы эволюции почв во время экспедиций в черноземной зоне России, в Западном Казахстане. Этот удивительно обаятельный человек и энциклопедически образованный ученый прекрасно разбирался не только в вопросах почвоведения, но и в зарождавшейся в 50-е годы биогеоценологии.

Он неоднократно подчеркивал, что почвы по тем масштабам времени, которыми пользуются геологи, — эфемеры, образования с недолгой жизнью. До него такого четкого представления у почвоведов не было. В общих словах подобные идеи высказывались, но Роде конкретно показал, в чем заключается движущая сила эволюции жизни для почвообразовательного процесса.

Растения, которые обеспечивают значительную часть биогенного круговорота на суше, избирательно накапливают отдельные элементы и соединения. Большинство современных растений создает круговорот веществ, в котором на первом месте стоят азот, фосфор, калий, кальций, магний и натрий, на втором — кремнезем, а на третьем — разные окислы, изредка хлор и сера. А вот древнейшие растения — хвощи и плауны резко отличаются по своему зольному питанию. Хвощи накапливают в первую очередь кремнезем, а плауны — глинозем. Нетрудно сделать вывод, что характер почвообразования под палеозойскими хвощовыми и плауновыми лесами был иным, нежели сейчас.

На это обстоятельство обращал внимание академик Л. С. Берг в работе о происхождении уральских бокситов. Он полагал, что глинозем избирательно накапливался растениями карбонового периода, но в почвоведении эта идея ранее не рассматривалась.

Заключая главу о факторах эволюции почвы, А. А. Роде писал: «…в трех из четырех намеченных нами возможных случаев эволюции движущей силой эволюции является растительность или — шире — живое вещество». Именно эволюция живого покрова — «биоты», как сейчас говорят, является постоянно действующим фактором активного изменения биогеоценоза, а с ним и почвы.

Есть даже смелые гипотезы, что жизнь возникла именно в грунте первичных материалов Земли, что древнейшие существа планеты — почвенные микробы, что именно они появились первыми в земном реголите — грунте, похожем на грунт Луны. Кстати, низшие растения действительно могут расти на грунте такого состава, это доказано экспериментально.

В едином многоплановом процессе почвообразования ученые часто выделяют отдельные элементы, из которых этот процесс складывается. Советские почвоведы предложили схемы классификации таких элементов, которые профессор А. А. Роде обозначал как микропроцессы почвообразования, а известный географ академик И. П. Герасимов называл элементарными процессами почвообразования.

А. А. Роде под микропроцессами подразумевал простейшие реакции и явления, на которые может быть разложен каждый из процессов образования почвы. Он подразделял их на три группы. Первая — обмен веществом и поступление энергии в почву и из нее, взаимодействия между почвой и другими природными телами. Вторая — химические и энергетические превращения в самой почве. Третья — процессы перемещения веществ в энергии в почве.

Самое интересное, что в основе множества мельчайших, элементарных процессов почвообразования лежит биохимическая деятельность микроорганизмов. А некоторые микропроцессы — чисто микробиологические, как превращения азота, например: аммонификация, нитрификация, денитрификация.

Поэтому ленинградский микробиолог профессор Т. В. Аристовская предложила выделять в почве элементарные почвенно-биологические процессы, те простейшие «кирпичики», которые строят сложный мир химических превращений почвы, особенно превращений органического вещества. Здесь нас интересует только один процесс — разложение минералов той горной породы, на которой образовалась почва.

Разложение микробами горных пород имеет огромное значение для биосферы. Не будь его, живые организмы очень быстро исчерпали бы ресурсы большинства биогенных элементов. Особенно важно это в условиях влажного климата, где дожди постоянно промывают почву и выносят все растворимые элементы минерального питания, которые не успели перехватить другие микроорганизмы или же корни растений.

Есть множество микробов (в их числе бактерии, водоросли, грибы, актиномицеты, дрожжи), способных разрушать минералы и извлекать нужные им элементы или химические соединения — кислород, азот, железо, серу, калий и др. Как же мельчайшим живым существам удается сокрушить горные породы?

Для этого у них есть целый арсенал могучего химического оружия: ферменты, слизи, кислоты. Ферменты — средство строго избирательного воздействия. Например, с помощью ферментов серобактерии окисляют содержащие серу минералы. Многие микробы, попав в анаэробные условия, то есть в условия, где нет кислорода, способны с помощью особых ферментов «отнимать» кислород у окислов железа. А содержащие железо минералы при этом разрушаются.

Не столь избирательное, но еще большее по масштабам действие оказывают на минералы различные слизи, выделяемые микробами. Многие бактерии в почвах буквально погружены в слизь. Именно она составляет основную массу органических полимеров, особенно полисахаридов. Содержащиеся в слизи уроновые кислоты могут разрушать кристаллические решетки минералов, тем самым переводя в раствор, в усвояемое состояние нужные микробам вещества.

Микробы выделяют кислоты и в чистом виде, даже такие сильные, как азотная и серная. Иногда эти кислоты для микробов являются не оружием нападения на минералы, а просто экскретами, отбросами. Автотрофные микроорганизмы, в частности нитрификаторы и серобактерии, могут порой «захлебнуться» в выделяемых ими же самими кислотах.

Минералы легко растворяются многими кислотами, даже когда самим разрушителям это совершенно не нужно. Однако в биогеоценозе живут и другие существа, которые охотно поглощают минеральные соединения растворенных горных пород.

Но многие микробы, особенно гетеротрофные, разлагают минералы, например алюмосиликаты, целенаправленно. При этом используются чаще всего не минеральные, а органические кислоты: муравьиная, уксусная, масляная, лимонная, молочная, щавелевая, янтарная, винная, различные аминокислоты. Так поступают многие бактерии, но наиболее ярко выражена способность к кислотообразованию у микроскопических грибов. С помощью кислот микробы извлекают из минералов фосфор, многие металлы. В разложении горных пород достаточно велика и роль гумусовых кислот, фенольных соединений.

В процессе жизнедеятельности микробы выделяют и щелочи, особенно при разложении органики, аммонификации. Накоплению в почве щелочей способствует внесение навоза и других органических удобрений, если они содержат много азота. И вот уже щелочи растворяют кварц, труднорастворимые фосфаты, алюмосиликаты, нефелины.

Микробы выделяют и такие сильные химические реагенты, как водород, сероводород, метан, которые также разрушают минералы.

Все эти явления очень важны для почвообразования, для снабжения растений элементами минерального питания, для всей жизни биогеоценоза. Но совершенно очевидно, что эти же процессы еще важнее для эволюции почвы, для формирования почвенного слоя, накопления запаса биогенных элементов в живом веществе экосистемы при развитии почв на чистой скальной поверхности, песке или глине. Здесь свободно поселяются автотрофные микроорганизмы, лишайники (они тоже выделяют кислоты и могут растворять минералы), а все остальное — дело времени.

Обратите внимание: все процессы микробиального разложения горных пород могли идти на суше сотни миллионов лет назад, задолго до появления наземных растений и животных. Причем идти так же, как они идут и сейчас, обеспечиваемые теми же видами микробов. Есть и прямые доказательства исключительной древности микробов, которые способны разрушать камни. «Живые ископаемые», «колодец в прошлое» — каких только ярких эпитетов не использовали, чтобы подчеркнуть неизменность литотрофных («питающихся» камнем) микроорганизмов на протяжении последнего миллиарда лет истории Земли.

Однако микробы не только разрушают минералы, но и способствуют созданию многих новых, особенно содержащих кальций, фосфор, кремний, железо и алюминий.

Микробы, только они используют запасенную ранее энергию минеральных соединений. Еще в начале нашего века в экспериментах с микробами из кишечника дождевых червей было доказано разложение измельченных горных пород. Правда, микробы поглощают не все элементы, а преимущественно нужные им самим. Например, плесневые грибы в опытах за неделю извлекали из размельченного базальта 54 процента железа, 59 — магния, 11 — алюминия, немало кремния.

О том, что микробы могли жить на суше в протерозое, свидетельствуют и многие данные о физиологии этих организмов, их умении противостоять неблагоприятным физическим факторам среды, способности питаться самыми простыми веществами. Академик А. А. Имшенецкий доказал, что даже занесенные ветром на высоту 84 километра, в стратосферу и мезосферу, микробы сохраняют жизнеспособность. Есть микробы, которые обладают защитными пигментами: черными, зелеными, серыми, коричневыми. Такие формы не боятся высушивания, охлаждения до минус 196 градусов, больших доз ультрафиолетовой радиации.

А недавно микробиологи открыли новый мир среди бактерий — архебактерии. Они — продуценты метана, того самого газа, который мы сжигаем в газовых горелках в кухонных плитах. Эти строго анаэробные бактерии встречаются на Земле повсюду, в том числе и в почвах. Они разлагают органические вещества без доступа кислорода. Поразителен набор веществ, которые они используют в пищу: водород, углекислота, соли уксусной кислоты, простейшие органические молекулы с одним атомом углевода. Что же могло препятствовать таким или им подобным микроорганизмам жить на суше в докембрии? Очевидно, таких препятствий не было.

Пока это только предположение — остатков докембрийских почв с микробами еще никто не находил. Но согласимся с известным специалистом по докембрию академиком Б. С. Соколовым, который писал, что, как бы ни относиться к такой гипотезе, за время, прошедшее после 1947 года, когда она впервые была высказана Л. С. Бергом, ее никто не смог опровергнуть.

Как видим, важнейшие химические процессы в почвах регулируются деятельностью живого вещества, особенно микробов и высших растений. Поэтому почвы столь же изменчивы, непостоянны по своим свойствам, как и жизнь организмов, которые их создали.

Наши знания о химизме биосферы, о тех условиях, в которых появилась жизнь и почвенный покров, покоятся на очень прочном научном фундаменте. Достаточно упомянуть классическую работу академика В. И. Вернадского «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения», написанную в 30-е годы. Современная жизнь привнесла нечто совершенно новое в познание начальных этапов эволюции планет — прямые наблюдения в космосе. Космонавтика позволила «заглянуть» в такие процессы и обстановку ранних периодов жизни Солнечной системы, отстоящих от нас на 3–4,5 миллиарда лет.

Геохимики пришли к убеждению, что все планеты земного типа, а это Луна, Меркурий, Земля, Венера и Марс, имеют одинаковый состав. Разная масса этих планет определяет различия в степени сжатия вещества в их глубинах, а также то важнейшее для жизни обстоятельство, будет ли у планеты атмосфера и какого именно состава.

Химический и минералогический состав поверхности довольно сходен. Вся поверхность Луны сложена магматическими силикатными породами, содержащими много кремния, а также продуктами их разрушения. Здесь присутствуют известные и на Земле минералы: ортоклаз, плагиоклаз, диопсид, оливин, ильменит, апатит и другие. Слоем раздробленных силикатных пород сложена поверхность Марса, а поверхность Венеры — базальтами и гранодиоритами.

Одинаковы всюду и доминирующие химические элементы. Тщательно изучен состав метеоритов — пришельцев к нам из глубин Солнечной системы. Они бывают разные по своему составу: железные, каменные и другие, но особенно интересуют ученых так называемые углистые хондриты — метеориты из темного, похожего на уголь вещества, которое содержит много органических соединений. Около 40 таких метеоритов найдено в Антарктике, в других районах Земли их разыскать труднее: кто обратит внимание на темный тусклый камешек? А среди вечных льдов он сразу бросается в глаза.

Так вот, в углистых хондритах много сложных органических соединений, в том числе и аминокислоты. Определение абсолютного возраста метеоритов показывает, что в Солнечной системе сложные органические соединения были уже по меньшей мере за миллиард лет до возникновения жизни на Земле: ведь большинство метеоритов — остатки того вещества, из которого сложены планеты. Вполне логично предположить, что эти первичные органические вещества могли послужить основой для развития жизни. Физики остроумно отметили, что окружающее нас вещество похоже на золу космического пожара, в котором оно было создано.

Мы уже говорили, что толщи первичных грунтов на древних материках издревле должны были быть заселены микробами. Но на саму «дневную» поверхность Земли организмы — а это были зеленые растения — взошли далеко не сразу.

Многие геохимики считают, что свободный кислород в очень малом количестве существовал и 4,5 миллиарда лет назад. Он — результат разложения молекул воды солнечным излучением. Но чтобы достичь уровня Пастера (0,01 процента от современной) — той концентрации, при которой дыхание микробам в 30–50 раз энергетически выгоднее брожения, микроорганизмам потребовалось 2,5 миллиарда лет «работы».

Уровень Пастера был преодолен только в позднем протерозое, не ранее одного миллиарда лет назад. Только тогда зеленые растения, еще без корней и листьев, ближайшие потомки водорослей, стали заселять сушу по побережьям океанов. Это имело колоссальные последствия для всей биосферы: масса живого вещества после заселения суши увеличилась в 800 раз, возникли почвы, образовался гигантский по разнообразию мир почвенных организмов.

Полагают, что первое время жизни на суше мешало жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца и обитали здесь лишь низкорослые псилофиты и мелкие почвенные беспозвоночные. Но около 400 миллионов лет назад, когда количество кислорода в атмосфере достигло около 10 процентов современного, образовался и озоновый экран в атмосфере. К этому времени приурочено появление уже целых лесов из псилофитов, а также выход на сушу первых позвоночных животных.

Завоевание континентов растениями и животными вызвало образование континентальных отложений. Здесь самое значительное — появление органических отложений: угольных и торфяных толщ. В девоне возникли первые угольные месторождения, а следующий геологический период даже получил название «карбон» — так много в нем угольных отложений («карбон» по-латыни и есть «уголь»).

Нет нужды говорить, что сейчас такого не увидишь: вся мертвая органика в лесах, степях, пустынях, в мангровых зарослях по берегам морей быстро перерабатывается животными-сапрофагами и микроорганизмами. Биологи не раз высказывали предположение, что угли могли раньше образовываться только потому, что, когда растения на суше уже были и отмершие их остатки на землю падали, почвенных животных и микробов, способных питаться этой органикой, еще не существовало. Или, может быть, их было еще слишком мало?

Как и когда появились на суше животные?

На этот вопрос современная палеонтология дает довольно точный ответ. Бесспорно, предки наземных животных — сначала это были беспозвоночные — обитали в морях. Первые беспозвоночные, которые могли дышать атмосферным воздухом, появились в кембрии. Правда, известны они только из морских отложений. Но ведь и так бывает: ветром или водой наземные животные или растения сносятся в воду, в моря или озера, а там они попадают в осадки.

В ордовике отдельные участки суши были уже плотно заселены низшими растениями: грибами, одноклеточными водорослями, не говоря уже о бактериях. А о беспозвоночных, которые могли ими питаться, мы знаем очень мало. Никогда нельзя с уверенностью сказать, были ли это настоящие наземные жители или же обитатели мелководных водоемов, которые лишь изредка выползали на берег.

По всей видимости, почвенная фауна материков стала формироваться в следующем периоде палеозоя — силуре, одновременно с заселением суши высшими растениями. А уже в девоне мы знаем множество чисто наземных, подстилочных и почвенных обитателей. Особенно многочисленны были микроартроподы — бескрылые насекомые, паукообразные, древнейшие многоножки. Удивительными существами той поры были многоножки-артоплевры. Их длина достигала полутора метров при толщине 10–12 сантиметров.

В карбоне на суше жили представители не менее 13 отрядов паукообразных и 12 отрядов настоящих насекомых, которые именно в это время научились летать. Как видим, к карбону суша уже давно и основательно была заселена растениями и беспозвоночными животными. Вероятно, именно обилие напочвенных беспозвоночных побудило стремиться к выходу на сушу позвоночных животных. Здесь для них уже было достаточно пищи, а врагов — никаких.

В конце девона — начале карбона первые земноводные, а именно стегоцефалы (панцирные земноводные), вышли на сушу. Здесь произошло то же явление в экологии, что ранее случалось в эволюции микроорганизмов: новые группы организмов, вселяясь в уже освоенную их предшественниками среду, не уничтожали ранее существовавшие здесь экосистемы, а только перестраивали их, удлиняя и усложняя пищевые цепи. Так произошло и с почвенной фауной: мир почвенных беспозвоночных остался неизменным и продолжал развиваться по своим законам.

В карбоне произошла и первая в наземной фауне «экологическая катастрофа»: вымерла половина отрядов наземных паукообразных, а остальные измельчали. Они не смогли конкурировать с первыми наземными позвоночными, хотя те бывали иногда размером с небольшую ящерицу. Часть паукообразных, а они до тех пор были самыми крупными и сильными хищниками на суше, пала в битве с земноводными, а остальные поспешили скрыться в такие экологические ниши, куда позвоночные проникнуть не смогли.

От этого удара мир паукообразных уже не оправился: сотни миллионов лет шло бурное развитие жизни на суше, а разнообразие отрядов наземных паукообразных так и не достигло уровня начала карбона. Сейчас их 13 отрядов против 15 в карбоне.

К сожалению, очень многие почвенные беспозвоночные не имеют скелета, их остатки не сохранились в геологической летописи. Таковы столь обильные и разнообразные черви. Панцирные клещи оказались в этом отношении удачливее — их панцири мы изучаем в континентальных отложениях разного возраста. Самая древняя находка недавно сделана в США: в отложениях девонского времени обнаружили примитивнейших панцирных клещей. Панцирные клещи вполне современного облика открыл в юрских отложениях в СССР палеоботаник В. А. Красилов, а несколько позже они были найдены в южной Швеции.

Поразительно, что среди 6 известных к настоящему времени родов орибатид юры 2 — современные, успешно «проживающие» и поныне. А ведь прошло 140 миллионов лет. Такие организмы, почти не меняющиеся с течением времени, выдающийся сподвижник Ч. Дарвина Т. Гексли назвал персистентами. Почему же сохранились в почвах такие «живые ископаемые»? Вероятнее всего, из-за устойчивости, стабильности самой почвенной среды и экосистем в ней.

Труднее судить об эволюции отношений между растениями, животными, микроорганизмами и минеральной частью почвы в прошлом. Но что эти отношения изменялись — несомненно. Высшие сосудистые растения, которые начали в силуре наступать на континенты, были потомками морских водорослей и очень сильно отличались от современных. Потребовалось много времени, чтобы у растений появился слой коры, защищавший их от высыхания, прочные опорные ткани стебля для противодействия ветрам и силе тяжести. В водной среде таких забот растения не знают. Потребовались корни, чтобы доставать из почвы воду и минеральные соли, система каналов, сосудов для доставки питательных веществ всем органам и тканям. Ничего подобного у предков наземных растений, к которым относятся столь привычные нам деревья, кустарники или травы, ранее не было.

Не было корней — не было и корневых выделений, не могло быть и микоризы, и клубеньковых бактерий на корнях, и огромной массы микробов, которые питаются органическими веществами, выделяемыми корнями растений. Не было и самой ризосферы. Условием успешной эволюции высших растений была плодородная почва, а в ее образовании участвовали множество почвенных микробов, синезеленых водорослей, грибов, лишайников, беспозвоночных.

Наземные растения, отмирая, оставляли на поверхности почвы скопища стеблей, состоящих из клетчатки и лигнина. Древнейшие сосудистые растения — псилофиты, которые процветали на суше с силура по конец девона, положили не только конец безраздельному господству водорослей на нашей планете. Они открыли эру отложения совершенно иного по своему химическому составу растительного материала.

Похоже, что тогда ни микробы, ни животные переваривать клетчатку не очень-то умели. В начале девона на суше возникли и другие сосудистые растения — плауны, хвощи, папоротники, мхи. Из их остатков в конце девона образовались первые мощные залежи торфа, который постепенно превратился в каменный уголь. Это тоже символизировало начало нового важного этапа в эволюции геохимического состава биосферы: массовое образование целлюлозы и лигнина, сложных органических молекул, нерастворимых, с трудом разлагаемых и абиотическими и биологическими факторами.

Низшие, древнейшие почвенные животные питались и питаются главным образом грибами и водорослями, а целлюлозу могут разлагать в своих кишечниках только с помощью микроорганизмов. Так же поступают и термиты, для которых целлюлоза служит основной пищей, а вернее, пищей для содержащихся в их кишечниках микробов. Такие трофические цепи, экологические отношения сохранялись на суше многие миллионы лет.