Мир микробов

9. Микробы меняют облик земли

«Всюду и везде на поверхности земли мы встречаем жизнь, всюду и везде больше биллиона лет без перерыва идёт её химическая работа», — писал известный советский геолог академик В. И. Вернадский, создатель новой науки — «биогеохимии» — науки о роли живых существ в химических превращениях нашей планеты.

Область жизни — биосфера, являющаяся поверхностной оболочкой земли, по Вернадскому, охватывает площадь в 5,1 · 10⁸ квадратных километров; она поднимается более чем на 10 километров в газовую оболочку планеты, проникает в океаны в среднем на 3,7 километра, а в некоторых местах и до 10 километров. Жизнь охватывает всю сушу от высочайших вершин, почти в 8 километров, до глубочайших низин; по трещинам и пустотам она идёт вглубь местами больше чем на 1 километр.

Хотя содержание живой материи в общей массе земной коры сравнительно ничтожно и не превышает ¹/₂₀₀₀ процента, масштабы совершаемых ею превращений поверхностного вещества нашей планеты грандиозны. Можно смело сказать, что живая материя является одним из могущественных факторов переделки всего лика нашей земли.

Огромна роль человека в этих превращениях. Это особенно ярко проявляется в нашей стране, в условиях социалистического общества, где великие стройки коммунизма в небывало короткие сроки превращают тысячи квадратных километров пустынь в цветущие поля и сады, где по воле партии Ленина — Сталина переделывается географическая карта нашей необъятной родины.

Велика роль животных и растений в обмене веществ на земле. Мельчайшие из известных нам живых существ — микробы — оказывают огромное влияние на изменения земной коры. Эти древнейшие живые существа ведут свою гигантскую, но мало заметную работу по разрушению одних горных пород, минералов и руд и образованию других. Микробы являются мощным геологическим фактором, изменяющим состав и строение поверхностного слоя земной коры, называемого биосферой.

Нас не должен удивлять сам факт возможности огромных превращений, осуществляемых этими мельчайшими организмами. Вспомним, что их малая величина компенсируется невероятной быстротой размножения и лёгкой приспособляемостью к разнообразным условиям существования. Мы уже знаем, какие изменения могут производить микробы в почве, в бродящих жидкостях. Мы знаем уже, с какой огромной быстротой могут накопляться микробы в подходящих для них условиях. При средней скорости деления в 23 минуты, что составляет 63–64 поколения в сутки, бактерии, по вычислениям академика Вернадского, могли бы, при отсутствии препятствий во внешней среде, в течение суток покрыть тонким однослойным покровом поверхность земного шара, «которую травы и насекомые одолели бы в течение ряда лет».

Другой особенностью микробов, позволяющей им осуществлять огромные по масштабам превращения, является то, что для выработки энергии, расходуемой на построение их тела, микробы должны перерабатывать количества вещества, в сотни и тысячи раз превышающие их вес. Так, например, железобактерии, о которых мы подробнее будем говорить ниже, для построения 1 грамма своего тела должны переработать 464 грамма углекислой закиси железа. Нитрозные бактерии для получения энергии, необходимой для восстановления 1,5 грамма углекислоты, превращаемой в вещество своего тела, окисляют около 20 граммов аммиака и образуют при этом 56 граммов азотистой кислоты, а сопутствующие им нитратные бактерии на каждый грамм построенных органических веществ окисляют 72 грамма азотистой кислоты, образуя 96 граммов азотной.

В чём же проявляется эта большая активность микробов?

Обратимся, прежде всего, к их разрушительной деятельности. Казалось бы, что могут сделать микробы с такой прочной породой, как гранит, состоящей, как известно, из зёрен кварца, полевого шпата и листочков слюды? Чем будут питаться микробы на поверхности обнажённых безлюдных гранитных скал, каких много на Кавказе, в Западном Памире, скал, которые лишь изредка смачиваются лишённой органических веществ снеговой водой?

Между тем, именно на таких обнажённых скалах, находящихся на высоте 3000–4000 метров над уровнем моря, на самой поверхности гранита часто виднеются какие-то странные чёрные натёки. По данным профессора Таусона, они состоят из подсохших сине-зелёных водорослей и бактерий. Клетки этих водорослей окружены разбухшей слизистой капсулой, состоящей из углеродистых соединений; самое же интересное то, что в этой капсуле залегает множество бактерий, принадлежащих к группе уже известных нам азотфиксирующих бактерий — в основном азотобактера, использующего свободный азот атмосферы. Теперь становится понятным, почему такое тесное содружество двух микробов может развиваться на поверхности среды, совершенно лишённой основных источников образования органических веществ — азота и углерода: сине-зелёная водоросль, как и другие зелёные растения, способна образовывать углеродсодержащие соединения, усваивая на свету углекислоту воздуха. Но, кроме углеродистых соединений, водоросль нуждается и в азотистых соединениях, которых нет на обнажённых скалах. Водоросль и получает эти соединения от азотобактера, способного связывать атмосферный азот. Часть построенных им азотистых соединений азотобактер выделяет в капсулу водоросли. В свою очередь азотобактер без водоросли не смог бы развиваться на голой скале, так как, кроме азота воздуха, он нуждается еще в сложных углеродистых соединениях. Микроб получает их, питаясь веществом слизистых капсул водоросли.

Таким образом, только совместная жизнедеятельность двух микроорганизмов — их теснейший симбиоз — даёт им возможность развиваться на голой гранитной скале при полном отсутствии питательных веществ.

Отмирая, эти пионеры жизни подготовляют почву для развития других микробов, использующих органические вещества для построения своего тела. При этом органические вещества разлагаются до углекислоты и воды. Углекислота, растворённая в воде, играет огромную роль в процессах выветривания, т. е. разрушения горных пород — гранитов и известняков: полевой шпат и слюда гранитов разлагаются под влиянием углекислоты и воды.

Так, очень медленно, в течение тысячелетий, постепенно разрушаются гранитные скалы. В их трещинах и углублениях поселяются неприхотливые лишайники, их сменяют мхи; образуется всё больше и больше органического вещества, используемого микробами. Всё больше и больше выделяется углекислоты, продолжающей разрушать породу. Постепенно на серой, бесплодной гранитной скале образуются участки почвы, которая заселяется травами, кустарниками и, наконец, деревьями. Пройдут тысячелетия, и бесплодная гранитная скала распадётся на отдельные глыбы, возвышающиеся среди зарослей деревьев и кустарников.

По тому же пути, только ещё быстрее, идёт разрушение известковых пород — известняков, мела, известкового туфа, мергеля. Проф. Таусон приводит простой расчёт, согласно которому оказывается, что при разложении микробами 1 тонны органических веществ может раствориться 2,5 тонны известковых пород, т. е. целый кубический метр!

Углекислота растворяет углекислый кальций, из которого состоят известковые породы. Но ещё лучше и быстрее растворяются известняки в различных органических кислотах (уксусной, щавелевой, молочной, лимонной).

И эти кислоты также образуются при жизнедеятельности микробов в больших количествах. Некоторые микробы вырабатывают и неорганические кислоты — азотную и серную, которые также прекрасно растворяют известняки.

Мы уже знаем (см. главу 6), что азотную кислоту вырабатывают при окислении аммиака нитрифицирующие бактерии. Этих бактерий можно найти не только в почве, но и на обнажённых гранитных и известковых скалах, совершенно лишённых растительности. Даже под покровом вечных снегов на высоте 5000–6000 метров над уровнем моря нитрифицирующие бактерии находятся в жизнедеятельном состоянии и выделяют азотную кислоту, растворяющую и разъедающую горные породы. Правда, процесс этот происходит в очень малых масштабах, но разрушения, производимые нитрифицирующими бактериями за огромные периоды времени, могут быть очень значительны.

Серная кислота вырабатывается особой группой серобактерий при окислении ими сероводорода. Сероводород часто выделяется из больших глубин серными горячими источниками, температура воды которых достигает 65–70°. В этих источниках и живут серные бактерий. За тысячелетия своей эволюции они приспособились к жизни в этих условиях, совершенно не страдая от температуры, которая моментально свёртывает белки других организмов. Часто такой серный источник вытекает из толщи известковых пород, которые быстро разрушаются серной кислотой, выделяемой серными бактериями.

Некоторые серные бактерии, по-видимому, способны окислять до серной кислоты не только сероводород, но и обыкновенную кристаллическую серу и её соединения — серный колчедан, или пирит. Пирит широко распространён в природе и часто в большом количестве содержится во многих горных породах, в том числе и в известняках. И в этом случае, следовательно, серные бактерии уже вне горячих источников разлагают серу, а выделяемая ими серная кислота разлагает известняки.

Серные и известковые соединения встречаются часто в таких осадочных породах, как песчаники, глины, сланцы. Например, песчаник состоит из песка, сцементированного углекислой известью. Ясно, что и он будет разрушаться и превращаться в песок под влиянием кислот, выделяемых бактериями.

До сих пор мы говорили о разрушении микробами негорючих пород: гранитов, известняков, пиритов, песчаников. Но, оказывается, и горючие породы, так называемые сапропелевые (нефть, горючие сланцы, асфальт) и гумусовые (почвенный перегной, торф и каменные угли) также разрушаются микробами.

Разложение нефти микробами можно наблюдать в любом водном бассейне или в почвах, находящихся вблизи нефтеносных источников. Попавшая сюда нефть быстро разрушается нефтяными бактериями, встречающимися в большом количестве почти в любой почве. Точно так же разрушаются и продукты переработки нефти — керосин, мазут, смазочные масла. По подсчётам проф. Таусона, за один год на каждый квадратный метр поверхности водоёма бактерии разлагают 640 граммов нефти.

Нефть подвергается микробному разложению не только на поверхности, но и глубоко под землёй, в отсутствии кислорода. В этом случае для окисления нефти бактерии отнимают кислород от сернокислых солей, например, гипса. Эти так называемые восстанавливающие сульфаты бактерии были найдены на глубине до 1000 метров в Бакинском нефтеносном районе и в Америке в нефтеносных породах Калифорнии.

Таким образом, на протяжении многих тысяч лет своей работы нефтяные бактерии, возможно, уничтожили не одну нефтяную залежь.

Перегной, торфы и каменные угли также разлагаются бактериями и актиномицетами. Это можно проверить и в лаборатории, поместив в раствор в качестве источника органического вещества каменный уголь. Микробы начинают медленно развиваться, питаясь углеродом каменного угля. Точно так же происходит и в природе: на поверхности естественных обнажений каменных углей можно найти мелкие белые пятнышки, которые состоят из сплетений нитей актиномицетов, разрушающих уголь и способствующих выветриванию угольных пластов. Даже на глубине более 1000 метров в каменноугольных отложениях Рура были обнаружены многочисленные микробы.

Но микробы не только разрушают поверхность нашей земли, а являются и мощным фактором образования многих пород.

Чрезвычайно интересно, что один и тот же микроб, разрушая одни породы, одновременно является созидателем других пород, — мы уже упоминали о деятельности нитрифицирующих бактерий, разрушающих горные породы с выделением азотной кислоты. Но нитрификаторы являются и образователями мощных залежей селитры — калиевых и натриевых солей азотной кислоты. Возникшие в результате геологической деятельности бактерий скопления селитры имеются у нас в Советском Союзе, в Индии, Египте. Залежи кристаллической натриевой селитры имеются в Чили и Перу. Селитра является хорошим удобрением. Чилийские и перуанские отложения — это следствие геологической деятельности бактерий, которые в течение тысячелетий превращали аммиак, образовавшийся при разложении гуано (птичьего помёта), в азотную кислоту. Азотная кислота, соединяясь с солями натрия, превращалась в селитру, которая, растворяясь дождём и в снеговых водах, скапливалась в долинах и кристаллизовалась после испарения воды.

Огромно значение горючих ископаемых в народном хозяйстве. Согласно современным данным, мы целиком обязаны многовековой деятельности микробов в образовании тех колоссальных залежей торфа, каменного угля, нефти, горючих сланцев, которые в миллионах тонн добываются сейчас из недр земли. Горючие ископаемые, или минеральное топливо, состоят из гумусовых (торф, каменный уголь) и сапропелевых (горючие сланцы и нефть) пород. Геологи считают, что те и другие образовались из отмерших растительных остатков: гумусовые — из наземных растений, сапропелевые — в основном из древних водных растений. Каким же образом принимали участие микробы в образовании этих пород?

В главе 6 мы уже разобрали, как разлагают микробы растительные остатки, превращая их в газообразные и хорошо растворимые неорганические вещества, хорошо усваиваемые зелёными растениями. Но процесс этот идёт только при широком доступе кислорода. При недостаточном притоке кислорода разложение хотя и идёт, но значительно медленнее и не доходит до полного распада органических веществ растения. Остаётся буроватый остаток — перегной, или гумус, который является продуктом неполного разложения стойких веществ, в изобилии находящихся в клеточных оболочках растения; особенно много таких веществ в клетках древесины. Образование гумуса и происходит в тех случаях, когда слой растительных остатков сравнительно толст и внутри этого слоя ощущается недостаток кислорода. Еще меньше кислорода получают микробы, если растительные остатки погружены в воду, что и бывает в болотах, плавнях, лесных ямах. В этом случае разложение идёт еще медленнее, и в результате образуется не гумус, а торф. Образование торфа наблюдается в больших масштабах и в настоящее время. Основная масса торфа состоит из полуразложившихся, еще сохранивших своё строение частей растения, перемешанных с гумусом.

Каменные угли значительно более древнего происхождения, чем торф. Они образовались десятки миллионов лет назад. Тщательное микроскопическое изучение каменных углей показало, что и в них можно найти остатки полуразложившихся наземных растений, только этих остатков значительно меньше, чем в торфе, и состоят они преимущественно из древесины растения. Главную же массу каменных углей составляют гуминовые вещества. Есть основания думать, что и каменные угли образовались тем же путём, как и торф. Если рассматривать тонкий срез каменного угля под микроскопом, то в нём можно найти окаменелых микробов. В течение миллионов лет медленно разлагавшиеся растительные остатки — в основном стволы гигантских древовидных папоротников — покрывались всё новыми и новыми слоями отмерших растений. Это всё больше и больше затрудняло приток кислорода. Процессы разложения шли всё медленнее и медленнее, но не прекращались полностью. Огромное давление в сотни атмосфер и несколько повышенная температура (до 38°), испытываемые медленно разлагающейся массой, находящейся на глубине до 1000 метров, по-видимому, и вызвали её превращение в тот каменный уголь, каким мы его теперь знаем.

Если же растительные остатки скоплялись на дне болот, прудов, а в особенности в морях, то их разложение шло при полном отсутствии кислорода. Мы уже знаем, что этот процесс вызывается анаэробными микробами. На дне водоёмов этот процесс особенно часто осуществляется анаэробными гнилостными бактериями и бактериями, восстанавливающими сульфаты (сернокислые соли). При этом всегда выделяется дурно пахнущий газ — сероводород. В результате такого разложения остатков водных растений и животных организмов получается так называемый гнилой ил, или сапропель. Гнилой ил образуется в большом количестве и в настоящее время на дне водоёмов со стоячей водой. Показателем образования гнилого ила являются пузырьки газа — сероводорода, выходящие на поверхность таких прудов. В течение геологических эпох из этого гнилого ила и произошли горючие сланцы и нефть. Правда, мы сейчас еще не знаем механизма этого превращения, но нам известно, что почти во всех нефтеносных пластах можно найти дурно пахнущий сероводород. Даже на глубине до 1000 метров находят восстанавливающих сульфаты бактерий. Потомки древних микробов продолжают свою работу в нефти, и сама нефть, по-видимому, образовалась в результате разложения анаэробными бактериями водных растительных остатков.

Те же бактерии, восстанавливающие сульфаты, явились и образователями чёрной лечебной грязи в лиманах и солёных озёрах, каких много, например, близ городов Одессы, Осипенко и на Каспийском море.

Микробы принимают также участие в образовании некоторых руд. Самая распространённая железная руда — бурый железняк — очень часто является продуктом деятельности так называемых железобактерий. Эти бактерии состоят из длинных, ветвящихся нитей, окружённых футляром, в котором ими отлагается гидрат окиси железа. Эти бактерии чрезвычайно распространены в природе. Они находятся почти в любом водоёме, начиная от лужи и кончая морями и океанами. Эти бактерии окисляют хорошо растворимую в воде углекислую закись железа и переводят её в нерастворимый гидрат окиси железа. Выделяющуюся при этом свободную энергию бактерии используют для превращения углекислоты воздуха в своё тело. Отмершие бактерии вместе с футлярами, содержащими гидрат окиси железа, тонут и скопляются на дне водоёмов большими массами. Постепенно они уплотняются и превращаются в бурый железняк, или так называемую озёрную или болотную руду.

Микробы принимают участие и в образовании горных пород, часто тех самых горных пород, которые они же и разрушают. Уже при деятельности железобактерий часто получается не руда, а горная порода: если футляры этих бактерий, содержащие водную окись железа, отлагаясь, постоянно смешиваются с песком, то в результате получается железистый песчаник, т. е. настоящая горная порода.

Но особенно большую роль, как это недавно выяснилось, играют микробы в образовании осадочных горных пород — известняков. Известны два типа известняков — структурные, образовавшиеся благодаря деятельности различных водяных животных и растений, и бесструктурные, к которым относится до 90 процентов всех известковых пород. Вот эта-то основная масса известняков возникла и возникает и сейчас благодаря деятельности бактерий, способных осаждать известь. Очень многие микроорганизмы — бактерии, актиномицеты и плесневые грибы — способны в определённых условиях осаждать известь. Это происходит в тех случаях, когда среда, в которой живут микробы, богата солями кальция. Морская вода всегда богата сернокислыми солями кальция. Кроме того, в воде появляются кальциевые соли различных органических кислот — уксусной, щавелевой, лимонной, которые образуются при разложении в море растительных остатков. Питаясь этими кислотами, микробы разлагают их соли и выделяют в воду углекислый кальций. Гнилостные микробы при разложении трупов животных и растений выделяют аммиак, который осаждает углекислый кальций. Лучше всего осаждение извести идёт, если в воде растворено мало углекислоты, так как высокая температура препятствует растворению углекислоты, и, кроме того, углекислота ассимилируется зелёными растениями, в изобилии населяющими эти воды.

На примере известняков мы видим, что одни и те же микробы в зависимости от условий жизни могут или разрушать горную породу, или создавать её. Если микробы питаются кальциевыми солями органических кислот, то они в определённых условиях образуют известняки; если они питаются другим веществом, выделяя при этом углекислоту, которая растворяет углекислый кальций, то происходит разрушение известняков.

Все эти данные показывают нам, что мельчайшие из известных нам живых существ — микробы — действительно участвуют в изменении лика нашей земли, производя большую созидательную и разрушительную работу.