Материал: Makeev-monograph-2012

Страница174

В настоящее время не вызывает сомнений распространение микроорганизмов в океанах, начиная с 3,8 Ga. В то же время, первые следы заселения микроорганизмами суши до сих пор не так очевидны. Не исключено, что часть из древних строматолитов возрастом 2,7-2,3 Ga представляет собой останки наземных микроорганизмов пресных водоемов. Это заключение, однако, подвергается сомнению. В палеопочвах возрастом 2,7-2,3 Ga было установлено наличие органического вещества. Однако, высказываются сомнения в его автохтонности. Ранее бесспорные ископаемые микробные останки были зафиксированы в палеопочвах возрастом 1,2 Ga в Аризоне, США. В дальнейшем в палеопочвах провинции Мпумаланга (Восточный Трансвааль, Южная Африка) было изучено органическое вещество в серии палеопочв возрастом 2,7-2,6 Ga, сформированных в зоне серпентинитдунитовой интрузии в массив гранито-гнейсов (Watanabe et al., 2000, 2004). Описано два типа палеопочв. Первые развиты на силикатном (серпентинит и гранит) обломочном материале. Формирование других приурочено к зонам карбонатной или доломитовой пропитки в местах разгрузки грунтовых вод. Оба типа палеопочв характеризуются высоким содержанием органического углерода (до 1,4 весовых %). Углеродистое вещество в почвах тесно связано с глинами - тальком, хлоритом и Feстилпломеланом (слоистый силикат) - и образует прослойки от 20 μm до 1 mm параллельные почвенным горизонтам (рис. 2).

Рис. 2. Ассоциация органического вещества с глинистыми минералами в архейской палеопочве возрастом 2,7-2,4 млрд. лет. Провинция Мпумаланга (Восточный Трансвааль, Южная Африка, Watanabe et al., 2000). Прослойки органического вещества (черные), приурочены к местам скопления зерен Feстилпломелана (светло-коричневые участки). Видны зерна кварца (эоловая примесь) и кальцита.

Страница175

Характер залегания, кристаллографическая структура, отношение

C/H а также значения δ13Corg (−17.4 to −14.4‰ PDB) позволяет предположить, что это углистое вещество представляет собой инситные остатки микробных матов с исходной мощностью от 1 до 20 мм. На силикатных породах микробные маты формировались на поверхности почв. В карбонатных почвах микробные маты формировались на дне испаряющихся бескислородных щелочных водоемов при отложении богатых железом доломитов. Можно предположить, что микробные маты имели сложную структуру и состояли из цианобактерий и гетеротрофов, использующих останки цианобактерий при иссушении водоемов.

В Прионежье получены материалы, показавшие, что коры выветривания архея образовывались при участии микроорганизмов. Можно говорить о заселенности суши микробами уже в раннем докембрии. Анализируя современные аналоги древних микробных сообществ в содовых озерах Г.А. Заварзин (2001) пришел к выводу, что разнообразие бактериальной жизни и полнота функций микробного сообщества позволяют думать, что микробная жизнь не "вышла из моря", а "вошла в море". Аккумулятивное распределение углерода и его изотопных соотношений (δ13С) в профилях палеопочв служит показателем разнообразной жизни уже в раннем докембрии. По последним данным (Астафьева, Розанов, 2010) уже в раннем докембрии обнаруживаются разнообразные формы микроорганизмов, не исключено присутствие эукариотов. В частности можно выделить гиперсолевые, метанотрофные и т.д. сообщества микроорганизмов. Об интенсивной деятельности микробиоты свидетельствует и аккумулятивное распределение микроэлементов (Ba, Cr, Cu, Ni, Zn и P) в почвах возрастом 3,0-1,647 Ga. Признаки восстановления железа и марганца по трещинам обнаруживаются в палеопочвах возрастом 1,8 Ga и старше.

Почвы прокариотной бисоферы.

Интересно, что граничные рамки условий почвообразования и эволюции географической оболочки оставались метастабильными с самого начала геологической летописи и на протяжении всей истории Земли (Retallack, 2001). В древнейших осадочных толщах (сланцах и песчаниках Канадского щита, Балтийского щита и Южноафриканского кратона) обнаруживаются признаки выветривания под воздействием кислых водных растворов. Даже в отсутствие высших растений не менялась интенсивность выветривания. С самого начала записи обнаруживается органическая фиксация атмосферного углерода и азота при постоянном содержании СO2 в атмосфере (постоянная δ13С в органике) и постоянное содержание азота в атмосфере (δ15N). Совместное нахождение псевдоморфоз гипса и галита в породах возрастом около 2000 Ga указывает на то, что геосферно-биосферные системы эволюционировали

Страница176

при умеренных температурах (диапазон от близких к нулю в ледниковые эпохи до <580С в периоды «теплых» биосфер (по Чумакову, 2001).

Согласно данным бактериальной палеонтологии, уже в раннем докембрии, более 3,5 Ga микроорганизмы, бактерии, возможно цианобактерии, и даже, возможно, эвкариоты участвовали в формировании кор выветривания (Розанов с соавт., 2008). Таким образом, можно говорить о заселенности суши микробами уже в это время. Не исключено, что столь древние следы жизни на суше означают, что первые микроскопические формы жизни возникли одновременно как в океане, так и на суше. Микроорганизмы, безусловно могли осуществлять процессы архаичного почвообразования. Большинство палеоботаников, палеогеографов и геологов полагают, что в докембрии, кембрии и ордовике суша выглядела еще пустынной, и растительного покрова на ней не было. Господствовали на поверхности суши бактериально-водорослевые пленки, грибы и лишайники (Криштофович, 1950; Страхов, 1971; Соколов, Федонкин, 1988). Этот период эволюции педосферы рассматривается как

«первичный» (Global Soil change…, 1990). Современные методы,

преимущественно данные сканирующей электронной микроскопии, позволяют утверждать, что практически все влажные поверхности, по меньшей мере, в верхних частях зоны гипергенеза, в той или иной степени покрыты бактериальными биопленками (Fossil and recent biofilms, 2003). Исследование древних отложений показывает, что в нижнем докембрии положение было таким же, хотя четких данных о микробном заселении именно субаэральных поверхностей пока нет. Биохимическая роль микроорганизмов определяется невероятно высокой скоростью из размножения. В.А. Ковда (1973) следующим образом характеризует биогеохимическую запись в докембрии. С деятельностью микроорганизмов связан синтез органических веществ и первые биологические циклы С, S, N, P, Fe, Mn, а в дальнейшем расширение биологического круговорота минеральных веществ. Первые биохимические циклы обусловили формирование масс биогенного кремнезема, обогащенного органикой и биофильными элементами (H, O, C, N, P, S, Ca, K, Fe, Si, Al). С ними связан биогенный синтез вторичных минералов (алюмо- и феррисиликатов, фосфатов, сульфатов, карбонатов, нитратов, опала, халцедона, кварца). В результате образовывались мелкоземистые осадки, обладающие поглотительной способностью, благоприятными физическими свойствами, запасом элементов минерального питания и запасом органического вещества. Эта биогеохимическая запись, составленная по свойствам древних осадочных пород (докембрийские палеопочвы тогда не были известны) дополняется в настоящее время при исследовании собственно почвенных профилей.

Так, почва серии Pronto, формировавшаяся в интервале 2,6 - 2,45 Ga на гранито-гнейсах Канадского щита, Онтарио, Канада, является одной из

Страница177

самых изученных почв раннего протерозоя в мире (Nedachi et al., 2005). Основным процессом, формирующим профили выветривания, было накопление глины (теперь серицит, G-Farrow & Mossman, 1988). В верхних горизонтах наблюдается остаточное накопление кварца. Профили почв характеризуются закономерным изменением строения вниз по профилю. Так, развита блоковая структура, укрупняющаяся в нижних горизонтах. Глинистые кутаны очевидно указывают на промывной водный режим. Для почв характерно аккумулятивное распределение углерода и его изотопных соотношений (δ13С). Сходные по возрасту палеопочвы серии Denison, развитые на хлоритовых сланцах характеризуются наличием глинистого профиля. Источником глинистых минералов (преобразованных в серицит под воздействием диагенеза) были амфиболиты и хлориты. Прекрасным объектом для оценки результатов выветривания являются палеопочвы Cooper Lake, сформированные в интервале 2,7-2.4 Ga на базальтах гуронской супергруппы (Онтарио, Канада). Почва имеет выветрелый профиль, причем постоянство отношений Ti/Al, Zr/Ti, and Al/Zr свидетельствует о том, что этот профиль сформировался при выветривании in situ. Таким образом, сопоставление почв одного времени, сформированных на разных породах, показывает, что уже древнейшие почвы обладали литосенсорностью.

Изучение древнейших палеопочв заставляет нас пересмотреть представление о них как о маломощных почвопленках (soil crusts). Поразительно, что древнейшие палеопочвы аналогичны современным глубоковыветрелым аналогам. Формирование столь мощных профилей под бактериальными биопленками требует осмысления, и далее мы еще вернемся к этому вопросу. В любом случае этот факт свидетельствует о том, что биогеохимическая деятельность микроорганизмов была очень активной.

Палеопочвы дают определенные ответы на главные вопросы начальной истории Земли. Коры выветривания (палеопочвы, палеопедолитосферы) – единственные достоверные свидетельства продолжительных континентальных обстановок как в докембрии так и в фанерозое. Наличие мощных профилей в архее и раннем протерозое рассматривается как доказательство существования стабильных поверхностей кратонов. Мощные толщи бокситов, латеритов и силкритов могли формироваться за длительные периоды времени, сотни миллионов лет. В.О. Таргульян (2008) в этой связи говорит о «вымерших характерных временах» почвообразования. Изучение палеопочв показывает наличие явлений карста, позволяет выявить следы древнейших оледенений и перигляциальных явлений, а также периодов аридизации.

Таким образом, в раннем докембрии микроорганизмы, бактерии, возможно цианобактерии и даже, возможно, эукариоты сопровождали и способствовали образованию кор выветривания. Докембрийские

Страница178

палеопочвы - это результат воздействия субаэральной биоты. Все сказанное выше с определенностью свидетельствует о колонизованности суши микроорганизмами вероятно во всей геологически документированной истории Земли. Возвращаясь к постулату Заварзина о том, что обитанию должна предшествовать обитаемость, мы можем заключить, что везде, где можно проследить обитаемость (признаки палеопочв), мы обнаруживаем и обитание (признаки деятельности микроорганизмов).

Одно из важнейших событий докембрия - это так называемый «кислородный взрыв», определивший принципиальное изменение геохимической обстановки, вывернувший, по образному выражению Заварзина (2003), биосферу наизнанку. С появлением кислородной атмосферы связывается конец железорудной эпохи, а также формирование защитного озонового экрана, без наличия которого существование живых организмов на поверхности суши невозможно из-за воздействия солнечных ультрафиолетовых лучей. Представление о том, что первоначальная атмосфера была бескислородной, появилось на основе изучения полосчатых железистых формаций (джеспилитов), образовавшихся в результате окисления запасов железа на суше и в поверхностных слоях океана колониями микроорганизмов (прежде всего цианобактерий). Долгое время вырабатываемый микроорганизмами кислород полностью тратился на окисление элементов с высоким сродством к кислороду, таких как железо. По мере связывания свободного железа на суше и верхних слоях океана концентрация кислорода в атмосфере резко возросла. Таким образом, джеспилиты, известные начиная со времени 3,7 Ga, представляют собой наиболее яркий геохимический результат субаэрального выветривания при бескислородной атмосфере. Изучение палеопочв, формировавшихся в непосредственном контакте с палео-атмосферой - это наиболее точный метод реконструкции ее состава. Именно палеопочвы дают документальное подтверждение произошедшей революции. Профили палеопочв старше 2.45 Ga, в частности, описанные выше палеопочвы серии Pronto, характеризуются бледной зеленоватой окраской, определяемой высоким содержанием закисных форм железа (так называемые Зеленые Глины – «green clays»). Это глинистые палеопочвы, богатые алюминием и бедные основаниями. При нормальном содержании кислорода железо в этих почвах было бы окислено. Их окраска и минералогический состав отражают низкое содержание кислорода в атмосфере в эпоху до «кислородного взрыва». Ярким свидетельством низкого содержания кислорода в атмосфере является присутствие в почвах рабдофана (Murakami et al., 2001). Профиль почв серии Pronto

сформировался при выветривании гранито-гнейсов. Стадийное выветривание апатита привело к его замещению рабдофаном, содержащим