Сотворенная глина

Бактерии Shewanella , прикрепленные к частицам смектита. Через две недели в составе смектита появился иллит. Если бы не бактерии, этот процесс занял бы сотни лет. Фото с сайта www.biogeosciences.org/

Глины - самый распространенный тип осадочных пород на нашей планете. Они образуются в результате выветривания горных пород, осаждения из насыщенных растворов и кристаллизации. а также различных процессов, происходящих в толще земной коры. Как показывают современные эксперименты, бактерии способны скопировать, по-видимому, все процессы, которые приводят к синтезу или растворению разных типов глин. При этом многие процессы при участии бактерий идут гораздо быстрее, чем в стерильных условиях, и не требуют высоких температур, давлений и изменения щелочности среды. Бактериальный мир оказывается активным участником геохимического круговорота, связанного с трансформацией глин.

Когда в обыденном разговоре услышишь слово "глина", на ум сразу приходят развороченные колеи мокрого проселка где-нибудь под Липецком, или увязший в грязи трактор, или, в случае крайнего интеллектуального запала - гончарный круг. Но для геолога глина - это собирательное название широкого круга природных минералов. Геолог представит себе правильно перемежающиеся слои октаэдров и тетраэдров, в которых соединяются алюминий, кремний и кислород, а между слоями - катионы различных металлов. Именно поэтому глины называются слоистыми силикатами. Кроме того, азы геологии свидетельствуют о том, что глины - это самый распространенный тип осадочных пород на Земле. Одним словом, чего на планете хватает, так это глины. Глины - прекрасные адсорбенты, они аккумулируют на своей поверхности органические вещества, впитывают воду, являются источником необходимых для жизни катионов металлов, из глинистых минералов состоит почва - та среда, которая обеспечивает жизнь на поверхности планеты. Так что, казалось бы, при такой распространенности и хозяйственной важности ученые должны были досконально выяснить все об этих менералах. Тем не менее вопрос о происхождении глин все еще остается открытым.

Принята точка зрения, которая никем, кстати, не оспаривается, согласно которой глинистые минералы получаются в результате выветривания метаморфических и изверженных горных пород. Различные условия выветривания способствуют образованию различных типов глинистых минералов, изменение условий ведет к превращению одних глинистых минералов в другие. Современные модели образования глинистых минералов на Земле учитывают такие параметры как температура, давление, рН среды, но при этом ни одна из моделей не включает деятельность бактерий. Психологически это понятно - масштабы бактериального мира считаются на микроны и секунды, а масштабы геологических явлений - на кубокилометры и тысячелетия. Трудно вообразить себе, что крошечные бактерии могут как-то существенно изменить геологические слагаемые нашей планеты. При этом, правда, мы уже мысленно привыкли к тому, что кислородную атмосферу сотворили те самые микроскопические существа, а до них атмосфера была совершенно другого состава и свойств. Но вот в современный век биологии постепенно приходит осознание того, что бактерии существенно переработали не только невидимую и неосязаемую атмосферу, но и вполне видимые и плотные горные породы, в том числе и глинистые минералы.

В обзоре, который составлен группой специалистов различных специальностей - палеонтолога, микробиолога, геолога и почвоведа (вот он - междисциплинарный союз!) - рассказано о лабораторных экспериментах, в которых глинистые минералы так или иначе взаимодействовали с различными бактериями. Эти эксперименты дают представление, в каких процессах преобразования глин могут участвовать микроорганизмы, могут ли они синтезировать, растворять глины или трансформировать их минеральную структуру. Авторы намеренно не включили в обзор результаты моделирования или логических умозаключений из области геологии и минералогии. Знания о масштабе и механизмах геобактериального взаимодействия на сегодняшний день настолько скудны, что трудно судить о них по разрозненным природным наблюдениям. Кроме того, результаты экспериментов наглядно вычленяют базовые принципы взаимодействия абио- и био.

Итак, глинистые минералы формируются в результате разрушения изверженных, метаморфических и осадочных пород. Противоположный ему процесс - образование осадочных толщ в результате осаждения глинистых частиц; глинистые минералы также синтезируются из растворов, насыщенных силикатами, соединениями алюминия и другими катионами металлов. Кроме того, в определенных условиях одни типы глин превращаются в другие. Все эти процессы обратимы и образуют замкнутый цикл трансформации глинистых минералов, как это показано на следующем рисунке.

Цифрами на рисунке обозначены: 1 - разрушение скальных пород с образованием глинистых мнералов , 2 - взаимопревращения глинистых минералов, 3 - растворение глин и выход катионов и кремниевых оксидов в раствор, 4 - кристаллизация коллоидов и ионов в минералы из растворов, 5 - растворение скальных пород, и 6 - образование глинистых минералов из растворов, 7 - консолидация глинистых осадков.

В экспериментах, которые проводились за последние полтора десятка лет, пробовали выращивать микробов на самых разных минералах и горных породах. Использовали и гранит, и базальт, и песок, и глины, и слюды, и вулканические стекла. В разных условиях наблюдали самые разные преобразования глинистых минералов, например, довольно быстрое бактериальное растворение гранитов и базальтов в анаэробных и аэробных условиях. При этом фиксировали новообразование различных типов глин. Впечатляют опыты группы специалистов под руководством Конхаузера. Эта группа исследует механизмы синтеза глинистых минералов при участии живых бактерий. Они показали, что важно послойное осаждение катионов металлов на слизистых чехлах бактерий. В зависимости от вида бактерий, концентрации субстрата, рН среды образуются разные типы глинистых минералов. Важны также эксперименты по прямому биосинтезу глинистых минералов из растворов. Эти работы ведутся японскими учеными в группе К.Тазаки. Недавно корейские специалисты проводили успешные опыты по преобразованию смектита в иллит (два разных типа глинистых силикатов). Они доказали, что этот процесс при участии микробов идет при обычных комнатных условиях за считанные недели, тогда как в абиотических условиях он требует высоких давлений, высоких температур и занимает не одну сотню лет. Болгарская группа ученых под руководством Стиряковой работает в основном с каолинитом - основой для производства фарфора и фаянса. Исследования этой группы показали, как бактерии изменяют строение кристаллической решетки и химический состав каолинита. Так что каждое звено указанного цикла трансформации глинистых минералов могут выполнить и бактерии. Важно то, что если в абиотических процессах синтез, кристаллизация, разрушение и растворение глинистых минералов идут при повышенных температурах и давлениях, сильнощелочном или сильнокислом рН, то для бактерий такие крайние параметры среды совсем необязательны. Они справляются с задачей и в обычных условиях, и делают это существенно быстрее, чем в стерильных опытах.

Авторы статьи склоняются к выводу, что нет никаких геологических процессов, связанных с трансформацией глин, которые были бы доступны либо только микробам, либо только неживой природе. Микробы оказываются не только "наблюдателями" геологических процессов, но и их активными участниками. Идея об активном участии жизни в геохимическом формировании планеты совсем не нова - как тут не вспомнить труды Вернадского, заложившего основу учения о биогеохимии. Но теперь теоретические концепции начинают обрастать фактическими данными. Этих данных пока маловато, чтобы дать количественную оценку вклада живого компонента в геологию планеты, но уже точно ясно, что пренебрегать живым компонентом не стоит. Бактерии могут копировать, по-видимому, очень многие геохимические процессы, происходящие в земной коре. При этом они не только копируют их, но и ускоряют, то есть выступают своеобразным живым катализатором геохимических круговоротов. Правда, этот вывод авторы статьи с осторожностью распространяют пока только на процессы, происходящие с глинистыми мнералами.