Рожденные из пепла

Невероятно! Огнедышащие жерла, лавовые потоки, сметающие на своем пути деревья, травы, почвы, и... жизнь. Впрочем, такая параллель не казалась странной немецкому физиологу Ф. Пфлюгеру. Он считал пианы, соединения углерода и азота, выбрасываемые во время извержения, веществом, в котором лежит ее начало. "Ничего не может быть яснее возможности образования цианистых соединений в то время, когда Земля... находилась в раскаленном состоянии, - писал ученый. - Следовательно, жизнь происходит от огня". Такой вывод, конечно, не нашел поддержки в XIX в., но в наше время с ним согласились многие, и в том числе академик А. И. Опарин. "Теория Пфлюгера сохранила свое значение и до настоящего времени, - отмечал он. - Основное положение, гласящее, что "жизнь произошла от огня", остается незыблемым. Только в огне, только в калильном жару могли образоваться вещества, впоследствии родившие жизнь" (цит. по: [Бернал, 1969, с. 277-278]).

Правда, и сегодня далеко не все специалисты согласны с этим утверждением. Но если теория возникновения жизни из "огня" проблематична, то его роль в создании "предпочв" и "первопочв" очевидна.

В 1980 г. увидела свет книга Е. К. Мархинина "Вулканы и жизнь". В ней рассказывалось о той работе, которую совершили в далеком прошлом заводы огня и лавы, и об их современной деятельности, протекающей в вечных конфликтах с вышедшей из-под контроля живой материей.

В самом начале пути, т. е. примерно 4,5 млрд лет назад, перед этими предприятиями стояли грандиозные задачи. Им предстояло построить целые континенты, создать атмосферу, наполнить океанские впадины водой, выбросить в воздух, на сушу и в моря достаточно органических соединений, чтобы зарождение жизни не могла прервать какая-нибудь досадная случайность. Пока трудно восстановить масштабы былого производства. Ясно лишь одно: они во много раз превосходили современные. (Сегодня вулканы выбрасывают от 3 до 6 млрд т вещества в год. Его едва хватило бы на создание современных континентов (22·10¹⁸ т). Да и то, если полностью исключить эрозию, которая поглощает 41·10⁹ т материала в год [Мархинин, 1980]). Впрочем, подъемы и спады вулканической деятельности не тема нашего рассказа. Гораздо важнее для нас то, что 90% выброшенного из жерл материала состояло из частиц менее 1 мм в диаметре. Иными словами, субстрат для приготовления почвенных прототипов был готов задолго до появления первых организмов. Ведь живым существам требовалась атмосфера, которая защитила бы их от смертоносных космических лучей, резких перепадов температур, вода и, наконец, органическая материя, необходимая для строительства клеток и белковых веществ.

И их производством также занялись вулканы. Вместе с огнем и раскаленной лавой из жерл выбрасывались и Магматические газы, состоявшие в основном из водяного пара с растворенными в нем азотом, углекислотой, серой, фосфором и т. д. Самые последние расчеты показывают: влага, выброшенная вулканами, составляет 50-75% современной гидросферы.

"Уже потому только, - пишет Мархинин, - что вулканы выносили и выносят на поверхность Земли простые газообразные соединения углерода, водорода, азота и кислорода, из которых образовалось живое вещество, можно считать, что жизнь на Земле берет свое начало от вулканов" [Там же, с 83]. На самом же деле их участие в создании преджизни, а значит, и "предпочв" оказалось гораздо больше.

При изучении бомб и пепла камчатского вулкана Толбачик выяснилось, что только за один год (1975/76 г.) он выбросил из недр Земли около 1 млн т органического углерода. Сегодня эти соединения не произвели сколько-нибудь заметных изменений в окружающей среде, но 4 млрд лет назад сдобренные ими грунты наверняка представляли собой более комфортабельные жилища для первых живых существ. Как показали дальнейшие поиски, предгумус состоял не только из углерода, но и из аминокислот, нуклеотидов, углеводородов и гетероатомных соединений.

Но тут у специалистов возникли вполне обоснованные подозрения: не созданы ли эти органические вещества микробами? Ведь вулканы-то современные. Посевы в колбах и тщательное изучение только что выпавших пеплов под микроскопом отмели последние сомнения. Изверженный материал оказался стерильным. Оставалось доказать способность вулканов производить органические вещества. И это сделал американский биохимик С. Фокс.

Ему удалось воспроизвести весь процесс превращения аммиака, метана, углекислого газа и воды в... аминокислоты и другие полимеры. Сконструированный им прибор был на удивление прост (стеклянная трубка, наполненная горячим, нагретым до 1000°С песком, колба с водой и устройство для получения искрового разряда) и одновременно в точности воспроизводил условия в жерле вулкана. Вывод напрашивался сам собой: "Образование биологически важных соединений в условиях примитивной Земли могло происходить из простых газов, содержащих углерод, азот, водород и кислород, под воздействием высоких температур" [Там же, с. 82]

Правда, в те далекие времена вулканы были уже не единственной производящей силой. Порожденные ими воздух и вода также приняли активное участие в создании биосферы и, конечно, будущих почв. Дожди смывали с частиц пепла обволакивающие их вещества. Кислород атмосферы разрушал наименее стойкие минералы. Они распадались на простые химические соединения - соли. Самым прочным оказался кварц, вулканическое стекло окислялось первым. Место разрушенных минералов занимали гидроокислы алюминия, железа, кремния, рождались слюды, "бесформенные" аллофаны. Набирало силы выветривание - процесс, который и по сей день вызывает споры специалистов. Впрочем, миллиарды лет назад его механизм был заметно проще, чем сегодня. Ведь в грандиозной работе вулканов, воздушных и водных потоков не принимали участия организмы. Без них производство, по существу, велось вхолостую. Видимо, выбрасывая на поверхность содержимое недр, перемывая и просевая его, природа проверяла в действии будущие "системы", не торопясь подключать к ним главное звено - живые существа: микробы, водоросли, бациллы, грибы.

Они принялись за дело незаметно. Еще в бескислородной атмосфере эти не видимые простым глазом организмы принялись за работу, довольствуясь лишь углекислотой, а то и просто минералами. Скудное питание, однако, не помешало их размножению и эволюции. Бесконечные мутации, естественный отбор порождали все новых и новых представителей микромира. Одни из них научились улавливать солнечное тепло, другие - поглощать азот и его соединения из воздуха и магматических газов, третьи специализировались на скальном грунте. Известный "охотник за бактериями" Тен Хак Мун открыл у диатомовых и сине-зеленых водорослей, которые мало изменились за последние миллиарды лет, способность перерабатывать соединения алюминия и кремния, смачивая их слизью. В результате прочные минералы превращались в "песок", пылевые частицы, вещества, доступные высшим растениям и способные участвовать в обмене элементами и энергией между живой и неживой природой. Так наступила новая эра в развитии биосферы. Измельчение материала ниже тех пределов, которых удалось достигнуть вулканам, породило глины. А как известно, свойства этого пластического вещества и песка заметно различаются. И если песок не способен удержать ни влаги, ни питательных элементов, то глина, напротив, может и то и другое. В грунтах появились подвижные соединения калия, фосфора, азота, серы и т. д., т. о. та "валюта", которой пользуются по сей день почвы и растения [Тен Хак Мун, 1977].

Но можно ли называть образования тех далеких эпох почвами? Безусловно. Точнее, первопочвами. Известный советский почвовед С. В. Зонн, долгое время занимавшийся изучением этих природных тел на Дальнем Востоке СССР и в других уголках мира, считает, что подобные образования могли бы быть одной из первых ступеней почвообразования на земном шаре в отдаленные геологические эпохи. Другой советский почвовед - И. А. Соколов [1973] предполагает, что вулканические почвы на нашей планете некогда занимали значительно большие территории, чем ныне.

Достаточно бегло просмотреть таблицы и графики, где приведены данные о составе и содержании различных минералов, органического вещества первопочв, чтобы заметить тот хаос, который царит в этих порождениях вулкана. Чего в них только нет: куски вулканического стекла, пемза, неразложившиеся остатки торфа и растительности.

Впрочем, хаос здесь только кажущийся. Если внимательно приглядеться, то выяснится, что материал, исторгнутый из недр, подчиняется строгой сортировке. И происходит она при извержении.

Во время взрыва вулкана Безымянный на Камчатке окружающая территория покрылась 100 млн м³ пепла (им можно было бы заполнить до краев небольшое водохранилище). У подножия сопки его слой достигал 20-30 м, а на расстоянии 10 км мощность осадков снижалась до полуметра. Вблизи жерла их состав был куда пестрее, чем на удалении. Такие различия позволяют разделить все покрывало на несколько зон, охватывающих кольцами вулканы. Первое, самое маленькое кольцо слагается грубыми осколками, но, чем дальше отходим мы от него, тем мельче становится материал.

У вулканических почв буквально все поставлено с ног на голову. У них верхний горизонт не только самый молодой, но и самый свежий. Его слагают осколки литосферы, только что явившиеся из недр. Они почти не затронуты выветриванием. В иных природных условиях, чтобы добраться до первозданных минералов и пород, пришлось бы копать глубокие шурфы. Чтобы найти в верхних горизонтах чернозема или краснозема осколок базальта или гранита, иногда приходится проникать в глубь почвенной толщи на 4-5 м и более.

Зарождение почв и обновление субстрата в зоне вулканической деятельности идут параллельно. Более того, они конкурируют друг с другом. Ведь поселившиеся на пеплах растения и животные постоянно подвергаются опасностям. Они гибнут от раскаленных частиц, вытравляются кислотами и щелочами шлаков, сгорают в лавовых потоках. Правда, таков вулкан лишь вблизи. Вдали от него дождь из мельчайших пылинок вызывает совершенно обратную реакцию. Когда он оросит лес, луг или огород, происходит биологический взрыв. Жизнь на этом участке активизируется: травы и деревья ставят рекорды по производству биомассы, а поля дают заметные прибавки урожая. После извержения Безымянного в 1956 г. в поселке Ключи и в других местах выпадения пепла подскочили урожаи овощей. В чем же дело? Изучение вулканических осадков показало: на их поверхности скапливаются доступные растениям соединения фосфора, калия и других элементов. Небольшая доза такого дождя - лучшее удобрение, запатентованное природой. Кстати, только за один день работы Безымянный выбросил (в тыс. т): легкорастворимых солей азота - 450, калия - 80, магния - 36, кальция - 35 [Мархинин, 1980].

Первопочва, созданная вулканами в содружестве с живыми организмами в тропических странах, всегда поражала своим необыкновенным плодородием. Острова в Тихом океане, где действовали вулканы, в XVII-XVIII вв. часто называли райскими. И в немалой степени такой репутации способствовал покрывающий их плодородный слой пеплов. Достаточно было распахать и засеять эти земли и урожай получали сказочный. Но первопочва обладала и другим, совсем незавидным свойством: как ни одна представительница четвертого "царства природы" она быстро теряла сей ценный дар. В районах с влажным климатом поля, расположившиеся на остатках пеплов и лав, через два-три года интенсивного использования полностью истощались. Поэтому на островах Японии и Филиппинах рисоводы составляют специальные рационы для своих питомцев - крошечных заливных полей. Блюда, предназначенные земле, содержат много рыбной муки, свежих вулканических пеплов и т. д. С помощью даров моря и недр плодородие местных почв удается сохранить на века.

А теперь попытаемся поближе познакомиться с пращурами современных почв. Простое увеличительное стекло помогает восстановить их родословную вплоть до десятого колена, все этапы развития от рождения до очередного погребения первопочвы под свежими пеплами во время извержения вулкана. В отличие от черноземов, подзолов, солонцов и прочих представителей четвертого "царства" вулканическая почва развивается прерывисто. Она имеет четко выраженное начало и конец, когда ее покрывают исторгнутые из недр породы. И подтверждает это слоистость первопочв, цветовая гамма их профиля, где с завидной закономерностью чередуются черная, охристая, сизая, белесо-пепельная краски. При первом знакомстве с ними создается впечатление, что природа оделила первопочву всеми возможными свойствами, чтобы в процессе эволюции ей было из чего выбирать. На самом деле все куда проще. Слоистость - лишь следствие периодических извержений вулкана. Очередной выброс пепла - и поверх старой почвы начинает расти новая. В свежем наносе появляется перегнойный горизонт, под ним пепельная полоса с охристыми прожилками и вулканический песок. Здесь также много обуглившихся остатков растений, плохо разложившиеся мох и травы, ржавые натеки и пр.

Микроскоп позволяет разглядеть и более мелкие частицы: обломки вулканического стекла, зерна минералов. У них свежий вид. Они почти не тронуты выветриванием, отмыты от примесей, в том числе и от питательных веществ, которыми были так богаты.

Увеличение в несколько сот раз позволяет объяснить причину высокого и недолговечного изобилия, которым дарят эти почвы. Дикари в отличие от своих цивилизованных собратьев ничего не откладывают впрок. Они тратят все, что отпустила им природа, без остатка. Когда же последнее съедено, растениям остается питаться камнями в буквальном смысле этого слова. Но такая пища большинству из них недоступна.

Впрочем, не так уж просты вулканические почвы. Их неспособность сохранить плодородие - лишь иной способ позаботиться о продлении жизни растений. Природа ничего не делает даром. Вспомним, в каких условиях развивается пленка жизни на Камчатке и в других сейсмических зонах. Здесь каждую минуту лава, грязевые потоки, пепел могут задушить ее, смыть, покрыть под многометровой толщей мертвой породы. Поэтому надо спешить, выкладываться без остатка, обладать взрывным плодородием.