Бактериальный газовый фильтр
Г.А.Карпов,
доктор геолого-минералогических наук
Институт вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения РАН Петропавловск-Камчатский
£ $
^ $ $
Я держу в руках книгу среднего формата, в мягкой обложке голубого цвета, на которой помещена фотография уникальной во многих отношениях кальдеры Узон на Камчатке. Эта фотография очень уместна здесь. Она как нельзя лучше отражает сущность предмета исследований автора, безусловно, выдающегося российского микробиолога, академика Георгия Александровича Заварзина, с которым мне, к счастью, довелось поработать в совместных экспедициях. Термальные поля кальдеры Узон полны микробиологической жизни. Именно здесь воочию можно убедиться в справедливости гениального открытия Георгия Александровича — важнейшей роли бактерий в качестве первичного органического фильтра, модифицирующего вулканические газы и с ранних геологических эпох поставляющих кислород в атмосферу.
Сам автор во «Введении» пишет, что задумал книгу как научно-популярную, задавшись целью доступно осветить, используя большой багаж знаний естественных наук, сложные научные вопросы микробиологии, прежде всего касающиеся взаимосвязи между составом атмосферы и бактериями. Рассмотрение такой масштабной задачи Георгий Александрович начинает с формулировки 12 основных положений, справедливость которых он и доказывает далее. Отправным пунктом его строго научных, основанных на боль© Карпов Г.А., 2014
шом фактическом материале построений стал постулат: «Современная атмосфера существует с начала фанерозоя, т.е. до появления высшей растительности, и состав ее поддерживается постоянным вследствие действия циклического механизма, включающего в качестве основного компонента кислород-уг-лекислотный цикл, обусловленный фотосинтезом высших растений и дыханием грибов и бактерий» (с.7).
Логично следуя пошаговому освещению вопросов биогеохимической эволюции, суть которой состоит, по Заварзину, «в замене одного действующего агента другим при взаимодействии окислительной атмосферы с восстановительными эксгаля-циями» (с.9) на протяжении всей геологической истории, автор начинает свою работу с рассмотрения состава атмосферы и сущности основных процессов в ней. Показав состав тропосферного воздуха, он подчеркивает, что ведущее соединение в системе тропосферных реакций — радикал ОН, образующийся фотохимически. Этот радикал — своеобразный чистильщик. Продуцирующиеся в основном микроорганизмами в почве и поступающие в тропосферную систему газы, такие как СН4, СО, СОБ, Н;Б, N0, N0; и половина объема БО; и (СНз^Б, вследствие фотохимических реакций с радикалом ОН очень быстро разлагаются. При этом Заварзин подчеркивает, что «почвенный воздух — это своеобразная газовая среда, отлича-
Г.А.Заварзин. БАКТЕРИИ И СОСТАВ АТМОСФЕРЫ / Отв. ред. А.А.Имшенецкий, предисл. М.С.Ги-лярова, Е.А.Бонч-Осмоловской. Изд. 2-е, доп.
М.: Ленанд, 2014. 200 с.
^ ющаяся от приземного воздуха» (с.18). Как особую область выде-^ ляет он и поровые воды донных ^ отложений океана, где, по его мнению, особенно велика роль ^ микробной жизни. 3 Рассматривая далее проис-^ хождение атмосферы, Георгий Александрович обращает внимание читателя на то обстоятельство, что на ранних этапах геологического развития Земли основным источником поступления газов в атмосферу были вулканические эксгаляции, в составе которых основное место занимали пары воды, углекислый газ, а также N2, H2, H2S, SO2, CO, NH3, HCL, HF. На основании факта, что пределы содержания H2O и CO2 в атмосфере определяются возможностью необратимого парникового эффекта, Георгий Александрович делает выводы, что «содержание этих компонентов в газовой фазе за всю историю Земли не отличалось существенно от современного» (с.23) и что воды океана всегда играли важную роль в стоке кислых газов — H2S, SO2, HCL и HF из атмосферы. Это принципиально важно. Автор также отмечает, что количественное представление о ходе накопления летучих компонентов в истории Земли получить весьма трудно, но резонно указывает, что в качестве индикаторной системы можно использовать инертные газы — аргон, гелий и др., учет количества которых (для представлений о степени ювенильности глубинных эксгаляций) широко применяется в геологии.
Сопоставив состав газов атмосферы с составом вулканических газов и отметив, что для формирования современной атмосферы последние должны были претерпеть определенную модификацию, Заварзин далее методично рассматривает механизмы этого процесса. Отталкиваясь от факта, что согласованное изменение состава атмосферы и океана произошло около 2 млрд лет назад, и не находя других причин для объяснения
этого феномена, автор обращает внимание, что именно с этого времени на Земле начинает действовать биологический фактор. По его мнению, изменение атмосферы «можно приписать лишь накоплению результатов деятельности микроорга-низмов-прокариот по модификации в первую очередь газовых составляющих» (с.32). По-видимому, постепенно резервуар атмосферных газов модифицировался деятельностью бактерий, и в итоге основными компонентами атмосферы оказались N2 и СО2. Азот поступал из дегазирующихся изверженных пород и вследствие своей химической инертности быстро накапливался в атмосфере. А куда был израсходован углекислый газ? Автор справедливо указывает на мощные толщи карбонатов среди древнейших осадочных пород. Первичная углекислота могла растворяться в водах океана, где связывалась с растворенными ионами Са и М§ с образованием карбонатных пород. Георгий Александрович обращает внимание на то обстоятельство, что в это время получили развитие и так называемые строматолиты, бесспорно имеющие бактериальное происхождение. Этот факт в настоящее время практически доказан обнаружением современных строматолитов на вулканогенных термальных полях. И автор книги, следуя логике своих теоретических построений, далее детально рассматривает вопрос о возможности существования микроорганизмов и их сообществ, не зависящих от солнечной энергии, а использующих для жизни газовые выделения из глубин Земли. Этому вопросу посвящены главы II («Гидротермы и бактерии в них»), III («Трофические системы прокариот») и IV («Цианобактериальные сообщества»).
Рассмотрение микробных сообществ в современных гидротермах Заварзин начинает с хемолитотрофных бактерий. Как известно, хемотрофы не
нуждаются в солнечном свете, а используют энергию окислительно-восстановительных реакций. Обратив внимание на то, что эти организмы могут в принципе использовать любую окислительно-восстановительную реакцию, которая совместима с существованием воды, автор указывает, что «для существования такой группы микроорганизмов необходим длительный и достаточный приток энергии, способный поддерживать популяцию бактерий плотностью > 104 клеток на грамм... В современных условиях такой поток возможен для веществ, участвующих в циклических биогенных превращениях, т.е. для биогенных элементов» (с.34).
Среди хемолитотрофных бактерий выделены группы специализированных бактерий. Большая их часть живет в аэробных условиях — водородные (окисляющие водород кислородом воздуха), нитрифицирующие (окисляющие восстановленные соединения азота), тио-новые и серные (окисляющие восстановленные соединения серы), метанокисляющие, кар-боксидотрофные (окисляющие моноокись углерода), железобактерии (окисляющие двухвалентное железо). Вместе с тем известна большая группа микроорганизмов, которые используют для своей жизнедеятельности не только неорганический донор, но и неорганический акцептор электрона — иной, чем кислород. Это, в первую очередь, сульфатредуцирующие бактерии и бактерии, восстанавливающие серу водородом, а также метанобразующие бактерии, восстанавливающие водородом СО2. Существует и ряд микроорганизмов, восстанавливающих водородом окислы азота, а также окисленное железо, причем, подчеркивает автор, в этих случаях процессы лучше идут с органическим веществом как восстановителем. Здесь Георгий Александрович снова напоминает, что все компоненты,
которые используются хемоли-тотрофными бактериями, характерны и для вулканических газов, а именно Н2, СО, NHз, СН4, ^Б, Б0. И пишет, что, следовательно, «в местах выхода вулканических газов можно ожидать присутствие микробных сообществ, использующих для своей жизнедеятельности не продукты разложения органического вещества, синтезированного другими организмами, а поток глубинных эксгаляций» (с. 36). Эта идея не нова, но только в последние годы, благодаря открытиям микробиологами на термальных полях современных вулканических структур, а также на термогенерирующих разлом-ных зонах в глубинах океана большого количества термофильных и экстремально-термофильных микроорганизмов, она получила свое развитие. И автор настойчиво еще раз подчеркивает: «Очевидно, что совпадение субстратов лито-трофных кальдерных микроорганизмов и характерных окисляемых компонентов глубинных эманаций не случайность, а прямое следствие той геохимической системы, в которой эти организмы развиваются» (с.37). В разделе «Гидротермы как место обитания бактерий» Заварзин дает предложенную вулканологами классификацию гидротерм по газовому составу, а в следующем разделе («Вулкан Узон и микробная деятельность в нем») рассматривает для разных типов гидротерм и характерные сообщества термофильных микроорганизмов, и геохимические процессы с участием термофилов.
Для геологов особенно важен материал по сернокислотному выщелачиванию пород, окружающих термальные источники. В одноименном разделе автор очень детально рассмотрел различные условия и источники проявления сероводорода в вулканических экс-галяциях, показал схемы деятельности разнообразных специфических аэробных термо-
фильных и мезофильных микроорганизмов, в том числе и продуцирующих серную кислоту, отметил условия формирования связанных с ними так называемых структурных глин. В разделе «Анаэробные реакции в наземных гидротермах» Георгий Александрович снова вернулся к анаэробным термофилам — метаногенам и сероре-дукторам. Субстратом для их жизнедеятельности в гидротермах Йеллоустонского национального парка, Узон-Гейз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.