10. Метаболизм организмов, секретирующих карбонат кальция

Как мы знаем (гл. XII, разд. 8), организмы, образующие известняк, возникли в глубокой древности. Их метаболизм должен был отличаться от метаболизма современных известковых водорослей. Содержание кислорода в земной атмосфере 2,7 млрд. лет назад составляло в лучшем случае 1% его содержания в современной атмосфере, и метаболизм живого, разумеется, был мало похож на современный. Но эти отличия не должны были сильно сказываться на способности к отложению углекислого кальция. Биогенные известняки, описанные Мак-Грегором, могли быть созданы и примитивными фотосинтезирующими организмами вроде современных зеленых водорослей, и организмами с метаболизмом, сходным по типу с брожением, которых мы отнесли бы сегодня к анаэробам. Хотя я не могу обсуждать здесь этот аспект проблемы подробно, краткое рассмотрение способов биогенного образования известняка было бы полезно. Я воспользовался здесь сведениями, любезно предоставленными мне проф. К. Ван-Нилем (личное сообщение, 1967).

Отложение извести может быть результатом как неорганических, так и органических процессов. Например, кальцитовые отложения в сталактитовых пещерах - это абиогенные образования, а травертин, встречающийся в жарких странах в местах выхода подземных вод, - это пример современных биогенных известковых отложений.

Кальцитовые отложения сталактитовых пещер встречаются в виде натечных образований, покрывающих дно пещер, а также в виде сталактитов и сталагмитов. Все эти образования возникли при частичном выделении СО₂ из обогащенных СаСО₃ грунтовых вод, циркулирующих в породах, в которых образовалась пещера, и капающих с ее потолка. Этот процесс происходит следующим образом:

Если такие воды выходят на поверхность, то в них в противоположность темным пещерам обильно развиваются водоросли. В процессе фотосинтеза они потребляют СО₂ из воды, и при этом осаждается СаСО₃:

В этом уравнении, как и в других уравнениях, описывающих фотосинтез, символ (СН₂О) означает синтезируемое организмами органическое вещество. Травертин, широко используемый как строительный и облицовочный камень (например, в Италии), широко распространен в странах Средиземноморья, где известняк является материнской породой почв. Травертин нередок и вокруг горячих источников; прекрасный пример - местность у Мамонтовых горячих источников в Йеллоустонском парке (США). Травертин приурочен к районам, где богатые карбонатом кальция грунтовые воды изливаются на поверхность.

Конечно, наряду с биогенным отложением известняка, связанным с фотосинтезом, происходит и неорганическое образование известняка при испарении родниковой воды. Но в освещенных солнцем местах его роль совершенно незначительна в сравнении с деятельностью водорослей. Абиогенный известняк возникает главным образом там, где нет солнечного света, например в пещерах.

Но вот что интересно (я, как дилетант в биологии, был этим сильно удивлен): биогенный известняк может возникать также в результате деятельности некоторых бактерий, способных размножаться в бескислородной среде. Они относятся к хемо- и фотоорганотрофным микроорганизмам и фотолитотрофным зеленым и пурпурным серным бактериям (гл. VIII, разд. 7). Эти (или другие, со сходным метаболизмом) организмы могли играть важную роль в отложении известняков в условиях первичной бескислородной атмосферы. Ввиду того что, как уже говорилось, ранняя жизнь могла долго сосуществовать с преджизнью, к этим группам надо добавить еще фото"органо"трофов.

В общем можно сказать, что такие организмы вызывают осаждение СаСО₃, повышая щелочность среды. В результате происходит смещение равновесия в сторону СО₃^2-:

А если концентрация СО3^2- в среде с ионами кальция превышает произведение растворимости СаСО₃ (около 1⋅10^-8 М), то в осадок выпадает карбонат кальция. Примеры таких анаэробных процессов в современном живом мире - метановое брожение, восстановление микроорганизмами сульфатов и нитратов и бактериальный фотосинтез. Разумно заключить, что эти или сходные процессы метаболизма были одним из самых ранних проявлений жизни на Земле. Возможно, в результате этих процессов и возникли биогенные известняки раннего и среднего докембрия.

При метановом брожении [4, 40, 52] соли органических соединений, особенно соли жирных кислот, окисляются; одновременно идет восстановление СО₂ до СН₄. Показано [52], что сбраживание ацетата, бутирата и капроата кальция протекает согласно уравнениям:

Поскольку среди продуктов этих реакций имеется СО₂, ионы Са, казалось бы, могут оставаться в растворе в виде бикарбоната. Но образующийся одновременно метан, нерастворимый в воде, улетучивается в атмосферу, захватывая с собой и СО₂. Поэтому колбы, в которых идет такое брожение, вскоре покрываются изнутри слоем извести.

При восстановлении сульфата до сульфида одновременно идет окисление какого-либо вещества [32]. В этом случае возрастание щелочности объясняется тем, что серная кислота гораздо сильнее H₂S. Подобным же образом при восстановлении нитрата сильная азотная кислота превращается в не кислотные продукты - N₂О, N₂, NH₃; здесь также параллельно идет окисление субстрата [2,8].

Теперь познакомимся с деятельностью современных фотосинтезирующих бактерий. Они представлены тремя группами: 1) анаэробные зеленые серобактерии (Cuorobacteria), 2) анаэробные пурпурные, или красные, серобактерии (Thiorhodaceae) и 3) факультативно аэробные красные и коричневые несерные бактерии (Athiorhodaceae). Для всех этих групп бактерии характерны две выдающиеся черты. Во-первых, в отсутствие О₂ их рост зависит от притока лучистой энергии, причем наиболее эффективен участок спектра с длинами волн от 730 до 1000 нм. Во-вторых, они не продуцируют кислорода.

Первые две группы являются фотолитотрофами (гл. VIII, разд. 7). Они окисляют неорганические соединения серы, например H₂S, элементарную серу или тиосульфаты до сульфатов; одновременно идет ассимиляция (т. е. восстановление) СО₂ [24, 54]. Этот процесс схематически может быть выражен уравнениями

Athiorhodacea - фотоорганотрофы; обычно они используют органические вещества, главным образом жирные кислоты, превращая их в вещество своих клеток. Если субстрат реакции более восстановлен, чем (СН₂О), то одновременно идет ассимиляция СО₂ [55]. Так, утилизация уксусной и масляной кислот может быть описана следующими суммарными уравнениями:

Все эти процессы ведут к увеличению рН вследствие того, что кислые вещества, в том числе СО₂, превращаются в нейтральное вещество клетки. А при возрастании рН в любой среде, содержащей кальций, начинается осаждение СаСО₃.

Подводя итог, мы можем выделить среди современных организмов, метаболизм которых приводит к осаждению извести, две группы. Первая - это зеленые водоросли, эукариоты, живущие в аэробных, кислородсодержащих средах. Вторая группа - анаэробные прокариоты, способные к брожению и фотосинтезу. Хотя в условиях современной атмосферы водоросли являются самыми важными поставщиками известняка, разумно предположить, что на заре геологической истории отложение известняка было в основном результатом жизнедеятельности организмов, сходных с современными, живущими за счет брожения или анаэробного фотосинтеза. Эти древние формы ранней жизни развивались, конечно, в местах, защищенных от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца; они свободно контактировали с гидросферой и атмосферой, но, несмотря на это, жили в отсутствие кислорода.

Ван-Ниль, исходя из теоретических соображений, постулировал, что самые ранние организмы, участвовавшие в отложении известняка, не были способны к фотосинтезу [56]. Затем их сменили микробы с бактериальным типом фотосинтеза, представлявшие собой логически необходимую эволюционную стадию перехода к фотосинтезу, свойственному зеленым растениям. Но, конечно, делая такие выводы, мы всегда должны помнить об опасностях увлечения сравнительной биохимией (см. гл. IX, разд. 5).