Значение водорослей в природе и жизни человека

Историческая роль водорослей. Водоросли как геологический фактор (З. И. Глезер)

Водоросли - одни из древнейших организмов, населяющих нашу планету. Пожалуй, только бактерии могут поспорить с ними в древности происхождения и длительности существования. В прошлые геологические эпохи, как и в настоящее время, водоросли населяли океаны, реки, озера и другие водоемы. Обогатив атмосферу кислородом, они вызвали к жизни разнообразный мир животных и способствовали развитию аэробных бактерий; они явились родоначальниками растений, заселивших сушу, и, как это неудивительно, создали мощные толщи горных пород.

Для того чтобы лучше представить геологическое значение водорослей, необходимо в общих чертах ознакомиться с основными этапами развития Земли, которые отражены в геохронологической таблице. Эта таблица - результат кропотливого труда многих поколений геологов и палеонтологов; она составлена с учетом новейших достижений геохимии. Читать ее следует снизу вверх, от наиболее древних периодов к нашему времени (рис. 273).

Рис. 273. Геохронологическая таблица

Первые страницы летописи о жизни древнейших организмов Земли дошли до нас в виде отдельных обрывков, содержание которых подчас трудно поддается прочтению из-за плохой сохранности остатков вымерших обитателей нашей планеты. По-видимому, остатки многих бесскелетных организмов вообще не дошли до нас. Поэтому геологи назвали первый этап в развитии жизни на нашей планете криптозойским, т. е. этапом "скрытой жизни". Криптозой (или, как часто говорят, докембрий) объединяет две эры - археозойскую и протерозойскую. Следующий, фанерозойский этап (этап "явной жизни") охватывает только около ¹/₄ времени существования жизни на нашей планете, но изучен он гораздо полнее. Обильные остатки организмов, сохранившиеся в слоях фанерозоя, позволили с большей полнотой проследить развитие животных и растений на этом этапе.

Фанерозойский этап делят на три эры - палеозойскую (эра "древней жизни"), мезозойскую (эра "средней жизни") и кайнозойскую (эра "новой жизни").

Эрой водорослей и бактерий называют протерозой, однако появились они еще раньше. Уже давно высказывались предположения, что архейские графиты и мраморы - результат жизнедеятельности каких-то древних организмов, а в последнее десятилетие удалось найти остатки живых существ, населявших древнейшие моря нашей планеты: в Южной Африке в архейских породах были обнаружены самые древние из известных в настоящее время организмов, жившие на Земле 3 млрд. 200 млн. лет назад. Они представляют собой шаровидные микроскопические тельца (диаметром от 5 до 30 мкм), по своему строению очень похожие на сине-зеленые водоросли.

В Южной Африке было сделано еще одно открытие. Оказалось, что скопление графита в архейских доломитах Трансвааля - это не что иное, как остатки колоний водорослей, живших 2 млрд. 600 млн. лет назад. По своим особенностям они наиболее близки к сине- зеленым. Здесь же были обнаружены и остатки древнейших колоний водорослей в виде мелких куполовидных известковых образований.

Гораздо больше следов жизнедеятельности оставили после себя водоросли протерозойской эры. Однако находки самих водорослей - явление чрезвычайно редкое.

Огромный интерес для науки представило открытие, сделанное при исследовании под микроскопом тончайших срезов (шлифов) горных пород в Канаде. Здесь были обнаружены как бы законсервированные кремнеземом нити водорослей, живших в протерозойскую эру. Детальное изучение строения этих водорослей позволило заключить, что еще 2 млрд. лет назад сине-зеленые водоросли так же, как и современные, обладали специальными приспособлениями для перенесения неблагоприятных условий и для вегетативного размножения.

Что же собой представляют многочисленные памятники жизнедеятельности протерозойских водорослей, дошедшие до наших дней? Во многих районах земного шара распространены толщи своеобразных известняков, получивших названия "плойчатые известняки", "скорлуповатые породы", "породы со структурой часовых стекол". Чаще всего их называют "строматолиты", что в переводе значит "ковровый камень". Внешне эти известняки напоминают многочисленные стопки часовых стекол, плотно прижатые друг к другу (рис. 274). Долгое время природа этих образований была загадкой, и лишь кропотливый труд многих исследователей позволил выяснить, что строматолиты - это постройки колоний сине-зеленых водорослей.

Рис. 274. Строматолиты - постройки колоний вымерших протерозойских сине-зеленых водорослей. Зарисовка продольного разреза строматолитового известняка

Таким образом, можно утверждать, что на дне прибрежных мелководных участков докембрийских морей существовали сине-зеленые водоросли. Они извлекали из воды растворенные соли кальция и откладывали в слизистых чехлах своих нитей зернышки кальцита. Наиболее интенсивный рост водорослей и накопление карбоната кальция происходили весной и летом. Нижняя часть колоний водорослей постепенно отмирала, оставляя после себя корочку известкового вещества. Осенью и зимой колонии водорослей засыпались глинистыми частицами, оседающими из морской воды. Затем с наступлением благоприятных условий происходило образование следующего слоя известкового вещества. За многие тысячелетия водоросли образовали слоистые скорлуповатые толщи известняков мощностью до 200 м, простирающиеся иногда на несколько километров. Особенно мощные, высотой до 1100 м, водорослевые постройки описаны в Австралии. Известны они в европейской части СССР, на Урале, в Восточной Сибири, на хребте Ала-Тау, Чукотке,в Западной Европе, Китае, Маньчжурии, Экваториальной Африке, Канаде, США.

Изучение строматолитов имеет большое практическое значение, ведь они являются почти единственными следами жизни, дошедшими до нас со времен докембрия. Кроме того, для поисков полезных ископаемых, связанных с докембрийскими породами (железных, марганцевых, кобальтовых и урановых руд, золота, меди, фосфоритов и др.), геологам очень важно знать об условиях, существовавших в то далекое время на Земле. Сейчас по находкам строматолитов определяют береговые линии давно исчезнувших морей и океанов.

Массовое развитие водорослей в докембрийских морях не только оставило после себя памятники в виде толщ горных пород, но и явилось подлинной революцией в истории всей нашей планеты. Ведь сине-зеленые докембрийские водоросли были первыми на Земле автотрофными фотосинтезирующими организмами, способными при помощи солнечной энергии усваивать углерод и выделять свободный кислород. Считается, что к началу палеозоя атмосфера, до этого состоявшая из метана, аммиака и углекислого газа, обогатилась свободным кислородом и ее состав стал близким к современному. В атмосфере появился озон, ставший экраном, предохраняющим Землю от губительного потока радиоактивного излучения. Наличие свободного кислорода привело к появлению животных и аэробных бактерий. Водоросли явились мощными создателями не только кислорода, но и органического вещества, ставшего пищей животных и бактерий.

С палеозоя началось бурное развитие животного мира на нашей планете. Эра безраздельного господства бактерий и водорослей закончилась. Но водоросли продолжали играть немалую роль и в более поздние эпохи.

Наиболее грандиозные геологические образования, созданные живыми организмами,- это подводные скалы, или рифы. Главными рифостроителями в настоящее время являются беспозвоночные животные кораллы, а из растений - красные водоросли литотамнии (Lithothamnion). Последних называют иногда каменными водорослями, так как в оболочках их клеток откладывается такое большое количество карбоната кальция и отчасти магния, что они буквально приобретают прочность камня, замуровывая отмирающие части колоний.

Особенно широко рифы распространены в тропической части Тихого океана, но известны они также в Индийском и Атлантическом океанах и в Красном море. О грандиозности сооружений, создаваемых живыми организмами, можно судить хотя бы по Большому Барьерному рифу, который тянется почти на 2 тыс. км вдоль северо-восточного берега Австралии. В настоящее время рифы - это острова и даже целые архипелаги, на которых живут люди; это надежные гавани, но нередко и грозная опасность для морских судов; в рифах находят пищу и убежище миллиарды живых существ.

Образование рифов происходит не только в современную эпоху, этот процесс продолжался в течение всего фанерозоя. Строение рифов и их распространение тесно связаны с распределением суши и моря в прошлые геологические эпохи, с развитием морских бассейнов и с эволюцией организмов-рифостроителей. Древние рифовые постройки - это ценнейшие документы, позволяющие судить о физико-географических условиях среды и о развитии жизни в давно прошедшие времена.

Более двухсот лет люди изучают рифы, но до сих пор открыты еще не все тайны этих удивительных сооружений природы. Во всяком случае, несомненно, что с древнейших времен постоянными рифостроителями являются различные группы водорослей, способные концентрировать в своем теле карбонат кальция; преимущественно это красные, зеленые (сифонеи) и сине-зеленые водоросли.

В некоторых рифах водоросли образуют основную массу, преобладая над кораллами. Так, например, в рифах островов Фиджи в Тихом океане водорослей почти в три раза больше, чем кораллов.

Часто водоросли образуют гребни рифов. Если кораллы, как правило, растут на глубине 10-20 м, то ближе к поверхности обычно поселяются красные кораллиновые водоросли - обитатели подвижных вод. Их гибкие ветки при движении водных масс легко гнутся, не ломаясь. В тропических водах кораллиновые водоросли растут чрезвычайно быстро, удлиняясь на 24-26,5 см в год. Имеются наблюдения, что судоходные каналы глубиной 2 м, проложенные через рифы, полностью зарастали красными водорослями в течение 10 лет. Ветвистые низкие кустики, шаровидные и стелющиеся корковидные колонии этих водорослей, окрашенные в розовые и красные тона, пе-реплетаясь вместе, образуют по краю кораллового рифа плотную известковую массу в виде гребня.

Активное участие в постройке рифов принимают зеленые сифоновые водоросли. В их оболочках также концентрируется карбонат кальция. В лагунах атолла Фунафути и атоллов Марианских островов в Тихом океане были вскрыты пласты, переполненные остатками сифонеи халимеды. Растет халимеда чрезвычайно быстро. На атолле Фунафути (о-ва Эллис) установили, что за два с половиной месяца прирост халимеды составил в высоту 55 см и в диаметре 8 см. Членики халимеды, покрытые ситовидно-продырявленным известковым чехлом, буквально оплетают коралловые рифы.

Почти во всех районах нашей планеты известны древние рифы, в образовании которых принимали участие водоросли. В кембрии наи-более распространенной водорослью-рифостроителем был эпифитон (Epiphyton, рис. 275). До сих пор существуют разные мнения о систематическом положении эпифитона. Одни исследователи считают его сине-зеленой водорослью, другие относят к красным. На несколько километров тянулись рифы, образованные эпифитоном и древними вымершими животными - археоциатами, в теплом морском бассейне на месте современной Тувы (Восточный Саян). По мере опускания морского дна рифы нарастали все выше и выше, достигнув высоты 500-800 м. Рифовые кембрийские известняки, переполненные остатками эпифитона, известны в Восточной Сибири, Кузнецком Алатау, на Южном Урале, в Антарктике, Италии, Франции, Австралии.

Рис. 275. Отпечаток водоросли эпифитон (Epiphyton parapusillum), найденный в нижнекембрийских породах Кузнецкого Алатау

Основную массу известняков хребта Кара-Чатыр в Южной Фергане в каменноугольное время создали рифообразующие сифоновые во-доросли. В Крыму по реке Каче обнаружены рифы пермского периода, почти полностью образованные сифоновой водорослью миццией. Такие же мицциевые рифовые известняки описаны в Югославии, Греции, Северном Ираке, Японии, США (штаты Оклахома и Колорадо). Мощность толщи известняков, представляющей собой водорослево-коралловые рифы юрского периода, достигает в Альпах 1000 м. В юрском периоде возникли и рифовые постройки красных водорослей в Крыму, образовав живописные вершины Яйлы, Ай-Петри, Никитскую, Чатырдаг и др.

Вдоль Восточных Карпат от города Броды до Каменец-Подольского в районе Днестра тянется гряда высоких (до 70 м) холмов, поросших лесом,- Медобор. По сторонам гряды располагаются скалистые холмы, известные под названием Толтры. Это древний барьерный риф, построенный в основном красными водорослями литотамниями в прибрежной полосе тепловодного неогенового морского бассейна. И таких примеров много.

Изучение древних рифов начато сравнительно недавно, но оно имеет огромное практическое значение. Рифовые известняки - это ценный строительный материал, так как карбонат кальция рифовых построек часто отличается высокой чистотой и его используют на производство самых высоких марок цемента. В Восточном Саяне и на восточном склоне Урала к древним рифам приурочены залежи алюминиевых бокситовых руд. С рифовыми постройками тесно связаны месторождения нефти Башкирии: погребенные под мощной толщей более молодых пород, древние рифы, созданные водорослями и мшанками в каменноугольное время, оказались коллекторами огромных запасов черного золота. Месторождения нефти в Ираке (Мосул) связаны с мощной грядой водорослевых и коралловых рифов конца мелового - начала третичного времени. Вместилищем нефтяных залежей являются также погребенные девонские массивы в США. Не исключено, что масса органического вещества, создаваемого водорослями, населявшими древние морские бассейны, явилась одним из источников образования самой нефти.

Однако этими грандиозными постройками не ограничивается участие водорослей в образовании карбонатных пород. Хорошо известны, например, так называемые харациты - известняки, сложенные почти исключительно обызвествленными плодовыми телами - оогониями - харовых водорослей. Они обнаружены в третичных отложениях Киргизии и Тувы. Двенадцатиметровый пласт раннедевонского харацита, простирающийся на 240 м, найден в штате Колорадо в парке Пери. Какие же мощные заросли харовых должны были развиваться в древних водоемах, чтобы их оогонии, диаметр которых обычно не превышает 1 мм, могли образовать целые пласты известняка!

Удивительно и происхождение знакомого всем писчего мела. При рассматривании мела под микроскопом при небольших увеличениях обычно бросаются в глаза главным образом известковые раковины фораминифер, но при увеличениях более чем в 1000 раз там обнаруживается огромное количество прозрачных пластинок другого происхождения, величина которых не превышает 10 мкм. Это так называемые кокколиты - частицы известкового панциря золотистых водорослей кокколитофорид (рис. 71). Электронный микроскоп позволил установить, что меловые породы почти на 95% состоят из кокколитов и их обломков.

Новейшие исследования показали, что и в настоящее время в теплых водах морей и океанов происходит образование кокколитовых илов. Развиваясь в огромных количествах (максимальное число кокколитофорид в 1 мг воды в тропической части Тихого океана примерно 1 685 000 экземпляров), кокколитофориды извлекают растворенные в воде соли кальция и используют их для построения своего панциря. Отмирая, клетки опускаются на дно, и их известковая оболочка распадается на отдельные кокколиты, образующие в течение многих тысячелетий известковый осадок.

Водоросли играют немалую роль не только в круговороте кальция в природе, но и в круговороте кремния - одного из самых распространенных элементов. Начиная с позднего мела господствующее положение почти во всех водоемах земного шара завоевали диатомовые водоросли, обладающие кремнеземным панцирем. Кремний их панциря составляет до 75% от сухой массы всей клетки. Для построения панциря диатомеи извлекают из воды растворенную в ней кремниевую кислоту. При благоприятных условиях они обладают колоссальной энергией размножения. Наблюдения показали, что удвоение числа их клеток может происходить в природе каждые 4 ч, в условиях опыта число клеток за 8 ч увеличивалось в 10 раз. Весной во время массового развития, называемого "цветением" воды, в поверхностном слое насчитывалось до 12 млн. клеток диатомей в 1 л. Расчеты показывают, что в Мировом океане эти микроскопические водоросли ежегодно извлекают из воды и используют на построение своих панцирей от 72-10⁹ до 154-10⁹т кремнезема. Отмирая, клетки диатомей опускаются на дно водоемов, где постепенно накапливается осадок, состоящий из их панцирей. Предполагают, что за 1000 лет может отложиться слой осадков мощностью от 7,5 до 30 см. Эти породы, состоящие из массового скопления панцирей диатомей, так называемые диатомиты, достигают местами мощности в несколько сотен метров.

Диатомиты широко используются в народном хозяйстве. К 1969 г. добыча диатомитов в капиталистических странах достигла 1,75 млн. т в год. Крупнейшими экспортерами являются США, Франция, ФРГ, Алжир. В СССР месторождения диатомитов промышленного значения имеются в Поволжье, Приморском крае, на восточном склоне Урала, Кавказе, на Сахалине.

В настоящее время диатомиты используют почти в 50 отраслях промышленности. Их ценные качества - высокая пористость и низкий удельный вес. Большое количество диатомитов идет на приготовление легких кирпичей; в частности, плитками из диатомита облицован купол собора святой Софии в Стамбуле. Применяют диатомиты и в качестве добавки к различным сортам цемента. Но наиболее широкое применение диатомит нашел в качестве фильтрующего материала при производстве различных масел, жиров, в сахарной и химической промышленности. Была даже осуществлена успешная попытка лечения диатомитом трофических язв конечностей.

Наконец, в определенных условиях водоросли явились исходным веществом для образования жидких и твердых нефтеподобных соединений. Так, например, горючие сланцы Ленинградской области и Эстонии обязаны своим происхождением одноклеточной сине-зеленой водоросли глеокапсоморфе (Gloeocapsomorpha, рис. 276), которая в огромных количествах развивалась в водоемах среднего ордовика. Вещества, созданные другой сине-зеленой водорослью - глеокапситосом (Gloeocapsithos), были исходными при образовании горючих сланцев Минусинской котловины.

Рис. 276. Колонии сине-зеленой водоросли глеокапсоморфы (Gloeocapsomorpha prisca), принимавшей участие в образовании горючих сланцев Эстонии (сильно увеличено)

В Подмосковье от Тулы до Новомосковска открыты залежи особых разновидностей угля, так называемых гумусово-сапропелевых углей или богхедов. Они образовались за счет органического вещества сине-зеленых водорослей, в массе развивавшихся в континентальных водоемах в карбоновое время. Такие же угли известны на Южном Урале, в Шотландии и Пенсильвании. Богхеды являются ценным сырьем для получения дегтя.

Древние водоросли, условия их существования, их влияние на формирование и развитие атмосферы, животного и растительного мира нашей планеты, участие в образовании горных пород - все эти и многие другие вопросы начали изучаться сравнительно недавно. Дальнейшие исследования, несомненно, помогут лучше понять роль водорослей в истории Земли и полнее использовать богатства, созданные этими интереснейшими организмами.