Почва: волшебная субстанция, без которой не было бы жизни на земле

Грязь. Жижа. Земля. У нас много синонимов для этого вещества, но, положа руку на сердце, можно сказать, что мы практически о нем не задумываемся. Да и думать там нечего. Но без почвы жизнь, возможно, никогда бы не смогла процветать вдали от воды. Без почвы мы определенно были бы мертвы. Почва имеет решающее значение практически для каждого аспекта жизни на земле, от хранения и фильтрации воды до регулирования климата, предотвращения наводнений, круговорота питательных веществ и разложения. Грязь под ногами является исключительным источником биоразнообразия: по некоторым оценкам, порядка четверти всех видов живут в земле. И мы до сих пор не открыли всех ее сокровищ: в январе 2015 года ученые объявили, что первый новый антибиотик за последние 30 лет был обнаружен в почвенных бактериях.

«Биоразнообразие почвы остается в значительной степени незамеченным, но имеет решающее значение для здоровья людей», — говорят Тандра Фрейзер и Диана Уолл из Global Soil Biodiversity Initiative.

ООН назвала 2015 год Годом почв, и 5 декабря был Всемирным днем почвы. Если когда-нибудь и наступит время отдать дань этой недооцененной субстанции, то это время сейчас. Откуда берется почва и почему она играет основополагающее значение для жизни на земле?

Метеорит Мерчисон: углеродистый хондрит

Во время рождения Солнечной системы, до того как образовалась наша планета, строительные блоки почвы скрывались в чернильной темноте космоса. Об этом свидетельствуют метеориты, известные как углеродистые хондриты, которые появились на рассвете Солнечной системы и которые богаты глинистыми минералами, из которых состояла самая ранняя почва на нашей планете.

После образования Земли, около 4,6 миллиарда лет назад, эти богатые глиной первобытные почвы оказались разбросаны по нашей молодой планете. Но условия были жесткими: частые и массивные падения метеоритов плавили и измельчали крупные объемы этих первых залежей весьма скоро после их формирования.

«Существует дискуссия о том, могла ли вся поверхность Земли быть расплавленной», — объясняет Грегори Реталлак, эксперт по древним почвам из Университета штата Орегон в Юджине, США. Он поддерживает теорию о том, что не больше половины Земли было расплавлено одновременно.

Примерно 3,8 миллиарда лет назад условия на Земле начали стабилизироваться. Постоянная метеоритная бомбардировка, которая превратила планету в ад, к этому моменту пошла на спад, позволив конденсироваться жидкой воде с образованием озер и морей. Это важный момент в истории почвы. Жидкая вода выветрила твердые породы Земли, создав минеральные вещества и образовав больше постоянной почвы.

Первая жизнь на Земле появилась, вероятно, чуть позже, примерно 3,5 миллиарда лет назад; об этом говорят самые ранние свидетельства, которые мы нашли в окаменелостях, которые образовались на скалистых берегах и напоминают микробные маты — строматолиты — которые до сих пор находят на Земле.

Почти с самого начала существования жизни почва начала подвергаться влиянию — и также влиять — жизни. К примеру, те первые микробные маты состояли из фотосинтезирующих организмов, которые вырабатывали огромные объемы органических веществ, используя энергию солнца. Эта органическая материя постепенно выстраивалась на береговой линии, где смешивалась с минералами, высвобожденными из пород под действием эрозии, создавая, возможно, первую истинную почву.

Современные строматолиты в Австралии

Но это была не та почва, к которой мы привыкли. Та почва с трудом сохраняла воду и питательные вещества, которые могли поддерживать жизнь. Емкость почвы зависит от пор, которые образуются между гранулами; простая структура первой почвы означала, что та быстро осушалась, в процессе чего вымывались питательные вещества. Из-за этого земля оставалась негостеприимной средой обитания, и жизнь была ограничена береговой линией, где вода была более доступной.

Ни один организм не имел приспособлений, которые позволяли бы ему отойти от берега и полностью колонизировать некачественную землю. Ключом к колонизации земель стало сотрудничество — если точнее, появление лишайников между 700 и 550 миллионов лет назад.

Лишайники весьма примечательные организмы. Их ткани образованы мутуалистическими взаимосвязями водорослей и грибов, а иногда также бактерий — эти организмы представляют три различных царства жизни. Лишайники являются чрезвычайно устойчивыми и прекрасно адаптируются, благодаря этому уникальному симбиозу.

Водоросли могут фотосинтезировать, обеспечивая лишайник энергией, а грибок собирает воду, спасая лишайник от обезвоживания. Грибы имеют длинные тонкие нити, которые прекрасно собирают воду из окружающей среды, а также могут утилизировать воду во время дыхания. Что более важно, лишайники, содержащие фотосинтезирующие бактерии — цианобактерии — способны вытягивать из окружающей среды азот, который выделяется после их смерти, удобряя почву.

Работая вместе, эти разнообразные организмы объединяли свои навыки, чтобы колонизировать мрачные безжизненные почвы, покрывавшие континенты полмиллиарда лет назад. Даже сегодня лишайники являются одними из самых легко адаптирующихся организмов на Земле.

Лишайники весьма стойкие организмы

«Лишайники могут колонизировать голые скалы, — говорит Пол Фальковский из Университета Рутгерса в Нью-Джерси, США. — Они также производят органические кислоты, которые повышают выветривание горных пород».

Это означает, что лишайники не только продвигались к первым почвам на Земле — они также меняли их. Ускоряя выветривание горных пород, лишайники выпускали еще больше питательных веществ в почву, делая ее более плодородной, и прокладывали путь для других форм жизни. «Лишайники играли важнейшее значение в колонизации растениями земли», — говорит Фальковский.

Вторая волна колонизации началась 440 миллионов лет назад — очень скоро первые наземные растения начали изменять почву вокруг себя. «Они создали более выраженную структуру почвы, — объясняет Реталлак, — и способствовали выделению питательных веществ, фосфора и калия в почве. Этот процесс удобрил как сушу, так и море».

Ключом к удобряющей силе растений были грибы в их корневой системе. Эти «микоризы» появились 500 миллионов лет назад, еще до того, как у растений появились корни.

Подобно грибам в лишайниках, микориза получала энергию, сотрудничая с фотосинтезирующими растениями. И, опять же, как с лишайником, выгоду получали обе стороны: микориза наращивала нити, расширяя охват растения и делая его более стабильным, позволяя ему высасывать азот и другие питательные вещества из почвы.

Нити микоризы также зарывались в породы, выпуская питательные вещества, фосфор, кальций и железо, способствуя росту объема почвы.

Почва важна для многих видов жизни

Ученые считают, что эти мутуалистические отношения имели важнейшее значение для эволюции наземных растений — и эта гипотеза укрепилась 15 лет с открытием 460-миллионолетней ископаемой микоризы.

«Эти взаимовыгодные отношения помогли растениям колонизировать земли до того, как у них появились корни, и до образования известной нам сегодня почвы, — объясняет Кэти Филд из Университета Лидса в Великобритании. — Со временем растения эволюционировали, чтобы стать более конструктивно сложными, разрабатывали обширную систему сосудов, листьев и корней». Это принесло еще больше органического вещества в почву и помогло стабилизировать ее от эрозии.

Сегодня мутуалистические отношения вроде таких формируют основу глобального круговорота питательных веществ, без которых мы бы голодали. Более 80% современных растений образуют связи в виде микоризы с нитчатыми грибами, и они играют важную роль в высвобождении азота в почве.

Микориза также образует огромные сети, которые стабилизируют структуру почвы и позволяют растениям сообщаться — такой себе «интернет Земли».

Корни растений — дом для грибов

Пока растения постепенно колонизировали землю и выводили огромные количества органического вещества в почву, ее способность хранить воду увеличивалась. Хранение и фильтрация воды даже сегодня — одна из важнейших ролей почвы: мы зависим от нее, получая питьевую воду и орошая свои угодья. Способность хранить воду у почвы также важна для снижения риска наводнений и предоставляет важный буфер против засухи.

Вода в почве имеет два названия. Ниже определенного уровня, где почва насыщена, она называется грунтовой водой; выше, где воды меньше, она упоминается как влажность почвы.

Грунтовые воды составляют 20% мировых запасов пресной воды, хотя в общем выражении это меньше 1% всей воды на Земле. Это важный резервуар для нашей питьевой воды и ирригационных систем.

Есть в эволюции современных почв последняя глава. Где-то между 490 и 430 миллионов лет назад животные впервые вышли из океанов и начали колонизировать все более цветущую землю. Где-то 420 миллионов лет назад процветали наземные беспозвоночные — и почва, как следствие, менялась.

Эти первые жители земли были травоядными, поглощали маты водорослей и лишайники, которые царили на земле, и возвращали питательные вещества в почву. Они также начали зарываться и колонизировать почву, наполняя ее мертвой органической материей и тщательно смешивая ее с глиной и другими минералами, выветренными из камней. Их действия снабдили почву еще более отличной структурой и помогли растениям в дальнейшем развитии вдали от воды.

Разнообразие живых организмов в почве быстро увеличивалось. Появились новые беспозвоночные, многоножки, ногохвостки, клещи и первые предки пауков. Примерно 360 миллионов лет назад почва уже была по большей части такой, как сегодня, и уже тогда можно было найти весь список сортов почвы под ногами — включая болотные и лесные почвы.

«На Земле появились все основные сорта почвы за исключением почвы пастбищ, — объясняет Реталлак. — Луга появились лишь 65 миллионов лет назад, после исчезновения динозавров».

История почвы была сформирована физическими факторами и живыми организмами, в процессе динамического образования цепочки взаимодействующих событий, на заре геологического времени, миллиарды лет назад. История почвы продолжает разворачиваться, как следствие наших действий в течение последних нескольких столетий.

До 1960 года цикл азота по всему миру был примерно сбалансирован. С тех пор использование азотных удобрений выросло на 800%. Слишком много питательных веществ может быть хуже, чем ничего, — избыток азота вымывается в реки и ручьи, где приводит к цветению водорослей, высвобождению закиси азота, опасного парникового газа и порождает опасность для здоровья человека.

Это изменение — крупнейшее в азотном цикле за 2,5 миллиарда лет, и оно может иметь серьезные последствия для наших продуктов питания и климата. (Подробнее об изменениях климата можно почитать здесь).

Нарушения ключевых питательных циклов в почве вызывают особенное беспокойство, поскольку почвенная система имеет тенденцию медленно реагировать на изменения — любой вред, который причиняют люди сегодня, возможно, придется исправлять десятками или сотнями лет.

Почва также может быть прямым источником парниковых газов. Улавливая органическую материю, почва является одним из крупнейших хранилищ углерода, мешающих ему стать углекислым газом в атмосфере. Но когда сжигают торфяники, углерод находит свой путь обратно в атмосферу.

Современные методы ведения сельского хозяйства также вредны для микоризы, они снижают способность наших культур получать жизненно важные питательные вещества и ухудшают структуру почвы в этом процессе.

В сущности, наше сельское хозяйство оборачивает вспять миллиарды лет эволюции почвы и делает нашу почву более уязвимой к эрозии. По сути, половина верхнего слоя почвы мира, самая активная и важная часть почвы, была утрачена за последние 150 лет.

Разрушенная почва удерживает меньше воды и питательных веществ, на ней сложнее выращивать урожай, земля становится уязвимой к наводнению и засухе. Осадкам из почвы тоже нужно куда-то деваться, поэтому эрозия почвы загрязняет наши реки и ручьи, убивая организмы, в них живущие.

И эта проблема лишь усугубляется. Интенсификация сельскохозяйственных процессов разрушает почвы по всему миру, и когда население планеты достигнет 9 миллиардов к 2050 году, безопасность будущего нашей пищи будет под большим вопросом.

Хорошие новости в том, что если мы начнем заботиться о почвах мира уже сегодня, то среди прочего сможем воспользоваться их способностью накапливать углерод, что поможет нам в борьбе с последствиями изменения климата.

Возможно, мы нечасто об этом задумываемся, но почва молча поддерживает наше существование. Защищая почву как важную часть мировой экосистемы сегодня, мы будем в полной уверенности, что она продолжит обеспечивать нас чистой водой, вкусной едой и гостеприимным климатом в далеком будущем.