Грунт: чарівна субстанція, без якої не було б життя на землі

Бруд. Жижа. Земля. У нас багато синонімів для цієї речовини, але, поклавши руку на серце, можна сказати, що ми практично про нього не замислюємося. Та й думати там нічого. Але без ґрунту життя, можливо, ніколи б не змогла процвітати далеко від води. Без грунту ми безумовно були б мертві. Грунт має вирішальне значення практично для кожного аспекту життя на землі, від зберігання та фільтрації води до регулювання клімату, запобігання повеней, кругообігу поживних речовин і розкладання. Бруд під ногами є винятковим джерелом біорізноманіття: за деякими оцінками, близько чверті всіх видів живуть в землі. І ми до цих пір не відкрили всіх її скарбів: у січні 2015 року вчені оголосили, що перший новий антибіотик за останні 30 років був виявлений в грунтових бактерій.

«Біорізноманіття грунту залишається в значній мірі непоміченим, але має вирішальне значення для здоров`я людей», - кажуть Тандр Фрейзер і Діана Уолл з Global Soil Biodiversity Initiative.

ООН назвала 2015 рік Роком грунтів, і 5 грудня був Всесвітнім днем грунту. Якщо коли-небудь і настане час віддати данину цій недооціненою субстанції, то цей час зараз. Звідки береться грунт і чому вона грає основне значення для життя на землі?

Метеорит Мерчисон: вуглецевий хондрит

Під час народження Сонячної системи, до того як утворилася наша планета, будівельні блоки грунту ховалися в чорнильною темряві космосу. Про це свідчать метеорити, відомі як вуглецеві хондрити, які з`явилися на світанку Сонячної системи і які багаті глинистими мінералами, з яких складалася найраніша грунт на нашій планеті.

Після утворення Землі, близько 4,6 мільярда років тому, ці багаті глиною первісні грунту виявилися розкидані по нашій молодій планеті. Але умови були жорсткими: часті і масивні падіння метеоритів плавили і подрібнювали великі обсяги цих перших покладів вельми скоро після їх формування.

«Існує дискусія про те, чи могла вся поверхня Землі бути розплавленою», - пояснює Грегорі Реталлак, експерт з древнім грунтів з Університету штату Орегон в Юджині, США. Він підтримує теорію про те, що ні більше половини Землі було розплавлене одночасно.

Приблизно 3,8 мільярда років тому умови на Землі почали стабілізуватися. Постійна метеоритне бомбардування, яка перетворила планету в пекло, до цього моменту пішла на спад, дозволивши конденсуватися рідкої воді з утворенням озер і морів. Це важливий момент в історії грунту. Рідка вода вивітрився тверді породи Землі, створивши мінеральні речовини і утворивши більше постійної грунту.

Перша життя на Землі з`явилося, ймовірно, трохи пізніше, приблизно 3,5 мільярда років назад про це говорять самі ранні свідчення, які ми знайшли в скам`янілостях, які утворилися на скелястих берегах і нагадують мікробні мати - строматоліти - які до сих пір знаходять на землі.

Майже з самого початку існування життя грунт початку підпадати під вплив - і також впливати - життя. Наприклад, ті перші мікробні мати складалися з фотосинтезуючих організмів, які виробляли величезні обсяги органічних речовин, використовуючи енергію сонця. Ця органічна матерія поступово вибудовувалася на берегової лінії, де змішувалася з мінералами, вивільненими з порід під дією ерозії, створюючи, можливо, першу справжню грунт.

Сучасні строматоліти в Австралії

Але це була не та грунт, до якої ми звикли. Та грунт насилу зберігала воду і поживні речовини, які могли підтримувати життя. Ємність грунту залежить від часу, які утворюються між грануламі- проста структура першої грунту означала, що та швидко осушують, в процесі чого вимивалися поживні речовини. Через це земля залишалася негостинної місцем існування, і життя було обмежена береговою лінією, де вода була більш доступною.

Жоден організм не мав пристосувань, які дозволяли б йому відійти від берега і повністю колонізувати неякісну землю. Ключем до колонізації земель стало співробітництво - якщо точніше, поява лишайників між 700 і 550 мільйонів років тому.

Лишайники дуже примітні організми. Їх тканини утворені мутуалістіческіе взаємозв`язками водоростей і грибів, а іноді також бактерій - ці організми представляють три різних царства життя. Лишайники є надзвичайно стійкими і прекрасно адаптуються, завдяки цьому унікальному симбіозу.

Водорості можуть фотосинтезировать, забезпечуючи лишайник енергією, а грибок збирає воду, рятуючи лишайник від зневоднення. Гриби мають довгі тонкі нитки, які чудово збирають воду з навколишнього середовища, а також можуть утилізувати воду під час дихання. Що важливіше, лишайники, що містять фотосинтезуючі бактерії - ціанобактерії - здатні витягувати з навколишнього середовища азот, який виділяється після їх смерті, готуючи грунт.

Працюючи разом, ці різноманітні організми об`єднували свої навички, щоб колонізувати похмурі мляві грунту, що покривали континенти півмільярда років тому. Навіть сьогодні лишайники є одними з найбільш легко адаптуються організмів на Землі.

Лишайники дуже стійкі організми

«Лишайники можуть колонізувати голі скелі, - говорить Пол Фальковський з Університету Рутгерса в Нью-Джерсі, США. - Вони також виробляють органічні кислоти, які підвищують вивітрювання гірських порід ».

Це означає, що лишайники не тільки просувалися до перших грунтів на Землі - вони також міняли їх. Прискорюючи вивітрювання гірських порід, лишайники випускали ще більше поживних речовин в грунт, роблячи її більш родючої, і прокладали шлях для інших форм життя. «Лишайники грали найважливіше значення в колонізації рослинами землі», - каже Фальковський.

Друга хвиля колонізації почалася 440 мільйонів років назад - дуже скоро перші наземні рослини почали змінювати ґрунт навколо себе. «Вони створили більш виражену структуру ґрунту, - пояснює Реталлак, - і сприяли виділенню поживних речовин, фосфору і калію в грунті. Цей процес удобрив як сушу, так і море ».

Ключем до удобрювати силі рослин були гриби в їх кореневій системі. Ці «мікоризи» з`явилися 500 мільйонів років тому, ще до того, як у рослин з`явилися коріння.

Подібно до грибів в лишайниках, микориза отримувала енергію, співпрацюючи з фотосинтезирующими рослинами. І, знову ж таки, як з лишайником, вигоду отримували обидві сторони: микориза нарощувала нитки, розширюючи охоплення рослини і роблячи його більш стабільним, дозволяючи йому висмоктувати азот та інші поживні речовини з грунту.

Нитки мікоризи також заривалися в породи, випускаючи поживні речовини, фосфор, кальцій і залізо, сприяючи зростанню обсягу грунту.

Грунт важлива для багатьох видів життя

Вчені вважають, що ці мутуалістіческіе відносини мали найважливіше значення для еволюції наземних рослин - і ця гіпотеза зміцнилася 15 років з відкриттям 460-миллионолетней викопної мікоризи.

«Ці взаємовигідні відносини допомогли рослинам колонізувати землі до того, як у них з`явилися коріння, і до освіти відомої нам сьогодні грунту, - пояснює Кеті Філд з Університету Лідса у Великобританії. - З часом рослини еволюціонували, щоб стати більш конструктивно складними, розробляли велику систему судин, листя і коріння ». Це принесло ще більше органічної речовини в грунт і допомогло стабілізувати її від ерозії.

Сьогодні мутуалістіческіе відносини на зразок таких формують основу глобального кругообігу поживних речовин, без яких ми б голодували. Більше 80% сучасних рослин утворюють зв`язку у вигляді мікоризи з нитчастими грибами, і вони грають важливу роль у вивільненні азоту в ґрунті.

Мікориза також утворює величезні мережі, які стабілізують структуру ґрунту і дозволяють рослинам повідомлятися - такий собі «інтернет Землі».

Коріння рослин - будинок для грибів

Поки рослини поступово колонізували землю і виводили величезні кількості органічної речовини в грунт, її здатність зберігати воду збільшувалася. Зберігання та фільтрація води навіть сьогодні - одна з найважливіших ролей грунту: ми залежимо від неї, отримуючи питну воду і зрошуючи свої угіддя. Здатність зберігати воду у грунту також важлива для зниження ризику повеней і надає важливий буфер проти посухи.

Вода в грунті має дві назви. Нижче певного рівня, де грунт насичена, вона називається грунтової водою-вище, де води менше, вона згадується як вологість ґрунту.

Грунтові води становлять 20% світових запасів прісної води, хоча в загальному вираженні це менше 1% всієї води на Землі. Це важливий резервуар для нашої питної води і іригаційних систем.

Є в еволюції сучасних грунтів остання глава. Десь між 490 і 430 мільйонів років тому тварини вперше вийшли з океанів і почали колонізувати все більш квітучу землю. Десь 420 мільйонів років тому процвітали наземні безхребетні - і грунт, як наслідок, змінювалася.

Ці перші мешканці землі були травоїдними, поглинали мати водоростей і лишайники, які панували на землі, і повертали поживні речовини в грунт. Вони також почали зариватися і колонізувати грунт, наповнюючи її мертвою органічною матерією і ретельно змішуючи її з глиною та іншими мінералами, вивітреними з каменів. Їх дії забезпечили грунт ще більш відмінною структурою і допомогли рослинам в подальшому розвитку далеко від води.

Різноманітність живих організмів у грунті швидко збільшувалася. З`явилися нові безхребетні, багатоніжки, ногохвостки, кліщі і перші предки павуків. Приблизно 360 мільйонів років тому ґрунт уже був здебільшого такий, як сьогодні, і вже тоді можна було знайти весь список сортів грунту під ногами - включаючи болотні та лісові грунти.

«На Землі з`явилися всі основні сорти грунту за винятком ґрунту пасовищ, - пояснює Реталлак. - Луга з`явилися лише 65 мільйонів років тому, після зникнення динозаврів ».

Історія грунту була сформована фізичними факторами і живими організмами, в процесі динамічного освіти ланцюжка взаємодіючих подій, на зорі геологічного часу, мільярди років тому. Історія грунту продовжує розгортатися, як наслідок наших дій протягом останніх декількох століть.

До 1960 року цикл азоту по всьому світу був приблизно збалансований. З тих пір використання азотних добрив зросла на 800%. Занадто багато поживних речовин може бути гірше, ніж нічого, - надлишок азоту вимивається в річки і струмки, де призводить до цвітіння водоростей, вивільненню закису азоту, небезпечного парникового газу і породжує небезпеку для здоров`я людини.

Ця зміна - найбільше в азотному циклі за 2,5 мільярда років, і воно може мати серйозні наслідки для наших продуктів харчування і клімату.

Порушення ключових поживних циклів в грунті викликають особливе занепокоєння, оскільки грунтова система має тенденцію повільно реагувати на зміни - будь-яку шкоду, який заподіюють люди сьогодні, можливо, доведеться виправляти десятками або сотнями років.

Грунт також може бути прямим джерелом парникових газів. Вловлюючи органічну матерію, грунт є одним з найбільших сховищ вуглецю, що заважають йому стати вуглекислим газом в атмосфері. Але коли спалюють торфовища, вуглець знаходить свій шлях назад в атмосферу.

Сучасні методи ведення сільського господарства також шкідливі для мікоризи, вони знижують здатність наших культур отримувати життєво важливі поживні речовини і погіршують структуру грунту в цьому процесі.

По суті, наше сільське господарство обертає назад мільярди років еволюції грунту і робить наш грунт більш вразливою до ерозії. По суті, половина верхнього шару грунту світу, найактивніша і важлива частина грунту, була втрачена за останні 150 років.

Зруйнована грунт утримує менше води і поживних речовин, на ній складніше вирощувати урожай, земля стає вразливою до повені і посухи. Опадам з грунту теж потрібно кудись діватися, тому ерозія грунту забруднює наші річки і струмки, вбиваючи організми, в них живуть.

І ця проблема лише поглиблюється. Інтенсифікація сільськогосподарських процесів руйнує грунту по всьому світу, і коли населення планети досягне 9 мільярдів до 2050 року, безпеку майбутнього нашої їжі буде під великим питанням.

Хороші новини в тому, що якщо ми почнемо дбати про грунти світу вже сьогодні, то серед іншого зможемо скористатися їх здатність накопичувати вуглець, що допоможе нам у боротьбі з наслідками зміни клімату.

Можливо, ми нечасто про це замислюємося, але грунт мовчки підтримує наше існування. Захищаючи грунт як важливу частину світової екосистеми сьогодні, ми будемо в повній впевненості, що вона продовжить забезпечувати нас чистою водою, смачною їжею і гостинним кліматом в далекому майбутньому.