Земля в тумане тайн

Лунный пейзаж на Земле. Темно-серую равнину представляла собой Земля в ранний период жизни. Жаркие лучи солнца да космический холод властвовали над ней. Метеориты различного размера от пылинок до планетозималей бомбардировали лик планеты, покрывая его оспинами, царапинами, бороздами. Количество метеоритов было гораздо большим, чем в наше время¹. Отсутствие атмосферы делало Землю особенно уязвимой для пришельцев из космоса.

¹ (Предполагается, что на Землю ежегодно падает до 500 больших и малых метеоритов)

Термические процессы в недрах планеты, начинавшиеся еще в догеологическое время, продолжались не менее интенсивно. Предполагают, что 5 - 4 млрд. лет назад за счет радиоактивного распада Земля получала в 5 - 6 раз больше тепла, чем теперь. Это хорошо видно из рис. 4: кривая, определяющая количество радиогенного тепла, довольно резко выполаживается на рубеже 2 млрд. лет и резко возрастает в интервале 3 - 5 млрд. лет. Помимо этого на Землю поступало и поступает ежегодно 5,7·10²⁴Дж лучистой энергии Солнца, что также способствовало развитию геологических процессов. Были и другие источники тепла: гравитационная энергия, различные фазовые переходы вещества. Советский геофизик Е. Н. Люстих указывает также, что за счет перестройки первоначально гомогенной планеты с образованием ядра и мантии должно было бы высвободиться около 1,5-··10³¹Дж энергии, соразмерной с радиогенной.

Рис. 4. Выделение суммарного радиогенного тепла в течение жизни Земли (по Е. А. Любимовой). Из рисунка следует, что активность термических процессов в недрах нашей планеты резко снизилась 2600 млн. лет назад, и в особенности 2000 млн. лет назад

Внутренний разогрев Земли проходил, очевидно, неравномерно. Первоначальная неоднородность распределения радиоактивного вещества приводила к тому, что возникали локальные очаги расплавления и происходило частичное плавление земного вещества при сохранении основной массы пород в консолидированном состоянии. Такой механизм дифференциации в общем-то холодного вещества планеты был предложен А. П. Виноградовым под названием зонной плавки. Ученый полагал, что при большой разности температур на границах зоны возникает механически неустойчивое состояние расплава и в нем начнется конвекция. Перегретое вещество нижних участков, поступая в верхнюю часть зоны, будет переносить тепло, которое нагреет и расплавит расположенное выше вещество. В то же время внизу очага расплав начнет остывать и кристаллизоваться. Таким образом, очаг расплавления сможет перемещаться, подобно огоньку сигареты. Наиболее легкоплавкие компоненты будут двигаться вверх быстрее тугоплавких скапливаться в одном месте.

Процесс зонной плавки смоделировали в лабораторных условиях. Для эксперимента был использован цилиндрик, изготовленный из каменного метеорита (хондрита). Перемещая вдоль него высокочастотную печь и проводя последовательное расплавление каждого участка, ученые добились перемещения легкоплавких и летучих компонентов от одного конца цилиндра к другому. В результате в начале цилиндрика скопилось вещество, отвечающее по составу ультраосновной породе типа дунита или перидотита, а на другом конце, к которому перемещалась область прогрева, сконцентрировалось вещество базальтового состава.

Зонная плавка, охватившая верхнюю часть мантия, привела к постепенному выплавлению базальтовых пород из мантийного материала и возгонке его к поверхности Земли. Возможно, что в современных условиях этот процесс протекает в пределах астеносферы.

Под действием плавки начал формироваться "базальтовый" слой земной коры. На поверхности планеты возникали первичные вулканоплутонические кольцевые структуры, заполненные базальтовой лавой. Рядом с ними соседствовали крупные и мелкие метеоритные кратеры. В то время ландшафты Земли чрезвычайно напоминали современную панораму Луны, а возможно, и Марса (рис. 5). Вероятно, аналогичные процессы имели место и на этих планетах. Так, 3,6 - 3,1 млрд. лет назад на Луне также происходило формирование областей, затопленных расплавленными базальтовыми лавами. Различают две генерации лунных базальтов: более древняя - 3,6 - 3,5 млрд. лет, представленная базальтами из Моря Спокойствия, и более молодая - 3,3 - 3,1 млрд. лет - базальты из Океана Бурь, Моря Дождей и Моря Изобилия ("Луна-16"). А самые древние породы Луны - анартозиты, слагающие лунные материки, имеют возраст 4,5 - 4,0 млрд. лет.

Рис. 5. Ландшафты Луны (а), Марса (б) и Земли (в). Снимок Луны, выполнении 'Аполлоном-11' в момент сближения, - диаметр большого кратера на заднем плане около 15 км. Поверхность Марса, зафиксированная июля 1969 г. автоматической станцией 'Маринер-6' при максимальном приближении к планете, диаметр большого кратера около 24 км. Кратер Табун-Хара-Обо в Монголии - диаметр кратер 1,3 км

В отличие от Земли энергетические ресурсы Луны и Марса сравнительно быстро иссякли. По мнению А. П. Виноградова, 3 - 3,5 млрд. лет назад значительная часть или почти весь уран был вынесен из недр Луны на ее периферию, что вызвало угасание на ней вулканической и магматической деятельности. С этого момента на Луне прекратилось излияние базальтов, а геологическая жизнь теплится теперь лишь в ее глубоких недрах, О том, что термическая эволюция Луны продолжается, свидетельствует довольно значительный тепловой поток, равный приблизительно половине земного. Предполагают даже, что на глубине температура Луны составляет около 1000°C.

Современные Луну и Марс можно рассматривать как аналоги древней Земли. Земля вместе с ними проходила одинаковый путь развития, однако ее эволюция пошла дальше. Луну можно рассматривать в качестве своеобразной модели Земли в самом начале ее геологической истории. Поэтому ранний период жизни Земли, по предложению академика А. П. Павлова, выделяют как лунную стадию развития.

Одновременно с выплавлением базальтового слоя будущей земной коры происходит и дегазация мантийного материала. Газообразные компоненты высвобождаются и скапливаются в околоземном пространстве, удерживаемые силой земного тяготения. Луна и Марс, обладающие меньшей силой притяжения, не могли удержать около себя продукты дегазации своих недр, которые частично (Марс) или практически полностью (Луна) диссипировались в космическом пространстве. Земля же начинает приобретать атмосферу.

Согласно данным Г. Юри, в эти ранние периоды существования нашей планеты атмосфера ее отличалась значительно меньшей плотностью и обладала восстановительным характером. Сравнение с планетами-гигантами (например, Юпитером, Сатурном) позволяет предполагать, что в первичном составе земной атмосферы преобладали метан, аммиак, в меньшей степени водород, пары воды, двуокись и окись углерода. Кислород же практически отсутствовал.

Конденсация паров воды приводила к образованию первых водных бассейнов на поверхности Земли. А. П. Виноградов доказывает, что при зонной плавке выделилось 1,6·10²⁴т воды, т. е. почти столько, сколько содержится ее в современных океанах и морях. Поэтому неудивительно, что уже в конце лунной стадии мог существовать океан, который почти сплошной пеленой покрывал планету. Другие ученые считают, что этот океан по объему значительно уступал современному. Как предполагает Г. Юри, в нем было лишь 10% воды объема существующих морей и океанов. Глубина первичного океана могла достигать 1,5 - 2 км. Кое-где над его уровнем возвышались участки суши в виде вулканических островов или архипелагов.

Овальные вздутия в теле планеты. Очутившись на нашей планете примерно 4 - 3,5 млрд. лет назад, мы застали бы качественно новую стадию ее развития.

На Земле все еще отсутствовали геосинклинали и платформы. Однако возник горный рельеф вулканического происхождения, появились атмосфера и гидросфера, которые разрушили (эродировали) неровности рельефа, а следовательно и обломки пород, и различные соли, растворяющиеся в воде первых океанов. Учитывая, что плотность древней атмосферы Земли была сравнительно мала, можно предположить, что вулканические горы разрушались медленнее, чем сейчас, и могли быть значительно выше современных. Используя еще раз метод аналогии, посмотрим, какова высота горных вершин на Марсе, близкой по своим размерам к Земле планете? Судя по космическим снимкам, вулканические горы там в два-три раза превосходя высочайшую вершину Земли - Джомолунгму (8848 м): высота вулкана Никс Олимпик, например, более 14 км, его основание в поперечнике 50 км, а диаметр кратера 65 км. Известны вулканы на Марсе высотой до 20 км. Конечно, полную аналогию проводить не следует, но все же какое-то впечатление о древнейшем рельефе нашей планеты можно получить.

Процессы эрозии и образование обломков неизбежно повлекли за собой осаждение продуктов разрушения. По-видимому, эрозии подвергались в основном первичные вулканические образования, о чем свидетельствует состав самых древних пород, дошедших до нас. Первичная базальтовая кора испытывала главным образом вертикальные движения. Понижения в рельефе суши и океанического дна заполнялись продуктами разрушения. За многие десятки миллионов лет рыхлые осадочные образования скапливались в огромных количествах, что приводило к их уплотнению и преобразованию в глубокометаморфические породы - гнейсы.

Древнейшие гнейсовые комплексы, прорванные гранитными интрузиями, образовывали своеобразные куполовидные структуры - овальные вздутия в теле Земли, имеющие в поперечнике от нескольких километров десятков, а иногда и сотен километров. Эти купола не имели отчетливой линейной ориентировки в плане, располагались хаотично. Наиболее характерные структуры такого типа в древних комплексах известны в Северной Америке в районе оз. Верхнего. Здесь вулканогенные зеленокаменные породы и граниты (мощностью до 12 км) образуют так называемую серию Киватин, изотопный возраст которой от 2,6 до 3,3 млрд. лет. Такого же типа купола известны на Кольском полуострове, в Карелии, Сибири, Африке. Их называют овондами, нуклеарными ядрами или просто нуклеоидами ("нуклеос" - ядро).

Учитывая специфические геологические условия развития Земли в период накопления овоидов, Е. В. Павловский в 1962 г. предложил называть эту стадию нуклеарной.

Дальнейшее образование гранито-гнейсовых куполов приводит к их слиянию. На базальтовом слое Земли формируется новый, гранитный слой. Считается весьма вероятным, что в то время происходил общепланетарный процесс нарастания гранитного слоя - пангранитизация Земли. Практически весь земной шар был одет корой континентального облика. По образному замечанию академика А. Н. Заварицкого, Земля покрылась "гранитным румянцем". Мощность коры была более равномерной, чем в наше время, и составляла 30 - 40 км (по мнению некоторых ученых, мощность первичной коры не превышала 5 - 10 км).

Итак, приблизительно 3,5 млрд. лет назад заканчивается формирование первичной континентальной земной коры. В дальнейшем она испытывает неоднократную переработку. Последующие геологические процессы разрушают, видоизменяют ее. Обнаружение остатков первичной коры в сравнительно неизмененном виде - довольно редкое явление. Все же геологи находят такие участки и имеют возможность исследовать химический состав, физические свойства, возраст этих древнейших пород на Земле, которые донесли до нас очень ценную геологическую информацию сквозь миллиарды лет. С образованием первичной коры завершается ранний этап геологической эволюции планеты.

"Первичный бульон" в древних океанах. Характерной чертой ландшафта древней Земли была безжизненность суши и океанов. Ни шуршание листвы или травы, ни всплеск рыбы или крик птицы не нарушали тишины. Только шум ветра и ударов волн о берег да гул извержений вулканов, в которые вплетались также частая дробь дождя и раскаты грома, были первыми звуками безмолвной планеты. Однако уже в тот "мертвый сезон" органическая жизнь исподволь готовилась к завоеванию воды и суши.

Предполагают, что самым древним организмам, найденным в горных породах, было 3,5 - 3,2 млрд. лет. По данным немецкого ученого М. Шидловски, следы органического вещества содержатся в породах с возрастом в 3,8 млрд. лет. Появлению первых организмов предшествовал длительный "подготовительный" период; Согласно представлениям академика А. И. Опарина, эволюция жизни на Земле состоит из двух стадий: химической и биологической.

Химическая эволюция вещества во временном отношении соответствует лунной и нуклеарной стадиям развития Земли. В первичных древних океанах наряду с водным раствором неорганических солей содержались и разнообразные органические соединения, способные вступать во взаимодействие между собой.

Возникновение первичных органических соединений из неорганических могло произойти под действием электрических разрядов и ультрафиолетовых лучей. Экспериментальные данные подтверждают возможность синтезирования органических соединений из газовой смеси метана, аммиака, водорода и паров воды под действием тихих электрических разрядов.

Один из опытов подобного рода ставился следующим образом. В сосуд, снабженный двумя молибденовыми электродами, наливали аммиачную воду в объеме, равном одной пятой жидкости сосуда, остальное пространство заполнялось смесью водорода и метана при температуре +25°C и давлении 0,1 МПа. Между электродами пропускали импульсные электрические разряды. Через сутки в газовой смеси метан отсутствовал, а в сосуде было обнаружено более 25 различных аминокислот. Среди них были и те, из которых построены молекулы природных белков. Опытным же путем были получены аминокислоты из примитивных углеродистых соединений с помощью коротковолновых ультрафиолетовых лучей, способных глубоко проникать в атмосферу Земли.

Таким образом, для возникновения аминокислот - важнейших органических соединений, являющихся основой для построения клетки, необходимо наличие примитивных углеродистых соединений и коротковолновых ультрафиолетовых лучей. В ранние периоды развития Земли такие условия уже имелись. Это подтверждают два факта: наличие органических соединений в метеоритах, лунном грунте, в атмосфере некоторых планет и отсутствие "озонового щита" у Земли в далеком прошлом, что давало возможность коротковолновому ультрафиолетовому излучению беспрепятственно проникать до поверхности планеты.

Исследования последних лет обнаружили во внеземном пространстве разнообразный мир органических соединений: углеводородов, спиртов, альдегидов, эфиров, даже аминокислот, нуклеотидов и других ароматических соединений с содержанием до 18 атомов углерода в молекуле. В начале 80-х годов английский астрофизик ф. Хойл и индийский астрофизик Ч. Викрамасингх даже высказали предположение о том, что основным компонентом межзвездной космической пыли должна быть целлюлоза, спектр которой почти идеально совпадает со спектром пылевых облаков. Подобную же спектрографическую характеристику имеют соединения, составляющие стенки бактериальных клеток. Некоторые ученые видят в этом подтверждение идеи "панспермии", которая была распространена в XIX в. Согласно этой концепции, зародыши жизни вечны и едины. Они содержатся в космосе: в облаках планетозималей, в пыли, в газах. Попадая в благоприятные условия, например на Землю, первые микроорганизмы развиваются, используя углерод, водород и другие химические соединения абиогенного происхождения.

Погоня за следами органической жизни в космическом пространстве приводит иногда и к курьезным случаям. Так, несколько лет назад широко дискутировалось открытие организованных элементов, напоминающих по форме наземные микроскопические водоросли и бактерии, в каменных метеоритах. Пришлось создать специальную комиссию для выяснения этого вопроса. Было установлено, что метеоритное вещество было "заражено" земными микроорганизмами в результате соприкосновения его с веществом Земли.

Точные лабораторные исследования лунного грунта (реголита) обнаружили присутствие в нем водорода, гелия, метана, аммиака и более сложных органических соединений. Аналогичные соединения были найдены в веществе некоторых каменных и углистых метеоритов, обнаруженных в атмосфере Юпитера и Сатурна, в головах комет. И вот что интересно. Все эти внеземные органические соединения имеют симметричное строение, и их молекулы оптически неактивны (т. е. не отклоняют плоскость поляризованного светового луча), тогда как биогенные органические соединения того же состава имеют несимметричное строение и оптически активны.

С течением времени органические соединения абиогенного происхождения все более и более насыщали древний океан, формируя, по образному выражению А. И. Опарина, "первичный бульон". Из хаоса взаимоперекрещивающихся реакций водного раствора образуются многомолекулярные комплексные системы, которые в свою очередь оформляются в так называемые коацерватные капли. Возможность образования таких коацерватов опять-таки подтверждена лабораторными исследованиями.

Коацерваты представляли собой своеобразные молекулярные рои или кучи, которые, достигнув определенной величины, выделяются из общего раствора в форме резко очерченных капель, обладающих внешней и внутренней структурой. Выделившись из "первичного бульона", коацерваты сохраняют способность взаимодействовать с внешней средой. Вещество, окружающее каплю, не только поглощается ею, но и претерпевает в ней различные химические преобразования.

Экспериментальным путем было показано, что если в коацерваты, состоящие из полиглюкозы и гистона, включить соответствующий катализатор, а в окружающей среде растворить фосфопроизводные глюкозы, то в капле начнет образовываться крахмал и она растет. При дополнительных включениях в капле другого катализатора из нее выделяется мальтоза, которой ранее в среде не было.

Таким образом, коацерватные капли постепенно превращались в системы, способные не только к самосохранению, но и к росту, и к увеличению своей массы за счет вещества окружающей внешней среды. Такие системы, активно взаимодействующие с внешней средой, обладающие динамической устойчивостью и способные не только сохраняться, но и расти в условиях "первичного бульона", А. И. Опарин предлагает называть протобионтами. Протобионты были гораздо более сложными организациями, чем коацерваты, но на много порядков ниже, чем самые примитивные живые существа.

Дальнейшая химическая эволюция в океанах привела к усложнению структуры протобионтов и к возникновению предбиологических многомолекулярных систем, те в свою очередь эволюционизировали в ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). ДНК построена из отдельных элементов, называемых нуклеотидами. Каждый из них состоит из сахаро-фосфатных групп и одного из четырех азотистых оснований (аденина, тимина, гуанина и цитозина). ДНК обладала важными свойствами - метаболической инертностью, т. е. определенным консерватизмом живой системы. Вначале, в "первичном бульоне", был возможен только беспорядочный синтез нуклеотидов. С появлением ДНК произошло закрепление внутримолекулярной структуры во вновь синтезировавшихся нуклеотидах, что обусловило определенную наследственность.

ДНК все более и более приспосабливается к решению задачи точного самовоспроизведения и передачи наследственной информации. Она послужила основным материалом для формирования клеток, в частности клеточного ядра. Самые низкоорганизованные представители живых существ (бактерии, синезеленые водоросли) характеризуются отсутствием истинного ядра в клетке. Ядерное вещество представляет собой сферические или скрученные образования, состоящие из ДНК и обладающие характерными для ядра химическими свойствами. У этих организмов ДНК располагается в клетке свободно, не отделяясь от цитоплазмы ядерной мембраной. Подобные организмы получили название прокариоты, т. е. доядерные. При делении таких примитивных клеток, вероятно, происходит простой распад ядерного вещества на два дочерних фрагмента. Более высокоорганизованные организмы и одноклеточные, и многоклеточные имеют настоящее ядро, окруженное мембраной и резко ограниченное от цитоплазмы. Их называют эукариотами, т. е. ядерными.

Появление клетки дает начало принципиально новому этапу в развитии жизни - биологической эволюции. Возникновение клетки потребовало огромного промежутка времени, смены бесчисленного множества поколений доклеточных существ.

Концепция А. И. Опарина о происхождении жизни на Земле является сегодня наиболее аргументированной, но не единственной. Наряду с возрождаемой идеей панспермии высказываются мысли о возможности попадания на нашу планету из космоса сложных органических соединений, послуживших основой для формирования живой клетки. Так, с новой гипотезой о происхождении жизни на Земле выступила на 27-м Международном геологическом конгрессе Москва, 1984 г.) группа нидерландских ученых. Опытным путем в гелиевом криостате обеспечивающем космический холод и вакуум, учеными были получены сложные органические молекулы (карбоксильные группы кислот, аминогруппы, мочевина и др.). Предполагается, что подобные соединения могли попасть на нашу планету в самом начале ее развития (около 3,8 млрд. лет назад) при прохождении через пылевые космические облака. Расчеты показывают, что за время прохождения Землей типичного пылевого облака (за 0,1 - 1 млн. лет) на ее поверхность может осесть 10⁸-10¹⁰т органического вещества, что превосходит современную биомассу Земли. Микроскопические пылинки, покрытые слоем органических молекул, опустившись на поверхность Земли, доставили таким образом строительные блоки будущих организмов.