Сферы жизни. Часть вторая

II.  АРЕНА ЖИЗНИ И ШКАЛА ВРЕМЕН.





II. 1.  СЦЕНАРИЙ ВОЗМОЖНОГО.

Свет звезды позволяет рассчитать разделяющие нас расстояния, а анализ его интенсивности и спектрального класса позволяет судить о ее размерах, веществе и гравитационной массе (наблюдения "двойных систем"). Скудость сведений побудила провести сопоставление светимости и спектрального класса звезд….и почти все светила, кроме белых карликов и красных гигантов, распределились на диаграммах в один ряд - в Главную последовательность Герцшпрунга - Рассела. Остывая, они сходят с последовательности, демонстрируя общий ход эволюции звездного мира (рис. 1).

 

Рис. 1. Диаграмма Герцшпрунга - Рассела: точка 1 - величина и светимость Солнца.

В соответствии с принципом актуализма Ч.Лайеля (причины современных событий были действенны и в далеком прошлом) полагают, что запасы термоядерного топлива, обеспечивающие светимость звезд, выгорают и, подчиняясь силам гравитации, тем большим, чем массивнее звездный объект, они сжимаются до предела. Этот предел определяется исходной массой и приводит те звезды, которые намного тяжелее Солнца, в состояние гравитационного коллапса - ничто не выходит за пределы сколлапсированных черных дыр, где время тормозит свой бег, а пространство, сжатое до минимума, уходит за гравитационный радиус  и "горизонт событий".
Подчиняясь законам Космоса, в стремительных вихрях, истекающих из его недр, формировались галактики, звезды и, однажды в их хороводе заблистало юное Солнце. Прошло время - и в его лучах закружились молодые планеты. Одна из них стала Землею.
Масса нашего Солнца сравнительно невелика. Через многие миллиарды лет, по мере выгорания топлива, Солнце сколлапсирует до белого карлика или нейтронной звезды, но до этого времени можно было бы наблюдать разбухающий красный шар, все менее и менее теплый. В яркой вспышке Сверхновой наше Солнце сбросит свою легкую оболочку и угаснет как холодное звездное тело. Таков конец.
Вначале же Земля "была безвидна и пуста, и тьма над бездною…" (Быт. 1: 2). Сопоставляя строфы Священного Писания с современными физическими представлениями о возможном чередования эр развития Вселенной, различающихся интервалами плотностей и температур, о. Глеб Каледа  писал, что при громадных энергиях, процессах аннигиляции и рождения частиц, материю в адронную эру можно характеризовать как некую адронную плазму, представляющую бесформенную и довольно однородную смесь частиц, античастиц и излучения. Именно в это время возникают протоны и нейтроны, из которых строятся ядра элементов вещества. И в словах "…Дух Божий носился над водою" (Быт. 1: 2) как бы подчеркивается уже готовая возможность творить дальше из бесформенного, первозданного и оставшегося после аннигиляции вещества.
"И сказал Бог: Да будет Свет. И стал Свет" (Быт. 1: 3). Это первое повеление Бога, первое Слово, произнесенное в гулкой тишине, вторгается в элементы, вызывая оформление бытия; светоносная сила, излучаемая Логосом, взрывает и оплодотворяет тьму, как Свет Разума. За счет аннигиляции и распада адронов во Вселенной образуются фотоны и лептоны. В плотной лептонно-фотонной Вселенной адроны встречаются редко и все основные события теперь происходят с лептонами. В лептонную эру вещество продолжает излучаться - аннигилируют электроны и позитроны. По расчетам она завершилась в 10 секунд и плотность излучения становилась равной плотности вещества; затем - превосходит ее и, задолго до возникновения звезд и Солнца, наступает эра излучения. Затем, по мере расширения Вселенной и разбегания галактик с возрастающей скоростью, плотность излучения сокращается быстрее - вещество становится основой материи - ядра водорода и гелия образуют вместе с электронами высокотемпературную плазму, приходящую в тепловое равновесие с фотонами. При образовании атомов, излучение уже не взаимодействует с ними, не поглощается и не излучается, и среда становится прозрачной…. На этом завершается дозвездный период развития Вселенной, чреватой ожиданием Человека.
"…И отделил Бог Свет от тьмы" (Быт. 1: 4). Тьма эта - тварна; она иная, чем то изначальное "ничто" за гранью в вечность. Она есть "ночь" ("…и назвал Бог… тьму ночью"), наступающая в последней фазе первого дня творения, как плодоносная и добрая реальность земли, дающая рост зерну и плевелам, как плодоносная реальность утробной жизни, как тайна и земли, и чрева (Лосский, 1991). Последняя, звездная эра развития Вселенной спрягается с образованием плотных сгустков вещества, дающего начала галактикам и звездам, и планетам. Она началась, когда всему было только 1 миллион лет и продолжается сегодня. С момента образования атомов нейтрального газа в действие вступило тяготение, уплотняя и формируя неоднородные сгустки материи (Каледа, 1996, 1997).
Согласно господствующим представлениям Земля возникла из распыленного околосолнечного вещества посредством гравитационной конденсации и претерпела постепенное разогревание за счет уплотнения своего тела и распада радиоактивных элементов. Далее, в результате "зонной плавки" из мантии выделилась относительно легкая земная кора, а при дегазации ее пород - гидросфера и атмосфера. Основная масса вещества планеты (5,98 ; 1024 кг) сконденсировалась на самых ранних стадиях ее образования, примерно 4,6 ;109 лет тому назад на расстоянии 1,5 ; 1011 м от Солнца.
Из поступающего на Землю вещества лишь доли процента приходится на метеориты - все остальное составляет пыль, миллионы тонн которой взвешены в атмосфере. В гидросферу и на земную твердь за сутки оседают десятки и сотни тонн - за миллиарды лет все это составило слой толщиной в несколько десятков сантиметров.
  Современная модель Земли, в гравитационном поле которой выделяются сменяющие друг друга геосферы, начиная с твердого, разогретого до 10 0000 С ядра, и кончая верхними пределами атмосферы, представлена на схеме (рис. 2). Кроме того, наша планета окружена внутренним и наружным радиационными поясами с энергией частиц в сотни мегаэлектронвольт и собственным геомагнитным полем - магнитосферой. Ее силовые линии, выходя из приполярных областей, отклоняются солнечным ветром в ночную сторону, образуя шлейф в 5 ;106 километров.

 
Рис. 2. Геологические оболочки и геосферы Земли (верхняя и нижняя части схемы не показаны, по Вернадскому из Соколова, 1982).

Постоянное геомагнитное поле, испытывая вековые вариации и дрейф аномалий к западу, защищает Биосферу и от солнечного ветра, и от космических лучей. Между тем, изучение остаточной намагниченности изверженных горных пород свидетельствует, что магнитные полюсы ранее имели противоположную ориентацию; последняя инверсия полюсов произошла 700 000 лет назад. При этом геомагнитный экран раскрывался, обнажая Биосферу (Круть, 1978). Нам неизвестны все последствия событий докембрийского времени, но следы былых катастроф, источником которых были Космос и земные недра, сохранились.
Очевидно, что Биосфера подвержена влиянием извне и формировалась во взаимодействиях со своей собственной средой - с относительно тонкими покровами планеты, облекающими ее раскаленное чрево, и с Космосом, пронизанным электромагнитными волнами, гравитационными полями и потоками быстрых частиц - космическими лучами. Разумеется, все эти влияния и воздействия физической природы варьировали на последовательных стадиях развития Биосферы и, подчиняясь собственным законам, не оставались неизменными в масштабах эволюции Земли и Жизни.
В межзвездном пространстве нашей галактики имеются водород, гелий, простые радикалы (CH, CO, CN) и относительно сложные органические соединения (метанол, этанол, муравьиная кислота) с плотностью 10-21 кг/м3 (1 атом на 1-2 см3). При взрывах Сверхновых звезд облака межзвездного газа пополняются более тяжелыми элементами, но солнечный ветер выметает их за пределы межпланетной среды. Представляя собой сверхзвуковые потоки ионизированных газов, этот плазменный ветер испаряющейся короны Солнца, образован сотнями миллионов частиц (в основном протонов и электронов) на 1см2/c. На уровне  Земли проносятся в среднем по 5 пар протонов и электронов в 1см3, но порывы этого ветра достигают 2000 км/c (по 100 ионов в 1см3). При мощных солнечных вспышках они, приобретая релятивистские (субсветовые) скорости, образуют солнечную компоненту космического излучения.
Космическое излучение - потоки быстрых заряженных частиц, разгоняемых до 100 000 км/c с энергией в 109 эВ. Крайне редко встречаются частицы в 1019 - 1020 эВ. Вероятно, они образуются при взрыве Сверхновых, или истекают от квазаров у пределов наблюдаемого Космоса. С гигантскими скоростями все они блуждают во Вселенной и теряют энергию в столкновениях с атомами разряженного межзвездного газа. Поверхности Земли достигает их  малая часть, а о прорывах солнечного ветра в атмосферу свидетельствуют полярные сияния - зеленые и красные от свечения атомов кислорода, и фиолетовые - от азота. Наряду с ними в межзвездном и в межпланетном пространстве встречаются астероиды разных размеров. Самые мелкие и многочисленные соударяются с поверхностью в 1 м2 не чаще, чем в несколько десятков лет. Некоторые врываются в атмосферу, сгорают или падают метеоритами, самый крупный из которых (массой в 60 т) был найден в 1929 г в Африке. Предполагаемая масса Тунгусского метеорита (или ядра кометы) достигала 1 миллиона тонн, а Юкатанского - нескольких миллиардов. Последний, вероятно, ответственен за иридиевую аномалию и вымирание динозавров.
Ежегодно наша планета проходит сквозь каменно-пылевое облако Оорта с плотностью на 2 - 4 порядка превышающей газово-пылевые облака, но это обычно не замечается нами. Однажды, 30 ноября 1954 г., метеорит, пробив крышу дома и потолок, ранил человека. Планета надежно защищена и от космических лучей, и от солнечного ветра, и сравнительно крупных метеоритов, сгорающих в ее кислородной атмосфере. У лишенной атмосферы Луны, вся поверхность испещрена их следами и спеклась в реголит. Между тем Биосфера открыта для электромагнитных волн определенных диапазонов и, в первую очередь, для видимого света и невидимых радиоволн (рис. 3).

 
Рис. 3. Проницаемость атмосферы: 1 - интенсивность внеатмосферной радиации; 2 - интенсивность на высоте 4500 м; 3 - интенсивность на уровне моря.

Ритмичные изменения интенсивности солнечного излучения обычно не выходят за пределы регуляторных возможностей системы планеты и Биосферы, но провоцируют развитие процессов, направленных на поддержание гомеостаза. В январе поток радиации на 7% больше, чем в июле, поскольку в это время Земля на 5 ; 106 км ближе к Солнцу. Более мощный световой поток содействует испарению влаги и повышению альбедо (белизны) планеты. Несколько смягчая северную зиму, это коррелирует с другими сезонными изменениями климата и почти не ощущается нами. Кроме того, выделяются ритмы, связанные с собственным вращением Солнца с периодом в 27 суток, лунные ритмы (29,5 суток), четкие 11-летние циклы развития солнечных пятен, менее четкие 35-летние, прослеживаемые в колебаниях уровня Каспийского моря, 80 - 90-летние и "солнечный кризис" с периодом в 200 ; 106 лет. Этот кризис, свидетельствующий о временном затухании термоядерных реакций в связи с автоколебательным перемешиванием солнечного вещества, объясняет ничтожность регистрируемого в наше время нейтринного излучения. Предполагаемая в связи с этим длительность холодных эпох в 10 миллионов лет, вероятно, коррелирует со сроками оледенений и, если такого рода связь действительно существует, мы должны признать современность сравнительно кратким межледниковым периодом ледникового времени.
С периодичностью солнечных кризисов согласуются сроки обращения нашей Галактики вокруг малой оси симметрии образуемой ею спирали. Увлекаемая этим вращением со скоростью 220 - 250 км/с, Солнечная система уже совершила десятки оборотов длительностью до 250 ; 106 лет. Примечательно, что за все время существования Биосферы, происходящие события не приобретали масштабов глобальной катастрофы, стирающей Жизнь с лица Земли.
На фоне мощных сил тяготения Земли, управляющих всеми процессами в Биосфере, проявления гравитационных взаимодействий с Космосом почти неприметны. Наиболее явными эффектами такого рода являются приливы вод, достигающие у берегов Канады 18 метров. Менее заметны "приливы" земной тверди, ограниченные десятками сантиметров, и, предсказанные еще Ламарком, приливы воздушных масс, измеряемые километрами. Кроме того, под воздействием тяготения Луны и Солнца ось вращения Земли, как ось волчка, описывает конус с углом в 23,30; при этом полюс мира движется вокруг полюса эклиптики по малому кругу, совершая один оборот за 26 000 лет. В результате этой прецессии полюс мира 4600 лет назад был вблизи ;-Дракона; сейчас он вблизи Полярной звезды; через 2000 лет "полярной" станет ;-Цефея, а еще через 12 000 лет - яркая Вега (;-Лиры).
На прецессию, в ходе которой Северный полюс ежегодно смещается к Северной Америке на 11 см, накладываются ограниченные колебания оси вращения Земли с периодом в 18, 6 года (так называемая нутация) и регистрируемые Службой движения полюсов их смещения по сложной кривой на 0,3 - 0,41'' с периодом 14 месяцев (рис. 4).
 
Рис. 4. Прецессия и нутация гироскопа (а), движение магнитного полюса Земли за 6 лет (б) и вековое движение полюса за 75 лет (в).

Замедление осевого вращения Земли, вызванное лунно-солнечным приливным торможением, проявляется в неуклонном сокращение числа дней в году и нарастанием длительности средних солнечных суток на 0,001 - 0,002 с за 100 лет, или на 3 - 6 часов за миллиард. Примечательно, что этим расчетным данным соответствуют кольца роста ископаемых кораллов, отмеряющих 420 дней в докембрийском году. В еще большей мере гравитационные влияния относительно массивной Земли проявляются на ее спутнике, имеющем стабильный период вращения в 17,3 суток. Полагают, что когда-то Луна вращалась быстрее, но гравитация Земли стабилизировала ее в современном положении, всегда одной стороной к нам. Нашу планету ожидает та же участь; период ее вращения сократится, и одна из ее сторон навсегда обратиться к Солнцу, другая - останется навсегда затененной.
Общая теория относительности, установившая искривление гравитационного поля, требует заметных проявлений релятивистских эффектов в движении больших планет. Предсказанные этой теорией вращения земной орбиты на 0,04' в год составят свыше 300 оборотов за миллиард лет. Постулируемая неевклидовость космического пространства, влечет нетождественность его правых и левых свойств, вероятно связанную с асимметрией Большого взрыва и ускоряющегося разбегания галактик. Альтернативным объяснением этих эффектов могло бы стать изменение скорости света и хода времени. Возможно, что открытые Л.Пастером различия (изомерия) правых и левых форм в живой природе индуцируются преобладанием правого света. Заметим, что живые существа способны ассимилировать только правовращающие изомеры молекул сахара и только левовращающие аминокислот.
Мы можем пренебречь тепловым излучением подземных недр. Его мощность на поверхности земли не превосходи 67 ; 10-7 Вт (40,2 ; 10-5 Дж/ см2 ; мин), хотя температура увеличивается на 200С с каждым километром в глубину. Почти вся энергия, поступающая на Землю, исходит от Солнца в виде спектра электромагнитных волн от ;-лучей до радиоволн. Световое давление оценивается в десятки тысяч тонн, что в 1013 раз меньше гравитационного.
Солнечное излучение в реакциях термоядерного синтеза при температуре 15 ; 106 градусов имеет мощность 3,8 ; 1020 МВт. Рассеиваясь в мировом пространстве и достигая через 8,5 минут границ стратосферы, оно сокращается здесь в 500 ; 106 раз, до 0,136 Вт [ 8,15 Дж/(см2 ; мин) - "солнечная постоянная"] и, проникая далее, отражается атмосферой и облаками, поглощается взвешенной в воздухе пылью, водяными парами и другими газами. Поверхности земли достигает лишь 50% излучения, дошедшего до стратосферы, и здесь еще 10% отражается ею. Остальное расходуется как тепло в процессах транспирации и испарения (20%), переизлучается, и лишь 1 - 3 % используется для фотосинтеза. В целом, энергетический баланс нашей планеты относительно постоянен, и она теряет почти столько же энергии, сколько получает от Солнца.




II. 2. ПЛАНЕТАРНО - БИОСФЕРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.



II. 2. 1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Если допустить, что количества энергии, приходящей на Землю и излучаемой ею в мировое пространство, равны; если пренебречь утечкой газов из ионосферы, вызывающей слабое свечение ночного неба, и приростом ее массы за счет оседания космической пыли и метеоритов, то мы будем иметь перед собой замкнутую термодинамическую систему, находящуюся в равновесии со своей средой.
Однако, вряд ли приведенные допущения столь же основательны для Биосферы. Разумеется и утечка газов, и прирост массы за счет метеоритной пыли, едва ли имеют сколько-нибудь заметное значение для Биосферы, как впрочем, и для планеты в целом. Противопоставляя эти две системы, мы подчеркиваем их единство, коль скоро биогенные процессы уже имеют масштабы глобальных, геологических явлений. При этом взаимодействия Биосферы с материнскими породами у ее границ, из которых она черпает необходимые для биогенного круговорота вещества, заслуживают самого пристального внимания. Биосфера представляет собой термодинамически открытую систему, погруженную в термодинамически замкнутую систему планеты.
Относительная замкнутость систем проявляется в относительной устойчивости режимов их существования. В ответ на внешние возмущения в них, в соответствии с принципом Ле Шателье, развиваются процессы, направленные на поддержание равновесия. Основанные на обратимости реакций, все эти процессы требуют энергии, которой замкнутая система обменивается с внешним миром. В противном случае они преобразовалась бы в термодинамически изолированную систему, в которой все процессы ведут к неуклонному нарастанию энтропии, и она достигает стабильности, лишь прекратив свою существование. Напротив, термодинамически открытая система в стационарном состоянии обменивается со средой и энергией, и веществом; ее переход в новое стационарное состояние всегда связывается с сокращением потребления энергии в результате ослабления "термодинамической силы". Этим термином обозначают фактор интенсивности какого-либо рабочего процесса системы в теореме Пригожина - теореме "бытия и становления" открытых систем. В какой-то мере она аналогична принципу Ле Шателье: сродство системы всегда меняется таким образом, что скорость возникновения в ней энтропии сокращается.
Взаимоотношения открытой системы Биосферы с замкнутой системой планеты вполне определенны: изменение состояния последней, вызывая ускорение роста энтропии в первой, сопровождается уменьшением термодинамической силы и тормозит в ней нарастание энтропии, и наоборот - при торможении роста энтропии в Биосфере возрастает энтропия в системе  планеты. Открытая система Биосферы всегда стремится к сохранению своего неравновесного состояния или к возвращению в прежнее состояние при небольших изменениях параметров стационарной замкнутой системы планеты и, кроме того, обладает тенденцией эволюировать в направлении торможения возрастания энтропии. Не это ли имел в виду чуткий к таинствам Жизни К.М. Бэр, обсуждая в 1822 году проблемы ее развития на Земле: "…Итак, история жизни на Земле показывает растущее господство жизни над массой. Оно достигает вершины в свободной воле человека, которым, по-видимому, завершается Творение…
Таким образом, мы видим постепенное совершенствование в самом живом организме. Изменения поверхности земного шара имеют целью только сделать это совершенствование возможным. Внутренняя часть Земли покрывается твердой и водной оболочками. Скалы выветриваются и создают почву для микроскопических лишайников. Из тел этих лишайников вырастают все новые и новые, и подготавливают почву для более совершенных растительных организмов. Не в меньшей мере и в воде образуются микроскопические существа, гибель которых все более и более умножает вещество для новых организмов. Смерть всегда лишь на короткое время передает безжизненной Земле на хранение росток, который несет новую жизнь. Само же тело Земли постоянно убывает, превращаясь в живые организмы. История Земли показывает на растущее господство жизни над массой. История Земли есть история Жизни" .
Проведенное обсуждение известных нам свойств среды, в которой возникла и существует Биосфера, ведет к мнению об относительной устойчивости ее режимов в привычных нам масштабах времени. Благодаря относительной замкнутости и выраженным регуляторным реакциям планеты, которые в значительной мере являются следствиями развития на ней Жизни, события, происходящие в Космосе, не стерли Жизнь с ее лица, не привели к глобальной катастрофе. Не располагая гарантиями на будущее, мы уверены в надежности системы, по крайней мере к тем воздействиям, масштабы которых сопоставимы с уже испытанными ею. Более того, многие закономерно повторяющиеся влияния космической среды стали привычными, необходимыми для современной Биосферы, черпающей энергию солнечного излучения и регулирующей свои собственные ритмы по астрономически точным ориентирам.




II. 2. 2. ГЛОБАЛЬНАЯ ТЕКТОНИКА ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ.

Вовлекая в обсуждение факты, связанные с космической природой нашего собственного дома, отметим, что Биосфера черпает из пограничных с нею геосфер все необходимые субстраты. Ежегодный приход абиогенного вещества в Биосферу (включая вулканизм) составляет не более 3 ;109 т.
Кора Земли, более мощная на континентах (35 - 65 км) и тонкая (6 - 8 км) подо дном океанов, образована осадочными породами на базальтовом основании. Вместе с верхним твердым слоем подстилающей ее мантии она образует литосферу, разделенную на отдельные плиты, плавающие в относительно вязкой и более плотной астеносфере (рис. 5). Относительная мощность материковой коры определяется гранитами, отделяющими осадочные породы от базальта. Кроме того, на поверхности Земли имеются выходы изверженных и метаморфических пород.

 


Рис. 5. Структура Биосферы (по Соколову, 1982 из Захваткина, 2003).

При извержении вулкана Кракатау в 1883 году толщина слоя вулканического пепла достигала 60 м, а его выбросы заметно охладили атмосферу. Извержение Везувия, уничтожившего Геркуланум и Помпеи в 79 году, было слабее во много раз. Знаменитое Чилийское землятресение 1960 года породило волны цунами, достигавшие у берегов Японии 10 метров. Недавно сильнейшее землятресение и волны цунами опустошили часть побережия Японии. Перуанское землятресение 1970 года унесло более 100 000 жизней. В пустыне Гоби (1957) образовалась глубокая трещина длиной в 250 км. Тектонические процессы такого масштаба, сопровождавшиеся сбросами в 6 - 12 метров, расцениваются как национальные бедствия. Однако, в геологических отложениях сохранились сбросы с километровой амплитудой, а следы таких событий планетарного масштаба, как горообразовательные циклы и смещения континентальных массивов, явственны до сих пор.
Исходная гипотеза А.Вегенера (1912) о горизонтальном дрейфе (мобилизме) континентов легко объясняла существующие разрывы ареалов флоры и фауны, но встретила весьма сдержанное отношение геологов. Со временем она лишилась всех своих аргументов. Лишь во второй половине прошлого века массированное изучение дна океанов неожиданно принесло ей новые, веские аргументы в рамках глобальной тектоники литосферных плит. Сначала, была выявлена планетарная система срединно-океанических хребтов, рассеченных по осям рифтовыми долинами (англ. rift - трещина, разрыв; рис. 6). Один из них, названный хребтом Ломоносова, рассекает Северный Ледовитый океан.

 

Рис. 6. Структура срединно-океанических хребтов в зоне спрединга (р - плотность).

Между тем, к северу от Галапагосских островов, акванавты, исследующие рифты, обнаружили на глубине 2540 метров поле горячих источников - гидротерм; из каждой расщелины, каждой трещинки дна струились горячие растворы. Выносы глубинного материала формировали здесь холмы, покрытые толстым слоем сульфидов и "курящиеся" столбами черного рудного "дыма". Кроме них были найдены грандиозные, фантастического вида башни, извергавшие струи и "факелы" железомарганцевых взвесей. Самые крупные сульфидные постройки такого рода были открыты в Калифорнийском заливе, на подводном хребте Хуана де Фука. Здесь, над донной толщей осажденных сульфидных руд, скрывающих могучие снования "башен-курильщиков", в ядовитых и горячих растворах сероводорода, сурьмы, мышьяка, цинка, свинца, на сплошных полях мидий и более крупных двустворчатых моллюсков копошились рыбы и крабы, распускали венчики щупалец кольчатые черви, актинии и гигантские (до 2 м) погонофоры. Их тела были заполнены хемосинтезирующими серобактериями. Все это представлялось необычным, странным и фантастичным; во всех, ранее исследованных экосистемах, основным, если не единственным, источником энергии для всего сущего было Солнце. Здесь же, почти все "живое вещество" существовало за счет местной, эндогенной энергии, вне зоны фотосинтеза и формировало своеобразные, относительно автономные "биосферы" абиссальных глубин. Основными продуцентами здесь стали не фотоавтотрофы, а хемоавтотрофы - бактерии и архебактерии, использующие эндогенный сероводород при необычайно высокой температуре. Неужели, в этих адских условиях чудовищного давления, в ядовитом кипятке и постоянном мраке, без света Солнца Жизнь вообще возможна, возможно ли ее зарождение здесь? Или здесь она другая? Несколько позднее сходные экосистемы были найдены на меньших глубинах, в зоне шельфа.
В 1962 году Г.Хесс предположил, что в зонах срединно-океанических хребтов, отмеченных наибольшими значениями теплового потока из недр Земли, путем раздвижения дна в рифтовых долинах, происходит образование новой океанической коры. Изливающиеся на поверхность дна базальтовые магмы вступают в контакт с водой, индуцируя реакции по всему фронту спрединга (англ. spreading - раздвижение, разворачивание). В процессе выщелачивания базальтов магмы, металлы в виде сульфидов переходят в воду и донные осадки рифтов обогащены ими. В последние десятилетия XX века на дне океанов разведаны громадные скопления сульфидных руд. Из руд такого рода на Урале и в Средней Азии издревле добывали цинк, медь, кобальт, никель, полагая, что их источник - горячие растворы, вырвавшиеся из кипящего котла подземных глубин. Примечательно, что океаническая кора, формирующаяся вдоль срединных хребтов Мирового океана, весьма молода и возраст, слагающих ее пород возрастает по мере удаления от фронта спрединга. Самая древняя кора, возрастом лишь 190 ; 106 лет находится в Филлипинском глубоководном желобе. Между тем, если возраст океанов датируется ранним или средним мезозоем, то возникает вопрос о судьбах старых горных пород, слагавших прежнюю земную кору океанов.
Согласно современном данным, земная кора с верхней частью подстилающей ее мантии состоит из шести гигантских литосферных плит (блоков или щитов) и фрагментов меньшего размера (рис. 7). Крупные плиты примыкают одной из своих сторон к срединно-океаническим хребтам и их края наращиваются новым материалом, раздвигая их от зоны спрединга. Противоположные края плит находятся близ глубоководных желобов, где они поддвигаются под другие плиты, либо у больших (трансформных) разломов.

 

Рис. 7. Реконструкция карты мира на основе происходящего дрейфа материков. Показано расположение основных щитов и складчатых поясов. Раннегренвилльские пояса не заштрихованы, позднегренвилльские - помечены пунктиром, а кратоны (крепкие, не деформированные складчатостью участки) заштрихованы: К - канадский; С - скандинавский; ЮА - южноафриканский; А - австралийский щиты .

Плита как бы всасывается в мантию под островными дугами архипелагов и окраинами континентов и, если по исходной гипотезе А.Вегенера континентальные глыбы гранитов дрейфуют по тяжелому слою базальтовых магм, то, согласно современным данным, эти плиты включают и материки, и примыкающие к ним участки океанической коры. Они раздвигаются по вязкой астеносфере. Таким образом, и кора, и мантия находятся в активном взаимодействии и обмене, продолжающимися и сейчас. Как правило, та плита, которая состоит из менее плотных континентальных пород, надвигается сверху на более плотную базальтовую океаническую кору другой плиты, а там, где они обе образованы океанической корой, любая из них может оказаться сверху. Там, где сталкиваются две более рыхлые континентальные плиты, отмечаются активные горообразовательные процессы и поднимаются обширные плато, как на Памире и в Гималаях.
Океаническая кора постоянно обновляется, словно она живая ткань организма. Она нарождается на дне рифтовых долин и гибнет в местах расколов, уходя в недра Земли. Оплавляясь по мере погружения в ее раскаленное чрево, она успевает отдать часть себя, вместе с нагруженными на нее осадочными породами, на строительство континентальной коры. Чаще всего это начинается с формирования дуговидной россыпи островов и архипелагов.
В кембрийские времена 600 ; 106 - летней давности Евразии в знакомых нам очертаниях еще не было. Позднее обширный Палеоазиатский океан отделил от суперматерика Гондваны разрозненные фрагменты, которым еще предстояло стать Восточной Европой, Сибирью, Китаем. Еще через 150 ; 106 лет океан потеснила щедрая россыпь архипелагов, которые, слившись с Сибирской платформой, оставили явственный шов на Саянах. Старый океан вытеснялся двумя новыми - омывающим Гондвану Палеотетисом и нешироким Уральским. Прошла еще сотня миллионов лет, и северные материки сгрудились, вытесняя Уральский океан, но оставив еще один шрам на суше.
Между тем, в районе Оймякона, по меньшей мере 500 миллионов лет спокойно отлагались осадочные породы, формируя мощные толщи на базальтовом основании. И вдруг, в конце юры все они были сорваны с кристаллического основания, смяты в складки и надвинуты на края Сибирской платформы.
Концепция новой глобальной тектоники литосферных плит предлагает следующий механизм формирования гранитов, которые В.И.Вернадский называл "областью былых биосфер". Земная кора океанов, как лента конвейера, движется от океанических хребтов и увлекает под континенты отложенные на ней осадочные породы (рис. 6). Ввергнутые в царство Плутона, они подвергаются метаморфическим преобразованиям, теряют следы участия в них живых организмов и слагаются в кору континентов.
Сходным образом получают объяснения месторождения рудных элементов, в исходном состоянии рассеянных по мантии; сначала животные - фильтраторы накапливают в своих тканях химические элементы, содействуя их переводу после своей смерти в донные осадки. Между тем реки вымывают с материков минеральные вещества, складируемые в дельтах, а гидротермы на дне океанов вымывают из формирующейся коры полиметаллы и сбрасывают их в отложения рифтовых долин. Наконец приходит время, когда нагруженная осадками плита уходит под островную дугу или край континента, ввергая в подземный огонь все, что принесла на себе и что впоследствии либо изольется вулканической лавой, либо пропитает материковую кору, постоянно размываемую подземными водами и реками.
Вряд ли могут быть сомнения в том, что влияния Биосферы проникают до подземных глубин, где накопленные в ней осадки подвергаются метаморфозу и включаются в массивы литосферных континентальных глыб. Приведенное описание явлений, проходящих у пределов Биосферы, соответствует представлению о ее собственной внешней среде, о наборе воздействующих на нее факторов. Следует иметь в виду соизмеримость сроков ее существования и самой планеты, которая с самого начала была открыта всем влияниям породившего ее Космоса. Подчиняясь царящим в нем законам, она приобрела магнитосферу и атмосферу, укрыв себя от смертоносных космических лучей и солнечного ветра.
Дальнейший ход событий нам известен: развитие на планете Жизни сопровождалось преобразованием ее общих свойств и нарастанием замкнутости. Огражденная озоновым экраном и кислородной атмосферой Земля осталась открытой лишь для крупных метеоритов, радиоволн и света в диапазоне от 0,2 до 1,5 мкм. Между тем, организованный в ее пределах биогенный круговорот веществ, энергии и особей, во всевозрастающих масштабах вовлекал в систему Биосферы субстраты пограничных геосфер. Наряду с тектоническими процессами и сопутствующей им эрозией пород, вынесенных на дневную поверхность, биогенные процессы приобрели ведущую роль в преобразованиях физического тела Земли. Ламарк оказался прав: Жизнь, однажды возникшая на одном из космических объектов, содействовала стабилизации собственных режимов его существования в безжизненных просторах Вселенной.
Древнейшие наземные породы, граниты Кольского полуострова и гнейсы Гренландии, сформировались 3,3 - 3,9 миллиардов лет назад. Еще более древние скалы Сан-Паулу в Южной Атлантике, образованные вынесенными на поверхность породами мантии, имеют возраст 4,5 миллиарда лет. Учитывая сроки, необходимые для их кристаллизации, мы можем принять возраст Земли равным 4,6 миллиарда, что совпадает с возрастом Луны и метеоритов, измеренным современными методами.



II. 3. ГЕОХРОНОЛОГИЯ.

Определение возраста пород и сохранившихся в них останков древних существ стало возможным после разработки Пьером Кюри и Э.Розерфордом методов радиоизотопного анализа. Эти методы основаны на том, что скорость распада радиоактивных элементов постоянна и не зависит от температуры, гравитации, магнетизма и других внешних сил. Возраст горных пород обычно определяют торий-урановым или калий-аргоновым методом, а возраст ископаемых организмов - радиоуглеродным, поскольку углерод всегда присутствует в них, как биогенный элемент. Изотоп 14С непрерывно образуется в атмосфере под воздействием космических лучей на ядра кислорода и азота и непрерывно распадается с периодом полураспада в 5,6 ; 106 лет. Сопоставление его количеств у современных и у ископаемых форм позволяет точно рассчитывать их возраст, например, если в ископаемой кости этого изотопа в 4 раза меньше, чем у недавно умершего животного, то ее возраст равен (5,6 ; 106) ;2 = 11,2 ;106 годам. Этот метод пригоден для определения сроков событий, измеряемых в тысячах и миллионах лет, и не свободен от случайных ошибок, например при вторичным насыщении образцов "ювенильным" углеродом при пожарах и задымлении в более поздние времена.
В геохронологической шкале (табл. 1), вслед за Дж.Чедвиком (1930), противопоставляют два эона (греч. aion - век, эпоха): фанерозой (греч. phaneros - явный и zoe - жизнь), длительностью в 570 миллионов лет, и криптозой (греч. kryptos - скрытый). Криптозой, в свою очередь, разделяют на архей (греч. archaios - древний) и протерозой (греч. proteros - самый ранний), длящиеся соответственно 1 и 2 миллиардов лет. К архею относятся древнейшие образования земной коры, представленные сильно измененными (метаморфическими) горными породами, возраст которых превышает 3,6 миллиардов лет. Эон криптозоя, включающий и архей и протерозой заполняет более трех четвертей геологической истории, и важнейшим ее событием, почти 3,5 миллиардов лет назад стало возникновение Жизни. Позднее, 2 миллиарда лет назад появились первые эукариоты, давшие начало многоклеточным существам в карельскую, или афебийскую эру протерозоя (1 миллиарда лет назад). В рифейскую (от Рифея - древнего названия Урала) эру уже существовали строматолиты. С ними связаны проблематичные останки водорослей, кишечнополостных и червей.
Выделенная Б.С.Соколовым эра венда, начавшаяся 620 - 680 миллионов лет назад и длящаяся до фанерозоя, отмечена возникновением почти всех форм и типов многоклеточных организмов. После Второго великого горообразования и уничтожения почти всех свидетельств о существовавших ранее организмах, время скрытой жизни (криптозоя или докембрия) миновало.

Таблица I. Геохронологическая шкала.

Эоны Эры Периоды          Начало в 106 лет


Криптозой:
Протерозой Второе великое горообразование
     Венд 680
Рифей (Урал) Кудаш
Верхний рифей
Средний рифей
Нижний рифей 700
1050
1350
1650

Афебий (Карельская) Не подразделяется 2600
Криптозой:
Архей
Первое Великое горообразование
Не подразделяется

Вступая в эон Фанерозоя, в первый Кембрийский период Палеозойской эры, Жизнь сразу же проявляет себя почти во всем своем многообразии. В древнейших, сохранивших ископаемые формы, породах представлены почти все типы беспозвоночных животных.

Эоны Эры Периоды Начало в 106 лет








Фанерозой
Кайнозой Четвертичный:
голоцен
плейстоцен
Неоген:
миоцен
плиоцен
Палеоген:
неоцен
эоцен
палеолит 0,6 - 3,5


25


                67
Альпийское горообразование на материках, образованных из Лавразии и Гондваны

Мезозой Мел
Юра
Триас 137
195
230

Палеозой Пермь 285
Герцинское горообразование перед распадением
Пангеи на Лавразию и Гондвану



Палеозой Пермь
Карбон
Девон
Силур
Ордовик
Кембрий 285
350
410
440
500
570


Геологические процессы, весьма бурные в самом начале, сменились 3,3 миллиарда лет назад более спокойными горообразовательными циклами, отмеряющих с тех времен пульс планеты: сравнительно краткие (до 50 миллионов лет) периоды интенсивных извержений и подвижек земной коры сменялись более тихими геосинклинальными циклами, длящимися по 100 - 150 миллионов лет. Изверженная углекислота растворялась в воде океанов и осаждалась мощными слоями известняков, выносимых на дневную поверхность в последовательных циклах горообразования. После начавшегося в Перми (260 миллионов лет назад) дрейфа континентов от единого материка Пангеи и прошедшего в начале Кайнозоя (60 - 70 миллионов лет) Альпийского цикла, вознесшего к небу Гималаи, Кордильеры и Альпийские горные цепи (Пиренеи, Кавказ, Альпы), сформировался современный облик нашей планеты.
Примечательно, что некоторые осадочные породы типа кварцево-пиритных песков, золотоурановых руд, уранинитов, полосчатых железорудных формаций, образовавшиеся примерно 2 миллиарда лет назад и погребенные под другими породами, могли формироваться только в бескислородных условиях. Все более молодые минералы осадочных пород (пески, известняки и глины) устойчивы только в виде окислов; в противном случае они бы растворились. Это один из доводов о восстановительном характере первичной атмосферы - атмосферы, лишенной кислорода. Признать этот довод проще, чем объяснить существование современной, кислородной атмосферы Земли - ведь Вселенная состоит почти полностью из водорода (92,8 %) и гелия (7,1 %).
Между тем, есть веские основания полагать, что раскаленная атмосфера формирующейся Земли не могла удержать эти легкие газы, сохраняющиеся в более мощных гравитационных полях массивных и далеких от Солнца планет. Первичная водородная атмосфера Земли рассеялась в Космосе, но по мере остывания ее коры испаряющаяся гидратная вода минералов конденсировалась в океаны, а из расплавленной магмы выделялись метан, угарный и углекислый газы, азот, аммиак, сероводород. Небольшие запасы кислорода, высвобождающегося при фотолизе воды жестким ультрафиолетовым светом, расходовались сразу же на окисление газов и изверженных пород. По-видимому, именно в этот период, в атмосфере, насыщенной ядовитыми испарениями, при нарастающем разнообразии химических соединений и реакций, синтезировались первые предбиологические системы и органические вещества неорганической природы. Они уже воспроизведены в эксперименте при имитации условий вторичной восстановительной атмосферы. К 1964 году Стенли Миллеру и его сотрудникам удалось получить таким образом 14 аминокислот, пурины, пиримидины, сахара, жирные кислоты, АМФ, АДФ, АТФ и порфирины .
Существенно, что именно в это время температура поверхности Земли стабилизировалась, благодаря простым и совершенным средствам регуляции. Испаряемая с поверхности Океана вода не возносилась выше "ледяной ловушки": На высоте 10 км, при температуре - 400С, пары кристаллизовались в снежинки и формирующиеся облака притеняли Землю от солнечных лучей. В этом тепличном режиме, сохраняющимся до сих пор, синтезируемые органические вещества не испытывали чрезмерных воздействий температуры, но все еще подвергались жесткому ультрафиолетовому облучению, проникающему сквозь бескислородную атмосферу. Лучи Солнца, провоцируя синтез органических соединений, представляли смертельную опасность для первых существ; условия их зарождения не соответствовали условиям существования.
Первым прибежищем Жизни могли стать неглубокие водоемы, в донных отложениях которых адсорбировались органические вещества неорганической природы. В нарастающем разнообразии путей абиогенного синтеза и круговорота выделялись небольшие оазисы зарождающихся предбиологических систем, все более и более однообразных, но обладавших некоторым подобием метаболизма, роста, размножения (рис. 8). Некоторые из них обладали подобием ассимиляции и делились при достижении критического объема. Совершенствованию этих первосуществ и обретению ими клеточной организации сопутствовало формирование средств, обеспечивающих их воспроизведению все большую определенность и точность. У эукариот средством такого рода стал митотический цикл и то, что послужило основанием генетического кода.
 
Рис. 8. Предполагаемый ход эволюции клеток.

Предшественниками биологических макромолекул могли быть не случайные последовательности, а естественным образом упорядоченные кристаллические структуры. Их свойства обуславливались ограничениями, связанными с природой любого процесса кристаллизации - ведь формирование снежинок не требует генетических программ. Исходными формами жизни могли стать сферические организмы, потреблявшие накопленные в "оазисах" органические вещества, и общая "биомасса" всех первосуществ, которых Земля могла прокормить в те времена, ограничивалась лишь интенсивностью абиогенного синтеза органических субстратов (рис. 9).
 
Рис. 9. Биопоэз - схема развития Жизни. Неорганический синтез органических молекул начался много раньше трех миллиардов лет назад. Он временами прерывался и продолжался снова наряду с постепенным и неуклонным развитием Жизни до конца среднего докембрия (1,8 ; 109 лет назад). Многие вспышки Жизни угасали, не успев разгореться, но ее тлеющие угольки вспыхивали снова и снова, пока пламя не охватило всю Землю. Фототрофность или хемотрофность - предполагают использование энергии света или химических связей; автотрофность или гетеротрофность - использование углерода углекислого газа или органических веществ; литотрофность и органотрофность - использование Н+ минеральных и органических соединений, соответственно.

Вероятно, нуклеотиды уже имелись в "первичном бульоне"и могли дать начало примитивным генам. Предполагаемые сценарии не дают ответа - как и где возникли первые средства репликации и транскрипции. Пептиды и белки, вероятно возникали без участия нуклеотидов, а позднее появившаяся РНК организовала регуляцию их синтеза, оградив его от случайностей. Вряд ли у истоков Жизни стояли ген и ДНК - роль ее инициатора принадлежала РНК, а наличие фосфолипидных мембран создавало условия для ассимиляции и гетерокатализа.
Самыми древними свидетельствами развития Жизни являются южнородезийские биогенные известняки. Их возраст, превышающий 2,7; 109 лет предполагает бескислородные условия существования, совместимые с анаэробным метаболизмом по типу брожения или с анаэробным фотосинтезом. В первом случае энергетическим субстратом должны быть органические вещества, во втором - лучи Солнца и громадные в первобытной атмосфере запасы углекислого газа, сероводорода и других относительно простых соединений. Фотосинтезирующие бактерии могли образовывать пленочные сообщества на прогреваемых солнцем мелководьях и формировать своеобразные рифы - строматолиты, особенно обильные в отложениях, датируемых сроком в 2,3 ; 109 лет. Современные, живые строматолиты, сохранившиеся в засоленном заливе Шарк в Австралии, вполне сравнимы с этими окаменевшими рифами, но образованы сообществами аэробных цианобактерий (цианей или сине-зелеными "водорослями"). Впрочем, некоторые цианеи обнаруживают замечательную способность к переключению на анаэробный фотосинтез, используя вместо воды сероводород и выделяя вместо кислорода - серу.
Появление первых аэробных автотрофов в период, предшествующий накоплению железных руд (около 2 миллиардов лет назад) могло вовсе не отразиться на составе атмосферы. Громадные запасы растворенного в воде закисного железа расходовали на протяжении сотен миллионов лет выделяемый цианобактериями кислород и, лишь после того как все доступное окислению железо проржавело, кислород стал накапливаться в атмосфере. Формирование окислительной атмосферы проходило в три этапа, соответствующих достижению кислородом концентраций в 0,001; в 0,01 и в 0,1 от его современного уровня (рис. 10).


 
Рис. 10. Последовательные изменения концентрации кислорода в атмосфере Земли.
 
Первый этап и состояние (точка Юри) обеспечиваются фотодиссоциацией молекул воды ультрафиолетовым светом. Образующийся при этом кислород, как более легкий газ возносится выше паров воды, подстерегаемых "ледяной ловушкой" на высоте выше 10 км; он защищает их от ультрафиолета и чрезмерного фотолиза. Действующий таким образом механизм автоматически сокращает высвобождение кислорода из воды в том случае, если он начинает поступать из другого источника. Очевидно, что включение аэробного фотосинтеза ведет к преодолению уровня, рассчитанного Г.Юри, лишь при высокой интенсивности этого процесса и далеко не сразу.
Второй этап и состояние, связанные с эффектом Пастера, требует комментария. Результаты опытов Л.Пастера, доказавшие невозможность самопроизвольного зарождения жизни, надолго охладили интерес к этой проблеме, несмотря на то, что они отрицают возможность самозарождения не вообще, а лишь в определенных - в современных условиях, в присутствии весьма агрессивного газа (кислорода) и сапробиотических организмов. Говоря об эффекте Пастера, мы имеем в виду открытие способности к факультативному дыханию, свойственной дрожжам и большинству бактерий - при падении содержания кислорода ниже определенного (в 0.01 от современного) уровня они переходят на брожение; выше этого уровня - на дыхание. В энергетическом выражении дыхание намного выгоднее брожения: при разложении 1 моля глюкозы посредством брожения выделяется энергия в 209,3 Дж, а посредством дыхания - в 2872,3 Дж. Существа, способные к факультативному дыханию, получают преимущества над теми, кто не способен дышать, воспринимая кислород как сильнейший яд. Примечательно, что дыхательный метаболизм, включающий процессы гликолиза и цикл Кребса, вероятно, развивался на основе брожения. Не требующий кислорода гликолиз завершается образованием пирувата, окисляемого в цикле, тогда как при брожении пируват попросту преобразуется в выделяемые отходы - молочную кислоту или этиловый спирт с углекислым газом. Вероятно, анаэробные реакции брожения были пополнены, но не замещены аэробными реакциями цикла Кребса, высвобождающими громадные запасы энергии при наличии кислорода.
Наконец, третий этап, связанный с образованием озонового экрана, позволил ютящейся на мелководьях Жизни выйти на освещенные Солнцем просторы. Если при достижении точки Пастера слабеющий ультрафиолет все еще проникал в водоемы на метровую глубину, то достижение кислородом уровня 0,1 от современного, лишило солнечный свет смертоносного действия; из молекул кислорода 02, бомбардируемых в верхних слоях атмосферы жестким ультрафиолетом, формировался озон 03, почти полностью его поглощающий.
Биогенный круговорот веществ, надежно защищенный озоновым экраном, вовлекал громадные запасы воды и углекислого газа, продуцируя с нарастающей скоростью кислород - необходимый для Жизни. В геологических масштабах времени Жизни растеклась по планете мгновенно - в пределах однообразной биомассы формировались все более и более разнообразные существа.