Наши развилки. Развилки эволюции природы на пути к человечеству
Валерий Николаевич Бескопыльный
В научно-популярной форме прослеживается удивительный маршрут эволюции природы от хаоса элементарных частиц Большого взрыва до человека разумного современного. Увлекательный и непредсказуемый путь природы к человеку в нашей Вселенной оказался неимоверно протяженным, очень извилистым и продолжительным. Этот «человеческий» маршрут пробивался в будущее через клубок неисчислимого количества разных направлений эволюции природы. Вешками «антропного» маршрута выбраны 47 важнейших, замечательных эволюционных развилок – разномасштабных, судьбоносных событий, возникавших в расширяющейся и стареющей Вселенной. Каждый человек существует благодаря реализации этих природных важнейших поворотов эволюции, которые можно назвать «Наши развилки». Тернистый путь эволюции природы к человеку сопровождали непосредственные участники – атомные гиды Гидрожен, Оксижен, Нитрожен, Флюор, Ферум, Карбомал и Карбовеж.
Валерий Бескопыльный
Наши развилки. Развилки эволюции природы на пути к человечеству
ВВЕДЕНИЕ
Как-то в беседе с приятелем, механиком по образованию, мы затронули вопрос о происхождении человеческого рода. Суждения, которые услышал автор данных строк, были такими далекими от современных достижений антропологии и других соответствующих наук, что вызвали твердое желание подобрать и рекомендовать собеседнику хорошую книгу на эту тему. Целью моих библиографических поисков был научно-популярный обзор современных научных представлений о том, какой эволюционный путь прошла природа на протяжении всего времени существования Вселенной для того, чтобы появился человек разумный. Среди множества замечательных, подробных книг по различным аспектам рассматриваемой проблемы[1 - Примерным списком таких, рекомендуемых книг является приведенный в конце данной брощюры перечень избранной литературы.] (пояснения по ссылкам можно смотреть в конце книги в разделе Ссылки) к сожалению, не удалось найти такое изложение маршрута природы к современному человеку, которое удовлетворяло бы мои желания на этот счет.
Хотелось найти книгу, которая в достаточно краткой форме, на основе научных данных прослеживала бы особый маршрут эволюции природы от хаоса элементарных частиц Большого взрыва до человека разумного (Хомо сапиенс). По моим представлениям, в качестве вешек «антропного» маршрута можно было бы выделить моменты разветвления (дивергенции) эволюционных направлений – развилки эволюции природы. Каждая такая развилка отражает время, место и событие, характеризующие поворот определенного вектора эволюции природы к возникновению Солнечной системы, Земли, к происхождению жизни, предков человека и современного человека. В процессе путешествия по развилкам эволюции хотелось бы получить ответ на вопрос о том, насколько неотвратимым, предопределенным, закономерным было появление человека разумного? Какова роль случая в выборе направления эволюции на той или иной развилке? Какие существовали варианты эволюции природы по направлению к иным разумным формам жизни? Весь путь эволюции природы к человечеству через эти развилки сопровождали первые атомы водорода (протоны), которые родились чуть позже момента возникновения нашей Вселенной 13,82 миллиардов лет назад (л.н.). Эти первые протоны стали основой всех, возникших со временем, химических элементов – обычного вещества, строительного материала для звезд, планет, всех живых организмов, включая людей. На примере эволюции некоторых из протонов, как мне представлялось, можно было бы проследить их разнонаправленные преобразования на антропном маршруте.
Поскольку мне не удалось среди множества прочтенных книг найти рассказ с искомым содержанием, то решил сам составить научно-популярный обзор, соответствующий желаемому плану. Для иллюстрации некоторых основных приключений, которые происходили с атомами водорода за время их путешествия через пространство-время, от Большого взрыва в нашу современную жизнь, использовал семь протонов в роли наших «гидов». Их эволюция от протонов к своим современным формам происходила в разные моменты истории Вселенной и в весьма разнообразных условиях. Собственные имена гиды-водороды получили по названиям тех элементов, в форме которых они сейчас пребывают. Так, Гидрожен как был, так и остался водородом, другие протоны вошли в состав более сложных химических элементов: Оксижен – в ядро атома кислорода, Нитрожен – азота, Карбовеж и Карбомал – углерода с разными судьбами, Флюор – фосфора, Ферум – железа.
Антропный маршрут охарактеризован 47 основными эволюционными развилками, возникавшими в расширяющейся и стареющей Вселенной. Гиды сопровождают читателя по «человеческому» пути эволюции природы через эти развилки от момента образования нашей Вселенной до появления Галактики Млечный путь, затем в нашей звездно-планетной – Солнечной системе и, наконец, на Земле. Эволюция природы в соответствии с этими особенностями маршрута разделена на четыре крупных этапа: 1. Космический (или Доземной), 2. Геологический (Земной-Добиотический), 3. Биотический и 4. Разумный. Эволюция на каждом из этих этапов направлялась совокупностью определенных развилок. Маршрут эволюции природы к человеку, при всей своей особенности, на протяжении большей части совпадал с эволюционным путём многих живых существ и отклонился на уникальное направление только на Разумной (Сапиенсной) развилке. Наши многочисленные предки, от первых одноклеточных организмов до ранних представителей рода человеческого, являлись в то же время и предками тех или иных нынешних и вымерших организмов. Чем древнее предок, тем разнообразнее у него родословная. Родословная любого живого существа до определенной развилки совпадает с родословной всех более древних своих предков. Задача данного обзора – вычленить из сложнейшей сети направлений развития жизни эволюционный путь формирования человека.
Фактические сведения, положенные в основу этой книги, почерпнуты из множества современных научных первоисточников (статей, докладов, лекций), на которые в тексте не приведены ссылки, чтобы не напрягать лишний раз читателя доказательствами, необязательными при популярном изложении. Отсутствие ссылок на источники информации может быть оправдано также тем обстоятельством, что в процессе разработки авторской идеи «об эволюционных развилках на антропном маршруте развития природы» вся полученная информация сопоставлялась, перепроверялась, переосмыслялась и представлена на суд читателя, как правило, в интерпретации автора данного обзора. Вместе с тем, ряд интересных идей родился у автора при чтении научно-популярных книг, основные из которых указаны в списке Избранная литература в конце данной брошюры. Эти книги, возможно, заинтересуют читателя, желающего расширить свои представления о тех или иных проблемах.
Читателю предложены многочисленные ссылки, поясняющие научные термины или малоизвестные сведения. Те читатели данного обзора, которые не желают напрягаться по поводу непонятных слов, могут спокойно оставлять без внимания эти пояснения и продолжать дальше знакомиться с основными перипетиями эволюции природы по направлению создания разумных существ. Данная книга представляет возможность узнать много нового и интересного относительно величия многовариантной природы, великолепной родословной цепочки разнообразных предков человека, места человечества во Вселенной, жестокой борьбы за существование. В результате читатель составит цельное представлением о череде эволюционных развилок-событий, обеспечивших появление земного человека разумного. Читатели, обогащенные этими сведениями, могут изменить свои оценки жизненных неприятностей, будут дорожить каждым днем существования, станут вернее и нежнее любить.
«Эволюция – это сочетание приспособительной
и случайной изменчивости»
1. КОСМИЧЕСКИЙ ЭТАП ЭВОЛЮЦИИ ПРИРОДЫ ПО НАПРАВЛЕНИЮ К ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
Узловые события эволюции природы на пути к человечеству, которые случились в период от Большого взрыва до появления планеты Земля, объединены в Космический (Доземной) этап. Этот отрезок антропного эволюционного маршрута проходил через развилки, возникавшие среди неимоверно огромного числа форм материи и неисчислимого количества разнообразных и разновременных событий. В этом обзоре рассмотрим только несколько основных эволюционных развилок, которые исполнили важнейшую роль в появлении земной жизни. Речь идет о таких космических развилках эволюции природы, как: Вселенская, Аннигиляционная, Галактическая (Млечная) и Солнечная.
Начнем рассказ с представления семи химических элементов, производных от ядер атомов водорода, собственные имена которых: Гидрожен, Оксижен, Нитрожен, Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум. Эти атомы исполняли роль своеобразных космических гидов, поскольку были свидетелями многих событий, создававших эволюционный маршрут природы к человечеству.
1.1. Происхождение наших космических гидов – ядер атомов водорода: Гидрожена, Оксижена, Нитрожена, Карбовежа, Карбомала, Флюора и Ферума
Больше узнать о многочисленных развилках антропного эволюционного маршрута нам помогут семь атомов водорода – братья-водородики, рожденные вскоре, после возникновения нашей Вселенной в процессе Большого взрыва 13,82 миллиардов л.н. Эти семь химических братьев появились в космической семье, насчитывающей многие триллионы близнецов – водородов. Основой всех современных химических элементов является этот первый элемент (частица протон). Преобладающая часть этих близнецов до сих пор пребывают в форме самого легкого и самого распространенного элемента во Вселенной – водорода. Выбранные нами атомы водорода, в процессе движения через пространство и время от Большого взрыва в нашу современную жизнь, превратились в те или иные, более тяжелые химические элементы, от названия которых произошли их имена. Это – Оксижен (двухвалентный кислород) и Нитрожен (трехвалентный азот). Следующий – Карбовежитал (от слов карбон – углерод и вежиталь – растительный), кратко говоря, Карбовеж – четырехвалентный углерод, оказавшийся в растительном мире Земли. Близким родственником Карбовежа является Карбоанимал (от карбон – углерод и анималь – животный), сокращенно – Карбомал. Этот углерод пребывает на Земле, главным образом, в мире животных, в том числе оказался в теле современного человека. Флюор – пятивалентный фосфор и Ферум – пятивалентный атом железа. Современную свою форму, т. е. вид химического элемента каждый из наших гидов-водородов, как и любой элемент Вселенной, приобрел при разных обстоятельствах: либо в процессе остывания первично раскаленной Вселенной до определенной температуры, либо в недрах медленно сгорающей звезды, или в момент взрыва сверхновой звезды. Во время этих событий представленные наши химические гиды взаимодействовали с большим числом себе подобных, образовав определенные соединения или скопления единогалактических или единозвездных атомов. Только Гидрожен остался до сих пор просто одновалентным водородом.
Эти химические элементы, преодолев огромнейшие расстояния, приняв участие во многих вселенских событиях, оказались на Земле около 4,5 миллиардов л.н., чтобы продолжить путешествие в форме тех или иных геологических объектов и биотических организмов. Все живые организмы имеют удивительно простой и однообразный химический состав. Углерод, водород, кислород и азот (их латинская аббревиатура – CHON) стали главными элементами всех живых организмов: от бактерий до клеток самых сложных организмов. На их долю приходится около 98 % состава клетки любого организма, что не случайно, поскольку они, наряду с гелием, являются самыми распространенными видами атомов во Вселенной. Следующим по объему в организмах является фосфор. Довольно важная роль принадлежит железу, а также другим макро- и микроэлементам. В клетках живых организмов встречаются около 90 химических элементов, среди которых 25 обнаружены практически во всех клетках. Все эти химические элементы имеются также в неживой природе. Единство живого и неживого прослеживается в том, что их представители состоят из одинаковых элементов, кроме того, живые и неживые формы существуют в постоянном взаимодействии. Химические элементы из неживых молекул, минералов переходят в живые организмы, чтобы затем вернуться в неживую природу. Все атомы, в том числе, Гидрожен, Оксижен, Нитрожен, Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум, в определенные периоды своего существования были задействованы в тех или иных круговоротах: космическом, геологическом, биотическом и других. Судьба каждого из наших гидов-атомов связана с теми или иными объектами и/или событиями, которые привели эволюцию природы к человечеству, но всё же каждый из них прошёл своим путем, изобиловавшим собственными приключениями.
1.2. Вселенская развилка эволюции природы на пути к человечеству. 13,82 миллиардов лет назад
Появление на свет наших атомов-проводников и реализация их конкретных судеб стали возможными только потому, что образовалась именно наша Вселенная. Вечный и бесконечный мир[2 - Мир включает всё, что существует повсюду, в том числе, всё созданное человечеством: от примитивных орудий труда до произведений искусства, а также до субъективных идей и абстрактных понятий. Учеными разрабатывается гипотеза о мире, как о мультивселенной – бесконечной системе вселенных-пузырей. Синонимом понятия «мир» может быть понятие о «материи», которое включает всё содержимое пространства, включающее вещество (и антивещество, и темное вещество) плюс энергию (поля излучений и так далее). Вселенная – часть мира.] (пояснения по ссылке можно смотреть в разделе "Ссылки.." в конце книги) представляет собой, по преобладающему мнению ученых, пространство-время с пузырями-протовселенными и пузырями-вселенными. В нем возникают и прекращают существование многие вселенные с разными проявлениями законов физики. Природа[3 - Природа – всё естественное, т. е. весь мир за исключением всего искусственного, созданного человечеством. Автор понимает, что человеческая деятельность является одним из геологических факторов, т. е. природным явлением. Однако, популярность данного изложения удерживает его от углубления в столь обширную проблему.] осуществляет эволюцию многовариантно, направляя развитие («выбрасывая кости основных характеристик») в каждой вселенной своим особым путем.
Начало образования очередной вселенной является условной развилкой, на которой эволюция природы сворачивает на особый путь своего развития. Современная теория указывает, что количество пузырей в мире, т. е. потенциальных вселенных может измеряться единицей с пятьюстами нулями. На основании этого можно предполагать, что существует такое же немыслимо огромное число «начальных» направлений (маршрутов, вариантов) эволюции природы на этапе создания вселенных. Лишь немногие из этой массы пузырей могут быть основой тех вселенных, где законы природы совместимы с известной нам формой жизни. Людям повезло, что 13,82 миллиардов л.н. природа заложила начало нашего, антропного направления своей эволюции. Для земных людей появление нашей Вселенной среди множества пузырей-протовселенных явилось самой главной развилкой эволюции природы. Назовём её Вселенской развилкой, от которой схематично проследим извилистый путь эволюции природы, приведший к появлению человека разумного. Люди – дети антропного космического пузыря.
Существует несколько более-менее обоснованных гипотез возникновения Вселенной. Наиболее распространенным и принятым многими специалистами является представление о том, что начало Вселенной связано с Большим взрывом. Это представление обосновывает многоэтапность эволюции Вселенной, которая хорошо описывается теориями о: Большом взрыве (теория горячей Вселенной), расширении (теория Фридмана), инфляции, формировании крупномасштабной структуры (иерархическая теория), звездном населении. В эволюции Вселенной выделяется более десяти фаз и эпох, характеризующих увеличение объема пространства, появление физических сил и взаимодействий, образование всех элементарных частиц, атомов, молекул, звезд и галактики. Детальное описание периодизации этих процессов не является целью нашего обзора. Отметим только, что формирование нашей Вселенной началось из некоторого сингулярного состояния материи и энергии. Такое состояние предполагало бесконечно великие значения температуры, давления и плотности, совмещенные в минимальном объеме, когда не действовали известные физические законы (гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий). Процесс образования Вселенной сопровождался масштабным и быстрым увеличением пространства-времени – инфляционным расширением с постепенным снижением неимоверно высокой температуры. Такое быстрое «вздутие» Вселенной вызвало выделение энергии и элементарных частиц. Все пространство заполнилось плазмой, состоящей из гравитонов (гипотетических безмассовых элементарных частиц, переносящих гравитационное воздействие) и GUT-бозонов (теоретически предполагаемых сверхтяжелых частиц, возможно существовавших в ранней Вселенной). Дальнейшее остывание привело к появлению смеси различных частиц, античастиц и гамма-фотонов высоких энергий. Произошло разделение физических сил взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.
Частицы и античастицы, сталкиваясь, взаимно уничтожались и рождались вновь. Возникли электроны, позитроны, кварки, антикварки и глюоны. Продолжающееся ускоренное расширение и охлаждение Вселенной вызвало процесс бариогенеза – соединение кварков в протоны и нейтроны, которые стали основой ядер (нуклонов) атомов всех химических элементов. Разнотипные кварки и антикварки в нашем рассказе можно назвать Фундаментальными бесструктурными предками протонов и антипротонов, а также нейтронов и антинейтронов, которые явились основой обычного для нас вещества и исчезнувшего антивещества[4 - Антивещество – материя, состоящая из атомов, ядра которых представлены антипротонами и антинейтронами. Такие ядра имеют отрицательный электрический заряд и окружены позитронами («антиэлектронами») с положительным электрическим зарядом. Тогда, как атомы вещества имеют положительно заряженные ядра из протонов и нейтронов. Окружающие их электроны имеют отрицательный заряд.].
Если наблюдаемое расширение Вселенной экстраполировать назад в прошлое до самого начала, тогда пространство-время схлопнется в точке космической сингулярности, где известные физические законы не действуют. Возрастом Вселенной является время её расширения из космической сингулярности до нынешнего состояния. Ученые разработали довольно сложные и кропотливые способы оценки возраста Вселенной по: возрасту звезд через яркость свечения белых карликов, расширению Вселенной, возрасту химических элементов с помощью их радиоактивного распада и по некоторым другим данным. Самым достоверным в настоящее время считается возраст 13,799 ± 0,021 миллиарда лет или, с учетом поправки в большую сторону, 13, 82 миллиарда лет. Это время от Большого взрыва до наших дней рассчитано в 2013 году по сведениям космического телескопа «Planck» о скорости расширения границ космоса равной 67,15 км/с. Сведения, полученные этим телескопом, позволили также уточнить, что массовая доля обычного вещества во Вселенной составляет 4,9 %, а темного вещества 26,8 %. Остальные 68,3 % приходятся на темную энергию.
Вычисление ограниченного срока существования Вселенной влечет за собой возникновение естественного вопроса о том, что было до Большого взрыва? В 2012 году коллектив ученых опубликовал гипотезу, согласно которой вселенная эволюционирует по замкнутому циклу. Она возникает в процессе Большого взрыва, расширяется, заполняется звездами, планетами и другими космическими объектами, входящими в состав галактик и межгалактического пространства, а также черными дырами. Локальные черные дыры, постепенно сливаясь вместе, поглощают всё вещество-энергию. В результате этого процесса вселенная постепенно «схлопывается» вокруг мегамассивных черных дыр, образованных в центрах обширных групп галактик, а затем вокруг единой супермощной черной дыры. Эпоха преобразования всей вселенной в черную дыру обеспечивает её превращение в некий суперконцентрированный объем пространства-времени, в котором отсутствует вещество, а энергия пребывает в форме какой-то информации. В момент полного исчезновения вселенной происходит новый Большой взрыв и начинается эволюция очередной вселенной в соответствии с исходной информацией-энергией. До появления нашей Вселенной сменилось, возможно, бесконечное число вселенных с некими случайными отличиями. Так, что «человеческая» Вселенная, вполне возможно, является уникальной за все время существования мира.
Когда я ознакомился с этой гипотезой о многократности происхождения вселенной, то сразу вспомнил древнюю индусскую легенду о повторяемости всего, придуманную много веков назад. В ней говорится о том, что через какое-то время исчезнет наша Вселенная и возникнет ее аналог. Эволюция возобновленной Вселенной пойдет по прежнему варианту и, соответственно, приведет к формированию Солнечной системы и Земли. Все события на нашей планете повторятся вплоть до судьбы каждого человека. Этот процесс постоянного возвращения к первоначалу не прекратится никогда. Такая выдумка мудрецов была для многих и для меня, в том числе, неким утешением краткости человеческой жизни, «научнообоснованной» надеждой на бесконечную повторяемость жизни.
1.3. Аннигиляционная развилка эволюции нашей Вселенной. Около 13,82 миллиардов лет назад
Через тысячную долю секунды после Большого взрыва (ПБВ) произошла аннигиляция (взаимное уничтожение с высвобождением энергии) электронов и позитронов, кварков и антикварков, а затем протонов и антипротонов. После аннигиляции остались только частицы, число которых немного превышало количество античастиц. Кварки и антикварки перестали существовать в виде свободных частиц. Наша Вселенная избавилась от антивещества и пошла по пути эволюции обычного вещества. Все пространство заполнилось оставшимися после аннигиляции частицами, включая множество триллионов протонов, которые представляют собой ядра первого химического элемента – протия – самого распространенного (99,98 %) изотопа водорода. Таким образом, итог борьбы вещества и антивещества направил развитие нашей Вселенной по благоприятному для людей пути (варианту) через Аннигиляционную развилку около 13,82 млрд. лет назад. Для людей это событие стало определяющим потому, что некоторая часть оставшихся после аннигиляции протонов выполнила функцию фундаментальных (элементарных) предшественников всех живых существ, т. е. стали Водородными (Протийными) предками живых организмов.
Важным для нашего повествования результатом прохождения Вселенной через Аннигиляционную развилку явилось то обстоятельство, что не подверглись аннигиляции те семь протонов, которым суждено было провести нас через историю Вселенной. Они уже родились с рисками быть уничтоженными сразу после своего рождения. Опасность заключалась в появлении их антиподов – ядер атомов антиводорода. Ядра антиводорода – антипротоны возникли из антикварков. Во время бариогенеза (этапа создания пар протонов – антипротонов и нейтронов – антинейтронов) происходила аннигиляция сталкивающихся частиц и античастиц (взаимопревращение частицы и античастицы в два фотона или вспышку гамма—излучения). Сейчас ученые оценили, что в то время количество обычного вещества превышало антивещество только на одну миллиардную часть, т. е. на 1 000 000 000 античастиц приходилась 1 000 000 001 частица. Из этого относительно мизерного остатка обычных частиц и фотонов (квантов электромагнитного излучения), образовавшихся в результате аннигиляции частиц и античастиц, возникла наша Вселенная. Аннигиляция уничтожила такие первичные объемы вещества и антивещества, из которых получились бы десятки вселенных, подобных нашей. Зато наша Вселенная была обеспечена количеством фотонов, превышающим в миллиард раз вселенское количество атомов. В настоящее время эти фотоны представляют собой реликтовое излучение, наблюдаемое астрономами и подтверждающее факт образования Вселенной. В такой кажущейся расточительности природы заложено её свойство – создавать новые свои формы с максимальной вероятностью успеха при множестве возможных вариантов исходных условий. В первую очередь, почему-то приходит на память аналогия с оплодотворением одной человеческой яйцеклетки, за которую «сражаются» миллионы сперматозоидов.
Вскоре после аннигиляции (приблизительно в период от 1 до 3 минут после Большого взрыва) температура Вселенной понизилась до 10 млрд. градусов Кельвина (°К), появились условия благоприятные для протекания ядерной реакции образования дейтронов – ядер стабильного изотопа водорода – дейтерия (процесса первичного нуклеосинтеза). В этом процессе часть ядер протия (протонов) объединилась с нейтронами, которых оказалось в 7 раз меньше, чем протонов. Такое объединение привело к появлению ядер стабильного, тяжелого изотопа водорода – дейтерия (1 протон + 1 нейтрон). Наряду с формированием ядер дейтерия, небольшая часть нейтронов израсходовалась на присоединение к дейтерию, что создало ядра сверхтяжелого радиоактивного изотопа водорода – трития, состоящего из протона и двух нейтронов. Наиболее активно синтез дейтерия происходил по истечении трёх минут после Большого взрыва (ПБВ). В это время присоединение к дейтерию по одному протону и одному нейтрону или взаимодействие ядер трития с ядрами дейтерия, или со свободными протонами (ядрами протия) создало ядра гелия (альфа—частицу), состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку исходное соотношение протонов и нейтронов составляло 7:1, то за несколько минут были израсходованы все почти нейтроны, а большая часть протонов (ядер водорода – протия) осталась в свободном состоянии. В первичном нуклеосинтезе кроме дейтерия, трития и гелия-4 образовались такие элементы, как: гелий-3, литий-6, литий-7, бериллий-7, бор-11, углерод, азот и кислород. Нестабильные изотопы тритий и бериллий-7 распались вскоре после первичного нуклеосинтеза с образованием гелия-3 и лития-7, соответственно. Оставшиеся изотопы – дейтерий, гелий-3, литий-7, бор-11, углерод, азот и кислород составляли в веществе настолько незначительную долю, которая никак не повлияла на состав и характер эволюции первых звезд. Однако не следует так пренебрежительно относиться к этим первым тяжелым элементам, памятуя, что в науке о космосе существует неразрешенная проблема – что было вначале: первая пыль или первая звезда? Но об этом поговорим немного позже, когда будем описывать Вселенную в возрасте около 400 тыс. лет.
Спустя приблизительно 3 минуты после Большого взрыва температура уменьшилась настолько, что процесс нуклеосинтеза прекратился. На создание гелия и мизерного объема более тяжелых элементов в процессе термоядерных реакций первичного нуклеосинтеза была израсходована четвертая часть вселенского водорода. Космическое пространство оказалось заполненным ядрами водорода – протия (около 75 % общей массы) и гелия (почти 25 %).
Среди элементов, участвовавших в первичном нуклеосинтезе, оказались не все наши гиды-водороды, а только Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум. Они удачно столкнулись с нейтронами и превратились в ядра дейтерия (ядро дейтерия, тяжелого водорода – дейтрон – 2H, D). Кроме того, давление и температура во Вселенной в то время были благоприятными для термоядерной реакции, при которой ядра дейтерия превращались в ядра гелия-4. Поэтому Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум, будучи ядрами дейтерия, смогли соединиться со свободными ядрами трития. В результате на их основе образовались ядра гелия-4, которые состоят из 2 протонов и 2 нейтронов. Так как масса гелия меньше, чем сумма масс четырёх свободных протонов, то часть массы в этой реакции перешла в энергию фотонов. Гидрожен, Оксижен и Нитрожен оказались в менее насыщенной частицами части плазменного скопления, и поэтому им не удалось встретиться в космосе с другими элементами и сменить прежнюю форму своего существования на более сложную. Они продолжали свои космические одиссеи в форме стабильного изотопа водорода – протия (ядро протия – 1H: 1 протон и 0 нейтрон). Все наши гиды путешественники на протяжении последующих нескольких сотен миллионов лет находились в одном из локальных сгущений плазмы. Поэтому они не разбрелись по просторам космоса, несмотря на то, что расстояния между плазменными облаками неимоверно быстро увеличивались за счет быстрого расширения Вселенной.
Заглядывая в будущее, отметим, что после первичного нуклеосинтеза сформировавшийся химический состав вещества во Вселенной оставался постоянным в течение около 300 млн. лет, до образования первых звёзд, ядерные реакции внутри которых стали генераторами новых порций гелия и более тяжелых элементов. Да и после образования огромного числа звезд, и генерации ими гигантской массы тяжелых элементов в течение миллиардов лет, общий химический состав Вселенной мало изменился. Так, к настоящему времени всё вещество представлено водородом на 74 %, гелием на 24 %, всеми более тяжелыми элементами вплоть до урана на 2 %. Относительно небольшая «наработка» элементов тяжелее гелия указывает на неимоверно гигантские объемы исходных химических элементов во Вселенной.
Вернемся к начальным этапам эволюции Вселенной. На протяжении приблизительно 180 тысяч лет ПБВ Вселенная была заполнена горячей, плотной электрон-фотон-протонной плазмой, образованной в результате первичного ядерного синтеза (нуклеосинтеза). Эта плазма включала наряду с ядрами водорода (протонами) и гелия (альфа-частицами), немного ядер лития и совсем мало ядер бора, углерода, азота и кислорода, а также электроны и множество других различных частиц. Весь этот меланж вещества и излучения был подобен океанам энергии, «кипящим» в ещё относительно небольшом объеме стремительно расширяющегося пространства. Отрицательно заряженные электроны и кванты излучения взаимодействовали с ядрами элементов, рассеивались, поглощались, не имея возможности вырваться на свободу, оторваться от вещества. Такое взаимодействие вещества и излучения (включая свет) обеспечивало непрозрачность пространства. Вселенная в состоянии плазмы напоминала густой туман. Наши космические гиды, положительно заряженные ядра: водорода (Гидрожен, Оксижен, Нитрожен), а также гелия-4 (Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум), как и все другие атомные ядра метались в этой массе вещества-энергии. Облако, в котором они были захвачены общим движением, представляло собой относительно плотное сгущение темного и обычного вещества, из которого в будущем образуется звездная галактика. Подобных протогалактических сгущений вещества-энергии в то время формировалось огромное множество.
Дальнейшее расширение и остывание Вселенной (до температуры 3000 °К) привело к значительному уменьшению плотности вещества. Приблизительно в период от 180 до 410 тысяч лет (ПБВ) в изменившихся условиях все частицы, включая электроны, уменьшили скорость супербыстрого хаотического движения. Ядра элементов получили возможность удерживать электроны около себя. Произошло одно из важнейших событий в эволюции природы – процесс объединения положительных атомных ядер и отрицательных электронов в первые, нейтрально заряженные атомы. Этот процесс – обратный ионизации, называют первичной рекомбинацией химических элементов. Он привел к переходу вещества из плазменного состояния, непрозрачного для электромагнитного излучения, в газообразное. Вселенная стала прозрачной, кванты света (фотоны) получили возможность свободно перемещаться в пространстве, почти не взаимодействуя с веществом. Вселенная, в которой прежде все электромагнитные излучения тотчас поглощались, стала прозрачной для света после рекомбинации. Свет этот, однако, представлял собой только отсветы прежнего горячего газа, испущенные им за мгновение перед рекомбинацией. Эти отсветы – фотоны, избежавшие рассеяния на заряженных частицах и разлетевшиеся во все стороны. Они в виде нейтральных элементарных частиц, преодолевая расширяющееся пространство, до сих пор пронизывают вселенское пространство, в том числе тела людей. Астрономы наблюдают в виде реликтового излучения (фона) те фотоны, которые были направлены в сторону расположения будущей Земли,
Процесс формирования атомных (электронных) оболочек начался с ядер лития, которым, однако, удалось при создавшихся температурных условиях присоединить только по 2 электрона, преобразовавшись в ионы лития (Li+). Для того чтобы стать нейтральными атомами им было необходимо присоединить еще по одному электрону. Продолжающееся остывание создало условия, при которых уже ядра гелия (альфа-частицы) захватили сначала по одному электрону, превратившись в ионизированные атомы гелия (He+), а затем и по второму, образуя нейтральные атомы гелия (He). Когда возраст Вселенной достиг около 200 тыс. лет, практически весь гелий стал атомарным. Через 170 тысяч лет после этого (370 тыс. лет ПБВ) настала очередь протонов (ядер протия) присоединять по одному электрону, превращаясь в атомы водорода. При температуре ниже 3000 кельвинов в основном завершился процесс приобретения протонами электронов, т. е. голых ядер протия (положительно заряженных протонов) осталось лишь 10 % от первоначального объема. К рубежу приблизительно 410 тыс. лет ПБВ голых протонов осталось только 1 %. Нейтральные атомы водорода и гелия больше не могли рассеивать остывшие фотоны, и они пустились в беспрепятственное путешествие по Вселенной. Эти реликтовые кванты, называемые фоновым микроволновым излучением, за прошедшие около 13,8 млрд. лет остыли до 2,725°К (-270,425°C).
Образование атомов первых химических элементов привело к возникновению космической химии – появлению первого химического соединения атомов в молекулу около 400 тыс. лет ПБВ. Таким соединением считается молекула иона гидрита гелия (соединение атома гелия и атома водорода, с одним удаленным электроном – HeH+). Ученые теоретически давно предсказывали этой молекуле данную роль, поскольку в тот период истории Вселенной водород и гелий были практически единственными атомами, созданными первичным нуклеосинтезом. Однако доказательств ее космического существования не было. И вот, в 2019 году астрофизики обнаружили ионизированные молекулы гидрида гелия, в одной из туманностей с помощью спектрального анализа вещества. Это открытие стало важным аргументов в пользу того, что приблизительно в период 400–450 тыс. лет ПБВ в процессе столкновений протона с атомом гелия возникали ионы гидрида гелия и испускались фотоны. Это ионное соединение, называемое так же, как гидрид гелия, считается первым сложным (двухатомным) веществом во Вселенной. Ученые (Рольф Гюстен и ряд других) полагают, что: "Вся химия во Вселенной начиналась именно с гидрида гелия". «Формирование молекулы гелий-гидрид ион имеет примерно такое же значение для эволюции химических процессов во Вселенной, какое имеет для жизни на Земле переход от одноклеточных форм к многоклеточным организмам»[5 - Мнение Дэвида Ньюфельда (David Neufeld), профессора Университета Джона Хопкинса (США), который является соавтором новой научной работы об обнаружении в космосе трудноуловимой молекулы – ион гидрида гелия.] (пояснение под соответствующим номером можно смотреть в разделе "Ссылки.." в конце книги). Конечно, далеко не все атомы гелия объединились с ядрами водорода в молекулу гидрида гелия.
Вслед за образованием гидрида гелия реализовались реакции с участием атомов водорода и протонов, которые привели к появлению молекулярного водорода. Такое объединение обеспечило стабильность водородного вещества, поскольку атом с одним электроном является нестабильным в условиях космоса. Гигантские облака молекулярного водорода являются основным исходным материалом для формирующихся звезд и галактик. Затем последовали реакции образования гидрида лития и других молекул. Эти химические соединения широко распространились в молодой Вселенной. По мере дальнейшего развития природы в пределах Вселенной вслед за первыми молекулами стали формироваться во все большем количестве и разнообразии более сложные соединения.
Наши космические гиды также преобразовались в нейтральные атомы. Чтобы стать нейтральными атомами водорода (протия), Гидрожену, Оксижену и Нитрожену достаточно было захватить на орбиту своего влияния по одному электрону. Ядра гелия – Карбовеж, Карбомал, Флюор, Ферум для превращения в атомы гелия присоединили по два электрона. В этом виде они продолжили существовать до определенной поры, неся в себе потенциал встречи с другими элементами, чтобы образовать более сложные природные формы. Похоже, атомы обладали не только свойствами исходного материала для многообразных природных форм, но и каким-то встроенным механизмом обязательной реализации этих свойств.
Появление атомов и первых молекул явилось важным рубежом на пути эволюции природы к человечеству, поскольку тем самым открылись неограниченные возможности формирования всё более сложных природных форм на основе химических соединений. Если бы по каким-то причинам в нашей Вселенной не осуществились реакции синтеза сложных химических соединений, то не появились бы молекулы водорода (Н2), без которых не возникли бы первые звезды. В отсутствии этих звезд не синтезировались бы все химические элементы тяжелее гелия, без которых не появились бы звезды следующих поколений и планеты. Не было бы жизни и человека. Так, что начало химических процессов можно отнести к одному из необходимых событий, без которых не продолжилась бы эволюция природы по направлению к человечеству.
Вещество получило доминирующее положение над излучением. Гравитация, которая до этого не имела никакого влияния во Вселенной, приняла роль ведущей силы. Нейтральные атомы водорода и гелия явились исходным материалом для межзвездного газа и звездных систем.
Спустя 5 млн. лет ПБВ температура Вселенной упала до 600°К, поэтому реликтовые фотоны перешли в инфракрасную зону. В результате космос накрыла беспросветная темнота. Первыми светлыми точками, рассеивающими темноту, стали самые ранние звезды, которые зажглись приблизительно через 100–200 млн. лет после Большого взрыва. Процесс образования первых звезд (звездное население III с нулевой металичностью), в которых происходил синтез элементов тяжелее гелия (в астрофизике, эти элементы называются металлами), был запущен благодаря рекомбинации водорода и гелия, а также содержанию молекул иона гидрита гелия. Звезды населения III состояли в основном из первичного материала (водорода, гелия и гидрида гелия) и в значительной части, были очень массивными, что способствовало быстрому использованию водорода на синтез гелия. Поэтому они уже давно прекратили свое существование. За относительно короткое время своего ядерного горения они успели синтезировать комплект химических элементов вплоть до железа. После прекращения ядерных реакций эти звезды взрывались в форме сверхновых звезд, что приводило к разбрасыванию по Вселенной всех произведенных элементов. Первые массивные звезды преобразовались в самые ранние, суперплотные объекты гравитационного происхождения – черные дыры и квазары. На следующем этапе эволюции вещество Вселенной начало концентрироваться в ранних формах галактик и газопылевых туманностей.
Следующее, второе поколение звезд (население II) сформировалось из газопылевого материала звезд первого поколения. Эти звезды имели уже более высокое содержание тяжелых элементов, чем у своих предшественников, но их металичностью оставалась еще малой. Среди звезд второго поколения сформировались как маломассивные, так и очень крупные объекты. Самые массивные звезды второго поколения прошли весь свой эволюционный путь, создав очередные порции тяжелых элементов и разбросав их в межзвездной среде. Это обеспечило условия для появления звезд третьего поколения (населения I), включая Солнце, которые в своем составе содержат максимальное на сегодня количество металлов.
Те звезды, которые имеют малую массу, обеспечивали условия для медленного темпа термоядерных реакций и, соответственно, для длительного их существования. Они излучают энергию до сих пор во многих галактиках, включая нашу. Например, новые наблюдения астрономов выявили в нашей Галактике одну из первых звезд во Вселенной, существующую до сих пор, несмотря на возраст около 13,5 млрд. лет. Масса этой звезды – небольшая, немного превосходящая необходимую для начала ядерной реакции синтеза гелия. Открытие этой звезды в Галактике свидетельствует о появлении первых звезд не позже 300 млн. лет ПБВ, а также о возникновении нашей Галактики Млечный путь около 13,5 млрд. лет. Атомы гелия – Карбовеж, Карбомал, Флюор, Ферум и атомы водорода – Гидрожен, Нитрожен и Оксижен не участвовали в начале формирования Млечного пути, поскольку в течение около 1,8 млрд. лет (от ~ 13,51 млрд. л.н. до 11,7 млрд. л.н.) находились на значительном удалении – в межзвездном пространстве.
Наши космические гиды за этот продолжительный период межзвездного путешествия стали свидетелями эволюции состава, объектов и структуры Вселенной. Химические элементы, известные нам по таблице «Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева», представляют обычное, видимое вещество, доля которого около 4 % от всей материи Вселенной. Видимым оно называется потому, что объекты из этого вещества человек может видеть непосредственно (видимый диапазон электромагнитного излучения) или наблюдать с помощью специальных приборов (различных антенн, телескопов). Обычное вещество во Вселенной находится в основном в трех видах: 1- плазмы, состоящей из ионизированных атомов с различной плотностью и температурой; в таком состоянии пребывают звезды с их оболочками, некоторые оболочки планет, газовые туманности, космические лучи – потоки элементарных частиц, в первую очередь, электронов и протонов разных энергий. Кроме того, в космических лучах выявлены также атомные ядра с низкой массой (гелий, углерод и кислород) и более тяжелые ядра (неон, магний и кремний); 2- разнообразных химических соединений в твердом, жидком или газообразном состоянии при сравнительно низкой температуре; химические соединения слагают планеты, астероиды, метеориты, кометы, пылевые туманности; 3- сверхплотного вещества, находящегося в белых карликах, нейтронных звездах, а также в таких космических объектах, как: ядра планет, черные дыры, образованные за счёт гравитационного коллапса (сжатия, схлопывания) крупной звезды или в сверхплотной материи в момент начального расширения Вселенной. Доподлинно не известно, что происходит со структурой атомов в таком веществе. В последнее время предложена гипотеза, согласно которой вещество в таких объектах «раздавлено» до кварков – составных частиц атомных ядер. Кварки в этом состоянии распределены по отдельным капелькам, которые получили название «страпельки». Каждая страпелька содержит по три кварка разного сорта («верхние», «нижние» и «странные»), что отличает ее от обычного протона или нейтрона, которые состоят из трех кварков двух сортов («верхние», «нижние»).
Состояние вещества, так же, как и его химический состав, тесно связаны с процессом эволюции звезд, планет и других космических тел во Вселенной. Основная масса обычного, барионного вещества сосредоточена в межзвездном газе и пыле (3,6 % массы Вселенной). На звезды и прочие концентрированные формы видимого вещества, включая земную жизнь, приходится только 0,4 %.
Современные модели Вселенной исходят из того, что главными её компонентами являются темная энергия (энергия вакуума) 74 % (по другой версии 73 %) и темное вещество 22 % (23 %). Темное вещество – холодное, возможно представлено гипотетическими, слабовзаимодействующими массивными частицами – вимпами (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP) или легкими слабовзаимодействующими частицами – виспами (Weakly Interacting Slim Particles, WISP). Физики предлагают на эту роль стабильную незаряженную частицу – аксион.
Дополнительно к этим представлениям, недавно появились сведения о разработке новой гипотезы, которая предполагает, что темное вещество и темная энергия существуют в некоем единстве. Это вещество-энергия, возможно, представляет собой жидкость с отрицательной массой. Новые представления хорошо объясняют известные проявления этой особой формы существования материи, которую называют тёмной потому, что она практически не взаимодействует с обычным веществом, включая свет. Потому трудно поддается изучению. О существовании темного вещества-энергии свидетельствуют только эффекты их гравитационного влияния на видимые объекты. Понятия «темная энергия и темное вещество» придуманы учеными для того, чтобы объяснить наблюдаемое образование, распределение, а также эволюцию галактик и их скоплений. По современным представлениям галактики являются сгустками темного вещества, звезд и обогащенного металлами газа. Стабильность галактики обеспечена тем, что относительно маломассивные объекты из обычного вещества погружены в огромное облако, гало темного вещества с огромной суммарной массой. При такой структуре галактика представляет собой довольно стабильную природную форму, в которой звезды и галактический газ находятся в равновесии.
Большинство специалистов полагает, что вся масса темного вещества образовалась на одной из первых, горячих стадий зарождения Вселенной одновременно с появлением плазмы из электронов, барионов (кварков, протонов, нейтронов и др.) и фотонов. Взаимодействие компонентов плазмы приводило к формированию других частиц. Расширение Вселенной и охлаждение плазмы прекратило генерацию новых частиц и привело к слиянию частиц в атомы. Темные частицы в самом начале распределились неравномерно. Первые неоднородности темного вещества постепенно комковались в протогалактические скопления. Эти невидимые гигантские объекты своей мощной гравитацией стягивали на себя атомы водорода и гелия, а также все частицы, обладающие массой. Атомы обычного вещества вместе с темным веществом образовали огромные космические структуры – галактики, в которых зажигались первые звезды. Между галактиками простирается обширнейшее межгалактическое пространство. Межгалактическая среда является, практически, абсолютным вакуумом. Но в то же время она включает весьма разреженный газ и пыль (плотностью около 1 атома на 1 м3), космические лучи, нейтрино, кванты электромагнитного излучения (главным образом, реликтового) и другие виды материи. Межгалактический газ вдали от галактик представлен главным образом ионизированным водородом. Возникает вопрос, что явилось причиной его ионизации, ведь во время первичной рекомбинации все химические элементы стали нейтральными атомами? Специалисты объясняют ионизацию межгалактических элементов воздействием излучений первых квазаров и молодых галактик в эпоху их образования. Поскольку плотность газа и пыли здесь – очень низкая, то они еще не успели рекомбинировать и остались в значительной части ионизированными. Только в окрестностях галактик и их скоплений существуют облака нейтрального водорода. Температура между галактиками оценивается в 2,73°К (-270,42° C). Участками межгалактическое вещество прогревается до десятков миллионов градусов мощными потоками энергии от сверхмассивных черных дыр, а также разлетающимися оболочками от сверхновых звезд и другими факторами. Значительная часть межгалактического газа была выброшена из галактик. В нем выявлены кроме водорода, также атомы гелия, углерода, азота, кислорода, серы, различных металлов. Межгалактический газ и пыль могут концентрироваться в облака. Галактики связаны между собой разреженной плазмой, имеющей волокнистую структуру, плотностью выше средней плотности Вселенной. Галактики, их группы, скопления и сверхскопления, как и межгалактическое пространство, погружены в темную энергию расширяющейся Вселенной. Вселенная расширяется с ускорением благодаря темной энергии. Галактики в скоплениях гравитационно связаны, поэтому пространство между ними не расширяется.
Вещество в галактиках распределилось на множество газовых облаков. Сжатие вещества в каждом газовом облаке привело к образованию гигантских, вращающихся, преимущественно водородных шаров. Давление внешних слоев шара привело к возникновению в его недрах огромных давлений и температур, при которых начались термоядерные реакции, запустившие звездный нуклеосинтез. Синтез тяжелых элементов сопровождается выделением огромной энергии. Начало излучения этой энергии в космос означает рождение звезды, которая будет полыхать энергией до тех пор, когда в её недрах закончится исходное топливо для синтеза тяжелых элементов.
Звезды подобно ядерным топкам или химическим фабрикам синтезировали из первоначальных, самых легких химических элементов (водорода и гелия) более тяжелые атомы, высвобождая в качестве побочного продукта невообразимо большую энергию, которая поддерживала ядерное горение звезды и мощно излучалась в космическое пространство. Это излучение позволяет нам видеть далекие звезды и их скопления. Состав первых и современных звёзд представлен в основном водородом – самым легким химическим элементом, который является самым распространённым элементом во Вселенной. Несмотря на близость состава звезд, все они весьма разнообразны по другим своим характеристикам. Природа обладает фантастической многовариантностью, неповторимостью каждой формы своего существования. Среди миллиардов звезд не найдено двух подобных. Разнообразие типов звёзд и соответственно реакций звёздного нуклеосинтеза приводит к тому, что каждая звезда содержит разный набор химических элементов и/или особое соотношение их. Любая звезда возникнув, синтезирует в своих недрах, прежде всего ядра гелия из водорода. Относительно некрупные, солнцеподобные звезды способны формировать только гелий и углерод. В отличие от них, в недрах звезд-гигантов достигаются такие высокие температуры, при которых после образования гелия и углерода синтезируются ядра более тяжелых элементов вплоть до алюминия и кремния. При температуре выше 30 млрд. °К в реакцию вступают ядра ещё тяжелее, начиная с кремния. В этих условиях синтезируются стабильные элементы вплоть до железа. Постепенно в звезде формируются слои из различных элементов. Ядерный синтез происходит с ускорением до фазы генезиса железа. Всё железо синтезируется уже в течение нескольких часов. Для синтеза более тяжелых элементов температурные и барические условия даже в гигантских звездах оказываются недостаточно жёсткими. Атомы железа не продолжают ядерный синтез. Железо концентрируется в центральной части такой звезды. Затухание ядерных реакций означает прекращение восходящего потока энергии из ядра звезды, противодействующего сжатию звезды. Силы, расширяющие звезду изнутри, становятся меньше сил гравитации, стремящихся сжать звезду. Огромная масса всех оболочек звезды под воздействием гравитации катастрофически быстро обрушивается к её центру. Звезда с увеличивающейся скоростью сжимается. Огромное значение плотности вызывает толчок (отдачу) для взрыва неимоверной силы, называемого вспышкой сверхновой звезды. Этот взрыв избавляет исходную звезду от избыточной массы. Вещество оболочек звезды выбрасывается в космическое пространство.
Зависимость образования звездных химических элементов от массы звезды и характера её эволюции характеризуется следующим образом. Звезды малой массы (менее 1,4 солнечной) после расхода всего топлива на ядерные реакции расширяются, излучают красный свет и постепенно сбрасывают в окружающий космос свои оболочки. На этом этапе эволюции они существуют в форме красных гигантов. Оставшиеся ядра (около 50 % первоначального объема звезды) сжимаются, нагреваются и освещают ультрафиолетом выброшенные газы. В этом виде они являются белыми карликами размером с Землю. В нашей Галактике обнаружено около 400 тыс. белых карликов.
Более массивные звезды в конце своей жизни сбрасывают свои оболочки не постепенно, а мгновенно, в виде взрыва большей части своего вещества. Этот взрыв называют сверхновой звездой. Чем больше масса звезды, тем сильнее процессы сжатия происходят в оставшейся после взрыва ядерной части звезды. Взрывы сверхновых звезд порождают разнообразные космические объекты. Во-первых, если масса исходной звезды соответствует от 1,4 до около 2,5 массы Солнца, тогда происходит уплотнение первичного солнечной вещество от диаметра приблизительно двух Солнц до около 10–20 км. В этих звездах под твердой оболочкой, пяти километровой толщины, располагается неизведанное вещество, плотностью превышающей плотность ядра атома. Такие объекты являются компактными нейтронными (кварковыми) звездами – пульсарами. Вокруг нейтронной звезды распространяется газ. В Галактике известно более 2 тысяч таких звезд. Следующим типом космического тела становятся звезды с солнечными массами от 2,5 до 3,5 солнечной. Остатки таких звезд подвергаются еще большему сжатию исходных химических элементов, до диаметра около 3 км. В результате возникают космические объекты, называемые «черная дыра». Черная дыра – относительно небольшой темный объект, обладающий настолько гигантским притяжением (массой гравитации), что свет из неё не может вырваться наружу. Она окружена сферой – горизонтом, из-за которого не проникает наружу никакое излучение. Рождение таких черных дыр сопровождается выбросом газовых туманностей. В том случае, если случается сверхновый взрыв очень массивной звезды (солнечной массой от 3,5 до около 4,5), тогда происходит прямой коллапс (сжатие) вещества, рождающий массивную черную дыру без всякого газа. Четвертым вариантом завершения первичной жизни звезды становится взрыв гипероновой (сверхмассивной) звезды, в результате которого в космосе остается только газ.
Ряд исследователей обоснованно утверждают, что весьма массивные звезды в конце своего звездного существования превращаются в «геоды» (GEODE, Generic Objects of Dark Energy), которые похожи на черные дыры, однако вместо сингулярности они содержат темную энергию. Геоды могут сталкиваться и увеличиваться. Существующая скорость расширения Вселенной может быть объяснена темной энергией таких геодов. К гипотетической темной энергии относится около 74 % массы Вселенной. Эта энергия является источником ускоренного расширения космического пространства.
При взрыве сверхновой звезды резко возникает огромное давление, которое приводит к тому, что в ядерных реакциях мгновенно образуется огромное количество нейтронов. Их поток так плотен, что даже самые короткоживущие новообразованные радиоактивные ядра не успевают распасться до того, как в них вбиваются все новые и новые нейтроны. Нейтроны в ядрах превращаются в протоны, тем самым создавая новые, более тяжелые элементы. Этот процесс синтеза ядер отличается от предшествующего и называется r-процессом. Совсем недавно считалось, что взрыв сверхновых образовал все более тяжелые атомные ядра середины и конца Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Однако в последнее время наблюдения показали, что слияние двух нейтронных звезд сопровождается взрывом, названным килоновой звездой. В процессе такого взрыва протекает r-процесс, создающий самые тяжелые элементы. По результатам этих исследований ученые пришли к выводу, что именно килоновые звезды являются основным источником наиболее тяжелых элементов во Вселенной.
Взрыв сверхновой или килоновой звезды срывает внешнюю оболочку вместе с накопившимися в ней химическими элементами, результатами деятельности нуклеосинтеза. Эти продукты эволюции звезды разлетаются вокруг, образуя огромное облако газа и пыли, а также обогащая ближайшие газопылевые скопления. Такие скопления газа и пыли являются родиной звезд следующих поколений. На протяжении существования Вселенной миллиарды сверхновых и килоновых звезд заполняли космическое пространство всеми самыми тяжелыми химическими элементами, вплоть до 94-ого элемента – плутония. Звезды последующих поколений, с самого начала содержат в своем составе, как и в окружающем их газопылевом облаке, примесь тяжелых элементов, образованных звездами-предками. Каждая космическая туманность (совокупность огромных облаков межзвездного газа и пыли), подвергаясь воздействию взрывов последующих поколений звезд, всё больше обогащалась тяжелыми элементами, в частности железом. Новая туманность отличалась от предыдущей (более древней), меньшей долей водорода, но большей железа. Например, Солнце – звезда третьего поколения состоит не только из водорода и гелия, но в малых количествах из множества тяжелых элементов вплоть до марганца и других. Люди заметили, что через каждые 100–200 лет на ночном небосводе внезапно вспыхивали яркие звезды – сверхновые, сияние которых быстро ослабевало. Так что, процесс производства тяжелых элементов в обозримой части Вселенной продолжается.
Вновь образованные химические элементы по мере уменьшения температуры газопылевого облака соединялись во множество молекул. После появления звезд одними из ранних соединений были вода (H2O), аммиак (NH3), метан (CH4), монооксид углерода (CO), диоксид углерода – углекислый газ (CO2). Продолжавшееся снижение температуры и повышение концентрации химических элементов делало возможным соединение тяжелых химических элементов в микроскопические твердые кристаллы. Первыми «звездными» минералами-пылинками во Вселенной, вероятно, были крошечные кристаллы чистого углерода в форме алмаза и графита. Вслед за ними возникли соединения из магния, кальция, азота, алюминия и кислорода: корунд (алюминий плюс кислород, яркие цветные образцы которого люди считают драгоценными камнями: рубинами и сапфирами) и более десятка других известных нам полезных ископаемых. Эти химические соединения в форме космического газа и пыли со временем становились составной частью планет и живых организмов.
Многие миллиарды сверхновых звезд синтезировали значительные объемы очень тяжелых химических элементов, однако доля этих элементов относительно огромнейшего объёма водорода во Вселенной остаётся ничтожно малой. Современный химический состав Вселенной очень мало изменился от начального и на 74 % представлен водородом. Гелия содержится 24 %, кислорода 1 %, углерода 0,5 %, все остальные химические элементы в сумме составляют лишь 0,5 %. Несмотря на малую долю кислорода, углерода и более тяжелых элементов, без них не было бы Земли, воздуха и человеческих тел. По словам кембриджского астрофизика Мартина Риса: «Мы – звездная пыль, пепел давно умерших звезд».
1.4. Галактическая (Млечная) развилка эволюции природы на пути к человеку. Около 13,5 миллиардов лет назад
Галактическая развилка эволюции природы на пути к человеку случилась приблизительно через 300 млн. лет после Большого взрыва, когда около 13,5 млрд. л.н. вспыхнули первые звезды нашей Галактики. Этот возраст уточнен по данным о возрасте недавно обнаруженной в Галактике малой звезды, о которой упоминалось выше.
Млечный путь изначально отличался большей массой относительно соседних скоплений звезд, поэтому постепенно их поглотил. Начав свое формирование с относительно небольшого диска, наша Галактика все время расширяется в направлении от центра. Значительное наращивание Галактики произошло приблизительно к рубежу около 10 миллиардов л.н., когда она поглотил около 50 близлежащих карликовых галактик и огромную массу межгалактического газа, представленного главным образом водородом. К этому времени наше звездное скопление набрало объем около 1,5 триллиона масс Солнца и достигло достаточно крупных размеров: диаметр 100 000 световых лет при толщине в несколько тысяч (один световой год равен почти 10 триллионам километров). Мчащаяся в пространстве она преобразовалась в одну из рядовых, быстро вращающихся спиральных галактик с двумя рукавами.
Для начального периода эволюции нашей Галактики, как и других, еще достаточно молодых галактик, была характерна мощная активность формирования сверхновых звезд. Взрывы этих многочисленных звезд поставляли в галактики тяжелые элементы, служившие материалом для звезд следующего поколения. Потребовались еще более четырех миллиардов лет для того, чтобы накопился необходимый набор тяжелых химических элементов, достаточный для формирования Солнечной системы с планетой Земля, в которой зародилась и развилась жизнь.
Появление во Вселенной огромного числа галактик позволило природе эволюционировать по множеству направлений. Каждое из этих направлений брало начало от соответствующей развилки эволюции природы. Появление человека разумного в галактике Млечный путь свидетельствует о том, что поворот эволюции природы на той Галактической развилке, от которой началась формирование нашей Галактики, оказалось успешным для нас. Антропный маршрут продолжился в этой Галактике потому, что её ранее образование после Большого взрыва обеспечило необходимо длительное время для формирования Солнечной системы, для появления в ней Земли и для продолжительной эволюции этой планеты до состояния, обеспечивающего зарождение жизни и её развитие до разумных людей. Мы не знаем о достижениях природы по созданию разумных существ в других галактиках. Тем не менее, можем предположить, что в молодых галактиках не успели возникнуть благоприятные условия для появления разума. Конечно, галактическая развилка является только необходимым, но далеко не достаточным событием для формирования сознательных существ.
Важным моментом эволюции Млечного пути явилась наибольшая концентрация вещества в её центральной части под воздействием гравитационных процессов. Здесь вспыхнуло много гигантских звезд, которые очень скоро, за несколько миллионов лет, израсходовали на термоядерные реакции весь свой водород и взорвались сверхновыми звездами. На их месте остались нейтронные звезды, черные дыры и газопылевые туманности из химических элементов тяжелее водорода. Наиболее крупная из черных дыр поглотила ближайшие нейтронные звезды и относительно небольшие черные дыры, а также окружающие газопылевые скопления. При слиянии этих объектов образовалась сверхмассивная черная дыра – Стрелец А, масса которой эквивалентна четырём миллионам масс Солнца. Такая значительная масса обеспечивает её мощнейшей силой притяжения. Вокруг этого центра тяготения вращаются все звездные системы Млечного пути. За время своего существования Млечный путь сформировал приблизительно 200 миллиардов звезд и созвездий, более тысяч обширнейших газовых облаков, скоплений и туманностей. Интересно, что обычное вещество, представленное всеми перечисленными звездами и прочими газово-пылевыми образованиями, плюс массивнейшая черная дыра в центре нашей Галактики, составляет только несколько процентов от общей массы. Преобладающая доля массы Млечного Пути сосредоточена в темном веществе и темной энергии.
Млечный путь вращается вокруг своей оси, проходящей через сверхмассивную черную дыру, перемещаясь при этом во Вселенной со скоростью 600 км в секунду. В этом сонме беспрестанно движущихся звезд мчится наша Солнечная система на скорости 230 км в секунду. Земля добавляет в эту сложную иерархическую карусель перемещения разноуровневых объектов свой путь вокруг Солнца с темпом 30 км в секунду.
Так уж случилось, что наши гиды-путешественники: Карбовеж, Карбомал, Флюор, Ферум, Гидрожен, Нитрожен и Оксижен не участвовали в начале формирования Млечного пути, поскольку находились на значительном удалении. До встречи с Млечным путем они путешествовали в межзвездном пространстве и были свидетелями того, как Вселенная катастрофически быстро разрасталась и усложнялась, рождая новые виды и формы вещества: повсюду зажигались многочисленные звезды, многие из которых через несколько миллионов лет, сгорая, становились сырьем для новых звезд. Обычное вещество под гравитационным воздействием темного вещества собиралось в галактики. Крупные галактики становились центрами галактических скоплений. Всё вещество распределилось в виде вселенской сети, погруженной в вездесущую темную энергию. Наши странники пока избежали испытания звездным пеклом. Плотность вещества в их среде обитания была настолько низкой, что частицы, способные изменить их судьбу, проносились мимо на большом расстоянии. Гидрожен, Оксижен и Нитрожен продолжали оставаться водородом, а Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум – гелием.
Судьба преподнесла им немало испытаний. Так, на период с 11,7 до 11,3 миллиарда л.н. пришлась активизация мощных источников ультрафиолетового излучения во Вселенной, в роли которых выступали квазары – активные сверхмассивные чёрные дыры в ядрах галактик. Квазары повысили температуру межзвёздного водорода и гелия от 10 до 22 тысяч °C. Это стало причиной реионизации водорода и гелия (повторного образования ядер из атомов), т. е. потери электронов у всех атомов. В результате Карбовеж, Карбомал, Флюор, Ферум преобразовались из атомов в ядра гелия, а Гидрожен, Нитрожен и Оксижен – в ядра водорода. Такое состояние вещества затруднило сжатие (коллапс) межгалактического газа, что прервало формирование малых галактик приблизительно на 500 миллионов лет и значительно замедлило формирование новых поколений звёзд. Малые галактики «рассыпались», оказались не способными удержать ранее собранный ими газ, и тот улетучился вновь в межгалактическое пространство. Так и наши гиды, побывав какое-то время в составе небольшой галактики, продолжили путешествовать в виде ядер химических элементов в составе межгалактического газа. Последующее остывание межзвездной среды привело к новому преобразованию ядер в атомы, и процесс формирования малых галактик возобновился. Ядра гелия – Карбовеж, Карбомал, Флюор, Ферум преобразовались снова в атомы. В этом состоянии они вместе с атомами водорода – Гидроженом, Нитроженом и Оксиженом оказались в том газопылевом облаке, из которого сформировалась карликовая галактика Кракен (Kraken- с англ. «морское чудовище»). Около 11 млрд л.н. Млечный путь захватил эту галактику, разорвал её в клочья и включил в свою структуру её звезды и межзвездное вещество.
Таким образом, Гидрожен, Оксижен, Нитрожен, Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум в составе галактики Кракен прибыли в Млечный путь. Попав в нашу Галактику, братья – водородики очутились в новых, весьма динамично меняющихся космических условиях. В этом гигантском, вращающемся газопылевом диске они путешествовали около 5,3 млрд. лет. Наверное, так и продолжали бы существовать гиды-водороды в прежней форме в межзвездной среде, если бы карликовая галактика Стрелец не пересекла диск нашей Галактики около 5,7 миллиардов л.н. Внедрение этого звездного скопления в диск Млечного пути произошло в удаленной части одного из рукавов Галактики, относительно не далеко от того места, где ныне существует Солнечная система. Скорее всего, гравитационное воздействие карликовой галактики на газопылевое облако стало причиной запуска механизма формирования массивной звезды. Эта протозвезда вобрала в себя окружавшие её газ и космическую пыль. Братья—водородики оказались вовлеченными в поток вращение вещества вокруг звезды. Новое положение стало судьбоносным для наших гидов. Эта звезда-гигант, которую назовём «Матернитэ» (Родительница), первоначально состояла почти целиком из водорода, гелия было совсем немного, не говоря уже о других элементах. В результате уплотнения вещества в недрах звезды создалось огромное давление и гигантские температуры, что «зажгло» термоядерные реакции преобразования водорода в гелий. Когда был израсходован весь водород, реализовались процессы непосредственного образование из ядер гелия ядер углерода и кислорода. Вслед за ними термоядерные реакции в Матернитэ последовательно синтезировали все химические элементы до железа включительно. Конечно, среди них были интересующие нас азот, фосфор, железо. Таким образом, Карбовеж и Карбомал приобрели форму углерода (С). Вернее сказать, Карбовеж и Карбомал заняли свои места в ядрах шестипротонных атомов углерода. Мы условно считаем, что они превратились в углерод. На самом деле, они были использованы для построения сложных ядер химических элементов в качестве единичных протонов. Оксижен стал кислородом (O), точнее говоря, вошел в состав атома кислорода, т. е. занял свое место среди восьми протонов в ядре. Нитрожен из водорода «превратился» в азот, т. е. внедрился в семипротонное ядро атома азота (N), соединившись с шестью другими подобными водородами-протонами. Флюор внедрился в ядро 15-ти протонного атома фосфора (P). Ферум «стал» железом, самым тяжелым элементом среди своих братьев – космических гидов. Он вошел в ядро 26-ти протонного атома железа (Fe). Только Гидрожен остался, как и прежде, водородом, поскольку пребывал в верхней оболочке звезды, где пониженная температура сберегла его от термоядерной реакции.
К рубежу 5,6 млрд. л.н. завершился синтез тяжелых элементов в звезде Матернитэ, и наши гиды приобрели форму тех элементов, в составе которых находятся до настоящего времени. Прекращение термоядерной реакции означало конец противодействию гравитации, произошел гравитационный коллапс и последующий ядерный взрыв звезды в качестве сверхновой. Почти мгновенно выделилась гигантская энергия, вызвавшая синтез стабильных и радиоактивных элементов тяжелее железа. Все созданные элементы с огромной скоростью были выброшены на гигантские расстояния. Сброс внешних слоев Матернитэ дополнил гигантскую молекулярную Дозвездную туманность новой порцией элементов. Эта туманность стала обладателем полного комплекта химических элементов, среди которых были Гидрожен, Оксижен, Нитрожен, Карбовеж, Карбомал, Ферум и Флюор. Преобладающим продуктом в оболочках звезды Матернитэ были углерод и кислород. Важно, что эта сверхновая обогатила Дозвездную туманность именно кислородом, который очень активно соединяет большинство элементов. Если бы не было кислорода, не возникло бы большинство известных минералов и не образовались бы все живые организмы, по крайней мере, на Земле. Особо следует отметить появление в рассматриваемой части Галактики ядер фосфора, среди которых был и Флюор. Этот элемент является редким гостем во Вселенной, но весьма необходимым для белковых форм жизни. Не случись в окрестностях будущей Солнечной системы в подходящий момент взрыва сверхновой звезды, не было бы нашей звёздной системы, и не возникла бы Земля с известными нам формами жизни.
Постепенно вещество Дозвездной туманности начало остывать и распределилось по нескольким газопылевым облакам. Положение одного из облаков пришлось на ту часть Галактики, где возникнет Солнечная система. Это протосолнечное облако c остывшим веществом стало исходным материалом для нашей звезды и планетной системы. По мере охлаждения облака возникли благоприятные условия для создания сложных химических веществ. Ещё до формирования Солнца состав газопылевого облака был довольно разнообразным. Конечно, главным компонентом были молекулы водорода (H2). Кроме молекул водорода, а также атомов и ионов различных элементов присутствовали первые простейшие молекулы водорода с углеродом и азотом, а также наиболее стабильная форма углерода – окись углерода (угарный газ – СО). В благоприятных условиях протопланетного облака происходило соединение атомов в удивительный набор молекул. Сформировались вода (Н2О), метан (простейший углеводородный газ – СН4) и углекислый газ (СО2). Также появился дейтерий, который является стабильным изотопом водорода, необходимым для синтеза более тяжелых элементов. Возник аммиак (нашатырь), представляющий собой газообразное соединение азота и водорода – NH3. В протопланетном облаке присутствовали молекулы спирта, органические кислоты (муравьиная и синильная), возможно белки и некоторые другие соединения.
При этом окись углерода, углекислый газ, метан и вода, т. е. соединения углерода с кислородом и водородом, а также водорода с кислородом оказались наиболее устойчивыми в очень разреженном космическом пространстве. Здесь же существовали рожденные в атмосфере звезд твердые пылинки из графита, тугоплавких соединений кремния, железа и прочих кислородсодержащих минералов. Присутствовали также, образованные в процессе взрыва, мелкие кристаллики алмазов. Твердые пылинки обзаводились оболочками из атомарного и молекулярного водорода, углерода, азота, кислорода. Пылинки в протопланетном облаке представляли собой совокупность тяжелых кристаллов и льда. Эти вещества формируются при значительном остывании протопланетного облака – до температур ниже 150°К. В таком, довольно холодном протопланетном облаке химические соединения существуют в трех формах. Во-первых, в виде газов представлены такие наиболее летучие компоненты, как водород, гелий, сероводород. В форме ледяных кристаллов выглядели вещества средней летучести – вода, метан и некоторые другие. В тяжелых кристаллах сконцентрировались нелетучие вещества – щелочи, нерастворимые основания. До этого температурного раздела, когда космическое пространство было более прогретым (более 150°К), химические вещества существовали в форме ледово-газового конденсата (например, в ледовой фазе – метан, вода, а в газовой фазе – водород, гелий).
Важнейшая роль Галактической развилки заключалась в том, что она создала предпосылки для накопления в определенном месте и в нужное время такого газопылевого облака, из которого возникла Солнечная система, включавшая звезду оптимального объёма и Землю, благоприятную для зарождения жизни и появления человека. Судя по современным сведениям о химических соединениях в Галактике, в протосолнечном облаке присутствовало около 200 основных видов молекул и плюс несколько сотен их изомеров[6 - Изомеры – хим. соединения, имеющие одинаковый хим. состав и молекулярную массу, но различающиеся строением молекул, физ. и хим. свойствами. Свойства изомеров зависят в основном от структуры внешней электронной оболочки. Изомер, несмотря на одинаковые составляющие атомы, имеет отличающийся от основной молекулы запах, другой вкус, другой цвет, другие реакции.]. Представлены они как простыми молекулами из 2-х атомов (например, самый распространенный во Вселенной – молекулярный водород – H2) или из 3-х атомов (вода – H2O, которой много в космосе), так и сложными – из разного количества атомов, вплоть до 13-ти атомов.
Протосолнечное газопылевое облако, вращаясь и сжимаясь, приобретало линзовидную форму и, наконец, преобразовалось в диск будущей Солнечной системы. Все братья-водороды оказались в относительной близости друг от друга в этом протосолнечном диске. Здесь им предстояло сменить форму своего состояния, войдя в состав более сложных молекул и минеральных агрегатов.
1.5. Солнечная развилка эволюции Галактики. 4,571 миллиардов лет назад
В нашей Галактике эпоха формирования Солнечной системы совпала со временем образования многих других звездно-планетных систем. Таким образом, природа реализовала многовариантность эволюции галактических форм движения материи. Возможно, в какой-то из звездных систем возникли планеты с благоприятными условиями для появления живых организмов. Но в рамках нашего обзора мы рассматриваем только тот маршрут эволюции природы, который привел к появлению человечества. Почему человеческая траектория эволюции прошла через Солнечную систему? Сравнение Солнечной системы с множеством выявленных планетных систем свидетельствует о том, что наш звездный дом во многом нетипичен. Так, образование Солнца и планет осуществилось на обочине Галактики, в зоне её обитаемости, где существуют необходимые условия для появления жизни и безопасного эволюционного усложнения живых организмов. В Млечном пути зона обитаемости простирается в форме кольца вокруг галактического центра. Внутренняя граница зоны отстоит от ядра Галактики на расстоянии 12 000 световых лет, а внешняя – 32 000 световых лет. Галактическая зона обитаемости характеризуется, прежде всего, такими факторами, как: значительная удаленность от ядра галактики; пониженное губительное излучение из центральной области галактики; относительно большие расстояния между звездами; малая частота катастрофических взрывов сверхновых звезд; высокое содержание тяжелых элементов, обеспечивающее формирование землеподобных планет и др.
Благоприятным оказалось не только место создания, но и время формирования нашей планетной системы – когда здесь было сконцентрировано достаточное количество тяжелых элементов для образования планет земного типа. В протосолнечном облаке содержание тяжелых химических элементов (например, на Солнце – 0,044 %), значительно превышало долю таких элементов не только в Млечном пути, но – в обозримой Вселенной (0,011 %). Такой состав вещества оказался очень удачным для человечества. Удачным космическим фактором для появления человечества стало возникновение водородной стены, которая отделяет Солнечную систему от окружающего межзвездного пространства (вещества). Эта стена находится на границе, где скорость солнечного ветра (частиц, преимущественно гелия) снижается до нуля. На этой границе частицы нашей звезды взаимодействуют с межзвездным водородом. В результате здесь возникает горячая плазма с температурой 30–50 тысяч градусов Цельсия. Эта плазменная стена предохраняет Солнечную систему от губительного влияния космического излучения. Не будь этой своеобразной оболочки вокруг нашей системы, все живое погибло бы на Земле.
Солнечная система характеризуется многими особенностями, отличающими её от других выявленных планетных систем Млечного пути. Очень важной особенностью является присутствие четырех каменистых планет в зоне обитаемости планетной системы[7 - Зона обитания для звезды – пространство вокруг звезды, в котором существуют планеты с поверхностными условиями, обеспечивающими беспрерывное существуют воды в жидкой фазе на протяжении, по крайней мере, нескольких сотен миллионов лет. Для достижения высокой степени развития жизни продолжительность блпгоприятных условий должна составлять, вероятно, не менее 3–4 млрд. лет.] (пояснения по ссылке можно смотреть в разделе "Ссылки.." в конце книги) или вблизи неё, а также существование массивного Юпитера на значительном расстоянии от Солнца, который существенно менял свою орбиту на протяжении истории планетной системы. Наличие и эволюция Юпитера стали одними из решающих факторов формирования Земли в зоне обитаемости планетной системы.
В зоне галактической обитаемости находятся много звездных систем, но условия на планетах этих систем значительно отличаются от солнечной системы. Потому, что многие звезды не сформировали вокруг себя зоны обитания. Например, самые распространенные звезды в Галактике, да и во всей Вселенной – красные карлики, практически не имеют планет. Довольно много экзопланет вращаются вокруг двойных звезд, что отличает эти звездные системы от Солнечной. Как правило, экзопланеты расположены очень близко от своих звезд, т. е. даже ближе, чем Меркурий находится от Солнца. На поверхности Меркурия температура достигает 430°C. В таких условиях не может быть речи о жидкой воде. Большинство из выявленных экзопланет является газовыми гигантами, похожими на Юпитер или ледяными планетами, т. е. не пригодными для обитания. Правда, по мере совершенствования методов обнаружения экзопланет доля планет похожих на Землю, скорее всего, будет возрастать. В настоящее время ученые прогнозируют в нашей Галактике около 300 миллионов экзопланет в зонах с благоприятными условиями для существования жидкой воды, а, следовательно, для зарождения жизни. Однако не только температурные условия определяют жизненный потенциал той или иной планеты, но и многие другие факторы. Эволюция Земли показала, что жизнь – весьма устойчивая природная форма, но, в то же время, очень зависимая от многих условий окружающей среды.
Время и место возникновения Солнечной развилки эволюции Галактики определилось приблизительно через 8,7 млрд. лет после Большого взрыва, т. е. около 5 млрд. л.н., когда сформировалось массивное, плотное газопылевое облако в Галактической нити Персея-Пегаса. Более точный адрес места формирования Солнечной системы: комплекс сверхскоплений Рыб-Кита, местная группа галактик, галактика Млечный Путь, рукав Ориона. Это облако массой около 10 масс Солнц состояло из молекул водорода и гелия, а также небольшой доли тяжелых элементов. Около 4,6 млрд. л.н. это массивное протосолнечное скопление молекулярной пыли и газа, вращающееся и летящее в галактическом пространстве, подверглось воздействию ударной волны от вспыхнувшей неподалеку сверхновой звезды под названием Матернитэ. Всё облако получило дополнительный импульс для уплотнения и подверглось гравитационному коллапсу (резкому сжатию). Взрыв сверхновой звезды не только явился триггером для начала формирования Солнечной системы, но внедрил в облако комплекс своих тяжелых и сверхтяжелых химических элементов, без которых Земля либо вовсе не образовалась бы, либо имела иной состав, не благоприятный для зарождения и эволюции жизни. Важнейшим вкладом сверхновой звезды в состав будущей Солнечной системы явился, прежде всего, набор сверхтяжелых элементов от кобальта до урана. Эти весьма тяжелые атомы наряду с полным комплексом химических элементов от водорода до железа были задействованы в конструировании нашей звездно-планетной системы и в процессе создания бесчисленного мира живых организмов на Земле.
Газопылевое протосолнечное облако представляло собой, по существу, пространство, заполненное двухатомными молекулами водорода (73 % – H2) и одноатомными молекулами гелия (25 % – Не). Доля всех тяжелых элементов составляла лишь 2 %. Самыми распространенными тяжелыми элементами являлись: кислород, углерод, неон, азот, железо, магний, кремний, сера, аргон, алюминий, никель, натрий и кальций. Все остальные элементы таблицы Менделеева присутствовали в газопылевом облаке в очень малых количествах. Среди газообразных молекул лишь изредка встречались тяжёлые химические элементы в форме различных микроскопических пылеобразных минеральных соединений. Пылевые гранулы состояли преимущественно из смеси разных силикатов (H2SiO3, Na2SiO3, H4SiO4 и др.[8 - В тексте приводится немало химических формул с целью показать, насколько сложными бывают не только молекулы живых существ, но также неживые минералы. Кроме того, формула указывает на место расположения наших атомных гидов в той или иной молекуле.]), графита (C) и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), которые, по одной из гипотез, занимают определявшее место в происхождении жизни (в создании цепочки РНК). Многие минералы сформировались уже в протосолнечном газопылевом диске, но определенная часть соединений была создана ещё в межзвездном пространстве в результате деятельности и гибели звезд первого и второго поколений. В межзвездном космосе атомы и молекулы движутся на значительном удалении друг от друга. В период долговременного одиночного путешествия они заряжаются большой энергией за счет поглощения электромагнитного излучения (фотонов – света). Поэтому при встрече такие, «высокоэнергетичные» молекулы были способными образовать экзотические соединения, которые не могут возникнуть в земных условиях. Продолжительная деятельность природной Галактической химической лаборатории обеспечила будущую Солнечную систему не только полным набором атомов, но также многими соединениями разной сложности, которые направили эволюцию Земле по траектории к зарождению и развитию жизни.
Например, в протосолнечное облако попали такие собранные из межзвездного пространства, тугоплавкие минералы ранних звезд, как: алмаз (С)[9 - Для того, чтобы понимать из каких элементов состоят минералы, после их названий приведены химические формулы.], лонсдейлит (одна из полиморфных модификаций углерода), карбид кремния (соединение кремния с углеродом – SiC). Кроме того: нитрид кремния (кремний с азотом – Si3N4), оксиды алюминия (корунд – Al2O3) и титана (Ti3O), оливин (MgFeSiO4), пироксен ((Mg, Fe, Ca) Si2O6), полевой шпат ((K, Na) AlSi3O8). В планетеземали, содержащих эти минералы, присутствовали также примеси фосфатов кальция (Ca SO4), сульфида железа (FeS), самородных железа и никеля. Кроме того, исходное вещество для Солнечной системы было обогащено такими молекулами, как: вода (H2O), монооксид углерода (CO) и циановодород – бесцветный, очень ядовитый газ (HCN) и другими. Особое внимание обратим на недавно открытое в нашей и соседней галактике, весьма интересное соединение – Фуллерен – молекула в форме полого выпуклого многогранника из шестидесяти и более атомов углерода. Эта комбинация атомов в газообразной и твёрдой фазе напоминает покрышку футбольного мяча. Вполне возможно, что фуллерены участвовали в формировании пребиотических предков первых живых организмов. Ведь они обладают весьма прочной и долговечной конструкцией и способны транспортировать сложные органические молекулы.
Природа экспериментальным путем выбрала углерод для формирования живых существ потому, что только этот элемент способен формировать неисчислимое разнообразие молекул с крупнейшими размерами. Уже в протопланетном диске Солнечной системы образовалось значительное количество таких сложных[10 - Самой сложной молекулой в природе является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), в которой кодируется геном организма. Молекулярный вес её достигает миллиардов, длина в развернутом виде составляет до 3 см.] молекул, как: 1- муравьиная кислота (CH2O2), которую земные формы жизни активно используют для синтеза более сложных карбоновых кислот; 2- метанол (CH4O – простейший одноатомный спирт) и 3- формальдегид (CH2O – бесцветный органический газ). Наличие сложных углеводородов вне Земли показывает, что неживая и живая природа находятся в тесном единстве. Периодическая химия создала предпосылки для появления биотической химии. Конечно, для протекания химических реакций, создавших живые объекты, необходимы особые условия, возникновение которых потребовало от природы реализовать множество самых разных вариантов эволюции природы. Например, Земной маршрут эволюции природы характеризуется неустойчивостью большинства космических органических соединений. Особые геологические и геохимические условия на нашей планете преобразовали органические вещества космического происхождения и создали углеродные агрегаты, специфичные только для Земли. На Земле эволюция природы привела к зарождению жизни и её развитию до человека современного типа благодаря последовательному выстраиванию череды множества эволюционных поворотов (развилок). Читателю предоставлена возможность ознакомиться с 47 главными развилками эволюции природы, приведшими к возникновению разумной формы материи.
Сжатие вращающегося газопылевого облака преобразовало его в диск, в котором сформировался центральный быстро крутящийся и уплотняющийся сгусток вещества – протозвезда. Мощное поле гравитации протозвезды стянуло на нее почти всю массу-энергию протосолнечной системы. Считается, что около 99,8 % массы химических элементов всего диска сконцентрировалось в прото-Солнце. Планеты и спутники Солнечной системы образовались из остатков вещества.
Вещество центральной протозвезды в течение приблизительно одного миллиона лет сжалось до такой степени, при которой произошел гравитационный коллапс[11 - Гравитационный коллапс – катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил.]. В результате катастрофического сжатия в недрах протозвезды возникли термоядерные реакции синтеза гелия из водорода с выделением огромной энергии. Начало излучения этой энергии, сравнимое с взрывом неимоверно мощной водородной бомбы, означало возникновение нашего Солнца. Для нашей Галактики образование новой звезды 4,571 (4,568[12 - Вскоре после вспышки Солнца образовались кальций-алюминиевые соединения, имеющие возраст 4568 млн лет, который почти соответствует времени появления Солнечной системы.]) млрд. л.н. явилось всего лишь очередным вариантом в череде великого множества других «проб» создания разных звездных систем. Вспышка Солнца продолжила маршрут эволюции природы по направлению к появлению планеты Земля и возникновению человечества. Назовем начало образования Солнечной системы Солнечной развилкой эволюции Галактики на пути к человеку разумному. По подсчетам ученых, Солнце является представителем третьего поколения звезд от момента Большого взрыва, о чем уже отмечалось выше. Напомним, что предшествующие поколения звезд готовили тяжелые элементы в разнообразии и количествах, необходимых для возникновения в определенном месте Вселенной Земли, способной родить и развить жизнь до человека.
На разном удалении от вспыхнувшего Солнца создались отличающиеся температурные, радиационные и прочие условия, что обусловливало зональное образование специфических новых минералов и такое же распределение ранее прибывших соединений. Соответственно, планетеземали – исходные компоненты планет, сформированные на разном удалении от Солнца, различались как фазовым, так и химическим составом. Остатки вещества в протопланетном диске, после сбора протозвездой всего газа и пыли в её ближайшем окружении, сгруппировались во множество слоев-колец. Причем вещество колец, расположенных ближе к Солнцу, значительно прогревалось, что приводило к дегазации пылинок. Значительная часть газа отсюда выдавливалась звездным излучением в периферийную область протопланетного диска. Поэтому в составе ближайших к Солнцу газопылевых колец доля пыли значительно превышала газовую составляющую. Такая обогащенность тяжелыми минеральными частицами внутренней области диска обусловила формирование четырех твердых планет земной группы вблизи Солнца (Меркурий, Венера, Земля, Марс). В этой области кислород (O), кремний (Si) и натрий (Na) объединились в многочисленные пылинки минералов, называемых безводными силикатами (например, Na2SiO3 и др.). Силикаты послужат основой горных пород, из которых состоит земная кора. Образованные здесь углистые хондриты (графит, сажа, органические соединения и др.) содержали воду в значительных количествах, а также заключали силикаты с большой долей железа (прежде всего, оксида железа – магнетита – Fe3O4). Во внутренней области протопланетного диска были сосредоточены многие органические вещества, например, цианоацетилен (HC3N), ацетонитрил (CH3CN), циклопропенилиден (c-C3H2) и другие, вплоть до аминокислот, а также вышеупомянутые ПАУ. В этой области проявилось неполное окисление железа. Вещество более удаленных от Солнца газопылевых колец оказались более окисленным. Конечно, весь этот, достаточно обширный перечень химических соединений представлял очень малую долю в протосолнечном облаке. Всё же, даже такое небольшое количество разнообразных веществ обеспечило формирование Земли с её уникальным составом и со всеми живыми организмами на ней.
В слоях-кольцах, удаленных от Солнца, было очень холодно, что привело к намерзанию газа на пылинках. Этот газ, наряду с большим объемом выдавленного водорода и гелия из окружения Солнца, создали условия для формирования здесь планет иного типа – газовых гигантов (Юпитер, Сатурн).
Тепло от Солнца прогрело вещество протопланетного диска. Для каждого кольца были характерны свои температуры, зависящие от удаления их от звезды. Вещество колец, прогретых свыше 2 000°C, испарилось и переместилось на более удаленные орбиты. На удалении более 8 млн. км от Солнца пониженные температуры позволили металлам и минералам затвердеть, но вода и ряд других веществ находились в жидком или газообразном состоянии. Эта внутренняя часть Солнечной системы простирается до «линии снега», границы, за которой вода, метан и аммиак существуют в твердой фазе – форме льда. Эти соединения водорода являются самыми распространенными веществами Солнечной системы, особенно вода.
Молекулы газа, пылинки, кристаллы льда в кольцах вокруг Солнца постепенно притягивались друг к другу, образуя каменные обломки и куски льда. По мере вращения по своим орбитам вокруг Солнца более крупные тела притягивали мелкие, превращаясь в каменные или ледяные глыбы размером приблизительно от 1 до 1,5 км – планетеземали. Через несколько миллионов лет из планетеземалей сформировались протопланеты – основа будущих планет. Довольно хаотичное движение протопланет приводило их к частому столкновению, в процессе которого одни разрушались, а другие наращивали массу.
Первой планетой Солнечной системы стал газовый гигант Юпитер приблизительно 4,55 млрд. лет назад. Юпитер по химическому составу очень сходен с Солнцем. Этой огромной планете не хватило совсем немного массы для того, чтобы зажечь термоядерную реакцию в ядре и превратиться в звезду подобную Солнцу. Если бы в распоряжении Юпитера оказалось чуть больше исходного газопылевого материала, то на месте этой планеты вспыхнула бы вторая звезда в нашей Солнечной системе. Впрочем, в таком случае эта двойная звездная система не была бы нашей, так как высокая температура на Земле испарила бы всю воду, и не было бы человека на ней. Вокруг Юпитера подобно звездной системе вращается 79 спутников, среди которых – такая интересная минипланета, как Европа, под ледяной оболочкой которой расположен океан жидкой воды. Юпитер образовался на достаточно удаленном расстоянии от Солнца. Сначала скомпоновалась суперземля – каменная планета массой превышающей нескольких масс Земли. Огромная масса твердой протопланеты притянула к себе все ближайшие протопланеты и весь газ, окружающий её орбиту в пределах своего слоя-кольца. В конечном счете, Юпитер расчистил от протопланетного вещества широченное кольцо в диске Солнечной системы. Возникла замерзшая гигантская газовая планета, внешние оболочки которой представлены в основном молекулярным и металлическим водородом, а ядро сложено тяжелыми элементами, вероятно, в плазменном состоянии.
Немного позже шло формирование соседней планеты Сатурн, которая собрала все вещество с обширного пространства, прилегающего к её орбите. Получился второй по величине замерзший газовый, преимущественно водородный гигант в Солнечной системе. Эти два планетных монстра вобрали в себя 92 % вещества, оставшегося после образования Солнца. В периферийной области диска Солнечной системы образовались две другие холодные планеты меньшего размера – Уран и Нептун, состоящие преимущественно из водорода, гелия и метана. Внешние планеты – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун состоят из водорода, гелия, метана, аммиака и других газов. Кроме того, в их атмосферах содержатся сложные молекулы. Предполагается существование твердого ядра у этих планет.
Внутренняя часть протопланетного диска оказалась значительно беднее газом, чем внешняя зона. Поэтому здесь образовались каменно-металлические планеты: Меркурий, Венера, Земля, Тея и Марс. Поверхностные слои планет земного типа (включая Луну) образованы твердыми силикатными, алюмосиликатными, карбонатными и другими минералами. Внутри этих планет находится ядро из более тяжелых пород, содержащих элементы с большой атомной массой. Меркурий содержит ферромагнитное ядро и обладает сильным магнитным полем. Общее количество металлического железа, по некоторым данным, в Меркурии составляет около 58 %. Венера и Марс, как и Земля, имеют железные ядра. На Венере много карбонатов, термическое разложение которых привело к накоплению диоксида углерода в атмосфере этой планеты. Размеры этих планет получились довольно скромными по сравнению с газовыми гигантами внешней части системы, поскольку для их формирования в ближних к Солнцу протопланетных кольцах осталось совсем немного вещества. Для завершения формирования внутренних планет потребовалось в десять раз больше времени, чем для образования внешних планет. Только приблизительно через 75 миллионов лет после образования Солнца завершилось строительство Солнечной системы. Однако эволюция системы почти сразу приняла революционный характер. Планета Тея, мчащаяся вокруг Солнца по орбите очень близкой к Земному пути, в конечном счете, столкнулась с более массивной Землей. Из обломков Теи и вырванной части Земли около 4,48 миллиарда л.н. образовался спутник Земли – Луна. После появления Луны Земля приобрела самую надежную стабильность среди всех внутренних планет (земного типа).
Осталось не собранным в планету множество астероидов на орбите между Марсом и Юпитером. Произошло это по той причине, что сильная гравитация Юпитера перемешивает, сталкивает астероиды, не позволяя им собраться в одно космическое тело. За орбитой Нептуна расположено еще одно кольцо астероидов – пояс Койпера. В этом поясе огромное количество каменных обломков и ледяных глыб расположены на большом расстоянии друг от друга, что исключает их аккрецию (соединение) в планету.
На внешней, гравитационной границе Солнечной системы расположена гипотетическая сферическая область – облако Оорта – остаток исходного протопланетного диска, который сформировался вокруг Солнца около 4,6 миллиарда л.н. Объекты облака Оорта состоят преимущественно из водяных, аммиачных и метановых льдов. Они вращаются вокруг Солнца по очень вытянутым эллиптическим или параболическим орбитам и служат источником долгопериодических комет.
Через 50 миллионов лет после образования Солнечной системы Юпитер вошел в резонанс с Сатурном, что привело к мощному гравитационному катастрофическому событию – смене орбит многих планет. Тяжелее всего пришлось Нептуну и Урану, которым пришлось поменять орбиты. В результате этого гравитационного воздействия основная масса космических тел из пояса астероидов и пояса Койпера вылетели из своих орбит за пределы Солнечной системы, но часть их устремилась во внутренние части системы. Земля, Луна, Меркурий, Венера и Марс в период от 4,1 до 3,8 миллиарда л.н. практически непрерывно подвергались мощным атакам метеоритов и астероидов различной величины[13 - На юго-западе Алжира упал метеорит (названный EC 002), который образовался где-то на просторах Солнечной системы 4,565 миллиарда лет назад. Он представляет собой образец лавовой породы, сформированный в условиях некой древнейшей планеты. Этот метеорит указывает на то, что уже в начальный период существования нашей системы кроме известных планет появились достаточно крупные планеты, в недрах которых происходили активные процессы расплавления вещества и его излияния на поверхность. В результате столкновения таких космических объектов образовалось множество крупных астероидов, мелких обломков или тончайшей пыли, часть которых до сих вращаются вокруг Солнца и постоянно падают на Землю и другие планеты, наращивая их объемы.]. Этот катастрофический период эволюции Солнечной системы назвали поздней тяжелой бомбардировкой, максимум которой случился приблизительно 3,9 млрд. л.н. В результате на Землю дополнительно поступило много минерального материала и воды. Поздняя бомбардировка значительно перепахала поверхность Земли, испарила миллионы тонн воды, способствовала повышению влажности атмосферы и скорости перемещения воздушных и водных масс.
Солнечная система несётся сквозь Млечный путь по круговой орбите на расстоянии 26 тысяч световых лет от центра со скоростью приблизительно 230 км/с. Путь Солнечной системы, а значит и Земли, вокруг центра Галактики составляет около 230 миллиона лет. Таким образом, наша планетная система за время своего существования совершила около 20 оборотов вокруг Стрельца А – высокоплотного объекта, сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного пути. Под влиянием гравитации центрального галактического балджа движение Солнца по орбите имеет волнообразный характер, благодаря которому Солнце периодически оказывается то с одно, то с другой стороны галактической плоскости. Каждые приблизительно 29–30 миллионов лет Солнечная система пересекает галактическую плоскость. Наша планетная системы в каждом положении орбиты испытывает определенное воздействие окружающих космических тел, которое вызывает какие-то реакции Солнца, планет и других объектов. Например, предполагают, что в определенном, повторяющемся положении системы в Галактике, облако Оорта повышает частоту «обстрела» кометами Земли. Встречи комет с Землей могли стать спусковыми моментами череды глобальных планетарных событий, обусловливающих массовые вымирания живых организмов. Немало научных трудов свидетельствуют о высокой вероятности влияния галактических факторов на ход эволюции земных живых организмов. Понятно, что в ином галактическом положении наша планета была бы иной. Земля движется по орбите вокруг Солнца со скоростью 30 км в секунду. Чем дальше от Солнца располагается планета, тем медленнее она вращается вокруг центра Солнечной системы.
По мере увеличения знаний о строении и истории Солнечной системы нарастает уверенность специалистов в уникальной предрасположенности нашей звездной системы к появлению и развитию жизни. Прежде всего, следует отметить, что орбита Солнечной системы удачно проходит в средней части «зоны обитаемости» нашей Галактики. Для Млечного Пути эта зона удалена от галактического центра на расстояние приблизительно двух третей радиуса Галактики. На большем расстоянии от центра Галактики звезды и планеты бедны тяжелыми химическими элементами, что не приемлемо для жизни. Космические тела, расположенные ближе к ядру галактики, подвергаются сильнейшему неблагоприятному воздействию черных дыр, которые там находятся.
Солнечная система сформировалась в одном из самых безопасных мест Млечного пути – во внешних регионах, в которых приблизительно 6 миллиардов л.н. происходило меньше всего вспышек сверхновых звезд и гамма-всплесков. В то же время, в отличие от других подобных мест район образования нашей системы, к нашему счастью, оказался не совсем спокойным. Земля подвергалась достаточно регулярным воздействиям вещества и энергии от взрыва сверхновых звезд, что вызывало многочисленные глобальные вымирания земных организмов и стимулировало рост многообразия живой природы. Эволюция жизни в таких условиях привела к появлению современного человека. Так что, Солнечная система с нашей планетой появилась в нужном месте и в благоприятное время для зарождения и эволюции жизни.
Удачной предрасположенностью Солнечной системы к ее обитаемости было также то обстоятельство, что её планеты вращаются вокруг достаточно молодой звезды (возрастом около 4,6 млрд. лет), с относительно небольшой массой. Малая масса Солнца позволяет ей существовать продолжительное время, около 20 млрд. лет. Если бы наша звезда имела массу больше, то она, спустя несколько десятков или сотен миллионов лет после своего возникновения (в зависимости от массы) успела бы реализовать термоядерные реакции и взорвалась бы, превратившись в нейтронную звезду или черную дыру. Этого времени просто не хватило бы для появления жизни и её эволюции до разумных существ. Человечеству повезло также в том отношении, что начальная светимость Солнца была благоприятной для появления на Земле жизни вскоре после образования планеты (около 70 % от современной светимости). Так, если бы начальная светимость была выше реальной, то парниковые газы в атмосфере планеты привели бы к перегреву земной поверхности и исчезновению воды. Эволюция Земли пошла бы по пути Венеры. В случае если бы начальная светимость Солнца была меньше существовавшей, то с большой вероятностью реализовались бы все рассматриваемые развилки эволюции нашей планеты, однако они происходили бы с задержкой на 1,5–2 млрд. лет. При таком варианте эволюции человечество появилось бы еще не скоро. Солнце является стационарной звездой, которая мало меняет свою светимость в течение миллиардов лет. Поэтому эволюция земной жизни имела возможность на протяжении последних 4 млрд. лет пройти маршрут от первых живых клеток до человека разумного.
Следующим необходимым фактором обитаемости звездной системы выступает наличие планеты на таком расстоянии от звезды, которое обеспечивает присутствие на ней жидкой воды на протяжении нескольких миллиардов лет. Кроме того, эта планета должна иметь размеры, позволяющие ей генерировать в недрах и выдавать на поверхность тепло на протяжении не менее 5–6 млрд. лет. В Солнечной системе звезда и планета Земля подходят под перечисленные критерии. Ученые оценили, что земное ядро будет излучать тепло еще около одного миллиарда лет. Спустя этот срок произойдет сильнейшее охлаждение Земли, что приведет к исчезновению её магнитного поля. На этом рубеже уж точно прекратится жизнь на нашей планете.
В период формирования Солнечной системы произошли значительные изменения в судьбах наших химических гидов. Они в течение приблизительно одного миллиарда лет, от 5,6 млрд. л.н. до 4,6 млрд. л.н., находились в протосолнечном газопылевом облаке, где встретились с другими атомами или молекулами, сформировав с ними те минералы, которые примут участие в строительстве нашей планеты. Так, Гидрожен в результате долгих странствий в облаке с весьма редким «населением» атомов и молекул, наконец, столкнулся с другим атомом водорода. Этот дуэт образовал водородную молекулу (Н2), которая спустя многие миллионы лет наткнулась на космический атом кислорода. Встреча привела к возникновению молекулы воды (Н2О) – Гидроженной воды. Оксижен, мчась в протосолнечном диске, объединился с другим атомом кислорода в молекулярный кислород. Через какое-то время эта молекула кислорода налетела на атом кремния, с которым у них получилось создать молекулу двуокиси кремния – минерал Оксиженный кремнезем (SiO2).
После вспышки нашей звезды в протопланетном диске создались условия для объединения молекулы воды с окисью магния и двуокисью кремния. Такое объединение породило один из гидросиликатных минералов – серпентин (окись магния – MgO – 43,0 %, двуокись кремния – SiO2 – 44,1 %, вода – Н2О – 12,9 %;). Интересным поворотом в судьбе гидов-братьев водородов стало то событие, что волею случая, Оксиженный кремнезем оказался как раз тем веществом, которое вместе с Гидроженной водой образовало молекулу Гидрожен-Оксиженного серпентина. Этот минерал в комплексе с другими соединениями сформировал обломок горной породы – планетеземаль[14 - Планетезима?ль – твердое космическое тело из частиц пыли, находящееся на орбите вокруг звезды. Планетезимали, имея размеры от нескольких миллиметров до килолметров, под воздействием гравитации могут собираются в крупную протопланету.] (пояснения по ссылке можно смотреть в разделе "Ссылки.." в конце книги) которая внесла свой мизерный вклад в формирование земного шара. Дальнейшие перипетии судеб Гидрожена и Оксижена будут определяться эволюцией нашей планеты.
Карбовеж, Карбомал путешествовали в протопланетной солнечной туманности в составе ядер атомов углерода (C). Недалеко от них в газопылевой среде находился Нитрожен (атом азота – N). По мере сжатия газопылевой туманности и превращения ее в более консолидированное облако, а затем и в протосолнечный диск, уменьшались расстояния между химическими элементами, что обеспечило возрастание частоты их столкновения и взаимодействия. Происходило формирование сложных органических молекул с участием атомов углерода и азота. Такие реакции, вероятно, даже многоэтапные, протекали с разной степенью активности по всему протосолнечному облаку, на ранних стадиях его эволюции. Особенно много органических молекул формировалось в обширном слое-кольце протопланетного облака, которое в будущем стало главным поясом астероидов, на границе внутренней и внешней областей, между Марсом и Юпитером. Определённая часть органики генерировалась также во внутренней области протопланетного диска, в том числе в газопылевом слое-кольце будущей Земли. В этом кольцевом скоплении газа и пыли Карбовеж и Нитрожен с другими атомами углерода и азота, а также с водородом и кислородом соединились в органическую молекулу Урацил (C4H4N2O2). Космический Карбовеж-Нитроженный урацил[15 - Вешествам и организмам, содержащим атомы-гиды, присваиваем названия с учетом имени соответствующего атома. Например, молекула гликольальдегид, включающая атом углерода Карбомал, получила название Карбомалный гликольальдегид. Таким образом, отмечаем «наших» молекул или живых организмов, выделяя их среди множества подобных, но не содержащих наши атомы-гиды.] существовал в форме аморфного вещества или иглоподобных кристаллов белого цвета. Доказательством возможности внеземного происхождения урацила стало его обнаружение в метеорите Мурчисон. Ученые предполагают, что урацил, прибывший на Землю в составе планетеземалей или в виде космической пыли, мог участвовать в образовании рибонуклеиновых кислот (РНК[16 - РНК – Рибонуклеиновая кислота? – вместе с двумя другими основными макромолекулами (ДНК и белки) входит в состав клетки всех живых организмов. Эти главные жизненные молекулы обеспечивают сохранение информации, кодирование, прочтение, регуляцию и выражение генов.]) – основного ингредиента для жизни. Не исключено, что многочисленные молекулы этого внеземного органического соединения, наряду с другими могли быть основой первых пребиотических или даже биотических химических конструкций на Земле. После возникновения жизни урацил является компонентом рибонуклеиновых кислот.
Карбомал вошел в состав органической молекулы Гликольальдегида (C2H4O2), для образования которой в реакцию вступили атомы углерода, кислорода и водорода. Атомы углерода – строительный материал для всех живых форм. Карбомалный гликольальдегид с представлял собой межзвездную молекулу сахара. Конечно, нет доказательств того, что Карбомал в протосолнечном облаке входил в состав именно такой молекулы. Однако о большой вероятности этого события свидетельствует обнаружение в 2000 году Джесом Йоргенсеном и Яном Холлисом гликольальдегида в звездной системе, расположенной недалеко от центра Галактики. Гликольальдегид может быть предшественником многих биологически активных соединений, например аминокислоты глицина, а также является необходимым компонентом одной из главных молекул для жизни – РНК. Попадание органических молекул на Землю могло служить важным фактором для зарождения жизни.
Флюор (P) и Ферум (Fe) в условиях протосолнечного облака создали фосфид железа (Fe3P), который затем вступил в реакцию с никелем и кобальтом. В результате это соединение усложнилось до железоникелевого фосфида в виде минерала шрейберзита {(FeNi9Co)3P}. Этому Флюор-Ферумному шрейберзиту предстояло еще несколько сот миллионов лет наблюдать за образованием Земли, находясь среди остатков протопланетного вещества. Только около 4,2–4,1 млрд. л.н., во время бомбардировки эти гиды попали на Землю.
2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ЭТАП ЭВОЛЮЦИИ ПРИРОДЫ К ЖИЗНИ
Природа в пределах нашей звездно-планетной системы после Солнечной развилки эволюционировала по нескольким планетарным вариантам. Направления эволюции природы на формирование Марса и Венеры, возможно, привели к образованию простейших живых существ, но дальнейшее развитие этих планет оказалось неблагоприятным для усложнения жизни. Эволюция Меркурия, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна не привели к появлению жизни. На некоторых спутниках этих планет предполагается возможность существования лишь каких-то примитивных форм жизни. Только уникальные характеристики эволюции Земли создали благоприятные условия для зарождения и усложнения живых организмов до современного человека. Ранняя эволюция Земли прошла через череду развилок, ведущих к появлению жизни. Самыми необходимыми для образования биотических объектов были эволюционные развилки: Земная, Лунная, Литосферная, Океаническая и Континентальная. Антропный маршрут развития природы, проходящий через эти развилки, выделим в качестве Геологического этапа эволюции природы в направлении к жизни. Еще этому этапу можно дать название – Добиотический, поскольку он готовил планету к возникновению живых организмов.
2.1. Земная развилка направила эволюцию Солнечной системы к человечеству. 4,567 миллиардов лет назад
Для создания сознательных существ типа человека разумного природа воспользовалась поворотом своей эволюции на Земной развилке. Это важное событие соответствует моменту образования земного шара, 4,56 миллиарда лет назад. Планета Земля попала на антропный эволюционный маршрут потому, что она по многим своим характеристикам оказалась благоприятной для появления, эволюции и современного обитания огромного многообразия живых существ от одноклеточных, относительно простых микроорганизмов до очень сложных макроживотных – людей, способных познавать окружающий мир и создавать комфортные условия для своего обитания. Землю можно характеризовать в качестве Планетной формы эволюции природы на пути к жизни.
2.1.1. Состав и структура Земли
Земля является сложной системой, эволюция которой направлена, как бы специально, на образование живых существ и их развитие до человечества. Для того чтобы понять – почему это удивительное явление природы связано с этой планетой, рассмотрим основные её характеристики. Приблизительно 4,56 млрд. л.н. завершилась первая стадия формирования земного шара. Осуществилась аккреция (слипание) около 99 % нынешней массы Земли. К этому времени наша планета практически полностью очистила свою орбиту от вещества, находившегося в газово-пылевом диске вокруг Солнца. На долю Земли и других планет осталось та, относительно малая часть холодного твердого и газообразного вещества, которая не была использована в процессе образования крупнейших объектов Солнечной системы: Солнца и Юпитера. После этих первых объектов Солнечной системы почти одновременно с Землей на разных орбитах нашей системы образовались другие планеты. Гравитационное поле придало Земле форму шара немного приплюснутого в полюсах – геоида. Сферическая форма присуща всем достаточно крупным космическим объектам: планетам, спутникам, звездам, галактикам, да и самой Вселенной. Средний диаметр планеты составляет 12742 км. Средняя плотность вещества планеты оценивается значением около 5,517 г/м3.
Первично все минеральные вещества и отдельные элементы находились в Земле в перемешанном состоянии. Немалую долю составляли углистые хондриты, которые являлись основным источником воды на Земле. Основной объем вещества был представлен соединениями кремния и железа. В более-менее однородной смеси разнообразных минералов довольно значительную долю составлял гидросиликат магния (Mg2SiO5H2), который содержал более 11 % воды по весу. Этот твердый минерал является одним из эффективных вместилищ воды, молекулы которой занимают второе место по распространенности во Вселенной после водорода. Гидросиликат магния остается стабильным в условиях земного ядра, то есть при давлении более 2 миллионов атмосфер и при температурах около 5000°C. На протяжении 30 млн. лет значительная часть воды в форме гидросиликатов сохранялась в ядерной части планеты. По мере погружения тяжелых железа и никеля к центру планеты и образования ядра происходило вытеснение силикатов выше – в слой, который постепенно превратился в мантию. В условиях меньшего давления гидросиликат магния стал нестабильным и разложился на оксид магния, силикат магния и воду. Вода в виде перегретого пара стала пробиваться к земной поверхности. Другие составляющие этого гидросиликата заложили основу мантии. Сейчас преобладающая масса этого водогенерирующего минерала уже израсходована.
Вода в результате гравитационного сжатия и химического преобразования протопланетного вещества начала проникать на поверхность планеты. Процесс перераспределения по плотности и гравитационного уплотнения первично холодного вещества сопровождался выделением огромного количества тепла, что привело к разогреву и расплавлению всей планеты, кроме внутреннего ядра. Состояние веществ в центре Земли, скорее всего, не соответствует нашим представлениям о расплавах и твердых веществах. Радиоактивный распад тяжелых элементов также послужил мощным источником внутреннего тепла. Радиогенное тепло в начальный период истории Земли значительно превышало современное, поскольку производилось большим количеством радиоактивных короткоживущих изотопов, которые к настоящему времени уже распались. Вносили свой вклад в тепловой баланс, как и сейчас, долгоживущие изотопы урана, тория, калия и некоторые другие.
Около 4,54 млрд. л.н. температура на поверхности Земли достигала 4000°C. Планета представляла собой расплавленный шар кипящего, газонасыщенного вещества. Спустя приблизительно тридцать миллионов лет, т. е. 4,51 млрд. л.н. планета остыла до 1500°C, что создало условия для обособления газовой оболочки в относительно стабильную атмосферу. Первичная газовая оболочка – Ранняя гелиево-водородная горячая атмосфера существовала на протяжении 30 млн. лет (4,51-4,48 млрд. л.н.), состояла из газов протопланетного облака – преимущественно из водорода (~95 %), гелия (~5 %), метана (от 0,83 до 0,75 %). Отсутствие магнитного поля у ранней Земли позволяло солнечному ветру (потоку частиц от Солнца) уносить в космос легкий водород и гелий. На смену этим компонентам первичной атмосферы поступали пары воды и другие газы из дегазируемой мантии и из испаряющихся космических веществ, падавших на Землю. Прежде всего, за счет активной вулканической деятельности поступили из недр огромные объемы водяного пара и других газов. Эти летучие соединения выделились из первичного вещества планеты, в котором они находились в связанном состоянии: вода в основном в гидросиликатах, углекислый газ в карбонатах, азот в нитридах и нитратах и т. д. Поверхность планеты продолжала охлаждаться до 700°C. В результате 4,48 млрд. л.н. произошла смена воздушной геосферы – сформировалась вторая – Палеокатархейская углекисло-водяная атмосфера. Вторая атмосфере состояла сначала из одного водяного пара, а затем с добавлением нарастающей доли углекислого газа (до 44 %), и немного других веществ: водорода (7 %), азота (6 %), аммония (3 %), гелия (2,4 %), метана (0,8 %), аммиака, сероводорода, хлористого водорода и некоторых других газообразных веществ. Вторая атмосфера просуществовала также около 30 млн. лет (до 4,45 млрд. л.н.). Этот этап тепловой истории Земли можно назвать «Расплавленная Земля», к концу, которого средняя температура поверхности уменьшилась до 500°C. Скорость вращения Земли вокруг своей оси значительно превышала нынешнюю, поэтому длина суток равнялась 4 часам 8 минутам.
Начало образования второй атмосферы (около 4,48 млрд. л.н.) коррелируется с завершением первичного распределения твердого вещества земного шара на сферические оболочки. Современная степень изученности Земли позволяет представлять нынешнюю нашу планету в виде сложной динамической системы, заключенной в толстостенный шар радиусом 6371 км. Массивная твердая оболочка шара (представленная корой и мантией) толщиной около 3000 км окружает полость, заполненную относительно жидким (вязким) веществом внешнего ядра. В центре этого жидкого слоя плавает небольшое твердое внутреннее ядро. От поверхности планеты к центру возрастают давление (до 3,61011 Па), плотность (до 12,8–13 г/см3) и температура (до ~6000 °C). Вращение такой сложной системы характеризуется разными скоростями обращения твердой оболочки и ядра.
Концентрация вещества планеты по плотности началась с обособления земного ядра радиусом ~3,4 тыс. км. Тяжелые металлы (преимущественно железо и его минералы, а также никель) погрузились в центр, формируя внутреннее суперплотное ядро радиусом ~1,2 тыс. км и внешний жидкий слой железо-никелевого ядра толщиной ~ 2,2 тыс. км. Внутреннее, центральное ядро в форме шара расположено на глубинах от 5150 до 6371 км. Элементный состав этой части земного шара представлен в основном железом (около 90 %) и никелем, кроме того, присутствуют минералы серы, кислорода и ряда других элементов. Внутреннее ядро проявляет себя в геофизических полях как неоднородное тело: наружная оболочка включает огромные, протяженные кристаллы (длиной около 10 км.), ориентированные с юга на север, а центральная часть ядра заполнена кристаллами, вытянутыми с запада на восток. Однако прежде вещество как внешнего, так и внутреннего ядра было жидким. Постепенное охлаждение недр Земли со скоростью около 100 °C за миллиард лет привело к затвердению внутреннего ядра. По одним оценкам твердое ядро сформировалось к рубежу около 1,24 млрд. л.н. (к концу эктазия), по другим – около 550 миллионов л.н. (к концу венда).
Сохранение к настоящему времени довольно высокой температуры во внутреннем ядре может быть объяснено, в какой-то степени радиоактивным распадом изотопов урана, тория и возможно некоторых других элементов. Хотя этот источник тепла не может быть основным по причине ничтожно малого содержания радиоактивных элементов в ядре по сравнению с земной корой. В земной коре эти, очень тяжелые долгоживущие радиоактивные элементы оказались потому, что их соединения с легкими элементами имеют малую плотность. Благодаря весьма высокому давлению вещество в ядре не кипит, несмотря на огромную температуру. Считается, что внутреннее ядро постепенно увеличивается в размерах за счет охлаждения и затвердевания переходной зоны от жидкого ядра.
Внешний слой железо-никелевого ядра (слой E), или, иначе говоря, внешнее ядро, представляет собой жидкую оболочку, которая обволакивает внутреннее твердое ядро. Состав внешнего ядра представлен в основном железом, его оксидами, никелем, в небольшой пропорции – кремнием, серой и другими примесями. Жидкое его состояние объясняется тем, что меньшее давление при высокой температуре в этом слое не обеспечивает затвердение раскаленного металла. Сохранение до настоящего времени на нашей планете жидкого состояния вещества во внешнем ядре является важным её отличием от других планет земного типа Солнечной системы. Наличие твердого ядра (слоя G) в жидкой оболочке представляется одной из тех важных особенностей планетного направления эволюции природы, которое связано с Земной развилкой. Конвекция вещества во внешнем ядре, которая подобна бушующему морю жидкого металла, порождает земной магнетизм. Появление и эволюция жизни на нашей планете во многом обязаны наличию геомагнитного поля, генерация которого связана с присутствием именно пары – внутреннее твердое ядро в жидком слое внешнего ядра, что является своеобразной динамо-машиной. Магнитосфера вокруг Земли защищает все живое от губительного воздействия заряженных частиц космоса и солнечного ветра, о чем описано выше, в разделах: Ранняя магнитная развилка и Поздняя магнитная развилка эволюции Земли.
Исследования показали, что внутреннее ядро и внешний слой вращаются в разные стороны. Внешнее жидкое ядро вращается вокруг своей оси с востока на запад, а внутреннее – с запада на восток. Интересно, что скорость вращения внутреннего ядра немного превышает скорость обращения в целом планеты. Центр Земли является мотором, который обеспечивает активность всех систем планеты, включая биосферу. Например, на Марсе всё ядро уже отвердело и там прекращена глобальная тектоника, отсутствует магнитное поле, способное защитить живые организмы. Эта планета лишилась внутренней энергии, она стала «мертвой», не способной к рождению и эволюции жизни.
Обособление земного ядра не означало прекращение его подпитывания новыми порциями тяжелого вещества, источником которого была и остается мощнейшая оболочка – двухслойная мантия, перекрывающая ядро. В мантии собрано две трети планетного объема, в то время как на ядро приходится одна треть. Мантия состоит в основном из соединений кремния, магния, кислорода, железа, кальция и алюминия. Её состав до сих пор остаётся очень близким к первичному веществу Земли, несмотря на продолжающиеся более 4 млрд. лет активные процессы химико-плотностной дифференциации. За счет такой дифференциации происходит вещественное обеднение мантии. Постепенно тяжелые соединения перемещаются из мантии к центру – в ядро. Легкие элементы и их минеральные комплексы всплывают в верхние слои планеты, формируя и обновляя литосферу, гидросферу и атмосферу. В результате в мантии теперь отсутствуют тяжелые железо, никель, а также соединение железа и серы – сульфид железа. А также произошло обеднение состава первичного вещества мантии легкими веществами (азотом, водородом, оксидами калия и натрия и др.). Зато за счет химико-плотностной дифференциации мантия обогатилась окислами кремния (SiO2) и магния (MgO). Первичное вещество Земли содержало 57 % этих двух окислов, а современная мантия – 83 %.
Мантия перекрыта корой, подошва которой называется границей Мохоровичича (сокращено, Мохо). Переход от коры к мантии отражается резким возрастанием плотности горных пород, который прослеживается на глубинах от 7 км (под океанами) до 70 км (под горными массивами). Мантия разделена на две части: верхнюю мантию и нижнюю. Верхняя мантия имеет толщину ~ 980 км, нижняя – 1920 км.
В верхней мантии самый верхний слой (волновод Гутенберга) имеет твердую кристаллическую структуру, не отличающуюся от вышележащей коры. Поэтому этот слой мантии совместно с корой образуют литосферу. Литосфера подстилается пластичной оболочкой мантии – астеносферой. Кровля астеносферы характеризуется фазовым переходом от кристаллических пород к пачке частично расплавленных пород, совпадающим с изотермой 1200–1300 °С. Она простирается на разных глубинах: от минимальных в зонах срединно-океанических хребтов под океанами (50 км) до максимальных (~ 200 км) под материками. Толщина астеносферы ~ 150–200 км и более. Нижняя граница нерезкая, приблизительно совпадает с изотермой 1500–1600 °С. Повышение температуры или снижение давления приводит к увеличению расплава в астеносфере и к образованию магматических камер, питающих магматизм. Астеносфера образует сплошную оболочку с изменяющейся по латерали вязкостью-пластичностью. Предельная глубина самых глубокофокусных землетрясений соответствует подошве глубокозалегающей астеносферы, до ~ 650 км, что указывает на определенную роль астеносферы в происхождении всех землетрясений. В астеносфере реализуется наиболее активная мантийная конвекция, движущая литосферные плиты. В астеносфере зарождаются все тектонические процессы, которые происходят в литосфере. Поэтому астеносфера в совокупности с литосферой называется тектоносферой.
Астеносфера состоит из 5–6 слоев, представленных чередованием твердых и расплавленных ультраосновных пород (дунитов, перидотитов и др., состоящих в основном из цветных минералов – оливина, пироксенов; бедных кремнием – SiO2; обогащенных магнием). В целом состав астеносферы представлен минералами: оливином 57 %, пироксеном 29 %, гранатом 23 %. Плавление пород при огромных температурах и давлениях на таких глубинах возможно только в присутствии воды. Откуда вода там? Дело в том, что находящийся там минерал роговая обманка имеет в своем составе связанную воду, которая при тех температурах приобретает свободную форму. Эта вода способна обеспечить частичное плавление пород астеносферы.
Вещество астеносферы не обладает пределом прочности, в отличие от литосферы, поэтому оно может деформироваться (течь) под действием даже очень малых избыточных давлений. Конвективное течение вещества астеносферного слоя увлекало за собой литосферу, расколов ее на ряд крупных и множество мелких плит. Под воздействием поднимающихся по разломам раскаленных магматических масс из мантии происходило раздвижение (спрединг) плит в океанах и наращивание новых участков океанической коры. Такие зоны называются срединно-океаническими хребтами. От этих зон литосферные плиты медленно раздвигаются. В зонах столкновения одна плита поддвигается под другую (субдукция), возникает глубокий океанический желоб. Рядом возникает цепь вулканов и гряда высоких гор (например, Гималаи поднялись 45 млн. л.н. в процессе столкновения Индийской и Евразийской плит). В океанических желобах литосферные плиты погружаются в земные недра с температурами более 500 °С, где происходит переплавление погрузившихся пород. Проникшие в мантию горные породы снова изливаются на поверхность в виде раскалённой магмы в зонах раздвижения плит. Такой механизм постоянной переработки вещества планеты за счет горизонтального перемещения литосферных плит способствует продолжению дифференциации вещества по плотности и формированию все более сложных минеральных форм. Астеносфера является основным источником эндогенных процессов в земной коре (магматизма, метаморфизма).
Под тектоносферой, между верхней и нижней мантией на глубине ~ 400 км существует следующий фазовый переход (слой Голицына[17 - Под астеносферой залегает слой Голицина, фазовое состояние которого заставляет атомы и минералы приобретать очень плотную упаковку, значительно повышающую плотность горных пород. Под слоем Голицина (на глубинах 700-1000 км) распространяется нижняя мантия, в которой еще больше уплотняется структура вещества. Нижний слой мантии прослеживается до глубины 2900 км, с которой начинается жидкое внешнее ядро.], слой C, переходная зона толщиной 600 км), обусловленный увеличением давления с глубиной без изменения химического состава. На этой границе минералы граната и шпинели приобретают более плотную структуру перовскита и ильменита (FeTiO2, примеси: магний, марганец), характерную минералам нижней мантии. Распространяется нижняя мантия до глубин около 2900 км. Толщина её достигает 2230 км. Температура составляет до 2000 °С.
В составе нижней мантии (слой D), на её границе с ядром выделяется переходная зона на глубине около 2700 км, толщиной около 200 км. Здесь осуществляется значительное освобождение силикатной мантии от железа, которое переходит в ядро. В этой зоне облегченное вещество формирует плюмы, которые представляют собой горячие потоки мантийного вещества, движущиеся вверх от основания мантии. Плюм представляет собой субвертикальную колонну диаметром около 100 км с грибообразной верхней частью. Они поднимаются от границы мантии и ядра с глубины 2980 км или от границы нижней и верхней мантии с глубины около 660–670 км и выносят под литосферу вещество и тепло глубинных недр Земли. На поверхности Земли над плюмами возникает область вулканизма, формируются трапповые провинции, внутриконтинентальные рифты и другие геологические явления. Тектоника плюмов, наряду с тектоникой литосферных плит, определяет изменения в строении Земли, её рельефе и составе. Каким образом горные породы мантии, не менее твердые, чем сталь, способны течь в недрах планеты? Дело в том, что пластическим деформациям способствует очень длительная продолжительность времени, в течение которого массивы горных пород находятся в механическом напряжении. Высокое давление и значительная температура в недрах способны вызвать пластические деформации кристаллических минералов. Кроме того, в определенных жестких термобарических условиях кристаллические тела превращаются в аморфные, которые могут течь подобно жидкости. Породы на глубинах от 15–20 км и глубже, оставаясь твердыми, способны быть пластичными. Такие же минералы, как, например, галит (каменная соль, NaCl) обладают способностью течь и формировать грибообразные колонны, купола на глубинах от 2–3 км и более. В практике бурения нефтедобывающих скважин глубиной 3–6 км часто встречаются случаи, когда каменная соль или пласты глины проявляют свои пластичные свойства тем, что сдавливают в стволе скважины буровые инструменты.
Недра Земли представляют собой сложный механизм генерации и поставки энергии на поверхность. В этом механизме невозможно выделить главный элемент, поскольку каждый является необходимой частью системы. Тем не менее, подчеркнем, что в мантии, всегда – начиная с её обособления от ядра, происходят мощные конвективные движения, благодаря которым тепло ядра и самой мантии передается в вышележащие сферы. Состав ядра постепенно изменяется за счет перемещения струй вещества из ядра в мантию. Иногда эти струи даже проникают на поверхность планеты, где их вещество окисляется и вновь погружается в форме столбообразных потоков к центру Земли. Это приводит к ответному перетоку струй вещества из ядра в мантию. Исследования изотопов вольфрама, которые присутствует в ядре и в мантии, показали, что период земной истории после распределения вещества планеты на оболочки, между 4,3 и 2,7 миллиарда л.н. характеризовался почти полным отсутствием обмена материала между ядром и мантией. Зато, начиная с границы 2,5 млрд. л.н., такой обмен до сих пор активно протекает. Интересно, что временной рубеж новой активизации перетока материала ядра в мантию и обратно совпал с поворотом эволюции на Окислительной развилке. Процессы в мантии являются источником энергии и вещества для вулканизма, землетрясений, горообразования, формирования рудных месторождений и движения тектонических плит.
После краткого ознакомления с внутренним строением нашей планеты, в следующем разделе перечислим некоторые особенности Земли, которые привели ее к обитаемости. Эти характеристики, возможно, являются уникальными, возникшими благодаря повороту эволюции природы на Земной развилке. Все другие планетные развилки вели к формированию планет, обладающих определенной совокупностью общих характеристик, но в каждом случае это были объекты с большим набором собственных данных. Природа всегда находится в поиске нового, и ей не свойственно повторяться полностью, во всех деталях. Кто-то в той или иной части нашей Вселенной, может быть, и обладает свойством осознавать свое существование, но почти невозможно, чтобы эти разумные существа были похожими обликом на нас. Невероятно много событий в эволюционном пути тех существ должно совпасть с эволюцией природы до земного человека, чтобы получилось два аналога. Земная развилка эволюции Солнечной системы представляется одним из решающих событий в судьбе человека разумного.
По мнению ученых, среди не менее 600 миллиардов планет Галактики имеется приблизительно 1 миллиард тех, которые сходны по размеру с Землей. Образование этих космических тел дало начало такому же числу развилок планетной эволюции. К настоящему времени выявлено около 6000 экзопланет в нашей Галактике. Эта цифра постоянно увеличивается за счет открытия все новых планет вне пределов Солнечной системы. Наблюдаемая астрономами несходность всех известных космических объектов убеждает в том, что при подобии каких-то характеристик планет, все же каждая из них эволюционирует своим неповторимым образом.
2.1.2. Предрасположенность Земли к жизни
Что же такое важное присуще Земле как планете, которое способствовало зарождению и эволюции жизни? Перечислим некоторые главнейшие характеристики, свойственные нашей планете в целом. Прежде всего, отметим, что необходимым условием обитания планеты является наличие разнообразных химических элементов. Большинство космических объектов и даже химически богатые области галактик представлены почти на 98 % водородом и гелием. Земле, как уже отмечалось выше, повезло образоваться на одной из внутренних орбит Солнечной системы, откуда Солнце выдавило во внешнюю область преобладающую часть водорода и гелия, оставив значительную долю всех более тяжелых элементов. Из этого разнообразия элементов были образованы каменные планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Земля скомпонована из соединений всех 92 химических элементов, включая воду и определенный объем органических веществ, т. е. молекул углерода с водородом (метан, CH4 и другие, более сложные молекулы), с кислородом (окись углерода, CO и диоксид углерода – углекислый газ, CO2). Поэтому Земля после затвердения поверхности представляла собой огромное многообразие химических соединений в форме простых кристаллов (например, таких как графит или алмаз) и сложнейших многомолекулярных минералов, а также разнообразных горных пород. Конечно, единые химические законы во Вселенной обусловили распространение многих одинаковых минералов в протопланетном диске, на Земле и других планетах. Но значительное количество соединений могло образоваться только в специфических геохимических условиях Земли. Например, на Земле атмосфера с высоким содержанием кислорода преобразует некоторые «космические» минералы в другие, земные вещества. Так, земным соединениями являются многие из аминокислот – молекул, из которых сделаны все белки, а также генетический материал для нуклеотидов. На нашей планете образовалось большинство известных углеводов, часто используемых организмами в роли батарейки для хранения энергии. Скорее всего, земное происхождение имеют также жирные фосфолипиды, которые образуют клеточные мембраны.
Земля образовалась на расстоянии 150 млн. км от Солнца, почти посередине узкой обитаемой зоны. Уже это обстоятельство дало шанс природе на создание биосферы, поскольку именно такое расстояние обеспечивает оптимальный для жизни температурный режим земной поверхности, при котором вода существует в жидком виде. Уникальность положения Земли подтверждается температурными условиями на поверхности планет Солнечной системы. Так, температура на них по мере удаления от Солнца изменяется следующим образом, в °C: Меркурий средняя + 167 (от 427 до -173), Венера +460, Земля 7,2 (от -91,2 до +70,7), Марс -65 (от -140 до +20), Юпитер -110 (в ядре Юпитера +24000, горячее, чем на поверхности Солнца), Сатурн -140 (в ядре 11700), Уран -195 (в ядре около 4740), Нептун -200 (в ядре около 7000). Только температура на поверхности Земли обеспечивает присутствие воды в жидкой фазе в среднем всегда, а в разных частях планеты в то или иное время. Присущий Земле оптимальный режим прогрева недр обеспечивает циркуляционное перемещение масс вещества планеты, что, в свою очередь, вызывает действие внутренней динамо-машины, вырабатывающей магнитное поле Земли. Кроме того, стабильное радиоактивное тепло является основным источником энергии для постоянных процессов тектоники литосферных плит (раздробленности и подвижности литосферы), магматизма и вулканизма. Не будь магнитного поля и движения материков, не было бы известных нам форм жизни. Уникальным для Солнечной системы, а возможно, для Галактики является содержание в недрах Земли радиоактивных элементов урана и тория в таких количествах и в таком их соотношении, радиоактивный распад которых обеспечивает благоприятный для жизни тепловой режим планеты, начиная с рубежа около 4,1 млрд. л.н. (эоархейская эра) и до сих пор. Если бы объемы урана и тория отличались в меньшую или большую сторону в два-три раза от реальных земных значений, то их тепловой эффект не дал бы необходимые для обитаемости результаты. Так, в случае малого содержания этих долгоживущих радиоактивных веществ, планета была бы недостаточно тектонически активна, магнитное поле не существовало бы. При варианте их повышенного количества, Земля все время находилась бы в расплавленном состоянии, что совсем не подходит для живых существ.
Удачным для Земли оказалось не такое уж далекое соседство с гигантским Юпитером, который обладает очень сильным гравитационным полем. Благодаря воздействию этого поля были отклонены от Земли траектории многих комет, способных нанести огромные разрушения Земле. Можно сказать, что Юпитер – космический защитник человечества.
Параметры движения нашей планеты являются оптимальными для обитания. Дело в том, что существующий наклон земной оси под углом 23° обеспечивает смену времен года и тем самым, создает благоприятные условия для эволюции жизни. В том случае, если бы этот наклон составлял, например, 90° по отношению к Солнцу, то на Земле не было бы четырех времен года. При таком варианте параметров движения Земли, то есть без смены времен года, условия обитания не были бы благоприятными. Дело в том, что в областях северного и южного полюсов были бы постоянные холодные сумерки, где замерзала бы вода, испаряющаяся и переносимая ветром из экваториальных, прогретых частей океанов. В течение довольно короткого периода времени полярные регионы планеты превратились бы в огромные скопления льда и снега, в то время как остальная часть Земли превратилась бы в сухую пустыню. Океаны испарились бы. Угол наклона земной оси во многом обусловливает особенности земного климата. Не вызывает сомнения тот факт, что иные условия на нашей планете направили бы эволюцию живых организмов по совсем иным направлениям, чем это фактически произошло. При иных вариантах эволюции живой природы возникли бы другие виды животных, разумными среди которых совсем не обязательно были бы люди. Людям очень повезло, что сложившееся стечение обстоятельств обеспечило благоприятные условия формирования и эволюции на Земле известного разнообразия живой природы, включая человека современного типа.
Орбита Земли вокруг Солнца имеет форму близкую к эллипсу. Перемещение нашей планеты происходит с запада на восток со средней скоростью 29,78 км/c (около 107 200 км/ч). Каждый год она проходит путь более 940 млн. км, приближаясь к Солнцу в перигелии, затем максимально удаляясь от нашей звезды в афелии. Согласно гипотезе Миланковича, климат Земли в значительной степени зависит от характера её движения по орбите. Например, когда время прохождения Земли перигелия приходится на зимнее солнцестояние в северном полушарии (происходит 21 или 22 декабря), тогда лето приходится на прохождение Земли на максимальном расстоянии от Солнца.
В этом случае лето северного полушария становится более продолжительным и прохладным, что вызывает увеличение ледников. Миланкович считал, что: «Не суровая зима, но прохладное лето способствует надвиганию ледников». Через очередные 11 тыс. лет Земля проходит перигелий в момент летнего солнцестояния, что приводит к короткому и жаркому лету в северном полушарии и к сокращению ледников. Например, летнее солнцестояние в северном полушарии, в XXI веке приходится на 20 или 21 июня. В то же время для южного полушария наступают времена похолодания и активизации оледенения.
Следует отметить, что отмеченные особенности движения Земли по орбите вносят свой вклад в смену климата планеты, но вовсе не являются её единственным и решающим фактором. Смена климата на Земле имеет уникальный характер, присущий только этой планете, поскольку определяется множеством параметров самой планеты и её взаимодействием с ближайшим космосом. Климат Земли значительно изменялся по мере эволюции планеты и характеризовался разной продолжительностью ледниковых и межледниковых эпох. Например, в палеогене (65,5-23 млн. л.н.) на протяжении 40 млн. лет существовал устойчивый теплый климат. В отличие от этого периода, в последний миллион лет циклы смены эпох тепла и холода (циклы Миланковича) происходят таким образом, что ледниковые периоды наступают каждые 100 тысяч лет. Нам повезло жить в период одного из самых теплых за последний миллион лет межледниковья, которое называется «голоцен» и длится около 12 тысяч лет. Межледниковье голоцен пришло на смену холодному периоду, называемому «поздний дриас». В период от 9 до 5 тыс. л.н. Земля переживала «климатический оптимум[18 - Климатический оптимум – самый тёплый интервал времени в каждом межледниковье четвертичного периода (2,5 млн. лет назад – нынешнее время). Во время оптимума существовали благоприятные условия для ускоренного прироста человечества.] голоцена» («Атлантический оптимум»), когда температура на 1–3°C превышала нынешние значения. Прогнозируется окончание голоценового межледниковья и начало новой ледниковой эпохи через несколько тысяч лет.
Период вращения Земли вокруг своей оси со времени появления жизни и до наших дней обеспечивал смену света и темноты сначала каждые 5 часов 40 минут, постепенно увеличиваясь до 24 часов. Такой, достаточно быстрый переход от ночи ко дню позволяет земной поверхности прогреваться достаточно равномерно. При медленном вращении, стороны планеты поочерёдно невероятно сильно прогревались бы и ужасно охлаждались бы.
Важнейшей глобальной особенностью Земли, определяющей её обитаемость, является её ядерно-оболочечное строение. Каждая из сфер планеты выполняет ту или иную функцию в обеспечении зарождения и эволюции жизни. Кроме того, внутренние раскаленные недра, твердая – литосфера, водная – гидросфера и воздушная – атмосфера постоянно обмениваются между собой веществом, энергией и информацией. Только постоянное их взаимодействие определяет способность каждой сферы быть полезной для жизни. Пока не известны планеты с подобным набором разнородных оболочек ни в Солнечной системе, ни среди выявленных к настоящему времени более 6000 экзопланет. Так, атмосфера имеется далеко не у всех планет. Гидросфера в виде водных бассейнов отсутствует у планет Солнечной системы в настоящее время и только предполагается по косвенным данным у некоторых экзопланет Галактики. Твердая оболочка имеется в Солнечной системе только у плотных, каменистых планет – Земли, Марса и Венеры, а также у некоторых спутников, но Марс и Венера давно уже не имеют гидросферы. У них отсутствует перемещение тектонических плит, и практически нет магнитного поля. Газовые гиганты Юпитер и Сатурн, состоящие в основном из водорода и гелия, а также ледяные гиганты Уран и Нептун, не обзавелись планетарной корой и не имеют жидкой гидросферы.
У Земли имеется полный набор физических полей с оптимальными характеристиками. Так, наша планета обладает умеренным гравитационным полем, способным удерживать основную массу атмосферы оптимального состава, без которой невозможна эволюция жизни по земному сценарию (направлению). При меньшем размере и слабом гравитационном поле у нее отсутствовала бы атмосфера, как, например, у Меркурия и Плутона. Будь Земля такой большой, как Юпитер или Сатурн, то сверхпритяжение сформировало бы такую плотную атмосферу, что давление на глубине 10 км от поверхности облаков достигало бы миллион земных атмосфер, а температура составляла бы около 5000°C. Горячий водород, сжатый в таких условиях, имел бы характеристику жидкого металла.
Геологическое строение глубинных недр Земли обеспечило функционирование естественного гигантского магнита, создающего внутри и вокруг планеты довольно сильное магнитное поле, которое предохраняет поверхность от атаки губительных для жизни солнечных протонов и других космических излучений. Земля располагает электрическим – естественным (теллурическим) полем, источником которого, возможно, являются стратосферно-электрические процессы, грозы, электрохимические процессы и электромагнитная индукция в ядре Земли. По одной из существующих гипотез первые живые организмы сформировались благодаря электрическим разрядам в атмосфере. Сейсмическое поле – поле механических колебаний, возникающее из-за постоянной разрядки механических напряжений в литосфере, вносит значительный вклад в эволюцию планеты. Различные источники теплового поля обеспечивают энергией геологические и биологические процессы. Земля на протяжении всего своего существования, в отличие от многих других планет, получает оптимальные объемы тепла. Такое количество тепла, с одной стороны, обеспечивает существование не замерзшей, жидкой воды на всей планете. С другой стороны, земная вода не испарилась. Тепловой баланс планеты формируется за счет таких источников тепла, как: излучение Солнца, сила трения, приливные силы, радиоактивный распад, гравитационная дифференциация вещества в недрах. Наибольший тепловой поток из недр приурочен к срединно-океаническим хребтам и континентальным рифтам, наименьший – к самым древним областям континентов. Тепловая история Земли обеспечила такую эволюцию всех оболочек (литосферы, гидросферы с криосферой, атмосферы, биосферы и ноосферы – «сферы разума»), которая привела к появлению и значительному развитию жизни.
Земля располагает огромными запасами жидкой воды, без которой нет ни единого живого организма. Необходимая для жизни вода обеспечивает перемещение различных веществ в растениях, животных и в других организмах. В земных условиях вода распространена в Мировом океане, на поверхности и в ледниках континентов, а также в подземных резервуарах и в минералах (в химически связанном виде). Вода в роли живительной влаги и как фактор многих геологических процессов имеет возможность участвовать в круговороте, постоянно перемещаясь и изменяя фазовое состояние и свой состав.
Наша планета, скорее всего, обладает уникальной эволюцией атмосферы потому, что далеко не все планеты Галактики сохраняют какую-то одну атмосферу на протяжении нескольких миллиардов лет, а тем более маловероятно, чтобы в истории какой-то экзопланеты произошла смена семи атмосфер с разными составами, аналогичными земным воздушным сферам. Например, на Земле третья – Мезокатархейская водно-азотно-углекислая атмосфера[19 - Эволюция состава третьей атмосферы: СО
= 67–29 %, N= 14–28 %, H
O = 8–0 %, NH
= 2,8–1,3 %.], которая существовала в период от ~ 4, 45 до 4,1 млрд. л.н., участвовала в подготовке условий для начала образования химических соединений – предшественников живых химических систем. Следующая, четвертая – Эоархейская углекисло-азотная атмосфера в течение от 4.1 до 3.5 млрд. л.н. постепенно изменялась в сторону увеличения доли азота (от 50 до 98 %) и убывания углекислого газа (от 20 до 2 %). В воздухе появился важный парниковый газ – метан, дегазированный глубинными недрами. Состав воздуха имел восстановительную реакцию, кислород практически отсутствовал. Эта атмосфера, наряду с соответствующими гидросферой и литосферой обеспечили многовариантную возможность продолжения химической эволюции Земли. Один из реализованных вариантов привел к появлению Биотической развилки, направившей эволюцию природы на синтез сложнейших химических соединений (в частности, молекул нуклеиновых кислот), представляющих основу живой природы. Наконец, наша планета 700 млн. л.н. создала седьмую – Неопротерозойско-современную кислородно-азотную атмосферу, в которой все мы обитаем, и которая отличается от всех известных нам планетных атмосфер. Состав седьмой атмосферы претерпел интересные изменения: азот уменьшился (N= от 98 % до 77 %); кислород постепенно увеличился, но затем немного снизился (O=1%24%21 %); аргон сократился, но к настоящему времени снова возрос (Ar= 0,9%0,17 % 0,92 %). Содержание углекислого газа в течение последних 700 млн. лет несколько раз очень сильно возрастало, но к настоящему времени снизилось до начальных малых значений[20 - Характер изменения доли углекислого газа (СО
) в седьмой атмосфере, т. е. за последние 700 млн. лет в направлении от древности к нашим дням: 0.04%5 % 0,12 % 4%0,04 %.]. Данная атмосфера обеспечивает сохранение и эволюцию жизни. Она снабжает кислородом дыхание живых существ и углекислым газом питание растений. Важным компонентом атмосферы является слой озона, разновидности кислорода, который нейтрализует вредное воздействие солнечного и космического излучений на живые организмы. К тому же, земная атмосфера поддерживает температурное равновесие на поверхности. Она в качестве своеобразного покрывала предотвращает значительное охлаждение поверхности по ночам и быстрое её нагревание днем. Атмосфера предохраняет живые организмы от постоянной атаки космическими телами, так как она сжигает большинство из них.
На Земле в течение последних более 4 млрд. лет существовали температурные условий в атмосфере и гидросфере, благоприятные для обитаемости. Со времени зарождения жизни на Земле и до наших дней не было таких моментов, чтобы одновременно во всех участках биосферы планеты температура повышалась сверх точки кипения воды или снижалась до её замерзания. В те периоды, когда среднегодовая температура на большей части поверхности Земли значительно понижалась, и наступали ледниковые периоды, большая часть живых видов вымирала. Но даже в такие критические эпохи оставались на планете места, где живые организмы выживали и продолжали эволюционировать.
Земля характеризуется многообразием природных условий, включая климатических. Важным является то, что за историю существования наша планета подверглась многочисленным космическим и геологическим воздействиям, обеспечившим природе обширнейший набор вариантов эволюции. Если бы эволюция состава земной атмосферы пошла несколько иными направлениями, то мог быть вариант превращения Земли в горячую планету, подобную Венере, в случае большей доли углекислого газа на начальном этапе истории планеты. Если бы эволюция Земли привела к увеличенному объему воды, тогда океан покрыл бы всю поверхность, и не было бы материков и наземных существ, включая людей. Мог быть вариант превращения планеты в сплошную снежную пустыню и т. д.
Рассматривая благоприятные факторы зарождения и эволюции жизни на Земле, следует отметить огромный вклад Луны в активизацию тектонических процессов на нашей планете. Формирование массивного спутника на близкой околоземной орбите обусловило ускоренную тектоническую эволюцию Земли. В отсутствие Луны наша планета отстала бы в развитии своей тектонической структуры и всех своих сфер приблизительно на 3 млрд. лет. Соответственно Земля к настоящему времени была бы населена только одноклеточными организмами. Кроме того, Луна, имея довольно большой размера, обеспечивает стабилизацию земной оси, что сохраняет комфортные климатические условия и способствует формированию благоприятных условий для эволюции живых существ до человека разумного.
Описанные глобальные результаты эволюции природы после Земной развилки показывают, что подобные характеристики отсутствуют у планет Солнечной системы и не известны у выявленных экзопланет. Но это – только начало земного этапа антропного эволюционного маршрута.
Уникальность самой планеты Земля (ее структуры, свойств) показывает, что только поворот эволюции природы на Земную развилку привел к появлению человека разумного. Конечно, еще очень много потребовалось времени, чтобы природа уже на Земле методом проб и ошибок нащупала то направление, которое привело к человеку. Природе предстояло еще составить сложный пазл направления эволюции, включающий огромную совокупность благоприятных развилок в неживой и в живой природе. Назовем для краткости этот путь «антропной эволюцией природы или антропным маршрутом природы». Все перечисленные уникальные свойства Земли являлись необходимыми предпосылками возникновения жизни на нашей планете и эволюции её до человека разумного.
Продолжение маршрута эволюции по направлению к зарождению жизни после Земной развилки стало возможным потому, что на первичной мантийной твердой оболочке сформировалась более легкая земная кора и литосфера, затем океаны и континенты. Появление этих элементов на Земле является важнейшими событиями, ведущими к формированию жизни. Эти направления эволюции природы известны только на нашей планете, поэтому данные повороты выделены как Литосферная, Океаническая и Континентальная развилки. Но прежде этих эволюционных поворотов планете пришлось пройти через Лунную развилку, которая оказалась одним из решающих событий для эволюции жизни на Земле.
2.1.3. Атомы-гиды остаются в астероидах
Атомы в составе многочисленных соединений, создавшие Землю и всё живое на ней, представлены несколькими поколениями, возраст которых варьирует от 13,82 миллиардов лет до ~5 миллиардов лет. Самыми древними, возникшими вскоре после Большого взрыва, являются атомы водорода (протоны[21 - Здесь не рассматриваем разновозрастные протоны нейтронного происхождения, т. е. образованные за счет распада нейтронов.]) и гелия. Более тяжелые атомы создавались в разное время в звездах. Но основой всех атомов служили первые атомы водорода – протоны. Например, наши гиды появились в форме протонов в момент создания Вселенной, но все они, за исключением Гидрожена, приобрели нынешнюю атомарную форму в недрах гигантской звезды Матернитэ ~5,7 млрд. лет назад. Немного позже, в период 5,6–4,6 млрд. л.н. они, находясь в протосолнечном газопылевом облаке, объединились с различными атомами с образованием некоторых сложных молекул.
Все прибывшие на Землю атомы иногда очень долго сохранялись в прежних химических соединениях, но чаще изменяли форму своего существования во время расплавления планеты или когда вступали в какой-либо земной круговорот. Так что, большинство земных атомов периодически меняли напарников в различных молекулах.
Первыми из атомов-гидов прибыли на Землю, 4,47 млрд. л.н., Гидрожен и Оксижен в составе Гидрожен-Оксиженного серпентина. Остальные атомные гиды во время первичного формирования земного шара оставались в телах астероидов, которые продолжали обращаться вокруг Солнца на орбитах, близких к орбите недавно образованной Земли. Все эти атомы пребывали в тех молекулах, в состав которых вошли в период 5,6–4,6 млрд. л.н., находясь в протосолнечном газопылевом облаке. Карбовеж (C) и Нитрожен (N) входили в космическую органическую молекулу Карбовеж-Нитроженного урацила (C4H4N2O2). Карбомал пребывал в форме органической молекулы Карбомалного гликольальдегида (C2H4O2). Флюор (P) и Ферум (Fe) перед прибытием на Землю вошли в состав космического минерала Флюор-Ферумного шрейберзита {(FeNi9Co)3P}. Эти гиды еще находились вне Земли, когда наша планета уже прошла в своей эволюции через Земную, Лунную, Литосферную, Океаническую и Континентальную развилки. Метеориты с нашими элементами-гидами попали на Землю только после Пребиотической развилки, около 4,1 млрд. л.н., во время массивной метеоритно-астероидной бомбардировки.
2.2. Лунная развилка эволюции Земли – важный поворот природы к человечеству. Около 4,47 миллиардов лет назад
Антропный маршрут эволюции природы после поворота на Земной развилке навсегда превратился в путь развития нашей планеты. За последующие почти 100 млн. лет после возникновения земного шара произошли значительные преобразования первичного сгустка вещества. Постепенно из неупорядоченной массы атомов и химических соединений стал формироваться особый природный объект с уникальными свойствами и закономерностями своего усложнения. По мере эволюции планеты происходило все большее упорядочивание этого космического объекта. Образование и усложнение планеты направлено естественным образом на борьбу с главным разрушительным термодинамическим законом всех компактных объектов Вселенной, на противодействие увеличению энтропии[22 - Энтропия Вселенной – это мера хаоса. В целом Вселенная в настоящее время – довольно упорядочена, т. е. имеет малое значение энтропии. Крупнейшими объектами беспорядка во Вселенной, т. е. обладающими высокой степенью энтропии являются массивные и сверхмассивные черные дыры. Достижение Вселенной максимального значения энтропии, наибольшего хаоса означает её тепловую гибель.], т. е. на сопротивление хаосу. Земля на этом пути развития успела к рубежу около 4,48 млрд. л.н. распределить вещество своих недр под воздействием гравитации на основные оболочки: ядро, мантию и первичную кору. Наиболее легкие минералы кремния, магния и алюминия сконцентрировались в большей степени в коре и верхней мантии, чем в ядре. Этот процесс дифференциации всего вещества по плотности, конечно, не был завершен. До сих пор относительно легкие химические элементы и их соединения перемещаются из ядра к поверхности Земли в форме огромных капель-плюмов расплавленных пород (объемом до 100 км3). Вместо этих масс происходит погружение более тяжелых, охлажденных блоков горных пород литосферы в мантию и ядро. Такой процесс циркуляции вещества служит одной из главных движущих сил тектонической эволюции планеты. Этот механизм глобальной мантийной конвекции (круговорота вещества) обусловил появление плюмовой[23 - Плюм – тонкая струя раскаленной магмы, поднимающаяся от ядра к подошве литосферы, под которой растекается в виде шляпки гриба. Место под магматической шляпкой – горячая точка hot spots. Плюм поставляет расплавленную магму по трещинам в литосфере на поверхности планеты, где она разливается в форме обширнейших трапповых (наслоившихся друг на друга лавовых покровов) полей базальтового состава. Траппы Восточной Сибири, занимают площадь равную Исландии, около 2 миллионов квадратных км. Лава здесь начала изливаться около 570 млн. лет назад и продолжала поставлять на поверхность огромные массы расплавленной породы и газов в течение сотни тысяч лет. По мере движения литосферной плиты над горячей точкой происходит как бы прожигание литосферы с формированием на поверхности планеты цепочки вулканов или траппового магматизма.] тектоники, которая играет значительную роль в геодинамике Земли.
Рассматриваемые события антропного маршрута эволюции природы пришлись на тепловой этап истории нашей планеты, названный «Расплавленная Земля», продолжительностью 110 млн. лет (4,56 – 4,45 млрд. л.н.), когда температура поверхности постепенно остывала от ~4000°C до 500°C. В период ~ 4,48-4,45 млрд. л.н. над пышущей жаром поверхностью планеты (температура хоть снизилась, но еще достигала значений до 550–500°C) произошла смена первой, легкой атмосферы на вторую, более тяжелую газовую оболочку – Палеокатархейскую углекисло-водяную. В это время происходило выделение из недр главным образом свободной воды, которая немедленно поступала в виде пара в атмосферу. Вулканы начали интенсивно поставлять в атмосферу кроме водяного пара, также углекислый газ и другие, газообразные и твердые вещества. Бушующая воздушная оболочка планеты насыщалась в значительной степени водяным паром, содержание которого постепенно сокращалось от 100 % до 16 % за счет увеличения доли других газов. Атмосфера насыщалась кроме паров воды, такими газами, как: углекислота (44–61 %), азот (7–9 %), водород (7 %), аммоний (3 %), гелий (2,4–2,2 %), метан (0,8–0,7 %). Воздушная оболочка в те времена была еще тонкой, но постоянное поступление из недр разнообразных газов наращивало ее общую массу. Изменения величин относительного содержания основных газов отражают динамику их извержения из недр за период существования второй газовой оболочки планеты. Так, при более-менее стабильном поступлении определенных масс водяного пара[24 - Нынешние вулканы выделяют в виде газов преимущественно водяной пар. Например, в газах базальтовых лав гавайских вулканов содержание водяного пара составляет 70–80 % по объему.] объемы углекислоты нарастали. Если эта атмосфера вначале формирования была практически только водяной, то к моменту её трансформации в третью атмосферу состав стал преимущественно углекислотным.
Водяной пар, поднявшись на большую высоту, охлаждался и формировал мощный облачной покров. Облака проливались интенсивными дождями, которые, однако, при приближении к раскаленной твердой поверхности планеты снова превращались в пар, возвращающийся вверх. Такой круговорот воды на этапе «Расплавленная Земля» создавал грандиозный парниковый эффект, замедляющий охлаждение базальтового рельефа планеты.
Верхняя оболочка Земли толщиной около 1000 км была сложена расплавленной магмой, покрытый тонкой (до 10 км) первичной корой из затвердевшего мантийного вещества – перидотитовым слоем. Эта первая твердая оболочка растрескивалась, коробилась, смещалась под воздействием циркуляции расплавленного вещества мантии. По трещинам (разломам) извергались на твердую поверхность лавовые потоки, а в атмосферу устремлялись газы. Поверхность была усеяна метеоритными кратерами и вулканическими конусами. В недрах планеты уже обособились ядро и мантия. Время проявления первых последствий вертикальных и горизонтальных движений частей твердого слоя, наряду с вулканизмом (~ 4,48 млрд. л.н.) можно, с определенной долей условности, считать началом геологической истории Земли. Предыдущую историю – от момента аккреции вещества планеты до появления твердой оболочки – отнесем к этапу образования планеты (4,567- ~ 4,48 млрд. л.н.).
2.2.1. Счастливое столкновение Земли с другой планетой
Случилось так, что около 4,475 млрд. л.н. орбита Земли пересеклась с орбитой предполагаемой планеты Тея, размеры которой мало отличались от Марса. Тея на огромной скорости врезалась по касательной в раскаленный земной шар. В околоземное космическое пространство выбросилось гигантское количество вещества земной коры и верхней мантии. Наверное, от первичной формы Теи мало что осталось после такого удара. На орбите Земли оказалась колоссальная масса разноразмерных обломков возможно твердой Теи и земного базальтового слоя, а также шарообразных сгустков из земных расплавленных пород. Самый большой кусок притянул на себя значительную часть более мелких обломков. В результате довольно быстро, в течение нескольких миллионов лет, образовалось тело массивного земного спутника – Луны. Поскольку наш спутник образовался из вещества верхних оболочек Земли, то средняя плотность Луны соответствует средней плотности именно этих пород, что значительно меньше плотности Земли и тем более, её ядра. Состав лунных грунтов, доставленных на Землю, показал их сходство с породами земной коры.
На Земле еще долгое время оставался след от столкновения с Теей. Медленно заполнилась магмой огромнейшая выбоина на земной поверхности от этой космической катастрофы. Только глобальные перемещения и преобразования литосферных плит, на которые разбилась верхняя оболочка Земли спустя много миллионов лет, изменят весь первичный рельеф планеты.
Удивительно, но катастрофическая встреча Земли с планетой Тея оказалась необходимым условием для развития жизни, поскольку привела к объединению тяжелых элементов обеих планет в земном ядре. В итоге сформировалось сверхмассивное земное ядро, способное генерировать мощную магнитосферу, обеспечивающую защиту земной поверхности от губительной солнечной радиации. Возникновение Луны достаточно крупного размера существенным образом сказалось на ходе эволюции Земли. Имеются в виду лунное влияние на такие параметры земного развития, как: уменьшение вероятности падения крупного астероида, замедление скорости вращения, стабилизация оси вращения нашей планеты, протекание геологических процессов, особенности климата, условия появления и развития жизни. Например, 3 млрд. л.н. орбита Луны располагалась так близко от нашей планеты, что высокие приливные волны в земной коре приводили к растрескиванию литосферы и влияли на магматическую активность недр, а приливные волны в земном мировом океане достигали многих сотен метров. Такие периодические приливы-отливы приводили к регулярному осушению океанических мелководий и заводнению прибрежной суши, что благоприятствовало выходу жизни из моря на сушу. Водные живые существа оказывались на суше, где приходилось приспосабливаться к существованию в новых условиях. Первые наземные организмы постепенно эволюционировали в ту флору и фауну, которая заселила все континенты. С тех пор Луна отдалилась от Земли и продолжает удаляться, что влечет замедление скорости вращения нашей планеты и увеличение суток. Так, во время образования Луны вращение Земли было очень быстрым, сутки длились всего 4 часа 30 минут, а 500 млн. л.н. сутки равнялись 18 часам, сейчас – 24 часам. В будущем, через несколько миллионов лет Луна будет находиться в 1,5 раза дальше, чем сейчас и сутки на Земле составят около 54 современных суток, т. е. сутки будут длиться 1,5 месяца. Указанное постепенное изменение динамики нашей планеты, безусловно, влияет на те или иные климатические характеристики, которые ориентируют эволюцию организмов в определенных направлениях.
Принимая во внимание роль Луны в появлении и развитии жизни на Земле, с полным основанием, можно назвать момент образования Луны около 4,47 млрд. л.н. важной развилкой эволюции природы на пути к человечеству – Лунной развилкой. Если бы у Земли не появился партнер в виде Луны, эволюция планеты Земля пошло бы иным путем, чем это случилось. Можно только гадать, что было бы с жизнью в варианте существования Земли без Луны, но нет сомнения, что безлунный путь эволюции природы не привел бы к той последовательности и многообразности живых организмов, которые были реализованы. О возможной судьбе Земли в отсутствии такого крупного спутника, как Луна, можно предполагать на примере планеты Марс, которая потеряла свою атмосферу, жидкую воду, прекратила тектоническую деятельность, практически полностью лишилась магнитного поля. У Марса имеется два спутника – Фобос и Демос, радиусы которых, соответственно в 158 и 290 раз меньше лунного. Марсианские спутники настолько малы, что их гравитационные силы не способны оказывать существенное влияние на Марс. На других планетах земной группы (Венере и Меркурии) вовсе отсутствуют спутники существенных размеров. Так, что Земле очень повезло со спутником.
2.2.2. Гидрожен на горячей Земле, Оксижен – в красивом минерале. Другие гиды – в Поясе астероидов
Что происходило с атомными гидами в момент катастрофического столкновения Земли с Теей? Гидрожен и Оксижен первыми из атомов-гидов оказались на Земле 4,47 млрд. л.н. Это произошло приблизительно через 5 млн. лет после судьбоносной встречи Земли с планетой Тея и практически одновременно с образованием Луны. Возможно, гравитационное воздействие Луны способствовало встрече Гидрожена и Оксижена с Землей. Весьма крупный астероид, заключающий Гидрожен-Оксиженый серпентин врезался в земную поверхность, которая в это время была представлена первичной перидотитовой твердой оболочкой с высокой температурой (~ 650°C). Этот минерал серпентин, будучи водным магнезиальным силикатом, замечателен тем, что в его химическом составе (в основном MgO 43,0 %, SiO2 44,1 %, H2O 12,9 %) присутствует до 17 % воды. При нагревании свыше 450°C серпентины переходят в другие минералы: тальк, форстерит с выделением воды. Поскольку Гидрожен-Оксиженый серпентин попал на Земле в горячую обстановку, то из него получилось два вещества: минерал Оксиженный форстерит и Гидроженная вода. Гидрожен тут же, испарился с вмещающей его молекулой воды (H2O), добавив частичку пара в водяную атмосферу. В атмосфере Гидрожену предстояло путешествовать около 200 млн. лет до тех пор, когда понизится температура поверхности планеты и вся вода из атмосферы обрушится на твердую базальтовую оболочку, сформировав первые океаны.
Оксижен продолжил свое геохимическое путешествие внутри молекулы Оксиженного форстерита[25 - Форстерит – распространенный минерал, ортосиликат магния из группы оливина – Mg
SiO
, где окись магния составляет 57,31 %, а двуокись кремния – 42,69 %. Оксижен занял место атома кислорода в молекуле двуокиси кремния.] в поверхностном слое Земли. Форстерит – очень твердый минерал – по десятибалльной шкале твёрдости расположен на седьмом месте. Выдерживает огромную жару, так как температура плавления минерала – около 1890°C. Считается, что этот, как правило, зеленый минерал, обладая некими целебными способностями, положительно влияет на организм человека. Форстерит даже предохраняет от многих болезней. Оксиженный форстерит, возникнув в твердой мантийной оболочке, оказался в благоприятных условиях для кристаллизации небольшого зернышка минерала в красивый, крупный кристалл высотой 15 см. Получилось так, что Оксижен в форстерите свяжет свою судьбу с перидотитовым твердым слоем мантии на весьма продолжительный период. К рубежу 4,38 млрд. л.н. этот мантийный слой покроется новым базальтовым слоем коры, сформируется базальтовая литосфера и начнется плитная тектоника. Благодаря движению плит форстерит с Оксиженом в составе одного из литосферных блоков отправится в долгий путь по астеносфере в интересное будущее.
Как удивительно в природе всё взаимосвязано. На примере Гидрожена и Оксижена можно заметить, что они меняли форму своего существования (молекулу, минерал) при смене условий нахождения (температуры, давления и многих других факторов). Причем сохраняются только те формы, которые оказываются устойчивыми к меняющимся условиям. Принципы изменчивости и естественного отбора связываются, обычно, с живой природой, но, пожалуй, все формы существования вещества, включая неживые, изменяются при смене среды нахождения и подвержены эволюционному отбору.
После Лунной развилки еще много вещества, не собранного Луной, оставалось на орбитах вокруг Земли. Эти скопления минералов разного размера постепенно падали на нашу планету или на наш спутник. Не забудем, что кроме того не малый объем протопланетного материала продолжал вращаться вокруг Солнца в основном на орбитах между Марсом и Юпитером – в Поясе астероидов. В этом Поясе мчались те атомные гиды, которые не попали на Землю во время её формирования. Эти атомы-гиды всё еще находились в тех молекулах, в состав которых вошли в период 5,6–4,6 млрд. л.н., находясь в протосолнечном газопылевом облаке. Речь идет о: космической органических молекулах Карбовеж-Нитроженного урацила и Карбомалного гликольальдегида, а также Флюор-Ферумном шрейберзите.
Эти три молекулы в процессе первичной аккреции (объединения) газово-пылевых частиц вошли в состав трёх астероидов неправильной, кускообразной формы, размером от 15 до 30 метров, которые приобрели собственные орбиты движения вокруг Солнца. Назовем эти астероиды по именам некоторых гидов, входящих в их состав: Нитроженный астероид (с молекулой урацил), Карбомалный астероид (с молекулой гликольальдегида) и Ферумный астероид (с молекулой шрейберзита). Объекты в Поясе астероидов не могли продолжать слипание в более крупные астероиды или планетеземали из-за мощного гравитационного воздействия огромного Юпитера. Так и остались эти астероиды мелкими космическими объектами, которые постепенно меняли свои орбиты под влиянием сил тяготения ближайших планет.
Направление эволюции природы к человечеству после Лунной развилки корректировалось многими земными событиями – эволюционными поворотами. Среди них выберем только те основные, отклонения от которых почти наверняка исключило бы появление на нашей планете если не жизни вообще, то человека разумного уж точно. Хронологически следующим, уникальным эволюционным поворотом стала Литосферная развилка.
2.3. Литосферная развилка эволюции Земли. Около 4,45 миллиарда лет назад
Поверхность Земли продолжала охлаждаться, и для планеты наступил следующий, второй тепловой этап, названный «Раскаленная Земля», который продолжался в течение 4,45 – 4,1 млрд. л.н. Начался этот этап со среднегодовой температуры поверхности около 500°C. В недрах формировались огромные объемы легких соединений, которые стремились в зону меньших давлений – наружу. Эти мощнейшие перепады давления порождали вулканы и трещинные излияния, которые извергали вместе с лавой много газов. Газы были представлены: парами воды, углекислотой, азотом, аммиаком, метаном, серой, разными кислотами, водородом, аргоном и рядом других газов. Активная дегазация лавы дала начало формированию третьей – Мезокатархейской водно-азотно-углекислой атмосферы (~ 4,45-4,1 млрд. л.н.). Состав этой газовой оболочки за время её существования изменялся в направлении уменьшения углекислого газа (от 67 до 29 %) и наращивания азота (от 14 до 28 %). Как и в прежней атмосфере присутствовали аммиак (2,8–1,3 %), гелий (2,2–0 %), метан (0,7–0,3 %) и некоторые другие газы. Относительное содержание паров воды уменьшилось к началу этого этапа до 16 %, но абсолютное количество воды в атмосфере оставалось прежним, а может быть, даже несколько увеличилось за счет поступления из недр. Изменение соотношения главных компонентов атмосферы, приведшее к формированию третьей атмосферы, произошло в результате значительного наращивания общей массы атмосферы за счет азота, особенно на рубеже около 4,45-4,1 млрд. л.н. Вода в парообразном состоянии поддерживалась высокой температурой. Большая доля углекислого газа в атмосфере обеспечивала его растворение в водяных парах с образованием угольной кислоты (по реакции: СО2 + Н2О <=> Н2СО3)[26 - Кстати вспомним, что раствор углекислого газа в воде является газированным напитком, который можно пить.] (пояснения по ссылке можно смотреть в разделе "Ссылки.." в конце книги). Процесс растворения углекислого газа в воде начался еще во время существования предыдущей, второй – Палеокатархейской углекисло-водяной атмосферы. В парах воды также растворялись и другие, менее распространенные в обеих атмосферах кислоты. Так, что тучи тех периодов состояли из слабых растворов угольной и, в меньшей доле, других кислот. Эти древние атмосферы оставались еще тонкими по сравнению с толщиной нынешней атмосферы. Последующие газовые оболочки наращивали массу за счет постоянного поступления глубинных газов, а после возникновения гидросферы они насыщались также водными испарениями океанов и морей и т. д. Значительную роль в эволюции газовых оболочек также играли противоположный процесс – медленное истечение газов в космическое пространство. Вспомним, что ранняя, очень легкая атмосфера, состоящая из водорода и гелия, полностью рассталась с Землей. Вторая и последующая газовые оболочки оказались более стабильными, так как их главные составные части – азот (1,251 кг/м3), углекислый газ (1.9768 кг/м3), а затем и кислород (1,429 кг/м3) имеют плотность приблизительно в 10–20 раз превышающую плотность гелия (0,1785 кг/м3) и тем более водорода (0.08987 кг/м3). Масса Земли способна своим гравитационным полем довольно продолжительное время удерживать эти тяжелые газы. По расчетам ученых Земля может полностью потерять атмосферу не ранее, чем через пять миллиардов лет. Однако каково истинное соотношение прироста и убыли атмосферного газа в разные периоды истории Земли пока достоверно не известно. Поэтому приведенный расчет времени гибели атмосферы – весьма приблизительный.
Земля продолжала вращаться с большой скоростью, земные сутки составляли около 5 часов. Бешеное вращение планеты вызывало сильнейшие атмосферные ураганы, несравнимо более массивные и жесткие, чем нынешние самые крупные воздушные бури.
К этому времени почти вся поверхность планеты оставалась покрытой первичной твердой оболочкой, представленной ультраосновными[27 - Ультраосновные горные породы – темноцветные, магматические породы с низким содержание кремнезема (SiO
– менее 40 %), более тяжелые, чем основные породы (базальты – SiO
от 40 до 52 %) и, тем более, чем кислые (граниты – SiO
от 65 до 75 %). Ультраосновные породы занимают на поверхности планеты только около 1 % площади. Типичными представителями являются перидотиты, дуниты, оливины, кимберлиты, пикриты. Эти породы слагали первичную земную твердую оболочку.] горными породами мантии. Эту оболочку называют по-разному: мантийная, докоровая, перидотитовая, симатическая. Порода перидотит, главный компонент этого твердого слоя, хотя и легче нижерасположенного вещества мантии, но все же довольно тяжелая (плотность около 3,3 г/см3). Такая оболочка была способна плавать поверх тогда расплавленной магмы верхней мантии до тех пор, пока оставалась не полностью кристаллизованной и толщиной, не превышающей около 10 км. По мере кристаллизации перидотита, приводящей к увеличению его плотности и в связи с нарастанием толщины его слоя на тех или иных участках, происходило погружение в раскаленную магму этих воздымающихся над поверхностью блоков. Поэтому рельеф поверхности планеты в тот период был пологим, без значительных возвышенностей. Постепенно происходило погружение блоков первичной твёрдой оболочки в раскаленную мантию, что приводило к частичному плавлению перидотита. В результате появлялись и продолжают до настоящего времени генерироваться дополнительные огромные объемы магмы, которая поднимаясь к поверхности, превращается в базальт. Первая перидотитовая твердая оболочка сыграла важную роль в эволюции Земли, однако после значительного охлаждения и полной кристаллизации она не сохранилась на поверхности и постепенно погрузилась в мантию. Для покрытия Земли твердой оболочкой должна была выплавиться из недр менее плотная порода. Оказалось, что необходимыми качествами обладала магматическая вулканическая порода основного состава (SiO2 от 40 до 52 %) – базальт, средний удельный вес которого (~2,7 г/см3) приблизительно на 10 % меньше, чем у перидотита. Базальты – сложная порода, состоящая из многих минералов, главное место среди которых принадлежит двум силикатным минералам. Важнейшим породообразующим минералом является плагиоклаз (NaAlSi3O8 – CaAl2Si2O8), который стал самым распространенным минералом в земной коре и главным алюмосодержащим минералом на планетах земного типа и их спутниках. Пироксен считается вторым важнейшим минералом в составе базальта. Этот обычный силикат отличается способностью вмещать большое количество элементов (кислород, кремний, алюминий, кальций, натрий, а также множество более редких элементов).
2.3.1. Начало формирования земной коры
Приблизительно 4,45 млрд. л.н. вулканы начали поставлять расплавленные горные породы – базальтовую лаву на поверхность планеты. Тем самым был запущен процесс формирования нижнего, базальтового слой земной коры. Вулканы, поставлявшие базальт, располагались на многих участках Земли, как правило, группируясь вдоль глубинных разломов. Такие разломы, связывающие поверхность с глубокозалегающим веществом мантии, возникли в первичной перидотитовой оболочке. Причиной образования подобных разломов являлись изгибания и раскалывания твердой мантии, под воздействием конвекционных течений расплавленного мантийного вещества, а также благодаря приливному давлению Луны.
Расплавленная магма извергалась из быстро нарастающих вулканических конусов, стекая вниз потоками лавы, взлетая в атмосферу чудовищными брызгами раскаленного базальта, которые при охлаждении падали на поверхность вулканическими бомбами разного размера. Извержения сопровождались фонтанами пепла, водяного пара и разнообразных газов, поднимавшимися вверх до стратосферы. Почти непрерывно поверхность планеты покрывалась пластами базальтов в форме потоков и покровов. В то же время отлагались прослои пирокластического (туфового) или осадочного материала. Пласт за пластом, черные базальтовые лавы и пепел формировали первый (нижний) твердый и устойчивый базальтовой слой земной коры. Толщина базальтового слоя была разной, существовали крупные блоки толщиной до 16 км. Такая толстая легкая базальтовая кора была способна выдерживать на плаву вулканические конусы высотой более 3 км над преобладающим уровнем поверхности. На других участках толщина данной оболочки не превышала 2–3 км. Базальтовая кора является самым распространенным типом коры у планет Солнечной системы. На Земле в настоящее время почти во всей коре (под океанами и на материках) присутствует слой базальтов. Правда, сейчас это, как правило, вновь образованные базальты, а от той первичной базальтовой коры, скорее всего, мало что осталось. Тогдашний облик Земли походил на нынешний вид базальтовой поверхности Меркурия, разбитой кратерами многочисленных астероидов. Также выглядит базальтовая, гористая кора Венеры и выветрелая красная поверхность Марса. Поверхность Земли благодаря твердой базальтовой коре и, конечно, под воздействием постоянной метеоритно-астероидной атаки приобрела разнообразный, сложной ландшафт черного цвета, изобилующий многочисленными кратерами как метеоритного, так и вулканического происхождения. Регионы с многочисленными вулканическими постройками сменялись равнинами, ограниченными скалистыми уступами. Людям в очередной раз повезло, что наша планета не остановилась на формировании базальтового слоя, но оказалась способной продолжить свою эволюцию, изменяя траекторию развития на многих эволюционных развилках, которые привели к разумному человеку.
Накопление первичного базальтового слоя заложило основу дальнейшей эволюции земной коры. Полагаем, что к рубежу около 4,38 млрд. л.н. практически вся земная поверхность покрылась черными толщами пористых базальтов, еще довольно горячими (400–300°C). Подкоровой (мантийный) твердый слой ультраосновных пород нашей планеты на тех участках, где ещё сохранился, вошел в состав верхней мантии. Молодая и тонкая базальтовая земная кора в совокупности с верхним, твердым слоем мантии (волноводом Гутенберга) образовала литосферу[28 - От древне греческого lithos, литос – «скалистый, твердый» и «sphaira» – сфера, твердая оболочка Земли.]. Литосфера в виде твердой оболочки залегает на более пластичном, более вязком, жидком астеносферном (от греч. астенос – слабый) слое в мантии. Контакт литосферы с астеносферой сейчас происходит на разной глубине в зависимости от геологического строения литосферы: от 4 км под рифтами до 200 км под древнейшими платформами-кратонами.
Появление литосферы – твердой оболочки Земли, расположенной на относительно пластичной астеносфере, имело решающее значение для продвижения эволюции природы по антропному маршруту. Дело в том, что раскалывание первоначальной, «базальтовой» литосферы на отдельные плиты, находящиеся в постоянном движении, создало условия для образования океанов с океанической корой и появления континентальной коры. В итоге возникла жизнь в океанах. Затем живые организмы вышли на материки, где эволюционировали во множество замечательных существ, среди которых оказались и люди. Учитывая важность формирования литосферной оболочки, данный поворот в развитии планет выделяется в Литосферную развилку эволюции Земли, которая случилась около 4,45 млрд. л.н. Есть основания считать, что в эволюции Венеры и Марса были повороты, направившие их развитие на появление базальтовой литосферы, подобно земной Литосферной развилки. На этих планетах имели место даже некоторые проявления тектоники плит и были образованы океаны (Океанические развилки эволюции планет). Однако эти планеты в начале океанического пути развития, похоже, остановили прогрессивную эволюцию и вступили в эпоху разрушения. Земля продолжила развиваться своим особым путем, а для других планет природа избрала иные варианты эволюции.
2.3.2. Появление плитной тектоники – необходимое условие жизни
На рубеже около 4,38 млрд. л.н., когда практически вся планета покрылась базальтовым слоем, подлитосферная циркуляция вещества горячих недр и/или деятельность плюмов раскололи молодую «базальтовую» литосферу на множество плит, которые приступили к вечному дрейфу по астеносфере[29 - Астеносфера – слой (Гутенберга) толщиной около 100 км в верхней мантии Земли, который подстилает литосферу (твердую оболочку планеты). Увеличенная пластичность астеносферы относительно смежных слоев позволяет литосферным плитам перемещаться по ней. Астеносфера также обеспечивает изостатическое равновесие литосферных плит (блоков). Поверхность слоя Гутенберга расположена на губинах: 50–60 км под океанами и 100–120 км и более под материками.] как по смазке. Условно, с этого времени[30 - Глобальная тектоника плит по версии геологов США началась около 4,3 млрд. лет назад, что близко к принятому нами возрасту.] (пояснения по ссылке можно смотреть в разделе "Ссылки.." в конце книги) началась глобальная тектоника литосферных плит, охватившая всю Землю. Движение плит стало возможным благодаря различию физических свойств литосферы и астеносферы, которые определяются не особенностями их химического состава, но фазовым переходом, обусловленным давлением и температурой. Вещество литосферы находится в кристаллическом состоянии, а породы астеносферы являются частично расплавленными. Наличие раскаленных недр под холодной литосферой является потенциалом мощных тектонических движений литосферы, связанным со стремлением теплых, а потому более легких горных пород всплыть над холодными, более тяжелыми образованиями земной коры. Очень вязкая магма переносит тепло из самых глубинных недр Земли к подошве коры, вызывая движение плит. На выполнение механической работы тратится определенная доля тепла, другая часть уходит в околоземное космическое пространство. Многие геологические и другие процессы реализуются благодаря тому, что наша планета является, по-существу, тепловым двигателем.
Огромные массы раскаленной магмы и лавы внедряются между литосферными плитами, в зонах спрединга (раздвигания), расталкивая их. Эти базальтовые извержения, остывая на поверхности планеты, формировали новообразованный базальтовый слой. Таким образом, благодаря действию ранней плитной тектоники происходила постепенная замена первичного (доплитного) базальтового слоя на новообразованный слой базальта. Следует отметить, что этот процесс обновления земной коры начался еще приблизительно за 110 млн. лет до появления на Земле океанов. Регионы с обновленной базальтовой корой между смежными плитами, образовавшиеся до появления жидкой воды на Земле, условно можно считать «сухими океанами». Если кору, служащую ложем нынешних океанов, называют океанической корой (см. раздел "Океаническая развилка"), то древнейшую кору сухих океанов так и назовем «кора сухого океана». Земные древние сухие океаны, вероятно, имеют много сходного с районами новообразованной застывшей лавы – базальтовых излияний на Луне, именуемых лунными морями. Там даже имеется океан Бурь общей площадью около 4 млн. км2. Конечно, никаких водных бассейнов на Луне нет и не было. Лунные пониженные участки распространения относительно молодых базальтов назвали морями из-за их более темного цвета по сравнению с прилагающими светлыми участками «суши». Развитие Луны в отличие от Земли не прошло через Океаническую развилку.
В то же время, перемещение литосферных плит приводит к тому, что крупные холодные блоки литосферы погружаются в раскаленные недра Земли в участках их столкновения. Такие участки названы зонами субдукции, где одни блоки проталкиваются под смежные плиты, расплавляясь в недрах и перерабатываясь в процессе соединения с веществом мантии. Затем массы расплавленных пород поднимаются к поверхности, чтобы окислившись образовать новые породы. Наряду с твердыми породами в миграции участвуют жидкости (вода, водные растворы) и газы. Более того, Земля в целом, от ядра до атмосферы представляет собой сложный комплекс взаимодействующих атомов, соединенных в молекулы, минералы, горные породы, находящиеся в постоянном круговороте с той или иной скоростью. Состояния глобальных характеристик Земли порой зависят от самых незначительных изменений отдельных характеристик вещества во внутренних оболочках, а также от ряда космических воздействий.
В этом отношении следует вспомнить о роли тектоники плит в регулировании температурного режима поверхности Земли, обеспечивающего благоприятный для жизни диапазон температур между 0°C и 100°С. История планеты показывает, что сохранять такие температурные условия весьма сложно. Тем более что планета на протяжении более 4 миллиардов лет подвергается всё возрастающему воздействию солнечного излучения. Это излучение в начале истории Земли было на 30 % меньше, чем в настоящее время. Если бы не механизм действия тектоники плит, то планета разогрелась бы до температуры, при которой вся вода испарится и удалится в космическое пространство. Регулирование температуры происходит в результате взаимодействия тектонических процессов образования гор, т. е. благодаря орогенезу и процессов их разрушения, эрозии. Ветер, вода, химические процессы разрушают горных пород и перемещают продукты эрозии в океан. Одни горы разрушаются, другие образуются. Круговорот вещества продолжается постоянно.
В круговорот включается углекислый газ атмосферы, когда он растворяется в дождевой воде и в форме углекислоты растворяет горные породы. В океанах часть углерода выпадает в осадок в виде карбонатных пород: известняка-CaCO3 и доломита-MgCO3. Кроме этого, углерод удаляется из атмосферы растениями, которые используют его для производства углеводов. Растения после смерти постепенно накапливаются в мощных осадочных пластах и под воздействием температуры и давления превращаются в торф и угли. В морских отложениях захоронились органические остатки водных животных. Из этого органического вещества спустя миллионы лет образовались газ, нефть или горючие сланцы. Обширные осадочные бассейны с углеродосодержащими породами являются своеобразными долговременными хранилищами колоссальных ресурсов углерода. Кроме того, в зонах субдукции, где океанические литосферные плиты погружаются в мантию, углеродосодержащие породы могут высвобождать углерод для формирования новых минералов. Таким образом, разнообразные химические и геологические процессы как конвейерная лента перемещают углерод из атмосферы в земную кору либо в мантию. В результате содержание углекислого газа в атмосфере уменьшается, что снижает парниковый эффект[31 - Парниковый эффект – это нагрев нижних слоев атмосферы благодаря способности парниковых газов (в основном: метана, воды и углекислоты) пропускать к поверхности планеты коротковолновое излучение Солнца и удерживать длинноволновое излучение Земли.] и вызывает похолодание климата.
В коре и мантии Земли углерод залегает в значительно большем количестве, чем в сумме на поверхности и в атмосфере. Если бы геологический конвейер работал только на захоронение углерода, тогда бы уже в тот или иной момент содержание двуокиси углерода (CO2) в атмосфере сократилось бы до критически минимального значения, и планета замерзла бы. Эволюционный маршрут природы к человечеству на этом бы прервался окончательно. Но геологический конвейер продолжает продвигать вещество, включая углерод от зон субдукции к месту выхода из земных недр в атмосферу. Такими местами являются зоны дивергенции (спрединга), где раздвигаются литосферные плиты под воздействием огромных масс раскаленной, всплывающей и циркулирующей магмы. Горячие массы пород, насыщенные водяным паром, углекислым и другими газами извергаются на поверхность континентов или на дно океанов через глубокие трещины в земной коре или через жерла вулканов. Когда появятся люди, они начнут сжигать торф, уголь, сланец, нефть, газ, тем самым освобождая углерод из подземного заточения и направляя его в круговорот. Человек будет выступать всего лишь как один из геологических факторов. В атмосферу возвращается углекислый газ, повышая её парниковый эффект, повышается температура поверхности планеты. Увеличивается объем дождей и ускоряется эрозия горных пород и их снос в океаны, а также погружение этих пород в недра. То есть ускоряется вывод углекислоты из атмосферы. Так саморегуляция планеты стремится уменьшить повышение температуры, которое происходит в результате постепенного возрастания объема солнечного излучения.
Кроме того, постоянное перемешивание земного вещества является своеобразным конвейером по производству все более сложных химических соединений, по их сепарации и концентрации в месторождениях земной коры. Хотя объем концентрированных химических элементов – относительно небольшой по сравнению с основной массой химических элементов, находящихся в рассеянном состоянии, эти скопления имеют огромное значение для развития человеческой цивилизации. Природа как бы позаботилась о людях, создав скопления (месторождения) таких полезных ископаемых, как: горючие (нефть, природный газ, горючие сланцы, торф, уголь), нерудные (строительные материалы; сырье для производства минеральных удобрений, красок, для общехимического производства, для металлургии; технические кристаллы; драгоценные и поделочные камни; абразивные материалы), рудные (черные и цветные металлы и др.). Уместно здесь напомнить, что человечество получило в свое распоряжение также водные, лесные и биологические ресурсы. Неисчерпаемые объемы световой и тепловой солнечной энергии, влаги и движения воздуха являются теми климатическими ресурсами, которые Земля использует в своей эволюции и которые в своё время предоставит живым организмам.
Возвращаясь к характеристике тектоники плит, заметим, что о первичных размерах и контурах древнейших литосферных плит отсутствуют достоверные сведения, поскольку со временем их конфигурация менялась. Плиты могут раскалываться в результате рифтинга (образования вытянутых щелевидных прогибов, ограниченных глубинными разломами) и спаиваться, создавая единую плиту в результате коллизии (столкновения плит, смятия коры и образование горных цепей). Границами древнейших плит, возможно, были первые глубинные разломы в твердой мантии, по которым поднималась магма для базальтовой коры. К настоящему времени литосфера представлена 8 крупнейшими плитами: Тихоокеанская-103 300 000 км?, Северо-Американская-75 900 000 км?, Евразийская-67 800 000 км?, Африканская-61 300 000 км?, Антарктическая-60 900 000 км?, Австралийская-47 000 000 км?, Южно-Американская-43 600 000 км? и Сомалийская-16 700 000 км? (Рис. 2.3.1). Кроме того выделяются 5 крупных плит: Наска-15 600 000 км?, Индостанская-11 900 000 км?, Филиппинская-5 500 000 км?, Аравийский субконтинент-5 000 000 км? и плита Кокос – 2 900 000 км?. Имеются также множество средних и мелких плит. Тринадцать вышеперечисленных плит покрывают около 90 % земной поверхности. Средние и мелкие плиты расположены между крупнейшими и крупными блоками. Блоки литосферы перемещаются по астеносферному слою с разной скоростью: от 1 до 6 см/год в процессе надвигания одной плиты на другую и до 10–18 см/год при расхождении плит. Все плиты в той или иной степени являются комбинированными, т. е. слагаются океанической и континентальной типами коры. В то же время, Тихоокеанская плита – в основном океаническая, а Евразийская – преимущественно континентальная. Основная сейсмическая, тектоническая и магматическая активность нашей планеты, проявляемая на поверхности вулканизмом, землетрясениями, горообразованием, приурочена к границам плит. В разделах об Океанической и Континентальной развилках приводится краткая характеристика разных типов земной коры.
Границы плит стали зонами раздвига, надвига, поддвига или горизонтального смещения одних плит относительно смежных. Сформировались три типа границ между плитами: 1- рифт срединного хребта (зона спрединга), 2- зона столкновения (зона субдукции) и 3- зона сдвига (трансформный разлом)[32 - Границы плит также называют, соответственно: 1-дивергентными, 2-конвергентными и 3-трансформными.]. Вдоль этих границ проявились и происходят до сего времени максимальные тектонические, вулканические и сейсмические явления. В рифтовых зонах срединных хребтов плиты раздвигаются, и пустоты возникающих трещин заполняются расплавленной базальтовой магмой, всплывающей из астеносферы. Конвекционные течения вещества в астеносфере растаскивают плиты в стороны от осей срединных хребтов.
В зонах раздвижения плит, т. е. на участках распространения коры сухого океана, а также на прилегающих участках распространения первичного базальтового слоя приблизительно через 110 млн. лет после начала активной плитной тектоники возникнут океаны (см. "Океаническая развилка, 4,27 млрд. л.н."). В зонах субдукции (сближения) плит одна из них погружается под другую, а если они сталкиваются, тогда обе сминаются, образуя горную цепь. После возникновения океанов в участках распространения гор будет формироваться материковая (континентальная) кора (см. Континентальная развилка, 4,2 млрд. л.н.). По трансформным разломам происходит сдвигание (скольжение) плиты относительно смежной. Кроме того, даже внутри плит происходят такие явления, как: долговременные базальтовые магматические извержения в некоторых районах, называемых горячими точками, а также грандиозные излияния расплавов, формирующих траппы на континентах и океанические плато в океанах. Перечисленные проявления динамики твердой корово-мантийной оболочки являются разными характеристиками глобальной тектоники литосферных плит, о которой уже было упомянуто выше. Конечно, в течение первых 200–400 млн. лет после начала тектоники плит (около 4,38 млрд. л.н.), кора была тоньше и вязкость мантийных конвекционных потоков непосредственно под корой была намного ниже той, которые сформировались в последующем. Поэтому в этот начальный период динамика литосферы характеризовалась относительно низкой активностью. Тем не менее, тектоническая активность оказалась достаточной, чтобы обеспечить некоторую дифференциацию рельефа планеты, необходимую для образования океанов разной глубины, морей, озер и речных потоков, а также, чтобы создать необходимые условия для появления зон генерации континентальной коры.
2.3.3. Гидрожен – в горячей атмосфере, Оксижен – в литосферном блоке. Карбомал, Карбожен с Нитроженом и Флюор с Ферумом мчатся вокруг Солнца
После Литосферной развилки, Гидрожен, прибывший на Землю практически одновременно с образованием Луны, продолжал парить над Землей в составе Гидроженной водяной молекулы, поскольку температура поверхности планеты еще оставалась очень горячей (500°C – 300°C). Вся постоянно выделявшаяся из недр вода всё ещё находилась в парообразном состоянии. Огромные объемы пара превратятся в жидкую воду после снижения температуры ниже точки кипения воды. При существовавшем тогда атмосферном давлении в пределах около 3–4 атм. этот фазовый переход произошел, приблизительно при температуре поверхности планеты около 250–200°C около 4,27 млрд. л.н.
Перидотитовый твердый слой мантии, который стал пристанищем Оксижена, после Литосферной развилки перекрылся базальтовым слоем коры. Разбитие базальтовой литосферы на плиты определило нахождение кристалла Оксиженного форстерита в одном из океанических блоков. С этим литосферным блоком наш кислородный гид отправился в дрейф по астеносфере.
Карбомал, Карбожен с Нитроженом, как и Флюор с Ферумом в своих персональных астероидах (Карбомалном, Нитроженном и Ферумном) продолжают кружить вокруг Солнца на орбитах между Марсом и Юпитером. В их судьбе мало что изменится на протяжении еще около 300 млн. лет, до Пребиотической развилки, когда они прибудут на Землю.
2.4. Океаническая развилка эволюции Земли. Около 4,27 миллиарда лет назад
На протяжении около 200 млн. лет после Литосферной развилки тепловая история планеты оставалась в границах этапа «Раскалённая Земля». Планету продолжала укутывать третья – Мезокатархейская водно-азотно-углекислая атмосфера. В этой атмосфере происходило накопление колоссальной массы паров слабых водных растворов угольной и некоторых других кислот. К рубежу ~4,27 миллиарда л.н. снижающаяся температура достигла стабильных значений существования жидкой воды, и весь водяной пар в атмосфере конденсировался, обрушившись продолжительными проливными дождями угольной кислоты на твердый черный базальтовый слой планеты. Поверхность Земли хотя и охладела в значительной степени, но все еще оставалась довольно горячей (~200°C). Рельеф планеты в ранней половине катархейской эры (4,54-4,2 млрд. л.н.) был довольно пологим. Унылые базальтовые равнины с относительно неглубокими понижениями осложнялись не высокими вулканическими постройками в форме конусов или возвышенностей иных конфигураций. Кроме того, между литосферными блоками и в некоторых других местах тектонических напряжений формировались протяженные разломы, которые выделялись на земной поверхности в форме провалов и/или уступов. Отрицательными формами рельефа – потенциальными естественными вместилищами для озер и морей были тектонические прогибы и пологие впадины на участках нового образования базальтового слоя, т. е. на коре «сухого океана», да кратеры разного диаметра и глубины от разнокалиберных метеоритов и астероидов.
Кислая вода многовековых дождей мощными потоками стекала по сухой и очень горячей земной поверхности в низкие участки базальтового рельефа Земли. Формировалась система стока, речная сеть и возникали первые водоемы. Вода на своем пути растворяла щелочные породы своих русел. С суши переносились в первичные водоемы обломки разрушенных горных пород и извлеченные их них химические элементы: прежде всего натрий, а также магний, стронций, калий, кальций, литий и др. Содержание этих катионов[33 - Катион-положительно заряженный ион с меньшим количеством электронов, чем протонов в том или ином элементе. Анион-отрицательно заряженный ион с большим количеством электронов, чем протонов. Соли в водоемах существуют, как правило, в форме ионных соединений, которые формируются в результате притяжения ионов с противоположными электрическими зарядами. Например, хлорид натрия (NaCI), бромид калия (KBr) и оксид кальция (CaO).] в морской воде соответствует распространенности их в породах земной коры. Однако, содержание основных анионов, особенно хлора и брома, в водоемах значительно превышает возможности горных пород. Ученые считают, что все катионы попали в морскую воду в результате их извлечения из горных пород, а анионы (хлор, бром и др.) прибыли в воду непосредственно из мантии при её дегазации.
Первичная морская вода была слабокислотной (pH[34 - pH – показатель кислотности раствора, отражающий концентрацию в ней водородных ионов. Показатель изменяется от силькислотного (менее 3) до сильнощелочного (9,5-11). Оптимальный – нейтральный (7 единиц).] от 5 до 6,5) и малосолёной, похожей по составу на пресную воду. Такой состав воды в морях обусловлен быстрым стоком, не позволявшим значительно обогатиться минеральными веществами. Кислый раствор, находясь в первичных водоемах, растворял омываемые изверженные породы. На первом этапе размывались породы твердого базальтового слоя. На протяжении последующих сотен миллионов лет водные бассейны постепенно насыщались элементами, переходившими из новообразованных океанической и континентальной земных кор: натрием, магнием, стронцием, калием. Кроме того, за счет дегазации мантии в воду поступали хлор, бром и другие анионы. Интересно проследить обогащение океанов катионами кальция (Са2+) и магния (Mg2+), наряду с комплексным анионом карбоната (СO32-), в состав которого входит катион углерода (С4+) и три аниона кислорода (O2-). Когда концентрация этих элементов в морской воде достигла точек растворения кальцита (СаСО3) и доломита (CaMg[CO3]2), на дно бассейнов начали осаждаться данные карбонаты. Выпадение из воды соединений углекислоты привело к последующему извлечению морской водой из атмосферы новых порций углекислого газа. Океан выводил «излишки» углерода из атмосферы в осадок морей и океанов. Огромные массы соединений углерода в форме мощных толщ карбонатных пород на сотни миллионов лет захоронялись в недрах планеты. Океан стал естественным регулятором, как состава атмосферы, так и ее температуры. Гидросфера включилась в кругооборот вещества и энергии между всеми оболочками Земли.
По мере увеличения продолжительности взаимодействия воды с омываемыми горными породами повышалось в ней содержание минералов (в среднем до нынешней минерализации 35 г/л). Воды постепенно превратились в слабощелочные (pH от 7, 5 до 8,5), жесткие растворы минеральных солей хлоридно-магниевого типа. В океанических и морских водах растворены в разных количествах почти все элементы таблицы Менделеева. Солевой состав вод океанов очень близок к характеристике крови животных и человека, что можно объяснять зарождением и начальной эволюцией живых организмов в океанических водах.
Вода первых дождей наполняла сначала отдельные, изолированные наиболее погруженные участки, формируя ранние озера и моря. По мере поступления новых объемов жидкости и повышения уровня морей, происходило постепенное соединение локальных водоемов в более обширные моря и, наконец, практически вся планета покрылась мелким океаном. Вода в первичных водоемах не кипела только потому, что находилась под давлением тяжелой атмосферы (по разным оценкам в 2–3 раза плотнее нынешней), состоящей в значительной степени из плотного углекислого газа. Изобилие в воде минералов железа придавало океану зеленый цвет. Суша отсутствовала, кроме выступающих кое-где из воды вершин действующих вулканов. Появляющиеся из воды вулканические острова раннего периода Земли достаточно быстро разрушались мощными волнами, поскольку состояли из пористого, мягкого, пемзообразного базальта. Луна в это время располагалась еще весьма близко от Земли, и её приливное влияние вызывало огромные волны, высотой в сотни метров, прокатывающиеся с определенной периодичностью через океан.
Забегая немного вперед, отметим, что накопление поверхностных водных бассейнов и затем образование глобального океана способствовало изменению состава третьей атмосферы и формированию четвертой воздушной оболочки. В новой – Эоархейской углекисло-азотной атмосфере в течение от 4.1 до 3.5 млрд. л.н. содержание углекислого газа сократилось до 1,3 %. Одновременно резко возросла доля азота (от 50 до 98 %), что благоприятствовало продвижению эволюции нашей планеты по антропному маршруту.
Когда атмосфера отдала в гидросферу практически весь объем воды, дегазированный до этого земными недрами, тогда количество воды в океане составляло, по разным оценкам, около 70 % нынешнего объема Мирового океана. С тех пор океаны, моря, озера и реки уже никогда не покидали земной лик. Конечно, гидросфера постоянно наращивает свой объем за счет падения на Землю водосодержащих астероидов и комет, а также в результате деятельности вулканов. Каждые тысячу лет уровень Мирового океана поднимается на 1 мм за счет поступления воды из дегазируемых недр. Древние океаны на протяжении около 1,7 млрд. лет после формирования (от 4,27 до 2,5 млрд. л.н.) были не глубокими – 150–700 м. К среднему протерозою (около 1,2 млрд. л.н.) их глубины возросли до 2900 м. Почти нынешний объём воды в Мировом океане достигнут в вендском периоде (около 570 млн. л.н.). Кроме того, водная оболочка планеты постоянно меняла свой облик за счет дрейфа континентов – исчезали и возникали целые океаны, не говоря о морях и реках, но даже в периоды самых лютых оледенений оставались где-то на планете значительные объемы жидкой воды. В настоящее время поверхность Земли покрыта пятью океанами: Тихим, Атлантическим, Северным Ледовитым, Индийским и Южным (Антарктическим или Австралийским). Южный океан возник на месте раскола некогда единого материка на два других: Южную Америку и Антарктиду.
2.4.1. Земные океаны – уникальное явление в Солнечной системе
Начало формирования первых водных бассейнов на Земле около 4, 27 млрд. л.н. стало Океанической развилкой эволюции природы, которая ориентировала развитие планеты по уникальному, земному пути. В Солнечной системе в настоящее время, кроме Земли нет ни одной планеты или спутника с поверхностными бассейнами жидкой воды. Даже на планетах земного типа небольшое количество воды теперь находится либо в газообразном состоянии (на Венере) или в замороженном виде в полярных шапках и вечной мерзлоте (на Марсе), либо в форме водяного льда в глубоких кратерах, куда не проникают солнечные лучи (на Меркурии). Вода в предполагаемых водных бассейнах на некоторых спутниках газовых гигантов (на Европе, Ганимеде и Каллисто вокруг Юпитера и на Энцеладе у Сатурна) может находиться под толстым слоем льда, покрывающем небесное тело. Эволюция водных оболочек планет только на Земле пошла по пути формирования гидросферы. На Марсе образовалась криосфера, на спутниках Юпитера и Сатурна – ледяная кора. Даже если существуют на спутниках водные бассейны, перекрытые ледяным панцирем, то они имеют мало общего с земным Мировым океаном и его эволюцией. Сведения по выявленным к настоящему времени более чем шести тысячам экзопланет указывают на то, что их эволюция, скорее всего, пошла иными направлениями, нежели земной океанический путь. Океаническая развилка направила развитие нашей планеты по настолько уникальному эволюционному вектору, который, скорее всего, редко повторяется в Галактике. Океаническая развилка ориентировала эволюцию Земли не только на появление водной оболочки, но также на её долговременное существование (более 4 млрд. лет), постоянное преобразование и взаимодействие с другими земными оболочками. Кроме того, с Океанической развилкой оказалась связана важная особенность Земли – океаническая кора. Эти направления эволюции планеты, порожденные Океанической развилкой, привели к реализации в природе двух таких обязательных условий для появления живых форм материи, как постоянное длительное существование значительных объемов жидкой воды и такую же продолжительную циркуляцию вещества между верхними и нижними оболочками планеты. Непрекращающаяся вертикальная циркуляция химических веществ в процессе постоянного образования новой океанической коры обеспечивает вынос в океан из глубинных недр энергии и веществ, необходимых для зарождения живых организмов и поддержания их эволюции при самых экстремальных вариациях климатических условий.
Океаны стали важнейшим фактором формирования климата и погоды. Водяная оболочка влияет на обмен теплом и влагой между атмосферой и сушей. Вода имеет большую удельную теплоемкость, поэтому нагревается и остывает медленнее, чем острова и материки. Океанические течения обеспечивают перемещение теплых вод в холодные регионы планеты, и возвращают холодные воды в горячие тропики. В зимние периоды Мировой океан своим теплом обогревает континенты, а летом несет на сушу прохладу. Изменения глобальных течений, например, из-за дрейфа континентов, приводят к нарушению установившихся распределений давления и температуры воздуха. В совокупности с другими климатическими факторами, такие нарушения глобального теплообмена приводят к частичным и даже глобальным оледенениям или, наоборот, к резким повышениям температурного режима поверхности, к таянию ледников. Растут или снижаются уровни океана, происходят стихийные бедствия.
Как только на первичной базальтовой коре и/или на новообразованной коре «сухого океана» начали возникать первые водные бассейны, практически одновременно на дне этих водоемов происходило накопление слоя осадков иногда очень малой толщины вдали от берега. Однако в некоторых местах – довольно большой мощности, как правило, у берегов или за счет подводных извержений. Первостепенную роль в накоплении осадочных отложений играли мощные дождевые потоки, характерные для этих времен, которые смывали рыхлый вулканический материал в протоокеаны и протоморя. Кроме того, в водоемах происходило выпадение в осадок легких минеральных частиц, которые переносились ветрами с прилегающих территорий, не занятых водой. В осадки водоемов превращались: падающая космическая пыль, вулканический пепел и бомбы. Химические реакции в самой воде или при взаимодействии ее с атмосферными газами приводили к осаждению тех или иных химических соединений. Таким образом, в участках осадконакопления началось формирование океанической коры с её двухслойным строением: нижним – базальтовым и верхним – осадочным. В областях с океанической корой происходили некоторые специфические преобразования твердой мантии, и тем самым формировалась специфическая океаническая литосфера.
Океаническая кора имеет толщину и химический состав довольно постоянными под всеми океанами. Суммарная толщина океанической коры варьирует от 5 до 15 км. Осадочный слой покрывает дно морей и океанов – прошлых и нынешних. Его толщина, как правило, колеблется от нескольких метров до 2 км вблизи континентов. По окраинам океанов установлены аномально большие толщины осадочного слоя. Например, по периферии Атлантического океана линзы осадочных пород имеют толщины свыше 15 км.
Базальтовый слой занимает большую часть океанической коры, которая представлена базальтом – темной эффузивной (излившейся) горной породой, богатой магнием. Общая мощность этого слоя, в основном составляет 5–7 км. Формируется этот слой в зонах растяжения, т. е. в зонах спрединга[35 - Спрединг – раздвигание литосферных плит в зоне рифтов срединно-океанических хребтов под воздействием раплавленной магмы, выдавливаемой из мантии.] – в узких, протяженных областях срединно-океанических хребтов за счет извержения базальтов, выплавившихся из ультраосновной магмы мантии. Вся базальтовая толща океанической коры имеет основной состав, за исключением самой нижней части, которая представлена серпентизированными перидотитами (ультраосновной породой, состоящей в основном из оливина – Mg2SiO4 Fe2SiO4 и др.). Эти породы ультраосновного состава (содержат SiO2 менее 40 %) указывают на их происхождение из мантии. Для образования присутствующего в них минерала серпентина нужно высокое давление и наличие воды. Океаническая вода проникает в зонах растяжения коры по трещинам вниз до верхней мантии, где происходит образования серпентина. Таким образом, осуществляется приращение нижнего слоя океанической коры снизу за счет мантии.
2.4.2. Появление гидротермальных источников жизни
Часть проникшей к мантии океанической воды, которая не участвовала в образовании серпентинов, после взаимодействия с раскаленным веществом мантии выходит обратно на дно океанов в виде многочисленных активных горячих термальных источников двух типов – «белых курильщиков» и «черных курильщиков». В этих источниках выходит океаническая вода, профильтрованная через породы подстилающей коры. За каждые 8 миллионов лет вся вода океанов проходила такую циркуляцию. На протяжении более 4,2 млрд. лет существования океанов действует этот процесс колоссальной интенсивности. Природа, на протяжении всего длительного периода прокачивала воду через меняющуюся кору и мантию, вынося в океан несчетное количество вариантов сочетаний химических элементов. С определенной периодичностью происходит изменение температуры и состава компонентов этих гидротермальных источников. В результате продолжительного действия такой мощной экспериментальной естественной химической лаборатории, не мудрено, сформировать комплекс химических соединений, способных самокопироваться, т. е. первое протоживое вещество.
Подводные геотермальные источники приурочены к осевым частям срединно-океанических хребтов в исчезнувших древних океанах, а также в нынешних: Тихом, Атлантическом, Индийском и других океанах. Подводные термальные излияния представляют собой трубообразные минеральные сооружения высотой в несколько десятков метров на глубинах до 2,5 км, из которых в океаны выбрасывается высокоминерализованная горячая вода (с температурой до 400°C) и пар под огромным давлением в сотни атмосфер в форме черного или белого дыма в воде. Тысячи труб «черных курильщиков» образуются вследствие выпадения из охлаждающегося раствора сульфидов металлов (соединений серы с железом, медью, никелем, цинком) и окислов железа и марганца, окрашенных в черный цвет. В настоящее время вокруг них существует среда обитания необычных биотических сообществ – хемосинтезирующих бактерий, получающих энергию не на счет продуктов фотосинтеза, а благодаря хемосинтезу. Хемосинтезирующие бактерии используют выносимые из недр сульфиды. В таких районах образуются огромные массы рудного вещества – скопления полиметаллических сульфидных руд богатых разными металлами (включая медь, золото, свинец). По мнению многих ученых, гидротермальные подводные источники «черные курильщики» и/или «белые курильщики» являются местами синтеза первых живых организмов.
Там, где одна литосферная плита сталкивается со смежной, формируются зоны субдукции, т. е. участки поддвигания древней коры под соседний блок. В зонах субдукции старая кора постепенно погружается (поглощается) в мантию, где расплавляется и смешивается с веществом мантии. Затем вещество из этой подземной лаборатории вновь извергается на поверхность планеты в зонах раздвижения плит (зонах спрединга). В этом круговороте вещества проявляется созданный природой естественный конвейер, который прокручивает через недра огромный объем горных пород. Этот механизм постоянной переработки земного материала обеспечил образование океанической и континентальной коры (см. Континентальная развилка), а также реализацию бесчисленного количества химических экспериментов, в результате которых в один, прекрасный для человечества, момент появились условия для генерации сложных соединений, способных создавать свои копии. Наиболее благоприятным местом для появления новых выдающихся природных изобретений должны быть, как отмечено выше, зоны спрединга, зоны срединно-океанических хребтов.
Постоянное обновление океанической коры привело к тому, что в настоящее время кора всех нынешних океанов является относительно молодой. Самые старые её участки образовались уже в позднеюрское время (около 150 млн. л.н.). Правда, в восточной части Средиземного моря (в бассейне Геродота) выявили остаток коры древнего океана Панталасса, омывавшего берега суперконтинента Пангеи. Возраст этой океанической коры составляет около 340 млн. лет (каменноугольный период). Кроме того, в горных хребтах могли сохраниться обломки древнейшей океанической коры. Например, в Гренландии обнаружен кусок коры возрастом не менее 3,8 млрд. лет. Образцы старой океанической коры встречаются весьма редко потому, что океаническая, более тяжелая кора при столкновении обычно погружается под континентальную кору. В редких случаях кусок океанической коры, срезаясь, выдавливается на часть континентальной коры и тем самым спасается от погружения в раскаленную мантию. Такой остаток океанической коры называют офиолитом, химический состав которого уже отличается от бывшей коры. В целом океаническая литосфера, с учетом твердой мантии (волновода), наращивает толщину по мере увеличения возраста, т. е. от зон срединно-океанических хребтов и рифтов (50 км и менее) к зонам субдукции (до 400 км). Движение тектонических плит с первичным базальтовым и океаническим типами литосферы привело к усложнению подводного рельефа планеты. Появились глубоководные впадины, хребты.
Поворот эволюции Земли на Океанической развилке создал условия не только для зарождения, но и для развития жизни. Становление человеческой цивилизации невозможно представить без таких полезных ископаемых, как: углеводороды, угли, поваренная и другие соли, железо, марганец, бром, кальций, золото, алмазы, янтарь, титан, олово, песок, гравий, вода для опреснения. Образование месторождений всех этих веществ связано с нынешними и исчезнувшими океанами и морями. Поверхностные воды превратились в среду обитания ценных продуктов: рыбы, морских млекопитающих, ракообразных, моллюсков, губки, водорослей.
2.4.3. Гидрожен сменил тучу на океан, Оксижен оказался под океанической корой
Проливные дожди, начавшиеся после свершения поворота эволюции Земли на Океанической развилке, увлекли Гидрожена с небес на горячую земную поверхность. Молекула Гидроженной воды стала микроскопической частичкой в формирующемся Мировом океане. Ей предстоит стать свидетелем и участником дальнейшего развития водной оболочки и твердой земной коры. Гидрожену повезет включиться в процесс зарождения первых живых организмов на Предклеточной развилке 4,1 млрд. л. н.
Оксижен, в крупном кристалле форстерита продолжил дрейфовать в Протоафриканском литосферном блоке. После Океанической развилки Оксиженный форстерит оказался перекрытым океанической корой. Значительно изменится его положение только после Континентальной развилки, когда тектонические силы переместят Оксиженный форстерит из океана на сушу. В будущем (3,6 млрд. л.н.) континент с Оксиженом столкнется с несколькими блоками суши, что приведет к формированию первого суперконтинента Ваальбара.
Другие гиды после Океанической развилки продолжали кружить вокруг Солнца в Карбомалном, Нитроженном и Ферумном астероидах. Вспомним, что наши элементы пребывали в составе сложных соединений: Карбомалного гликольальдегида, Карбожен-Нитроженного урацила и Флюор-Ферумного шрейберзита. На протяжении последующих около 170 млн. лет эти астероиды, подчиняясь гравитационному притяжению гигантского Юпитера, всё более вытягивали свои орбиты. Такие продолжающиеся корректировки их путей вокруг Солнца, в конечном счете, могли привести к падению на какую-либо планету из земной группы: Меркурий, Венеру, Землю, Марс.
Земная водная оболочка и океаническая кора представляют собой Катархейский океанический элемент эволюции Земли на пути к жизни. Совокупность многих характеристик земного шара, включая появление базальтовой литосферы и океанов, постепенно направляли эволюцию твердой оболочки в сторону формирования континентальной литосферы, т. е. к Континентальной развилке, а через нее к Биотическому этапу эволюции Земли.
2.5. Континентальная развилка эволюции Земли. 4,2 миллиарда лет назад
После Океанической развилки большая часть поверхности планеты была покрыта водами Мирового океана, в пределах которого формировалась двухслойная (базальтово-осадочная) океаническая кора. Но какая-то часть планеты не была охвачена процессом океанизации первичной базальтовой коры. Потому, что существовали отдельные участки литосферных плит, приподнятые над уровнем океана благодаря надвиганию их на смежные тектонические блоки. Возможно, эти доконтинентальные участки суши стали первыми «зародышами» будущих материков. В этих местах базальтовая пластина земной коры погрузилась в мантию под смежный блок коры на несколько десятков километров, не сразу меняя состав и структуру. Вместе с горными породами в мантию попало огромное количество воды.
Горные породы погружающегося блока расплавлялись в раскаленных недрах мантии и в форме крупных капель опускались к ядру планеты. Во время этих геологических событий реализовались два интересных процесса: 1-какая-то часть пористого базальта океанической коры превращалась в плотнейший эклогит[36 - Эклогит – плотная метаморфическая порода, образовавшаяся путем преобразования базальтовых пород океанической коры, которые погружены в зонах субдукции в мантию на глубину 45-300 км, где существуют большие температуры (400-1000°C) и давления. Эти породы тяжелее основных мантийных пород – перидотитов и поэтому погружаются под них.], который продолжал путь в глубины планеты, 2- другая доля коры в виде относительно легкой базальтовой магмы, устремлялась вверх. По мере подъема расплавленные базальтовые породы основного состава (богатые магнием, содержащие кремний – SiO2 – в объеме от 40 до 52 %) взаимодействовали с проникшими в недра массами океанической воды. В результате происходило образование магмы среднего (содержание кварца – SiO2 от 52 до 65 %) и кислого (SiO2 от 65 до 75 %) состава. Возникал новый тип твердых горных пород – сначала «серые гнейсы» – гранитоиды, а позже – «нормальные» граниты. Расплавы более легких гранитов растекались на более тяжелом базальтовом слое, создавая второй, гранитный слой континентальной коры. Формировался базальтово-гранитный тип коры, который служил основой континентальной коры, отличающейся от океанической коры повышенным содержанием оксида кремния (SiO2) и трехслойным строением. Сначала возникли первые крупные участки новой двухслойной континентальной коры (гранитно-базальтовой, еще без третьего – осадочного слоя) – кратоны, которые в виде первых островов возвышалась над еще очень мелководным океаном.
Гранитный состав делает континентальную кору более легкой, что позволяет её блокам всплывать в астеносфере выше, чем базальтовое океаническое дно, и подобно айсбергам возвышаться над уровнем океана. Новая, гранитная кора оказалась не только легкой, но и прочной. Высокая прочность гранитов позволяла первым островам противостоять разрушительной мощи стометровых океанических волн. На поверхности всего океана стали появляться гранитные острова, которые впоследствии объединялись в огромные массивы суши. Континентальная развилка эволюции Земли прекратила глобальное господство водяной стихии и начала эпоху материков. Размываемые горные породы этих выступов суши выносились речными потоками или ветрами в водные бассейны, на дне которых накапливались в форме древнейших пластов обломочных пород[37 - В Гренландии обнаружены древнейшие из известных осадочных пород возрастом 3,8 млрд. лет.] континентального происхождения.
После появления плит с континентальной корой, в зонах их столкновения с океаническими плитами, последние погружаются под материковую кору. В этих местах происходило наращивание материковой коры за счет гранитизации базальтов океанической коры. Здесь широко проявлялась вулканическая деятельность, формировались складчатые области, осадочных пород превращались в метаморфические.
2.5.1. Континентальная кора – необходимое условие для наземной жизни
Земной эволюции потребовалось, по разным оценкам, от 100 до 180 млн. лет после начала тектоники океанических плит (4,38 – 4,3 млрд. л.н.) для того, чтобы приблизительно к рубежу 4,2 млрд. л.н. создать первые участки континентальной коры и затем сформировать древнейшие континенты – блоки суши над водами Мирового океана. На континентах сформировались первые материковые воды, которые первое время практически не отличались от морской воды. Эти воды были того же химического типа, что и морские – хлоридные кальциево-магниевые или магниево-кальциевые воды. Впоследствии континентальные воды эволюционировали в результате контактирования с выветриваемыми основными и ультраосновными породами на суше, а также с обновляемой атмосферой.
Не осталось свидетельств о количестве и размерах этих пионерных континентов, но не приходится сомневаться в их существовании. Первым островам материкового типа пришлось еще около 600 млн. лет перемещаться под воздействием циркулирующих потоков вещества горячих недр планеты (дрейфовать) вместе со своими литосферными плитами по таким траекториям, которые вели их к всеобщей встрече. Столкновение континентов произошло около 3,6 млрд. л.н. В результате появился среди океанических вод первый суперконтинент[38 - Суперконтинентом называют блок земной коры, который объединяет преобладающую часть суши в единный, непрерывный массив.] – Ваальбара[39 - Ваальбара – название сконструированное из окончаний названий двух самых старинных блоков земной коры, обширных скоплений древнего гранита (кратонов): Каапвааль, расположенного, преимущественно на территории ЮАР, и Пилбара в Западной Австралии.], который просуществовал около 500 млн. лет и затем (около 3,1 млрд. л.н.) раскололся на отдельные континенты. Вновь образованные осколки-континенты отправились в новый цикл путешествия по астеносфере, наращивая по пути свои размеры, соединяясь с подобными небольшими материками, подготавливаясь к пришествию живых организмов.
Начало образования континентальной коры и появление первых блоков суши означало удачный поворот в развитии нашей планеты 4,2 млрд. л.н. на Континентальную эволюционную развилку. Эта развилка является таким возможным поворотом в эволюции планет и крупных спутников, который в полной мере реализовался в Солнечной системе только на Земле. Лишь на Земле существовали условия, позволившие Литосферной и Океанической развилкам ориентировать эволюцию на реализацию череды важнейших событий для появления жизни. Речь идет о таких явлениях, как: 1- формирование базальтовой литосферы, 2- раскол её на множество плит, 3- постоянное перемещение этих литосферных блоков на протяжении уже более 4 млрд. лет, 4- формирование Мирового океана с его особой океанической корой и его существование более 4 млрд. лет, 5- реализация циркуляции энергии и вещества между всеми оболочками Земли (ядром, мантией, литосферой, гидросферой и атмосферой), 6- направление развития планеты на формирование континентальной коры и материков.
Важной особенностью нашей планеты является не только сама реализация эволюции по Континентальному направлению, но формирование такого удивительного соотношения объема океанов и материков, которое всегда обеспечивало широчайшие возможности для эволюции живой природы. Наличие континентов предоставило возможность живым организмам выйти из океанов на сушу, где среди огромного разнообразия микроорганизмов, грибов, растений и животных появились современные люди. Кроме того, эта развилка направила геологические процессы в сторону концентрации в континентальной коре ресурсов самых разных твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых. Без огромного числа месторождений нефти, газа, угля, урана, металлов и многих других полезных веществ в недрах всех континентов невозможно представить развитие человеческого общества.
Рельеф земной поверхности подвергся значительному усложнению после начала действия тектоники плит, особенно после появления континентальной коры. Значительно увеличились глубины океанических впадин. Важным этапом в формировании Мирового океана явилось образование континентов, гор, больших впадин и других форм рельефа земной коры. Заглядывая вперед, отметим, что в течение двух миллиардов лет (от 4,2 до 2,2 млрд. л.н.) сформировалось, по разным оценкам, от 50 до 80 % площади современной континентальной коры. Эта кора была представлена множеством материков, которые за указанный срок успели столкнуться в три суперконтинента (Ваальбара, Ур, Кенорленд) и затем расколоться на новый набор отдельных блоков суши. Образование и распад суперконтинентов имеет циклический характер, который зависит от изменения в режимах конвекции вещества планеты. Понятно, что изменения в конвекции происходили так же циклически. Продолжительность периода от одного суперконтинента до другого в среднем составляет 600–700 миллионов лет. Всего за историю Земли дрейф континентов привел к образованию семи суперконтинентов. Человечество распространилось на обломках седьмого суперматерика – Пангеи, которые представлены шестью нынешними материками.
Венера, Марс, Луна и некоторые спутники газовых планет-гигантов, подобно Земле, в своем развитии прошли через Литосферную развилку эволюции планет, а некоторые из них даже через Океаническую эволюционную развилку. Однако для каждого из этих космических тел повороты на эти направления имели свои неповторимые последствия. На этих планетах и спутниках, кроме Марса, поворот эволюции на Литосферное направление также обеспечил образование базальтовой литосферы и даже некоторые проявления плюмовой тектоники, но дальше развитие не пошло. По современным данным, на Венере, Луне и спутниках Юпитера и Сатурна не было плитной тектоники, которая создала бы условия для появления континентальной коры – носителя всей сушу, без которой не возможно зарождение и развитие животных, обитающих на суше. Конечно, имеет смысл рассуждать о вероятности появления наземных обитателях только в том случае, если на этих космических телах были океаны, населенные водными живыми организмами. На соседнем Марсе выявлена гравитационная аномалия размером с земную Европу, в пределах которой толщина коры составляет около 50 км. По мнению ученых, эта аномалия соответствует континенту среди марсианской океанической коры, который сформировался в начальный период существования этой планеты. Возможно, в этот период на Марсе происходило движение глобальных литосферных плит, т. е. имела место тектоника плит и появились первые блоки континентальной коры. К сожалению, эволюция марсианской коры по направлению к жизни происходила только на протяжении первых приблизительно 350 миллионов лет начальной истории Марса, а затем ядро остыло, отвердело, геологические процессы прекратились. Дальнейшая эволюция этой планеты свернула на специфическую марсианскую Криосферную развилку эволюции планет, не ориентирующую на развитие живых организмов, если таковые и были в марсианском океане до его исчезновения.
Поверхность Земли после формирования первых блоков континентальной коры разделилась на две основные части – океаническую и континентальную. Названия этих частей отражают планетарный рельеф, который тесно связан с разным строением и составом земной коры. Океаны простираются над океанической корой толщиной, как правило, 3 – 12 км (в среднем 4–6 км). Материки являются частью континентальной коры. В результате перехода эволюции Земли через Континентальную развилку литосфера в глобальном плане приобрела ассиметричное строение: полушарие с континентальной корой имеет более дифференцированное строение, чем противоположное океаническое полушарие. Литосфера на континентах и в океанах имеет разное строение. Под континентами литосфера отличается обоими своими компонентами – верхней мантией (волноводом) и корой. Со временем общий объем земной коры постепенно увеличивается за счет наращивания толщины и, в том числе, прирастает континентальная кора. В настоящее время масса всей земной коры составляет около 0,5 % общей массы планеты. Масса материковой коры достигает 79 % массы земной коры, на долю океанической коры приходится 21 %. В то же время, континентальная кора покрывает только 40 % поверхности земного шара, формируя континенты и крупные острова, а также мелководные зоны морей и шельфов океанов. Большой объем континентальной коры обусловлен её значительной толщиной в сравнении с таковой океанической верхней твердой оболочки.
Характеризуя континентальную кору в нынешнем её виде, отметим, что она обладает резкой неоднородностью, как по структуре, так и по составу. Её толщина составляет 20 км в рифтовых зонах растяжения, 80 км в условиях сжатия, достигая 90 км в горно-складчатых поясах – например, в Тибете. Химический состав значительно варьирует даже на коротком расстоянии. В общем виде континентальная кора состоит из трёх частей: нижнего – базальтового слоя (по новой терминологии – из нижней коры), среднего – гранитного слоя (верхней коры) и верхнего – осадочного слоя. Континентальная кора в целом имеет значительно более древний возраст, чем океаническая: около 7 % горных пород континентов имеют возраст старше 2,5 млрд. лет. Сохранившаяся структура континентов представлена блоками (зонами) самого разного возраста. Установленный возраст древнейших пород соответствует 3,5 млрд. лет, но, возможно, существуют даже породы возрастом 4,0–4,2 млрд. лет. Наиболее молодые зоны континентов сформировались в Альпийско-Гималайском складчатом поясе. Этот тектонический пояс появился в альпийскую эпоху складчатости[40 - Альпийская эпоха складчатости – одна из крупнейших эпох тектогенеза в истории Земли, осложняющая земную кору в последние 50 млн лет (кайнозой).], максимальная активность которой была около 35 миллионов л.н. Эта новая кора возникла, когда Индийская плита дрейфовала из Антарктики на север и врезалась в Евразийскую плиту. Поскольку столкнулись две континентальные плиты с приблизительно одинаковой плотностью, то они вздыбились вверх, сформировав высоченные Гималаи.
Нижняя кора (по старой терминологии – базальтовый слой) континентов практически не изучена прямыми методами – все представления о её составе базируются на геофизических (в основном сейсмических) данных. Нижняя кора состоит из излившихся базальтовых пород основного состава. Она содержит кварца – SiO2 от 40 до 52 %, много алюминия, кальция, железа, магния и немного натрия и калия, которые выплавились из верхней мантии. Кроме того, здесь присутствуют древние метаморфические породы, переработанные внедрениями магмы основного состава. Среди метаморфических пород, вероятно, преобладают различные сланцы и гнейсы основного состава, с большим содержанием железа. Средняя плотность нижней коры 2,75 – 3 г/см3.
Верхняя кора (по прежней терминологии – гранитный, гранитно-гнейсовый, гранитно-метаморфический слой) материков сложена гранитами – бедными магнием легкими породами, гнейсами и другими метаморфическими и изверженными породами. Средняя плотность верхней коры (2,7 г/см3) – меньше, чем нижней коры. Гранит является магматической горной породой, наиболее распространенной в земной коре континентов. В его состав входят в основном кварц (SiO2), калиевый полевой шпат (K[AlSi3O8]), кислый плагиоклаз и слюды. Мощность гранитного слоя весьма изменчива. На материках она достигает 30–35 км, выклиниваясь в океанах. Люди издревле используют граниты в качестве красивого, крепкого, долговечного строительного материала. Порода гранит является визитной карточкой Земли, поскольку нигде больше в Солнечной системе такое химическое соединение не выявлено.
Осадочные отложения, залегающие на континентальной коре, образуют осадочный слой материков. Этот слой неравномерно распределен в пределах континентов. Так, на кристаллических щитах осадочные отложения отсутствуют, например, на Балтийском щите, а в осадочных бассейнах и в складчатых сооружениях они достигают толщины в несколько десятков километров. Отложения осадочного слоя образованы в поверхностных условиях путем переотложения разнообразных пород, разрушенных физическими или химическими процессами. Они образуются также в результате химического или механического выпадения осадка из воды, жизнедеятельности организмов или совокупности всех этих факторов. Таким образом, породы разделяются на обломочные, химические и биогенные (органогенные). Преобладают глинистые породы (около 50 %), песчаные и карбонатные породы в сумме составляют около 45 %. Осадочный слой на некоторых участках пронизан внедрениями магматических пород. Плотность осадочных пород (2,6–2,65 г/см3) меньше гранитов и, тем более, базальтов. Поэтому они и располагаются в верхней части коры.
Практически весь осадочный слой является комплексом полезных ископаемых для людей. В нем сосредоточены необходимые людям образования неживой природы, а также скопления продуктов жизнедеятельности организмов. Так, производными погибшего планктона древних морей являются углеводородные газы, нефти, горючие сланцы и другие углеводородные образования – огромнейшее разнообразие соединений, главным образом, из углерода и водорода. Из отмерших растений древних болот и озер образовались торфы и угли разной степени преобразованности (бурые, каменные, антрациты, графит) – концентраты углерода. Во многих месторождениях этих горючих ископаемых сохранилась энергия Солнца, накопленная живыми организмами за последние более 2 млрд. лет. Живые организмы в данном аспекте представляются естественными формами материи, которые обеспечивают исключение из круговорота и концентрацию вещества-энергии.
Захоронения в недрах осадочного комплекса Земли этих твердых, жидких и газообразных соединений обеспечили изъятие из круговорота достаточно больших объемов углерода, водорода, кислорода, азота и ряда других химических элементов. Природа, как бы специально подготовила запасы энергии для того, чтобы в будущем использовать их в своей эволюции. В углеводородах содержится энергии больше, чем в другом веществе Земли. Необходимо было появиться человеку, который использовал данные горючие полезные ископаемые для своего благополучия, чтобы включить их снова в круговорот химических элементов. Кроме горючих веществ осадочный слой содержит многие другие важнейшие металлические и неметаллические полезные ископаемые (скопления минералов в коре, которые могут быть использованы человечеством для своих нужд). Группа металлических ископаемых включает самородные металлы (золото, платина, серебро и другие); руды черных, цветных, редких, редкоземельных металлов и редкоземельных элементов. К неметаллическим ископаемым относится горнохимическое сырье: различные соли, гипс, барит, сера, фосфориты, апатиты. Кроме того: огнеупорное, электротехническое, пьезооптическое, тепло- и звукоизоляционное, кислото – и щелочноупорное сырье. А также: строительные материалы; драгоценные, поделочные и технические камни.
2.5.2. Гидрожен и Оксижен – в раскаленной мантии Земли
Многие события, вызванные поворотом эволюции Земли на Континентальную развилку, происходили при участии гидов-водородов. Так, после Океанической развилки Гидроженная водяная молекула перемещалась океаническими течениями по первичному океану на протяжении более 100 млн. лет. Уже эволюция планеты прошла через Континентальную развилку, когда в зоне спрединга, в процессе растяжения океанической коры и формирования нового базальтового слоя, Гидрожен вместе с огромными массами океанической коры провалился по глубинным разломам в раскаленные недра Земли. Какая-то часть этой воды пошла на образование особых минералов – серпентинов из раскаленных пород мантии, но Гидроженная молекула воды не попала в эти химические реакции. Гидроженная молекула присоединилась к тем потокам океанической воды, которые взаимодействовали с горячей мантией, обогатились многими химическими элементами, сильно нагрелись, отчего стали легкими. Поэтому эти – уже гидротермальные воды вместе с Гидроженом устремились к местам, где они могли через многокилометровые толщи земной коры проникнуть в верхние слои планеты – на дно океанов. Такими местами были трубообразные минеральные сооружения высотой в несколько десятков метров, напоминающие подводный «Потерянный город», ныне существующий в районе срединно-океанического хребта Атлантического океана. Конечно, в те времена, о которых речь идет в данном разделе, не было Атлантического и других, современных нам, океанов. Однако в том, древнейшем Палеоокеане, несомненно, существовали зоны субдукции, в которых были подводные термальные источники, подобные нынешним, с такими же карбонатными столбами высотой с 18-этажный дом на океаническом дне. Гидроженная молекула гидротермальной воды в восходящем потоке горячих вод проникла в поры (в пустоты коллектора) гидротермальной постройки около 4,1 млрд. л.н., где благодаря удивительной случайности встретила молекулу Карбомалного гликольальдегида. О результатах химической реакции между этими носителями атомных гидов узнаем попозже, когда астероид с Карбомалом прибудет на Землю.
Дрейфующая океаническая плита с кристаллом Оксиженого форстерита после Континентальной развилки, около 4,15 млрд. л.н., столкнулась с Протоафриканской океанической плитой. В этой зоне субдукции часть океанической плиты с Оксиженым форстеритом оказалась поддвинутой под будущую Африканскую плиту и постепенно погрузилась в пекло верхней мантии. Породы перидотитового и базальтового слоев Протоафриканской плиты расплавились. Часть расплава продолжила погружение вплоть до ядра, а другая, с более легкими соединениями, устремилась вверх к поверхности планеты. Хорошо, что температура магмы была немного ниже точки плавления кристалла форстерита с Оксиженом при том высоком давлении, которому был подвергнут этот минерал в месте его нахождения. Поэтому этот кристалл не расплавился, а устремился с базальтовой магмой вверх. Конечно, Оксижен не пропал бы даже в случае расплавления кристалла, но судьба у него была бы не той, которая свершится в случае союза с форстеритом. Дальнейший путь Оксижена показал, насколько определяющими для будущего являются свойства объекта и его попадание в благоприятные условиях.
Расплавленные базальтовые породы с кристаллом Оксиженого форстерита в процессе всплывания к океаническому дну вступили в химическую реакцию с проникшей вниз океанической водой. В результате сформировалась новая магма кислого состава – гранитная, которая проникла на поверхность южной части Протоафриканской океанической плиты. Эта, более легкая кислая магма растеклась гранитным слоем на базальтовой толще, преобразовав эту часть океанической коры в континентальную кору. Постепенно накопилась такая большая масса гранитов, что возник первый остров – материк c Оксиженым форстеритом. С тех пор Оксижену было суждено еще более 500 млн. лет дрейфовать в составе блока континентальной коры, впаянного в океаническую кору Протоафриканской плиты. Движение этого блока продолжалось вокруг земного шара по астеносфере до образования первого суперконтинента Ваальбара 3,6–2,8 млрд. л.н. Затем Оксиженый форстерит участвовал в других интересных приключениях, о которых речь пойдет выше.
Карбомалный, Нитроженный и Ферумный астероидыпосле Континентальной развилки продолжали кружить вокруг Солнца в Поясе астероидов. Их движение происходило по орбитам вокруг Солнца в том же направлении, что и планеты. Пояс астероидов – совокупность множества движущихся объектов разных размеров, как правило, неправильной формы, расположенных на больших расстояниях друг от друга. Поэтому астероидов не сталкивались прежде и сейчас их встречи – маловероятны. Период обращения астероидов вокруг Солнца к рубежу около 4,15 млрд. л.н. изменился приблизительно от 3,5 до 6 лет благодаря увеличению большой полуоси орбиты. Такое вытягивание орбит многих астероидов, включая траектории космических объектов с нашими гидами, происходило благодаря постепенному гравитационному воздействию Юпитера. В результате, к периоду 4,1–3,8 млрд. л.н. орбиты многих астероидов пролегали через внутреннюю область Солнечной системы, где расположена земная группа планет.
Глобальные процессы в глубинных недрах Земли обеспечили не только поворот эволюции литосферы на формирование континентов – на Континентальную развилку, но одновременно направили общую эволюции Земли на образование магнитного поля – на Раннюю геомагнитную развилку. Появление магнитного поля у нашей планеты стало одним из важнейших условий продолжения антропного маршрута эволюции природы по пути к человечеству.
2.6. Ранняя магнитная развилка эволюции Земли. 4,2 миллиарда лет назад
Земля всегда – от момента своего формирования до нынешних дней – находится под постоянной атакой космических излучений всей Галактики, среди которых максимальная доля приходится на потоки энергии от Солнца. Наша звезда распространяет вокруг себя энергию в виде электромагнитного излучения, а также беспрестанно поставляет в космос и на Землю поток частиц – корпускул. Корпускулярное излучение (солнечный ветер) – постоянный поток солнечного материала, распространяющийся далеко за пределы орбиты Плутона. Солнечный ветер содержит многие элементы звездного вещества: нейтрино, электроны (бета-излучение), протоны (ядра водорода), альфа-частицы (альфа-излучение, ядра гелия), а также в малой доле тяжелые атомные ядра.
При этом следует учитывать, что сила солнечного ветра в те времена приблизительно в 100 раз превышала нынешнее излучение. Непрерывное воздействие «стерилизующей» космической радиации, возможно, задержало начало биогенеза на несколько десятков миллионов лет. Солнечный ветер разрушал и постепенно уносил газовую оболочку планеты. Первые атмосферы – Ранняя гелиево-водородная и Вторая углекисло-водяная смогли удержаться у Земли только по 30 млн. лет, с 4,51 млрд. до 4,45 млрд. л.н. Третья водно-азотно-углекислая атмосфера просуществовала значительно дольше – 350 млн. лет (от 4,45 до 4,1 млрд. л.н.), благодаря тому, что в состав атмосферы стали входить более плотные газы, которые надежнее удерживались силой тяжести Земли.
Кроме того, фактором, продлявшим существование третьей и последующих атмосфер, стало появившееся магнитное поле, окружившее Землю около 4,2 млрд. л.н. Конечно, это, Раннее геомагнитное поле не было настольно надежным, каким стало последующее – Позднее геомагнитное поле (см. Поздняя магнитная развилка эволюции Земли – 550 млн. л.н.). Раннее магнитное поле Земли, скорее всего, не очень хорошо защищало атмосферу от уносящего воду мощного потока молодого Солнца потому, что было слабым, напряженностью по разным оценкам от 10 % до 50 % нынешнего. Так, сила магнитного поля на поверхности Земли в то время составляла около 0,6 микротесла (мкТл), а ныне колеблется в среднем от 25 до 65 мкТл. Появление магнитного поля означало следование эволюции Земли через Раннюю магнитную развилку, что обеспечило формирование необходимых, но, конечно, далеко недостаточных условий для формирования сознательных существ. Человечеству повезло, что эволюция нашей планеты прошла через эту развилку. Ведь не все планеты Солнечной системы и тем более Галактики сформировали свои магнитные поля. Даже среди обладавших магнетизмом планет не многие смогли генерировать магнитное поле достаточно продолжительное время, необходимое для изобретения живых существ и их развития до чрезвычайно сложных форм.
Возникшее геомагнитное поле заставляло основной поток губительных частиц обтекать Землю и следовать дальше в космос. Та часть солнечного ветра, которой удалось проникнуть к планете, отклонялась геомагнитным полем в сторону южного и северного полюсов. Эти заряженные частицы, перемещаясь к магнитным полюсам по спиралеобразным траекториям, теряют почти всю свою смертоносную энергию. Лишь малая их доля прибывает в нижние слои атмосферы в полярных областях, вызывая полярные сияния. Так что, магнитное поле Земли защищает атмосферу, гидросферу и все живое от губительного воздействия космических частиц, прежде всего от солнечного ветра. Радиационное облучение и бомбардировка высокоэнергетическими частицами всей поверхности планеты во время существования Раннего магнитного поля, как и в последующие периоды ослабления магнитного поля, были более мощными по сравнению с Поздним магнитным полем (см. Поздняя магнитная развилка). То есть, излучения в такие эпохи сильнее воздействовали на все земные оболочки и тем более на живые организмы, если они уже появились.
2.6.1. Магнитное поле – фактор стабильности жизни
Что такое геомагнитное поле и как оно появилось? Упрощено говоря, магнитное поле Земли – это пространство с действующими магнитными силами вокруг внутриземного магнита. Геомагнитное поле распространяется из земных недр в космос, где подвергается воздействию солнечного ветра и космического излучения. Раннее магнитное поле генерировалось электрическими токами, которые вызывались турбулентной конвекцией в верхней, жидкой части мантии, покрывавшей уже отвердевшую нижнюю часть мантии. В тот период жидкая часть мантии была достаточно электропроводна, чтобы поддерживать образование магнитного поля. Кроме того, жидкая часть мантии отличалась пониженными значениями температуры и давления по сравнению с аналогичными параметрами в нижней твердой мантии, что обеспечивало успешную реализацию электромагнитного процесса. Такой естественный механизм образования магнитного поля называют геодинамо. Можно сказать, что Ранее магнитное поле во многом обязано своим происхождением благоприятному сочетанию объема, состава и структуры мантии тех времен.
Земное ядро тогда было очень горячим и еще полностью жидким. Гораздо позже – около 550 млн. л.н. – после кристаллизации внутреннего ядра возникло Позднее магнитное поле, которое стало генерироваться во внешнем, расплавленном, металлическом, электропроводящем ядре благодаря его взаимодействию с внутренним твердым ядром. В этом случае главным источником энергии является тепло, исходящее от внутреннего ядра. Циркуляция тепла обеспечивает постоянное перемешивание металлического расплава внешнего ядра. Происходит теплообмен, возникают конвективные потоки и, как следствие, электричество. Но сейчас вернемся к Ранней магнитной развилке.
Структура Раннего магнитного поля в чем-то отличалась от современного магнитного поля, но об этом имеется очень мало фактических сведений. Поэтому ознакомимся со строением современного геомагнитного поля, которое включает три составляющие части: главное поле, поля мировых аномалий и внешнее магнитное поле. Главное поле имеет своим источником внешнее жидкое ядро Земли (а до этого источником была внешняя жидкая оболочка мантии) и вблизи поверхности представляет собой полосовой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг. Центр этого магнитного диполя смещен относительно центра Земли, а ось наклонена к оси вращения планеты на угол около 10°. Поля мировых аномалий созданы мощными массами намагниченных горных пород, расположенных в земной коре, вблизи поверхности. В качестве примера магнитной аномалии уместно привести Курскую магнитную аномалию, сформированную под воздействием огромных запасов железных руд. Параметры этих локальных полей – магнитных аномалий сильно отличаются от значений в смежных районах. С точки зрения защиты Земли от космических частиц нас интересует, прежде всего, внешнее магнитное поле – магнитосфера. Нижняя граница магнитосферы расположена в верхней части атмосферы (100 км и выше), где молекулы воздуха ионизированы и образуют плотную холодную плазму, которая удерживается магнитным полем Земли. Магнитосфера имеет сложную форму: в направлении Солнца распространяется на расстояние в среднем до 10 земных радиусов (радиус Земли составляет 6371 км), а с ночной стороны формируется магнитный шлейф длиной две сотни земных радиусов. Средняя скорость солнечного ветра (протонов, электронов и др.) в районе земной орбиты – огромная, около 400 километров в секунду, плотность потока – довольно высокая, несколько десятков частиц в 1 см3. Магнитосфера Земли играет роль особого экрана (щита), защищающего планету от разрушающего влияния солнечного ветра и космических излучений. Частицы солнечного ветра и космические излучения, отклоненные геомагнитным полем, концентрируются в радиационных поясах Земли (поясах Ван Аллена).
Земля теряла гораздо меньше своего газообразного и жидкого вещества по сравнению с теми объектами Солнечной системы, у которых отсутствует магнитное поле[41 - Магнитное поле отсутствует у Марса и Венеры. У Меркурия магнитное поле составляет только около 1 % от поля Земли.]. Раннее магнитное поле, пронизывая литосферу, гидросферу и атмосферу, оказывало влияние на климат и погоду, создало условия, благоприятные для зарождения жизни, а также для развития живых организмов на первых этапах биотической истории Земли. Вспомним также о воздействии характеристик магнитного поля на такие важные факторы эволюции живых организмов, как наследственность и изменчивость. Посредником влияния магнитного напряжения на организм выступают молекулы воды. Магнитное поле вмешивается в ход физико-химических и биологических процессов организма через жидкокристаллические структуры воды в белках и других соединениях. Квант энергии магнитных полей изменяет метаболические процессы[42 - Метаболизм или обмен веществ – совокупность сложных химических реакций в организме для поддержания жизни, которые обеспечивают рост и размножение организма, превращание калории пищи в энергию, необходимую живому организму для жизнедеятельности.] в клетке и проницаемость мембран. Нынешний облик Земли был бы совсем иным, если бы в её эволюции не случились геомагнитные Ранняя (4,2 млрд. л.н.) и затем Поздняя (550 млн. л.н.) развилки.
Поворот эволюции Земли на Ранней магнитной развилке завершил подготовку планеты к образованию живых существ из неживой материи. Земля по мере своей эволюции приобретала к отметке около 4,1 млрд. л.н. те характеристики и условия, которые были необходимы для зарождения жизни и для её эволюционного усложнения.
3. БИОТИЧЕСКИЙ ЭТАП ЭВОЛЮЦИИ ЗЕМЛИ НА ПУТИ К ЧЕЛОВЕЧЕСТВУ
До рубежа около 4,1 миллиарда л.н. эволюция Вселенной по маршруту к человечеству происходила в неживой природе, не проявляя каким—то явным образом свой потенциал создания форм материи, способных осознать свое существование, исследовать окружающее пространство, тем самым активно сопротивляться вселенскому законы энтропии, т. е. тенденции разрушения любых объектов. Тем не менее, ретроспективный взгляд на ход развития природы через выше рассмотренные эволюционные развилки позволяет наблюдать нарастающее усложнение форм неживой природы со временем. Химическая эволюция вещества во Вселенной от водорода до урана и до образования огромнейшего числа их соединений привела к появлению нового направления развития природных форм, которое называем биотическим. Существует много разных гипотез о возникновении живых организмов. Автор данных строк придерживается мнения тех ученых, которые доказывают абиогенное происхождение жизни, т. е. спонтанное превращение неживого вещества в живой организм. Такой процесс обозначается, словом абиогенез.
В тот момент, когда на Земле возник первый живой организм, эволюция природы совершила принципиальный, качественный скачок от геологического развития к биотической эволюции. Среди неживых объектов появились существа, которые стали интенсивно размножаться и успешно адаптироваться к окружающей среде. Тем самым повысилась вероятность появления людей, но первым живым организмам до этого события предстояло эволюционировать еще более 4 млрд. лет по антропному маршруту в границах Биотического этапа развития планеты. А что считать первым живым организмом, с которого начался Биотический этап эволюции Земли? Для этого следует сформулировать понятие жизни. В качестве наиболее общей формулы живого существа подходит определение Американского космического агентства НАСА, которое занимается помимо всего космического прочего, также вопросами поисков внеземной жизни. НАСА определяет жизнь как химическую систему, способную к дарвиновской эволюции. Речь идет о том, что комплекс молекул становится живым организмом, если он способен к наследуемости (созданию копий, репликации, размножению), обладает изменчивостью (копии в чем-то отличаются от родителей, имеют генетические мутации, которые передаются по наследству) и подвержен отбору (копии с разными изменениями имеют различную вероятность последующего копирования). Наверное, следует добавить к этому определению такое необходимое свойство для жизни, как способность получать и перерабатывать энергию, необходимую для выполнения всей этой работы.
Приведем еще одно определение (Толкачёва В.Ф.): «Жизнь – это часть процессов бытия объектов Вселенной, являющаяся симметричной реакцией на другую часть процессов во Вселенной, идущих с повышением энтропии. Жизнь характеризуется самосохранением и саморазмножением живых объектов путём самосовершенствования их структур в направлении повышения их устойчивости за счёт организации взаимодействия с другими объектами при их движении сквозь свою среду и относительно них с использованием собственной информации об уже совершившихся актах бытия…».
Первое определение характеризует саму жизнь, второе заслуживает внимание в основном потому, что указывает на важное свойство жизни – активно сопротивляться одной из главных сил во Вселенной – энтропии (упрощению говоря, беспорядку). Жизнь стремится создавать все более сложные системы, которые могли бы приспосабливаться к меняющимся внешним условиям, продляя тем самым время своего существования. Каждый живой индивидуальный организм существует недолго и распадается на исходные простейшие составные части – химические элементы. Однако общая система всех живых существ – жизнь – действует и эволюционирует в направлении бессмертия, т. е. сохранения сложных форм материи. Конечно, успехи жизни в борьбе с энтропией всегда являются привязанными к какому-то, скорее всего, локальному участку той или и иной галактики, и к определенному временному отрезку истории этого участка. Так что маловероятно, чтобы эволюция живой природы повлияла на эволюцию какой-то звездно-планетной системы, тем более целой галактики.
Все живые организмы на Земле выполняют перечисленные задачи с помощью трех классов сложных органических соединений: дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК), рибонуклеиновых кислот (РНК) и белков. Биологическая роль ДНК заключается в хранении и воспроизведении генетической (наследственной) информации. РНК обеспечивает считывание этой информации и осуществляет синтез белков в соответствии с записанными в молекуле ДНК «инструкциями». В процессе строительства белков РНК выступает посредником между ДНК и белками. Белки – необходимый компонент каждой клетки организма, важная часть костей, мышц, хрящей, кожи и крови. Белки выполняют в организме разнообразные функции: транспортную, защитную, структурную, двигательную, рецепторную и другие.
Человечество на протяжении всего своего существования задавалось вопросом о происхождении жизни, на который пока не получено однозначного ответа. Скорее всего, люди никогда не узнают точно, череда каких событий и химических реакций создала сложнейшее соединение, способное к дарвиновской эволюции. К сожалению, даже, если в лабораторных условиях удастся создать живой организм, то и тогда это не станет доказательством именно такого происхождения жизни на Земле. Может быть, поэтому существует так много гипотез и даже ненаучных представлений на этот счет. Тем не менее, ученые не прекращают изучение происхождения жизни, и многие идеи уже нашли подтверждение в результате новых, передовых исследований. В данном обзоре приводится схематическое отражение наиболее научно обоснованной и разделяемой большинством специалистов версии появления и эволюции живых существ. Эволюция планеты на Биотическом этапе развития началась с Предклеточной или, по-другому называя, Допрокариотной развилки.
Эволюции Земли подошла к повороту на Предклеточной развилке, завершив подготовку всех условий для синтеза сложнейших химических соединений, способных продлять свое существование путем самокопирования, размножения. Еще раз отметим важную роль в эволюции Земли тектоники плит, которая наряду с другими процессами обеспечила обмен вещества между мантией, литосферой, гидросферой и атмосферой. Постепенно обновлялся химический состав атмосферы и верхних слоев земной коры. На поверхности и в интервалах разных глубин появлялись новые горные породы и минералы. К моменту образования первых живых организмов в распоряжении природы находилось более 1500 разных минералов в виде твердых и расплавленных веществ, а также множество химических соединений в водорастворенном и газовом состоянии. Планета подобно огромному миксеру непрерывно перемешивала своё вещество, что приводило к возникновению все новых и новых вариантов взаимодействия химических элементов в самых разных физико-химических условиях. У этих объектов неживой природы уже были заложены зачатки тех свойств, которые превратятся у живых организмов в необходимые факторы, определяющие жизнь – наследственность и изменчивость. Базовым свойством наследственности является постоянство, а в основе эволюции лежит изменчивость. Минералы и иные не биотические соединения не имеют генов, но, тем не менее, обладают этими двумя важнейшими качествами: постоянством структуры и способностью изменять её, образуя многочисленные формы. Например, кальцит (CaCO3) имеет постоянную гексагональную кристаллическую решетку, но образует более 2000 комбинаций кристаллографических модификаций. Еще пример, все кристаллы снега (воды) сохраняют гексагональную структуру, но при этом формируют тысячи различных комбинаций ветвящихся структур. Способности минералов кристаллизоваться в разнообразные формы и наращивать размеры кристаллов эволюционировали в умение определенных обособленных химических соединений создавать свои копии. Естественный отбор также не является уникальным изобретением организмов. Так, в течение более 400 миллионов лет после образования Земли возникали удивительные по форме и свойствам минеральные соединения с разными способностями противостоять процессам разрушения. Естественным образом происходил отбор самых стойких химических образований, которые выделялись способностью длительно не разрушаться, увеличивать свой размер за счет наращивания граней кристалла или путем формирования минеральных агрегатов (друз) в виде сросшихся между собой кристаллов. Так, что основные свойства живых существ сформировались на основе базовых качеств химических форм неживой природы. Эволюционное преобразование неживой природы в первые живые организмы стало возможным благодаря движению земного вещества, что и обеспечивала, главным образом, тектоника плит.
Биотический этап эволюции природы являлся самым продолжительным и очень сложным периодом истории Земли. В течение более 4 млрд. лет череда многочисленных закономерных и случайных событий в неживой и живой природе прокладывала извилистый эволюционный путь к Человечеству. Начало Биотического эволюционного этапа совпало по времени с такими глобальными событиями, как: вступление планеты в третий тепловой этап, появление четвертой атмосферы и тяжелая астероидно-кометно-метеоритная бомбардировка. Эта часть антропного маршрута прошла через множество эволюционных перекрестков, из которых выбрано 38 важнейших развилок. Каждой из этих развилок посвящен отдельный раздел.
3.1. Предклеточная (Допрокариотная) развилка эволюции Земли на пути к человечеству. Зарождение жизни. Около 4,1 миллиарда лет назад
Все живые организмы созданы из тех же 92 химических элементов, из которых образована Земля, да и все объекты Вселенной, представленные обычным веществом. Химические элементы, возникнув миллиарды лет назад, последовательно участвовали во множестве природных экспериментов по созданию объектов, наиболее устойчивых к разрушающему влиянию процессов энтропии. Они напоминают маленькие детали гигантского конструктора, из которых создаются, разрушаются, вновь образуются разные вещественные формы. Весь этот вселенский процесс имеет генеральное направление из прошлого в будущее и от простоты хаоса к сложности порядка. Но эта общая тенденция прогресса включает сумму конкретных событий создания и разрушения сложных форм. Каждая конкретная попытка стать вечностью заканчивается распадом на составные элементы. В неживой природе происходит отбор форм материи на устойчивость. В живой природе подобным образом осуществляется эволюция организмов благодаря естественному отбору наиболее приспособленных особей. Эволюция является свойством жизни.
Наиболее древние свидетельства жизни в виде высокого содержания легких (биологических) изотопов углерода в минералах оцениваются возрастом 4,25 млрд. лет. В эти времена температура формирующихся океанов составляла ~200°С, но вода не кипела благодаря существованию тяжелой атмосферы, богатой высокоплотным углекислым газом. Возможно, эти ранние образцы биологических соединений выступают свидетелями одного из самых первых экспериментов природы по синтезу сложных, самокопирующихся молекул. Скорее всего, до появления удачного варианта органического репликатора существовало огромное число других версий химических соединений, которые не выдержали конкурса естественного отбора. Может быть, в эти первые десятки миллионов лет присутствия океанов на Земле еще не возникла та совокупность многообразных факторов, которые обеспечили не только появление эффективного репликатора[43 - Репликатор (от лат. replicatio – «возобновление») – неклеточная формой жизни, способная к репликации то есть к размножению, раздвоению с определёнными наследственными изменениями. В соответствии с теорией зарождения жизни первый репликатор являлся предком для всего живого.] (пояснение термина можно смотреть по соответствующему номеру 43 в разделе "Ссылки…" в конце книги), но и предоставили условия для его размножения. Только к рубежу 4,1 млрд. л.н., т. е. спустя приблизительно 170 млн. лет после возникновения Мирового океана, развитие процессов в литосфере и, в частности, в океанической коре обеспечили счастливую совокупность условий для зарождения наших наипервейших предков – первых успешных вариантов протожизни.
Этот рубеж примечателен тем, что эволюция Земли за 100 млн. лет после Континентальной развилки реализовала немало прогрессивных преобразований на пути к появлению жизни. Особенно важными в этом отношении являются результаты развития атмосферы, гидросферы и континентов. К рубежу около 4,1 млрд. л.н. планета вступила в третий этап тепловой истории, названный «Знойная Земля». Знойная планета характеризовалась продолжающимся постепенным снижением среднегодовой температуры поверхности от 95°C до 40°C в течение 4,1–3,8 млрд. л.н.
Уникальность Земли заключатся, в частности, в том, что тепловая эволюция её поверхности с рубежа около 4,1 миллиардов л.н. и до настоящего времени происходила без таких экстремумов, которые выходили бы за температурные границы обитания живых существ. Океаны после образования никогда не испарялись полностью и никогда не превращались целиком в лед. Среднегодовая температура воздуха и воды у земной поверхности никогда не превышала 50°C, при которой произошла бы пастеризация, т. е. исчезновение большинства организмов. При среднегодовой температуре 5°C и ниже происходит быстрое распространение ледников по планете.
Признавая, что на Земле всегда оставались благоприятные условия для существования жизни, следует иметь в виду многочисленные грандиозные изменения климата. В истории нашей планеты было немало катастрофических космических, геологических и климатических событий, которые подводили все живые существа на грань полного уничтожения. Биосфера всегда реагировала на такие стрессовые ситуации довольно быстрыми (в масштабах существования планеты) и значительными изменениями биотических систем. Сама планета после подобных катастроф запускала в действие те или иные стабилизирующие механизмы своей эволюции, которые всегда возвращали биосферу в тот диапазон условий, который обеспечивал продолжение прогрессивного, т. е. усложняющего развития живых организмов.
Для демонстрации преимущества нашего обитания на Земле приведем температурные сведения по планетам. На Меркурии поверхность одной стороны планеты прогрета до 465°C, а другая сторона – охлаждена до -184°C. На Венере поверхность раскалена до 460°C. На Марсе в экваториальной зоне поверхность прогрета до 20°C, а на полюсах остыла до -153°C. В облаках Юпитера отмечено -145°C. На Сатурне – еще холоднее (-178°C), но в разных полушариях температура отличается. Уран – самая холодная планета в Солнечной системе (-224°C). На Нептуне верхний слой атмосферы имеет температуру минус 218°C.
В результате активных извержений вещества из недр планеты, а также благодаря охлаждению поверхности Земли произошло изменение состава третьей атмосферы и образование 4,1 млрд. л.н. четвертой – Эоархейской углекисло-азотной атмосферы, которая просуществовала 600 млн. лет, до 3.5 млрд. л.н. Основными конкретными причинами образования четвертой воздушной оболочки выступили некоторые глобальные факторы, создавшие в это время определенную совокупность. Основным событием явилось извлечение практически всей воды из третьей атмосферы в результате конденсации (4,27 млрд. л.н.). Внесли свой вклад в преобразование атмосферы также некоторые другие факторы. Прежде всего, произошло сокращение доли углекислого газа (от 67 до 30 %) за счет его растворения в воде раннего океана. Кроме того, около 4,1 млрд. л.н. случилось резкое добавление глубинного азота (до 68 %) в газовую оболочку. Состав новой атмосферы постепенно стал преимущественно азотным. Содержание азота за относительно небольшой срок, по геологическим меркам, увеличилось от 60 % (4,1 млрд. л.н.) до 98 % (3,8 млрд. л.н.), углекислый газ уменьшился за этот же период с 20 % до 2 %. Сократилось содержание таких элементов, как: аммиака (от 1 % до 0,57 %), метана[44 - В атмосфере до 3,9 млрд. л.н. присутствовал метан глубинного (не биогенного) происхождения, а позже до 2,7 млрд л.н. уже биогенный метан вместе с углекислым газом выполняли роль парникового газа.] глубинного происхождения (от 0,25 до 0,14 %), аргона (от 0.01 до 0 %). Кислород в этой атмосфере отсутствовал вовсе. Земля была окутана плотной атмосферой, состоящей преимущественно из азота (N2) и в меньшей мере из углекислого газа (СO2). Давление столба газовой оболочки уменьшалось приблизительно от 2–3 до 1 атм., поскольку увеличивалось содержание азота, плотность которого (1,251 кг/м3) ниже, чем углекислого газа (1,9768 кг/м3).
Изменился также состав гидросферы. Вследствие уменьшения кислых летучих (углерода и углекислого газа), растворения в воде атмосферного аммиака и поступления с суши в океан силикатных минералов, увеличивался рН[45 - pH – водороодный показатель – мера кислотностиводныхрастворов.], т. е. уменьшалась кислотность океанической воды, постепенно приближаясь к нынешним значениям в океанах (7,5–8,5). Правда, химический состав океана на протяжении около 800 миллионов лет своей начальной истории (от 4,27 до ~ 3,5 млрд. л.н.) был подвержен значительным колебаниям. Только прекращение тяжелой астероидной бомбардировки (~ 3,8 млрд. л.н.) и начало Кислородно-фотосинтезной развилки эволюции планеты (3,5 млрд. л.н.) привело к достижению химического равновесия в океане.
В рассматриваемые времена продолжалось наращивание океанической коры в зонах спрединга (раздвижения тектонических плит), которое сопровождалось подводным вулканизмом с излияниями преимущественно базальтовой лавы и наличием множества активных горячих термальных источников двух типов – «белые курильщики» и «черные курильщики». Эти гидротермальные источники поставляли в океан из недр значительную долю тепла Земли и большой объем разнообразных минеральных веществ. Эта их деятельность не прекратилась и в наши дни. Активное формирование континентальной коры в зонах субдукции выражалось увеличением количества островов, и наращиваем их площадей.
Перечисленные грандиозные планетные преобразования совпали с тяжелой астероидно-кометно-метеоритной бомбардировкой, которая в тот же период (от ~4,1 до 3,8 млрд. л.н.) разрушила и переплавила часть океанической и континентальной коры.
В эту эпоху великих земных перемен, на рубеже около 4,1 млрд. л.н.[46 - В 2015 году американский журнал Proceedings of the National Academy of Sciences опубликовал статью, в которой на основании обнаруженного включения углерода в минерале циркон (ZrSiO
) подтверждается, что жизнь на Земле зародилась ~4,1 миллиарда лет назад.], произошел поворот эволюции планеты на Предклеточной развилке, которая ориентировала природу на формирование первых живых организмов и на их развитие. Начальная жизнь, по признанию большинства современных специалистов, была представлена каталитическими биомолекулами рибонуклеиновой кислоты (РНК), благодаря которым началась эволюция живой природы в форме «РНК-мира». Это сложное химическое образование выдержало конкурентную борьбу с теми прогенотами, которые были предшественниками генома РНК. Каталитическая РНК оказалась победителем в естественном отборе и превратилась в обязательный компонент любого живого организма. Поэтому РНК претендует на роль первой живой молекулы. О механизме и месте образования РНК-молекул – предклеточных биотических форм на Земле и об их превращении в первые клеточные существа сформулировано много предположений разной степени достоверности. Большинство специалистов считает наиболее убедительной гипотезу о последовательном возникновении из простых неорганических молекул сначала органических микросоединений, а затем – макрокомплексов со свойствами самовоспроизводства, наследования и изменчивости. В результате усложнения структуры и функций предшественников живых организмов произошел синтезе молекул РНК. Этот ранний этап формирования жизни связан с зонами подводных термальных источников.
Примером области, в которой мог происходить поэтапный синтез живой клетки является обнаруженный исследователями «Потерянный город» в Атлантическом океане. Там, на океаническом дне, в срединно-океанических хребтах, гидротермальные источники сформировали минеральные башни-столбы высотой от нескольких сантиметров до 60-метровой колонны (ей дали имя – Посейдон). Эти гидротермальные постройки – «белые курильщики» напоминают Потерянный город. Они образованы осаждением из растворов в основном карбонатных и серпентинитовых пород, в состав которых входит приблизительно 70 минералов (соединения металлов с оксидом кремния и гидроксильными группами кислорода и водорода, кальцит, доломит и многие другие). Умеренная температура в подводных горячих источниках (около 40–75°C), подщелоченной состав и наличие многих растворенных элементов формировали благоприятную среду для зарождения жизни. Такие зоны источников вещества и энергии с минеральными постройками существуют на Земле с рубежа около 4,27 млрд. л.н. – начиная с появления океанов над раздвигающимися литосферными плитами и до настоящего времени. В зоны раздвижения плит (спрединга) регулярно, на протяжении миллиардов лет поставляются из глубинных недр как простые, так и довольно сложные молекулы жизненно необходимых элементов. Речь идет об углероде, водороде, кислороде, азоте, сере, калии, железе, цинке, марганце и других (С, H, О, N, Р, S, K, Fe, Zn, Mn).
Следует иметь в виду, что вода термальных источников – это бывшая придонная океаническая вода, проникшая в недра по системе трещин. Нагревание относительно холодной океанической воды «белых курильщиков» происходило в недрах не за счет вулканической энергии, как в высокотемпературных «черных курильщиках, но благодаря выделению тепла при метаморфическом преобразовании базальтовых и ультраосновных (перидотитовых) пород океанической коры в серпентинит. Такой процесс серпентинизации пород представляет собой присоединение молекул воды, а также щелочных и щелочноземельных минералов к минералам базальта. В результате этого, одного из самых распространенных геохимических процессов на Земле, выделяются тепло, а также большие объемы абиотических (неорганических) молекул элементарного водорода и метана (CH4), которые имеют фундаментальное значение для происхождения жизни и для жизни микробов. Нагретая в недрах вода выщелачивает из базальтов большое число химических веществ, превращаясь в раствор многих элементов, соединений и газов. По гидротермальным постройкам горячая минеральная вода выходит на поверхность океанического дна, где попадает в резко отличные физико-химические условия. Происходят значительные преобразования, и разделение элементов флюида на части. Концентрированная часть химических веществ образует новую или достраивает постройку на дне, а рассеянные элементы поступают в океаническую воду и в осадки. Теплый флюид под давлением пропитывает пористые породы построек, в емкостном пространстве которых образуются различные соединения, включая углеродные. Частые землетрясения в зоне гидротермальных источников восстанавливают фильтрацию флюидов в коллекторах, если в них осадились минералы. В результате этих тектонических процессов происходят сильные гидравлические удары в коллекторах, что обеспечивает очистку фильтрационной системы от закупоривания минеральными кристаллами.
В океанических районах гидротермальной активности реализуется постоянная циркуляционная система с нисходящими (холодными) и восходящими (горячими) ветвями, осуществляющая обмен между основными сферами Земли. Установлено огромное поступление океанической воды в гидротермальную систему (в зонах спрединга и субдукции): около 5,7 тыс. т воды в секунду. Вся вода Мирового океана проходит через гидротермальный процесс геохимического преобразования каждые 3–8 млн. лет. Гидротермальная система Мирового океана за всю историю существования океанов вынесла из недр планеты гигантский объем тепла и вещества. В результате работы глобального конвейера по разрушению и созданию несметного число химических соединений были созданы условия для конструирования самовоспроизводящейся молекулы – основы жизни – за относительно короткий срок после формирования океанов, приблизительно за 150 млн. лет. Конечно, в этом деле природе помог Великий случай.
Природа выбрала углерод для строительства живых организмов не случайно, но благодаря тому, что эти атомы имеет очень крепкие связи между собой, обеспечивающие конструирование разнообразных органических химических соединений. Органические соединения обладают замечательным свойством – полимеризацией[47 - Полимеризация – образование сложных веществ из относительно простых (мономеров) с участием катализаторов.]. При этом, каждая полимерная молекула характеризуется своими особыми свойствами. Органическая сложная молекула способна соединяться с другой полимерной цепочкой или отрезать определенную её часть, а также способствует синтезу полимеров. В водном растворе химически активная сложная молекула присоединяет множество инертных молекул. Полимерная цепочка в процессе наращивания размеров сворачивается в клубки. В сложной цепочке, по мере изменения формы, появляются новые химически активные центры, которые отрезают некоторые части от соседних сложных полимеров и присоединяют их к себе. Таким образом, процесс эволюции органических соединений обусловлен основными свойствами самих углеродных молекул.
К сожалению, до сих пор не решены многие проблемы ранней эволюции жизни. Например, не существует общепринятых научных представлений о механизме, времени и месте формирования первых живых организмов. Отсутствуют сведения о структуре и функциях первых доклеточных образований, о строении и месте обитания последнего предка всех клеточных организмов (LUCA). Мы только предполагаем наличие общих генов у последнего универсального предкового состояния – ЛУКАС (LUCAS), как и у ЛУКА (LUCA), и у настоящих клеточных существах (прокариотах) – археях и бактериях. Поэтому некоторые события биологи вынуждены представлять на основании тех или иных косвенных предпосылок или следуя логике. Например, первые живые существа могли возникнуть только глубоко под водой из-за того, что во время реализации Предклеточной развилки над планетой отсутствовал озоновый слой. В этих условиях отсутствовала атмосферная преграда для солнечного коротковолнового ультрафиолетового излучения, губительного для РНК и ДНК. Любая жизнь на поверхности Земли, включая мелководье, была невозможной.
3.1.1. ЛУКАС – общий предклеточный предок всего живого на Земле
В настоящем обзоре излагается схематическое представление автора о ранней эволюции жизни, базирующееся на наиболее обоснованных гипотезах ведущих мировых специалистов в данной области. Суть концепции о доклеточной истории жизни сводится к абиогенному синтезу органических веществ, когда в пустотах порового пространства гидротермальных минеральных построек – в неорганических инкубаторах жизни произошло образование первых органических соединений, которые постепенно усложнялись до органических микромолекул-мономеров, низкомолекулярных органических соединений. На их основе сформировались разнообразные сегменты сложной молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК) и затем появился самовоспроизводящийся прото-РНК – первый репликатор, давший начало каталитическому РНК. Такой каталитический РНК можно отнести к последнему доклеточному прогеноту[48 - Прогенот – представитель предклеточной стадии эволюции жизни.], получившему название ЛУКАС[49 - LUCA(S) – Last Ancestral Universal Common State – последнее универсальное предковое состояние- обозначение для разнородной популяции генетических элементов, которые существовавали в сети неорганических ячеек – компартментов. Эта гипотеза о морфологии последнего общего предка предложена выдающимся советским и американским биологом Евгением Куниным в книге «Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции» [9].]. Этот представитель мира РНК – мира доклеточных живых существ передал эстафету жизни первому клеточному организму – последнему универсальному общему предку всего живого на Земле, названному ЛУКА[50 - ЛУКА – LUCA (от англ. Last Universal Common Ancestor) – последний универсальный общий предок. Теорию общего предка предложил Чарльз Дарвин в книге «Происхождение видов» 1859 года.].
Наиболее вероятно, что ЛУКАС был не отдельной клеткой, а совокупностью организмов, которые сформировались в сети соседних микропор гидротермальной постройки – в минеральном инкубаторе жизни. ЛУКАС сформировался в этих минеральных компартментах на базе своих предков – доклеточных каталитических молекул РНК. ЛУКАС был ещё тесно связан с неживой природой. У ЛУКАСа большая часть биологической информации продолжала храниться в молекуле РНК, как и у представителей РНК-мира. ЛУКАС состоял из молекул РНК, которые продолжали существовать автономно, катализируя синтез новых рибонуклеотидов и самовоспроизводясь. В течение нескольких миллионов лет РНК передавали свои каталитические свойства из поколения в поколение. Постепенно потомки ЛУКАС накопили такие случайные мутации, которые привели к появлению РНК, катализировавших синтез белков с более эффективными каталитическими свойствами. В процессе естественного отбора эти полезные мутации белков закрепились.
Многие катаклизмы окружающей среды рассматриваемого периода истории Земли делали способ хранения генетической информации в РНК не надежным. Информация часто искажалась и легко терялась. Естественный отбор предпочел тех потомков ЛУКАСа, которые пошли по пути создания ДНК – более надежного носителя информации, имеющего двойную нить. В результате появился первый клеточный организм – ЛУКА, содержащий кроме РНК также элементы ДНК генома, протеины и древнюю (примитивную) мембрану. Эта мембрана хотя и отличалась примитивностью, однако позволяла ЛУКЕ стать клеткой, независимой от минерального инкубатора жизни, свободно перемещающейся в океане. Несмотря на то, что ЛУКА стал последним универсальным общим предком всех клеточных организмов, тем не менее, он, по сути, был не истинным, а переходным прокариотом. Потому, что имел принципиальные отличия от своих потомков – настоящих прокариотов – архей и бактерий, т. е. ЛУКА не имел типичного большого ДНК-генома и не был типичной клеткой, окруженной прокариотной мембраной.
ЛУКА стал общим предком для всего живого на Земле, т. е. для умерших и ныне существующих живых существ. Но большинство ближайших потомков ЛУКА оказались не успешными природными экспериментами. Только двое потомков стали предками-основателями стабильных, успешных эволюционных линий клеточных организмов – двух главных ветвей жизни (архей и бактерий), у которых появились свои специфические ДНК-геномы и мембраны.
Приблизительный механизм зарождения жизни в зонах гидротермальных источников, который мог бы реализоваться путем абиогенеза, схематично сформулируем в восьми нижеследующих пунктах.
В тонких стенках колоннообразных, преимущественно карбонатных термальных построек сформировались резервуары с порово-трещинными коллекторами (мельчайшими насыщенными флюидом ёмкостями в горной породе). Многие полости пор настолько малы, что имеют размеры биологических клеток. Стенки микропор являлись каталитическими поверхностями для реакций примитивной биохимии. Как правило, тончайшие, полупроницаемые стенки-перемычки, ограничивающие микропоры, могли служить подобием клеточных мембран, отделяющих содержимое единичной микропоры («протоклетки») от других частей резервуара и регулирующих циркуляцию флюидов между отдельной микропорой («протоклеткой») и основными фильтрационными путями резервуара (внешней средой). Кроме того, несколько соседних микропор можно представить пространством для одной органической «протоклетки», в котором каждая микропора ограниченна внутриклеточными стенками-мембранами. В этом случае каждая микропора играет роль замкнутого отсека внутри «протоклетки» – компартмента (или органеллы) с определенными условиями среды. Такое разделение «протоклетки» позволяет развивать разные функции у относительно разделенных частей «протоклетки». Так, что сети микрополостей в гидротермальных постройках можно представить в качестве минеральных инкубаторов добиотической, а затем доклеточной биотической эволюции, от смеси органических молекул к миру РНК. В разных отсеках инкубаторов благодаря уникальным химическим и температурным условиям мог реализоваться абиогенный синтез сначала органических микромолекул-мономеров, низкомолекулярных органических соединений, затем разнообразных сегментов РНК.
Гидротермальные воды с широким набором химических элементов и соединений циркулировали по коллекторам под большим давлением, поставляя через полупроницаемые минеральные стенки-мембраны в микрополости-инкубаторы жизни химические элементы, необходимые для продолжения формирования сложных органических соединений из ранее синтезированных органических молекул-мономеров. С помощью минеральных катализаторов уже на довольно ранних этапах предклеточной эволюции Земли произошло образование трех компонентов, необходимых для формирования нуклеотидов: сахаров (или их заменителей), фосфатов и нуклеиновых оснований. Нуклеотиды необходимы для синтеза молекулы или комплекса молекул, подобных РНК – прото-РНК.
Постоянная фильтрация флюидов через коллекторы гидротермальных построек обеспечивала градиент протонов между потоком теплых щелочных растворов с низким содержанием протонов на внутренней стороне резервуара и прохладной кислой океанической водой, богатой протонами, на внешней стороне трубообразного резервуара. Этим самым в сети неорганических ячеек создавалось подобие условий в живых клетках, которые нуждаются в протонном градиенте на своих мембранах, чтобы хранить энергию. Кроме того, благодаря восходящему движению теплых гидротермальных растворов внутри резервуаров поставлялись в мелкие пустоты коллекторов новые порции химических веществ и удалялись из них продукты реакций. Эта химическая циркуляция в неорганических инкубаторах напоминала зачатки обмена веществ
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «Литрес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/book/valeriy-nikolaevich/nashi-razvilki-razvilki-evolucii-prirody-na-puti-k-ch-70774534/) на Литрес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
notes
Примечания
1
Примерным списком таких, рекомендуемых книг является приведенный в конце данной брощюры перечень избранной литературы.
2
Мир включает всё, что существует повсюду, в том числе, всё созданное человечеством: от примитивных орудий труда до произведений искусства, а также до субъективных идей и абстрактных понятий. Учеными разрабатывается гипотеза о мире, как о мультивселенной – бесконечной системе вселенных-пузырей. Синонимом понятия «мир» может быть понятие о «материи», которое включает всё содержимое пространства, включающее вещество (и антивещество, и темное вещество) плюс энергию (поля излучений и так далее). Вселенная – часть мира.
3
Природа – всё естественное, т. е. весь мир за исключением всего искусственного, созданного человечеством. Автор понимает, что человеческая деятельность является одним из геологических факторов, т. е. природным явлением. Однако, популярность данного изложения удерживает его от углубления в столь обширную проблему.
4
Антивещество – материя, состоящая из атомов, ядра которых представлены антипротонами и антинейтронами. Такие ядра имеют отрицательный электрический заряд и окружены позитронами («антиэлектронами») с положительным электрическим зарядом. Тогда, как атомы вещества имеют положительно заряженные ядра из протонов и нейтронов. Окружающие их электроны имеют отрицательный заряд.
5
Мнение Дэвида Ньюфельда (David Neufeld), профессора Университета Джона Хопкинса (США), который является соавтором новой научной работы об обнаружении в космосе трудноуловимой молекулы – ион гидрида гелия.
6
Изомеры – хим. соединения, имеющие одинаковый хим. состав и молекулярную массу, но различающиеся строением молекул, физ. и хим. свойствами. Свойства изомеров зависят в основном от структуры внешней электронной оболочки. Изомер, несмотря на одинаковые составляющие атомы, имеет отличающийся от основной молекулы запах, другой вкус, другой цвет, другие реакции.
7
Зона обитания для звезды – пространство вокруг звезды, в котором существуют планеты с поверхностными условиями, обеспечивающими беспрерывное существуют воды в жидкой фазе на протяжении, по крайней мере, нескольких сотен миллионов лет. Для достижения высокой степени развития жизни продолжительность блпгоприятных условий должна составлять, вероятно, не менее 3–4 млрд. лет.
8
В тексте приводится немало химических формул с целью показать, насколько сложными бывают не только молекулы живых существ, но также неживые минералы. Кроме того, формула указывает на место расположения наших атомных гидов в той или иной молекуле.
9
Для того, чтобы понимать из каких элементов состоят минералы, после их названий приведены химические формулы.
10
Самой сложной молекулой в природе является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), в которой кодируется геном организма. Молекулярный вес её достигает миллиардов, длина в развернутом виде составляет до 3 см.
11
Гравитационный коллапс – катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил.
12
Вскоре после вспышки Солнца образовались кальций-алюминиевые соединения, имеющие возраст 4568 млн лет, который почти соответствует времени появления Солнечной системы.
13
На юго-западе Алжира упал метеорит (названный EC 002), который образовался где-то на просторах Солнечной системы 4,565 миллиарда лет назад. Он представляет собой образец лавовой породы, сформированный в условиях некой древнейшей планеты. Этот метеорит указывает на то, что уже в начальный период существования нашей системы кроме известных планет появились достаточно крупные планеты, в недрах которых происходили активные процессы расплавления вещества и его излияния на поверхность. В результате столкновения таких космических объектов образовалось множество крупных астероидов, мелких обломков или тончайшей пыли, часть которых до сих вращаются вокруг Солнца и постоянно падают на Землю и другие планеты, наращивая их объемы.
14
Планетезима?ль – твердое космическое тело из частиц пыли, находящееся на орбите вокруг звезды. Планетезимали, имея размеры от нескольких миллиметров до килолметров, под воздействием гравитации могут собираются в крупную протопланету.
15
Вешествам и организмам, содержащим атомы-гиды, присваиваем названия с учетом имени соответствующего атома. Например, молекула гликольальдегид, включающая атом углерода Карбомал, получила название Карбомалный гликольальдегид. Таким образом, отмечаем «наших» молекул или живых организмов, выделяя их среди множества подобных, но не содержащих наши атомы-гиды.
16
РНК – Рибонуклеиновая кислота? – вместе с двумя другими основными макромолекулами (ДНК и белки) входит в состав клетки всех живых организмов. Эти главные жизненные молекулы обеспечивают сохранение информации, кодирование, прочтение, регуляцию и выражение генов.
17
Под астеносферой залегает слой Голицина, фазовое состояние которого заставляет атомы и минералы приобретать очень плотную упаковку, значительно повышающую плотность горных пород. Под слоем Голицина (на глубинах 700-1000 км) распространяется нижняя мантия, в которой еще больше уплотняется структура вещества. Нижний слой мантии прослеживается до глубины 2900 км, с которой начинается жидкое внешнее ядро.
18
Климатический оптимум – самый тёплый интервал времени в каждом межледниковье четвертичного периода (2,5 млн. лет назад – нынешнее время). Во время оптимума существовали благоприятные условия для ускоренного прироста человечества.
19
Эволюция состава третьей атмосферы: СО
= 67–29 %, N= 14–28 %, H
O = 8–0 %, NH
= 2,8–1,3 %.
20
Характер изменения доли углекислого газа (СО
) в седьмой атмосфере, т. е. за последние 700 млн. лет в направлении от древности к нашим дням: 0.04%5 % 0,12 % 4%0,04 %.
21
Здесь не рассматриваем разновозрастные протоны нейтронного происхождения, т. е. образованные за счет распада нейтронов.
22
Энтропия Вселенной – это мера хаоса. В целом Вселенная в настоящее время – довольно упорядочена, т. е. имеет малое значение энтропии. Крупнейшими объектами беспорядка во Вселенной, т. е. обладающими высокой степенью энтропии являются массивные и сверхмассивные черные дыры. Достижение Вселенной максимального значения энтропии, наибольшего хаоса означает её тепловую гибель.
23
Плюм – тонкая струя раскаленной магмы, поднимающаяся от ядра к подошве литосферы, под которой растекается в виде шляпки гриба. Место под магматической шляпкой – горячая точка hot spots. Плюм поставляет расплавленную магму по трещинам в литосфере на поверхности планеты, где она разливается в форме обширнейших трапповых (наслоившихся друг на друга лавовых покровов) полей базальтового состава. Траппы Восточной Сибири, занимают площадь равную Исландии, около 2 миллионов квадратных км. Лава здесь начала изливаться около 570 млн. лет назад и продолжала поставлять на поверхность огромные массы расплавленной породы и газов в течение сотни тысяч лет. По мере движения литосферной плиты над горячей точкой происходит как бы прожигание литосферы с формированием на поверхности планеты цепочки вулканов или траппового магматизма.
24
Нынешние вулканы выделяют в виде газов преимущественно водяной пар. Например, в газах базальтовых лав гавайских вулканов содержание водяного пара составляет 70–80 % по объему.
25
Форстерит – распространенный минерал, ортосиликат магния из группы оливина – Mg
SiO
, где окись магния составляет 57,31 %, а двуокись кремния – 42,69 %. Оксижен занял место атома кислорода в молекуле двуокиси кремния.
26
Кстати вспомним, что раствор углекислого газа в воде является газированным напитком, который можно пить.
27
Ультраосновные горные породы – темноцветные, магматические породы с низким содержание кремнезема (SiO
– менее 40 %), более тяжелые, чем основные породы (базальты – SiO
от 40 до 52 %) и, тем более, чем кислые (граниты – SiO
от 65 до 75 %). Ультраосновные породы занимают на поверхности планеты только около 1 % площади. Типичными представителями являются перидотиты, дуниты, оливины, кимберлиты, пикриты. Эти породы слагали первичную земную твердую оболочку.
28
От древне греческого lithos, литос – «скалистый, твердый» и «sphaira» – сфера, твердая оболочка Земли.
29
Астеносфера – слой (Гутенберга) толщиной около 100 км в верхней мантии Земли, который подстилает литосферу (твердую оболочку планеты). Увеличенная пластичность астеносферы относительно смежных слоев позволяет литосферным плитам перемещаться по ней. Астеносфера также обеспечивает изостатическое равновесие литосферных плит (блоков). Поверхность слоя Гутенберга расположена на губинах: 50–60 км под океанами и 100–120 км и более под материками.
30
Глобальная тектоника плит по версии геологов США началась около 4,3 млрд. лет назад, что близко к принятому нами возрасту.
31
Парниковый эффект – это нагрев нижних слоев атмосферы благодаря способности парниковых газов (в основном: метана, воды и углекислоты) пропускать к поверхности планеты коротковолновое излучение Солнца и удерживать длинноволновое излучение Земли.
32
Границы плит также называют, соответственно: 1-дивергентными, 2-конвергентными и 3-трансформными.
33
Катион-положительно заряженный ион с меньшим количеством электронов, чем протонов в том или ином элементе. Анион-отрицательно заряженный ион с большим количеством электронов, чем протонов. Соли в водоемах существуют, как правило, в форме ионных соединений, которые формируются в результате притяжения ионов с противоположными электрическими зарядами. Например, хлорид натрия (NaCI), бромид калия (KBr) и оксид кальция (CaO).
34
pH – показатель кислотности раствора, отражающий концентрацию в ней водородных ионов. Показатель изменяется от силькислотного (менее 3) до сильнощелочного (9,5-11). Оптимальный – нейтральный (7 единиц).
35
Спрединг – раздвигание литосферных плит в зоне рифтов срединно-океанических хребтов под воздействием раплавленной магмы, выдавливаемой из мантии.
36
Эклогит – плотная метаморфическая порода, образовавшаяся путем преобразования базальтовых пород океанической коры, которые погружены в зонах субдукции в мантию на глубину 45-300 км, где существуют большие температуры (400-1000°C) и давления. Эти породы тяжелее основных мантийных пород – перидотитов и поэтому погружаются под них.
37
В Гренландии обнаружены древнейшие из известных осадочных пород возрастом 3,8 млрд. лет.
38
Суперконтинентом называют блок земной коры, который объединяет преобладающую часть суши в единный, непрерывный массив.
39
Ваальбара – название сконструированное из окончаний названий двух самых старинных блоков земной коры, обширных скоплений древнего гранита (кратонов): Каапвааль, расположенного, преимущественно на территории ЮАР, и Пилбара в Западной Австралии.
40
Альпийская эпоха складчатости – одна из крупнейших эпох тектогенеза в истории Земли, осложняющая земную кору в последние 50 млн лет (кайнозой).
41
Магнитное поле отсутствует у Марса и Венеры. У Меркурия магнитное поле составляет только около 1 % от поля Земли.
42
Метаболизм или обмен веществ – совокупность сложных химических реакций в организме для поддержания жизни, которые обеспечивают рост и размножение организма, превращание калории пищи в энергию, необходимую живому организму для жизнедеятельности.
43
Репликатор (от лат. replicatio – «возобновление») – неклеточная формой жизни, способная к репликации то есть к размножению, раздвоению с определёнными наследственными изменениями. В соответствии с теорией зарождения жизни первый репликатор являлся предком для всего живого.
44
В атмосфере до 3,9 млрд. л.н. присутствовал метан глубинного (не биогенного) происхождения, а позже до 2,7 млрд л.н. уже биогенный метан вместе с углекислым газом выполняли роль парникового газа.
45
pH – водороодный показатель – мера кислотностиводныхрастворов.
46
В 2015 году американский журнал Proceedings of the National Academy of Sciences опубликовал статью, в которой на основании обнаруженного включения углерода в минерале циркон (ZrSiO
) подтверждается, что жизнь на Земле зародилась ~4,1 миллиарда лет назад.
47
Полимеризация – образование сложных веществ из относительно простых (мономеров) с участием катализаторов.
48
Прогенот – представитель предклеточной стадии эволюции жизни.
49
LUCA(S) – Last Ancestral Universal Common State – последнее универсальное предковое состояние- обозначение для разнородной популяции генетических элементов, которые существовавали в сети неорганических ячеек – компартментов. Эта гипотеза о морфологии последнего общего предка предложена выдающимся советским и американским биологом Евгением Куниным в книге «Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции» [9].
50
ЛУКА – LUCA (от англ. Last Universal Common Ancestor) – последний универсальный общий предок. Теорию общего предка предложил Чарльз Дарвин в книге «Происхождение видов» 1859 года.