Современные представления о происхождении Солнечной системы и развитии Земли

                         Происхождение Земли

Происхождение жизни на Земле. Первичная Земля, сформировавшаяся за счёт аккреции исходного протопланетного вещества, должна была быть полностью безжизненной планетой. Связано это с тем, что само вещество протопланетного газопылевого облака образовалось благодаря взрывам сверхновых звёзд и было полностью стерилизовано жёстким космическим излучением ещё задолго до начала аккреции планет Солнечной системы. Кроме того, на Земле в те далёкие времена ещё не существовало ни плотной атмосферы, ни гидросферы, т. е. наиболее благоприятных сред для возникновения, обитания и защиты от разрушения жизни. Это объясняется тем, что земное вещество с самого начала было резко обеднено летучими соединениями, а та их ничтожная часть, которая всё-таки освобождалась при ударах и тепловых взрывах планетезималей, тут же сорбировалась очень пористым грунтом и быстро выводилась с поверхности Земли, захораниваясь постепенно в её недрах при выпадении всё новых и новых порций протопланетного вещества. К тому же в первое время после образования Земли её поверхность подвергалась исключительно интенсивному воздействию мощного потока корпускулярного излучения молодого Солнца, находившегося тогда, подобно звёздам Т–Тельца, в самом начале главной последовательности своего развития. Этот интенсивный поток корпускул, в основном протонов и ядер гелия, должен был буквально сдувать с поверхности Земли все остатки газовых составляющих.После первой активной стадии развития молодого Солнца его светимость около 4,6 млрд лет назад примерно на 30–25% была ниже современного уровня. Поэтому условия существования на молодой и лишённой плотной атмосферы Земле были исключительно суровыми. С одной стороны, её поверхность представляла собой холодную пустыню, а с другой — она подвергалась постоянному и интенсивному облучению потоками жёстких космических лучей.

Неблагоприятные условия для возникновения и  развития жизни на Земле продолжались до тех пор, пока не начал действовать процесс дегазации земного вещества. Однако это могло произойти только после подъёма температуры в недрах молодой Земли до уровня появления у неё астеносферы и возникновения конвективных движений в мантии, т. е. после начала действия наиболее мощного процесса гравитационной дифференциации земного вещества. При этом образование астеносферы и процесс зонного плавления земного вещества привели к резкому усилению приливного взаимодействия Земли с Луной и к существенному перегреву верхней мантии в экваториальном поясе Земли. Произошли эти события примерно 4,0–3,9 млрд лет назад.На ранних этапах дегазации Земли бoльшая часть попадавшей на её поверхность воды и других элементоорганических соединений поглощалась реголитом первозданного грунта молодой Земли. Высокая пористость и сорбционная способность реголита, по-видимому, могли обеспечить наиболее благоприятные условия для формирования сложных органических соединений и зарождения жизни. Вероятнее всего жизнь зародилась именно в мелких порах первозданного реголита после того, как они оказались заполненными дегазированной и минерализованной водой. Первичные углеводородные соединения могли возникать за счёт гидратации железосодержащих ультраосновных пород в присутствии CO2, например, по реакциям, а оксиды азота, нитраты, нитриты, аммиак, а также хлориды, карбонаты, сульфаты аммония и другие многочисленные соединения азота и углерода — благодаря грозовой активности углекислотно-азотной атмосферы раннего архея. Соединения фосфора, по-видимому, поступали в растворы непосредственно из вещества первозданного реголита. Необходимые же условия протекания реакций образования более сложных органических молекул при повышенных температурах атмосферы уже в начале архея обеспечивались капиллярным давлением водных растворов в порах реголита и каталитическим действием содержавшихся в нём свободных переходных металлов (Fe, Ni, Cr, Со и др.). Формированию сложных протоорганических молекул способствовало и то обстоятельство, что только в мелких порах реголита благодаря их большой сорбционной активности и высоким капиллярным давлениям концентрация элементоорганических соединений могла достигать уровня, необходимого для синтеза более сложных органических веществ (в морских бассейнах эти соединения оказались бы слишком разбавленными).Напомним, что классические эксперименты С. Миллера (1959), А. Вильсона (1960), Дж. Оро (1965, 1966), С. Фокса (1965) и других исследователей показали возможность синтезирования достаточно сложных органических молекул из неорганических соединений при их нагревании в полях электрических разрядов. В России направление автохтонного происхождения жизни путём синтезирования органических молекул из неорганических соединений активно разрабатывал академик А.И. Опарин (1965).

Поэтому есть веские основания предполагать, что жизнь на Земле зародилась в пропитанном водой и элементоорганическими соединениями первозданном грунте и вулканических пеплах в начале раннего архея, около 4,0–3,9 млрд лет назад в то время, когда на Земле возникла восстановительная азотно-углекислотно - метановая атмосфера (см. раздел 10.2). Таким образом, зарождение жизни на Земле совпало с первым и наиболее сильным тектоническим и геохимическим рубежом в истории её развития — с начальным моментом выделения земного ядра (с началом химико-плотностной дифференциации земного вещества), приведшим к формированию гидросферы, плотной атмосферы и континентальной земной коры.В работе известного российского геохимика Э.М. Галимова (2001), посвящённой проблемам происхождения и эволюции жизни на Земле, показывается, что происхождение жизни должно было быть связано с протеканием энергетических химических реакций, снижающих энтропию системы. Такие высокоэнергетические и низкоэнтропийные реакции могут протекать, например, с участием аденозинтрифосфата (АТФ), а синтез АТФ вполне мог происходить на ранних стадиях развития Земли. При этом для образования АТФ вначале необходимо синтезировать основание аденин — продукт полимеризации синильной кислоты HCN, и рибозу — продукт полимеризации формальдегида HCOH. Таким образом, согласно Э.М. Галимову синтез аденозинтрифосфата представляется необходимой предпосылкой зарождения и развития эволюционного процесса развития жизни на Земле.

Но  в нашей модели образование исходных продуктов синтеза АТФ могло  происходить самым естественным путём. Действительно, в самом начале архея, как мы показали в гл. 4, бoльшая часть поверхности Земли ещё была сложена первозданным мелкопористым реголитом, содержавшем до 13% свободного (металлического) железа. После начала дегазации Земли около 4-х млрд лет назад, прошли и первые дожди, пропитавшие этот реголит водой с растворённым в ней углекислым газом. В результате, как следует из реакции, произошла обильная генерация метана.Метан переходил в атмосферу, в результате молодая атмосфера стала резко восстановительной и азотно-углекислотно- метановой по составу. Аналогичным путём возникал и формальдегид. При этом формальдегид оставался растворённым в воде, пропитывавшей реголит, и вымывался из него дождевыми водами в только что образовавшиеся и ещё мелкие морские бассейны, а метан поступал в атмосферу, предавая ей строго восстановительный характер. Но в богатой метаном восстановительной атмосфере раннего архея уже могло происходить образование цианистого водорода, например, благодаря грозовым разрядам. Таким образом, в самом начале архея на Земле действительно сложились условия, благоприятные для возникновения исходных химических составов, пригодных для дальнейшего синтеза более сложных органических веществ и предбиологических соединений. Этому способствовало и присутствие в реголите активных катализаторов — переходных металлов Fe, Cr, Co, Ni, Pt и др. Возникшие к этому времени в грунте наиболее простые ассоциации сложных органических молекул или примитивные, но уже содержащие рибонуклеиновые кислоты, образования могли затем перемещаться в воду молодых морских бассейнов раннего архея. По мере дегазации Земли и развития атмосферы, её восстановительный потенциал постепенно снижался благодаря фотодиссоциации СН4. Поэтому уже через некоторое время атмосфера стала почти чисто углекислотно-азотной лишь с небольшой примесью метана, постоянно генерировавшегося по реакциям. Однако, эта примесь метана, по-видимому, могла играть существенную роль в питании примитивных архейских микроорганизмов. Дальнейшее совершенствование жизни должно было происходить уже благодаря высокоэнергетическим, но низкоэнтропийным реакциям и по биологическим законам развития живой материи, под влиянием направленного давления и „фильтрующих“ свойств внешней среды, а потом — и конкурентной борьбы.В результате ещё в раннем архее, вероятно, появились наиболее примитивные вирусы и одноклеточные организмы — прокариоты, уже ограниченные от внешней среды защитными полупроницаемыми мембранами, но ещё не обладавшие обособленным ядром. По-видимому, тогда же появились и фотосинтезирующие одноклеточные микроорганизмы (типа цианобактерий), способные окислять железо. Об этом, в частности, говорит распространённость в отложениях раннего архея возрастом около 3,75 млрд лет железорудных формаций, сложенных окислами трёхвалентного железа.

  Влияние глобальных  геологических процессов  на развитие жизни и главные геолого-биологические рубежи в истории Земли. Уровень наших знаний геологической летописи Земли и теоретических представлений о природе и развитии планетарных геодинамических процессов таковы, что позволяют уже сегодня построить адекватную физическую модель эволюции Земли и объяснить в её рамках основные рубежи развития земной жизни. В основу такой модели мы положили описанную в данной книге концепцию „Глобальной эволюции Земли“. Геологическая история Земли делится на четыре крупных этапа. Первый этап — скрыто тектонический (криптотектонический), или катархей (4,6–4,0 млрд лет назад). Во второй этап развития Земли по механизмам геодинамики раннего докембрия входит только архей (4,0–2,6 млрд лет назад). На третьем этапе, включающем в себя протерозой и фанерозой (2,6–0,0 млрд лет назад плюс ещё около 1,5 млрд лет в будущем), Земля развивается по законам тектоники литосферных плит. Последний, четвёртый этап развития Земли, определяется её тектонической смертью (приблизительно через 1,5 млрд лет в будущем). При рассмотрении влияния геологической эволюции Земли на развитие жизни нас интересуют только первые три этапа, поскольку приблизительно через 600 млн лет в будущем должна начаться дегазация из мантии эндогенного кислорода, освобождающегося при образовании „ядерного“ вещества из ещё сохранившихся в мантии, но предельно окисленных соединений железа. Этот процесс должен привести к сильнейшему парниковому эффекту и гибели всего живого на Земле.Важнейшим фактором, обеспечивающим само существование жизни на Земле, безусловно, является среда обитания живых организмов, и прежде всего океаны и атмосфера, происхождение и развитие которых было связано с процессами дегазации планеты. Начавшаяся на рубеже катархея и архея дегазация Земли, как мы уже неоднократно отмечали, привела к образованию в архее относительно плотной углекислотно-азотной атмосферы. В архее же появились вулканы, дифференцированные магматические породы и возникли первые изолированные мелководные морские бассейны, соединившиеся к середине архея в единый, но ещё мелководный океан. Благодаря высокому атмосферному давлению (от 2 до 6 атм) средние температуры океанических вод, как и приземных слоёв тропосферы, в архее поднялись до +30…+50°C, а из-за углекислотного состава атмосферы, воды океанов характеризовались кислой реакцией.

Первый  этап развития земной жизни пока полностью не ясен. Однако, начиная со времени 3,6–3,5 млрд лет назад уже известны строматолитовые отложения. Так, в серии Онвервахт Южной Африки (3,5–3,3 млрд лет) строматолиты имеют кремневый состав и слагают небольшие по мощности и протяжённости слои, залегающие среди пластов кремней в вулканогенных породах зеленокаменного пояса. В середине архея земная жизнь уже характеризовалась несколько бoльшим разнообразием и, вероятно, полным господством термофильных прокариотных форм, в основном архиабактерий с халькофильной и сидерофильной специализацией. Вероятнее всего источниками энергии этим примитивным формам жизни тогда служили хемогенные реакции типа тех, которые в настоящее время используются термофильными бактериями в горячих гидротермах („чёрных курильщиках“) срединно-океанических хребтов, а также другие анаэробные хемогенные реакции. В связи с тем, что в архейской конвектирующей мантии над зонами дифференциации земного вещества концентрация свободного железа была пониженной, в архейской атмосфере в небольших количествах мог присутствовать и кислород. Кислород тогда освобождался благодаря фотодиссоциации паров воды жёстким излучением Солнца и жизнедеятельности цианобактерий, которые в то время уже появились, поскольку в архее встречаются строматолиты.В середине архея, около 3,1 млрд лет назад, масса воды в гидросфере Земли увеличилась так, что отдельные морские бассейны стали сливаться друг с другом в единый Мировой океан и его поверхность тогда же перекрыла гребни срединно-океанических хребтов. В результате несколько активизировались процессы гидратации океанической коры и увеличилась поставка в океаническую кору карбонатов кальция. В свою очередь, это должно было привести в конце архея к заметному увеличению отложений карбонатных осадков (например, мраморов и кальцифиров Слюдянской серии в Забайкалье), а также строматолитовых отложений в зеленокаменных поясах того времени, хотя их доля в вулканогенных образованиях таких поясов по-прежнему оставалась незначительной.

Второй  радикальный геолого-биологический  рубеж был связан с выделением земного ядра и резким снижением тектонической активности Земли на рубеже архея и протерозоя (около 2,6 млрд лет назад). Именно тогда в океанической коре впервые возник серпентинитовый слой — главный и постоянно обновляемый резервуар связанной воды в земной коре. Известно, что гидратация ультраосновных пород сопровождается поглощением углекислого газа и связыванием его по реакциям в карбонатах. Этим следует объяснять сравнительно быстрое удаление из атмосферы углекислого газа и падение общего атмосферного давления с 6 атм и температур с +50…+60°С в архее приблизительно до 1 атм и +6… +7°С в начале раннего протерозоя, что привело к резкому похолоданию климата и возникновению (около 2,5 млрд лет назад) первого в истории Земли ледникового периода. Однако надо учитывать, что в конце архея и начале протерозоя в мантию Земли из центральных областей поднялось много первичного вещества с высокой концентрацией в нём металлического железа. Поэтому масса железа, поступавшего в раннем протерозое через рифтовые зоны Земли в океаны, значительно превосходила возможную генерацию кислорода в биосфере раннего протерозоя. Отсюда следует, что в атмосфере раннего протерозоя было исключительно мало кислорода, скорее всего не выше 10 –6 атм, а во время массового отложения джеспилитов, около 2,2–2,0 млрд лет назад, и того ниже (вероятно, около 10 –8—10 –9 атм), но в отличие от архейской атмосферы в ней уже было не более нескольких мбар углекислого газа. Это позволяет предположить, что именно в эпохи массового отложения железорудных формаций, вероятно, появились и железобактерии, потребляющие кислород благодаря восстановлению трёхвалентного железа до фазы магнетита. Недавно существование таких архиобактерий было доказано экспериментально. Не исключено, что дефицит кислорода мог активизировать и симбиотические процессы в жизни простейших бактерий, образование в них митохондрий и клеточных ядер, послуживших позже основой появления эвкариотных форм жизни. Таким образом, атмосфера Земли в раннем протерозое, около 2,5–2,0 млрд лет назад, в основном состояла только из азота, лишь с небольшими добавками водяного пара, аргона и углекислого газа.

Такие резкие изменения условий обитания не могли не сказаться на биоте того времени. Сообщество термофильных прокариот должно было уступить место более холодолюбивым бактериям и микроводорослям. С этими событиями в биоте океанов была связана ещё одна революционная перестройка: уже в начале раннего протерозоя широко распространились фотосинтезирующие микроорганизмы — сине-зелёные водоросли и произошёл резкий в геологической истории рост обилия строматолитов, пришедшийся на эпоху массового отложения железорудных формаций. В начале раннего протерозоя в интервале возрастов 2,6 и 2,5 млрд лет, но уже после возникновения серпентинитового слоя океанической коры, когда резко падала концентрация углекислого газа в атмосфере, а в гидросферу поступали огромные массы магнезиально-кальциевых карбонатов, возникавших по реакциям, должны были образоваться мощнейшие толщи хемогенных и органогенных доломитов. И действительно, в это время отложились мощные карбонатные толщи (до 500–1700 м) серии Уален Мичигана в Северной Америке и серии Трансвааль в Южной Африке с приуроченными к ним строматолитами (на гистограмме М.А. Семихатова они почему-то отнесены к концу архея). По насыщенности строматолитами уаленские и трансваальские доломиты не уступают более молодым раннепротерозойским образованиям, а в Трансваале эти толщи перекрываются свитой Грикватаун с ледниковыми отложениями уже явно раннепротерозойского возраста.

В среднем протерозое, т. е. после окончания  эпохи массового отложения железорудных формаций раннего протерозоя (после 2,0–1,8 млрд лет назад), в земной атмосфере происходит некоторое повышение парциального давления кислорода. В результате бурно развиваются многие виды одноклеточных бактерий и водорослей и, вероятно, появляются первые эвкариотные одноклеточные организмы, образовавшиеся вероятнее всего благодаря эндосимбиозу прокариотных бактерий. Метаболизм эвкариотных микроорганизмов уже был связан с поглощением небольших количеств кислорода, поэтому они могли широко распространиться только после повышения парциального давления этого газа в атмосфере Земли до уровня порядка 10–3 от его современного значения (точка Юри). Поэтому на рубеже среднего и позднего протерозоя началась следующая глубокая перестройка трофической структуры океана, связанная с бурным распространением эвкариотных организмом и фитопланктона. Не исключено, что в среднем протерозое произошло и заселение суши бактериальной флорой, о чём, в частности, могут свидетельствовать впервые появившиеся тогда красноцветные коры выветривания. В этой связи необходимо отметить, что связывание азота в органическом веществе таких бактерий и дальнейшее захоронение соединений азота в осадочных толщах должно было приводить к постепенному снижению общего давления земной атмосферы. Следствием такого снижения атмосферного давления стало постепенное похолодание климата в конце протерозоя. В результате этого, а также благодаря дрейфу части континентов Гондваны и Лавразии в высокие широты в позднем рифее-венде, а также в раннем и среднем палеозое наблюдалась новая эпоха оледенений.

Переход атмосферы на рубеже архея и протерозоя от химически активного углекислотного состава к нейтральному, безусловно, должен был сказаться и на организации земной жизни. По-видимому, с этим следует связывать появление в протерозое принципиально новых форм эвкариотных одноклеточных организмов и водорослей с чётко обособленным ядром и другими органами. Отсюда видно, что и второй крупный тектоно-геохимический рубеж докембрия, радикально изменивший всю геодинамику Земли, одновременно столь же резко изменил экологическую обстановку на Земле и предопределил появление более совершенных эвкариотных форм земной жизни. Это, а также последующее развитие биоминерализации, рост биологической продуктивности и прогрессирующая колонизация бентали повлекли за собой существенные изменения в характере седиментогенеза.