Путешествие по недрам планет

Долгое время господствовало убеждение, что в Солнечной системе Земля — лишь одна из обитаемых планет. Фантазия неселяла разумными обитателями не только Марс, но и Венеру и даже планеты-гиганты. Космонавтика положила конец этим иллюзиям. Сегодня уже никто не сомневается в том, что мы, люди, одиноки в Солнечной системе и в этом отношении Земля уникальна. Больше того, оказалось, что остальные планеты разительно отличаются от нашей и ни на одной из них человек не смог бы существовать без искусственных средств жизнеобеспечения.

Этот факт, несомненно, связан с особенностями формирования Земли и ее эволюции как планеты. Мы живем на поверхности Земли, и это обстоятельство очень облегчает не только познание ее недр, но и выяснение всех деталей ее истории. Зарождение биосферы и ее роль в геологической истории Земли — события, определившие нынешний облик нашей планеты. Вот почему недра Земли тесно связаны с историей всех ее оболочек до атмосферы включительно. Лишь в конце этого раздела мы постараемся взглянуть на Землю извне.

Что там, внутри?

Непосредственное изучение земных недр имеет пока весьма ограниченный характер. Самая глубокая из проектируемых шахт достигает глубины всего 2 км. Ясно, что такой способ исследования недр может дать сведения лишь о самых поверхностных слоях земной коры.

Но существуют различные методы изучения недр Земли. Как известно, период колебания маятника определяется формулой T = 2π(l/g)^1/2, где l — длина маятника; g — ускорение свободного падения, которое зависит от расстояния маятника до центра Земли и от центробежной силы в данной точке земного шара. Так как Земля представляет собой сплюснутый у полюсов шар, или, точнее, сфероид, его полюсы на 21 км ближе к центру Земли, чем точки экватора. Точные измерения показывают, что ускорение свободного падения на северном полюсе составляет 983,234 см/с², а на экваторе оно на 5,2 см/с² меньше. Около 2/3 этой величины вызвано вращением Земли, а 1/3 — ее сплюснутостью.

Отсюда следует, что маятник в принципе позволяет изучать форму Земли по величине ускорения свободного падения в разных точках ее поверхности. Этим занимается специальная наука — гравиметрия, в распоряжении которой есть высокоточные маятниковые приборы. Следует заметить, что ныне маятниковый метод применяется лишь для решения некоторых специальных задач. Абсолютные же измерения ускорения g выполняют методом свободного падения тел в вакууме. Так как при таких измерениях используют лазерные интерферометры и кварцевые часы, точность их весьма высока — средняя квадратическая погрешность не превышает 10^-7 м/с².

Гравиметрия позволяет измерить сжатие Земли (1/298,3), а также ее безразмерный момент инерции (0,331), что очень важно для построения модели внутреннего строения нашей планеты. Но гравиметрия способна и на нечто большее. Представьте себе два одинаковых маятника А и В. Под первым из них находятся породы повышенной плотности, например руды, под маятником В — пустота (скажем, пещера). Ясно, что маятник А будет сильнее притягиваться Землей, чем маятник В, а значит, и колебаться быстрее. Таким образом, гравиметрические приборы могут успешно выступать в роли разведчиков полезных ископаемых. С их помощью удается выяснить и некоторые детали строения земной коры.

Методами, позволяющими проникнуть в Землю до любых глубин, т. е. иначе говоря, до ее центра, располагает другая наука — сейсмология. Она изучает распространение в твердом теле Земли волн, вызванных землетрясениями — естественными или искусственными. Чтобы разобраться в причинах и следствиях землетрясений, надо вспомнить кое-что об упругости и волнах.

Если тело после снятия внешней нагрузки принимает первоначальную форму, то его называют упругим. В этом случае говорят об упругой деформации тела. Если же внешние силы необратимо меняют форму тела, то его деформация будет неупругой. Примером безусловно упругого тела является резина — недаром ее используют в различных амортизаторах. Такими же упругими свойствами обладают струна гитары, стальная пружина и ряд других твердых тел. Кусок мягкой глины или замазки может, наоборот, служить типичным примером неупругого тела.

Процесс распространения колебаний в упругой среде реализуется в виде волн, т. е. периодических перемещений частиц среды. При этом каждая из частиц колеблется около некоторого среднего положения равновесия. Когда говорят о фронте волны, подразумевают поверхность, отделяющую колеблющиеся частицы от тех частиц, которые еще не вовлечены в колебательное движение. Если фронт волны является плоскостью, то волна называется плоской, если фронт волны представляет собой сферу, то волна называется сферической. Различают волны двух типов — продольные и поперечные. В первом случае колебания отдельных частиц происходят в направлении распространения волны. В поперечных волнах частицы колеблются в плоскостях, перпендикулярных к направлению волны. В сущности, продольная волна — это чередование сгущений и разрежений упругой среды. Продольные волны возможны в газах, жидкостях и твердых телах. Что касается поперечных волн, то они наблюдаются или в твердых телах, или на границе раздела двух жидкостей, либо жидкости и газа (например, на поверхности воды). Если колебания распространяются вдоль прямой, эту прямую называют лучом. Колебания могут распространяться и вдоль кривых.

После этого краткого экскурса в область элементарной физики обратимся к тем так называемым сейсмическим волнам, которые возникают при землетрясениях, т. е. при сотрясениях земной коры, вызванных разными причинами. Самые грозные из землетрясений — тектонические, порожденные смещением отдельных участков земной коры. При этом происходит разрыв пород, образуются большие и малые трещины, часть которых выходит на поверхность Земли. Разрывы и смещения пород, слагающих земную кору, вызывают подземные толчки, отдающиеся на земной поверхности. Каждый такой толчок рождает сейсмические волны, достигающие наибольшей силы в очаге землетрясения, называемом сейсмическим очагом. В сейсмическом очаге различают гипоцентр, т. е. глубинную зону, где, собственно, и зарождается землетрясение, и эпицентр — область наибольшей силы сейсмической волны на земной поверхности. Расстояние между эпицентром и гипоцентром характеризует глубину сейсмического очага. Глубина очага тектонических землетрясений чаще всего 50—100 км, хотя бывали случаи, когда такого рода землетрясения зарождались на огромной глубине — до 800 км!

В районе действующих вулканов земная кора также сотрясается, что вызывается прорывами газов и лавы в подводяшем канале вулкана. Нередко вулканические землетрясения предшествуют извержению вулкана, однако по мощности они, как правило, уступают тектоническим землетрясениям. Еще более грозны обвальные землетрясения, порождаемые обвалом больших масс горных пород. Наконец, при искусственных взрывах под землей, на земной поверхности и невысоко в атмосфере возникают искусственные землетрясения.

Каждый очаг землетрясения — это область внутри Земли, из которой распространяются упругие волны разных типов. Некоторые из этих волн поверхностные, распространяющиеся вблизи земной поверхности, и их свойства, очевидно, тесно связаны со строением земной коры и подстилающих ее сравнительно неглубоких слоев. Гораздо интереснее, пожалуй, пронизывающие почти всю Землю объемные волны, к которым относятся продольные, или Р-волны (от латинского «прима», что значит «первые»), и поперечные, или S-волны (от латинского «секунда», т. е. «вторые»). Продольные волны распространяются быстрее поперечных, поэтому первыми приходят на сейсмические станции. По существу и те, и другие представляют собой звуковые волны очень низких частот. При очень сильных землетрясениях вся Земля начинает колебаться, и эти собственные колебания огромной планеты можно сравнить со звучанием исполинского колокола.

Беда в том, что ни одно ухо не воспринимает это «звучание» Земли, так как все сейсмические колебания рождают инфразвуки. Тем не менее землетрясения позволяют узнать нечто удивительное — строение земных недр, совершенно недоступных иным средствам исследования. Тот факт, что внутри Земли на больших глубинах распространяются упругие волны (рис. 4), свидетельствует о том, что большая часть земного шара находится в твердом состоянии.

Разумеется, не все землетрясения катастрофичны. Ежегодно на земном шаре происходят до 100 000 землетрясений. Однако чаще всего они настолько слабы, что их удается зафиксировать лишь с помощью специальных высокоточных приборов — сейсмографов. Сейсмограф состоит из пружины и подвешенного груза с укрепленным на нем пишущим устройством. Если Земля не сотрясается, то на бумаге вращающегося барабана получается ровная линия. Любое, даже слабое землетрясение приводит груз на пружине в колебательное движение и сейсмограмма (запись на барабане) становится волнистой, неровной. Чем мощнее землетрясение, тем сильнее раскачивается груз, и тем больше амплитуда сейсмических колебаний на сейсмограмме. Применяются сейсмографы с магнитной записью и цифровой регистрацией колебаний. Сейсмограммы обрабатываются и анализируются с помощью электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

Сначала сейсмограф фиксирует продольные волны — Р-волны. Через несколько секунд на сейсмографе появляется запись поперечных волн — S-волн. Их амплитуда больше, чем Р-волн, но так же, как и Р-волны, они быстро затухают. Наконец, последними приходят L-волны (от латинского «лонга» — длинные), т. е. поверхностные волны, вызывающие большие разрушения. По сейсмограмме специалист может узнать расстояние до эпицентра, мощность и другие параметры землетрясения.

В 1964 г. установлена международная сейсмическая 12-балльная шкала интенсивности землетрясений, включающая все мыслимые сотрясения Земли — от неощутимых, регистрируемых только сейсмографами (1 балл), до катастрофических, 12-балльных, вызывающих радикальные изменения рельефа (горные обвалы, изменения русел рек, образование огромных трещин в почве).

Во время слабых землетрясений из недр Земли высвобождается сравнительно небольшая энергия (10³ Дж). Зато энергия, выделяемая при катастрофических сотрясениях Земли (до 10¹⁹ Дж), равноценна одновременно взрыву сотен водородных мегатонных бомб! Недаром землетрясения считаются самыми грозными из всех природных явлений, с которыми сталкивается человек. Историки донесли до нас страшные картины древних катастроф. Землетрясение 526 г… на европейском побережье Средиземного моря превратило в груды развалин многие города и уничтожило 200 тыс. человек. В 1556 г. в китайской провинции Шаньси во время мощнейшего землетрясения погибло 830 тыс. человек. Не исключено, что древние предания о гибели Тира и Сидона, Содома и Гоморры отражают реальные события, связанные с сотрясениями Земли.

Если бы Земля была однородной, сейсмические волны распространялись бы внутри нее по прямой. Иначе говоря, сейсмические лучи были бы прямолинейны, а скорость их — одинаковой. Изменения скорости и направления сейсмических лучей внутри Земли указывают на неоднородность земных недр. Факт существования поверхностных поперечных волн свидетельствует о том, что в верхней части Земли имеется по крайней мере один слой (земная кора), отличающийся по плотности от нижележащих слоев. Детальное исследование поверхностных волн показало, что есть две разновидности, два типа земной коры. Первый тип — континентальный, характеризуется большой мощностью верхнего слоя и малыми скоростями распространения поверхностных волн. Второй тип — океанический, отличается от первого меньшей мощностью и соответственно большей скоростью распространения тех же волн.

В начале XX века удалось доказать, что, начиная с глубины 3 000 км, поперечные волны распространяться не могут. На этом основании был сделан вывод, что Земля имеет ядро, находящееся в расплавленном состоянии. Позже многолетние исследования сейсмических волн в конце концов позволили представить себе достаточно четко (хотя и неполно) строение недр нашей планеты. Рисунок (см. рис. 4) напоминает своеобразную рентгенограмму Земли, причем роль рентгеновских лучей в данном случае выполняют сейсмические волны. Прежде всего бросается в глаза слоистость Земли — расслоение ее недр на ряд сферических оболочек, различных по физическим и химическим свойствам.

С погружением в недра Земли температура неуклонно возрастает, в среднем с каждым километром на 15 °C. Расчеты показывают, что на глубине 400 км температура не превышает 1600 °C, но уже на границе ядра она, возможно, достигает 5 000 °C. Из недр Земли наружу непрерывно идет тепловой поток, Земля охлаждается, отдавая свое внутреннее тепло во внешнее холодное межпланетное пространство. Изучение этого теплового потока — еще один способ познания внутреннего строения Земли. Иногда говорят о геотермии, как о науке, изучающей эту проблему. Хотя термин этот еще не устоялся, ясно, что величина и другие физические характеристики теплового потока Земли зависят от тепловых свойств пород, слагающих Землю, их толщины, пространственного расположения и других причин.

Изучение в лабораторных условиях физических свойств различных минералов, характерных для геологических пород, — сравнительно новый метод исследования недр Земли. Здесь, в лаборатории, подчас удается моделировать условия земных недр, в первую очередь высокие давления и температуру. Высокоточные измерения в сочетании с современной теорией твердого тела делают лабораторное моделирование весьма важным подспорьем для геофизиков.

Земля обладает магнитным полем, и этот факт обязан объяснить любой ученый, создающий теоретическую модель Земли. Ясно, что характеристики геомагнитного поля, определяемые экспериментально, также следует рассматривать как один из способов изучения земных недр. С этой проблемой тесно связана электропроводность земных недр, игнорировать которую, конечно, нельзя.

Земля отнюдь не изолирована от других небесных тел. В первую очередь она подвержена воздействию Солнца, чья динамическая атмосфера (солнечный ветер и корпускулярные потоки) простираются далеко за орбиту Земли. Можно сказать, что мы живем внутри Солнца и оно воздействует не только на биосферу, но и на другие оболочки Земли. Их реакции на эти воздействия в сильной степени зависят от строения земных недр.

Наконец, уникальная особенность нашей планеты — биосфера — порождение ее эволюции. В настоящую эпоху техногенная деятельность человечества оказывает весьма заметное воздействие на внешние оболочки Земли, включая сюда и земную кору. По всем этим причинам наш дальнейший рассказ о Земле будет касаться не только ее недр, но всей ее истории. Иначе трудно будет понять, как сложился нынешний облик нашей уникальной планеты.

Рождение Земли

Мы подошли к волнующему моменту в истории космоса — рождению Земли. Любая гипотеза, претендующая на объяснение этого процесса, должна прежде всего учитывать следующие особенности Солнечной системы.

Почти все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости. Направление орбитального движения планет совпадает с направлением осевого вращения Солнца, а плоскость солнечного экватора близка к средней плоскости планетных орбит.

Системы спутников планет повторяют по крайней мере некоторые из общих закономерностей планетной системы. Правда, есть непонятные исключения — «обратные» движения некоторых из спутников планет-гигантов. Нарушают общую стройность обратное вращение Венеры, аномально большие размеры Луны в сравнении с Землей, «лежачее» положении Урана, ось вращения которого расположена почти в плоскости его орбиты, а также орбита Плутона, плоскость которой сильно наклонена к плоскости экватора Солнца. Главная же трудность для любого космогониста — объяснение непонятного распределения момента количества движения между Солнцем и планетами. По какой-то причине Солнце вращается очень медленно и потому на долю планет приходится 98 % всего суммарного момента количества движения Солнечной системы. Если Солнце и планеты когда-то составляли единое тело, — это распределение непонятно.

В истории планетной космогонии издавна наметились два пути объяснения перечисленных-фактов, два типа космогонических гипотез. Эта двойственность существует и сегодня.

Планетная система возникла в результате сгущения первичной туманности, когда-то окружавшей Солнце. Это был процесс длительный, постепенный, решающую роль в котором играло гравитационное поле Солнца. Такова суть всех небулярных[6] гипотез, начиная со знаменитой гипотезы Канта.

Гипотезы второго типа — катастрофические. Они ведут свое начало от гипотезы Ж. Бюффона, современника И. Канта, полагавшего, что планеты возникли как «брызги» при катастрофическом падении на Солнце исполинской кометы. Во всех последующих, более правдоподобных катастрофических гипотезах сохранилась первичная идея: планетная система — это плод какой-то космической катастрофы.

Из современных небулярных гипотез наибольшей и вполне заслуженной популярностью пользуется гипотеза академика О.Ю. Шмидта. По концепции О.Ю. Шмидта, развитой исследованиями его учеников (Б.Ю. Левина, В.С. Сафронова и др.), наша планетная система и, в частности, Земля возникли несколько миллиардов лет назад в результате сгущения окружавшего Солнце допланетного газопылевого облака.

О.Ю. Шмидт показал, что «протопланетное» газопылевое облако должно превратиться в совокупность крупных, «слипшихся» из частиц облака протопланет. В самом деле, обращаясь вокруг Солнца по различным самостоятельным орбитам, частицы (их было очень много!) неизбежно сталкивались друг с другом. При этом они обменивались энергией и моментом количества движения. В результате столкновения и слипания частиц в вакууме «усреднялись» параметры их орбит. Но к слипшимся частицам присоединялись новые: как снежный ком, катящийся с горы, росли первичные зародыши планет. И чем крупнее становилось тело, тем более круговой (из-за «усреднения») была его орбита. «Усреднялись» и наклоны орбит, что в конце концов привело к «уплощению» первичного облака, к образованию планет, орбиты которых лежат почти в одной плоскости (рис. 5).

В близких к Солнцу областях протопланетного облака его частицы сильно нагревались и их летучие компоненты (затвердевшие легкие газы) испарялись, или, точнее, возгонялись. Поэтому вблизи Солнца образовались, небольшие тела из тугоплавких тяжелых элементов — Меркурий, Венера, Земля, Марс — планеты земного типа. Наоборот, в далеких холодных частях протопланетного облака легкие элементы (первоначально в твердом, «замороженном» состоянии) сохранились, и потому там образовались планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, в основном состоящие из водорода и его соединений. На краю прото-планетного облака, где оно сходило на нет и вещества было мало, сконденсировался небольшой Плутон.

О.Ю. Шмидту и его последователям удалось объяснить и ряд других закономерностей Солнечной системы, в частности эмпирический закон планетных расстояний, связывающий радиус орбиты планеты с ее номером, отсчитываемым в порядке удаления от Солнца. Как и во многих других космогонических гипотезах, в гипотезе О.Ю. Шмидта возникновение систем спутников представляется как процесс, аналогичный возникновению планет. Говоря яснее, и спутники появились как сгущения в околопланетных частях первичной туманности.

Гипотеза О.Ю. Шмидта не объяснила, однако, аномальное распределение момента количества движения в Солнечной системе (98 % на планеты и всего 2 % на Солнце). О.Ю. Шмидт считал, что протопланетное облако было захвачено Солнцем при его обращении вокруг ядра Галактики. Действительно, в межзвездном пространстве мы видим множество газопылевых облаков. Может быть, пролетев сквозь одно из них, Солнце захватило его «по пути» с собой? Расчеты, однако, показали, что вероятность такого захвата очень мала, и ни О.Ю. Шмидту, ни его сторонникам не удалось найти доказательства того, что в данном случае произошел именно захват. В настоящее время сторонники гипотезы О.Ю. Шмидта склонны считать, что газопылевое протопланетное облако скорее всего отделилось от сжимающегося и постепенно все быстрее и быстрее вращающегося Протосолнца.

Интересны космогонические идеи, выдвинутые в 1960 г. английским астрофизиком Ф. Хойлом. Представим себе Протосолнце — быстро вращающуюся вокруг оси нашу, в ту отдаленную эпоху еще совсем молодую, звезду. Если она по каким-либо причинам постепенно сжималась, то ее скорость вращения непрерывно возрастала. В конце концов наступила эпоха так называемой ротационной неустойчивости, когда под действием центробежных сил с экватора Протосолнца (его радиус был тогда, по мнению Ф. Хойла, равен радиусу орбиты Меркурия) началось истечение вещества, которое образовало протопланетное облако, имевшее форму сплющенного диска.

Допустим, что Протосолнце обладало сильным магнитным полем, а вещество протопланетного облака хотя бы частично содержало ионизированный газ. В таком случае в этом газе возникает собственное магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем Протосолнца. В результате между диском и центральным сгущением (будущим Солнцем) устанавливается сильное магнитное «сцепление», вследствие которого вещество диска удаляется от центра, распространяясь на всю Солнечную систему, а Протосолнце, теряя момент количества движения, продолжает сжиматься дальше и в конце концов превращается в современное, медленно вращающееся Солнце.

Значит, по Ф. Хойлу, магнитное торможение вращающегося Протосолнца окружающей его туманностью приведет к переходу момента количества движения от Протосолнца к облаку, а следовательно, и к сгустившимся из него планетам. Эта остроумная схема, объясняющая распределение момента количества движения между Солнцем и планетами, сама, однако, нуждается в дальнейшем обосновании.

Расчеты показывают, что у горячих звезд атмосфера охвачена интенсивной конвекцией и при этом магнитное поле располагается почти целиком внутри звезды. Значит, если Протосолнце было горячим, то «намагнитить» протопланетное облако оно не могло. В противном случае протопланетное облако «раскручивается» магнитным полем звезды столь быстро, что протопланетный диск просто не успевает сформироваться и принять на себя существенную долю момента количества движения. Эти и другие недостатки гипотезы Ф. Хойла заставили исследователей искать иные схемы эволюции протопланетного облака.

Из гипотез, выдвинутых в последнее время, наиболее правдоподобной считается гипотеза Э. Шацмана.[7] Она наиболее близка к старой гипотезе Лапласа, хотя в отличие от последнего Э. Шацман использует в своей гипотезе не только механические, но и электромагнитные силы.

По мнению Э. Шацмана, протопланетная туманность с самого начала находилась в состоянии конвективно-турбулентного перемешивания. Она сжималась относительно медленно и истечение вещества с экватора вращающейся туманности в протопланетный диск происходило постепенно, начиная с расстояний, соответствующих орбите Плутона, до современной орбиты Меркурия. Центральное сгущение туманности (Протосолнце) на последней стадии сжатия обладало высокой активностью. Оно выбрасывало в пространство множество заряженных частиц, которые перемещались вдоль силовых линий магнитного поля Протосолнца и двигались с его угловой скоростью до больших расстояний, тем самым замедляя его вращение. Благодаря этому «магнитному» торможению в конце концов Протосолнце передало момент количества движения протопланетному облаку, а через него планетам. Заметим, что в гипотезе Э. Шацмана масса протопланетного диска лишь на 10 % превышала современную массу Солнца, что, по мнению В.С. Сафронова, облегчает дальнейшее теоретическое обоснование этой гипотезы.

Трудности, возникшие при объяснении происхождения и эволюции протопланетного облака, заставляют некоторых исследователей искать решение проблемы образования планет в другом направлении.

Может быть, формирование планетной системы шло подобно образованию галактик и звезд по В.А. Амбарцумяну, т. е. из каких-то сверхплотных тел? Не возникли ли Земля и планеты в результате каких-то катастрофических взрывов, вызванных распадом дозвездного вещества? Подобные идеи защищал известный советский исследователь комет С.К. Всехсвятский. «Имеется много оснований считать первичные планеты (протопланеты), — пишет он, — телами звездной природы… Солнце могло быть компонентом двойной системы, сохранившимся после того, как второй компонент разделился на более мелкие части в результате взрыва…»[8].

Действительно, планеты-гиганты и Солнце близки по химическому составу. У планет земного типа легкие элементы могли улетучиться в процессе эволюции. Известны звезды в двойных системах, по массе близкие к крупным планетам. Значит, гипотетический спутник Протосолнца по массе мог быть близок к суммарной массе всех планет. Взрыв этого спутника (и здесь гипотеза С.К. Всехсвятского смыкается с идеями В.А. Амбарцумяна), вероятно, произошел за счет взрывообразного превращения находившегося внутри него дозвездного вещества. «Осколки» спутника были малы и потому они быстро охладились, в результате чего возникли сложные молекулярные соединения и твердые оболочки будущих планет. «Дальнейший процесс, — пишет С.К. Всехсвятский, — должен был иметь характер отдельных подъемов активности, когда накапливающиеся под корой газы прорывали ее. С течением времени оболочка метаморфизировалась, усложнялась, что приводило ко все более длительным промежуткам активности и, следовательно, накапливанию большей энергии разрушений…»[9].

И сегодня, как показал С.К. Всехсвятский во многих своих работах, в Солнечной системе наблюдаются эруптивные, взрывные процессы — по его мнению, проявление остатков «звездной» энергии у ныне затвердевших планетных тел. Конечно, схема образования Земли, предложенная С.К. Всехсвятским, лишь первая и пока что мало чем обоснованная попытка связать идеи В.А. Амбарцумяна об эволюции звезд и галактик с современной планетной космогонией. Следует подчеркнуть, что гипотеза О.Ю. Шмидта ценна, в частности, тем, что она лучше, чем любые другие гипотезы, согласуется с фактами.

По одному из вариантов эволюции Солнечной системы, рассчитанному учеником О.Ю. Шмидта В.С. Сафроновым, в протопланетном облаке уже в первичную эпоху его существования произошло разделение пыли и газа, причем пыль постепенно оседала к центральной плоскости планетной системы. Одновременно росли размеры пылинок примерно до 1 см в поперечнике. Следовательно, в экваториальной плоскости Солнца скопился плотный слой пыли. При достаточно высокой «критической» плотности этот слой распался на кольца, из колец возникли сгущения" — планетезимали. На расстоянии земной орбиты их поперечники в среднем достигали нескольких десятков километров, в зоне будущих планет-гигантов они были гораздо больше (сотни тысяч километров в диаметре).

Планетезимали уплотнялись, крупные из них росли за счет мелких и в конце концов за десятки тысяч лет превратились в твердые тела. Рост планет до современных размеров продолжался гораздо дольше (для Земли около 100 млн. лет). Возможно, что из зоны планет-гигантов много твердого вещества было выброшено на периферию Солнечной системы. Другие планетезимали еще очень долго падали на поверхности формирующихся планет. Их падение на Землю приводило постепенно к разогреву земных недр.

Все же многое в рождении Земли остается пока неясным. Но как бы ни возникла Земля, роль Солнца в ее рождении и дальнейшей эволюции была огромной. Его поле тяготения (и магнитное поле), его различные излучения определяют всю историю Земли.

Первые шаги нашей планеты

Первозданная Земля мало походила на современную. Однако на протяжении всей долгой истории нашей планеты тяжелые химические элементы были и остаются ее основой. Эта черта резко отличает Землю (и другие планеты) от остального космоса. Там безраздельно господствуют водород и гелий. Мы живем в водородно-гелиевом мире с незначительной примесью более тяжелых элементов. Но в эту «примесь» входят все планетные системы и их обитатели, а потому для нас она — отнюдь не второстепенная деталь Вселенной.

Откуда взялся материал, из которого созидаются планеты и жизнь? Каково происхождение химических элементов? Первичный синтез тяжелых элементов происходил на самых ранних стадиях эволюции Вселенной. Но и сейчас в космосе идут созидательные процессы, вещество усложняется, и похоже на то, что это «усложнение» только начинается.

Синтез тяжелых элементов прежде всего совершается в недрах звезд и Солнца при давлении 10 млн. МПа и сжатии вещества в его недрах до плотности 100 г/см³, которые и нагрели Солнце до температуры 14 млн. градусов — такова обстановка в Центральных областях Солнца. Здесь, в беспорядочной толчее протонов и других частиц, казалось бы, все хаотично. На самом деле в центральных областях Солнца идет односторонний направленный процесс — из протонов в ходе так называемого протон-протонного термоядерного цикла созидаются альфа-частицы — ядра атомов гелия.

Характерно, что превращение водорода в гелий, или, иначе говоря, синтез гелия, сопровождается еще одним крайне важным для нас процессом — превращением солнечного вещества в излучение. Ежесуточно Солнце уменьшается в массе на 4 млн. тонн. Таким количеством вещества можно было бы нагрузить четыре тысячи поездов по пятьдесят вагонов каждый. И все это вещество переходит в свет, в излучение, за счет которого и существуем мы с Вами. Значит, если звезда, по массе и строению похожая на Солнце, первоначально состояла лишь из чистого водорода, через некоторое время ее состав неизбежно «усложнится», так как внутри нее образуются атомы гелия.

На этом созидательный процесс не закончится. Как уже говорилось, в ходе дальнейших ядерных реакций, выражающихся главным образом в захватах атомными ядрами нейтронов, образуются атомы углерода, кислорода, неона и других элементов. Если звезда массивна и в ее центре температура гораздо выше, чем в недрах Солнца, то в звезде могут синтезироваться атомы железа и других аналогичных элементов. Наконец, при вспышках сверхновых звезд, когда температуры и плотности в сжавшейся после взрыва звезде достигнут трудно представимых значений, возможен синтез практически всех химических элементов до самых тяжелых включительно.

По мнению Б. Фаулера и других исследователей, синтез тяжелых элементов мог происходить в допланетном веществе при его облучении потоком частиц высокой энергии, которые испускались формирующимся магнитоактивным Солнцем. В работах Р. Бернаса и других ученых предполагается, что литий, бериллий и бор образовались в наружных слоях Протосолнца на последней стадии его сжатия.

Таким образом, в современном космосе не все разрушается. Наоборот, в недрах бесчисленных звезд идут созидательные процессы, медленно, но неуклонно усложняющие мир. К моменту рождения Земли в космосе, или, точнее, в окрестностях Солнца, было достаточно «строительного материала», из которого сформировалась наша планета. Словом, есть несколько гипотез, объясняющих, откуда взялся «тяжелый» материал Земли. Гораздо труднее представить себе в деталях первые шаги ее эволюции. Придется предложить читателю два варианта формирования первичной Земли, сводящихся, впрочем, к одному результату.

По гипотезе О.Ю. Шмидта, «родившись» в виде небольшого сгустка частиц протопланетного облака, Земля примерно через 100 млн. лет достигла 98 % ее современной массы (остальные 2 % были набраны за следующие 100 млн. лет). Главным источником разогрева первично холодной Земли О.Ю. Шмидт считал радиоактивный распад составляющих ее веществ. Здесь космогоническая гипотеза О.Ю. Шмидта перекликается с давними высказываниями В.И. Вернадского, который писал, что атомная радиоактивная теплота, а не остаточная теплота остывающей планеты, как это думали еще совсем недавно, есть основной источник той теплоты, которая объясняет все геологические процессы, идущие на Земле.

В каждом грамме земного вещества радиоактивного тепла выделяется очень мало (примерно одна двадцатимиллионная доля калории в год). Но за миллиарды лет его, по мнению О.Ю. Шмидта, накопилось так много, что температура недр Земли могла подняться почти до 3 000 °C. Есть местные очаги расплавленных пород и в земной коре. Из них и извергается огненно-жидкая лава. Дальнейшее развитие гипотезы О.Ю. Шмидта привело, однако, к выводу (работы В.С. Сафронова и др.), что роль радиоактивности в разогреве первичной Земли была незначительной: радиоактивное тепло за время формирования нашей планеты могло разогреть ее центральные области не более чем до 200 °C. Вот почему в настоящее время считается, что основным источником нагревания растущей Земли были удары формировавших ее частиц и тел. Среди этих тел (планетезималей) были очень крупные (до 1000 км в поперечнике). Их удары не только нагревали Землю, но создавали кратеры и интенсивно перемешивали земное вещество. По предварительным расчетам, на глубине 300–500 км температура достигла 1500 °C, а средняя температура Земли была близка к 1000 °C. Разогрев Земли приводил к тому, что более тяжелые вещества опускались вниз, а более легкие поднимались наверх. Из-за большой вязкости твердого вещества над расплавленной областью и под нею двигаться сквозь это вещество могли лишь крупные включения с поперечником в несколько десятков километров. Этот процесс гравитационной дифференциации привел постепенно к расслоению Земли, к образованию ее плотного ядра и менее плотных окружающих ядро оболочек.

Каким же образом гипотеза О.Ю. Шмидта объясняет происхождение атмосферы и гидросферы Земли? В первичном протопланетном облаке (по крайней мере в большей его части) температура была так низка, что водяные пары, углекислота, метан, аммиак и другие летучие вещества «намораживались» на твердых частицах облака. Вместе с ними они вошли и в состав зарождающейся Земли. Когда же под действием ударов и радиоактивного распада Земля разогрелась, затвердевшие газы вернулись в газообразное состояние. Вырвавшись на поверхность Земли, водяные пары сгустились в воды морей и океанов, частично вошли в состав атмосферы Земли. Но в этой первичной атмосфере в основном господствовали сравнительно тяжелые газы — углекислота, метан, аммиак. Земная атмосфера пополняется и сейчас: при вулканических извержениях выбрасываются углекислый газ и водяные пары. В других случаях в разных местах Земли из ее недр выделяются метан и другие горячие газы.

В «горячем» варианте рождения Земли наша планета первоначально была звездоподобным телом, «осколком» взорвавшейся звезды — спутника Солнца. Дальнейший ход событий можно представить себе так. Горячее облако газа, постепенно излучая со своей поверхности тепло, остывало. Примерно за несколько десятков тысяч лет газообразная Протоземля превратилась в горячее огненно-жидкое тело. В этом теле под действием гравитации тяжелые вещества опустились к центру, а легкие, наоборот, всплыли к поверхности. Масса Земли была недостаточно велика, чтобы удержать наиболее легкие газы, а потому уже на самых первых этапах эволюции Земли водород и гелий были ею безвозвратно потеряны. Первичная атмосфера могла состоять лишь из сравнительно тяжелых летучих веществ, например, углекислого газа.

Быстро «расслоившись», Земля продолжала остывать и со временем покрылась твердой корой. Внутри же планета целиком или частично осталась огненно-жидкой, в чем легко убедиться, наблюдая лавовые потоки, истекающие из недр Земли при современных вулканических извержениях. И доныне продолжаются некоторая «утряска» Земли и частичные, перемещения ее поверхностных слоев, — отсюда землетрясения и другие тектонические явления. Дальнейшая термическая история Земли выражалась в постепенном охлаждении всей планеты — от поверхности и до центра.

Эта грубая схема эволюции Земли в довоенные годы казалась настолько очевидной, что всякие идеи о первичном холодном состоянии Земли отвергались с порога как чудаческие. Сегодня «горячие» космогонические гипотезы оцениваются иначе. Многое в них представляется неясным. Прежде всего неясно, как именно отделилось горячее газовое облако от Солнца или от взорвавшейся его звезды-спутника. Пока что есть лишь общие качественные рассуждения, не подкрепленные количественными расчетами. Зато имеются расчеты, показывающие, что газовое облако массой, примерно равной массе Земли, скорее должно было рассеяться в пространстве, чем сгуститься в жидкую планету. Есть и другие серьезные возражения против «горячего» рождения Земли. В свое время они были сформулированы еще О.Ю. Шмидтом[10].

«Горячий» вариант рождения Земли хорошо объясняет высокую температуру ее центральных областей (остывание первичной огненно-жидкой Земли шло с поверхности). Но зато непонятно, почему до сих пор продолжается дифференциация, «утряска» вещества Земли: ведь в огненно-жидкой массе уже давным-давно тяжелые вещества опустились бы к центру, а наиболее легкие сконцентрировались бы у поверхности.

Таким образом, проблема происхождения Земли пока не может считаться окончательно решенной. Однако для нас сейчас, пожалуй, наиболее важно другое. И «горячая» и «холодная» схемы догеологического развития Земли приводят к выводу о неизбежном расслоении земного шара. Именно такой, расслоившейся на геосферы, и предстает Земля перед современным геологом.

Геосферы

Здесь мы пока нарушим историческую последовательность изложения и изобразим нашу планету такой, какой мы ее представляем сегодня.

Форма Земли сложилась в результате взаимодействия гравитационных и центробежных сил. Лишь в первом, самом грубом приближении можно говорить о земном шаре с поперечником около 13 тыс. км. Более точно Земля представляет собой эллипсоид вращения. В настоящее время от идеи трехосности Земли отказались, так как трехосный эллипсоид с осями а, Ь, с будет устойчивым телом только когда а значительно больше b и с, чего на самом деле нет. Представьте себе поверхность, нормали к которой в каждой ее точке совпадают с отвесными линиями. Такая поверхность называется уровенной. Уровенная поверхность, которая в открытом море совпадает с поверхностью свободной покоящейся воды, называется геоидом. Эта поверхность замкнута. На материках она выше поверхности воображаемого земного эллипсоида, в океанах — ниже. Разность уровней геоида и наиболее близкого к нему по форме и размерам эллипсоида, как правило, меньше 100 м. Геоид считается наилучшим приближением к найденной форме Земли.

В состав твердого тела Земли входят все элементы таблицы Менделеева. Однако в наибольшем количестве на нашей планете встречаются кислород, кремний и алюминий.

В результате длительной дифференциации вещества произошло расслоение тела планеты и образовались оболочки, «вложенные» концентрически друг в друга, — геосферы (рис. 6). Границы между ними в недрах Земли выявлены с помощью геофизических методов. Во время землетрясений ударные волны пронизывают недра земного шара и на границах геосфер частично меняют скорость своего прохождения, частично отражаются от поверхности раздела. На специальных сейсмических станциях сейсмографы улавливают эти волны, а исследователи, определяя по данным нескольких станций центр землетрясения, устанавливают, на какой глубине находятся поверхности раздела и через какие породы прошли ударные волны.

В настоящее время выделяются следующие оболочки Земли (рис. 7). В центре земного шара обособлено ядро, граница которого проходит на глубине 2 920 км от поверхности планеты. Ядро имеет сложное строение: выделяется внешнее ядро — между 2920 и 5000 км глубины, переходная зона (между 5000 и 5150 км) и внутреннее ядро, занимающее центральную часть Земли (его радиус 1250 км). Центральная часть ядра состоит из вещества плотностью около 17 г/см³, которое находится под давлением до 3,5 тыс. МПа при температуре в несколько тысяч градусов (разные подсчеты дают температуры от 3 до 8 тыс. градусов).

Переходный слой ядра характеризуется быстрым ростом скорости сейсмических волн, что вызвано, очевидно, переходом твердого состояния вещества в жидкое. Можно сказать, что переходный слой и центральное ядро реагирует на сейсмические волны как твердое тело с упругостью вдвое большей, чем упругость стали. Плотность внешнего слоя ядра значительно меньше, чем в центральной части, — от 9,4 до 11,5 г/см³, скорости сейсмических волн здесь по сравнению с вышележащими слоями резко уменьшаются, но появляется высокая электропроводность. Вообще же внешний слой ядра реагирует на сейсмические волны как жидкая среда и, очевидно, вещество здесь находится в расплавленном или во всяком случае в пластичном, текучем состоянии. Предполагается, что из-за этого во внешнем ядре существует конвективное перемещение веществ, что обусловливает наличие электротоков в ядре и магнитного поля Земли.

Ранее считалось, что ядро нашей планеты состоит преимущественно из железа, но исследования последних десятилетий выявили ряд трудностей в объяснении свойств ядра, некоторые геохимические и космогонические несообразности, если ядро действительно имеет такой состав. Поэтому от идеи железного ядра в настоящее время отказались. Ныне всем представлениям об эволюции Земли как планеты соответствует ядро, состоящее из смеси 70 % кремния и 30 % железа. Возможно, на ранних этапах развития Земли к этому составу примешивался еще калий, который впоследствии переместился в более высокие слои.

Ядро окутывается мантией, от которой его отделяет резкая, хорошо «прощупываемая» граница. Мантия имеет сложное строение. Между глубинами от 400 до 2900 км находится так называемая нижняя мантия, в которой на глубине около 1000 км выявляется неопределенная, как бы «размытая» промежуточная граница. Ниже этой границы вещество мантии однородно по составу, скорости сейсмических волн здесь растут незначительно. Сравнение механических свойств нижнего слоя мантии со свойствами образцов пород, исследованных в лаборатории, дает возможность предположить, что основными породообразующими соединениями здесь являются оксиды магния, кремния и железа. Слой мантии между глубинами 400—1000 км отличается резким возрастанием скорости сейсмических волн, но в нем отмечаются какие-то неоднородности. Ученые думают, что это связано либо с изменением химического состава земного вещества, либо с фазовыми переходами вещества из одного состояния в другое.

Детальные исследования позволили ученым выделить в мантии Земли еще один слой, который играет важную роль в тектонической и вулканической жизни нашей планеты. Этот слой имеет верхнюю границу на глубине 100–120 км под континентами и 50–60 км под океанами, нижняя же проходит соответственно на глубине от 250 до 400 км. Лабораторные эксперименты, проведенные в условиях, соответствующих температурам и давлениям на таких глубинах, показали, что вещество этого слоя может находиться в аморфном, близком к расплаву состоянии или, как считают некоторые исследователи, является смесью твердых и частично расплавленных пород. Возможно, что в их состав входят богатые железом и обогащенные магнием породы.

Как бы то ни было, но вплоть до нижней границы этого слоя проникают разломы вышележащей земной коры и здесь сосредоточены очаги подавляющего числа глубокофокусных землетрясений. По-видимому, вдоль трещинных зон снимается часть давления и «твердые расплавы» описываемого слоя переходят в жидкое состояние, поднимаются по трещинам, образуя лавовые очаги, питающие вулканы. С течением же пластичного вещества этого слоя, вероятно, связаны и напряжения вдоль разломов, приводящие к землетрясениям. Наконец, сторонники так называемых мобилистских гипотез (о них мы еще скажем далее), утверждающие, что либо отдельные блоки, либо целиком самая верхняя оболочка земного тела — литосфера (каменная сфера) — скользят по подстилающим породам, полагают, что как раз пластичные, полурасплавленные породы «ослабленного» слоя (его так и назвали — астеносфера, от греческого «астенос» — слабый, ослабленный) и делают возможными «горизонтальные» перемещения блоков литосферы.

Самый верхний, относительно тонкий слой мантии называют верхней мантией. Этот слой состоит из кристаллических пород. Данные последних лет позволяют предположить, что состав этого слоя неоднороден под океанами и континентами. Плотность вещества мантии в целом постепенно с глубиной растет от 3,3 г/см³ у ее верхней границы до 5,2 г/см³ у нижней. На границе мантии и ядра, где давление достигает приблизительно 1,3 тыс. МПа, плотность вещества Земли увеличивается до 9,4 г/см³.

Последняя твердая оболочка нашей планеты — земная кора, или литосфера, имеет сложное строение. По составу она неоднородна (и по вертикали и по горизонтали). Верхней ее границей служит поверхность Земли со всеми формами рельефа, а нижней — поверхность Мохоровичича, названная так по имени югославского геофизика А. Мохоровичича, обнаружившего эту границу. Залегает она на различной глубине, как бы зеркально отражающей рельеф земной поверхности. Так, под высочайшими горными областями поверхность Мохоровичича располагается на глубине до 80 км, под равнинами находится не глубже 30–40, максимум 55 км, а под океанами — на глубине до 10 км.

В грубом приближении земная кора трехслойна: в основании ее залегает так называемый базальтовый слой, мощность которого в среднем около 20 км, выше — присутствующий только в цоколе континентов гранитный слой мощностью до 10–15 км, наконец, верхний чехол литосферы образуют рыхлые осадочные породы, мощность которых в континентальных областях колеблется от нескольких сотен метров до 20 км, а в океанах — не превышает 2 км. На деле же строение коры гораздо сложнее, так как и базальтовый, и гранитный слои, не говоря уже об осадочном чехле, состоят из серий напластований различных магматических, вулканогенно-осадочных и осадочных измененных (метаморфических) пород. Соответственно и плотность этих слоев варьирует: у пород базальтового типа в среднем около 2,85 г/см³, гранитного — 2,65 г/см³, у осадочных пород плотность может быть еще меньше.

Еще большим разнообразием состава земная кора отличается в горизонтальном направлении. Выше отмечалось, что под океанами наблюдается только один слой — базальтовый, прикрытый ничтожными накоплениями осадочных пород. Мощность коры под океанами не превышает 5—10 км. На континентах же добавляются еще толща пород гранитного состава или, как их называют, гранитоидов, и мощные толщи осадочных образований разного типа: обломочные (глины, пески, галечники) и сцементированные обломочные породы (аргиллиты, пелиты, гравелиты, песчаники, конгломераты и т. п.), вулканогенные (вулканические лавы, пеплы, скопления вулканических бомб, туфов), галогенные осадки (соли, известняки, гипсы и т. п.) и биогенные (органогенные известняки, устричники, опоки, нефть, уголь и другие) породы.

Все эти осадки, в разной степени литофицированные (окаменевшие), перемятые тектоническими силами или спокойно лежащие, обладают разными пластичностью, жесткостью и другими механическими свойствами, различно реагируют на действие тектонических сил, а поэтому земная кора неизбежно должна была распасться на более или менее обособленные блоки. Это и наблюдается в действительности, причем, как правило, каждый из таких блоков так или иначе определяет форму земной поверхности или ее рельефа. Поэтому на земной поверхности выделяются прежде всего основные формы рельефа, как бы образующие лик Земли. Его-то раньше других деталей может увидеть космический наблюдатель. Это выступы континентов и впадины океанов. Однако и эти основные формы поверхности также сложно дифференцированы.

Прежде всего и кора впадин океанов, и кора материковых выступов разбиты сложной сетью глубоких трещин, в основном близких к меридиональному и широтному простираниям. Эти трещины своими корнями уходят на большую глубину — до нижней границы астеносферы, а в некоторых случаях еще глубже, в верхнюю часть нижней мантии. Как правило, такие трещины приурочены к границам материковых массивов и океанических впадин (например, кольцевая зона разломов вдоль побережий Тихого океана) или к горным поясам вроде Альпийско-Гималайского, Уральского и др. В этом случае горные пояса представляются чем-то вроде швов, залечивших старые раны. Наиболее «свежими» из разломов такого масштаба являются знаменитые рифты вдоль осей срединно-океанических хребтов, общая протяженность которых не меньше 60–70 тыс. км. На суше аналогом таких рифтов являются известные Восточно-Африканские разломы. Первоначальной причиной таких разломов являлся, вероятно, ротационный эффект, ведь скорость вращения различных точек земного шара на разной широте неодинакова: на экваторе она больше, чем у полюсов. При горизонтальной неоднородности строения земной коры в этих условиях трещины неизбежны.

Кроме рифтовых зон, дно океана расчленено также подводными горными странами, плато и цепочками вулканических гор на отдельные равнинные участки океанических котловин, которые могут быть аналогами континентальных платформенных равнин. Континенты же пересекают в субмеридиональном и субширотном направлениях так называемые геосинклинальные зоны, в которых некогда накапливались колоссальные толщи (до 20 км) осадочных пород. Впоследствии они смялись в складки и превратились в горные системы.

Таков общий характер поверхности литосферы — результат длительного развития Земли как планеты. Осталось сказать об остальных оболочках земного шара.

Океанические впадины и окраины материков заняты водными массами океанов и морей. Вместе с континентальными водоемами и реками, а также подземными водами эти массы образуют жидкую водную оболочку или гидросферу. Океаны и моря занимают около 71 % поверхности нашей планеты и делят сушу на шесть крупных материковых массивов. Средняя глубина Мирового океана — около 3800 м при максимальной 11 034 м (в Марианской впадине). Воды океанов играют исключительную роль в тепловом балансе Земли: медленно нагреваясь, они в теплом сезоне аккумулируют солнечное тепло и также медленно отдают его в атмосферу, нагревая массы воздуха, в то время как суша нагревается и быстро теряет тепло, не аккумулируя его. Не случайно, по новейшим данным, лишь несколько процентов тепла дает суша, а львиная доля поступает из океанов.

Пары воды, поступающие в атмосферу с водной поверхности, «прозрачны» для коротковолнового излучения Солнца, но почти полностью поглощают встречное тепловое излучение Земли, препятствуя охлаждению атмосферы. Вода на Земле играет огромную роль в поддержании жизни: все жизненно важные процессы в организмах происходят в водных растворах.

Ежегодно реки выносят с суши в Мировой океан около 35×10¹⁴ г минерального вещества. Из этого количества 18×10¹⁴ г выпадает в осадок, а 17×10¹⁴ г переходит в раствор. Так как круговорот воды — испарение, выпадение осадков на сушу и сток их в моря и океаны — существует на Земле уже миллиарды лет, возможно, из-за этого растворимого «остатка» вода Мирового океана стала соленой. Морская вода содержит около 50 химических элементов, средняя ее соленость — 35 ‰ (т. е. на 1 кг воды — 35 г солей), а общее количество растворенных в ней солей оценивается в 4,5×10²² г. Это непочатый еще источник необходимых человечеству элементов.

Наконец, последней из классических оболочек Земли является атмосфера. Классической ее можно назвать потому, что сейчас уже можно говорить и о геофизической ее оболочке — магнитосфере. Масса всей атмосферы (5—16)×10²¹ г, столб воздуха над 1 см² поверхности Земли имеет массу (или давит с силой) около 1 кг (отсюда внесистемная единица давления — 1 атмосфера), но давление атмосферы уменьшается с высотой. Соответственно с высотой быстро уменьшается плотность атмосферы: около 50 % всей массы атмосферы сосредоточено в ее нижнем пятикилометровом слое, 75 % — в десятикилометровом и 90 % — в шестнадцатикилометровом. Четкой верхней границы атмосферы не существует: она с высотой постепенно сходит на нет и следы ее обнаруживаются еще на высоте более 10 000 км.

Воздух — механическая смесь многих газов. По объему в этой смеси азот составляет 78,08 %, кислород — 20,95 %, аргон — 0,93 % и углекислый газ — 0,03 %. На остальные газы (неон, гелий, криптон, водород и т. д.) остается менее 0,01 %. Состав воздуха не зависит от места и времени, он удивительно постоянен.

По законам физики атмосфера должна была расслоиться по удельному весу газов, но этого не происходит, так как до высоты 100–120 км действует турбулентное (произвольное) перемешивание воздуха. Эту часть атмосферы называют областью полного перемешивания или гомосферой. Выше 100–120 км располагается зона, в которой скорость диффузного разделения газов выше, чем скорость турбулентного перемешивания. Поэтому здесь до высоты 200–250 км преобладает азот, а от 200–250 до 500–700 км — атомарный кислород. В годы «спокойного» Солнца с высоты 500–600 км, а в годы его активности — с 1000–1500 км основными составляющими воздуха явяются гелий и водород. Этот «слоеный пирог» атмосферы (от 100–120 км высоты) из-за множественности слоев называют гетеросферой (рис. 8). Самая внешняя зона атмосферы состоит исключительно из атомарного водорода и называется водородной геокороной: Следы ее прослеживаются на несколько земных радиусов.

В атмосфере всегда содержатся пар и различные газообразные загрязнения: выделения вулканов, промышленных предприятий, средств транспорта. Впрочем, последние источники загрязнения пока что «портят» воздух только в самых нижних, приземных слоях областей, локализованных около промышленных центров и крупных жилых массивов. В этом отношении атмосфера находится в несколько лучшем положении, чем почвенный покров литосферы и гидросфера.

Важную роль играют водяной пар, озон и углекислый газ, содержащиеся в атмосфере. В полярных районах в приземном слое влаги содержится около 0,2 %, а в экваториальных — около 3 %. Увеличение концентрации влаги уменьшает объем других газов, поэтому в районах с большой влажностью воздуха в одном и том же объеме меньше азота, кислорода и других газов, чем в сухих районах. Плотность водяного пара быстро убывает с высотой: вдвое — на высоте 2 км, в 10 раз — на уровне 6 км, в 100 раз — на высоте около 8 км, а выше 10–15 км она ничтожно мала. Водяной пар непрерывно поступает с поверхности Мирового океана. На испарение 1 г воды расходуется 2255 Дж тепла. Турбулентное перемешивание распределяет пар над всей поверхностью Земли. В отдельных местах происходит насыщение атмосферы, пар конденсируется, образуя облака. При этом выделяется тепло, затраченное на испарение, нагревающее окружающую атмосферу. Выпадение осадков завершает круговорот влаги в атмосфере.

Концентрация озона (ионизированного трехатомного кислорода) наибольшая на высоте 20–30 км, выше — уменьшается и сходит на нет на высоте 70 км. Количество его составляет менее одной миллионной доли от массы атмосферы, но роль его огромна: озон не пропускает ультрафиолетовое излучение Солнца, опасное для жизни.

Когда говорят о физических свойствах атмосферы, обычно разделяют ее на ряд слоев. Так, говоря об электрических свойствах, выделяют ионосферу, в которой атомы воздуха ионизированы. Ионосфера состоит из нескольких слоев и играет роль экрана, отражающего длинноволновое радиоизлучение.

По температурным характеристикам в атмосфере выделяют (снизу вверх) тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу. Тропосфера — прилегающий к земной поверхности слой, в котором температура уменьшается с высотой равномерно — в среднем на 6,5 °C на 1 км. Тропосфера содержит 80 % массы атмосферы и практически почти весь водяной пар, в тропосфере формируется погода. Стратосфера простирается до высоты 50–55 км. В нижней ее части температура более или менее постоянна, но выше 25 км она понижается до 0—10 °C. Распределение температур в стратосфере зависит от времен года и широты: летом она понижается при движении от полюсов к экватору от —45 до —70 °C, зимой самые высокие температуры приурочены к умеренным широтам. Но в верхней зоне атмосферы летом в экваториальной и полярных областях температура одинакова, а в остальные времена года всегда снижается от экватора к полюсам. В мезосфере температура падает с высотой. В отличие от стратосферы в мезосфере развиты турбулентные движения воздуха. Зимой здесь отмечаются максимальные температуры, а летом — минимальные. Выше располагается термосфера. Температура в ней быстро повышается от — 90 °C на рубеже 90 км до 1000–2000 °C на высоте 400 км. Выше температура воздуха в общем постоянна.

К геосферам можно отнести также магнитное поле Земли. Мы уже упоминали, что, по современным воззрениям, электрические токи, возбужденные конвективными движениями во внешнем ядре нашей планеты, порождают геомагнитное поле. Конвективные потоки ядра, очевидно, двойные, с противоположным направлением, ведь Земля представляет собой магнитный диполь — двухполюсный магнит. Направление токов в ядре, видимо, параллельно экватору, так как направление силовых линий геомагнитного поля почти перпендикулярно к направлению осевого вращения планеты. Ось земного диполя или магнитоида, вероятно, несколько смещена относительно оси вращения Земли, так как магнитные полюсы ее не совпадают с географическими: северный магнитный полюс ныне располагается в арктическом архипелаге Канады, на 75° северной широты и 259° восточной долготы, а южный — на 68° южной широты и 140° восточной долготы. Кроме того, магнитные полюсы не остаются на месте, а перемещаются по сложной кривой, очевидно, вокруг географических полюсов.

Магнитное поле Земли в общем имеет тороидальную форму (т. е. форму бублика) и напряженность в среднем 39,8 А/м (рис. 9). Однако напряженность геомагнитного поля испытывает периодические колебания: суточные, месячные, годовые, вековые. Изучение остаточной намагниченности пород прошлых времен позволило установить, что имеются еще более длительные периоды колебания напряженности геомагнитного поля. Так, существует цикл в 8 000 лет, за время которого напряженность поля меняется в 2–3 раза, намечаются еще более длительные циклы. Но самыми интересными и важными по последствиям являются периоды инверсии: примерно через каждые 1,5–2 млн. лет происходит смена магнитных полюсов — северный полюс становится южным и наоборот. В период такой инверсии магнитное поле Земли на время практически исчезает совсем.

Существуют аномалии геомагнитного поля. Обычно они связаны либо со скоплением магнитных руд (Курская магнитная аномалия), либо с тектонически и вулканически активными областями. Существенное воздействие на магнитное поле Земли оказывает Солнце, особенно в период своей активности. Под влиянием магнитного поля Солнца и так называемого солнечного ветра — потоков солнечной радиации — геомагнитное поле на стороне, обращенной к Солнцу, сжато, а на противоположной — вытянуто в виде хвоста, простирающегося на десятки диаметров Земли. Часто оно подвергается возмущающим влияниям Солнца, что существенно сказывается на погоде и, очевидно, на жизнедеятельности организмов.

Геомагнитное поле играет огромную роль в жизни Земли, ограждая ее поверхность от космического излучения. Земной магнитный тороид служит для него ловушкой на пути к поверхности планеты. Космические частицы (протоны, электроны, ядра атомов и т. п.), попадая в земной магнитный тороид, образуют вокруг Земли пояса радиации на расстоянии от 300 (в полярных областях) и 1000 км (в экваториальной области) до 60 тыс. км. Все это в целом обычно называют магнитосферой Земли.

Можно еще говорить о грависфере нашей планеты, т. е. о ее поле тяготения, влияние которого теоретически простирается на Вселенную и которое привязывает к нам нашу спутницу Луну; можно говорить и о грависферах многочисленных космических тел, также воздействующих на Землю.

Для нас имеет жизненно важное значение, кроме литосферы, гидросферы и атмосферы, за счет которых мы живем, еще одна оболочка — биосфера. Биосфера, порожденная взаимодействием глубинных процессов на Земле и ее поверхности, играет важнейшую роль в жизни планеты.

Загадки прошлого Земли

С тех пор, как завершилось формирование Земли как планеты, началась перестройка и ее внутреннего строения, и ее внешнего облика. Но какие процессы являются ведущими в этой перестройке, единого мнения нет и по сей день. Со времен, когда первозданная Земля представлялась в виде остывающего огненно-жидкого тела, проблема ее эволюции решалась просто: процесс остывания начался с поверхности; сначала образовалась земная кора, которая по мере уменьшения объема остывающей Земли трескалась, сминалась в складки, отдельные ее участки опускались и таким образом произошло разделение поверхности планеты на океаны и континенты и возникли горы. В еще расплавленном теле вещество под влиянием силы тяжести дифференцировалось по удельному весу: тяжелые элементы и соединения «тонули», легкие «всплывали» и вырывались на поверхность в виде лавовых потоков.

В такой или немного иной модификации в области космогонии эта гипотеза господствовала с середины XVIII века вплоть до начала второй мировой войны. Однако уже с конца XIX века начали накапливаться факты, которые противоречили этой схеме. Уже в 1870 г. англичанин Р. Проктор опубликовал идею о происхождении Солнечной системы из скопления метеоритов. Эту идею подхватили английские астрономы Г. Локайер, Дж. Дарвин (сын Ч. Дарвина) и австралиец Д. Мультон. Но Д. Мультон и известный американский астрофизик Т. Чемберлен полагали, что Солнечная система возникла из роя мельчайших планетных тел — планетезималей, вращающихся вокруг центральной туманности по спирали, сталкиваясь друг с другом. Из центральной туманности сформировалось Солнце, а из планетезималей — планеты. Таким образом, идея первоначально холодной Земли и других планет возникла более 100 лет назад. Согласно этой гипотезе, разогрев планет представлялся на стадии их формирования как результат перехода энергии движения в тепловую, а затем за счет энергии гравитационного сжатия. В соответствии с этим предполагалось, что вначале диаметр планеты рос и за счет присоединения к ней планетезималей, и за счет разогрева. На более поздних этапах развития планеты сжимались пульсационно: при остывании их диаметр сокращался, поверхность собиралась в складки гор, а, сжимаясь, планеты вновь расширялись за счет разогрева. Предполагалось, что таких этапов было несколько[11].

Хотя гипотеза огненно-жидкой Земли оставалась господствующей, идея первоначально холодной Земли не умирала; вскоре было показано, что одной энергии сжатия для разогрева до существующих температур недостаточно. Положение изменилось в 20-х годах нашего века, когда англичанин Дж. Джоли выдвинул идею радиоактивного разогрева планет. И хотя сам Дж. Джоли исходил из первоначальной модели огненно-жидкой Земли, идея радиоактивного разогрева сыграла большую роль в становлении теории холодного происхождения планет. В 30-х годах возродилась пульсационная гипотеза Д. Мультона и Т. Чемберлена на основе представлений о радиоактивном разогреве Земли. Периодически накапливалось радиоактивное тепло, затем в процессе расширения, когда оживали трещины и резко активизировались вулканизм и тектонические процессы, излишнее тепло расходовалось, начиналась стадия сжатия.

В таком виде историю Земли после ее возникновения представляли себе большинство геологов примерно до середины XX века. Из известных советских ученых эту концепцию поддерживали В.А. Обручев, М.М. Тетяев и далее разрабатывали ее В.В. Белоусов, А.В. Хабаков. Она неплохо объясняет многие факты тектонической истории Земли и некоторые морфологические особенности ее поверхности.

В 1910 г. А. Бем выдвинул ротационную гипотезу эволюции земного шара. Эту гипотезу в СССР особенно поддерживали и развивали с 1931 г. Б.Л. Личков, а с 1951 г. — М.В. Стовас. Сторонники этой гипотезы считают, что осевое вращение Земли, ее собственное гравитационное поле, а также гравитационное взаимодействие Земли, Луны и Солнца — факторы, во многом определяющие историю развития нашей планеты. Известно, что приливное трение постепенно замедляет вращение Земли. Всякое же перераспределение масс внутри Земли тотчас же отзывается на ее осевом вращении. С концентрацией масс у оси вращения его скорость увеличивается, в противном случае, наоборот, уменьшается. Эти переходы нередко совершаются резко, скачкообразно, и хотя колебания осевой скорости Земли ничтожны, они могут вызвать значительные напряжения в твердом теле Земли, что приводит к разрывам и смещениям отдельных участков земной коры.

Гипотеза, разрабатываемая в СССР с 1954 г. В.В. Белоусовым, отводит решающую роль эволюции Земли процессу глубинной дифференциации слагающего Землю материала. В самом деле, в общем однородная вначале Земля за несколько миллиардов лет своего существования расслоилась на геосферы и обрела еще две оболочки, которых не было у первозданной планеты, — гидросферу и атмосферу. Очевидно, что дифференциация земного вещества продолжается, до сих пор происходит расслоение древнейших геосфер — ядра и мантии. Дифференциация сопровождается перемещением громадных масс вещества, возникновением конвективных течений, перераспределением источников разогрева — радиоактивных элементов, сконцентрированных ныне в верхних слоях Земли. Результатом дифференциации является и литосфера с ее рельефом, хотя процесс образования основных форм рельефа — океанических впадин и материковых выступов, а главное, их распределение на поверхности не могут считаться завершенными. Следствием дифференциации вещества явились конвективные течения вещества в оболочках Земли, которым придавали большое значение многие исследователи, особенно в 30-х годах нашего века.

Все три гипотезы развивались разобщенно, хотя и не исключали друг друга. Однако, как справедливо отмечал советский геолог Г.Н. Каттерфельд, не только возможен, но и необходим разумный синтез всех трех гипотез, и потому, по его мнению, наиболее правильна в методологическом отношении и наиболее перспективна в научном обобщенная ротационно-пульсационная гипотеза, основанная на диалектическом единстве пульсаций объема и формы земного эллипсоида и учитывающая процессы глубинной дифференциации вещества Земли[12].

Именно с таких обобщенных позиций Г.Н. Каттерфельд излагал гипотетическую историю Земли — историю спорную, не во всем достаточно обоснованную, но безусловно интересную. Автор полагает, что некоторые ее положения заслуживают внимания, поэтому остановимся на ней подробнее. Отметим лишь главное в этой схеме, отсылая интересующихся подробностями к книгам Г.Н. Каттерфельда и А.М. Рябчикова[13].

Давно уже известно, что северное и южное полушария нашей планеты несимметричны. В северном полушарии в основном сосредоточены материковые массивы, в южном — водная масса океанов. Можно считать, что одно полушарие является как бы зеркальным отражением другого. Случайно ли это?

Если бы Земля приобретала теперешнюю форму под действием только гравитационных и центробежных сил, эта форма не была бы асимметричной. Поэтому Г.Н. Каттерфельд считает, что в данном случае проявили себя особые «асимметричные» силы неизвестной природы. Заметим, что разность между радиусами, направленными из центра Земли к северному и южному полюсам, составляет всего 100 м. Но эта разница зафиксирована по измерению с искусственных спутников Земли, она реальна, а значит, должна быть как-то объяснима. Утверждение, что асимметрия Земли вызвана «асимметричными» силами, конечно, не больше, чем тавтология. Как известно, в 1958 г. профессор Н.А. Козырев пытался объяснить асимметрию Земли действием сил, рожденных самим «ходом времени». Однако эта необычная идея, легшая в основу «причинной механики» Н.А. Козырева, в дальнейшем не получила ни признания, ни достаточного обоснования. Словом, загадка асимметрии Земли и поныне остается нерешенной.

Прямые измерения с помощью сверхточных кварцевых часов показали, что вращение Земли неравномерно. Например, сутки в марте на 0,0025 с длиннее, чем в августе, а это означает, что ежегодно вращение Земли ускоряется к августу и замедляется к марту. Отчасти это вызвано сезонными изменениями в циркуляции атмосферы, отчасти другими причинами. В общем же изменения скорости осевого вращения Земли вызваны разными причинами: приливами, неравномерным сжатием внешних геосфер Земли, перераспределением в ней масс, воздействием солнечных корпускулярных потоков и рядом других, иногда еще не вполне понятных, физических процессов. Все это не проходит бесследно для Земли. По мнению Г.Н. Каттерфельда, если бы мы проанализировали все те мелкие пульсационные и ротационные воздействия, которые накапливались за долгую геологическую историю и неприметно запечатлевались на лике Земли в результате постоянных и, казалось бы, незначительных взаимодействий, мы поразились бы их значительности. Попробуем конкретно представить себе (по Г.Н. Каттерфельду), как колебания объема и скорости вращения Земли сказались на ее облике.

Радиус Земли, как считает Г.Н. Каттерфельд, в среднем уменьшается на 5 см в столетие[14]. Это гравитационное сжатие (учтите размеры Земли) высвобождает огромную энергию — 17×10²³ Дж! Так как в мировое пространство рассеивается лишь часть этой энергии, Земля нагревается, а значит, каждый раз сжатие временно сменяется гораздо меньшим расширением нагревающейся Земли. Такова физическая подоплека прерывистого, пульсационного сокращения радиуса Земли. Та же часть тепловой энергии, которая не излучается Землей в мировое пространство, становится скрытой теплотой физико-химических превращений в недрах Земли. Эти превращения, в конечном счете, способствуют уплотнению внутренних частей Земли и, значит, уменьшению ее объема.

Расчеты показывают, что под влиянием приливного торможения скорость осевого вращения Земли замедляется и, как следствие, полярное сжатие Земли уменьшается. Казалось бы, этот процесс должен выражаться в погружении экваториальной «опухоли» Земли и поднятии полярных районов. В результате такого процесса распределение суши и вод на Земле должно было бы получиться весьма своеобразным: экватор опоясан сплошной водной полосой океана, а два огромных антиподальных материка занимают пространство от полюсов до умеренных широт. Если бы, наоборот, полярное сжатие длительно увеличивалось, экваториальную зону в конце концов заполнил бы сплошной материковый пояс, а от умеренных широт до полюсов простирались бы океаны.

На самом деле нет ни того, ни другого. Но замечательно, что северному полушарию соответствует первая из этих теоретических схем (длительное уменьшение полярного сжатия), а южному — вторая. Это, по-видимому, можно объяснить тем, что в процессе общего очень медленного уменьшения сжатия Земли северное полушарие опережает южное. Значит, и здесь наблюдается асимметричный процесс, вызванный какими-то неизвестными силами. Но эта гипотетическая асимметрия хорошо объясняет самую общую черту лика Земли — неравномерное распределение воды и суши. Конечно, схема эволюции поверхности Земли, предложенная Г.Н. Каттерфельдом, не больше чем гипотеза. Она не учитывает продолжающуюся на протяжении всей истории Земли дифференциацию ее вещества и другие факторы, а потому не может рассматриваться как нечто доказанное и окончательное.

В свое время сенсацию вызвала гипотеза дрейфа материков, предложенная в 1912 г. немецким ученым А. Вегенером (рис. 10).

Сам А. Вегенер упорно отстаивал эту идею, хотя привычному образу мыслей геологов его гипотеза представлялась абсурдной. После смерти ее главного, и тогда почти единственного, защитника о ней забыли, и, казалось, ничто уже не в силах было ее воскресить. Однако лишь в 50-х годах в связи с новыми работами по палеомагнетизму идеи А. Вегенера как будто получили опытное подтверждение. За последнее время появилось немало работ, пропагандирующих гипотезу дрейфа материков. Может быть, и в самом деле гипотеза А. Вегенера заслуживает серьезного научного анализа?

А. Вегенер обратил внимание на, казалось, случайные особенности береговых линий некоторых материков. Восточный, «бразильский» выступ Южноамериканского материка плотно укладывается во впадину Гвинейского залива. Стыковка получается особенно плотной, если вместо береговой линии брать очертание шельфа — материковой отмели.

В 1970 г. американские исследователи с помощью электронно-вычислительных машин изучили «совмещение» некоторых материков на протяжении десятков тысяч километров. Результат получился поразительным: в целом хорошо совместилось более 93 % границ шельфа, т. е. краевой части материков. Лучше всего стыковались Африка и Южная Америка, Антарктида и Африка, несколько хуже примкнули друг к другу Индостан, Австралия и Антарктида. Создавалось впечатление, что когда-то Африка и Америка составляли единое целое. Затем, по каким-то неясным причинам первичный материк раскололся на две части, и эти части, разойдясь в стороны, образовали современные Африку и Южную Америку, а также разделивший их Атлантический океан.

Сам А. Вегенер шел дальше. Он предполагал, что когда-то вся теперешняя суша составляла единый и единственный материк — Пангею. Со всех сторон он омывался безбрежным Мировым океаном, названным А. Вегенером Панталассом. Под действием каких-то сил, возможно связанных с вращением Земли, примерно 200 млн. лет назад Пангея раскололась на несколько частей, подобно исполинской льдине. Ее осколки — теперешние материки — разошлись в разные стороны и продолжают доныне свой крайне медленный дрейф. Дрейфуя на запад, американский материк на переднем, западном своем крае испытывал сопротивление подстилающего слоя Земли, по которому плывут материки. Естественно, что он смялся и образовал исполинские горные цепи Кордильер и Анд. На тыловой же части от плывущего материка отделялись, отставая, небольшие куски, например Антильские острова. Некоторые же осколки Пангеи плавали, поворачиваясь, как льдины в бурном потоке. Так, по-видимому, вела себя Япония.

Последователи А. Вегенера (Дю Тойт, 1937 г. и др.) полагали, что первоначально существовали два материка — Лавразия, расколовшаяся на Северную Америку и Евразию, и Гондвана, которая распалась на Южную Америку, Африку, Австралию и Антарктиду. Сторонники этого варианта гипотезы А. Вегенера приводят немало фактов, как будто подтверждающих реальность Лавразии и Гондваны. В частности, они ссылаются на сходство геологических структур разных материков, общность их растительного и животного мира.

В последние годы на помощь гипотезе дрейфа континентов пришла гипотеза о расширении дна океанов. В ней важнейшая роль отводилась рифтам — гигантским планетарным разломам, приуроченным к осевым частям срединно-океанических хребтов. Предполагается, что через рифты из глубин выдавливается вещество верхней мантии, которое в процессе физико-химической дифференциации превращается в базальтовые лавы. Каждая новая порция этого вещества давит на породы, возникшие ранее, и отодвигает их в стороны от рифта. Это давление передается далее, и, таким образом, дно океана постепенно расширяется, раздвигая материки. Сторонники этой гипотезы предположили, что такой точке зрения должны соответствовать и хронологические факты: самые молодые породы должны быть приурочены к рифтовым зонам, а с удалением от рифтов в стороны в точках, расположенных на одной, перпендикулярной к оси рифтов линии и на равных расстояниях, породы должны быть древнее и одинакового возраста.

Первоначально казалось, что это так и есть, но в одном из своих рейсов американское исследовательское судно «Гломар Челленджер» обнаружило между о-вом Ньюфаундленд и Бискайским заливом, что в таких сопряженных точках к западу от срединно-атлантического рифта возраст донных пород 155 млн. лет, а к востоку — 110 млн. лет. В самом же рифте взяты образцы возрастом 200 млн. лет. Указывали и на другие противоречия в этой гипотезе. Если материки раздвигаются в результате расширения морского дна, то, например, воздействие срединно-атлантического рифта должно толкать Африку на восток, а вещество, поступающее из срединного рифта Индийского океана, — на запад. Спрашивается: куда бедной Африке деваться? А ведь в таком же положении находятся все материки. И еще. На земном шаре имеются рудообразующие зоны, например вдоль восточной окраины Азии. Такие зоны развиваются на протяжении сотен миллионов — до миллиарда лет. Их геохимия остается неизменной. А это значит, что за весь период существования этих зон у них оставался один и тот же источник вещества, чего не могло быть, если бы материки перемещались.

Позже была разработана современная концепция мобилизма. Согласно этой концепции, земная кора разбита на крупные плиты. Эти плиты могут охватывать участки и материковой, и океанической коры, но есть и целиком «океанические» плиты. Такие плиты с одного края наращиваются вдоль рифта, а вдоль другого края погружаются под край соседней плиты. Например, африканско-индийская плита, расположенная между срединными хребтами Атлантического и Индийского океанов, на западе постоянно наращивается, на востоке же погружается под индоокеанскую плиту.

Долгие споры мобилистов и их противников «фиксистов» в конце концов завершились победой первых. В 60-х годах текущего столетия стала для всех ясной динамика литосферы. Огромные литосферные плиты находятся в крайне медленном, но постоянном движении. Поднимаясь из мантии в зонах срединно-океанических хребтов, они снова погружаются обратно в мантию в зонах глубоководных желобов. Земные континенты как бы впаяны в ползущие плиты океанической коры и движутся вместе с ними. Эта совокупность «плывущих» по мантии литосферных плит, собственно, и составляет литосферу. Главная сила движущейся плиты — продолжающийся процесс дифференциации расслоения земных недр. Различают несколько литосферных плит (рис. 11). Стрелками указаны направления их перемещений. Как ни малы скорости движения литосферных плит (сантиметры в год!), за огромные промежутки времени внешний облик Земли меняется неузнаваемо. Современные географические глобусы фиксируют то, что есть сегодня, но уже никогда не повторится в будущем.

Солнечные ритмы и геология

Солнечное излучение — электромагнитное и корпускулярное — вот тот могучий фактор, который играет огромную роль в жизни Земли как планеты. Солнечный свет и солнечное тепло создали условия для формирования биосферы и продолжают поддерживать ее существование. С удивительной чуткостью все земное — и живое, и неживое — реагирует на изменения солнечного излучения, на его своеобразные и сложные ритмы. Так было, так есть и так будет до тех пор, пока человек не сумеет внести свои коррективы в солнечно-земные связи.

Сравним Солнце со… струной. Это позволит уяснить физическую суть ритмов Солнца и отражение их в истории Земли. Вы оттянули середину струны и отпустили ее. Колебания струны, усиленные резонатором (декой инструмента), породили звук. Состав этого звука сложный: ведь колеблется, как известно, не только вся струна в целом, но одновременно и ее части. Струна в целом порождает основной тон. Половинки струны, колеблясь быстрее, издают более высокий, но менее сильный звук — так называемый первый обертон. Половинки половинок, т. е. четверти струны, в свою очередь рождают еще более высокий и еще более слабый звук — второй обертон и так далее. Полное звучание струны складывается из основного тона и обертонов, которые в разных музыкальных инструментах придают звуку различный тембр, оттенок.

Когда-то, миллиарды лет назад, в недрах Солнца начал действовать тот самый протон-протонный цикл ядерных реакций, который поддерживает лучеиспускание Солнца и в современную эпоху. Переход к этому циклу, вероятно, сопровождался какой-то внутренней перестройкой Солнца. От прежнего состояния равновесия оно скачкообразно перешло к новому. И при этом скачке Солнце «зазвучало», как струна. Слово «зазвучало» следует понимать, конечно, в том смысле, что в Солнце, в его исполинской массе, возникли какие-то ритмические колебательные процессы. Начались циклические переходы от активности к пассивности и обратно. Возможно, эти сохранившиеся до наших дней колебания и выражаются в циклах солнечной активности. Внешне, по крайней мере для невооруженного глаза, Солнце кажется всегда одним и тем же. Однако за этим внешним постоянством скрываются относительно медленные, но существенные изменения.

Прежде всего они выражаются в колебании числа солнечных пятен, этих локальных, более темных областей солнечной поверхности, где из-за ослабленной конвекции солнечные газы несколько охлаждены и поэтому вследствие контраста кажутся темными. Обычно астрономы подсчитывают для каждого момента наблюдений не общее число видимых на солнечном диске пятен, а так называемое число Вольфа W, равное числу пятен, сложенному с удесятеренным числом их групп (рис. 12).

Характеризуя суммарную площадь солнечных пятен, число Вольфа циклически меняется, достигая максимума в среднем через каждые 11 лет. Чем больше число Вольфа, тем выше солнечная активность. В годы максимума солнечной активности солнечный диск обильно усеян пятнами. Все процессы на Солнце становятся бурными. В солнечной атмосфере чаще образуются протуберанцы — фонтаны раскаленного водорода с небольшой примесью других элементов. Чаще появляются солнечные вспышки, эти мощнейшие взрывы в поверхностных слоях Солнца, при которых «выстреливаются» в пространство плотные потоки солнечных корпускул — протонов и других ядер атомов, а также электронов. Корпускулярные потоки — солнечная плазма. Они несут с собой «вмороженное» в них слабое магнитное поле напряженностью 79,6×10^-4 А/м. Достигая на вторые сутки, а то и раньше, Земли, они будоражат земную атмосферу, возмущают магнитное поле Земли. Усиливаются и другие виды излучения Солнца, и на солнечную активность чутко отзывается Земля.

Если Солнце подобно струне, то циклов солнечной активности заведомо должно быть много. Какой-то из них, самый продолжительный и самый большой по амплитуде, задает «основной тон». Циклы меньшей продолжительности, т. е. «обертоны», должны обладать все меньшей и меньшей амплитудой. Разумеется, аналогия со струной неполная. Все колебания струны имеют строго определенные периоды, в случае Солнца можно говорить только о некоторых, лишь в среднем определенных циклах солнечной активности. И все-таки разные циклы солнечной активности должны быть в среднем пропорциональны друг другу. Как это ни удивительно, ожидаемое сходство Солнца и струны подтверждается фактами.

Одновременно с одиннадцатилетним четко выраженным циклом на Солнце действует и другой, удвоенный, двадцатидвухлетний цикл. Он проявляется в смене магнитных полярностей солнечных пятен. Каждое солнечное пятно — сильный «магнит» напряженностью в несколько десятков и даже тысяч ампер на метр. Обычно пятна возникают близкими парами, причем линия, соединяющая центры двух соседних пятен, параллельна солнечному экватору. Оба пятна имеют разную магнитную полярность. Если переднее, головное (по направлению вращения Солнца) пятно обладает северной магнитной полярностью, то у следующего за ним пятна полярность южная. Замечательно, что на протяжении каждого одиннадцатилетнего цикла все головные пятна разных полушарий Солнца имеют разную полярность. Раз в 11 лет, как по команде, совершается смена полярностей у всех пятен, а значит, первоначальное состояние повторяется через каждые 22 года. Мы не знаем, в чем причина этого явления, но реальность его несомненна.

Действует и утроенный, тридцатитрехлетний цикл. Пока неясно, в каких солнечных процессах он выражен, но его земные проявления давно известны. Например, особенно суровые зимы повторяются каждые 33–35 лет. Такой же цикл отмечен в чередовании сухих и влажных лет, колебаниях уровня озер и, наконец, в интенсивности полярных сияний — явлений, заведомо связанных с Солнцем.

На спилах деревьев заметно чередование толстых и тонких слоев — опять со средним интервалом в 33 года. Некоторые исследователи считают, что тридцатитрехлетние циклы отражаются и в слоистости осадочных отложений. Во многих осадочных породах наблюдается микрослоистость, обусловленная сезонными изменениями. Зимние слои тоньше и более светлы вследствие обедненности органическим материалом, весенне-летние — толще и темнее, так как они отлагались в период более энергичного проявления факторов выветривания пород и жизнедеятельности организмов. В морских и океанических биогенных отложениях такие явления тоже наблюдаются, так как в них накапливаются остатки микроорганизмов, которых в период вегетации всегда значительно больше, чем в зимний период (или в сухой период в тропиках). Таким образом, в принципе каждая пара микрослоев соответствует одному году, хотя бывает, что году могут соответствовать и две пары слоев. Отражение сезонных изменений в осадконакоплении прослеживается на протяжении почти 400 млн. лет — с верхнего девона до наших дней, впрочем, с довольно длительными перерывами, занимающими иногда десятки миллионов лет (например, в юрском периоде, окончившемся около 140 млн. лет назад).

Сезонная слоистость связана с движением Земли вокруг Солнца, наклоном земной оси вращения относительно плоскости ее орбиты (или солнечного экватора, что практически одно и то же), характером циркуляции атмосферы и многим другим. Но как мы уже упоминали, некоторые исследователи видят в сезонной слоистости и отражение тридцатитрехлетних циклов солнечной активности, хотя если и можно говорить об этом, то только для так называемых ленточных отложений[15] (в глинах и песках) эпохи последнего оледенения. Но если это так, то получается, что по меньшей мере миллионы лет действует удивительный и пока плохо нами изученный механизм солнечной активности. Следует все же еще раз заметить, что в геологических отложениях трудно вполне четко выделить какие-либо определенные циклы, связанные с солнечной активностью. Колебания климата в давние эпохи связаны прежде всего с изменениями на поверхности Земли, с увеличением или, наоборот, уменьшением общей площади морей и океанов — этих главных аккумуляторов солнечного тепла. Действительно, ледниковым эпохам всегда предшествовала высокая тектоническая активность земной коры. Но эта активность, в свою очередь (о чем будет сказано далее), может стимулироваться повышением солнечной активности. Об этом как будто говорят данные последних лет. Во всяком случае в этих вопросах еще много неясного и потому дальнейшие рассуждения в этой главе следует рассматривать лишь как одну из возможных гипотез.

Еще в прошлом веке было замечено, что максимумы солнечной активности не всегда одинаковы. В изменениях величин этих максимумов намечается «вековой» или, точнее, восьмидесятилетний цикл, примерно в 7 раз больший одиннадцатилетнего. Если «вековые» колебания солнечной активности сравнить с волнами, циклы меньшей продолжительности будут выглядеть как «рябь» на волнах. «Вековой» цикл достаточно ясно выражен в частоте солнечных протуберанцев, колебаниях их средних высот и других явлениях на Солнце. Но особенно примечательны его земные проявления.

«Вековой» цикл ныне выражается в очередном потеплении Арктики и Антарктики. Через некоторое время потепление сменится похолоданием и эти циклические колебания продолжатся неопределенно долго. «Вековые» колебания климата отмечены и в истории человечества — в летописях и других исторических хрониках. Порой климат становился необычно суровым, порой непривычно мягким. Например, в 829 г. покрылся льдом даже Нил, а с XII по XIV век несколько раз замерзало Балтийское море. Наоборот, в 1552 г. необычно теплая зима осложнила поход Ивана Грозного на Казань. Впрочем, в колебаниях климата замешан не только «вековой» цикл. Если на графике изменений солнечной активности соединить прямыми линиями точки максимумов и точки минимумов двух соседних «вековых» циклов, то окажется, что обе прямые почти параллельны, но наклонены к горизонтальной оси графика. Иначе говоря, намечается какой-то длительный, многовековой цикл, продолжительность которого удается установить лишь средствами геологии.

На берегах Цюрихского озера есть древние террасы — высокие обрывы, в толще пород которых хорошо различимы слои разных эпох. И в этой слоистости осадочных пород, по-видимому, зафиксирован 1800-летний ритм. Тот же ритм заметен в чередовании илистых отложений, движении ледников, колебаниях увлажненности и, наконец, в циклических изменениях климата. С 1800-летним циклом, вероятно, связаны периодические усыхания и увлажнения Сахары, сильное и длительное потепление Арктики, во время которого норманны заселили Гренландию (Зеленую землю) и открыли Америку. На волнах 1800-летнего цикла даже вековой цикл выглядит «рябью».

Если средняя температура Земли понизится всего на 4–5 °C, то наступит новая ледниковая эпоха. Ледовые панцири покроют почти всю Северную Америку, Европу и большую часть Азии. Наоборот, повышение среднегодовой температуры Земли всего на 2–3 °C заставит растаять ледяной покров Антарктиды, что повысит уровень Мирового океана на 70 м со всеми вытекающими отсюда катастрофическими последствиями (затоплением значительной части материков). Таким образом, небольшие колебания средней температуры Земли (всего в несколько градусов) могут бросить Землю в объятия ледников или, наоборот, большую часть суши покрыть океаном.

Хорошо известно, что в истории Земли много раз повторялись ледниковые эпохи и периоды, а между ними наступали эпохи потепления. Это были очень медленные, но грандиозные климатические изменения, на которые накладывались меньшие по амплитуде, но зато более частые и быстрые колебания климата, когда ледниковые периоды сменялись периодами теплыми и влажными. Интервалы между ледниковыми эпохами или периодами можно характеризовать лишь в среднем: ведь и здесь действуют циклы, а не точные периоды. Ледниковые эпохи повторялись в истории Земли примерно каждые 180–200 млн. лет (по другим оценкам 300 млн. лет). Ледниковые же периоды в пределах ледниковых эпох чередуются чаще, в среднем через несколько десятков тысяч лет. И все это зафиксировано в толще земной коры, в отложениях пород различного возраста.

Причины смены ледниковых эпох и периодов достоверно неизвестны. Предложено немало гипотез, объясняющих ледниковые циклы космическими причинами. В частности, некоторые ученые полагают, что, обращаясь вокруг центра Галактики с периодом в 180–200 млн. лет, Солнце вместе с планетами регулярно проходит через толщу рукавов Галактики, обогащенных пылевой материей, которая ослабляет солнечное излучение. Однако на галактическом пути Солнца не видно туманностей, которые могли бы играть роль темного фильтра. А главное, космические пылевые туманности столь разрежены, что, погрузившись в них, Солнце для земного наблюдателя осталось бы по-прежнему ослепительно ярким.

По гипотезе М.С. Эйгенсона, все циклические колебания климата, начиная от самых незначительных и кончая чередующимися ледниковыми эпохами, объясняются одной причиной — ритмичными колебаниями солнечной активности. А так как в этом процессе Солнце подобно струне, то и в колебаниях земного климата должны проявиться все циклы солнечной активности — от «основного» цикла в 200 или 300 млн. лет до самого короткого, одиннадцатилетнего. Сам же «механизм» воздействия Солнца на Землю в этом случае сводится к тому, что колебания солнечной активности тотчас же вызывают изменения геомагнитосферы и циркуляции земной атмосферы.

Если бы Земля не вращалась, то циркуляция воздушных масс была бы предельно простой. В теплой тропической зоне Земли нагретый и потому менее плотный воздух поднимается вверх. Разность давлений у полюса и экватора заставляет эти воздушные массы устремиться к полюсу. Здесь, охладившись, они опускаются вниз, чтобы затем снова переместиться к экватору. Так в случае неподвижности Земли работала бы «тепловая машина» планеты. Осевое вращение Земли и обращение ее вокруг Солнца осложняет эту идеализированную картину. Под действием так называемых кориолисовых сил (заставляющих реки, текущие в меридиональном направлении, в северном полушарии размывать правый берег, и в южном — левый) воздушные массы циркулируют от экватора к полюсу и обратно по спиралям. В те же периоды, когда воздух у экватора нагревается особенно сильно, возникает волновая циркуляция воздушных масс. Спиралеобразное движение сочетается с волновым, и поэтому направление ветров постоянно меняется. К тому же неравномерный нагрев различных участков земной поверхности и рельеф усложняют и эту непростую картину. Если воздушные массы перемещаются параллельно земному экватору, то циркуляция воздуха называется зональной, если вдоль меридиана — меридиональной.

Для одиннадцатилетнего солнечного цикла доказано, что с повышением солнечной активности ослабляется зональная циркуляция и усиливается меридиональная. Земная «тепловая машина» работает энергичнее, усиливая теплообмен между полярными и экваториальными зонами. Если в стакан с холодной водой налить немного кипятка, то вода скорее нагреется в том случае, если ее размешать ложкой. По той же причине в периоды повышенной солнечной активности «взбудораженная» солнечным излучением атмосфера обеспечивает в среднем более теплый климат, чем в годы «пассивного» Солнца. Сказанное верно для любых солнечных циклов. Но чем длиннее цикл, тем сильнее реагирует на него земная атмосфера, тем значительнее меняется климат Земли. Поэтому физической первоосновой климатических различий является общая циркуляция атмосферы.

Роль солнечных ритмов в истории Земли весьма заметна. Общая циркуляция атмосферы предопределяет скорость ветров, напряженность водообмена между геосферами, а значит, и характер процессов выветривания. Солнце влияет, очевидно, и на скорость образования осадочных пород. Но тогда геологическим эпохам с повышенной общей циркуляцией атмосферы и гидросферы должны соответствовать мягкие, мало выраженные формы рельефа. Наоборот, в длительные эпохи пониженной активности Солнца земной рельеф должен приобретать контрастность. В холодные эпохи значительные ледовые нагрузки, по-видимому, стимулируют вертикальные движения в земной коре, т. е. активизируют тектоническую деятельность. Наконец, давно уже известно, что в периоды солнечной активности усиливается и вулканизм.

Даже в колебаниях земной оси (в теле планеты) сказывается одиннадцатилетний солнечный цикл. Это, вероятно, объясняется тем, что «активное» Солнце перераспределяет воздушные массы земной атмосферы. Меняется, следовательно, и положение этих масс относительно оси вращения Земли, что вызывает ее незначительные, но все же вполне реальные перемещения и изменяет скорость вращения Земли. Но если изменения солнечной активности сказываются на всей Земле в целом, то тем заметнее должно быть воздействие солнечных ритмов на поверхностную оболочку Земли. Всякие, особенно резкие, колебания в скорости вращения Земли должны вызывать натяжения в земной коре, перемещение ее частей, а это в свою очередь может привести к возникновению трещин, что стимулирует вулканическую деятельность. Так можно (конечно, в самых общих чертах) объяснить связь Солнца с вулканизмом и землетрясениями.

Вывод ясен: понять историю Земли, не учитывая при этом влияния Солнца, вряд ли возможно. Надо, однако, всегда иметь в виду, что воздействие Солнца лишь регулирует или возмущает процессы собственного развития Земли, подчиненного своим геологическим внутренним законам. Солнце вносит лишь некоторые «поправки» в эволюцию Земли, вовсе, конечно, не являясь при этом движущей силой этой эволюции.

Возникновение жизни

В этой книге нет легких тем, но та, к которой мы приступаем, одна из труднейших. До сих пор мы описывали сцену, теперь предстоит вывести на эту сцену действующих лиц.

Как возникла жизнь? В какой момент истории Земли на ее поверхности появилось нечто небывалое — качественно новая и высшая форма материи, обладающая потенциально безграничными способностями совершенствования?

По определению Ф. Энгельса, жизнь есть способ существования белковых тел. Несомненно, что возникновение жизни на Земле подготавливалось всей предшествующей историей нашей планеты[16]. Однако всякий раз (и мы в этом еще неоднократно убедимся), когда медленные количественные изменения в ходе развития материи приводят в конце концов к резкому качественному скачку, сам этот скачок ускользает от ученых. Это, конечно, не роковая и неизбежная неудача, а временная трудность, переживаемая наукой. Она вызвана сложностью «скачков», этих узловых пунктов в развитии материи, событий, пока не познанных, но, безусловно, познаваемых.

Когда-то Ф.М. Достоевский сказал, что природа неравнодушна к красоте. Добавим, что она неравнодушна и к жизни. В недрах звезд, в межзвездном пространстве, там, где заведомо нет ни одного живого существа, непрерывно идет великий синтез тяжелых элементов, простейших, а иногда и сложных органических соединений, этих «полуфабрикатов» жизни. Например, в недрах Солнца водород постепенно «перегорает» в гелий. Красные гигантские звезды, по массе превосходящие Солнце в несколько раз, взрываясь, как сверхновые звезды, сжимаются столь сильно и быстро, что в их атмосферах за счет цепных ядерных реакций и мощных нейтронных потоков синтезируются, по-видимому, тяжелые химические элементы. Во время взрыва они поступают в мировое пространство. Действительно, в межзвездном пространстве астрофизические приборы обнаружили десятки молекул, и среди них — СН, CN, ОН, формальдегид и другие. В атмосферах холодных звезд кроме циана CN присутствуют молекулы СО и С₂. Есть CN, С₂, СН, NH, ОН и в атмосфере Солнца. Все перечисленные молекулы, а также NH, Н₂ и другие встречаются и в атмосферах комет, а атмосферы планет-гигантов Юпитера и Сатурна изобилуют аммиаком NH₃ и метаном СН₄[17]

Экспериментально показано, что если смесь замороженных водяного пара, метана и аммиака бомбардировать потоком протонов, то в ней образуются сложные органические соединения (мочевина, ацетамид и ацетон). Но эти опыты моделируют условия, господствующие в космосе. Ядра комет — это рыхлые конгломераты из льдов, воды, метана и аммиака. Они непрерывно и весьма длительно бомбардируются космическими лучами — энергичными потоками протонов, нейтронов и других частиц и атомных ядер. Вряд ли можно сомневаться, что в ядрах комет абиогенным путем (т. е. без всякого отношения к чему-либо живому) синтезируются сложные органические вещества. В других опытах смесь водорода, метана, аммиака, водяных паров и некоторых других газов облучалась потоком радиоактивного, ультрафиолетового излучений, подвергалась воздействию медленных электрических разрядов на протяжении недель. В результате таких экспериментов в ней появлялись сложные соединения, аминокислоты, которые входят в состав белков. Не такие ли процессы совершались в первичной атмосфере Земли?

Богаты органикой некоторые метеориты, в особенности так называемые углистые хондриты. Кроме различных битуминозных соединений, углистые хондриты содержат даже цитозин — одно из четырех оснований, носителей «кода жизни» в молекуле ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), аминокислоты и другие высокомолекулярные органические соединения. Получается, что в космосе достаточно обильно представлены те органические вещества, из которых (хотя бы в принципе) могло образоваться живое. Но в возникновении жизни на Земле главная роль, по-видимому, принадлежала тем процессам органического синтеза, которые происходили когда-то на поверхности нашей планеты. В составе первичной атмосферы доминирующее положение занимали углекислый газ СO₂ и N₂. Высокое содержание метана СН₄ и аммиака NH₃ в истории Земли могло иметь место не более 10—100 тыс. лет, так как они быстро распадались за счет окисления. Свободный кислород в атмосфере нашей планеты был уже на очень раннем этапе ее развития: об этом свидетельствует наличие в древнейших породах оксида железа и сульфатов.

Интересную гипотезу недавно предложил советский исследователь Л.М. Мухин. По его мнению, подводные вулканы играли немалую роль в синтезе сложных органических молекул. При извержениях подобных вулканов выделяются не только пеплы, вулканические бомбы, лавы, но и такие соединения, как CP, СН₄, Н₂O, СO₂, H₂S и другие, необходимые для синтеза более сложных органических веществ. Этому синтезу способствуют также повышенные температура и давление в жерлах вулканов, а океан обеспечивает стабильность образовавшихся соединений (формальдегида и др.) — Твердые частицы, выбрасываемые вулканом, способствовали концентрации и полимеризации органики. Как показал Л.М. Мухин, в зоне подводных вулканов могли образовываться альдегиды, углеводы и другие сложные органические вещества, так что подводный вулканизм мог сыграть не последнюю роль в создании «полуфабрикатов» жизни[18].

Дальнейшая история сходна с общепринятой: сложные органические соединения попадали в воды океана, образуя тот «питательный бульон», в котором, вероятно, и возникла жизнь. Этот «бульон» не оставался однородным. Благодаря присущей высокомолекулярным веществам способности к самопроизвольной концентрации, в первичных морях и океанах, а скорее даже в небольших, спокойных и мелких водоемах возникли каплеобразные сгустки, коацерватные капли. Они, конечно, не были простейшими живыми существами. Но они обладали рядом свойств, напоминающих живое. По исследованиям А.И. Опарина и других ученых, коацерватные капли имитируют некоторые жизненные процессы. У них наблюдается своеобразный обмен веществ с внешней средой. Они могут расти, усложняться или, наоборот, деградировать. Среди коацерватных капель наблюдается даже нечто похожее на борьбу за существование, в результате которой остаются победителями капельки более устойчивые, более приспособленные к внешней среде.

Надо заметить, что в опытах американского исследователя 3. Фокса аминокислоты удалось синтезировать без воды из газов в обстановке, имитирующей вулканические условия. Однако дальнейшая эволюция высокомолекулярных полимеров из аминокислот немыслима без водной среды, без образования коацерватных капель или каких-то подобных им структур, например жидких кристаллов. А.И. Опарин указывал, что со временем происходило не только разрастание коацерватов, но и постепенное совершенствование их организации. В итоге это привело к возникновению таких образований, строение которых было уже значительно совершеннее, чем строение динамически устойчивых коацерватных капель, но все еще несравненно проще даже самых простых из известных нам в настоящее время микробов.

Но здесь как раз мы и подошли к самому трудному и по существу главному вопросу: каким образом мертвые коацерватные капли превратились в живые микроорганизмы? Как был совершен этот скачок?

Главный признак живого организма заключается в способности к воспроизведению самого себя. Но у коацерватных капель это свойство отсутствует. Нет у них и другой характерной для всего живого черты — способности к самообновлению своего состава. Похоже, что коацерватные капли лишь кое в чем напоминают живое, оставаясь при этом мертвыми. По мнению И.С. Шкловского[19] наличие аналогов обмена веществ и естественного отбора у коацерватов еще не доказательство того, что они могли привести к образованию первых примитивных живых организмов. Основными свойствами всякого живого организма помимо обмена веществ является наличие «копировальной системы», кода, передающего по наследству все характерные признаки данной особи. Между тем у коацерватов ничего подобного нет.

Как произошел качественный скачок от неживого к живому, гипотеза А.И. Опарина совершенно не объясняет. Только привлечение основных представлений современной молекулярной биологии, а также кибернетики может помочь решению этой важнейшей, основной проблемы. В самом деле, молекулы дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК) кислот определяют одно из важнейших свойств жизни. Как ДНК, так и РНК являются носителями генетической информации, причем РНК превращает эту информацию в конкретные молекулы белка, т. е. ДНК и РНК программируют все свойства организма — от внешней формы до самых тонких физиологических реакций. Удивительно то, что код этой программы универсален: он одинаков для любых групп организмов — от вирусов до человека. Но любая жизнедеятельность требует затраты энергии. Поставляют эту энергию молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Она содержится в каждой клетке животных и растений. Без этого универсального энергетического вещества немыслима жизнь (по крайней мере, в белковой ее форме). Значит, кроме ДНК и РНК в первичные живые организмы должны были на какой-то стадии попасть и молекулы АТФ.

Конечно, все эти главные для жизни молекулы первоначально могли быть проще современных и процесс воспроизведения себе подобных шел у них гораздо медленнее, чем теперь. Но сам факт «сборки» на одной молекуле другой ей подобной, означал великую революцию в истории Земли: родился новый принцип, обеспечивающий дальнейший ход органической эволюции. Новые молекулы отныне синтезировались в соответствии с программой, заложенной в структуре предшествующей молекулы.

Вирус — нечто стоящее на грани живого и неживого. То ли это вещество, обладающее свойствами существа, то ли существо со свойствами вещества? В клетке вирус паразитирует, а значит, ведет себя как существо, вне клетки он мертв, как камень. Современные вирусы в бездеятельном состоянии принимают кристаллическую форму. Вполне возможно, что именно вирусы или вирусоподобные организмы были первыми обитателями Земли, возникшими из жидкокристаллических структур. Это предположение имеет достаточные основания, так как в некоторых жидкокристаллических структурах при введении в них ферментов, выделенных из клеток, наблюдаются некоторые псевдобиологические процессы. У вируса табачной мозаики есть только одна нуклеиновая кислота — РНК. Но она работает за двоих, выполняя и передачу наследственной информации, и синтез белка. Может быть, жизнь на Земле первоначально зародилась в форме подобных вирусов?

Рассмотрим и другую проблему: может быть, раньше всего кодирование свойств и воспроизводство организмов происходило на иной основе, например нуклеотидов — отдельных молекул, из которых строятся более сложные? Однако теоретический анализ показывает, что это предположение очень мало вероятно.

До недавнего времени был неясен также механизм образования длинных, сложных цепочек органических молекул, без чего нельзя было представить пути формирования ДНК и РНК. Потом было показано, что форма сложных молекул обусловлена свойствами белков, а совсем недавно выяснилось, что их «сшивка» в длинные цепочки происходит, например, под воздействием ударной волны. А поскольку похоже, что формирование жизни происходило в процессе формирования древнейшей земной коры, которая, в свою очередь, является результатом бурной магматической и вулканической активности первозданной Земли, то недостатка в постоянно возникающих ударных волнах огромной силы на нашей планете не было. Очевидно, что это обстоятельство свидетельствует в пользу гипотезы Л.М. Мухина.

Сложность проблемы происхождения жизни заключается не только в проблеме возникновения механизмов кодирования. Неясным представляется также, каким образом сформировались и вошли в структуру организма гормоны. Эта проблема пока еще не решена. Наконец, неясно происхождение характера симметрии живого вещества — от «основных кирпичиков» — аминокислот до симметрии самих форм организмов. Дело в том, что все живое на Земле состоит только из «левых» форм молекул, т. е. таких молекул, которые вращают плоскость поляризации света влево, против часовой стрелки. Было высказано много гипотез о происхождении оптической симметрии живого — от предположения, что на характер симметрии оказали влияние те минералы, вместе с которыми первоначально возникало живое, до гипотезы о том, что симметрия зависит от вращения частиц, входящих в состав живого. Но все эти гипотезы имеют один недостаток: они предполагают случайность образования симметрии живого, а это неизбежно ведет к идее о случайном, уникальном феномене возникновения жизни, что вряд ли соответствует действительности и несостоятельно с философской точки зрения.

В самом деле, если элементы, из которых состоит живое на Земле, широко распространены во Вселенной (в метеоритном веществе, в веществе комет и даже в межзвездной среде, а по последним данным — и в межгалактической среде), если «кирпичики жизни» — аминокислоты и многие сложные органические вещества (например, сахара, некоторые гормональные образования) сравнительно легко образуются под воздействием многих видов энергии (электрической, радиоактивного, ультрафиолетового излучений и т. п.), а их полимеризация происходит под действием простых ударных волн, то возникновение жизни не может быть случайным. Вряд ли наша планета представляет единственное, неповторимое явление в этом отношении.

В последнее время выдвинулась еще одна проблема. Дело в том, что ученым удалось «собрать» клетку (правда, из уже готовых, а не синтезированных «деталей»), но она «не работала», пока в нее не ввели генетическое вещество из живой, действующей клетки. Был осуществлен и обратный опыт: в живую клетку, из которой извлекли генетическое вещество, ввели искусственно созданную молекулу ДНК и она начала функционировать. Но еще никому не удалось, несмотря на то что ныне уже лабораторно синтезируются многие необходимые для построения живого молекулы, создать целиком искусственное хотя бы подобие примитивного организма. Поэтому возник вопрос о механизме «запуска» живой клетки. Об этом механизме отсутствуют хотя бы сколько-нибудь конструктивные предположения — некоторые из идеалистически настроенных исследователей договорились даже до существования некоей особой «жизненной силы». Из других, более научных идей, возможно, имеет смысл предположение об изначально специфически высоковозбужденном состоянии молекул, из которых некогда возникли первые организмы. В пользу этого предположения говорит то, что сами эти молекулы могли возникнуть лишь при затрате большого количества энергии, а Земля в эпоху возникновения жизни находилась в состоянии высокой активности.

Неудачи в этом направлении пока неизбежны, потому что, как это ни удивительно, но и что такое жизнь, мы пока вполне удовлетворительно определить не в состоянии. Существует немало определений, раскрывающих отдельные свойства живого, но никем еще не дано определение жизни во всей ее полноте. Можно ли утверждать, что всегда и всюду живые организмы состоят из белков? Для нашей планеты иных форм жизни мы не знаем, но это не означает, что во Вселенной все явления жизни всегда и непременно «привязаны» к белковому субстрату. Давно известно, что некоторые аналоги органических углеродистых соединений могут быть теоретически построены, например, на кремниевой основе. Теоретически предполагались и аммиачные организмы с экзотическими свойствами, совсем не похожими на поведение известных нам живых существ. Реализовала ли природа где-нибудь эти теоретические схемы, пока неизвестно. Однако аммиачные организмы могли бы существовать лишь при низких температурах, а это значило бы, что энергетическое обеспечение высокоразвитых существ было бы недостаточным. По ряду причин также сомнительна и жизнь на кремниевой основе. Но некоторая возможность существования иных форм жизни, чем наша земная, заставляет многих ученых формулировать определение жизни безотносительно к какому-нибудь конкретному ее вещественному носителю.

Если стать на такую позицию, то живое должно отличать от неживого не по тому, «из чего» состоит данный объект, а по тому, что он «умеет делать». Иначе говоря, определение жизни должно быть не субстанциональным, а функциональным. Известный советский математик А.А. Ляпунов характеризовал жизнь как высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул. Такое определение живого не связано с конкретным веществом и поэтому может быть применено как к реальным белковым организмам, так и к теоретически предполагаемым существам на другой основе. Следовательно, оно может рассматриваться как расширение так называемого «белкового» определения жизни. Жизнь (судя по земному опыту) проявляет себя как непрерывно разрастающийся центр упорядоченности в менее упорядоченной Вселенной. Жизнь неустанно борется с хаосом, распадом, смертью.

Вулканы и жизнь

Тем, кто никогда не видел извержения вулканов, просто трудно представить себе, какое громадное количество скрытых в земных недрах веществ поступает на земную поверхность. В прекрасной монографии известного советского вулканолога Е.К. Мархинина[20], доказано, что за время существования Земли как планеты из ее недр изверглась масса вещества, которая сравнима с общей массой земной коры. Иначе говоря, современная кора, покрывающая земной шар, — это результат сложных геофизических и геохимических процессов, в которых самым активным образом участвовали недра нашей планеты.

Среди всего того, что было выброшено и продолжает выбрасываться наружу, — значительная доля органических веществ. Речь идет не о простейших веществах, а о таких сложных химических соединениях, как различные аминокислоты, основания нуклеиновых кислот, аминосахара, порфирины и многие другие, список которых оказывается достаточно длинным. Их находят в вулканическом пепле и других продуктах вулканических извержений. А таких продуктов, повторяем, выбрасывается очень много. Достаточно упомянуть, что, например, во время извержения вулкана Толбачик в 1975–1976 гг. органических веществ было извержено более миллиона тонн!

Какова же судьба этих веществ в настоящем и особенно в прошлом? И Е.К. Мархинин и другие ученые считают, что изверженные вулканами органические материалы послужили «полуфабрикатами» при формировании жизни. Они положили начало химической эволюции, приведшей в конце концов к появлению живых организмов. Доля органического вещества, поступающего на Землю из космоса, ничтожно мала по сравнению с тем, что поставляли земные вулканы. «Именно с образования этих вулканогенных молекул жизни на Земле, — пишет Е.К. Мархинин, — началась молекулярная эволюция по пути преобразования неживой материи в живую, приведшая впоследствии к возникновению жизни».

Аналогичных взглядов придерживается доктор физико-математических наук Л.М. Мухин, но в отличие от Е.К. Мархинина он главную роль отводит многочисленным подводным вулканам. По его мнению, окружающая вулкан водная среда, перепад давлений и температур не только способствуют интенсивному синтезу органических соединений, но и обеспечивают (водная среда) относительную стабильность того, что возникло. Неизбежные твердые частицы, сопровождающие извержение, способствуют, по мнению Л.М. Мухина, концентрации и полимеризации органики. Таким образом, любые вулканы могут стать и, вероятно, когда-то были интенсивными источниками предбиологической эволюции. Но любое как угодно сложное органическое вещество — это еще не жизнь. Для того чтобы неживое стало живым, оно должно пройти еще через стадии эволюции: 1) самосборку молекул; 2) возникновение мембран и доклеточную организацию; 3) возникновение механизма наследственности; 4) возникновение клетки.

Как и когда все это произошло на Земле, сегодня никто не знает. По этому поводу высказываются самые разнообразные догадки, вплоть до гипотез о случайном возникновении клетки, что, конечно, равносильно невероятнейшему чуду[21]. Неопределенность ситуации дает нам право кратко познакомить читателя еще с одной гипотезой, с полной четкостью высказанной великим русским естествоиспытателем Владимиром Ивановичем Вернадским[22].

По В.И. Вернадскому жизнь ниоткуда не происходила. Она вечна, как вечна материя и ее неотъемлемые атрибуты — пространство и время. В биологии еще с XVII века итальянским ученым Франческо Реди выдвинут известный принцип «все живое происходит из живого», который в полной мере разделял В.И. Вернадский. Серия неудачных опытов с пресловутым «самозарождением» лишь укрепила его в этом мнении и ничто при его жизни, да и позже, не было похоже на возникновение (вне живых организмов) живого из неживого.

В.И. Вернадский полагал, что семена жизни вечно разносятся по вечной Вселенной через бездны мирового пространства, «осеменяя» одну планету за другой. Но эта широко известная гипотеза панспермии (в том числе и искусственная панспермия с помощью инопланетян) предполагает длительное сохранение жизненной активности семян, поэтому взгляды В.И. Вернадского на вечность жизни в значительной мере были умозрительными. Правда, он обращал внимание биологов на то, что в самых древнейших слоях, где по физическим причинам могла быть жизнь, ее следы неизменно обнаруживаются.

«Жизнь вечна постольку, — писал В.И. Вернадский, — поскольку вечен Космос, и передавалась всегда биогенезом. То, что верно для десятков и сотен миллионов лет, протекших от архейской эры до наших дней, верно и для всего бесчисленного хода времени космических периодов истории Земли. Верно и для всей Вселенной»[23]. Он догадывался, что в живом организме, кроме вещества и энергии, есть и еще нечто вполне материальное, объективное, связанное с жизненными процессами. Эта догадка нашла себе подтверждение в работах многих ученых, в том числе и известного советского психолога В.Н. Пушкина.

Сейчас уже мало осталось ученых, кто отвергал бы реальность биополя — той материальной сущности, которая ответственна не только за все психологические, но и парапсихологические процессы[24]. Биополе особенно ярко проявляет себя в системе акупунктуры, образуя нечто вроде энергетического каркаса организма, несущего о нем полную информацию. В серии недавних работ В.Н. Пушкина[25] и его сотрудников доказано, что биополе может существовать в виде отдельных материальных сущностей — так называемых форм, с помощью которых естественно и просто объясняется теория отражения — марксистско-ленинская теория познания. Покидая иногда живое тело, его форма сохраняет информацию о теле, что и дает возможность проводить по формам диагностику тех, кому они принадлежат.

Как отмечал журнал «Химия и жизнь», новые работы советских ученых по биополю представляют собой концепцию устройства природы, отличную от общепринятой. Первооснова этой концепции — выдвинутая В.Н. Пушкиным гипотеза о форме, как одной из фундаментальных составляющих природы. Под формой здесь понимается особого рода голограмма, соответствующая пространственному контуру предмета и несущая информацию о его свойствах. Форма-голограмма неживого вещества содержит информацию лишь о его физических и химических свойствах. Форма-голограмма живого существа — уже об организме в целом. А мыслящее существо образует еще и мысленные образы — формы-голограммы, адекватно отражающие окружающий мир, в том числе и мысленные образы, генерируемые другими людьми.

Согласно концепции В.Н. Пушкина, все эти формы-голограммы взаимодействуют между собой и образуют информационное поле Вселенной, подобно тому, как массы физических тел образуют ее гравитационное поле»[26].

По мнению В.Н. Пушкина, жизнь была занесена на Землю не в виде молекулярных структур, а в виде информационных форм-голограмм, воздействовавших в определенном направлении на эволюцию земного вещества. Оба эти фактора в отдельности бессильны, что можно пояснить простым примером. Нас пронизывают всевозможные радиоволны, но приемник молчит, потому что не включен или неисправен. Тут нужны и энергия, и вещество, и организация. Вещество и энергию для жизни в свое время на Земле в изобилии поставляли вулканы, но не хватало организации. Ее-то на должном уровне физико-химической предбиологической эволюции и внесло общее вечное биологическое поле Вселенной. Точнее, даже не просто поле, а формы-голограммы, насыщенные информацией и жизнеспособностью биополя Вселенной. Они и «построили» жизнь, когда было из чего строить. Груда радиодеталей передачу не примет. Так же зазвучал, как исправный приемник биополя, тот «полуфабрикат» жизни, который был заранее подготовлен предбиологической эволюцией. Огонь жизни воссиял и на нашей планете. И «виновата» во всем этом материя — как в виде возникших сложнейших органических веществ, так и в форме вечного биополя Вселенной. Ибо материя и есть все то, что существует помимо нашей воли и наших чувств, что есть объективно.

Отдавая смерти мириады живых или когда-то живших особей, жизнь все же торжествует победу в преемственности поколений. Наука накопила достаточное число фактов, свидетельствующих о том, что жизнь возникла в результате несчетного числа реакций на протяжении не менее чем миллиарда лет и развитие ее распадается на два крупных этапа — этап химической эволюции, продолжавшийся до возникновения первых организмов, и этап биологической эволюции, продолжающийся и в наше время. Вряд ли случайно жизнь на нашей Земле родилась на основе элементов, наиболее широко распространенных во Вселенной. Сам этот факт свидетельствует и о том, что и на иных планетах, в других звездных мирах вероятнее всего жизнь существует в такой же белковой форме, как и на нашей Земле.

Непрерывно растет в массе и совершенствуется живое вещество Земли — совокупность населяющих ее организмов. В этом нас прежде всего убеждает эволюция органического мира нашей планеты.

Путь эволюции

Итак, появление жизни на Земле было результатом длительного развития Вселенной и нашей планеты. Но сколько времени прошло от эпохи, когда Земля закончила свое формирование, до эпохи формирования жизни? Каков возраст Земли и жизни?

Обычно для возраста Земли называют величину от 4,5 до 5 млрд, лет. Но еще О.Ю. Шмидт считал, что наша планета сформировалась не менее чем 6–6,7 млрд. лет назад, а В.Г. Фесенков (1964 г.), исходя из современных соотношений количества радиоактивных элементов и продуктов их распада, а также длительности периодов их полураспада, полагал, что радиоактивные процессы начали играть заметную роль в жизни земной коры около 6 млрд. лет назад. Это значит, что только около этой даты в поверхностных областях Земли накопилось достаточно радиоактивных элементов, чтобы они могли дать существующее ныне соотношение исходных элементов и возникших в процессе их распада. Ведь, как принято считать, тело первозданной Земли имело однородный химический состав и современное распределение элементов возникло в процессе дифференциации ее вещества. Первозданная Земля, как многие исследователи считают теперь, не имела атмосферы, гидросферы и литосферы. Лишь повышение температуры планеты в ее глубоких недрах до точки испарения (вернее, возгонки) и плавления легкоплавких веществ положило начало дифференциации.

По системе мельчайших трещин и пор пары, газы и расплавы летучих компонентов исходной породы постепенно диффундировали или выдавливались в более высокие горизонты тела Земли. Вместе с тем выносилось и тепло, которое, накапливаясь на этом, более высоком уровне, разогревало окружающие породы до тех пор, пока и здесь не начиналось испарение и плавление легкоплавких веществ. Тогда эти вещества перемещались еще выше, где со временем возникала новая зона расплава, и так далее, пока газы, пары и расплавы не прорывались на поверхность Земли. Примерно так схематически выглядит механизм зонной плавки, важнейшую роль которого предложил и обосновал теоретически и экспериментально советский академик А.П. Виноградов. Конечно, на поверхность Земли первыми должны были прорваться пары и газы, за счет которых постепенно сформировалась атмосфера, а затем гидросфера. Но вместе с тем на поверхность земного шара прорывались и лавы, особенно по разломам, возникшим вследствие ротационного эффекта. Так началось образование литосферы.

Лавы, которые формировали эту первозданную земную кору, видимо, содержали значительное количество углерода, магния, железа. Газообразные продукты были, возможно, идентичны современным вулканическим газам — оксидам углерода (СО, СО₂), метану, аммиаку, сероводороду (H₂S), сере, хлору и т. д., а также парам воды. Первичные газы быстро распадались под действием солнечных лучей и космического излучения, закисные соединения отнимали кислород у окисных — в первичной атмосфере шло множество реакций.

В эту эпоху из недр Земли в первичную атмосферу поступало много тепла, а так как она содержала большое количество углекислоты, которая служила своеобразным теплоизолятором, создавался парниковый эффект. Вполне возможно, что вследствие этого температура в приповерхностных слоях атмосферы повысилась до нескольких сотен градусов, как ныне на Венере. Тогда пары воды насыщали атмосферу, а масса мельчайшей пыли, выбрасываемой во время непрерывных вулканических извержений, способствовала конденсации паров в облака. Условия на Земле должны были напоминать условия современной Венеры: сплошной густой облачный покров окутывал планету со всех сторон, высокая температура, бурные вулканические извержения. Высокие температуры обусловили образование сложных органических соединений, которые впоследствии стали материалом для формирования аминокислот.

Очевидно, в эту эпоху начали формироваться первые возвышенности на Земле, так называемые ядра континентов. Древнейшие из них расположены на территории Кольского п-ова, в Южной Африке и, возможно, в Антарктиде. После образования первичной земной коры приток тепла на поверхность планеты должен был уменьшиться, в то время как отток атмосферного тепла в окружающее космическое пространство постепенно увеличивался, температура атмосферы снижалась и, когда она упала ниже 100 °C, на Земле наступил период ливней и гроз. Вода заливала поверхность молодой коры, образуя мелководный первичный океан, среди которого поднимались острова будущих континентов и конусы вулканов. В этом океане растворялись органические соединения, образуя тот «питательный бульон», который, как говорилось выше, стал колыбелью жизни.

Воды, ветры, химические процессы разрушали породы первозданной суши, снося обломки в окружающий океан, на дне которого в пределах подводных склонов — зародышей материков эти обломки накапливались, образуя толщу осадков, под тяжестью которых тонкая кора океанического дна прогибалась, рвалась разломами, а через них на поверхность изливались лавы. Осадочные слои сминались в складки, образуя вдоль края ядер континентов первичные горные гряды и увеличивая площадь суши и число вулканов. Такие прогибы у геологов получили название геосинклиналей и в последующей истории развития Земли они начали играть все более и более возрастающую роль.

Пока происходили все эти процессы в первичном океане шло множество химических реакций между органическими молекулами: наиболее сложные из них — аминокислоты «сшивались», образуя длинные цепочки. Так было до тех пор, пока где-то на Земле в какое-то прекрасное мгновение не родились первые живые организмы. Это скорее всего могло случиться в вулканической области, в каком-либо достаточно изолированном от открытого океана заливе, в котором концентрация «питательного бульона» была очень высокой. С этого момента началась биологическая эволюция.

Примерно так могла выглядеть начальная геологическая история Земли, целиком предположительная, поскольку следов процессов, тогда происходивших, пока не обнаружено. Можно только сказать, что начало формирования первичной земной коры относится ко времени, отстоящему от наших дней на 4,5 млрд. лет. Ныне установлено, что 3,5 млрд. лет назад уже существовали древнейшие участки современных континентов, так называемые щиты: Фенно-Скандинавский и Канадский — на севере, зародыш Казахской платформы — на юге умеренной зоны северного полушария, Южноафриканский щит — на юге тропической зоны и Антарктический континент. В отложениях Южноафриканского щита, возраст пород которого определен от 2,7 до примерно 3,5 млрд. лет, обнаружены окаменелые остатки одноклеточных организмов типа широко распространенных ныне синезеленых водорослей. Следовательно, эпоха образования первичной земной коры и жизни могла занимать время от 4,5 до 3,5 млрд. лет, т. е. целый миллиард лет.

Многие геологи относят это бурное время в истории Земли к архейскому или древнейшему эону, хотя, может быть, его стоило бы назвать по-иному, например, катархейским, ведь в эпоху формирования жизни эволюция была все же добиологической. Впрочем, не все ученые считают, что одного миллиарда лет достаточно для того, чтобы совершился переход от сложных органических соединений к организмам такого типа, как синезеленые водоросли. Эти последние, хотя и относятся к типу простейших, уже достаточно сложны, чтобы их считать первоорганизмами. Они сами — продукт длительной эволюции. Естественно было бы ожидать, что процессы, приведшие к возникновению первоклеток, начались гораздо раньше, но для утверждения такой гипотезы пока еще слишком мало фактов.

Водоросли типа синезеленых — организмы анаэробные, кислород им для жизни не нужен. Но, используя ныне солнечное тепло, а в начале архея, возможно, иные источники энергии (тепловые, радиоактивное, космическое излучение), они разлагают углекислоту, выделяя свободный кислород. При фотосинтезе (т. е. реакциях, идущих за счет солнечного излучения) этот процесс идет по следующей формуле: 6СO₂ + 6Н₂О = C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

Это был важнейший этап в истории Земли, с течением времени приведший к далеко идущим последствиям. Фотосинтез, вызывая бурный рост биомассы планеты, сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее вел к накоплению свободного кислорода. Однако в восстановительных условиях древней Земли кислород на первых порах немедленно поглощался закисными соединениями, которые превращались в оксиды. Поэтому уже в древнейших породах наблюдаются оксиды и сульфаты, о чем упоминалось выше.

Следующий эон в истории Земли — архейский — между 3,5 и 2,5 млрд. лет назад (см. таблицу). На протяжении этого миллиарда лет отмечается от двух до трех горообразовательных эпох, связанных с усилением вулканической деятельности, но следы их сохранились очень плохо. Наиболее ясны следы горообразования и излияния магм (лав) между 2,7–2,5 млрд. лет назад. За это время первозданные осадочные породы, испытав воздействие высоких давлений и температур, многократно смятые тектоническими силами, превратились в кристаллические, так называемые метаморфические породы — гнейсы, гранитогнейсы, а возможно, и граниты. Есть гипотеза, что граниты — это древнейшие осадочные породы, опустившиеся в результате прогибания земной коры на большие глубины, где они, подвергшись действию высокого давления, частично расплавившись и обогатившись оксидом кремния, стали породами, похожими на магматические образования. Это, впрочем, пока не более чем гипотеза, а потому можно сказать, что в конце архея к поверхности Земли прорвались расплавы земного вещества, обогащенные кремнекислотой, щелочными металлами и другими элементами и их соединениями, и началось формирование гранитного слоя литосферы. Естественно, что поступление огромного количества вулканогенного материала и горообразование привели к увеличению площади древнейших массивов суши и к появлению новых. Так начали формироваться Канадская платформа, Украинский кристаллический щит и т. д.

На протяжении архея простейшие организмы, очевидно, широко распространились по всему земному шару. По крайней мере почти везде, где были обнаружены осадочные породы этого возраста, найдены и остатки древнейших организмов. Кроме одноклеточных водорослей, по-видимому, это были бактерии и вирусы, если только вирусы не были вообще древнейшими организмами.

Следующая эра в истории Земли — протерозойская, между 2,5 млрд. и 615–570 млн. лет назад. Протерозой обычно делят на три крупных подразделения, достаточно хорошо разграниченных между собой. Ранний протерозой (2,5–1,7 млрд. лет назад) отличается коренной перестройкой Земли и ее лика. На поверхность нашей планеты в огромном количестве начали поступать лавы, богатые кремнекислотой, соединениями железа, марганца, меди, молибдена, вольфрама, висмута, тория и урана — одним словом, тяжелых элементов, которые вопреки гравитации начали концентрироваться в верхних слоях планеты, а не стремились к ее центру. Это доказывает, что в процессе дифференциации земного вещества основную роль играют процессы геохимические. Вследствие такой смены геохимической обстановки на огромных пространствах земной поверхности начали накапливаться кварциты, содержащие руды железа, цветных металлов, урана. Тогда же возникли и все известные нам континенты, хотя они и имели совсем иные очертания. Вдоль окраин континентов образовались протяженные геосинклинальные зоны, в которых и шло накопление железо-кварцитовых, кремнистых и иных осадков, а также тонких илистых отложений, — горы в те времена не отличались высотой и грубообломочный материал не был широко распространен. Таких зон было три.

Одна, начинаясь у Южной оконечности Гренландии, огибала п-ов Лабрадор и через район Великих озер Северной Америки уходила в направлении нынешнего п-ова Флорида, далее шла вдоль Антильской дуги к берегам Южной Америки, отсекала ее крайний восточный выступ, пересекала Атлантический океан и от южной оконечности Намибии уходила к северной части Ирака и через Кавказ и Курскую магнитную аномалию подходила к месторождениям железа в Швеции и Норвегии. Это было огромное кольцо, подобное современному Тихоокеанскому тектоническому кольцу.

Вторая зона начиналась на востоке Арктического бассейна, шла вдоль западной границы Колымского края, через Сихотэ-Алинь, Малый Хинган, Китай, Корейский п-ов, Бирму, Индию, Австралию и далее по дну Индийского и Тихого океанов. Собственно, эта зона предшествовала западной ветви современной Тихоокеанской тектонико-геохимической зоны, которая была несколько смещена на восток и возникла около 1 млрд. лет назад, когда во второй древнепротерозойской зоне уже появились горные системы.

Наконец, третья зона, начинаясь на Пиренейском п-ове на западе, тянулась прямо на восток, пересекая Евразийский континентальный массив в широтном направлении вплоть до юго-западной части Охотского моря. Ныне эта древняя геосинклинальная область частично сечет более позднюю альпийскую зону.

Конечно, в обстановке сильно меняющихся условий — сокращения площади океанов, разделения их на отдельные бассейны, изменения химической обстановки в среде, резкого возрастания содержания радиоактивных элементов и т. д. — живые организмы должны были менять свою наследственность: формы, физиологию. Усложненная обстановка требовала и усложнения организма, его более высокой организации. Эти изменения сказались прежде всего на специализации организмов: возникли бактерии, окисляющие различные минеральные вещества, железобактерии и другие, которые начали интенсивно перерабатывать вещество верхних слоев земной коры и атмосферы. Большое количество водорослей, особенно на мелководье, выбрасывалось во время бурь или приливов в заливаемую прибрежную зону суши. Естественно, что часть бактерий приспособилась использовать для питания скопления этих погибших организмов. Так началось формирование почвенных бактерий, которые принялись подготавливать прибрежную полосу для грядущего десанта растений на сушу.

В среднем протерозое (от 1,7 до примерно 1,1–0,9 млрд. лет назад) направление процессов было таким же, как и в раннем. Продолжали развиваться древние зоны накопления осадков, в которых накопление периодически сменялось горообразовательными движениями. Закладывались новые зоны осадконакопления (геосинклинали Урало-Алтайская, каледонской складчатости и др.) Площади континентов постепенно росли. Появились первые скелетные организмы — радиолярии, которые строили свой скелет из кремния, в изобилии поступавшего в поверхностные зоны Земли, возникли древнейшие многоклеточные, в том числе губки, медузы.

Поздний протерозой (от 1100—900 до 615–570 млн. лет) был второй эпохой резкого изменения Земли и жизни. Ее можно назвать переходной: ведь именно в позднем протерозое развитие приняло то направление, которое продолжается до наших дней. Прежде всего в позднем протерозое резко увеличились площади континентов за счет превращения большинства геосинклинальных зон в горные системы, отдельные континентальные массивы слились воедино, создав обширные материки в пределах умеренной и тропической зон. Эти две группы материков разделялись обширным и глубоким средиземным океаном, остатками которого ныне являются Средиземное, Черное и Каспийское моря, а большая часть его площади занята горными странами. Некоторые геологи даже считали, что в начале позднего протерозоя площадь материков достигла такой величины, какой не было больше в последующие эпохи.

После горообразования, происшедшего около 1 млрд. лет назад, и слияния материков, очевидно, произошло общее похолодание климата, так как в осадочных толщах того времени во многих районах земного шара обнаружены ледниковые отложения. Вообще на протяжении протерозоя горообразовательные движения и усиление вулканической активности планетарного масштаба происходили примерно каждые 300 млн. лет и почти к каждой из таких активных эпох было приурочено оледенение.

Жизнь в позднем протерозое развивалась бурно. Появились водоросли многоклеточные, красные и зеленые, кораллы — так называемые археоциаты и черви — первые животные, у которых возникла нервная система в виде нервного тяжа вдоль тела с утолщением в передней части. Во второй половине позднего протерозоя черви дали ветви других более высоко организованных животных: членистоногих, а потом и насекомых, моллюсков и, наконец, хордовых — предшественников позвоночных.

Многообразие и обилие водорослей и бактерий обеспечивало все большее количество свободного кислорода, который, судя по составу пород того времени и типу минералов, находился в атмосфере уже в ощутимом количестве. Но есть данные, по которым можно предполагать, что в конце позднего протерозоя не только существовали водоросли и бактерии, но появились уже и наземные растения. Во Франции, например в Бретани и в некоторых других местах, в верхнепротерозойских отложениях были обнаружены маломощные угли. А уголь, как известно, является результатом разложения остатков наземной растительности в условиях недостатка кислорода, повышенных давления и температур.

Выход растительности на сушу, очевидно, произошел первоначально в области заливаемых приливами прибрежных зон — тех самых, где уже давно скапливались остатки выброшенных морем водорослей и была зона почвообразующих бактерий. Эти бактерии постепенно подготовили в зоне первичные почвы, на которых и могли закрепиться некоторые водоросли, имевшие корневую систему. Из этих-то водорослей и развился самый древний тип растений — мягкостебельные плауновые. В начале следующей эры они заполнили низменные, сильно увлажненные участки суши. Остальная часть суши долго, почти до середины нового периода, оставалась пустынной. Вслед за проникновением растительности в узкую прибрежную полосу суши в зарослях этих первичных «лесов» (высота их превышала 50 см) обосновались некоторые членистоногие — предки насекомых и моллюски.

Конец протерозоя ознаменовался новой вспышкой тектонической и вулканической активности, в последний раз до наших дней на поверхность Земли поступило большое количество кремния и урана. Возможно, это обстоятельство и способствовало коренной перестройке состава животного мира.

Следующий длительный отрезок времени расчленен более подробно — на эры продолжительностью в несколько сотен миллионов лет, а также периоды, эпохи и века продолжительностью от нескольких десятков до миллионов лет. Мы не будем здесь характеризовать каждую из них, ограничимся лишь характеристикой важнейших переломных рубежей (см. таблицу).

Последние 600 млн. лет истории Земли в целом характеризуются качественно новыми признаками. Значительные участки земной коры стабилизировались как известные ныне платформы, занимающие обширные пространства континентов. Подвижные, неустойчивые области локализовались в определенных протяженных зонах, ныне занятых горными системами. Это был древнейший из молодых Урало-Алтайский пояс, Северо-Атлантический пояс (так называемая каледонская или грампианская геосинклиналь). Средиземный или Альпийский пояс (от современных Пиренеев на западе до Гималаев, Тянь-Шаня и Индонезии на востоке и юго-востоке) и, наконец, Тихоокеанское кольцо. В этих зонах на протяжении послепротерозойского времени периодически происходила смена периодов накопления периодами горообразовательных движений, когда посреди глубоких океанических зон возникали цепи островов и вулканов, пока все это не завершилось возникновением горных поясов.

Таким образом, большинство подвижных зон за последние 600 млн. лет консолидировались, интенсивность движения и вулканизма в них постепенно затухала. Такого рода перестройка земной коры позволила теоретикам говорить, что геосинклинальный тип развития земной коры в послепротерозойское время сменился платформенным типом, когда основную направляющую роль стали играть не подвижные области, а жесткие стабильные глыбы материков. Изменился и характер вулканической активности: вместо трещинных, площадных излияний лав теперь основную роль стали играть точечные, вулканические извержения. Наконец, изменилась интенсивность горообразования. На ранних этапах истории Земли и в протерозое, когда жесткие континентальные массивы имели меньшие размеры, были удалены друг от друга и силы сжатия, вызывавшие смятие осадочных толщ, были более слабыми, горные цепи, вероятно, не превышали отметок 1,5–3 км. На протяжении последних 600 млн. лет подвижные зоны (геосинклинали) оказались зажатыми между крупными жесткими континентальными массивами, края которых представляли достаточно прочные упоры, и амплитуда горных складок резко выросла — высоты гор увеличились до 5–6 км и более.

Стали иными и климатические условия. Раньше потоки воздушных масс — один из главных, определяющих компонентов климата — подчинялись лишь действию общепланетарных факторов: зональным изменениям температуры, отклоняющему воздействию кориолисовых сил и т. п. В послепротерозойское время на циркуляцию атмосферы все большее влияние стали оказывать распределение суши и моря и характер рельефа. Соответственно перестроилось и движение гидросферы.

Сменился и тип осадконакопления: например, впервые в истории Земли огромные толщи осадков стали составлять карбонатные отложения, а роль силикатных резко уменьшилась, начали накапливаться разнообразные соли, возникать нефтеносные и угленосные толщи. Вообще роль биогенных осадочных образований неизмеримо возросла соответственно колоссально разросшейся массе живого вещества. Коренным образом изменились и господствующие формы жизни.

Все это позволило некоторым исследователям говорить о времени от 615–570 млн. лет назад до нынешнего как о качественно новом крупном этапе в истории Земли — неогее. Так как это последний крупный этап в истории нашей планеты, то от него осталось и больше следов. Поэтому неогей расчленяется более детально, чем ранние этапы. Выделяется эра древней жизни — палеозой [(615–570)— 240 млн. лет назад], который довольно четко делится на три этапа — ранний, средний и поздний, а эти последние, в свою очередь подразделяются на периоды, эпохи и века.

Ранний палеозой [(615–570)— 420 млн. лет назад] в самом начале характеризуется возродившимся развитием подвижных областей, распадом и уменьшением средней высоты древних, верхнепротерозойских континентов. Следствием было расширение площади океанов и морей, заливавших наиболее пониженные участки суши. В соответствии с этим в изобилии распространились красные и синезеленые водоросли; древнейшие кораллы — археоциаты и корненожки, строматопороидеи; донные кишечнополостные — губки; обитатели поверхностных слоев океана — граптолиты; моллюски — донные с двустворчатой раковиной, брахиоподы и свободно плавающие примитивные наутилоидеи; членистоногие, видимо донные, странные панцирные животные — трилобиты; ракообразные; примитивные панцирные рыбы. В узкой прибрежной зоне, видимо, продолжали существовать древнейшие полуводные растения, почвенные бактерии, вероятно, членистоногие, приспособившиеся к жизни в этих периодически заливавшихся зонах. Такова была картина жизни в первом палеозойском периоде — кембрии [(615–570)—480 млн. лет назад].

В следующем, ордовикском (480–420 млн. лет назад) периоде во многих районах Земли произошли горообразовательные движения, а некоторые геосинклинали (как, например, грампианская на севере Европы) закрылись, превратившись в горные системы. Соответственно несколько увеличилась и площадь суши, а моря обмелели, в них увеличилось число островов. Отсюда обилие мелководных ракообразных, различных рифообразующих животных, появились четырехлучевые и трубчатые кораллы, увеличилось число наутилоидей, массовое развитие получили водоросли.

Горообразованием ордовикского периода (каледонским) закончился ранний палеозой и начался средний (420–320 млн. лет назад). Первая его половина — сулурийский период (420–400 млн. лет назад) и начало девонского (400–370 млн. лет назад) — характеризуются преобладанием погружения обширных участков земной коры и соответственно увеличением площади океанов и морей. Растительность заливаемых прибрежных зон континентов двинулась в глубь суши, завоевывая новые пространства, вероятно, прежде всего сильно увлажненные низины. Среди наземных растений преобладают плауновые. Широко развиваются и дают новые формы кораллы, начинается расцвет морских лилий — прикрепленных к дну кишечнополостных. Кроме панцирных рыб развиваются хордовые, кистеперые, двоякодышащие рыбы. Двоякодышащие рыбы — ветвь кистеперых, которые имеют не только внутренний скелет, но и жесткий скелет у плавников. С помощью этого приспособления кистеперые рыбы могли передвигаться по дну водоемов.

И.И. Шмальгаузен, крупнейший советский эволюционист, считал, что представители этой группы рыб, обитавшие в полузамкнутых и почти изолированных мелководных лагунах, богатых водорослями и иной мелководной жизнью, из-за недостатка кислорода в воде вынуждены были часто подниматься на поверхность, чтобы запастись кислородом воздуха. Резервуарами для таких запасов служили плавательные пузыри, которые с течением времени превратились в легкие. Таким образом, к середине девона сформировался особый тип животных — ихтиостегии, в своей форме сочетавшие признаки рыб и земноводных. Ихтиостегии и стали предками амфибий — земноводных, древнейших после насекомых сухопутных животных.

В середине девона произошли новые горообразовательные движения, на этот раз в более обширных районах, чем в ордовикское время, площадь суши снова увеличилась. С этой горообразовательной фазой и связано заселение суши потомками ихтиостегий. На увеличившейся суше широкое распространение получили плауновые, членистостебельные и древнейшие голосемянные растения, образовавшие леса. Началось угленакопление. Конец девона и первая половина следующего, каменноугольного периода ознаменовались новым расширением океанов и морей за счет суши, а затем, в конце среднего карбона, началась грандиозная перестройка лика Земли, подобная той, что произошла в конце протерозоя. Это была так называемая герцинская горообразовательная эпоха, в результате которой выросли мощные горные системы в большинстве геосинклинальных зон всей планеты, резко увеличилась средняя высота суши и ее участки, ранее разделенные морскими бассейнами, снова слились в два огромных материка: Гондвану, объединяющую древние платформы Австралии, Индии, Аравии, Африку и Южную Америку, с которой была связана Антарктида, на юге и Лавразию, представляющую почти замкнутое «кольцо вокруг Арктического бассейна, только Западная Сибирь оставалась морским дном, прерывая это сухопутное кольцо севера. Между Гондваной и Лавразией пролегал средиземный океан — Тетис.

Резкое сокращение площади океанов и морей, повышение средней высоты суши, гигантские пояса гор высотой до 5–6 км резко увеличили отдачу тепла земной поверхностью, привели к понижению температуры и наступлению длительной ледниковой эпохи, занявшей конец каменноугольного периода (320–270 млн. лет назад) и первую половину пермского (270–240 млн. лет назад). Естественно также, что сокращение площади поверхности испарения и изъятие из круговорота влаги больших количеств воды, законсервировавшейся в виде льда, континентальность климата привели к «иссушению» климата и широкому распространению пустынных и полупустынных ландшафтов. И если в первую половину каменноугольного периода низменная, заболоченная суша была занята сплошными лесами гигантских плауновых — членистоствольных каламитов, клинолистников, древовидных папоротников (собственно, именно в первую половину каменноугольного периода произошло накопление большей части углей нашей планеты, почему этот период и получил свое название), то во вторую половину карбона и в перми леса значительно сократили свою площадь.

Понятно, что к таким грандиозным изменениям должна была приспособиться и жизнь. И вот в отложениях конца палеозоя мы находим не только остатки земноводных, но также пресмыкающихся, или рептилий, и весьма странных животных — так называемых лабиринтодонтов. Среди последних или их потомков выделяются териодонты (зверозубые), в строении своего скелета объединяющие черты рептилий и примитивных млекопитающих. Недавно обнаружено, что эти териодонты обладали волосяным покровом, следовательно, были теплокровными, что еще больше сближает их с млекопитающими. Можно полагать, что млекопитающие отделились от этой группы не позднее конца перми, так как представители примитивных млекопитающих начала следующей, мезозойской эры уже отличались признаками высокой специализации.

Теплокровность и волосяной покров были естественной защитной реакцией организмов в условиях пониженных температур в эпоху пермо-карбонового оледенения, и можно было ожидать, что и другие группы животных и растений также «отзовутся» на похолодание. И действительно, сейчас есть данные полагать, что и часть рептилий стала теплокровной — это предки летающих ящеров и птиц, а также предки гигантских пресмыкающихся следующей за палеозоем эры — динозавров.

Мезозой, или эра средней жизни, начался около 240 млн. лет и окончился около 70 млн. лет назад. Он делится на три периода: триасовый, юрский и меловой. Триасовый во многих отношениях был продолжением пермского периода, хотя в это время постепенно понижалась высота материков, несколько расширилась площадь морей и океанов, началось увлажнение климата. В растительности развиваются новые формы, появившиеся в эпоху пермо-карбонового оледенения, — древнейшие примитивные хвойные (голосемянные), гинкговые (ныне сохранившиеся лишь в отдельных районах земного шара), вероятно, предки покрытосемянных. В водах морей — моллюски новых типов: аммониты, цератиты и иные головоногие; пресмыкающиеся приспосабливаются к жизни во всех трех стихиях — сухопутной, водной и воздушной: бесспорные низшие млекопитающие — еще не живородящие, а яйцекладущие.

Юрский период (190–140 млн. лет назад) — вновь океаническо-морской, теплый, когда моря заливали сушу, расчленяя ее. В это время начали формироваться современные Атлантический и Индийский океаны. Лесная растительность вновь занимает огромную площадь и начинает дифференцироваться в пространстве: на севере и в горных областях формируются леса покрытосемянных, лиственных и цветковых растений, а также хвойные; в теплых же низменных районах и в тропической зоне сохраняются древние леса.

Необычайно разнообразными становятся формы рептилий, в те времена еще не имевшие конкурентов в виде мелких, слабых и малочисленных млекопитающих. В мелководных бассейнах, озерах, лагунах, болотах, богатых пищей и труднодоступных для хищников, появились гигантские рептилии типа бронтозавров, на открытых пространствах — бегающие двуногие ящеры, в морях и океанах — помимо рыб (хордовых, костистых), рифообразующих кораллов и т. д., также крупные хищные рептилии — гигантские змеевидные мозозавры, рыбообразные ихтиозавры, длинношеие плезиозавры; в воздухе — крупные и мелкие летающие ящеры. В середине юрского периода в связи с распространением плодовых деревьев появились первоптицы и древесные млекопитающие, насекомые, пожирающие кору, плоды и нектар цветов, а следом за ними и древесные насекомоядные млекопитающие, которые позже, в конце мелового периода, стали предками всех современных высших млекопитающих.

Меловой период (140—70 млн. лет назад) в первую, большую свою часть отличался таким же, почти морским режимом, как и юрский, только площади континентов несколько выросли в результате тектонических движений в конце юры. В соответствии с этим и климат стал несколько суше и континентальнее, и в составе растительности все большую роль стали играть покрытосемянные и хвойные растения. Эти изменения были благоприятны для млекопитающих и птиц и невыгодны для рептилий. Поэтому начиная с конца юрского периода пресмыкающиеся, особенно гигантские, начали вымирать. Число их форм постепенно сокращалось, сокращалась и численность, особенно к концу мелового периода, когда на Земле вновь пробудились тектонические силы и площадь континентов снова стала расти. Это были первые отдаленные предвестники новой великой эпохи горообразования — альпийской, вновь перестроившей лик Земли.

К концу мела древние формы жизни либо исчезли совсем, либо были оттеснены в тропические области или изолированные районы. Новые же формы жизни, к которым из растений относятся покрытосемянные, цветковые, хвойные, а из животных — сумчатые млекопитающие и древние бескрылые, водоплавающие и летающие птицы, широко распространились, завоевав мир. И наконец, 70—100 млн. лет назад среди насекомоядных высших млекопитающих появилась важнейшая группа животных — приматы. Это были мелкие древесные животные вроде современных тупайи, которые в начале последней эры земной истории — кайнозойской (эры новой жизни), около 70 млн. лет назад, разветвились на долгопятов и полуобезьян (лемуров).

Последняя эра в истории Земли — кайнозойская, в которой живем и мы с Вами, началась около 70 млн. лет назад. Ее начало ознаменовалось новым развитием океанического режима, сокращением площади суши, смягчением и увлажнением климата и расширением зон теплолюбивой растительности. Это было время экспансии новой флоры — плодовых, лиственных и цветковых растений; архаическая растительность мезозойской эры была оттеснена в тропическую зону и изолированные районы. В самом начале новой эры вымерли последние остатки крупных рептилий и по земной поверхности широко распространились примитивные сумчатые млекопитающие. В середине первого периода кайнозоя — палеогена — отряд приматов дал новую ветвь — обезьян, предками которых был один из родов или семейств лемуров. Эти первые обезьяны не были похожи на современных, так как объединяли черты, характерные и для низших, так называемых широконосых, и для высших — узконосых, и даже для более поздних, человекоподобных (антропоидов) обезьян.

Разумеется, неспециализированная группа животных не могла долго оставаться единой, а потому еще задолго до конца палеогена распалась на три или четыре группы, формы и образ жизни представителей которых определились природными условиями тех районов, в которых они формировались. Это произошло около 35–40 млн. лет назад, когда начались последние общепланетарные горообразовательные движения так называемого альпийского орогенеза. Тогда в возвышенных скалистых и лесных областях сформировались мартышковые обезьяны (мартышки, макаки, павианы), в тропических влажных лесах — гиббоновые, а в разреженных и пограничных с открытыми пространствами — древесные обезьяны или дриопитековые, близкие по типу к шимпанзе. Одновременно с усложнением географической обстановки с конца палеогена началась и смена животного мира: примитивные сумчатые млекопитающие постепенно сменялись высшими, плацентарными млекопитающими, у которых детеныши рождались полностью сформированными, способными у большинства видов к самостоятельной жизни.

Второй период кайнозойской эры — неоген — характеризуется в первой своей половине основной фазой альпийского горообразования. В это время обновились старые горные системы и выросли новые — Пиренеи и Атласские горы, Альпы, Карпаты, Балканы, Крымские и Кавказкие горы, Копетдаг и горы Ирана, Южный Тянь-Шань, Памир, Куньдунь, Каракорум, Гималаи, Кордильеры и Анды и многие другие. Колоссально разрослись площади материков — Средиземное море почти закрылось, распавшись на четыре бассейна, Африка соединилась не только с Азией, но и с Европой, горы альпийского пояса, сменив средиземный океан Тетис, тесно и навсегда связали южные материки с северными. Соединились также Северная и Южная Америка, с одной стороны, и Северная Америка (в который уже раз!) через Гренландию, Исландию и Британские острова — с Европой, а через сушу, существовавшую на месте Берингова пролива и моря, — с Азией. Таким образом, впервые за всю историю Земли широкое материковое кольцо отделило арктическую область от всех южных морей.

Как и в герцинскую эпоху, эти изменения привели к «иссушению» климата, широкому развитию обширнейших пространств, занятых саванной, степями, сухими степями, полупустынями и пустынями. Именно тогда сформировались Калахари, Сахара и аравийские пустыни. Снова понизились среднегодовые температуры на Земле и четвертичный период — тот, в котором мы живем, начался (2 или 3 млн. лет назад). Оледенение, по-видимому, началось в Антарктике, так как, по исследованиям антарктических экспедиций, сплошной ледяной покров появился там менее 20 млн. лет назад, и с тех пор он неизменно держится, лишь периодически несколько отступая или наступая по краям. В северном же полушарии, в районе Гренландии и п-ова Лабрадор, следы оледенения не обнаруживаются в отложениях древнее 3,5 млн. лет.

Распространение открытых пространств и разреженных лесов вызвало новое разветвление у высших приматов. Те из дриопитеков, которые остались жить в тропических лесах, специализировались к древесной жизни и дали ветвь орангоидов; те, что попали в пограничную зону тропических лесов и открытых пространств, расчленились на несколько ветвей: шимпанзоидную (шимпанзе и гориллы), гигантопитековую (это самые крупные из когда-либо живших обезьян) и рамапитековую.

Рамапитеки — самые интересные животные. При небольших размерах они были всеядными, в строении скелета имели много общего с непосредственными предками-человека — австралопитеками, а также некоторые черты сходства с человеком. Многие исследователи полагают, что рамапитеки были прямоходящими и систематически употребляли в качестве орудий разные предметы природного происхождения — палки, камни и тому подобное, хотя прямых доказательств этому нет. Как ныне считает большинство антропологов, рамапитеки и стали предками непосредственных предшественников человека — австралопитеков, которые появились около 3 млн. лет назад.

Следующий этап развития Земли и жизни привел лик нашей планеты, растительность, животный мир к современному виду. Этому в значительной мере способствовали периодические эпохи похолодания, которых на протяжении последнего периода, называемого четвертичным, или антропогеном (из-за того, что главнейшим его событием было появление человека и человеческого общества), было не менее шести.

Так на протяжении 4,5 млрд. лет в процессе развития Земли как планеты возникла новая геосфера — биосфера, т. е. оболочка, состоящая из массы живого вещества, которая занимает поверхность суши, пронизывает верхние слои литосферы до глубин около 5–6 км (а может быть и больше), всю толщу гидросферы и нижний слой атмосферы — по крайней мере до высоты 9—10 км (т. е. тропосферу). С тех пор как биосфера возникла и закончила свое формирование около 400 млн. лет назад, она играет все более и более важную роль в жизни Земли.

Направленность эволюции

Эволюции биосферы посвящено множество книг, в том числе и популярных[27]. К этой литературе мы и отсылаем интересующегося подробностями читателя. Для дальнейшего изложения важны, однако, не столько детали эволюционного процесса, сколько его общие закономерности. Прежде всего бросается в глаза прогрессивный характер эволюции. Несмотря на отдельные отступления и неудачи, в целом развитие органического мира Земли идет от низшего уровня организации к высшему. Однажды появившись, жизнь оказывается необычайно стойкой. Непрерывно завоевывая себе все новые и новые области, живые организмы множатся и совершенствуются.

Корни «дерева эволюции» уходят в неорганический мир. Его вершина представлена приматами, в том числе человеком. Но какое многообразие ветвей! Перед нами действительно огромное «древо», выросшее из ничтожного «семени». Многие его ветви «тупиковые». Такова, например, ветвь насекомых, судя по всему достигших апофеоза в своем развитии. Секреты эволюционного процесса были, как хорошо известно, в основном раскрыты Чарльзом Дарвином. «Три кита» дарвинизма — изменчивость, наследственность и естественный отбор — объясняют то, что до Ч. Дарвина считалось проявлением сверхъестественных сил. Работы Ч. Дарвина нанесли сильнейший удар по метафизическому взгляду на природу. Они доказали, что современный органический мир, а следовательно, и человек — это продукт процесса развития, который длился миллиарды лет.

Естественный отбор подхватывает любое полезное для организма наследственное изменение и закрепляет его в потомстве. Этот природный механизм, по мнению Ч. Дарвина, не только объясняет прогрессивный характер эволюции в прошлом, но обеспечивает и будущий прогресс. Разумеется, развитие человеческого общества подчиняется особым социальным законам и принципы дарвинизма не могут быть использованы в социологии. Но в отношении других живых существ прогнозы Ч. Дарвина вряд ли можно оспаривать. «Материал» для естественного отбора поставляет изменчивость организмов. Эти случайные изменения либо отсекаются отбором (если они неудачны), либо дают начало новым ветвям «древа эволюции».

Экспансия, агрессивность жизни — еще одна характерная черта эволюции. Если бы внешние условия не мешали размножению некоторых организмов, они за чрезвычайно короткие сроки породили бы колоссальные массы живого вещества. Так, некоторые бактерии, размножаясь, за несколько суток могут дать потомство, равное по массе земному шару! У высших организмов этот «напор жизни» хотя и ослаблен, но подчас проявляет себя весьма заметно. Жизнь всегда стремится занять как можно больше «места под солнцем». С помощью обмена веществ живые организмы стараются пропустить через себя и переработать возможно большее количество неживого вещества. Экспансия жизни выражается и в биологическом состязании организмов, в этой разновидности борьбы за существование, которая сыграла решающую роль в эволюции органического мира Земли.

Но здесь нам хочется подчеркнуть, что в истории земной жизни заметно проявилось и другое — великая тяга живых существ к объединению, к единству. На это обстоятельство впервые обратил внимание в 1880 г. русский зоолог К.Ф. Кесслер, по глубокому убеждению которого тяга к единству, стремление к взаимопомощи являются положительным фактором прогрессивной эволюции. Эту важную идею развил знаменитый русский ученый и революционер П.А. Кропоткин, который в малоизвестной, к сожалению, книге «Взаимная помощь, как фактор эволюции» писал: «В животном мире мы убедились, что огромнейшее большинство видов живет сообществами и что в общественности они находят лучшее оружие для борьбы за существование… Виды животных, у которых индивидуальная борьба доведена до самых узких пределов, а практика взаимной помощи достигла наивысшего развития, оказываются неизменно наиболее многочисленными, наиболее процветающими и наиболее приспособленными к дальнейшему прогрессу». Не в этой ли черте биологической эволюции таятся ее будущие успехи?

Самая, пожалуй, общая черта эволюции биосферы — накопление информации в ходе эволюционного процесса. Понятие «информация» не просто. Оно принадлежит к числу самых сложных в теоретическом отношении и в то же время самых действенных на практике понятий. Разнообразие — наиболее общий синоним информации. Биологическая информация заключается в необычайном разнообразии организмов. Она закодирована в клеточных ядрах и через гены передается при смене поколений. В ходе эволюции биосферы в целом наблюдается рост информации, ее накопление. Как считает А.И. Перельман, в отдельные эпохи прошлого наблюдались «информационные взрывы», выражающиеся в бурном развитии новых, прогрессивных групп организмов. Таково, например, «взрывообразное» развитие рептилий в триасовый период (240–185 млн. лет назад), развитие млекопитающих в палеогене и др. В ходе эволюции биосферы происходило, конечно, и «захоронение» информации, свидетельством чего служат мощные слои органогенных пород. Но ступенчатая лестница эволюции все же ведет вверх, к накоплению все большей и большей информации. Энергетическим источником этого процесса накопления служит главным образом солнечная энергия, воплощенная в жизнедеятельности земных организмов. Таким образом, как предлагает А.И. Перельман, можно сформулировать следующий закон прогрессивного развития биосферы: «По мере развития биосферы и аккумуляции солнечной энергии происходила дифференциация вещества, образование геохимических барьеров, росло число видов организмов, усложнялась их структура, т. е. увеличивалась неорганическая и органическая (биологическая) информация[28].

Под знаком космоса

В главе об эволюции Земли и жизни мы видели, что развитие жизни на нашей планете неразрывно связано с этапами развития Земли как планеты, что каждой коренной перестройке земного шара отвечала соответствующая перестройка форм и преобладающего типа жизни. Однако эволюция органического мира Земли никогда не была изолированным от космоса процессом. Если солнечные ритмы, по-видимому, отразились в ритме жизни, а возможно, и в ритме геологических процессов, если излучение Солнца влияет на движение всей Земли в целом, отражаясь в скорости вращения Земли и движения ее полюсов, то тем более «дыхание космоса» должно было как-то сказаться на ходе эволюции биосферы. «Твари Земли, — писал В.И. Вернадский, — являются созданием сложного космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма…» [29].

Прежде всего само гравитационное поле Земли, в обстановке которого возникла и развивалась жизнь, отразилось в строении и функционировании земных организмов. Впервые идеи о роли гравитации в биологии были высказаны в 1882 г. К.Э. Циолковским. В статье «Биология карликов и великанов» он писал: «Снова возникает вопрос: почему в процессе эволюции человек не превратился в лилипута, если так велики выгоды малых размеров? Во-первых, абсолютная сила органов у больших существ все-таки больше, и в борьбе их с малыми последним приходится плохо. Во-вторых, умственные способности у больших существ все же преобладают. Это прибавляет победные шансы в борьбе. Будь иная сила тяжести на нашей планете, и размер наиболее совершенных людей, как, впрочем, и всех других существ, изменился бы… На Марсе, Меркурии и других маленьких планетах и спутниках можно бы ожидать большего роста сухопутных животных и сильнейшего развития мозга, если бы не препятствовали другие неблагоприятные условия»[30].

Эта идея о гравитации как важном факторе эволюции с большим трудом пробивала себе дорогу в науке. Лишь в 1960 г. была опубликована обстоятельная монография В.Я. Бровара[31], где на примере сельскохозяйственных животных анализируется связь строения их тела и гравитации. По мнению В.Я. Бровара, масса животного как механическая система не изолирована, она зависит от масс других тел, и в первую очередь, конечно, от массы нашей планеты. Сила тяжести, несомненно, влияет на возникновение и изменение многочисленных структурных и функциональных биологических особенностей любого живого существа нашей планеты.

Не только в работе самого В.Я. Бровара, но и в трудах советского биолога профессора П.А. Коржуева связь гравитации и эволюции показана на конкретных примерах[32]. Так, например, в эпоху появления первых наземных животных природа поставила естественный эксперимент. Из водной среды, где тяготение ослаблено (точнее, вес уменьшен), животные перешли на сушу, в условия воздушной среды и максимального проявления гравитационного поля. Это вызвало перестройку всего их организма, и в первую очередь способов дыхания и передвижения. Когда некоторые группы млекопитающих (китообразные и др.) вернулись к водному образу жизни, т. е. перешли в условия уменьшенного веса, это сказалось и на их морфологии, и на физиологии.

У позвоночных животных в преодолении гравитации основная роль принадлежит скелету. Он обеспечивает механическую прочность организма и уровень его энергетических затрат. Но главное приспособление к новой среде при выходе позвоночных на сушу — образование в костях костного мозга, очага синтеза гемоглобина. Почему синтез гемоглобина в прежних органах (селезенка, почки), пригодных для обитателей морей, при выходе их на сушу был заменен синтезом в костном мозгу? В воде вес животного меньше, чем на суше, а в земных условиях животное должно не только передвигаться, но и поддерживать тяжесть своего тела, т. е. преодолевать гравитацию, что требует гораздо больших затрат энергии. Такие затраты не могли обеспечить почки и селезенка, но вполне обеспечил их костный мозг. Отсюда следует, что чем более активно наземное позвоночное животное, тем больше у него должно быть костного мозга и тем тяжелее скелет.

Мощные рога диких высокогорных баранов нужны им прежде всего как богатые поставщики гемоглобина, крайне необходимого в разреженной атмосфере. По тем же причинам скелет млекопитающих в период внутриутробного развития весит относительно значительно больше, чем у взрослых животных. Наоборот, у китообразных скелет и костный мозг развиты весьма умеренно. Вообще в ходе эволюции наземных позвоночных животных масса костного мозга неизменно возрастала, достигнув у птиц и млекопитающих огромных величин (до 13 % массы тела!).

В ходе эволюции биосферы менялся климат Земли и в целом, и в отдельных районах. Многократно наступали эпохи большего или меньшего оледенения. Они сменялись периодами влажными и теплыми. Вместе с тем много раз отступало и наступало море, утихала или, наоборот, усиливалась вулканическая и тектоническая деятельность. Вообще периодизация геологической истории, ее разделение на эры и периоды, связана с периодическими колебаниями тектонической и вулканической активности Земли и климата. Легко проследить, что именно к этим критическим моментам в эволюции Земли, отмеченным границами геологических эпох, приурочены главные этапы видообразования и коренного обновления флоры и фауны нашей планеты. В частности, и появление человека произошло во время последнего крупного четвертичного оледенения.

Случайны ли все эти связи? Вряд ли. Хотя биосфера эволюционирует по внутренним, присущим ей законам, внешние резкие перемены среды, по-видимому, стимулируют скачкообразные переходы органического мира с одного уровня развития на другой. Но если колебания климата и ныне и в далеком прошлом связаны с солнечной активностью, то тогда и в эволюции биосферы Солнце выступает как великий дирижер. Как увлекательна должна быть та, еще не написанная книга, где ход эволюции биосферы увязан с многоритмичными колебаниями солнечной активности, где регулирующая роль Солнца будет прослежена во всех деталях!

То, что колебания солнечной активности весьма заметно отражаются в жизни современной нам биосферы, не подлежит сомнению. Даже человек не освободился пока от вредных солнечных влияний и в колебаниях частоты заболеваний многими болезнями (грипп, тиф, энцефалит и др.) проглядывают солнечные ритмы. Так как в периоды повышенной солнечной активности размножение микроорганизмов усиливается, можно думать, что в органогенных осадках прежних эпох удастся проследить отражение солнечных циклов. Если это предположение подтвердится детальными исследованиями литологов, то гипотеза о связи ритма эволюционного процесса с солнечными ритмами получит опытное подтверждение. Пока же эта гипотеза имеет не только сторонников, но и противников, считающих, что в эволюции Земли и ее биосферы влияние Солнца или ни в чем не выразилось, или по крайней мере было несущественным.

Живое вещество и биосфера

Мы уже много раз употребляли этот образный термин «живое вещество», введенный в науку В.И. Вернадским. Под «живым веществом» он понимал совокупность всех живых организмов Земли, всю их суммарную живую массу. Не следует путать «живое вещество» Земли с ее биосферой — особой земной оболочкой, в которой существует и действует «живое вещество» и где проявляется его влияние. Кроме живого вещества в состав биосферы входит «биогенное вещество», т. е. органоминеральные, или органические, продукты, созданные «живым веществом» (например, каменный уголь, битумы, горючие газы, нефть). Есть и третий компонент биосферы — «биокосное вещество», созданное живыми организмами вместе с неживой природой. Таковы, скажем, биогенные осадочные породы, кислород, частично, может быть, азот атмосферы и т. п.

«Живое вещество» Земли в настоящую эпоху представлено почти тремя миллионами видов животных, растений, микроорганизмов. Хотя на долю растений приходится «всего» 300 тыс. видов, именно растения благодаря фотосинтезу служат основой биосферы Земли. Из трех составляющих «живое вещество» микроорганизмы наиболее устойчивы к крайне суровым условиям внешней среды. Споры некоторых бактерий, например, остаются живыми в жесточайшем вакууме (10^-15 МПа), синезеленые водоросли великолепно себя чувствуют в активной зоне ядерных реакторов. Многие микроорганизмы, а также некоторые насекомые и высшие растения остаются жизнестойкими даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Живые бактерии встречаются на дне океана, внутри земной коры, в стратосфере — на высоте 20 км. Благодаря микроорганизмам создается впечатление, что жизнь — явление очень стойкое и почти ничто (кроме высоких температур в сотню градусов и выше) не может убить живое. Правда, животные и растения, особенно высшие, значительно уступают в стойкости вездесущим микроорганизмам.

Общая «биомасса» всей суши составляет примерно три биллиона (2,7×10¹²) тонн. Из них на долю почвенных микроорганизмов приходится около миллиарда тонн. Общая масса животных суши не превышает 3 % от массы наземных растений (кстати сказать, по массе позвоночные составляют всего около 1 %.) Хотя в суммарной биомассе суши преобладает биомасса древесных сообществ, наибольший эффект в создании плодородия почв принадлежит почвообразующим бактериям и травянистым растениям. К сожалению, мы не можем пока достаточно уверенно распространить эту статистику на обитателей морей и океанов: изучение океанских глубин только начинается.

Одно из характерных свойств «живого вещества» — это накопление и сохранение в своей биомассе энергии солнечного излучения. Именно эта солнечная энергия преобразуется в энергию органических соединений, в конечном счете в энергетическую базу жизни. Присутствие «живого вещества» придает энергетическим явлениям на поверхности Земли своеобразный оттенок. В ходе эволюции «живое вещество» Земли четко разделилось на два яруса. Нижний ярус образуют автотрофные организмы, извлекающие необходимые для жизни энергию и вещество непосредственно из неорганической среды. Таковы, например, почти вся растительность, анаэробные бактерии и т. п. Организмы второго, верхнего, яруса называются гетеротрофными. Они питаются существами нижнего яруса (растениями) или себе подобными гетеротрофами (таковы все хищники). Микроорганизмы могут быть и авто- и гетеротрофными. В конечном же счете, повторяем, жизнь Земли черпает свою энергию от Солнца. Накопленная «живым веществом» энергия по праву может быть названа свободной. Всякие действия живых существ есть проявление этой свободной энергии. Она же особенно ярко проявляет себя в размножении всего живого, в этом саморасширяющемся процессе самовосстановления. Как уже говорилось, источником энергии всех процессов, происходящих в биосфере, служит Солнце — его свет и тепло, а также другие виды солнечных излучений. Живые организмы, как подчеркивал В.И. Вернадский, превращают эту космическую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Живые организмы своим дыханием, своим питанием, своим обменом веществ, своею смертью и своим размножением, постоянным использованием своего вещества, а главное — длящейся сотни миллионов лет непрерывной сменой поколений, своим рождением и размножением порождают одно из грандиознейших планетных явлений, не существующих нигде, кроме биосферы. Этот великий планетарный процесс, по учению В.И. Вернадского, есть миграция химических элементов в биосфере, движение земных атомов, непрерывно длящееся больше двух миллиардов лет согласно определенным законам.

Вихрь жизни, постоянно усиливающийся, вовлекает в круговорот веществ в природе все большие и большие количества неорганического материала. Благодаря этому «живое вещество» уже давно стало активнейшей геологической силой. За один год живые существа Земли пропускают сквозь себя почти столько же углерода, сколько находится его в земной коре. В морях и океанах образовались многокилометровые толщи осадочных пород. Масса углекислоты в органогенных известняках, этих породах, созданных «живым веществом», в 10 раз превышает массу ледяного панциря Антарктиды.

Живые существа можно уподобить крошечным, но весьма многочисленным химическим заводам. Моллюски накапливают из морской воды медь, асцидии — ванадий, медузы — цинк, олово, свинец, губки — йод. Как уже говорилось, серные бактерии «производят» серу, а фуксы и ламинарии накапливают алюминий и т. д. В живых организмах скапливаются огромные количества неорганических веществ. Например, бора, калия, серы морские организмы содержат в десятки раз больше, чем морская вода; железа, серебра, брома — в сотни раз; кремния и фосфора — в тысячи; меди и йода — в десятки тысяч; цинка и марганца — в сотни тысяч раз! Отмирая, «живое вещество» оставляет сконцентрированные им химические элементы в поверхностных слоях Земли. Миллиарды тонн различных веществ отдаются организмами во внешнюю среду и снова захватываются ими. Из органических соединений, когда-то составлявших живые организмы, возникли энергетически ценные горные породы (например, нефть, торф, уголь).

Живые существа не только накапливают химические элементы. В других ситуациях они, наоборот, распыляют их, участвуют в процессах выветривания. Все эти странствования химических элементов, увлеченных вихрем жизни, вся эта биогенная миграция химических элементов — одно из основных свойств биосферы. Оценивая с эволюционной точки зрения биогенную миграцию химических элементов, В.И. Вернадский пришел к двум эмпирическим обобщениям, названным им биогеохимическими принципами.

1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы.

В сущности в этих двух принципах выражается вполне конкретно главное качество жизни — ее агрессивность, напор, стремление «переработать» как можно большее количество неорганического вещества. Жизнь — «живое вещество» — поистине является одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты. В.И. Вернадский писал, что в течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможным для всего «живого вещества», которое тогда существовало. Это положение можно считать, если это окажется нужным, третьим биогеохимическим принципом[33].

«Живое вещество» Земли на всех уровнях своей организации способно принимать и использовать информацию, поступающую из внешней среды. Так, фотосинтез растений контролируется сигналами внешней среды, несущими информацию о будущем состоянии этой среды (например, колебаниях температуры, светового режима). «Живое вещество» «штампует» сложнейшие органические соединения, что немыслимо без генетической информации, закодированной в нуклеиновых кислотах. В сущности в живом организме постоянно взаимодействуют информация и энергия. Чем совершеннее живое существо, тем большую информацию оно способно использовать. Именно эта способность и дает преимущества одним существам перед другими. Животные, например, используют информацию, поступающую не только из неорганической среды, но и от других живых организмов (например, запах зайца настраивает волка на преследование, а запах волка помогает зайцу избежать опасности).

«Живое вещество» активно противодействует возрастанию энтропии (так физики именуют меру вероятности осуществления данного состояния системы)[34]. Жизнь постоянно и с великим упорством (по крайней мере в масштабах Земли) «упорядочивает» природу. Ход эволюции совершается от простого к сложному, от более вероятного к менее вероятному. Конечно, этот факт не противоречит второму началу термодинамики, согласно которому всякая замкнутая система стремится к тепловому равновесию, к состоянию максимальной устойчивости, т. е. к максимуму энтропии. Ведь биосфера — открытая саморегулирующаяся система, и если в ней энтропия уменьшается, то лишь за счет увеличения энтропии в окружающей среде.

Из внешней среды в «живое вещество» поступает множество сигналов. Эта информация позволяет «живому веществу» наилучшим путем использовать накопленную им энергию. По-видимому, в ходе эволюции постоянно создается «перенасыщение» биосферы информацией. И как электрон в атоме, получив извне энергию, переходит на более высокий энергетический уровень, так и «живое вещество», накопив «избыточное» количество энергии, переходит на высший организационный уровень, совершив тем самым очередной эволюционный скачок.

Жизнь сравнивают с вихрем, вовлекающим в круговорот все большие и большие количества неорганического вещества. Сравнение образное и точное: в биосфере действительно происходит усиливающийся от эпохи к эпохе биологический круговорот атомов. Наряду с образованием «живого вещества» и накоплением им энергии совершается и процесс противоположный — превращение сложных органических соединений в минеральные вещества (например, вода). При этом выделяется и энергия, отчасти в форме тепла, но главным образом в форме химической энергии, носителями которой являются природные воды и газы. В конце концов этот «вихрь жизни», это постепенное совершенствование живого вещества привели к качественно новому этапу в развитии биосферы — на земле появился человек.