Наши развилки. Развилки эволюции природы на пути к человечеству

В период формирования Солнечной системы произошли значительные изменения в судьбах наших химических гидов. Они в течение приблизительно одного миллиарда лет, от 5,6 млрд. л.н. до 4,6 млрд. л.н., находились в протосолнечном газопылевом облаке, где встретились с другими атомами или молекулами, сформировав с ними те минералы, которые примут участие в строительстве нашей планеты. Так, Гидрожен в результате долгих странствий в облаке с весьма редким «населением» атомов и молекул, наконец, столкнулся с другим атомом водорода. Этот дуэт образовал водородную молекулу (Н2), которая спустя многие миллионы лет наткнулась на космический атом кислорода. Встреча привела к возникновению молекулы воды (Н2О) – Гидроженной воды. Оксижен, мчась в протосолнечном диске, объединился с другим атомом кислорода в молекулярный кислород. Через какое-то время эта молекула кислорода налетела на атом кремния, с которым у них получилось создать молекулу двуокиси кремния – минерал Оксиженный кремнезем (SiO2).

После вспышки нашей звезды в протопланетном диске создались условия для объединения молекулы воды с окисью магния и двуокисью кремния. Такое объединение породило один из гидросиликатных минералов – серпентин (окись магния – MgO – 43,0 %, двуокись кремния – SiO2 – 44,1 %, вода – Н2О – 12,9 %;). Интересным поворотом в судьбе гидов-братьев водородов стало то событие, что волею случая, Оксиженный кремнезем оказался как раз тем веществом, которое вместе с Гидроженной водой образовало молекулу Гидрожен-Оксиженного серпентина. Этот минерал в комплексе с другими соединениями сформировал обломок горной породы – планетеземаль[14 - Планетезима?ль – твердое космическое тело из частиц пыли, находящееся на орбите вокруг звезды. Планетезимали, имея размеры от нескольких миллиметров до килолметров, под воздействием гравитации могут собираются в крупную протопланету.] (пояснения по ссылке можно смотреть в разделе "Ссылки.." в конце книги) которая внесла свой мизерный вклад в формирование земного шара. Дальнейшие перипетии судеб Гидрожена и Оксижена будут определяться эволюцией нашей планеты.

Карбовеж, Карбомал путешествовали в протопланетной солнечной туманности в составе ядер атомов углерода (C). Недалеко от них в газопылевой среде находился Нитрожен (атом азота – N). По мере сжатия газопылевой туманности и превращения ее в более консолидированное облако, а затем и в протосолнечный диск, уменьшались расстояния между химическими элементами, что обеспечило возрастание частоты их столкновения и взаимодействия. Происходило формирование сложных органических молекул с участием атомов углерода и азота. Такие реакции, вероятно, даже многоэтапные, протекали с разной степенью активности по всему протосолнечному облаку, на ранних стадиях его эволюции. Особенно много органических молекул формировалось в обширном слое-кольце протопланетного облака, которое в будущем стало главным поясом астероидов, на границе внутренней и внешней областей, между Марсом и Юпитером. Определённая часть органики генерировалась также во внутренней области протопланетного диска, в том числе в газопылевом слое-кольце будущей Земли. В этом кольцевом скоплении газа и пыли Карбовеж и Нитрожен с другими атомами углерода и азота, а также с водородом и кислородом соединились в органическую молекулу Урацил (C4H4N2O2). Космический Карбовеж-Нитроженный урацил[15 - Вешествам и организмам, содержащим атомы-гиды, присваиваем названия с учетом имени соответствующего атома. Например, молекула гликольальдегид, включающая атом углерода Карбомал, получила название Карбомалный гликольальдегид. Таким образом, отмечаем «наших» молекул или живых организмов, выделяя их среди множества подобных, но не содержащих наши атомы-гиды.] существовал в форме аморфного вещества или иглоподобных кристаллов белого цвета. Доказательством возможности внеземного происхождения урацила стало его обнаружение в метеорите Мурчисон. Ученые предполагают, что урацил, прибывший на Землю в составе планетеземалей или в виде космической пыли, мог участвовать в образовании рибонуклеиновых кислот (РНК[16 - РНК – Рибонуклеиновая кислота? – вместе с двумя другими основными макромолекулами (ДНК и белки) входит в состав клетки всех живых организмов. Эти главные жизненные молекулы обеспечивают сохранение информации, кодирование, прочтение, регуляцию и выражение генов.]) – основного ингредиента для жизни. Не исключено, что многочисленные молекулы этого внеземного органического соединения, наряду с другими могли быть основой первых пребиотических или даже биотических химических конструкций на Земле. После возникновения жизни урацил является компонентом рибонуклеиновых кислот.

Карбомал вошел в состав органической молекулы Гликольальдегида (C2H4O2), для образования которой в реакцию вступили атомы углерода, кислорода и водорода. Атомы углерода – строительный материал для всех живых форм. Карбомалный гликольальдегид с представлял собой межзвездную молекулу сахара. Конечно, нет доказательств того, что Карбомал в протосолнечном облаке входил в состав именно такой молекулы. Однако о большой вероятности этого события свидетельствует обнаружение в 2000 году Джесом Йоргенсеном и Яном Холлисом гликольальдегида в звездной системе, расположенной недалеко от центра Галактики. Гликольальдегид может быть предшественником многих биологически активных соединений, например аминокислоты глицина, а также является необходимым компонентом одной из главных молекул для жизни – РНК. Попадание органических молекул на Землю могло служить важным фактором для зарождения жизни.

Флюор (P) и Ферум (Fe) в условиях протосолнечного облака создали фосфид железа (Fe3P), который затем вступил в реакцию с никелем и кобальтом. В результате это соединение усложнилось до железоникелевого фосфида в виде минерала шрейберзита {(FeNi9Co)3P}. Этому Флюор-Ферумному шрейберзиту предстояло еще несколько сот миллионов лет наблюдать за образованием Земли, находясь среди остатков протопланетного вещества. Только около 4,2–4,1 млрд. л.н., во время бомбардировки эти гиды попали на Землю.

2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ЭТАП ЭВОЛЮЦИИ ПРИРОДЫ К ЖИЗНИ

Природа в пределах нашей звездно-планетной системы после Солнечной развилки эволюционировала по нескольким планетарным вариантам. Направления эволюции природы на формирование Марса и Венеры, возможно, привели к образованию простейших живых существ, но дальнейшее развитие этих планет оказалось неблагоприятным для усложнения жизни. Эволюция Меркурия, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна не привели к появлению жизни. На некоторых спутниках этих планет предполагается возможность существования лишь каких-то примитивных форм жизни. Только уникальные характеристики эволюции Земли создали благоприятные условия для зарождения и усложнения живых организмов до современного человека. Ранняя эволюция Земли прошла через череду развилок, ведущих к появлению жизни. Самыми необходимыми для образования биотических объектов были эволюционные развилки: Земная, Лунная, Литосферная, Океаническая и Континентальная. Антропный маршрут развития природы, проходящий через эти развилки, выделим в качестве Геологического этапа эволюции природы в направлении к жизни. Еще этому этапу можно дать название – Добиотический, поскольку он готовил планету к возникновению живых организмов.

2.1. Земная развилка направила эволюцию Солнечной системы к человечеству. 4,567 миллиардов лет назад

Для создания сознательных существ типа человека разумного природа воспользовалась поворотом своей эволюции на Земной развилке. Это важное событие соответствует моменту образования земного шара, 4,56 миллиарда лет назад. Планета Земля попала на антропный эволюционный маршрут потому, что она по многим своим характеристикам оказалась благоприятной для появления, эволюции и современного обитания огромного многообразия живых существ от одноклеточных, относительно простых микроорганизмов до очень сложных макроживотных – людей, способных познавать окружающий мир и создавать комфортные условия для своего обитания. Землю можно характеризовать в качестве Планетной формы эволюции природы на пути к жизни.

2.1.1. Состав и структура Земли

Земля является сложной системой, эволюция которой направлена, как бы специально, на образование живых существ и их развитие до человечества. Для того чтобы понять – почему это удивительное явление природы связано с этой планетой, рассмотрим основные её характеристики. Приблизительно 4,56 млрд. л.н. завершилась первая стадия формирования земного шара. Осуществилась аккреция (слипание) около 99 % нынешней массы Земли. К этому времени наша планета практически полностью очистила свою орбиту от вещества, находившегося в газово-пылевом диске вокруг Солнца. На долю Земли и других планет осталось та, относительно малая часть холодного твердого и газообразного вещества, которая не была использована в процессе образования крупнейших объектов Солнечной системы: Солнца и Юпитера. После этих первых объектов Солнечной системы почти одновременно с Землей на разных орбитах нашей системы образовались другие планеты. Гравитационное поле придало Земле форму шара немного приплюснутого в полюсах – геоида. Сферическая форма присуща всем достаточно крупным космическим объектам: планетам, спутникам, звездам, галактикам, да и самой Вселенной. Средний диаметр планеты составляет 12742 км. Средняя плотность вещества планеты оценивается значением около 5,517 г/м3.

Первично все минеральные вещества и отдельные элементы находились в Земле в перемешанном состоянии. Немалую долю составляли углистые хондриты, которые являлись основным источником воды на Земле. Основной объем вещества был представлен соединениями кремния и железа. В более-менее однородной смеси разнообразных минералов довольно значительную долю составлял гидросиликат магния (Mg2SiO5H2), который содержал более 11 % воды по весу. Этот твердый минерал является одним из эффективных вместилищ воды, молекулы которой занимают второе место по распространенности во Вселенной после водорода. Гидросиликат магния остается стабильным в условиях земного ядра, то есть при давлении более 2 миллионов атмосфер и при температурах около 5000°C. На протяжении 30 млн. лет значительная часть воды в форме гидросиликатов сохранялась в ядерной части планеты. По мере погружения тяжелых железа и никеля к центру планеты и образования ядра происходило вытеснение силикатов выше – в слой, который постепенно превратился в мантию. В условиях меньшего давления гидросиликат магния стал нестабильным и разложился на оксид магния, силикат магния и воду. Вода в виде перегретого пара стала пробиваться к земной поверхности. Другие составляющие этого гидросиликата заложили основу мантии. Сейчас преобладающая масса этого водогенерирующего минерала уже израсходована.

Вода в результате гравитационного сжатия и химического преобразования протопланетного вещества начала проникать на поверхность планеты. Процесс перераспределения по плотности и гравитационного уплотнения первично холодного вещества сопровождался выделением огромного количества тепла, что привело к разогреву и расплавлению всей планеты, кроме внутреннего ядра. Состояние веществ в центре Земли, скорее всего, не соответствует нашим представлениям о расплавах и твердых веществах. Радиоактивный распад тяжелых элементов также послужил мощным источником внутреннего тепла. Радиогенное тепло в начальный период истории Земли значительно превышало современное, поскольку производилось большим количеством радиоактивных короткоживущих изотопов, которые к настоящему времени уже распались. Вносили свой вклад в тепловой баланс, как и сейчас, долгоживущие изотопы урана, тория, калия и некоторые другие.

Около 4,54 млрд. л.н. температура на поверхности Земли достигала 4000°C. Планета представляла собой расплавленный шар кипящего, газонасыщенного вещества. Спустя приблизительно тридцать миллионов лет, т. е. 4,51 млрд. л.н. планета остыла до 1500°C, что создало условия для обособления газовой оболочки в относительно стабильную атмосферу. Первичная газовая оболочка – Ранняя гелиево-водородная горячая атмосфера существовала на протяжении 30 млн. лет (4,51-4,48 млрд. л.н.), состояла из газов протопланетного облака – преимущественно из водорода (~95 %), гелия (~5 %), метана (от 0,83 до 0,75 %). Отсутствие магнитного поля у ранней Земли позволяло солнечному ветру (потоку частиц от Солнца) уносить в космос легкий водород и гелий. На смену этим компонентам первичной атмосферы поступали пары воды и другие газы из дегазируемой мантии и из испаряющихся космических веществ, падавших на Землю. Прежде всего, за счет активной вулканической деятельности поступили из недр огромные объемы водяного пара и других газов. Эти летучие соединения выделились из первичного вещества планеты, в котором они находились в связанном состоянии: вода в основном в гидросиликатах, углекислый газ в карбонатах, азот в нитридах и нитратах и т. д. Поверхность планеты продолжала охлаждаться до 700°C. В результате 4,48 млрд. л.н. произошла смена воздушной геосферы – сформировалась вторая – Палеокатархейская углекисло-водяная атмосфера. Вторая атмосфере состояла сначала из одного водяного пара, а затем с добавлением нарастающей доли углекислого газа (до 44 %), и немного других веществ: водорода (7 %), азота (6 %), аммония (3 %), гелия (2,4 %), метана (0,8 %), аммиака, сероводорода, хлористого водорода и некоторых других газообразных веществ. Вторая атмосфера просуществовала также около 30 млн. лет (до 4,45 млрд. л.н.). Этот этап тепловой истории Земли можно назвать «Расплавленная Земля», к концу, которого средняя температура поверхности уменьшилась до 500°C. Скорость вращения Земли вокруг своей оси значительно превышала нынешнюю, поэтому длина суток равнялась 4 часам 8 минутам.

Начало образования второй атмосферы (около 4,48 млрд. л.н.) коррелируется с завершением первичного распределения твердого вещества земного шара на сферические оболочки. Современная степень изученности Земли позволяет представлять нынешнюю нашу планету в виде сложной динамической системы, заключенной в толстостенный шар радиусом 6371 км. Массивная твердая оболочка шара (представленная корой и мантией) толщиной около 3000 км окружает полость, заполненную относительно жидким (вязким) веществом внешнего ядра. В центре этого жидкого слоя плавает небольшое твердое внутреннее ядро. От поверхности планеты к центру возрастают давление (до 3,61011 Па), плотность (до 12,8–13 г/см3) и температура (до ~6000 °C). Вращение такой сложной системы характеризуется разными скоростями обращения твердой оболочки и ядра.

Концентрация вещества планеты по плотности началась с обособления земного ядра радиусом ~3,4 тыс. км. Тяжелые металлы (преимущественно железо и его минералы, а также никель) погрузились в центр, формируя внутреннее суперплотное ядро радиусом ~1,2 тыс. км и внешний жидкий слой железо-никелевого ядра толщиной ~ 2,2 тыс. км. Внутреннее, центральное ядро в форме шара расположено на глубинах от 5150 до 6371 км. Элементный состав этой части земного шара представлен в основном железом (около 90 %) и никелем, кроме того, присутствуют минералы серы, кислорода и ряда других элементов. Внутреннее ядро проявляет себя в геофизических полях как неоднородное тело: наружная оболочка включает огромные, протяженные кристаллы (длиной около 10 км.), ориентированные с юга на север, а центральная часть ядра заполнена кристаллами, вытянутыми с запада на восток. Однако прежде вещество как внешнего, так и внутреннего ядра было жидким. Постепенное охлаждение недр Земли со скоростью около 100 °C за миллиард лет привело к затвердению внутреннего ядра. По одним оценкам твердое ядро сформировалось к рубежу около 1,24 млрд. л.н. (к концу эктазия), по другим – около 550 миллионов л.н. (к концу венда).

Сохранение к настоящему времени довольно высокой температуры во внутреннем ядре может быть объяснено, в какой-то степени радиоактивным распадом изотопов урана, тория и возможно некоторых других элементов. Хотя этот источник тепла не может быть основным по причине ничтожно малого содержания радиоактивных элементов в ядре по сравнению с земной корой. В земной коре эти, очень тяжелые долгоживущие радиоактивные элементы оказались потому, что их соединения с легкими элементами имеют малую плотность. Благодаря весьма высокому давлению вещество в ядре не кипит, несмотря на огромную температуру. Считается, что внутреннее ядро постепенно увеличивается в размерах за счет охлаждения и затвердевания переходной зоны от жидкого ядра.

Внешний слой железо-никелевого ядра (слой E), или, иначе говоря, внешнее ядро, представляет собой жидкую оболочку, которая обволакивает внутреннее твердое ядро. Состав внешнего ядра представлен в основном железом, его оксидами, никелем, в небольшой пропорции – кремнием, серой и другими примесями. Жидкое его состояние объясняется тем, что меньшее давление при высокой температуре в этом слое не обеспечивает затвердение раскаленного металла. Сохранение до настоящего времени на нашей планете жидкого состояния вещества во внешнем ядре является важным её отличием от других планет земного типа Солнечной системы. Наличие твердого ядра (слоя G) в жидкой оболочке представляется одной из тех важных особенностей планетного направления эволюции природы, которое связано с Земной развилкой. Конвекция вещества во внешнем ядре, которая подобна бушующему морю жидкого металла, порождает земной магнетизм. Появление и эволюция жизни на нашей планете во многом обязаны наличию геомагнитного поля, генерация которого связана с присутствием именно пары – внутреннее твердое ядро в жидком слое внешнего ядра, что является своеобразной динамо-машиной. Магнитосфера вокруг Земли защищает все живое от губительного воздействия заряженных частиц космоса и солнечного ветра, о чем описано выше, в разделах: Ранняя магнитная развилка и Поздняя магнитная развилка эволюции Земли.

Исследования показали, что внутреннее ядро и внешний слой вращаются в разные стороны. Внешнее жидкое ядро вращается вокруг своей оси с востока на запад, а внутреннее – с запада на восток. Интересно, что скорость вращения внутреннего ядра немного превышает скорость обращения в целом планеты. Центр Земли является мотором, который обеспечивает активность всех систем планеты, включая биосферу. Например, на Марсе всё ядро уже отвердело и там прекращена глобальная тектоника, отсутствует магнитное поле, способное защитить живые организмы. Эта планета лишилась внутренней энергии, она стала «мертвой», не способной к рождению и эволюции жизни.

Обособление земного ядра не означало прекращение его подпитывания новыми порциями тяжелого вещества, источником которого была и остается мощнейшая оболочка – двухслойная мантия, перекрывающая ядро. В мантии собрано две трети планетного объема, в то время как на ядро приходится одна треть. Мантия состоит в основном из соединений кремния, магния, кислорода, железа, кальция и алюминия. Её состав до сих пор остаётся очень близким к первичному веществу Земли, несмотря на продолжающиеся более 4 млрд. лет активные процессы химико-плотностной дифференциации. За счет такой дифференциации происходит вещественное обеднение мантии. Постепенно тяжелые соединения перемещаются из мантии к центру – в ядро. Легкие элементы и их минеральные комплексы всплывают в верхние слои планеты, формируя и обновляя литосферу, гидросферу и атмосферу. В результате в мантии теперь отсутствуют тяжелые железо, никель, а также соединение железа и серы – сульфид железа. А также произошло обеднение состава первичного вещества мантии легкими веществами (азотом, водородом, оксидами калия и натрия и др.). Зато за счет химико-плотностной дифференциации мантия обогатилась окислами кремния (SiO2) и магния (MgO). Первичное вещество Земли содержало 57 % этих двух окислов, а современная мантия – 83 %.

Мантия перекрыта корой, подошва которой называется границей Мохоровичича (сокращено, Мохо). Переход от коры к мантии отражается резким возрастанием плотности горных пород, который прослеживается на глубинах от 7 км (под океанами) до 70 км (под горными массивами). Мантия разделена на две части: верхнюю мантию и нижнюю. Верхняя мантия имеет толщину ~ 980 км, нижняя – 1920 км.

В верхней мантии самый верхний слой (волновод Гутенберга) имеет твердую кристаллическую структуру, не отличающуюся от вышележащей коры. Поэтому этот слой мантии совместно с корой образуют литосферу. Литосфера подстилается пластичной оболочкой мантии – астеносферой. Кровля астеносферы характеризуется фазовым переходом от кристаллических пород к пачке частично расплавленных пород, совпадающим с изотермой 1200–1300 °С. Она простирается на разных глубинах: от минимальных в зонах срединно-океанических хребтов под океанами (50 км) до максимальных (~ 200 км) под материками. Толщина астеносферы ~ 150–200 км и более. Нижняя граница нерезкая, приблизительно совпадает с изотермой 1500–1600 °С. Повышение температуры или снижение давления приводит к увеличению расплава в астеносфере и к образованию магматических камер, питающих магматизм. Астеносфера образует сплошную оболочку с изменяющейся по латерали вязкостью-пластичностью. Предельная глубина самых глубокофокусных землетрясений соответствует подошве глубокозалегающей астеносферы, до ~ 650 км, что указывает на определенную роль астеносферы в происхождении всех землетрясений. В астеносфере реализуется наиболее активная мантийная конвекция, движущая литосферные плиты. В астеносфере зарождаются все тектонические процессы, которые происходят в литосфере. Поэтому астеносфера в совокупности с литосферой называется тектоносферой.

Астеносфера состоит из 5–6 слоев, представленных чередованием твердых и расплавленных ультраосновных пород (дунитов, перидотитов и др., состоящих в основном из цветных минералов – оливина, пироксенов; бедных кремнием – SiO2; обогащенных магнием). В целом состав астеносферы представлен минералами: оливином 57 %, пироксеном 29 %, гранатом 23 %. Плавление пород при огромных температурах и давлениях на таких глубинах возможно только в присутствии воды. Откуда вода там? Дело в том, что находящийся там минерал роговая обманка имеет в своем составе связанную воду, которая при тех температурах приобретает свободную форму. Эта вода способна обеспечить частичное плавление пород астеносферы.

Вещество астеносферы не обладает пределом прочности, в отличие от литосферы, поэтому оно может деформироваться (течь) под действием даже очень малых избыточных давлений. Конвективное течение вещества астеносферного слоя увлекало за собой литосферу, расколов ее на ряд крупных и множество мелких плит. Под воздействием поднимающихся по разломам раскаленных магматических масс из мантии происходило раздвижение (спрединг) плит в океанах и наращивание новых участков океанической коры. Такие зоны называются срединно-океаническими хребтами. От этих зон литосферные плиты медленно раздвигаются. В зонах столкновения одна плита поддвигается под другую (субдукция), возникает глубокий океанический желоб. Рядом возникает цепь вулканов и гряда высоких гор (например, Гималаи поднялись 45 млн. л.н. в процессе столкновения Индийской и Евразийской плит). В океанических желобах литосферные плиты погружаются в земные недра с температурами более 500 °С, где происходит переплавление погрузившихся пород. Проникшие в мантию горные породы снова изливаются на поверхность в виде раскалённой магмы в зонах раздвижения плит. Такой механизм постоянной переработки вещества планеты за счет горизонтального перемещения литосферных плит способствует продолжению дифференциации вещества по плотности и формированию все более сложных минеральных форм. Астеносфера является основным источником эндогенных процессов в земной коре (магматизма, метаморфизма).

Под тектоносферой, между верхней и нижней мантией на глубине ~ 400 км существует следующий фазовый переход (слой Голицына[17 - Под астеносферой залегает слой Голицина, фазовое состояние которого заставляет атомы и минералы приобретать очень плотную упаковку, значительно повышающую плотность горных пород. Под слоем Голицина (на глубинах 700-1000 км) распространяется нижняя мантия, в которой еще больше уплотняется структура вещества. Нижний слой мантии прослеживается до глубины 2900 км, с которой начинается жидкое внешнее ядро.], слой C, переходная зона толщиной 600 км), обусловленный увеличением давления с глубиной без изменения химического состава. На этой границе минералы граната и шпинели приобретают более плотную структуру перовскита и ильменита (FeTiO2, примеси: магний, марганец), характерную минералам нижней мантии. Распространяется нижняя мантия до глубин около 2900 км. Толщина её достигает 2230 км. Температура составляет до 2000 °С.

В составе нижней мантии (слой D), на её границе с ядром выделяется переходная зона на глубине около 2700 км, толщиной около 200 км. Здесь осуществляется значительное освобождение силикатной мантии от железа, которое переходит в ядро. В этой зоне облегченное вещество формирует плюмы, которые представляют собой горячие потоки мантийного вещества, движущиеся вверх от основания мантии. Плюм представляет собой субвертикальную колонну диаметром около 100 км с грибообразной верхней частью. Они поднимаются от границы мантии и ядра с глубины 2980 км или от границы нижней и верхней мантии с глубины около 660–670 км и выносят под литосферу вещество и тепло глубинных недр Земли. На поверхности Земли над плюмами возникает область вулканизма, формируются трапповые провинции, внутриконтинентальные рифты и другие геологические явления. Тектоника плюмов, наряду с тектоникой литосферных плит, определяет изменения в строении Земли, её рельефе и составе. Каким образом горные породы мантии, не менее твердые, чем сталь, способны течь в недрах планеты? Дело в том, что пластическим деформациям способствует очень длительная продолжительность времени, в течение которого массивы горных пород находятся в механическом напряжении. Высокое давление и значительная температура в недрах способны вызвать пластические деформации кристаллических минералов. Кроме того, в определенных жестких термобарических условиях кристаллические тела превращаются в аморфные, которые могут течь подобно жидкости. Породы на глубинах от 15–20 км и глубже, оставаясь твердыми, способны быть пластичными. Такие же минералы, как, например, галит (каменная соль, NaCl) обладают способностью течь и формировать грибообразные колонны, купола на глубинах от 2–3 км и более. В практике бурения нефтедобывающих скважин глубиной 3–6 км часто встречаются случаи, когда каменная соль или пласты глины проявляют свои пластичные свойства тем, что сдавливают в стволе скважины буровые инструменты.

Недра Земли представляют собой сложный механизм генерации и поставки энергии на поверхность. В этом механизме невозможно выделить главный элемент, поскольку каждый является необходимой частью системы. Тем не менее, подчеркнем, что в мантии, всегда – начиная с её обособления от ядра, происходят мощные конвективные движения, благодаря которым тепло ядра и самой мантии передается в вышележащие сферы. Состав ядра постепенно изменяется за счет перемещения струй вещества из ядра в мантию. Иногда эти струи даже проникают на поверхность планеты, где их вещество окисляется и вновь погружается в форме столбообразных потоков к центру Земли. Это приводит к ответному перетоку струй вещества из ядра в мантию. Исследования изотопов вольфрама, которые присутствует в ядре и в мантии, показали, что период земной истории после распределения вещества планеты на оболочки, между 4,3 и 2,7 миллиарда л.н. характеризовался почти полным отсутствием обмена материала между ядром и мантией. Зато, начиная с границы 2,5 млрд. л.н., такой обмен до сих пор активно протекает. Интересно, что временной рубеж новой активизации перетока материала ядра в мантию и обратно совпал с поворотом эволюции на Окислительной развилке. Процессы в мантии являются источником энергии и вещества для вулканизма, землетрясений, горообразования, формирования рудных месторождений и движения тектонических плит.

После краткого ознакомления с внутренним строением нашей планеты, в следующем разделе перечислим некоторые особенности Земли, которые привели ее к обитаемости. Эти характеристики, возможно, являются уникальными, возникшими благодаря повороту эволюции природы на Земной развилке. Все другие планетные развилки вели к формированию планет, обладающих определенной совокупностью общих характеристик, но в каждом случае это были объекты с большим набором собственных данных. Природа всегда находится в поиске нового, и ей не свойственно повторяться полностью, во всех деталях. Кто-то в той или иной части нашей Вселенной, может быть, и обладает свойством осознавать свое существование, но почти невозможно, чтобы эти разумные существа были похожими обликом на нас. Невероятно много событий в эволюционном пути тех существ должно совпасть с эволюцией природы до земного человека, чтобы получилось два аналога. Земная развилка эволюции Солнечной системы представляется одним из решающих событий в судьбе человека разумного.

По мнению ученых, среди не менее 600 миллиардов планет Галактики имеется приблизительно 1 миллиард тех, которые сходны по размеру с Землей. Образование этих космических тел дало начало такому же числу развилок планетной эволюции. К настоящему времени выявлено около 6000 экзопланет в нашей Галактике. Эта цифра постоянно увеличивается за счет открытия все новых планет вне пределов Солнечной системы. Наблюдаемая астрономами несходность всех известных космических объектов убеждает в том, что при подобии каких-то характеристик планет, все же каждая из них эволюционирует своим неповторимым образом.

2.1.2. Предрасположенность Земли к жизни

Что же такое важное присуще Земле как планете, которое способствовало зарождению и эволюции жизни? Перечислим некоторые главнейшие характеристики, свойственные нашей планете в целом. Прежде всего, отметим, что необходимым условием обитания планеты является наличие разнообразных химических элементов. Большинство космических объектов и даже химически богатые области галактик представлены почти на 98 % водородом и гелием. Земле, как уже отмечалось выше, повезло образоваться на одной из внутренних орбит Солнечной системы, откуда Солнце выдавило во внешнюю область преобладающую часть водорода и гелия, оставив значительную долю всех более тяжелых элементов. Из этого разнообразия элементов были образованы каменные планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Земля скомпонована из соединений всех 92 химических элементов, включая воду и определенный объем органических веществ, т. е. молекул углерода с водородом (метан, CH4 и другие, более сложные молекулы), с кислородом (окись углерода, CO и диоксид углерода – углекислый газ, CO2). Поэтому Земля после затвердения поверхности представляла собой огромное многообразие химических соединений в форме простых кристаллов (например, таких как графит или алмаз) и сложнейших многомолекулярных минералов, а также разнообразных горных пород. Конечно, единые химические законы во Вселенной обусловили распространение многих одинаковых минералов в протопланетном диске, на Земле и других планетах. Но значительное количество соединений могло образоваться только в специфических геохимических условиях Земли. Например, на Земле атмосфера с высоким содержанием кислорода преобразует некоторые «космические» минералы в другие, земные вещества. Так, земным соединениями являются многие из аминокислот – молекул, из которых сделаны все белки, а также генетический материал для нуклеотидов. На нашей планете образовалось большинство известных углеводов, часто используемых организмами в роли батарейки для хранения энергии. Скорее всего, земное происхождение имеют также жирные фосфолипиды, которые образуют клеточные мембраны.

Земля образовалась на расстоянии 150 млн. км от Солнца, почти посередине узкой обитаемой зоны. Уже это обстоятельство дало шанс природе на создание биосферы, поскольку именно такое расстояние обеспечивает оптимальный для жизни температурный режим земной поверхности, при котором вода существует в жидком виде. Уникальность положения Земли подтверждается температурными условиями на поверхности планет Солнечной системы. Так, температура на них по мере удаления от Солнца изменяется следующим образом, в °C: Меркурий средняя + 167 (от 427 до -173), Венера +460, Земля 7,2 (от -91,2 до +70,7), Марс -65 (от -140 до +20), Юпитер -110 (в ядре Юпитера +24000, горячее, чем на поверхности Солнца), Сатурн -140 (в ядре 11700), Уран -195 (в ядре около 4740), Нептун -200 (в ядре около 7000). Только температура на поверхности Земли обеспечивает присутствие воды в жидкой фазе в среднем всегда, а в разных частях планеты в то или иное время. Присущий Земле оптимальный режим прогрева недр обеспечивает циркуляционное перемещение масс вещества планеты, что, в свою очередь, вызывает действие внутренней динамо-машины, вырабатывающей магнитное поле Земли. Кроме того, стабильное радиоактивное тепло является основным источником энергии для постоянных процессов тектоники литосферных плит (раздробленности и подвижности литосферы), магматизма и вулканизма. Не будь магнитного поля и движения материков, не было бы известных нам форм жизни. Уникальным для Солнечной системы, а возможно, для Галактики является содержание в недрах Земли радиоактивных элементов урана и тория в таких количествах и в таком их соотношении, радиоактивный распад которых обеспечивает благоприятный для жизни тепловой режим планеты, начиная с рубежа около 4,1 млрд. л.н. (эоархейская эра) и до сих пор. Если бы объемы урана и тория отличались в меньшую или большую сторону в два-три раза от реальных земных значений, то их тепловой эффект не дал бы необходимые для обитаемости результаты. Так, в случае малого содержания этих долгоживущих радиоактивных веществ, планета была бы недостаточно тектонически активна, магнитное поле не существовало бы. При варианте их повышенного количества, Земля все время находилась бы в расплавленном состоянии, что совсем не подходит для живых существ.

Удачным для Земли оказалось не такое уж далекое соседство с гигантским Юпитером, который обладает очень сильным гравитационным полем. Благодаря воздействию этого поля были отклонены от Земли траектории многих комет, способных нанести огромные разрушения Земле. Можно сказать, что Юпитер – космический защитник человечества.

Параметры движения нашей планеты являются оптимальными для обитания. Дело в том, что существующий наклон земной оси под углом 23° обеспечивает смену времен года и тем самым, создает благоприятные условия для эволюции жизни. В том случае, если бы этот наклон составлял, например, 90° по отношению к Солнцу, то на Земле не было бы четырех времен года. При таком варианте параметров движения Земли, то есть без смены времен года, условия обитания не были бы благоприятными. Дело в том, что в областях северного и южного полюсов были бы постоянные холодные сумерки, где замерзала бы вода, испаряющаяся и переносимая ветром из экваториальных, прогретых частей океанов. В течение довольно короткого периода времени полярные регионы планеты превратились бы в огромные скопления льда и снега, в то время как остальная часть Земли превратилась бы в сухую пустыню. Океаны испарились бы. Угол наклона земной оси во многом обусловливает особенности земного климата. Не вызывает сомнения тот факт, что иные условия на нашей планете направили бы эволюцию живых организмов по совсем иным направлениям, чем это фактически произошло. При иных вариантах эволюции живой природы возникли бы другие виды животных, разумными среди которых совсем не обязательно были бы люди. Людям очень повезло, что сложившееся стечение обстоятельств обеспечило благоприятные условия формирования и эволюции на Земле известного разнообразия живой природы, включая человека современного типа.

Орбита Земли вокруг Солнца имеет форму близкую к эллипсу. Перемещение нашей планеты происходит с запада на восток со средней скоростью 29,78 км/c (около 107 200 км/ч). Каждый год она проходит путь более 940 млн. км, приближаясь к Солнцу в перигелии, затем максимально удаляясь от нашей звезды в афелии. Согласно гипотезе Миланковича, климат Земли в значительной степени зависит от характера её движения по орбите. Например, когда время прохождения Земли перигелия приходится на зимнее солнцестояние в северном полушарии (происходит 21 или 22 декабря), тогда лето приходится на прохождение Земли на максимальном расстоянии от Солнца.

В этом случае лето северного полушария становится более продолжительным и прохладным, что вызывает увеличение ледников. Миланкович считал, что: «Не суровая зима, но прохладное лето способствует надвиганию ледников». Через очередные 11 тыс. лет Земля проходит перигелий в момент летнего солнцестояния, что приводит к короткому и жаркому лету в северном полушарии и к сокращению ледников. Например, летнее солнцестояние в северном полушарии, в XXI веке приходится на 20 или 21 июня. В то же время для южного полушария наступают времена похолодания и активизации оледенения.

Следует отметить, что отмеченные особенности движения Земли по орбите вносят свой вклад в смену климата планеты, но вовсе не являются её единственным и решающим фактором. Смена климата на Земле имеет уникальный характер, присущий только этой планете, поскольку определяется множеством параметров самой планеты и её взаимодействием с ближайшим космосом. Климат Земли значительно изменялся по мере эволюции планеты и характеризовался разной продолжительностью ледниковых и межледниковых эпох. Например, в палеогене (65,5-23 млн. л.н.) на протяжении 40 млн. лет существовал устойчивый теплый климат. В отличие от этого периода, в последний миллион лет циклы смены эпох тепла и холода (циклы Миланковича) происходят таким образом, что ледниковые периоды наступают каждые 100 тысяч лет. Нам повезло жить в период одного из самых теплых за последний миллион лет межледниковья, которое называется «голоцен» и длится около 12 тысяч лет. Межледниковье голоцен пришло на смену холодному периоду, называемому «поздний дриас». В период от 9 до 5 тыс. л.н. Земля переживала «климатический оптимум[18 - Климатический оптимум – самый тёплый интервал времени в каждом межледниковье четвертичного периода (2,5 млн. лет назад – нынешнее время). Во время оптимума существовали благоприятные условия для ускоренного прироста человечества.] голоцена» («Атлантический оптимум»), когда температура на 1–3°C превышала нынешние значения. Прогнозируется окончание голоценового межледниковья и начало новой ледниковой эпохи через несколько тысяч лет.

Период вращения Земли вокруг своей оси со времени появления жизни и до наших дней обеспечивал смену света и темноты сначала каждые 5 часов 40 минут, постепенно увеличиваясь до 24 часов. Такой, достаточно быстрый переход от ночи ко дню позволяет земной поверхности прогреваться достаточно равномерно. При медленном вращении, стороны планеты поочерёдно невероятно сильно прогревались бы и ужасно охлаждались бы.

Важнейшей глобальной особенностью Земли, определяющей её обитаемость, является её ядерно-оболочечное строение. Каждая из сфер планеты выполняет ту или иную функцию в обеспечении зарождения и эволюции жизни. Кроме того, внутренние раскаленные недра, твердая – литосфера, водная – гидросфера и воздушная – атмосфера постоянно обмениваются между собой веществом, энергией и информацией. Только постоянное их взаимодействие определяет способность каждой сферы быть полезной для жизни. Пока не известны планеты с подобным набором разнородных оболочек ни в Солнечной системе, ни среди выявленных к настоящему времени более 6000 экзопланет. Так, атмосфера имеется далеко не у всех планет. Гидросфера в виде водных бассейнов отсутствует у планет Солнечной системы в настоящее время и только предполагается по косвенным данным у некоторых экзопланет Галактики. Твердая оболочка имеется в Солнечной системе только у плотных, каменистых планет – Земли, Марса и Венеры, а также у некоторых спутников, но Марс и Венера давно уже не имеют гидросферы. У них отсутствует перемещение тектонических плит, и практически нет магнитного поля. Газовые гиганты Юпитер и Сатурн, состоящие в основном из водорода и гелия, а также ледяные гиганты Уран и Нептун, не обзавелись планетарной корой и не имеют жидкой гидросферы.

У Земли имеется полный набор физических полей с оптимальными характеристиками. Так, наша планета обладает умеренным гравитационным полем, способным удерживать основную массу атмосферы оптимального состава, без которой невозможна эволюция жизни по земному сценарию (направлению). При меньшем размере и слабом гравитационном поле у нее отсутствовала бы атмосфера, как, например, у Меркурия и Плутона. Будь Земля такой большой, как Юпитер или Сатурн, то сверхпритяжение сформировало бы такую плотную атмосферу, что давление на глубине 10 км от поверхности облаков достигало бы миллион земных атмосфер, а температура составляла бы около 5000°C. Горячий водород, сжатый в таких условиях, имел бы характеристику жидкого металла.

Геологическое строение глубинных недр Земли обеспечило функционирование естественного гигантского магнита, создающего внутри и вокруг планеты довольно сильное магнитное поле, которое предохраняет поверхность от атаки губительных для жизни солнечных протонов и других космических излучений. Земля располагает электрическим – естественным (теллурическим) полем, источником которого, возможно, являются стратосферно-электрические процессы, грозы, электрохимические процессы и электромагнитная индукция в ядре Земли. По одной из существующих гипотез первые живые организмы сформировались благодаря электрическим разрядам в атмосфере. Сейсмическое поле – поле механических колебаний, возникающее из-за постоянной разрядки механических напряжений в литосфере, вносит значительный вклад в эволюцию планеты. Различные источники теплового поля обеспечивают энергией геологические и биологические процессы. Земля на протяжении всего своего существования, в отличие от многих других планет, получает оптимальные объемы тепла. Такое количество тепла, с одной стороны, обеспечивает существование не замерзшей, жидкой воды на всей планете. С другой стороны, земная вода не испарилась. Тепловой баланс планеты формируется за счет таких источников тепла, как: излучение Солнца, сила трения, приливные силы, радиоактивный распад, гравитационная дифференциация вещества в недрах. Наибольший тепловой поток из недр приурочен к срединно-океаническим хребтам и континентальным рифтам, наименьший – к самым древним областям континентов. Тепловая история Земли обеспечила такую эволюцию всех оболочек (литосферы, гидросферы с криосферой, атмосферы, биосферы и ноосферы – «сферы разума»), которая привела к появлению и значительному развитию жизни.

Земля располагает огромными запасами жидкой воды, без которой нет ни единого живого организма. Необходимая для жизни вода обеспечивает перемещение различных веществ в растениях, животных и в других организмах. В земных условиях вода распространена в Мировом океане, на поверхности и в ледниках континентов, а также в подземных резервуарах и в минералах (в химически связанном виде). Вода в роли живительной влаги и как фактор многих геологических процессов имеет возможность участвовать в круговороте, постоянно перемещаясь и изменяя фазовое состояние и свой состав.

Наша планета, скорее всего, обладает уникальной эволюцией атмосферы потому, что далеко не все планеты Галактики сохраняют какую-то одну атмосферу на протяжении нескольких миллиардов лет, а тем более маловероятно, чтобы в истории какой-то экзопланеты произошла смена семи атмосфер с разными составами, аналогичными земным воздушным сферам. Например, на Земле третья – Мезокатархейская водно-азотно-углекислая атмосфера[19 - Эволюция состава третьей атмосферы: СО

= 67–29 %, N= 14–28 %, H

O = 8–0%, NH

= 2,8–1,3 %.], которая существовала в период от ~ 4, 45 до 4,1 млрд. л.н., участвовала в подготовке условий для начала образования химических соединений – предшественников живых химических систем. Следующая, четвертая – Эоархейская углекисло-азотная атмосфера в течение от 4.1 до 3.5 млрд. л.н. постепенно изменялась в сторону увеличения доли азота (от 50 до 98 %) и убывания углекислого газа (от 20 до 2 %). В воздухе появился важный парниковый газ – метан, дегазированный глубинными недрами. Состав воздуха имел восстановительную реакцию, кислород практически отсутствовал. Эта атмосфера, наряду с соответствующими гидросферой и литосферой обеспечили многовариантную возможность продолжения химической эволюции Земли. Один из реализованных вариантов привел к появлению Биотической развилки, направившей эволюцию природы на синтез сложнейших химических соединений (в частности, молекул нуклеиновых кислот), представляющих основу живой природы. Наконец, наша планета 700 млн. л.н. создала седьмую – Неопротерозойско-современную кислородно-азотную атмосферу, в которой все мы обитаем, и которая отличается от всех известных нам планетных атмосфер. Состав седьмой атмосферы претерпел интересные изменения: азот уменьшился (N= от 98 % до 77 %); кислород постепенно увеличился, но затем немного снизился (O=1%24%21 %); аргон сократился, но к настоящему времени снова возрос (Ar= 0,9%0,17 % 0,92 %). Содержание углекислого газа в течение последних 700 млн. лет несколько раз очень сильно возрастало, но к настоящему времени снизилось до начальных малых значений[20 - Характер изменения доли углекислого газа (СО

) в седьмой атмосфере, т. е. за последние 700 млн. лет в направлении от древности к нашим дням: 0.04%5 % 0,12 % 4%0,04 %.]. Данная атмосфера обеспечивает сохранение и эволюцию жизни. Она снабжает кислородом дыхание живых существ и углекислым газом питание растений. Важным компонентом атмосферы является слой озона, разновидности кислорода, который нейтрализует вредное воздействие солнечного и космического излучений на живые организмы. К тому же, земная атмосфера поддерживает температурное равновесие на поверхности. Она в качестве своеобразного покрывала предотвращает значительное охлаждение поверхности по ночам и быстрое её нагревание днем. Атмосфера предохраняет живые организмы от постоянной атаки космическими телами, так как она сжигает большинство из них.

На Земле в течение последних более 4 млрд. лет существовали температурные условий в атмосфере и гидросфере, благоприятные для обитаемости. Со времени зарождения жизни на Земле и до наших дней не было таких моментов, чтобы одновременно во всех участках биосферы планеты температура повышалась сверх точки кипения воды или снижалась до её замерзания. В те периоды, когда среднегодовая температура на большей части поверхности Земли значительно понижалась, и наступали ледниковые периоды, большая часть живых видов вымирала. Но даже в такие критические эпохи оставались на планете места, где живые организмы выживали и продолжали эволюционировать.

Земля характеризуется многообразием природных условий, включая климатических. Важным является то, что за историю существования наша планета подверглась многочисленным космическим и геологическим воздействиям, обеспечившим природе обширнейший набор вариантов эволюции. Если бы эволюция состава земной атмосферы пошла несколько иными направлениями, то мог быть вариант превращения Земли в горячую планету, подобную Венере, в случае большей доли углекислого газа на начальном этапе истории планеты. Если бы эволюция Земли привела к увеличенному объему воды, тогда океан покрыл бы всю поверхность, и не было бы материков и наземных существ, включая людей. Мог быть вариант превращения планеты в сплошную снежную пустыню и т. д.

Рассматривая благоприятные факторы зарождения и эволюции жизни на Земле, следует отметить огромный вклад Луны в активизацию тектонических процессов на нашей планете. Формирование массивного спутника на близкой околоземной орбите обусловило ускоренную тектоническую эволюцию Земли. В отсутствие Луны наша планета отстала бы в развитии своей тектонической структуры и всех своих сфер приблизительно на 3 млрд. лет. Соответственно Земля к настоящему времени была бы населена только одноклеточными организмами. Кроме того, Луна, имея довольно большой размера, обеспечивает стабилизацию земной оси, что сохраняет комфортные климатические условия и способствует формированию благоприятных условий для эволюции живых существ до человека разумного.