Эволюция биосферы

Дополнительный  материал для чтения к теме 1.1.

«ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ» 

         К настоящему времени накоплено множество доказательств того, что биосфера, да и наша планета в целом, обрела современный вид в результате длительной эволюции. Переход неживой материи в живую требует присутствия не одного природообразующего фактора, а целого комплекса сочетающихся планетарных и даже космогонических условий, которые при своем независимом, длительном и одновременном действии создали на Земле животворящую экологическую нишу. Как же проявляют себя эти факторы?

          Согласно  общепринятой гипотезе Канта — Лапласа, развитой Отто Юльевичем Шмидтом (1891—1956), Земля, другие планеты и Солнце образовались в результате гравитационного сжатия газопылевого облака около 4,6 миллиардов лет назад. Солнечная система — относительно молодое образование во Вселенной, возраст которой по современным представлениям составляет 15—25 миллиардов лет. Можно начать с удивительного положения Солнца в Галактике и движения его по так называемой траектории коротации радиусом 8 тысяч парсек. Млечный Путь имеет радиус 20 тысяч парсек и расчленяется при своем круговом движении вокруг галактического ядра на два спиральных рукава — Стрельца и Персея, между которыми в узкой окрестности отсутствует активное звездообразование. Именно в этой «спокойной» области, шириной не более 800 парсек, вдали от вспышек сверхновых звезд и столкновений с другими звездными образованиями находится наша Солнечная система. Современная орбита движения Солнца в Галактике — это эллипс, плоскость которого практически параллельна плоскости эклиптики. Исключительность этого факта состоит в том, что даже малое наклонение орбиты Солнца к плоскости Галактики привело бы к нарушению стабильности так называемого облака Оорта, откуда на Землю обрушился бы уничтожающий все живое кометный град.

         Наше Солнце — «желтый карлик» класса G2 — уникально тем, что не имеет аналога среди известных звезд в нашей Галактике и за ее пределами. Не обнаружено ни одной звезды, основные физические характеристики которой полностью бы совпадали с параметрами Солнца и способствовали бы в той или иной форме возникновению живой материи. Наша Солнечная система образовалась путем конденсации газопылевой туманности 5 млрд. лет тому назад, при этом масса и химический состав центральной звезды Солнца, оказались таковы, что обеспечили ее продолжительное и равномерное свечение в течение всего этого времени. Если масса любой новообразованной звезды меньше 1,4 массы Солнца, то результатом ее скоротечной эволюции становится горячий и плотный «белый карлик», «быстро» остывающий в течение сотен миллионов лет. Наоборот, звезды с массой от 1,4 до 2,5 масс Солнца не могут перейти в устойчивое состояние «белого карлика» и после сброса оболочки катастрофически быстро сжимаются до нескольких километров в диаметре, разогреваясь при этом до сотен миллионов градусов, и потом, стремительно остывая, превращаются в «плотно упакованные» нейтронные звезды.

          На фоне большинства типовых звезд, уникальным и наиболее существенным свойством нашего светила является практически постоянное, в течение 4 млрд. лет, излучение с колебанием энергии в пределах одного-двух процентов, что благотворно сказалось на эволюционных преобразованиях неживой материи на Земле. Казалось бы, в таких же условиях неизменности исходящего от Солнца светового потока находились и другие планеты Солнечной системы, так называемой земной группы: Меркурий, Венера, Марс, однако никакой белковой активности на них пока не обнаружено. Одна из причин этого явления состоит в том, что в отличие от них Земля отстоит от Солнца на расстоянии, которое обеспечивает поддержание на земной поверхности освещенности мощностью 1370 джоулей на один квадратный метр. Энергетический поток, приходящий от Солнца на Землю, зависит, в большой степени, от расстояния до него, и именно этот параметр земной орбиты поразительным образом создает самые благоприятные условия для зарождения и существования живых организмов. По расчетам астронома Харта, если бы орбита Земли была ближе к Солнцу всего на 5 процентов, то первичная вода, выделявшаяся из недр вулканов в виде горячего пара, никогда бы не сконденсировалась в моря и океаны. Парниковый эффект привел бы к перегреву наружной оболочки Земли, которая стала бы схожа с поверхностью Венеры. Если бы, наоборот, расстояние от Солнца до Земли возросло всего на 1 процент, то за счет подавления парникового эффекта началось бы разгоняющееся оледенение планеты. Постоянство падающего в течение года на Землю солнечного потока поддерживается еще одним параметром земной орбиты — ее эксцентриситетом, равным 0,02, и обеспечивающим почти круговое движение планеты вокруг Солнца. Сезонные изменения климата, чередующиеся для Северного и Южного полушарий, связанны с наклоном экваториальной плоскости Земли по отношению к плоскости ее орбиты. Если бы эксцентриситет  был больше, то на существующие на Земле сезонные колебания температуры наложились бы контрастные перепады солнечной энергии, приводящие к похолоданию при нахождении нашей планеты в точках апогея и потеплению при прохождении точек перигея. При таких гипотетических условиях поверхность Земли превратилась бы в раскаленную или ледяную пустыню, в которой невозможно было бы развиться сложным органическим структурам.

         Наша планета относится к группе внутренних, близких к Солнцу и сравнительно небольших планет. Главным процессом в её эволюции, незавершённым до сих пор, является гравитационное разделение веществ в её недрах, при котором тяжёлые вещества опускаются к центру Земли, а лёгкие — поднимаются к поверхности. Так сформировались ядро и оболочки Земли. 
 

                         Литосфера   

          Материк                                                          Ячейка конвекции

     Атмосфера          Материк

                                                                Гидросфера

Схема строения Земли. Относительные размеры не соблюдены 

          Согласно современным взглядам, в центре Земли образовалось внутреннее твёрдое ядро. Его материал состоит в основном из железа, которое, несмотря на высокую температуру, удерживается в твёрдом состоянии благодаря гигантскому давлению. Радиус твёрдого ядра — около 1300 км. Вокруг него, на глубине от 3000 до 5000  км, располагается жидкое ядро. Мантия простирается от твёрдой поверхности Земли до глубины 3000 км и состоит главным образом из силикатов, то есть кислородных соединений кремния и алюминия. Наружная её часть, вместе с земной корой на глубинах до 80 км, называется литосферой. Под литосферой находится слой толщиной около 300 км с пониженной жесткостью и вязкостью, называемый астеносферой. В 1912 г. немецкий геофизик Альфред Вегенер (Wegener, 1880—1930) показал, что земная кора состоит из отдельных литосферных плит, медленно двигающихся друг относительно друга («дрейф материков») и как бы «плавающих» поверх астеносферы. Материковая кора существенно отличается от океанической коры. Первая сложена из менее тяжелых минералов и достигает 75 км в глубину. Океаническая кора гораздо тоньше — порядка 10 км и состоит из тяжелых базальтов.

           Первоначально, при образовании, Земля была холодной, но при дальнейшем сжатии потенциальная энергия тяготения, переходя в тепло, и энергия распада долгоживущих радиоактивных изотопов урана, калия и тория вызвали разогрев её недр. Главный вклад (не менее 70 %) в нагревание Земли был внесён гравитацией. За счёт теплового излучения в космос Земля потеряла за всю свою историю примерно 1/3 накопленного тепла. Благодаря нагреву вещество мантии ведёт себя как жидкость с гигантской вязкостью, в которой развиваются медленные конвективные потоки, образующие замкнутые ячейки. Скорость движения этих потоков составляют 1 — 10 см/год. Внешне эти, чрезвычайно медленные по сравнению с человеческой историей, процессы проявляются в движении на поверхности Земли литосферных плит и материков относительно друг друга и его следствиях — вулканизме и землетрясениях. Литосферные плиты надвигаются друг на друга, и в этих местах растут особо высокие горные цепи, такие как Гималаи или Кордильеры. Посреди океанических плит находятся срединно-океанические хребты — это как раз области восходящих потоков в мантии. Именно здесь происходит наращивание океанической коры, которая раздвигается потом в горизонтальном направлении, образуя на дне океанов абиссальные равнины. Атлантический океан, например, зародился примерно 200 млн. лет назад и растёт со скоростью 1—2 см/год. Глубоководное Красное море — зародыш нового океана, который образуется по мере того, как Аравийский полуостров дрейфует на север от Африки, вызывая землетрясения в Иране и Средней Азии. Океаническая кора, сталкиваясь с материковыми плитами, заглубляется под них, наращивая их толщу. На линиях этого столкновения возникают гигантские глубоководные океанические желоба шириной в десятки и длиной в сотни и тысячи километров с глубинами более 6 км. Наибольшая глубина (11 020 м) найдена в Марианском желобе на востоке Филиппинского моря.

         Энергия трения плит друг об друга выделяется в виде тепла, а жидкая лава, извергаемая континентальными вулканами, не  материал астеносферы или верхней мантии, а результат плавления горных пород за счёт этой энергии.

      За последние 1,3 млрд. лет масса Земли, а значит, и сила тяжести на ней были практически неизменны, что благоприятно сказалось на развитии жизни на планете. Отношение времени оборота Земли  вокруг своей оси к времени ее обращения вокруг Солнца за последние 1,3 млрд. лет увеличилось с 0,00176 до 0,00275.  Для Венеры и Меркурия эти отношения равны 0,68 и 1,1 соответственно, что объясняется изначальным смещением их  центров масс относительно собственных осей вращения. Из-за этого угловые  скорости планет со временем уравняются с их вращением вокруг Солнца, и  они станут обращены к нему, как Луна к Земле, всегда одной стороной. Сторона, повернутая к Солнцу, будет раскалена до предела, а на противоположной стороне будет царство космического холода. Землянам эти катаклизмы не грозят, так как жидкостное ядро нашей планеты совпадает с ее осью вращения, что препятствует замедлению вращения и синхронизации ее угловой скорости со скоростью вращения вокруг Солнца.

        В дополнение к космогоническим факторам природно-климатические условия на Земле сложились так «удачно», что из четырех, близких по свойствам, гидридов — кислорода, серы, селена и теллура — только соединение Н₂О в его жидком виде стало местом возникновения жизни. Вероятность подобного события оказалась в прямой зависимости от другого астрономического фактора: неизменности светимости Солнца за всю историю существования Земли. Если бы за это время, а оно составляет около 3 млрд. лет, светимость Солнца изменилась хотя бы на 10— 15 процентов, вся вода на Земле перешла бы в одно из фазовых состояний — пар или лед, при которых органическая жизнь не смогла бы возникнуть.

            Новорожденная Земля не имела ни атмосферы, ни гидросферы. Возможно кратковременное существование газовой оболочки, состоявшей в основном из лёгких газов — водорода и гелия, но эта оболочка быстро улетучивалась в окружающий космос и навсегда терялась Землёй. В первый период её существования, о котором у нас нет каких-либо прямых данных, вероятно, имел место активный вулканизм с обильным излиянием базальтовой лавы. При этих извержениях образовалась первичная атмосфера, океан и земная кора, сходная с современной океанической корой. При дегазации изверженных лав выделялись водяной пар, окиси углерода СО₂ и СО, метан СН₄, азот N₂ (в небольшом объёме), аммиак NH₃, сероводород H₂S, сернистый ангидрид SO₂, хлор С1₂ и хлористый водород НС1 (пары соляной кислоты), а также другие газы в относительно малых количествах. Первичная атмосфера была тонкой и почти не препятствовала потере тепла, поэтому средняя температура на Земле не превышала 5 °С. Благодаря этому, водяной пар конденсировался, превращаясь в воду и образуя гидросферу. При этом аммиак, хлористый водород, соединения серы и углекислый газ обильно растворялись в формировавшемся океане. В результате реакций этих веществ с материалом дна образовывались соли, и таким образом мировой океан изначально становился солёным. Рост объёма мирового океана за счёт вулканизма продолжается и до сих пор.

       Изучение молекулярной структуры вещества привело к пониманию исключительности воды как активного растворителя, способного образовывать связи с молекулами практически всех веществ. Ближайшие, упомянутые выше, более тяжелые химические аналоги воды при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении являются газами. «Вода» из этих элементов могла существовать в жидкой фазе только в интервале температур — 80—95°С и не могла стать универсальным источником энергии для подпитки неживых и живых форм жизни.

      Тепловые свойства воды оказались чрезвычайно полезны для сохранения жизни. Поскольку лед имеет структуру тетраэдра с пятой, «упакованной» в центре, молекулой воды, он, занимая больший объем, плавает на поверхности акватории. В противном случае водоемы промерзали бы от дна к поверхности — и биологическая жизнь в воде при понижении температуры на несколько десятков градусов ниже нуля прекратилась бы.

       В летний период, благодаря необычайно большой теплоте испарения, в пар переходит незначительное количество воды, предохраняя нижние слои акваторий от чрезмерного нагревания. Слой воды толщиной 1 см поглощает 94 процента падающей на ее поверхность солнечной энергии, при этом суточные изменения температуры над поверхностью океана не превышают 1°С, годовые - не более 10°С.

        Органическая материя, как переходная от неживой формы к живой, образовалась там, где слились воедино в своем случайном сочетании многие природно-климатические факторы, как-то: особый химический состав воды, состояние береговой полосы — отмель и обилие размывов древних отложений, близость геотермального источника, наличие теневой и освещенной зон, колебания уровня воды при отливах и приливах, частота гидродинамических ударов при сдвигах земной коры. Эти и другие, скрытые для современного знания, факторы среды сложили в комплексе тот экологический зонтик, под которым возникали и распадались первые органические клетки, еще не доказавшие своего права на существование.

          Лабораторные исследования показали, что в этом тёплом океане могло происходить множество химических реакций, ведущих к образованию аминокислот — «кирпичиков», из которых строятся белки, и других органических соединений. Эта эпоха (эон) «химической эволюции» продолжалась примерно миллиард лет и получила название катархея. С конца катархея начинается история биосферы. Вероятно, важнейшим этапом химической эволюции явилось появление в начале эона архея веществ, способных к автокаталитическому синтезу, то есть молекул, способствующих появлению собственных копий. Скорее всего, это происходило путём деления материнской молекулы на дочерние молекулы, и последующей достройки этих дочерних молекул. Среди этих органических молекул уже происходил естественный отбор на выживаемость, который и привёл к образованию конгломератов, состоявших из молекул с разными функциями. Так, или примерно так, возникли первые живые организмы около 4 млрд. лет назад.