Земля в солнечной системе

Александр Григорьевич Вологдин

Земля и жизнь

 

 

 

 

 

УДК 55(20)

 

© Издательство «Недра», 1976

 

Вологдин Александр Григорьевич ‑ Земля и жизнь

Александр Григорьевич Вологдин

Земля и жизнь

Издание второе, переработанное и дополненное  

Редактор Б. А. Трофимов

Редактор издательства М. Д. Мирзоева

Художник Н. И. Шевцов

Художественный редактор В. В. Евдокимов

Технический редактор А. Г. Иванова

Корректор В. П. Крылова

Сдано в набор 15/XII 1975 г. Подписано в печать 28/IV 1976 г. Т 09246. Формат 70*108 1/32. Бумага картографическая. Печ. л. 7,5. Усл. печ Л. 10,5. Уч.‑изд. л. 12,0. Тираж 50 000 жз. Заказ 818. 5597‑1. Цена 61 коп.

Издательство "Недра", 103633, Москва, К‑12. Третьяковский проезд, 1/19

Ярославский полиграфкомбинат Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.

 

От редактора

 

Книга А. Г. Вологдина посвящена одной из интереснейших проблем науки ‑ изучению древнейших этапов истории Земли и жизни. В ней изложены современные данные по этой проблеме, особенно о древних организмах и вероятных путях их эволюции в связи с изменением среды обитания, химического состава и лика первобытной Земли.

К настоящему времени сравнительно хорошо изучен и широко известен лишь послекембрийский этап истории Земли и жизни ‑ фанерозой, включающий палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры продолжительностью около 600 млн. лет. Древнейший и значительно более продолжительный этап существования нашей планеты, так называемый докембрий (криптозой), в течение которого протекала ранняя эволюция жизни, был почти неизвестен. И хотя в настоящее время в проблеме изучения этого древнейшего из этапов истории Земли и жизни еще много неразгаданного, неясного ‑ быстрое развитие науки: накопление новых данных в области космогонии, биогеохимии, палеонтологии, абсолютной геохронологии и в различных областях геологии и биологии ‑ позволяет более глубоко заглянуть в это волнующее и во многом загадочное прошлое нашей планеты.

Палеонтологам и геологам удалось проникнуть в глубь веков по меньшей мере на 2,5‑3,0 млрд. лет назад. Возникла новая отрасль знания ‑ палеонтология докембрия,‑ изучающая древнейшие проявления жизни на нашей планете, которая позволяет на основе историко‑геологических документов "реставрировать", изучать докембрийские этапы эволюции жизни на Земле. Об этом в популярной форме в основном и рассказывает книга А. Г. Вологдина, раскрывая древнейшие этапы истории Земли и жизни.

Александр Григорьевич Вологдин, крупный советский палеонтолог и геолог, всю свою полувековую научную деятельность посвятил изучению водорослей, примитивных многоклеточных животных,‑ археоциат, а также древнейших отложений кембрия и докембрия СССР и других стран. Среди печатных трудов А. Г. Вологдина есть работы по региональной геологии и полезным ископаемым, палеонтологии и стратиграфии. Однако подавляющее число трудов по палеонтологии посвящено археоциатам, водорослям. А. Г. Вологдину принадлежит большая роль в распространении палеонтологического метода в изучении древнейшей истории Земли, который он широко и горячо пропагандировал.

А. Г. Вологдин родился 11 марта 1896 г. в селе Рождественском б. Пермской губернии в семье учителя. В 1920 г. он студент Петроградского Горного института и одновременно работает коллектором в Геологическом комитете. Окончив в 1925 г. Горный институт, он возглавил работу Сибирской секции Всесоюзного геологического института, где работал до 1941 г. В этот период А. Г. Вологдиным были сделаны важнейшие палеонтологические открытия в области изучения древних водорослей, археоциат и стратиграфические выводы, которые легли в основу современной биостратиграфии и изучения геологии кембрия Сибири, а также Монголии, Китая и других районов Евразии. Начиная с 1939 г. особое внимание А. Г. Вологдин уделял органическим остаткам докембрия, а также внедрению палеонтологического метода в изучение древнейшей истории Земли.

С 1941 г. работы по изучению археоциат и водорослей велись А. Г. Вологдиным в Палеонтологическом институте Академии наук СССР, куда он был приглашен академиком А. А. Борисяком. В 1943 г. А. Г. Вологдин организовал в этом институте лабораторию по изучению древнейших организмов, которой руководил до конца своей жизни.

За плодотворную научную деятельность А. Г. Вологдину была присуждена ученая степень доктора геологоминералогических наук (1937 г.), и он был избран член‑корреспондентом Академии наук СССР (1939 г.). Правительство высоко оценило научные заслуги А. Г. Вологдина ‑ он был награжден Орденом Трудового Красного Знамени и медалями.

Большое количество научных работ в области палеонтологии древних организмов принесли А. Г. Вологдину мировую известность. По решению международного жюри палеонтологов в 1945 г. А. Г. Вологдин был удостоен Международной палеонтологической премии и медали Чарлза Уолкотта "За изучение организмов докембрия".

А. Г. Вологдин был талантливым и неутомимым популяризатором науки о Земле и жизни. Обладая живым умом и прекрасной памятью, он был замечательным лектором и увлекательным рассказчиком. Долгое время он являлся заместителем председателя Методического совета по пропаганде наук о Земле и членом правления общества "Знание" РСФСР.

А. Г. Вологдин прожил долгую, насыщенную деятельностью жизнь ученого, путешественника, популяризатора науки.

Второе издание книги Александра Григорьевича Вологдина переработано и дополнено по сравнению с первым изданием (1963 г.) в значительной степени самим автором.

Новые сведения по отдельным разделам работы были внесены сотрудниками Палеонтологического института АН СССР ‑ одной из ближайших учениц А. Г. Вологдина доктором геологоминералогических наук К. Б. Кордэ и кандидатом биологических наук Б. А. Трофимовым, а также сотрудником Института Физики Земли АН СССР кандидатом физико‑математических наук С. В. Маевой. При подготовке рукописи к изданию оказала помощь Г. А. Вологдина.

Книга рассчитана на широкий круг читателей и, в известной мере, воспол нит пробел, который существует в научно‑популярной литературе по этой увлекательной проблеме.

Б. А. Трофимов

 

Предисловие

 

Светлой памяти Владимира Ивановича Вернадского посвящает свой труд автор

Развитие человеческого знания, быстрый рост науки, теснейшим образом связанный с великими победами социализма в Советской стране, ежедневно и ежечасно ускоряют научно‑технический прогресс. Научные идеи, рожденные практикой, и могучая современная техника создают немыслимые ранее возможности познания огромных пространств Вселенной, куда отправляются космические корабли и где побывал уже человек. В глубинах морей работают научно‑исследовательские станции, которые изучают сложную и богатую жизнь морского дна. Развитие атомной физики ведет нас к познанию типов и свойств мельчайших частиц и проявлений огромных энергий, которым в будущем надлежит обеспечить человечество самыми совершенными видами топлива, неисчерпаемыми источниками энергии. Бурно развивается химия и химическая промышленность, создающие новые вещества с новыми свойствами. Больших успехов достигла и биологическая наука, способствующая подъему сельского хозяйства ‑ земледелия и животноводства, развитию советской и мировой медицины.

В этой небольшой книге мы попробуем обратить внимание читателя в глубь геологических времен, на те этапы развития нашей планеты и жизни на ней, которые еще недавно рисовались очень смутно.

Палеонтологическая наука, занимающаяся изучением организмов геологического прошлого Земли, историей их появления, развития и расселения в морях и на суше, раскрывает перед нами картину жизни планеты в основном только за последние полмиллиарда лет, а именно с начала кембрийского периода, длившегося по современным данным от 440 до 570 млн. лет. Уже в начале этого периода существовали морские водоросли, некоторые простейшие брахиоподы, черви, древнейшие ракообразные ‑ трилобиты, губки, ранние головоногие и т. д. Но еще раньше, во время так называемого докембрия ‑ этого огромного по продолжительности этапа развития нашей планеты, закончившегося 570 млн. лет назад,‑ возникли археоциаты, беспозвоночные животные, замечательные строители древнейших рифов. Особенно пышное развитие они получили в ранне‑ и среднекембрийское время.

Что же представляла собой органическая жизнь на Земле 570 млн. лет назад? Как и в каких условиях зародилась и развивалась она задолго до этого рубежа?

Для объяснения происхождения жизни на нашей планете мы имеем весьма интересную гипотезу, предложенную академиком А. И. Опариным. Эта гипотеза, использующая результаты исследований геологов, геохимиков и астрономов, раскрывает первые страницы истории нашей планеты ‑ истории, насчитывающей по меньшей мере 6‑7 млрд. лет. Ультрафиолетовое излучение Солнца и грозовые явления в первичной атмосфере и парах Земли, обильно содержавших метан (СН4), углекислоту, аммиак (NH3), водород и другие элементы, при определенных температурах и давлениях должны были приводить к массовому образованию сложных углеродных соединений, в том числе белков. Поэтому момент возникновения жизни на Земле ученые и относят к самым ранним этапам формирования земной коры, примерно около 3‑3,5 млрд. лет назад или даже ранее.

Проблема происхождения жизни на Земле и ее эволюции ‑ это прежде всего проблема происхождения веществ определенного состава, в первую очередь белков, и их изменения в ходе геологического времени. С другой стороны, жизнь ‑ это особая сфера выявления и использования энергии, поступающей извне иди возникающей внутри организмов, и, таким образом, жизнь есть форма энергетического состояния, зависящего от энергетического и вещественного состава окружающей среды.

Происхождение и развитие жизни на Земле ‑ это одна из важнейших проблем для целого ряда наук, каждая из которых помогает выяснить ту или иную сторону проблемы. Это прежде всего биогеохимия, основоположником которой был академик В. И. Вернадский (1863‑1945). Она раскрывает связи между живым и минеральным ‑ косным веществом Земли в биосфере, что важно для разработки проблемы возникновения и развития жизни.

Владимир Иванович Вернадский (1863‑1945)

Геохимия, создателями которой были также академики В. И. Вернадский и А. Е. Ферсман (1883‑1946), позволяет понять роль химических элементов и их изотопов в образовании минеральных и органических соединений, а это раскрывает также и особенности геохимических процессов далекого геологического прошлого. Кроме того, геохимия дает замечательный метод определения абсолютного геологического возраста минеральных и органических образований, а стало быть, и меру геологического времени для различных процессов, имевших место в земной коре или на ее поверхности.

Палеонтология дает нам конкретные указания о составе организмов отдаленных геологических периодов, эволюция которых привела к появлению бактерий и современного мира растений и животных на Земле.

Микробиология (бактериология, вирусология) дает замечательные материалы по морфологии и физиологии мельчайших живых существ, среди которых насчитывается немало родственных, давно вымерших форм.

Астрономия и астрофизика, изучая состав и строение космических тел, раскрывают особенности протекающих физико‑химических процессов, исследуют состав и строение Солнца и других планет.

Биохимия позволяет составить представление о том, как первичные химические компоненты Земли преобразовались в органические, сначала неживые, а затем в живые вещества, а также поясняет сущность процессов, протекающих внутри организма. Современная экспериментальная биохимия уже может из простых углеродных соединений создавать сложные, в том числе и основные составные части белка ‑ аминокислоты, а из комбинаций аминокислот ‑ и белок (правда, еще неживой).

Так, сотрудничество целого ряда наук позволяет проследить развитие организмов на Земле в процессе ее эволюции под влиянием эволюции среды. Благодаря достижениям этих наук, излагаемые здесь взгляды постепенно превращались из гипотез в научные теории.

Предлагаемая вниманию читателя книга посвящена рассмотрению великой и прочной связи жизни с Землей, со средой ее развития, связи жизни и минерального, косного вещества земной коры. Мы попытаемся проследить, как изменялись формы жизни в результате изменения среды ее обитания, пока, наконец, после длительной эволюции жизнь не приобрела те формы и связи, которые мы можем наблюдать ныне.

Наука, как и жизнь, раз зародившись, развивается и непрерывно решает одну задачу за другой. Открывая новые и новые факты, она все полнее и точнее раскрывает тайны природы. Не было большей загадки, чем происхождение жизни на Земле. Поэтому этой проблеме посвящаются многочисленные труды различных специалистов. Попыткой обобщить эти труды и является предлагаемая книга.

Автор выражает глубокую признательность академику В. Г. Фесенкову, члену‑корреспонденту АН СССР С. И. Кузнецову и профессору А. А. Яковлеву за ценные указания при подготовке книги.

 

Земля в солнечной системе

 

Благодаря успехам астрономии, астрофизики и ядерной физики, развитию техники и приборостроения пытливый ум человека раскрывает все новые и новые детали строения и состава Вселенной. Развитие наук наряду с успехами техники, развитием методики познания окружающего нас мира продвинулось весьма значительно. Решаются многие вопросы, прежде признававшиеся очень сложными или даже неразрешимыми.

Мы знаем сейчас, что наша Солнечная система изолирована от других групп космических тел. Если представить, что удаленнейшая от Солнца планета Плутон отстоит от него на расстоянии 40 см, тогда радиус орбиты Земли составил бы всего 4 см, а ближайшая к нам звезда Альфа Центавра оказалась бы на расстоянии 2,7 км. Астрономическая наука раскрыла свойства огромного количества космических тел, и все это солнца‑звезды. Открытие даже крайних планет Солнечной системы было трудным делом, поскольку они светятся лишь отраженным светом. Поэтому можно полагать, что отстоящие друг от друга на огромных расстояниях другие системы космических тел содержат не только звезды с их разнотипными ядерными реакциями, но и планеты ‑ относительно мелкие тела, подобные планетам Солнечной системы. Из них астрономы могут обнаружить лишь тела, обладающие собственным светом.

Солнечная система, включающая 9 больших планет, 32 их спутника, более 1500 астероидов, или так называемых "малых планет", около 1000 комет и бесчисленное множество мелких космических тел,‑ летит в космическом пространстве со скоростью 19 км/с. Все тела, входящие в Солнечную систему, движутся с различными скоростями по своим орбитам, подчиняясь влиянию Солнца и друг друга.

Солнечная система к настоящему времени исследована достаточно хорошо. Изучение ее продолжается и приносит все новые результаты.

Краткие сведения о Солнце и планетах приведены в следующей таблице.

 

Масса Солнца в 744 раза больше массы всех планет вместе взятых. Солнце более чем на 70% по массе состоит из водорода и на 28% ‑ из гелия. На все остальные элементы приходится менее 2%. Все планеты Солнечной системы по физическим свойствам и химическому составу делятся на 2 группы. Планеты земной группы ‑ Меркурий, Венера, Земля и Марс ‑ обладают значительной плотностью и состоят в основном из силикатов и металлов. Планеты‑гиганты ‑ Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун ‑ обладают малой средней плотностью, имеют мощные атмосферы и состоят в основном из легких летучих элементов. Самая далекая от Солнца планета Плутон, открытая в 1930 г., еще мало изучена.

 

Происхождение Земли

 

Происхождение Солнечной системы долгое время было предметом научных дискуссий. Было выдвинуто несколько гипотез, по‑разному объяснявших ее возникновение. Очень долго в космогонии господствовало представление о конденсации планет из раскаленных сгустков солнечных газов. Однако сейчас твердо установлено, что наша планетная система образовалась из холодного газово‑пылевого облака, которое некогда существовало вокруг Солнца. Вопрос о происхождении этого допланетного облака пока еще не решен, но наиболее вероятно, что оно образовалось совместно с Солнцем. В настоящее время установлено, что атомы вещества, из которого "построены" Солнце и планеты, образовались при взрывах сверхновых звезд, которые происходили в нашей Галактике в течение, по крайней мере, 10 млрд. лет. Последняя доля из продуктов такого взрыва была получена веществом Солнечной системы от 30 до 300 млн, лет назад.

Протопланетное облако, из которого образовалась Земля и другие планеты, первоначально, к тому времени, когда Солнце уже сформировалось, имело температуру около 2000° С и находилось в газообразном состоянии. На 98% оно состояло из водорода и гелия, а 2% приходилось на долю всех остальных элементов, которые при охлаждении облака сконденсировались в пылевые частицы. При температурах 1800‑1900° С сгущались самые нелетучие вещества. При температуре 1600° С конденсировалось железо. Благодаря присутствию водорода оно выделялось в металлическом виде. При остывании облака до 1400° С затвердевали силикаты. При температуре 600° С образовывалось сернистое железо.

Процесс объединения образовавшихся при охлаждении облака пылевых частиц в планеты был рассмотрен акад. в О. Ю. Шмидтом. При этом О. Ю. Шмидт дал объяснение основных закономерностей планетной системы. Космогонист В. С. Сафронов, продолживший разработку теории О. Ю. Шмидта, изучив законы объединения и дробления в протопланетном облаке, вычислил время роста Земли. Земля приобрела 98% своей массы за 100 млн. лет. В различных частях протопланетного облака температура была неодинаковой. В областях далеких от Солнца она была очень низкой, и все вещества, кроме водорода и гелия, конденсировались в частицы. Среди них преобладали ледяные частицы метана, аммиака, воды, которые вошли в состав планет‑гигантов. В области планет земной группы температура была значительно выше, и все летучие вещества и в том числе метан и аммиак остались в газовом состоянии, в образовавшиеся здесь небольшие плотные планеты состоят ‑ в основном из силикатов и металлов. Незамерзавшие водород и гелий рассеялись в пространстве под действием мощного "солнечного ветра" ‑ потока быстрых частиц, извергавшихся Солнцем на заключительной стадии его формирования. Эти газы были потеряны на раннем этапе образования планет, когда массы зародышей почти всех будущих планет были еще малы. Только зародыши Юпитера и Сатурна были достаточно велики для того, чтобы своим тяготением удерживать значительные количества газов на поверхности. Весь газ, оставшийся в облаке в области Юпитера и Сатурна, был поглощен их зародышами, и потому их масса оказалась много больше масс других планет, а химический состав мало отличается от солнечного состава.

При изучении процессов роста планет в протопланетном облаке В. С. Сафроновым была выяснена значительная роль крупных тел, поперечником до 1000 км. Падая, такие тела сильно нагревали растущую Землю. Их тепло проникало на значительную глубину. Наибольшая температура 1500 К достигала на глубинах 300‑500 км. Средняя же начальная температура всей Земли лишь немного превышала 1000 К, т. е. области падения крупных тел на Землю дополнительно нагревались на сотни градусов. Эти большие температурные неоднородности явились основным фактором дальнейшей эволюции Земли. После образования Земли ее недра разогревались в результате накопления тепла, выделяющегося при распаде радиоактивных элементов (U, Th, К), вошедших в ее состав. Дополнительно подогретые ударами, области первыми достигали температуры плавления, и в них раньше всего начались процессы, связанные с расплавлением вещества и с его последующей гравитационной дифференциацией. Более тяжелые вещества опускались вниз, а более легкие поднимались вверх и образовывали земную кору. Весьма вероятно, что именно над сильно нагретыми областями началось образование континентов. В Земле, разогреваемой радиоактивными элементами, гравитационная дифференциация происходила очень медленно и продолжается до сих пор. С ней связана современная внутренняя активность Земли ‑ горообразование, сейсмичность и т. п.

Сейсмическими наблюдениями давно установлено, что в Земле существует плотное ядро. Однако природа его до сих пор не выяснена. По одним предположениям, ядро состоит или из железа с примесью более легких элементов или из смеси окислов железа, по другим ‑ из силикатов, перешедших в металлизованное состояние под действием высокого давления, господствующего в глубине Земли.

Земля, непосредственно после своего образования, не имела атмосферы. Это было связано с тем, что газы из протопланетного облака были потеряны раньше, чем растущая Земля стала настолько массивной, чтобы своим тяготением удерживать заметное количество газа на поверхности.

Длительный этап формирования нашей планеты шел в сопровождении бурно и сложно проявлявшихся химических реакций, что, несомненно, осуществлялось с поглощением свободного кислорода при образовании кремнекислоты и ряда других компонентов магматических пород. При разогревании недр Земли газовые компоненты планеты, вовлеченные во внутренние зоны, выделялись на ее поверхности и создали, таким образом, вторичную, собственно земную атмосферу.

Достигнув к этому времени значительных размеров в результате накопления падавших на поверхность Земли частиц вещества туманности, планета стала способной удерживать эти газы, в основном углеводородные газы, аммиак, углекислоту, свободный водород, при отсутствии свободного кислорода и азота. Все запасы кислорода, которые могли быть вовлечены в процесс формирования вследствие присутствия неокисленных соединений, несомненно, полностью шли на их окисление. Вода в парообразном состоянии образовывала тогда пелену облаков. Взаимодействие между углекислотой и водородом должно было приводить к образованию метана и водяного пара. В связи с этим появилась вода в атмосфере и на поверхности Земли. Возник круговорот воды, возникли моря и океаны.

Первичный кислород мог образоваться в результате воздействия ультрафиолетовой радиации Солнца, а также и других космических излучений на молекулы углекислого газа.

Поверхность земной коры, покрытая газовой оболочкой ‑ атмосферой, является ареной проявления многих разнообразных геологических процессов, и естественно предполагать, что именно здесь сначала образовались сложные углеродные соединения, а затем на их основе возникла и жизнь. Вторичная атмосфера Земли состояла из водорода, метана, аммиака, окиси углерода и сероводорода с парами воды в неясных количественных соотношениях.

С самого образования атмосферы из ее состава весьма интенсивно ускользал молекулярный водород. Позднее, с появлением молекулярного кислорода, этот процесс замедлился, хотя не прекратился и к настоящему времени. Как известно, Земля отдает в космос значительные количества молекулярного водорода, порядка 107 атомов в секунду с 1 см2. Это соответствует расходу 20 г воды с 1 см2 в течение 4,5 млрд. лет.

Первоначально Земля не имела водных бассейнов, и первичные запасы воды в виде пара входили в состав Древнейшей атмосферы. Впоследствии с понижением температуры ее поверхности метан и аммиак, соединяясь с парами воды, переходили в раствор.

Так образовались первичные водные бассейны. Некоторые летучие соединения водорода ‑ СН4, С2Н2, НСl и другие,‑ оставаясь в составе атмосферы, подвергались воздействию ультрафиолетовых лучей и разлагались с выделением молекулярного водорода. Ультрафиолетовые лучи разлагали и воду, причем кислород быстро вступал в новые связи, а выделявшийся водород тоже частью ускользал с поверхности Земли.

Из недр планеты поднимался углекислый газ. Он входил в состав атмосферы, а также интенсивно растворялся в воде, входя при этом в разнообразные химические соединения с метаном и аммиаком. Количества углекислого газа, попадавшие в атмосферу, были огромны. Об этом говорят, с одной стороны, его извечные выбросы в биосферу при вулканических явлениях, с другой стороны, об этом свидетельствуют огромные массы образовавшихся в разные периоды истории Земли отложений карбонатных пород, представляющих собой соединения углекислого газа с окисью кальция и магния.

Имеются основания полагать, что образование карбонатов, как и последовавшее позже возникновение наземной растительности и углеобразование, были подвержены определенному ритму, который находит разгадку в ритме вулканической деятельности на Земле.