Смятые в крупные и мелкие складки слои доломитов и известняков докембрия (Китай). Фото автора

Геологический возраст пород иного, не осадочного происхождения ‑ магматических и метаморфических, лишенных органических остатков, тоже можно точно определить именно по соотношению с осадочными породами, содержащими органические остатки. Так, если какое‑либо гранитное тело или жила изверженной породы "прорывает" осадочную серию определенного геологического возраста, то, следовательно, расплавленная магма внедрилась сюда после формирования этой серии. Если на поверхности гранитного тела или выше верхней части жилы изверженной породы залегает свита осадочных пород ‑ значит это гранитное тело или жила является более древней, чем осадочные породы.

Совершенно аналогично палеонтологические материалы помогают определить геологический возраст движений земной коры. Земная кора никогда и нигде не находится в состоянии абсолютного покоя ‑ отдельные ее части движутся в различных направлениях. Временами, когда эти движения приводили к погружению части поверхности земной коры под уровень моря или, наоборот, к появлению целых участков дна на поверхности, характер геологических процессов коренным образом менялся. Образованные в глубинах моря породы начинали в условиях суши или мелководья выветриваться и размываться, а на погруженных участках формировались новые осадочные слои, в которых появлялись соответствующие комплексы организмов. Таким образом, возраст некоторых фаз движений земной коры и районы их проявления могут быть также определены палеонтологическими методами. Поэтому тектоника ‑ учение о движениях земной коры стала наукой исторической только с помощью палеонтологии.

Палеонтология довольно хорошо раскрывает историю жизни на Земле за последние 570 млн. лет. История живых существ записана, как говорят, на камне. Она выражена остатками твердых частей тела древних организмов, следами их ползания, проявлениями жизнедеятельности (сверление раковин, отложение минерального или органического вещества). Но по отпечаткам, а еще лучше по раковинам и костям можно воссоздавать и сами организмы. Интересно, что вещества, из которых формировались и формируются твердые части тела организмов,‑ это соли кальция, углекислая соль у большинства беспозвоночных животных и фосфорная у животных позвоночных. Причина этого несомненно лежит в энергетических особенностях перевода солей кальция из растворенного состояния в нерастворимое, что осуществляется с выделением свободной энергии. С этим обстоятельством необходимо связывать неизбежное для организмов освоение солей кальция, преобразующихся при этом в раковину у моллюска или в скелет у позвоночного животного.

В процессе бесчисленных смен поколений организмов, который выразился в видимом проявлении эволюции бесчисленных линий развития с их временными и местными этапами формообразования новые виды, образуясь в условиях изменения среды, были то удачными, то неудачными, приобретали одни признаки, утрачивали другие. Вследствие этого, как оказывается, в каждом геологическом периоде, в каждом этапе геологического времени наибольшую жизнедеятельность проявляли разные группы организмов. Наряду с проявлением и развитием форм более сложных, приспособившихся к существованию в определенных условиях, всегда существовали и более примитивные формы, эволюция которых, по‑видимому, замедлялась вследствие относительной устойчивости условий их существования в древних средах, или же такие условия изменялись очень медленно в ходе геологического времени. Например, обстановка для бактерий в недрах Земли, куда они проникают на глубины в несколько километров, остается длительно относительно неизменной, часто вполне обеспечивающей осуществление ими обмена веществ со средой.

Исследования остатков организмов имеют двойную цель. Во‑первых, они помогают различать осадочные отложения различного геологического возраста, т. е. принадлежащие к различным стратиграфическим подразделениям их, образованным в ходе геологического развития земной коры в водных бассейнах или на суше. Во‑вторых, остатки организмов, находимые в ископаемом состоянии, показывают ход и характер их эволюционного развития. Они указывают на эволюцию жизни, в разные моменты оставлявшую свой след во вмещающих породах, показывают общий ход эволюции за длительные этапы и поясняют происхождение современного мира животных и растений на Земле.

Чем древнее осадочные породы, тем менее они оказываются похожими на первичные рыхлые осадки древних морских бассейнов или пресноводных бассейнов суши. Известно, что некоторые организмы вообще не могли оставлять следы своей жизнедеятельности в осадочных горных породах. Остатки других иногда изменялись уже в момент их захоронения настолько сильно, что оказывались для палеонтолога весьма трудно распознаваемыми. Все же в прежде известковых илах, известковоглинистых и иных осадках, ставших метаморфизованными породами ‑ кристаллическими известняками и мраморами, кремнистыми сланцами и кварцитами (сливными песчаниками),‑ иногда сохраняются древние ископаемые остатки. Бережное отношение к этому материалу, внимательное его изучение в специально приготовленных препаратах (прозрачных шлифах и в пришлифовках) позволяет различать эти следы древней жизни.

Одним из важнейших факторов, способствующих сохранению органических остатков в ископаемом состоянии в древних породах, является содержавшееся в них первоначально остаточное органическое вещество. Пока оно не удалено из породы геологическими процессами, органические остатки и структуры не могут быть совершенно уничтожены. Их видно на выветреной поверхности породы и в прозрачных шлифах. Они придают породе часто более или менее темную окраску. При этом применение биологического микроскопа с увеличениями до 2000 раз часто позволяет выявлять очень интересные явления. Оказывается, что остаточное органическое вещество как бесструктурное, рассеянное в породе, так и в остатках организмов при наблюдении его в прозрачных шлифах под микроскопом выражено скоплениями черного, непрозрачного углистого вещества в виде сплетений тонких нитей, имеющих форму бактерий. Создается впечатление, что все органическое вещество при переходе его в ископаемое состояние перед завершением процесса окаменения осадка (литификация, диагенез) становилось объектом освоения бактериями и в виде отмерших клеток попадало затем в твердую породу. Это свойство установлено в массе образцов древних и поздних осадочных пород, включая и древнейшие, так называемые докембрийские, т. е. древнее 570 млн. лет.

Совершенно то же явление, но в несколько иных формах и других размерах микроскопических телец наблюдается в захороненном в осадочных породах железе. Всюду, в самых разнообразных осадочных породах железо представлено сгустками окислов в виде тонких округлого сечения палочек или нитей, напоминающих строение современных железобактерий.

Возможно ли сохранение в ископаемом состоянии остатков бактерий? Сущность явления их сохранности несомненно вполне объяснима. Иногда сгустки органического вещества отмерших клеток проходили стадию минерализации. Чаще они пропитывались известью. Некоторые виды бактерий, способные к использованию закисного железа, создавали чехлики из его гидроокислов, хорошо сохраняющиеся в осадке в породе. Б. Л. Исаченко считает, что отложение углекислого кальция в морских осадках происходит под влиянием бактерий. Установлено также, что некоторые культуры бактерий способны выделять из морской воды также фосфорнокислую известь, фосфорно‑аммонийно‑магнезиальные соли. В то же время изучение древних осадочных пород морского происхождения с применением биологического и электронного микроскопов позволяет видеть и остаточные клеточные структуры бактериального характера. Поэтому или минерализация остатков, или их отпечатки в структуре цементирующего минерального материала, иногда являвшегося минеральным коллоидом (например, кремниевым гелем), и другие условия захоронения бактериальных клеток несомненно имели широкое распространение в средах геологического прошлого. При этом часто остатки бактерий получали в породах и минералах прочную упаковку.

Большое значение имеют палеонтологические методы для изучения изменений в геологическом прошлом Земли, ее климата и земной поверхности, т. е. для палеогеографии. Материалы палеофитогеографии (истории расселения растений) и палеозоогеографии (истории распространения животных) поэтому являются основой палеогеографического исследования отдельных районов нашей планеты или ее поверхности в целом.

Данные палеонтологии, как мы говорили выше, помогают ученым представить себе последовательность отдельных этапов геологического прошлого Земли. Однако они не могут помочь нам определить абсолютную продолжительность этих этапов, точный возраст тех или иных пород. Поэтому уже давно исследователи искали способ, который дал бы возможность устанавливать геологический возраст отложений в абсолютных единицах. В частности, для этой цели пытались использовать изучение скорости накопления на дне бассейнов различного типа осадков. Этот метод, если его применять к отложениям, образовавшимся из материала, принесенного с суши в моря, дает интересные результаты, например, помогает подсчитать длительность времени отложений, образовавшихся из материала, принесенного с областей бывшего оледенения в морские и внутриконтинентальные водные бассейны.

Принципиально новые способы определения абсолютного возраста горных пород и минералов были получены геологической наукой в результате изучения радиоактивных элементов. Суть этих способов такова.

Ядра атомов всех химических элементов состоят из мельчайших частиц ‑ положительно заряженных протонов и не несущих заряда нейтронов. Масса протона почти равна единице ‑ массе атома водорода (ядро которого и состоит из одного протона). Нейтрон же имеет массу чуть большую, чем протон. Как оказалось, так называемый атомный номер элемента, установленный Д. И. Менделеевым в периодической системе элементов, соответствует числу протонов, или положительному заряду ядра. Нейтроны же присутствуют в составе ядра независимо от атомного номера. Число их в ядре варьирует у различных химических элементов ‑ от атома водорода, не имеющего нейтронов, до атомов плутония и америция, содержащих по 149 нейтронов. Химические элементы, ядра атомов которых имеют одно и то же число протонов и, следовательно, один и тот же положительный заряд, но различное число нейтронов, называются изотопами. В периодической системе элементов они занимают одно и то же место, но вследствие различий в числе нейтронов имеют различные свойства.

Ядра бывают прочными (стабильными), не проявляющими никаких изменений во времени, или нестабильными, неустойчивыми, распадающимися с измеримой. скоростью. Радиоактивность ‑ это и есть распад ядер, который сопровождается различным типом излучения.

Так называемое альфа‑излучение представляет собой поток положительно заряженных ядер гелия со значительной кинетической энергией; бета‑излучение ‑ это поток отрицательно заряженных электронов; гамма‑излучение ‑ аналогично по свойствам лучам Рентгена.

Вое встречающиеся в природе химические элементы, имеющие атомный номер более 80, являются радиоактивными. Они образуют четыре радиоактивных ряда. Иногда эти ряды называются "семействами". Распад атомов исходных элементов ‑ урана‑233, урана‑235, урана‑238 и тория‑232 (U233, U235, U238, Th232) ‑ приводит к образованию неустойчивых ядер различной продолжительности существования, в свою очередь распадающихся. Сам процесс распада не зависит ни от каких внешних условий. Он идет с неизменной скоростью различной у различных элементов. Половина всех имевшихся в наличии ядер данного элемента распадается за строго определенный промежуток времени ‑ так называемый период полураспада. Каждый радиоактивный ряд заканчивается образованием одного из трех изотопов свинца с выделением гелия. Эти процессы, и оказались теми "часами" истории Земли, которые позволяют исчислять возраст геологических образований в виде так называемой абсолютной геохронологии.

Что же такое абсолютная геохронология и что она дает к настоящему времени?

Интерес геологов к природным процессам распада радиоактивных элементов связан с тем, что скорость этих процессов, во‑первых, постоянна, во‑вторых, очень мала. Лабораторные испытания, в которых радиоактивные вещества подвергались воздействию температур от ‑270 до +7000°С, давлений свыше 200 атм, сильных магнитных полей, бомбардировки космическими лучами не могли изменить нормального хода распада радиоактивных элементов.

Периоды полураспада основных естественных радиоактивных изотопов следующие.

 

На ранних этапах по определению абсолютного возраста геологических пород наибольшее применение получил метод, основанный на определении количеств свинца и гелия как продуктов распада урана‑238, урана‑235 и тория‑232. Оказалось, что радиоактивные химические элементы, входящие в состав минералов земной коры, способны давать указание на время их образования и поэтому могут служить для установления времени геологических событий, иногда весьма древних. Поскольку урано‑ и ториеносные минералы встречаются в природе реже, чем калиеносные, то преимущество калиевого метода оказывается очевидным особенно для осадочных пород.

В применении к изучению абсолютного возраста минералов осадочного происхождения наиболее интересным показал себя стронциевый метод, основанный на распаде рубидия‑87 с образованием стронция. Для этого необходимо, чтобы испытуемый материал содержал рубидий, например, в виде хлористой соли или в виде калийсодержащих глинистых минералов группы иллита, или в виде глауконита, а из магматических минералов ‑ микроклина, флогопита, мусковита и др.

Особое место в абсолютной геохронологии занимает углеродный метод, основанный на измерении содержания углерода‑14, период полураспада которого составляет 5568 лет. Этот метод применим для сравнительно самых молодых геологических образований ‑ четвертичных. Исходным материалом для него являются углеродсодержащие горные породы, лигниты, торф и т. д.

Углерод в природе представлен двумя стабильными изотопами С12 и С13, соотношение количеств которых в некоторых известняках составляет 98,892 и 1,108%. При этом интересно, что С12 является биогенным изотопом углерода, поскольку его содержание в организмах и в органогенных геологических образованиях всегда относительно выше по отношению к С13. Принято различать углерод небиогенного происхождения (С12/С13 =88,0‑90,2) и биогенного (С12/С13=90‑92,9).

Методы определения абсолютного возраста прошли довольно длительную проверку. Выяснено, что причиной ошибок при вычислении могут быть утечка изучаемого элемента при выветривании породы, утечка гелия, образовавшегося при распаде, примеси нерадиогенного свинца и т. д. Поэтому различные определения одного и того же объекта способны давать более или менее значительные отклонения. Но все же эти отклонения не столь значительны, как можно было думать ранее, и цифры возрастов тех или иных минералов и горных пород постепенно уточняются.

Одним из важнейших достижений современной науки является определение возраста Земли, точнее возраста слоев земной коры.

Так, возраст ряда весьма древних геологических образований составлял для гранитов Беломорья 1800 млн. лет, габброноритов Беломорья 2060 млн. лет, гранитов Балтийского щита 2030 млн. лет, пегматитов Карелии 2450 млн. лет. Аналогичные цифры получены для древних пород Канады, Бразилии, Индии, Южной и Центральной Африки и т. д. Возраст этих пород составляет от 2500 до 3350 млн. лет. Последняя цифра некоторыми исследователями принималась за возраст земной коры, другие принимали цифру 3,6 млрд, лет, полагая, что формирование каменной оболочки ‑ коры нашей планеты началось 4,5 млрд. лет назад и длилось многие сотни миллионов лет в условиях уже относительно медленного накопления дополнительного космического вещества. Итак, наилучший способ проследить процессы и события истории земной коры ‑ это сочетание палеонтологического и геохронологического методов. На основе этих данных выделены определенные этапы геологического развития земной коры и была принята геохронологическая шкала по данным определения абсолютного возраста (по Д. И. Щербакову, 1961 г.). Эта схема сильно раздвинула возрастные границы эр и периодов, в особенности в отношении более ранней части истории земной коры. Докембрий на территории СССР был разбит на четыре крупных подразделения, имеющих огромную длительность. Весьма велика и мощность образований, соответствующих этим подразделениям. Все четыре подразделения докембрия можно рассматривать как эры.

 

Обращают на себя внимание различия в длительности выделенных в схеме периодов. Чем ближе к нашему времени, тем они становились как бы короче и короче. Это объясняется тем, что основой для схемы были полученные геохимиками от геологов и палеонтологов палеонтологические данные. Эти данные отражали эволюцию органического мира Земли в ходе геологического времени, которая осуществлялась как бы убыстряющимися темпами. От слоя к слою, от одного геологического века к следующему изменения в составе организмов происходили все быстрее, что позволяло выделять менее мощные серии отложений, образовавшиеся за сравнительно короткие промежутки времени.

Заменяет ли метод абсолютной геохронологии другие методы определения геологического возраста, в частности палеонтологический? Совсем наоборот! Именно сочетание палеонтологического метода, раскрывающего вместе с геологическими данными последовательность формирования осадочных отложений целыми свитами и сериями свит, с методом геохронологии способствует наилучшему раскрытию истории развития нашей планеты.

 

Среда жизни

 

Средою жизни издавна являются моря и океаны. Растворяющие свойства в жидком состоянии, способность в парообразном состоянии соединяться с различными химическими элементами и их соединениями делают воду важнейшим фактором и компонентом в химических и биологических процессах в природе. В воде растворяются газы атмосферы и газы, поднимающиеся из земных недр. Поэтому воды суши, морей и океанов до самого их дна являются продолжением атмосферы, обеспечивая тем самым существование организмов ‑ растений, животных и бактерий. Поэтому влажному почвенному покрову суши, с его богатыми проявлениями бактериально‑водорослево‑грибной жизни, вполне соответствует верхний слой рыхлых донных осадков. Ниже, на суше и в водах, органическая жизнь прослеживается, но в количественном отношении оказываете более скудной.

Важно отметить, что воздух, растворенный в воде, содержит кислорода относительно больше, чем воздух газообразный, так как растворимость кислорода в воде лучше, чем растворимость азота. Высокую растворимость в воде имеет и углекислота, запасы которой в водах гидросферы во много раз превосходят ее запасы в атмосфере, обеспечивая тем самым существование и развитие водных растений.

Водная масса Земли всегда находится в непосредственном, теснейшем контакте с твердым веществом земной коры, с горными породами и минералами и продуктами их выветривания на суше и на дне моря. Поэтому воды гидросферы обычно насыщены минеральными веществами или содержат их в том или ином количестве.

Вода ‑ основной компонент живого вещества ‑ протоплазмы клетки, крови, лимфы. Она совершенно необходима для жизнедеятельности ‑ процессы питания и выделения немыслимы без нее. Особо важную роль вода играет для водных организмов, являясь не только средой их жизни и эволюции, но и происхождения.

Вода ‑ минерал, как считают геологи и минералоги. Химики говорят, что вода ‑ самое распространенное на Земле вещество, имеющее определенный химический состав и физические свойства (текучесть, отсутствие цвета и запаха, определенную плотность и т. д.) и являющееся активным растворителем газов и твердых веществ.

Процессы растворения в воде твердых веществ связаны с разрушением их структуры, с образованием связей между их молекулами и молекулами воды. Оказывается, абсолютно нерастворимых веществ в природе не существует, но растворимость разных элементов и их соединений проявляется в разной степени в зависимости от их свойств. В результате высокой растворяющей способности воды в природе она всегда оказывается обогащенной веществами, с которыми входит в соединения, чаще в так называемые гидраты (сольваты). Образование гидратов вызывается наличием у молекул растворенных веществ электрического заряда и притяжением их к молекулам растворителя обычно с выделением при этом тепловой энергии.

В природных водах, таким образом, оказываются в взаимосвязи и во взаимовлиянии самые разнообразные по свойствам химические элементы и соединения, на взаимоотношениях которых сказываются температура, ее изменение, изменение давления. Между растворенными в воде веществами возможны самые разнообразные химические связи. При пересыщении раствора каким‑нибудь компонентом выпадает осадок, качественно отличный от первично растворенных веществ,‑ то в виде гидратов окислов элементов, то в виде их фосфатов, сульфатов, галоидных солей, с тем или иным количеством молекул воды на молекулу осажденного из раствора соединения.

Таким образом, вода в природе ‑ это сложнейшая химическая лаборатория, где встречаются и входят во взаимодействие разнообразные химические элементы земной коры и атмосферы. Поэтому в природе не было более благоприятной обстановки, чем водная среда, для предбиологического этапа химического развития углеродных соединений и для возникновения первичных организмов.

Роль воды в природе оценивалась человеком различно в странах с различным климатом. В условиях жаркого климата южных стран вода ‑ благо, без которого не может обойтись ни одно живое существо. Например, древние индийские сказания гласили, что вода ‑ основа всей жизни мира, из которой произошло все остальное. Древний Египет с его своеобразной историей и культурой, существовавшей благодаря Нилу, был всем обязан этой реке, ее периодическим разливам, увлажнявшим и улучшавшим почву долины, и, естественно, представлял ее божеством. Аналогичное отношение к воде других древних народов Северной Африки, Ближнего Востока и Южной Азии являлось основой представлений о мироздании. Возникали учения древних мыслителей, по которым даже звезды, Луна и Солнце признавались вызванными к жизни испарением вод. В странах же с влажным климатом, с периодическими ливнями, разливами рек, затопляющих обширные участки суши, вода представлялась злым началом, олицетворяла злое божество, приносящее людям иногда большие несчастья. Началом мира здесь признавалось Солнце и его свет, породившие Землю. В них видели и начало жизни.

Некоторые мыслители (III‑II в. до н. э.) полагали, что мир состоит из пяти элементов: воды, огня, дерева, металлов и земли, что изменения в природе происходят под влиянием взаимного уменьшения или увеличения этих пяти материальных сил. Позднее возникло учение, по которому все вещи произошли от первоначального жизненного "эфира".

Философские обобщения XVII‑XVIII вв. в странах Западной Европы были первыми попытками создать представление о космосе. В XVIII в. французский естествоиспытатель Ж. Бюффон говорил о воде, что она может уходить с поверхности в глубины и вновь появляться на свет, что воды неба, падая на землю и стекая в океаны, разрушают ее поверхность. Тогда же высказывались и мысли о расплавленной массе Земли, о разрушительной силе небесной воды и созидающей силе вод океанов.

Постепенно, побеждая религиозную трактовку вопросов устройства Вселенной, научная мысль приближалась к современному мировоззрению. Уже в XIX в. стало общепризнанной истиной суждение о круговороте воды в природе, складывающемся из двух циклических процессов. Один из них, "внешний" цикл выражается в испарении воды под действием солнечных лучей с поверхности суши, морей и океанов, затем вода осаждается, стекая в ручьи и реки, пока не собирается вновь в водные бассейны земной поверхности. Второй, "внутренний" цикл состоит в просачивании воды в землю, где она проникает в глубины земной коры, в область высоких температур. Там, близ очагов расплавленной магмы, вода переходит в пар с высокой температурой и давлением, в результате чего создаются мощные запасы энергии, проявляющиеся затем при вулканических извержениях и при образовании гейзеров. Пары воды способствуют поднятию лавы на поверхность и выбросу пепла в атмосферу. При этом они поднимаются над жерлами вулканов на большие высоты, образуя облака. Вулканизм тогда связывался именно с деятельностью воды в этом "внутреннем" цикле ее движения и объяснялся проникновением морских вод в глубь земной коры по трещинам.

В XX в. новая наука уже по‑новому трактует происхождение вод. Появилось представление о существовании вод земной поверхности, так называемых вадозных, и вод глубинных, поднимающихся из недр, где они были связаны с веществом земной коры,‑ вод ювенильных, или молодых. На эту мысль Э. Зюсса натолкнуло исследование поднятия горячей трещинной воды до высоты в 12‑15 м известного гейзера Шпруделя в Карловых Варах. Воды ювенильные, подмешиваясь к вадозным, таким образом увеличивают количество воды в биосфере. Отсюда пришла идея о том, что гидросфера Земли создана глубинными процессами земной коры, которые, протекая в течение долгих геологических периодов, и создают на Земле запас вод атмосферы, морей и океанов, непрерывно пополняемый и в настоящее время. Вместе с парами ювенильной воды в биосферу тем же путем поступали и поступают разнообразные ювенильные газы, так называемые "благородные" ‑ гелий, аргон, а также и "неблагородные" ‑ сернистый газ, окись углерода, закись углерода, водород и др. В соответствии с этой идеей, ныне прочно вошедшей в представления геологов, вся вода земной поверхности является наследием догеологической и геологической истории Земли.

А. П. Павлов следующим образом рисует историю образования морей и океанов. "Суша, неравномерно нагретая, с многочисленными вулканами несколько иного типа, чем теперь, и с горячими источниками владела почти нераздельно поверхностью планеты. Это и была древнейшая на земле пустыня... Первобытные бури потрясали атмосферу Земли могучими страшными концертами. По временам разражавшиеся ливни выметали из диких скалистых горных долин в необозримые безжизненные и голые равнины разнообразные продукты дробления... Солнце льет свой жар сверху в тех местах, где холодные верхи гор не сгущают паров в тучи. Море еще не родилось или только еще нарождалось в наиболее глубоких впадинах... Снизу, еще близко к поверхности, недавно заключенный в каменную оболочку отрывок солнечной массы ‑ раскаленная магма Земли. Местами она льется по Земле могучими потоками, доставляя свежий каменный материал для грядущих процессов разрушения, или выбрасывает из глубин новые массы паров ‑ созидателей будущего моря".

Первичная гидросфера и атмосфера Земли еще не заслуживали название биосферы, но уже были средой ее зарождения.

Что же представляла собой древняя среда жизни?

Изучение ферментативных процессов обмена веществ у организмов приводит к выводу, что они у разных групп сходны по своему характеру, хотя и отличаются по структуре, и что они всегда связаны с восстановительной обстановкой. Следовательно, первичная среда, создавшая их, тоже должна была иметь восстановительный характер. Значит первичный обмен у организмов был бескислородным.

Жизнь на Земле связана с большим количеством так называемых "биофильных" химических элементов, среди которых виднейшее место занимают углерод, кислород, водород, азот и сера.

Появлению жизни на Земле предшествовала длительная и сложная эволюция веществ, состоящих из этих элементов,‑ от простых соединений к сложным, с их новыми свойствами и поведением в "добиосфере".

Уже давно возникло представление о "главном слое жизни", за который принимается в гидросфере Земли самый верхний "слой" водной среды с многообразным комплексом организмов планктона, среди которых основное место занимают микроскопические одноклеточные водоросли ‑ фитопланктон. На суше роль главного слоя жизни играют поверхность и верхний слой почвы. В прибрежных зонах, по краям выступов суши, у границы их с водными бассейнами эти два типа главного слоя жизни совмещаются.

В геологической жизни Земли такие районы оказывались, в частности, основными производителями больших запасов углерода и, вообще, органического вещества. Исследователи отводят побережьям древнейших морей и океанов особое место, поскольку здесь, в условиях больших колебаний температуры, взаимодействовали самые разнообразные компоненты состава биосферы: горные породы, вода, солнечная и космическая радиация, углеводородные и иные жидкие и газообразные соединения.

Таким образом, древнейшая среда на Земле, в частности водная, представляла собой концентрированный раствор сложных органических соединений, механически и химически тесно связанный с твердым веществом земной коры и Находившийся под воздействием мощных излучений. Эта среда ‑ колыбель первичных организмов ‑ была восстановительной, бедной кислородом. Это была арена разнообразнейших химических и геохимических реакций, из которых многие шли с выделением тепловой энергии.

В такой обстановке должны были успешно развиваться многие микробиологические процессы, в частности, окисление водорода кислородом углекислоты с одновременным образованием метана и многие аналогичные процессы с участием других исходных веществ древнейшей природы.

Создается впечатление, что древнейшая среда на поверхности нашей планеты не была гибельной для многих групп микроорганизмов. Наоборот, можно полагать, что все главнейшие компоненты первичного состава биосферы, каждый в отдельности, могли быть основой, жизненным субстратом соответствующих проявлений жизни. В отношении типов сред, способствовавших возникновению жизни и ее развитию, между учеными существуют значительные расхождения во взглядах. Известны весьма решительные высказывания в пользу почвенных растворов в качестве предполагаемой среды возникновения жизни, притом в условиях высыхания мелких материковых водоемов.

Имеются высказывания в пользу прибрежных зон мелководных бассейнов, где этому могло благоприятствовать сочетание природных факторов: увеличения запасов углекислоты, влияния химически действующих солнечных лучей, одновременного присутствия в растворах усложненных углеродных соединений и минеральных веществ земной коры. Под защищающим от гибельных лучей слоем почвы или на малых глубинах водоемов средой жизни в основном была, конечно, вода.

Итак, средой жизни является вода. Она же является обязательным компонентом в веществе живой клетки ‑ внутриклеточной средой при процессах обмена, а также материалом в этих процессах.

Зародыши жизни ‑ коацерваты ‑ представляли собой полужидкие коллоидные вещества, проницаемые для некоторых растворенных в водной среде солей, газов и самой воды. Как известно, коллоидным веществом весьма свойственна способность к поглощению и связыванию различных веществ из окружающей среды. К сожалению, природные коллоиды, в частности минеральные, в специальных исследованиях, касающихся иногда явно органогенных образований, как железо‑марганцевые конкреции на дне современных морей и океанов, вещества фосфоритового состава, кремниевый гель (силикогель) и другие, обычно пока трактуются авторами вне связи с биологическими явлениями.

Между тем в вопросе первичной среды жизни и ее возникновения Н. Г. Холодный придавал большое значение коллоидным органическим соединениям. Поэтому, подытоживая изложенное выше, можно сказать, что средой возникновения жизни на Земле были природные водные растворы сложных органических и минеральных соединений с соответствующими температурами и давлениями, создававшиеся в результате сложного химического взаимодействия вещества земной коры, гидросферы и атмосферы.

В связи с этим можно признать, что средой и местом массового возникновения жизни были влажные почвы, водная среда прибрежной зоны морских бассейнов, лагун и внутриконтинентальных водоемов, их зоны прибоя, в особенности зона приливов и отливов.

 

Жизнь и изотопы

 

Изменение температуры химических процессов способно отражаться на изотопном составе углерода, благодаря чему открывается возможность определения температур древних сред, в частности температур, при которых образовались каменноугольные пласты.

По содержанию С13 и О18 Г. Юри измерил в 1951 г. температуру отложения карбоната кальция в юрском белемните. Выраженная слоистость раковины ‑ проявление сезонности развития животного. Установление повышенного содержания С12 в биогенных карбонатных образованиях было проверено на архейской окаменелости возраста 1,4 млрд. лет.

Интересно, что метаморфизм и, вообще, любой нагрев, даже искусственный, различных графитов не изменяет у них отношение С12 к С13. Углерод животного происхождения имеет отношение изотопов углерода в пределах от 90,1 до 92,5, углерод растительного происхождения в пределах от 90,6 до 93,1, ископаемая древесина ‑ от 90,1 до 92,2, торф до 92,8, лигнит ‑ от 90,87 до 91,10, битуминозные угли ‑ от 90,53 до 92,1 как и антрациты и полуантрациты.

Выяснено, что неорганические процессы, включая вулканизм, способствуют увеличению запаса С13, тогда как органические обогащают вещество изотопом С12. Полагают, что современная атмосфера Земли почти полностью была биогенного происхождения. В этой атмосфере первичной двуокиси углерода присутствует немного.

С14 ‑ радиоактивный изотоп углерода ‑ образуется под действием космической радиации на азот атмосферы, поскольку его ядро способно поглощать нейтроны космического излучения. Возникающий таким путем изотоп С14 реагирует с кислородом атмосферы, образуя С14O2 или С14O которая окисляется в озоновом слое до окиси углерода. Опускаясь, С14 поглощается наземными и водными растениями.

Элементарный углерод не играет роли в процессах на земной поверхности в ее водах и на суше. Он представлен здесь в виде относительно прочного соединения ‑ углекислоты СO2.

Углекислота происходит из трех источников: а) углекислота атмосферы; б) углекислота болотная, торфяная и получающаяся при преобразовании вещества бурых и каменных углей в природе и благодаря деятельности человека; в) углекислота из карбонатных пород, главным образом из известняков, а также и из карбонатных руд железа и марганца, образовавшаяся при их вовлечении в процессы выветривания.

Поступая в атмосферу, углекислота в той или иной степени поглощается дождевыми водами, проникает в почву и в коренные породы, где становится сильным геологическим деятелем вследствие ее способности образовывать более сложные соединения с встречающимися веществами земной коры. Воздействуя на них в качестве угольной кислоты, она образует карбонатные и бикарбонатные соединения. Первые чаще являются твердыми минеральными образованиями, вторые ‑ образуются в растворах и могут в таком виде, поднимаясь с водами источников на поверхность Земли, входить в химические связи с различными другими растворенными или твердыми минеральными или органическими соединениями.

Несомненно, значительные количества окиси углерода образуются при естественном преобразовании в земной коре вещества каменных и бурых углей и лигнитов, которые извечно проявляют общую тенденцию к потере так называемых летучих компонентов. В числе этих компонентов углекислота обычно занимает видное место с примесями закиси углерода (угарного газа) и часто метана. Процессы выделения газов из угольного вещества связываются с его окислением при участии кислорода, заносимого туда проникающими с поверхности водами. Общеизвестно, что скопления газов в угольных пластах иногда вызывают их активные выбросы, наподобие взрывов, представляющих опасность для шахтеров. Подземные воды, насыщаемые этой углекислотой, становятся сильными растворителями и потому оказываются способными выносить на поверхность из углей многие химические элементы, в числе которых кремний, барий, олово, железо, марганец, бор, никель и др.

Известен и другой путь образования окиси углерода в угольных пластах. Содержащиеся часто в них в виде конкреций пирит и марказит, окисляясь при участии кислорода из притекающих поверхностных вод, что, как мы знаем, обычно происходит при участии бактерий, дает с водой серную кислоту. Серная кислота, воздействуя на известняки, залегающие там же, образует сульфат кальция (гипс) с выделением углекислоты. Таким образом, в выделении свободной углекислоты в биосферу участвуют различные процессы в недрах Земли и в связи с осадочными отложениями.

Между тем углекислота в указанных условиях способна образовывать ряд органических кислот, таких, как муравьиная, уксусная и другие, которые могли подниматься к древней поверхности насыщенными соответствующими металлическими основаниями или не насыщенными, т. е. способными к реагированию с другими веществами в других условиях. Известны многочисленные разнообразные минеральные углекислые источники, часто используемые для лечебных целей, воды которых бывают насыщены различными солями (карбонаты, хлористые и сернокислые соли щелочных металлов, кальция и магния и т. д.). Примеры того ‑ источники Кисловодска, Карловых Вар.

На относительно больших глубинах в недрах Земли свободная углекислота образуется при взаимодействии известняков с кремнеземом в условиях высоких температур, с образованием кремнистых пород, где к поверхности поднимаются горячие соленые источники, богатые углекислотой. Поэтому полагают, что влияние высокой температуры недр и вулканических образований на породы осадочных толщ состоит в выделении из последних углекислоты.

Наибольшее количество углекислоты биосфера получает в процессе вулканической деятельности. Эта углекислота ‑ ювенильная, выделяется при остывании лавовых масс и в последние фазы вспышек вулканической деятельности. Это явление было изучено в районах действующих вулканов Италии и древних вулканов Чехии и Оверни.

В вулканических областях известны струи газов с содержанием СO2 до 59%, например на о‑ве Мартиника у Мон‑Пеле, а также около Неаполя. В области Тихоокеанского вулканического пояса, в Северной Америке, в "Долине десяти тысяч дымов" сухие газовые струи углекислоты, вырываясь в атмосферу, сильно охлаждаются и газ выпадает у самых источников в виде твердой углекислоты.

Громадные запасы углекислоты в земной коре находятся в связанном состоянии в разнообразных изверженных породах, куда она попала в процессе их первичного формирования. Азот, количественно основной компонент атмосферы Земли, представлен в ней двумя стабильными изотопами N14 и N15 в соотношении: N14 ‑ 99,635%, N15 ‑ 0,365%. Отношение N14/N15 = 273. Изотоп N14 под влиянием космического излучения превращается в верхних слоях атмосферы в радиоактивный углерод С14 и в радиоактивный тритий ‑ Н3. При искусственной бомбардировке альфа‑частицами изотоп N14 превращается в кислород О17. На больших высотах отношение между изотопами N14 и N15 возрастает, в частности, на высоте 58,3 км до 282,6. Полагают, что в разделении изотопов проявляется сила тяжести.

Важно отметить, что в радиоактивных минералах различного геологического возраста отношение изотопов азота иное. Так, отношение N14/N15 в урановой смолке различного геологического возраста следующее:

 

Из этих данных отчетливо видно, что у определенного вида минералов отношение изотопов отражает геологический возраст, проявляя Тенденцию со временем к относительному уменьшению изотопа N15. По мнению некоторых ученых, отношение изотопов в минералах, содержащих азот, не зависит от химического их состава, хотя наблюдаются и исключения.

Откуда появился азот в атмосфере Земли и ее минеральных образованиях? Один из возможных путей ‑ это распад какого‑то азотного соединения под влиянием излучений радиоактивных элементов на азот и гелий. Таким исходным веществом мог быть скорее всего аммиак, известный в составе атмосферы ряда планет Солнечной системы. При распаде U238 также образуется азот. Наличие азота в составе многих минералов должно указывать на особую геологическую, или точнее догеологическую, древность этого процесса, относящегося к стадии формирования нашей планеты и ее коры.

Между тем есть и другие точки зрения на происхождение азота в атмосфере. Так, В. И. Вернадский считал, что азот постоянно приходит в атмосферу из глубоких зон земной коры в составе газов, выделяющихся при деятельности вулканов и минеральных источников. На Земле во многих местах известны газовые струи, почти нацело состоящие из азота с примесью благородных газов (гелий, аргон). Под влиянием электрических разрядов азот входит в соединение с водородом и кислородом, образуя NH3, NO2 и NO3, азотистокислые и азотнокислые соли аммония, а также и более сложные азотные органические соединения, "строящие тела организмов".

В природе имеет место грандиозный процесс извлечения из биосферы свободного азота бактериями почвы и вод, а также некоторыми водорослями. Азот при этом поступает в тела организмов в виде разнообразных соединений, а потом иногда накапливается в виде азотсодержащих минералов, например, селитры, азотных соединений нефтей, каменных углей и т. д. В то же время в природе идет не менее грандиозный процесс выделения свободного азота биохимическим путем, тоже при участии организмов, в основном бактерий, принадлежащих к группе так называемых денитрифицирующих. Таким образом, часть азота из состава живых тел и захваченных ими аммиачных и кислородных соединений возвращается назад в атмосферу, часть откладывается в составе ряда минералов или снова захватывается живым веществом биосферы (селитра, аммиачные соединения) или захороняется в осадочных отложениях.

В. И. Вернадский полагал, что количество свободного азота в атмосфере, по‑видимому, не меняется и что его приток из более глубоких слоев Земли возмещает его потребление организмами и образование азотсодержащих минералов. Решающая роль в этом процессе отводится живым организмам.

Если учесть приведенные выше данные, что биофильный изотоп азота N14 в истории Земли проявляет тенденцию к накоплению в биосфере, по отношению к более тяжелому изотопу, то относительное обогащение некоторых минералов изотопом N15 позволяет считать его в большей степени связанным с химическими процессами. Между тем в первичной атмосфере, где преобладали лишь химические реакции преобразования ее вещества под влиянием электрических разрядов, трудно допустить большое содержание свободного азота. Скорее всего, он был преимущественно связан в соединения с водородом и углеродом в виде аммиака и углеводородных газов.

Водород представлен в природе тремя изотопами: Н1 ‑ протий, Н2 ‑ дейтерий и радиоактивный Н3 ‑ тритий.

Присутствие свободного водорода в составе атмосферы и гидросферы нашей планеты не вполне еще исследовано. В окружающей среде мы не видим его заметного содержания, но имеется достаточно данных о его присутствии в верхних слоях атмосферы, что установлено исследованиями с помощью ракет. В то же время известно, что свободный водород присутствует в глубинах земной коры и выделяется при вулканических процессах. По данным Резерфорда, весьма вероятен синтез водорода в процессе разрушения атомов других элементов.

Значение водорода определяется его свойствами, в частности исключительной легкостью, вследствие чего Земля может обмениваться им с космосом.

В земной коре водород наряду с другими газами захватывается магматическими и лавовыми массами. Крайне интересно, что в комплексе этих газов оказываются Н2, СН4, C2H4, СО, СO2, N2 и другие, поскольку их ассоциация, несомненно, отражает исконное свойство земной материи и ее первичный газовый состав вообще.

Содержание водорода в твердых породах достигает 36‑38%. Водород входит в состав вод минеральных источников, нефтей, часто выделяется мощными струями из залежей морских солей, в частности калийных. В газовой фракции выбрасываемых вулканами веществ он составляет до 3% у Везувия, до 22,3% у Мон‑Пеле, а в Исландии вулканические источники выбрасывают струи газа, содержащие 54% водорода. Кроме того, водород высвобождается при гниении органических (белковых) веществ вследствие жизнедеятельности некоторых видов бактерий, что должно давать большой эффект в ходе геологического времени.

На высоте около 100 км водород ‑ является господствующим газом. Предполагается, что он частично улетучивается из земной атмосферы в космическое пространство. Под влиянием азота верхних слоев атмосферы, под влиянием почвенных бактерий и другими путями водород окисляется в воду.

Изотопы водорода дейтерий и протий обычно присутствуют в соотношении 1:6409. В связи с различием в массе протия и дейтерия органические и неорганические процессы с их участием идут различно. Обычно протиевые соединения вступают в реакцию энергичнее и быстрее, чем дейтериевые, примерно в 6 раз. Тритий радиоактивен; его содержание в веществах определяется путем измерения радиоактивности. Полагают, что из изотопов водорода именно протий проявляет тенденцию к утечке в космическое пространство, тогда как дейтерий в ходе геологического времени накапливается. Окись дейтерия ‑ так называемая "тяжелая" вода ‑ имеет особые свойства, в частности является менее активным химическим веществом по сравнению с водой. Тяжелая вода вредна для организмов, а чистая окись дейтерия даже ядовита, способна задерживать биологические процессы. Между тем организмы, усваивая воду, способны разделять изотопы в соотношении обычно около 4500‑6000.

Водород ‑ активный биофильный элемент. Многие бактерии, способные к автотрофному существованию, т. е. не требующие для себя готовых органических соединений, могут получать жизненную энергию при окислении водорода: Н2 + 1/2 О2 = Н2O + 56 больших калорий энергии. Правда, эти микроорганизмы не являются обязательными автотрофами, так как могут существовать и на обычных органических средах. Имеется группа водородных бактерий, которые усваивают водород, окисляя его. в присутствии кислорода среды (аэробные бактерии). Некоторые бактерии развиваются автотрофно на минеральной среде в присутствии окиси углерода и кислорода.

Существование автотрофных бактерий, добывающих энергию за счет окисления водорода в присутствии углекислоты, представляется фактом исключительного значения, к которому далее мы вернемся.

В природе существует три изотопа кислорода: О16, О17 и О18. При этом в атмосферном кислороде изотопы составляют соответственно 99,760, 0,042 и 0,198%. Изучение их распространения в природе позволило, прийти к выводу, что тяжелый кислород О18 преимущественно концентрируется в кислороде двуокиси углерода, в частности в кислороде карбонатов и образованных из них кислородных соединений. Установлено, также, что О16 скорее усваивается организмами, в частности почвенными бактериями и в процессе фотосинтеза растений. Этот изотоп в основном составляет кислород воды. Именно О16, легкий изотоп кислорода, преобладает в процессе жизнедеятельности морских организмов, поглощающих кислород.

Поскольку тяжелый изотоп кислорода в большей степени оказывается связанным с минеральным веществом земной коры, а легкий О16 ‑ с жизнедеятельностью организмов и водой гидросферы, то геологическая история их, несомненно, была различной. Малые запасы тяжелых изотопов О17 и О18, вероятно, представляли собой кислород древнейшей атмосферы Земли, тогда как легкий изотоп создавался организмами, вероятно, за счет соответствующих соединений, в связи с его более высокой химической активностью.

Ранее полагали, что кислород атмосферы происходит из кислорода двуокиси углерода при фотосинтезе. Между тем оказалось, что кислород водных растений образуется при фотосинтезе из воды, что подтверждено данными изучения фотосинтеза у ряда видов современных водорослей (хлорелла, гелиатус и др.). В выделяемом водорослями кислороде изотопа О18 оказывается меньше, чем в составе атмосферы. Изучение А. П. Виноградовым, Р. В. Тейс и другими учеными процесса фотосинтеза у элодеи показало, что состав фотосинтетического кислорода совпадает с изотопным составом кислорода воды, но существенно отличается от общего изотопного состава кислорода атмосферы и кислорода углекислоты. Изотопный состав фотосинтетического кислорода оказывается средним по отношению к составу кислорода атмосферы и углекислоты. Это обстоятельство породило гипотезу о том, что в растениях содержатся атомы кислорода, происшедшего как из воды (две трети), так и из двуокиси углерода (одна треть). Путем определения изотопного состава кислорода ряда древних изверженных пород был установлен первоначальный изотопный состав земного кислорода. Отношение между изотопами O16/018 для него получилось в пределах 495,6‑495,3. Выяснено, что содержание О18 в карбонатных осадках способно указывать температуру процесса их осаждения в геологическом прошлом ‑ палеотемпературу. Г. Юри на основе тщательного измерения содержания О18 в породах разработал метод измерения температуры воды в момент образования отложения древних карбонатных осадков.

В. И. Вернадский, отмечая наибольшую роль водорода и кислорода в образовании живого вещества, считал кислород, в виде свободного кислорода биосферы, "продуктом жизни". Он доказывал, что для большинства элементов их геохимия обусловливается живым веществом и вообще до 99% (по весу) вещества земной коры считал "обусловленным жизнью", из чего вытекало его представление о теснейшей вещественной связи между живой и косной (мертвой) природой.

Общее содержание кислорода в современной атмосфере ‑ 2,8‑1014 т, между тем все растения земного шара в процессе фотосинтеза за год выделяют его 1,2‑1011 т. Таким образом, весь запас кислорода современной атмосферы Земли мог бы образоваться всего за 2‑3 тыс. лет, если бы он не расходовался на разнообразные окислительные процессы химического и биологического порядка. Правда, имеются высказывания о неорганическом пути образования свободного молекулярного кислорода вследствие термической диссоциации воды, но они не получают поддержки со стороны геологов и химиков.

Возможно, что диссоциация паров воды и происходит в верхних слоях атмосферы при участии солнечной и космической радиации. Приводимые подсчеты количеств кислорода, который мог бы образоваться таким путем за три миллиарда лет существования Земли оказывались в десятки раз больше, чем современные запасы молекулярного кислорода в атмосфере. Однако количество паров воды в верхних слоях атмосферы весьма незначительно и потому эта гипотеза не получила признания специалистов.

Сера ‑ активный биофильный элемент. На Земле она в основном находится в зоне биосферы, где входит в органические и минеральные соединения, отличающиеся огромным разнообразием. Последнее объясняется существованием у серы способности образовывать полимеры в результате различной валентности (S8, S6, S4, S2 и S1). Известно четыре устойчивых изотопа серы (S32, S33, S34, S36) и получено искусственным путем несколько радиоактивных ее изотопов. Так, например, период полураспада S35 равен 87,1 дня, что делает его пригодным для применения в опытах с мечеными атомами. Изотопный состав серы зависит от того, с минеральными или с биологическими процессами она связана. Общее отношение S32/S34 варьирует в пределах от 21,4 до 23,2. Природная биогенная сера и биогенный сероводород имеют отношение этих изотопов в пределах от 22,4 до 22,6, тогда как сульфатные минералы химического происхождения ‑ 21,6‑22,0. Природная вулканическая сера имеет отношение изотопов чуть выше 22,2, тогда как сера сульфидных минералов изверженного происхождения ‑ чуть ниже 22,2. Считают, что деятельность серных бактерий может привести к более или менее полному разделению изотопов серы.

Интересно отметить, что количественное отношение изотопов серы S32/S34, наблюдаемое в сульфидных минералах, в частности в пирите, не зависит от геологического возраста минерала, но дает указание на температуру среды кристаллизации. При этом выяснено: что при высоких температурах в начале процесса осаждается изотоп S34, а при понижении температур S32 в виде мелко‑ и затем крупнокристаллического пирита. В первом случае отмечались температуры 235‑210°, а во втором 185‑135°. Открытие такого "серного термометра" геохимиками Тодом, Макнамара и Коллинсом очень ценно для изучения состояния сред "ископаемой" биосферы. Правда, этот "термометр" при его практическом использовании требует очень внимательного изучения условий осаждения минерала и последующих процессов, которые могли бы изменить соотношение между изотопами.

Таким образом, доказано, что в природе происходит повышение концентрации S34 при неорганических процессах и обогащение S32 при биологических, что может служить ключом для понимания условий отложения серы в далеком геологическом прошлом. Принято считать, что отношение S32/S34 больше 22,3 указывает на биогенное происхождение материала, а меньше 22,18 ‑ на минеральное. Установлено, что изотопное разделение серы в докембрии выражалось слабо и началось лишь 900 млн. лет назад, когда оно стало более заметным и доступным для исследования. Объяснение явления, данное Г. Юри, может оказаться очень важным, если оно будет подтверждено фактическими данными. Г. Юри полагает, что около 800 млн. лет назад восстановительные (бескислородные) среды сменились окислительными (кислородными).

Известны группы нефотосинтезирующих автотрофных серных бактерий, способных окислять сероводород, с выделением свободной серы (процесс формирования серы!), воды и с выделением при этом 172 кДж тепловой энергии на 1 грамм ‑ молекулу вещества. Существуют окислители серы в присутствии воды, приводящие к образованию серной кислоты и к получению при этом 496 кДж энергии.

Открытие автотрофных бактерий ‑ окислителей серы в природе, сделанное С. Ваксманом и Дж. Иоффе в 1921 г., привело к возможности дальнейшего успешного исследования процессов выделения серы в истории Земли. Впоследствии было установлено, что сера выделяется и рядом других организмов, не вполне автотрофных или гетеротрофных. Были выделены группы организмов, жизнедеятельность которых протекает в кислородной среде, а также и такие, которые пользуются кислородом, связанным в соединениях различного типа. Такие анаэробные микроорганизмы должны быть признаны древнейшей из групп серных бактерий. Они берут из нитратов кислород, за счет которого окисляют молекулярную серу.

Таким образом, биохимическое выделение самородной серы или образование сероводорода в геологическом прошлом то проявлялось, то исчезало в зависимости от условий, причем восстановительная обстановка, преобладавшая в ранней биосфере Земли, для этого, несомненно, не служила препятствием.

В биосфере существуют факторы, регулирующие состав атмосферы,‑ это водная оболочка Земли и живое вещество природы.

Вода растворяет газы воздуха. Огромное их количество находится в растворе во всех типах природных вод: морских, солоноватых и пресных. Поскольку кислород растворяется лучше, то воды содержат его в относительно больших количествах по сравнению с азотом, что делает водные среды в химическом и биологическом отношениях более активными. Этим путем газы доходят до самых больших глубин морей и океанов, делая их доступными для организмов. Море то выделяет кислород в атмосферу, то поглощает его вновь.

Как отмечал В. И. Вернадский, в природе известны тысячи реакций, связанных с поглощением, связыванием кислорода. Между тем свободный кислород в истории Земли мог быть образован только при жизненных процессах, при выделении его зелеными хлорофильными организмами под влиянием энергии света. Поэтому процесс выделения кислорода приурочен исключительно к так называемой кислородной поверхности ‑ земной коре, суше и водам. С глубиной выделение кислорода прекращается и там уже господствует восстановительная обстановка, В. И. Вернадский не допускал мысли, что в природе мог существовать какой‑либо иной источник свободного кислорода, кроме биологического, биохимического, что это Является основной чертой истории кислорода Земли. Таким образом, весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. При этом подсчитывалось его количество (1,2*1015 т), что указывает на масштаб проявлений жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов в ходе геологической истории Земли.

Естественно, возникает вопрос о форме существования кислорода в догеологический период истории Земли. Ответом на него может служить, по‑видимому, мнение В. И. Вернадского, что кислород был тогда полностью в связанном виде в многообразных соединениях типа окислов.