Краткая история планеты Земля. Горы, животные, огонь и лед

АРХЕЙСКАЯ ЭРА

Первым крупным подразделением геологического времени является архейская эра (рис. 1.1). Этот очень длинный отрезок времени от момента образования Земли до приблизительно 2,5 миллиарда лет назад занимает около 44 процентов всей истории нашей планеты. Конечно, геологическая временная шкала является всего лишь конструкцией ученых, и в течение архея, вероятно, произошло много событий, которые — будь они нам известны — могли бы дать основание для дальнейших подразделений. Но несмотря на ее длительность, мы знаем очень мало об архейской истории. Отчасти это связано с тем, что лишь малая часть современной поверхности Земли сложена породами архейского возраста. Мы уже видели, что не сохранилось никаких пород, относящихся к первым 600 миллионам лет архея.

Хотя (а может быть, и потому, что) архейские породы встречаются редко, они стали предметом интенсивного изучения. Мы знаем, например, что они встречаются, хотя и в небольших количествах, на всех крупных континентах. Иногда они располагаются около центра континента и всегда окружены более молодыми породами. Такая конфигурация дает ключ к пониманию того, как росли континенты. Имеются данные абсолютного возраста пород, показывающие, что в течение архея происходило эпизодическое разрастание континентов, но это только предварительный вывод, поскольку сами архейские породы занимают малую часть континентов и их сохранность, возможно, носит избирательный характер. В архейских осадках были обнаружены и первые ископаемые остатки древних одноклеточных бактерий. В последние годы тщательные исследования показали, что они встречаются гораздо чаще, чем когда-то думали, но все же они по-прежнему весьма редки. Тем не менее, они показывают, что к середине архея жизнь уже вполне установилась.

На основании изучения австралийских цирконов мы узнали, что уже 4,2-4,3 миллиарда лет назад существовали небольшие материки. На протяжении всего геологического времени, начиная с архея и до сегодняшнего времени, континентальная кора образовывалась в результате расплавления пород в глубинах Земли и переноса расплавленного материала на ее поверхность. Однако даже в наше время континентальная часть земной коры составляет очень малую долю Земли как целого, как это видно из рис. 1.2, и ее химический состав очень резко отличается от состава остальных частей планеты. Некоторые другие планеты Солнечной системы тоже имеют кору, но материки, какими мы их знаем, по-видимому, являются уникальной особенностью Земли. Из этого следует, что вряд ли можно ожидать наличия на других планетах большого количества (или вообще наличия) тех разнообразных месторождений полезных ископаемых, которые встречаются на континентах Земли и снабжают нас большей частью тех материалов, которые необходимы для современной цивилизации. Почему же материки не могут существовать на других планетах? Ответ, вероятно, связан с наличием на Земле жидкой воды.

Подобно соли, добавленной в лед, вода, входящая в состав горных пород, понижает температуру их плавления. Она также влияет и на состав магмы, возникающей при расплавлении пород. На Земле движение слагающих кору тектонических плит обусловливает поступление воды в горячие глубины Земли, вызывая расплавление горных пород. Богатая водой океаническая кора затягивается в мантию вдоль длинных океанических рвов; с погружением, по мере увеличения температуры, эта вода вытесняется из пород. В результате этого процесса возникло так называемое Огненное кольцо, протянувшееся вокруг Тихого океана: все вулканы западного побережья Соединенных Штатов (штат Вашингтон), Чили, Аляски и Японии, а также Камчатки сосредоточены в тех регионах, где плиты дна Тихого океана, сталкиваясь с плитами окружающих континентов, ныряют под них, погружаясь внутрь Земли и обусловливая этим освобождение воды и плавление пород. Возникающие при этом расплавы имеют меньшую плотность, чем окружающие их породы, вследствие чего они поднимаются к поверхности, прибавляя к материкам новый материал из глубин Земли. Хотя геологи ведут споры относительно времени, когда начался процесс формирования и движения тектонических плит, наличие признаков существования архейской континентальной коры указывает на то, что уже очень рано в истории Земли вода поступала с поверхности в глубины планеты и процесс этот, по-видимому, не слишком отличается от того, как это происходит сегодня.

Архейская эра закончилась 2,5 миллиарда лет назад. Ее граница с протерозойской эрой (или протерозоем) является единственной границей на рис. 1.1, которая определена главным образом не на основании изменений в наборе ископаемых остатков организмов, которые сохранились в породах. Хотя жизнь на Земле к этому времени уже вполне утвердилась, архейские бактерии еще не имели легко окаменевавших скелетов или раковин, и остатки их встречаются не так уж часто. Кроме того, они развивались не так уж быстро и поэтому не оставили особенно отчетливых временных вех. Ископаемые остатки организмов наиболее полезны в качестве указателей геологического времени только начиная с кембрийского периода, когда начался расцвет разнообразных организмов с твердым телом. В результате этого возраст границы между археем и протерозоем, то есть 2,5 миллиарда лет, является в определенном смысле просто удобным числом. Верно, что оно основывается на общем представлении, как результат многих лет исследований, что некоторые изменения или события в геологической летописи произошли приблизительно в это время — например, изменения химического состава образовавшихся тогда пород и, насколько это можно установить, особенности тех немногих ископаемых остатков, которые можно распознать. Но в отличие от всех остальных разграничительных линий на геологической временной шкале нет в мире такого места, где вы могли бы положить свою ладонь и заявить, что здесь проходит эта конкретная граница. Древнейшие архейские породы, которые можно распознать как осадки, имеют возраст около 3,8 миллиарда лет. Они встречаются в Западной Гренландии и подтверждают, что в это время уже существовали океаны и материки, а эрозия и отложение осадков происходили почти так же, как и в наше время. Но даже 800 миллионов лет после своего рождения Земля, точнее поверхность ее континентов, все еще оставалась пустынной, а в атмосфере отсутствовал кислород. Несмотря на это и на то, что признаки жизни в породах того времени имеют косвенный характер, жизнь в форме микробов или одноклеточных организмов, вероятно, уже имелась. Когда именно зародилась на планете жизнь и как она могла развиваться — это темы следующей главы.

Глава 3.

ЧУДО ЖИЗНИ

«Чудо жизни» — таково название книги палеонтолога Стивена Джея Гулда из Гарвардского университета об эволюции жизни на Земле. Вдохновила его на это название классическая кинокартина «Это чудесная жизнь», и до чего же это название подходит к книге! В своей книге Гулд описывает удивительное разнообразие жизни, которое возникло в результате того, что теперь принято называть Кембрийским взрывом, и следует тем хаотическим путям, по которым она развивалась. Внезапно окаменевшие остатки живых существ в осадочных горных породах, весьма редкие до этого момента, расцветают великим изобилием видов. Некоторые из них были столь странными, что поражают воображение и по сей день. Как они двигались? Что ели? Несколько таких удивительных существ показано на рис. 7.3. Но несмотря на Великий Кембрийский взрыв, жизнь на Земле зародилась намного раньше, вероятно, более, чем за два миллиарда лет до этого. Именно к этим самым первым смутным ее проявлениям, относящимся иногда даже к раннему архею, мы сначала и обратимся.

В САМОМ НАЧАЛЕ

Философы и мыслители тысячи лет размышляют о том, как началась жизнь. Некоторые из них считают, что жизнь существует вечно и не имела начала. Аристотель, оказывавший огромное влияние на развитие мысли в течение двухтысячелетий, считал, что некоторые формы жизни, а может быть и все, возникли самопроизвольно. Эта мысль, которую разделял не только он, основывалась на наблюдении: на плодородной почве после дождя внезапно появлялись растения, а в гниющем мясе материализовались личинки мух. В 1920-х годах русский биохимик Александр Опарин предложил и разработал идею, согласно которой жизнь возникла в теплой водной среде на поверхности ранней Земли, окруженной атмосферой, состоявшей главным образом из метана — природного газа, который согревает наши дома и питает наши кухонные плиты. Как считал Опарин, первые моря были богаты простыми органическими молекулами, которые реагировали друг с другом, образуя более сложные молекулы, что в конце концов привело к возникновению белков и жизни. Почти тридцать лет после того, как Опарин опубликовал свои идеи, Стэнли Миллер, бывший тогда аспирантом в Университете города Чикаго, и нобелевский лауреат Харолд Юри показали, что аминокислоты — строительные блоки необходимых для жизни белков — могли образоваться в условиях, которые, как полагают, преобладали на ранних этапах развития Земли. Миллер провел элегантный эксперимент. Он пропускал электрические разряды сквозь смесь метана, водорода, аммиака и водяного пара, и когда он проанализировал эту смесь, то оказалось, что в ней присутствуют аминокислоты. Электрические разряды в его опыте играли роль молний, газовая смесь служила разумно обоснованной моделью первоначальной атмосферы. Аминокислоты не могут воспроизводить себя и поэтому сами по себе не являются живыми. Тем не менее, этот эксперимент долгое время считался своего рода вехой на пути познания процесса, представлявшего собой один из важнейших этапов развития жизни на Земле, а именно естественного синтеза аминокислот. И все же, как мы увидим ниже, в настоящее время представляется вероятным, что эксперименты Миллера — Юри едва ли могут быть непосредственно приложимы к событиям, происходившим в начале архея.