И. Резанов, доктор геолого-минералогических наук

Академик В. И. Гольданский

За четыре миллиарда лет до нашей эры

Насколько себя помнит человечество, его всегда волновал вопрос существования жизни на других планетах. Однако сейчас ученые имеют уже немало оснований считать, что в нашей Солнечной системе лишь на Земле есть жизнь. Возможно, поэтому многих исследователей занимает проблема зарождения жизни на нашей планете. Гипотез на этот счет достаточно, но ни одна из них не в состоянии точно и конкретно объяснить, как, при каких условиях это произошло. Последнее время некоторые ученые допускают даже занесение организмов на Землю кометами. Однако большинство специалистов все же продолжает придерживаться версии самозарождения жизни. Но доказательства, подтверждающие данную гипотезу, можно получить, лишь реконструировав физическую обстановку на Земле, которая была миллиарды лет назад. И здесь может помочь геология, ибо только эта наука располагает методами, позволяющими «взглянуть» на нашу планету в период ее раннего развития.

Что же представляла собой Земля в то непостижимо далекое от нас время?

Четыре с половиной миллиарда лет назад на плоской, лишенной гор и безжизненной поверхности нашей планеты лишь местами слабо возвышались пологие конусы вулканов. Их жерла, а также многочисленные трещины в земной коре временами изливали жидкую базальтовую магму, стекавшую в залитые водой низины. И только выбросы газа из недр на некоторое время прерывали извержения лавы. Но когда молчали одни вулканы, работали другие. В результате почти не прекращающейся вулканической деятельности Земля покрылась слоистой коркой из базальтов и глины — вулканических и осадочных пород в несколько десятков километров толщиной.

Однако такие же породы повсеместно встречаются и в настоящее время. Может, условия на ранней Земле не так уж сильно отличались от современных?

Возраст планет Солнечной системы — примерно 4,6 миллиарда лет — определен учеными в результате изучения продуктов радиоактивного распада элементов, обнаруженных в метеоритах. Доставленные с Луны образцы пород подтвердили это. В конце концов, и на Земле были найдены породы, образовавшиеся около четырех миллиардов лет назад. И вот, изучив их минеральный состав, ученые смогли до некоторой степени восстановить ту обстановку, которая была на поверхности планеты на заре ее истории.

Геологам хорошо известно, что древнейшие на нашей планете вулканические и осадочные породы после своего образования были подвержены полной перекристаллизации, сопровождавшейся образованием новых минералов. Такие минералы, как гиперстен и силлиманит, могли появиться 4,2—4,1 миллиарда лет назад лишь при условии давления в 8—10 тысяч атмосфер и температуре в 800—1000 градусов. Они-то и поведали ученым о необычной обстановке, существовавшей на Земле в ранней стадии ее развития: эти минералы сыграли для ученых роль термометров и барометров, довольно подробно рассказавших об условиях, в которых они возникли.

Однако часто предполагают, что эти породы возникли не на поверхности Земли, а на глубине в 30— 40 километров, где существуют схожие условия. Затем верхняя толща пород была размыта, а глубинные образования поднялись до земной поверхности. Но, думается, эта распространенная среди геологов гипотеза не может быть принята, ибо мы не находим на земном шаре того количества осадочных пород, которые должны были бы образоваться при повсеместном размыве 30—40-километрового слоя коры. Приходится допустить, что высокое давление существовало вблизи земной поверхности. Но что же давило с такой огромной силой на породы? Это могла быть только плотная и сильно разогретая атмосфера.

Если сегодня атмосфера Земли преимущественно состоит из азота и кислорода, то на ранней Земле среди газов преобладал водород. Масса водородной атмосферы в 8—10 тысяч раз превышала массу сегодняшней воздушной оболочки. Потому давление на поверхности планеты достигало 8 тысяч атмосфер. В таких условиях вода оставалась жидкой и при температуре в 200—250 градусов, причем с течением времени атмосфера все более нагревалась благодаря «парниковому эффекту» — пары воды и углекислота пропускали солнечные лучи, но удерживали отражающееся от Земли тепло. То есть происходило то же самое, что и на современной Венере. Вулканические извержения постепенно пополняли атмосферу Земли парами воды, углекислотой, азотом и в меньшей степени другими летучими веществами. Но примерно 4,0—3,9 миллиарда лет назад эта очень плотная и сильно нагретая атмосфера вдруг покинула нашу планету. Образовавшиеся 3,8—3,7 миллиарда лет назад плагио-клазовые граниты — «серые гнейсы» — возникли уже в условиях давлений и температур, достаточно близких к современным. Значит, к тому времени плотной, сильно нагретой атмосферы на Земле уже не было. При этом планета наша потеряла примерно один процент своей массы. Какое же глобальное событие могло произойти на Земле в начале ее истории?

Луна рассказывает... о катастрофе

На поверхности Луны отчетливо выделяются два главных типа рельефа: светлые поверхности — «материки» и пониженные темные — «моря». Исследование лунных образцов показало, что материки представляют собой древнейшую часть коры Луны. Они занимают почти всю обратную, невидимую с Земли, сторону ее и две трети видимой части. Над прилегающими равнинами морей материки обычно возвышаются на один-два километра, их поверхность испещрена ударными кратерами, а возраст пород оказался 4,6—4,4 миллиарда лет — практически равным времени образования планет Солнечной системы.

Моря Луны — это равнины, покрытые базальтовыми лавами. Как же возникли обширные лавовые моря Луны? Исследования показали — эти понижения образовались в результате метеоритных ударов.

На Луне известно около 30 бассейнов (кратеров) диаметром от 200 до 1200 километров. Наиболее типичный и хорошо сохранившийся из них — Море Восточное, обрамленное тремя кольцевыми валами. Другой бассейн — Море Дождей — оказался почти полностью, включая кольцевые валы, залитым базальтами. Сейчас уже ясно, что Луна подвергалась бомбардировке гигантскими астероидами размером 20—50 километров в поперечнике.

Но когда это случилось? Изучение доставленных на Землю лунных образцов из вала Моря Дождей показало, что космическая бомбардировка произошла около 4 миллиардов лет назад. И другие гигантские кратеры образовались примерно тогда же. Следовательно, около 4 миллиардов лет назад на Луну обрушился рой гигантских метеоритов. Причем все крупные астероиды упали на наш спутник одновременно — самые большие кратеры находятся на одной половине планеты. Когда же Луна повернулась вокруг своей оси, на нее падали уже более мелкие тела.

Нечто подобное происходило и на Марсе. Там известны три кратера диаметром более 1000 километров — равнины Аргир, Эллады и Исиды, обрамленные кольцевыми валами.

Все они находятся на одном полушарии планеты. На другой половине Марса подобных крупных кратерных бассейнов не обнаружено.

Но что могло вызвать такую космическую катастрофу? Вероятнее всего, это был взрыв планеты, орбита которой совпадала с современным поясом астероидов, расположенным между орбитами Марса и Юпитера. Такой гипотезы придерживались академик В. Г. Фесенков и многие другие астрономы. Геолог, член-корреспондент АН СССР А. А. Маракушев считает, что все метеориты были сначала расплавлены, что могло произойти только в результате мощнейшего взрыва. И скорее всего в нашем случае, раскололась планета, возникшая, как и Земля, 4,6 миллиарда лет назад и взорвавшаяся через 600 тысяч лет.

Происшедшая в пределах Солнечной системы гигантская катастрофа оставила заметные следы на всех планетах, а на Земле она стала виновницей таких коренных изменений, которые и привели, возможно... к возникновению жизни.

Земля после катастрофы

В отличие от Луны, где геологическая активность прекратилась два миллиарда лет назад, наша планета активно «живет» и по сей день. Свидетельство тому — периодически происходящие землетрясения и вулканические извержения. Из-за неиссякающей активности Земля постепенно меняет свой лик, затушевывает следы ранних катаклизмов. И все же ученые предполагали, что и на нашей планете должны были бы сохраниться гигантские кольцевые структуры диаметром до 1000 километров, а возможно — и более. И вот, изучая космические снимки, исследователи вдруг увидели в некоторых местах континентов и, в частности, в азиатской части СССР образования, очень похожие на кольцевые структуры. И хотя нет достаточных доказательств утверждать, будто это следы космической бомбардировки, такое предположение имеет веские основания. Ведь в масштабе Солнечной системы Луна находится очень близко к Земле, а 4 миллиарда лет назад она была в три раза ближе, чем сейчас. Значит, и на Землю тогда не могли не обрушиться метеориты и астероиды. Падавшие обломки взорвавшейся планеты нарушили расслоенность атмосферы, вызвав в ней огромные по масштабам воздушные течения. В теле нашей планеты образовались гигантские кратеры. В атмосферу и на поверхность Земли выделилась значительная порция тепловой энергии.

Сегодня уже есть возможность приблизительно определить массу метеоритного вещества, упавшего на Землю 4 миллиарда лет назад, и то количество дополнительного тепла, которое было получено земной атмосферой. За счет падавших метеоритов массивная первичная атмосфера Земли могла нагреться почти на 100 градусов. Известно, что Земля и Венера окружены водородными «коронами», а это указывает на происходящий там и сейчас процесс потери водорода. Английский физик Д. Джине показал, что планета катастрофически быстро теряет атмосферу, если молекулярная скорость газа достигает 1/4 от второй космической скорости, равной для Земли 11,3 километра в секунду. А она, в свою очередь, определяется температурой. Геологические «термометры» указывают, что атмосфера планеты перед катастрофой была нагрета до 700—1000 градусов, то есть температура ее превышала «порог Джинса». К тому же прибавила тепла атмосфере метеоритная бомбардировка, а вызванное ею движение потоков воздуха только ускорило процесс потери Землей своей оболочки.

Взрыв… жизни?

Самые ранние следы жизни на Земле обнаружены в отложениях, возраст которых 3,5 миллиарда лет. Дошедшие до нас древнейшие останки живых форм принадлежали одноклеточным организмам, так называемым прокариотам — безъядерным клеткам, оболочка которых построена одной-единственной молекулой. Но такие клетки уже содержали хромосомы и, следовательно, были продуктом длительной эволюции, продолжавшейся около 500 миллионов лет со времени ухода первичной плотной атмосферы до появления прокариотных клеток.

Какие же условия были необходимы для возникновения жизни? Более 50 лет назад академики В. И. Вернадский и А. И. Опарин выдвинули две принципиально различные идеи к этой проблеме. А. И. Опарин допускал возникновение жизни сначала в одном каком-либо месте, наиболее для этого благоприятном, и которая затем расселилась по планете. Главным стимулом ранней эволюции он считал естественный отбор. Первоначально возникшие белково- и нуклеиноподобные полимеры постепенно усложнялись, приобретая со временем способность к поглощению веществ из внешней среды.

Иначе смотрел на происхождение жизни В. И. Вернадский. Он считал, что при появлении жизни должна была сразу возникнуть первичная биосфера, выполняющая разные биогеохимические функции, и что живое вещество сразу приобретало свойство, присущее только ему,— нарушение зеркальной симметрии, открытое еще Л. Пастером в 1848 году,— когда все органические молекулы во всем схожи и вместе с тем отличаются друг от друга, как левая и правая рука. Такое свойство в науке именуется хиральностью. Вернадский предполагал, что причина возникновения хиральных органических молекул в резких катастрофических изменениях условий на ранней безжизненной Земле. Однако идеи ученого еще длительное время не привлекали должного внимания — уж слишком необычна была предложенная модель происхождения жизни. Лишь сравнительно недавно советскими учеными было доказано, что возникновение хиральности на этапе химической эволюции могло произойти в результате сильно изменившихся физико-химических процессов.

До метеоритного дождя, обрушившегося на планету, обстановка на поверхности Земли находилась в достаточно стабильном состоянии, а температура и давление были столь велики, что достаточно сложные органические соединения просто не могли образоваться. Но тут добавил «жару» неожиданно мощный метеоритный град, вызвавший перемешивание воздушных масс и уход значительной части первоначальной атмосферы. Давление у земной поверхности стало падать, а через какое-то время начала снижаться и температура, поскольку перестал работать механизм «парникового эффекта». Все химические соединения на поверхности Земли оказались нестойкими, и началась их перестройка, постоянно нарушаемая резкими перепадами температуры и давления. Кроме того, глубинные газы, ранее сдерживаемые высоким давлением атмосферы, стали в огромных количествах выделяться из недр Земли, резко меняя химическое лицо происходивших процессов. Все эти явления напоминают то состояние среды, которое согласно физике необходимо для появления хиральных органических молекул.

Активные процессы со временем не прекращались, но происходили при все более низких давлениях и температуре, которые настолько изменились у поверхности Земли, что наступил момент, когда стал возможен синтез органических молекул. Вулканы выбрасывали раскаленные, но быстро остывавшие газы, содержащие углерод, водород, азот и другие элементы, из которых и образовались кирпичики жизни.

И вот 3,9—3,8 миллиарда лет назад возникли условия, при которых на поверхности Земли могла формироваться органическая среда с нарушенной зеркальной симметрией. Затем наступил следующий этап, когда в хирально чистой среде шло образование коротких нуклеиновых цепочек, способных к размножению. И 3,5 миллиарда лет назад сформировались клетки, возможно, уже способные к фотосинтезу кислорода. Обстановка на Земле была еще крайне неуютной. Атмосфера состояла в основном из углекислого газа, температура ее достигала 70—80, а то и все 90 градусов. Но самое страшное было в том, что вокруг планеты не было защитного озонового слоя, и она была открытой смертоносному ультрафиолетовому излучению Солнца. Суша оставалась безжизненной. Одноклеточные организмы могли существовать лишь в воде, под защитой ее десятиметрового слоя, который поглощал ультрафиолетовую радиацию. А потому мелководные моря планеты могли представлять собой экологические ниши, где в сильно нагретой воде затеплилась примитивная жизнь. Но понадобилось долгих 3 миллиарда лет, чтобы живые организмы с помощью фотосинтеза смогли выработать такое количество кислорода, которого оказалось достаточно для образования озонового экрана, и жизнь смогла выбраться на сушу. Произошло это всего лишь 400 миллионов лет назад.

И. Резанов, доктор геолого-минералогических наук

Необходимость взглянуть пристальнее

В настоящее время широко дискутируется проблема «катастрофизма» в истории нашей планеты. Появляется все больше данных об очень кратковременных на геологической шкале времени событиях, которые коренным образом воздействовали на облик и биосферу Земли. Предполагается, что эти события могли быть вызваны падениями на Землю крупных космических тел. Проблема считается столь актуальной, что в 1983 году был учрежден международный проект «Редкие события в геологии», объединивший ученых различных специальностей и призванный оценить роль глобальных катастроф в истории Земли.

Оригинальная гипотеза, предлагаемая И. Резановым, призвана объяснить некоторые накопленные за последние годы данные, относящиеся к глобальным геологическим процессам, происходившим около 4 миллиардов лет назад. И. Резанов полагает, что эти события способствовали возникновению жизни на нашей планете: катастрофа, вызванная бомбардировкой Земли крупными метеоритами, способствовала уходу первичной атмосферы и создала условия для интенсивного синтеза органических соединений, лежащих в основе живых структур. Следует сказать, что сегодня еще нет окончательного ответа на вопрос о том, в каких условиях происходило накопление органического вещества, послужившего исходным материалом при «конструировании» молекулярных структур в ходе химической предбиологической эволюции. И с этой точки зрения гипотеза И. Резанова, несомненно, интересна. Аргументация автора не противоречит основным законам физики. И хотя версия его не является бесспорной и может показаться непривычной геологам, она заставляет более пристально взглянуть на период ранней истории Земли, к изучению которого наука фактически только приступает. Сейчас, как известно, вопросов здесь больше, чем ответов. И роль гипотез (конечно, аргументированных) в этом случае исключительно важна.

Академик В. И. Гольданский

vokrugsveta.ru