Наши развилки. Развилки эволюции природы на пути к человечеству

Недра Земли представляют собой сложный механизм генерации и поставки энергии на поверхность. В этом механизме невозможно выделить главный элемент, поскольку каждый является необходимой частью системы. Тем не менее, подчеркнем, что в мантии, всегда – начиная с её обособления от ядра, происходят мощные конвективные движения, благодаря которым тепло ядра и самой мантии передается в вышележащие сферы. Состав ядра постепенно изменяется за счет перемещения струй вещества из ядра в мантию. Иногда эти струи даже проникают на поверхность планеты, где их вещество окисляется и вновь погружается в форме столбообразных потоков к центру Земли. Это приводит к ответному перетоку струй вещества из ядра в мантию. Исследования изотопов вольфрама, которые присутствует в ядре и в мантии, показали, что период земной истории после распределения вещества планеты на оболочки, между 4,3 и 2,7 миллиарда л.н. характеризовался почти полным отсутствием обмена материала между ядром и мантией. Зато, начиная с границы 2,5 млрд. л.н., такой обмен до сих пор активно протекает. Интересно, что временной рубеж новой активизации перетока материала ядра в мантию и обратно совпал с поворотом эволюции на Окислительной развилке. Процессы в мантии являются источником энергии и вещества для вулканизма, землетрясений, горообразования, формирования рудных месторождений и движения тектонических плит.

После краткого ознакомления с внутренним строением нашей планеты, в следующем разделе перечислим некоторые особенности Земли, которые привели ее к обитаемости. Эти характеристики, возможно, являются уникальными, возникшими благодаря повороту эволюции природы на Земной развилке. Все другие планетные развилки вели к формированию планет, обладающих определенной совокупностью общих характеристик, но в каждом случае это были объекты с большим набором собственных данных. Природа всегда находится в поиске нового, и ей не свойственно повторяться полностью, во всех деталях. Кто-то в той или иной части нашей Вселенной, может быть, и обладает свойством осознавать свое существование, но почти невозможно, чтобы эти разумные существа были похожими обликом на нас. Невероятно много событий в эволюционном пути тех существ должно совпасть с эволюцией природы до земного человека, чтобы получилось два аналога. Земная развилка эволюции Солнечной системы представляется одним из решающих событий в судьбе человека разумного.

По мнению ученых, среди не менее 600 миллиардов планет Галактики имеется приблизительно 1 миллиард тех, которые сходны по размеру с Землей. Образование этих космических тел дало начало такому же числу развилок планетной эволюции. К настоящему времени выявлено около 6000 экзопланет в нашей Галактике. Эта цифра постоянно увеличивается за счет открытия все новых планет вне пределов Солнечной системы. Наблюдаемая астрономами несходность всех известных космических объектов убеждает в том, что при подобии каких-то характеристик планет, все же каждая из них эволюционирует своим неповторимым образом.

2.1.2. Предрасположенность Земли к жизни

Что же такое важное присуще Земле как планете, которое способствовало зарождению и эволюции жизни? Перечислим некоторые главнейшие характеристики, свойственные нашей планете в целом. Прежде всего, отметим, что необходимым условием обитания планеты является наличие разнообразных химических элементов. Большинство космических объектов и даже химически богатые области галактик представлены почти на 98 % водородом и гелием. Земле, как уже отмечалось выше, повезло образоваться на одной из внутренних орбит Солнечной системы, откуда Солнце выдавило во внешнюю область преобладающую часть водорода и гелия, оставив значительную долю всех более тяжелых элементов. Из этого разнообразия элементов были образованы каменные планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Земля скомпонована из соединений всех 92 химических элементов, включая воду и определенный объем органических веществ, т. е. молекул углерода с водородом (метан, CH4 и другие, более сложные молекулы), с кислородом (окись углерода, CO и диоксид углерода – углекислый газ, CO2). Поэтому Земля после затвердения поверхности представляла собой огромное многообразие химических соединений в форме простых кристаллов (например, таких как графит или алмаз) и сложнейших многомолекулярных минералов, а также разнообразных горных пород. Конечно, единые химические законы во Вселенной обусловили распространение многих одинаковых минералов в протопланетном диске, на Земле и других планетах. Но значительное количество соединений могло образоваться только в специфических геохимических условиях Земли. Например, на Земле атмосфера с высоким содержанием кислорода преобразует некоторые «космические» минералы в другие, земные вещества. Так, земным соединениями являются многие из аминокислот – молекул, из которых сделаны все белки, а также генетический материал для нуклеотидов. На нашей планете образовалось большинство известных углеводов, часто используемых организмами в роли батарейки для хранения энергии. Скорее всего, земное происхождение имеют также жирные фосфолипиды, которые образуют клеточные мембраны.

Земля образовалась на расстоянии 150 млн. км от Солнца, почти посередине узкой обитаемой зоны. Уже это обстоятельство дало шанс природе на создание биосферы, поскольку именно такое расстояние обеспечивает оптимальный для жизни температурный режим земной поверхности, при котором вода существует в жидком виде. Уникальность положения Земли подтверждается температурными условиями на поверхности планет Солнечной системы. Так, температура на них по мере удаления от Солнца изменяется следующим образом, в °C: Меркурий средняя + 167 (от 427 до -173), Венера +460, Земля 7,2 (от -91,2 до +70,7), Марс -65 (от -140 до +20), Юпитер -110 (в ядре Юпитера +24000, горячее, чем на поверхности Солнца), Сатурн -140 (в ядре 11700), Уран -195 (в ядре около 4740), Нептун -200 (в ядре около 7000). Только температура на поверхности Земли обеспечивает присутствие воды в жидкой фазе в среднем всегда, а в разных частях планеты в то или иное время. Присущий Земле оптимальный режим прогрева недр обеспечивает циркуляционное перемещение масс вещества планеты, что, в свою очередь, вызывает действие внутренней динамо-машины, вырабатывающей магнитное поле Земли. Кроме того, стабильное радиоактивное тепло является основным источником энергии для постоянных процессов тектоники литосферных плит (раздробленности и подвижности литосферы), магматизма и вулканизма. Не будь магнитного поля и движения материков, не было бы известных нам форм жизни. Уникальным для Солнечной системы, а возможно, для Галактики является содержание в недрах Земли радиоактивных элементов урана и тория в таких количествах и в таком их соотношении, радиоактивный распад которых обеспечивает благоприятный для жизни тепловой режим планеты, начиная с рубежа около 4,1 млрд. л.н. (эоархейская эра) и до сих пор. Если бы объемы урана и тория отличались в меньшую или большую сторону в два-три раза от реальных земных значений, то их тепловой эффект не дал бы необходимые для обитаемости результаты. Так, в случае малого содержания этих долгоживущих радиоактивных веществ, планета была бы недостаточно тектонически активна, магнитное поле не существовало бы. При варианте их повышенного количества, Земля все время находилась бы в расплавленном состоянии, что совсем не подходит для живых существ.

Удачным для Земли оказалось не такое уж далекое соседство с гигантским Юпитером, который обладает очень сильным гравитационным полем. Благодаря воздействию этого поля были отклонены от Земли траектории многих комет, способных нанести огромные разрушения Земле. Можно сказать, что Юпитер – космический защитник человечества.

Параметры движения нашей планеты являются оптимальными для обитания. Дело в том, что существующий наклон земной оси под углом 23° обеспечивает смену времен года и тем самым, создает благоприятные условия для эволюции жизни. В том случае, если бы этот наклон составлял, например, 90° по отношению к Солнцу, то на Земле не было бы четырех времен года. При таком варианте параметров движения Земли, то есть без смены времен года, условия обитания не были бы благоприятными. Дело в том, что в областях северного и южного полюсов были бы постоянные холодные сумерки, где замерзала бы вода, испаряющаяся и переносимая ветром из экваториальных, прогретых частей океанов. В течение довольно короткого периода времени полярные регионы планеты превратились бы в огромные скопления льда и снега, в то время как остальная часть Земли превратилась бы в сухую пустыню. Океаны испарились бы. Угол наклона земной оси во многом обусловливает особенности земного климата. Не вызывает сомнения тот факт, что иные условия на нашей планете направили бы эволюцию живых организмов по совсем иным направлениям, чем это фактически произошло. При иных вариантах эволюции живой природы возникли бы другие виды животных, разумными среди которых совсем не обязательно были бы люди. Людям очень повезло, что сложившееся стечение обстоятельств обеспечило благоприятные условия формирования и эволюции на Земле известного разнообразия живой природы, включая человека современного типа.

Орбита Земли вокруг Солнца имеет форму близкую к эллипсу. Перемещение нашей планеты происходит с запада на восток со средней скоростью 29,78 км/c (около 107 200 км/ч). Каждый год она проходит путь более 940 млн. км, приближаясь к Солнцу в перигелии, затем максимально удаляясь от нашей звезды в афелии. Согласно гипотезе Миланковича, климат Земли в значительной степени зависит от характера её движения по орбите. Например, когда время прохождения Земли перигелия приходится на зимнее солнцестояние в северном полушарии (происходит 21 или 22 декабря), тогда лето приходится на прохождение Земли на максимальном расстоянии от Солнца.

В этом случае лето северного полушария становится более продолжительным и прохладным, что вызывает увеличение ледников. Миланкович считал, что: «Не суровая зима, но прохладное лето способствует надвиганию ледников». Через очередные 11 тыс. лет Земля проходит перигелий в момент летнего солнцестояния, что приводит к короткому и жаркому лету в северном полушарии и к сокращению ледников. Например, летнее солнцестояние в северном полушарии, в XXI веке приходится на 20 или 21 июня. В то же время для южного полушария наступают времена похолодания и активизации оледенения.

Следует отметить, что отмеченные особенности движения Земли по орбите вносят свой вклад в смену климата планеты, но вовсе не являются её единственным и решающим фактором. Смена климата на Земле имеет уникальный характер, присущий только этой планете, поскольку определяется множеством параметров самой планеты и её взаимодействием с ближайшим космосом. Климат Земли значительно изменялся по мере эволюции планеты и характеризовался разной продолжительностью ледниковых и межледниковых эпох. Например, в палеогене (65,5-23 млн. л.н.) на протяжении 40 млн. лет существовал устойчивый теплый климат. В отличие от этого периода, в последний миллион лет циклы смены эпох тепла и холода (циклы Миланковича) происходят таким образом, что ледниковые периоды наступают каждые 100 тысяч лет. Нам повезло жить в период одного из самых теплых за последний миллион лет межледниковья, которое называется «голоцен» и длится около 12 тысяч лет. Межледниковье голоцен пришло на смену холодному периоду, называемому «поздний дриас». В период от 9 до 5 тыс. л.н. Земля переживала «климатический оптимум[18] голоцена» («Атлантический оптимум»), когда температура на 1–3°C превышала нынешние значения. Прогнозируется окончание голоценового межледниковья и начало новой ледниковой эпохи через несколько тысяч лет.

Период вращения Земли вокруг своей оси со времени появления жизни и до наших дней обеспечивал смену света и темноты сначала каждые 5 часов 40 минут, постепенно увеличиваясь до 24 часов. Такой, достаточно быстрый переход от ночи ко дню позволяет земной поверхности прогреваться достаточно равномерно. При медленном вращении, стороны планеты поочерёдно невероятно сильно прогревались бы и ужасно охлаждались бы.

Важнейшей глобальной особенностью Земли, определяющей её обитаемость, является её ядерно-оболочечное строение. Каждая из сфер планеты выполняет ту или иную функцию в обеспечении зарождения и эволюции жизни. Кроме того, внутренние раскаленные недра, твердая – литосфера, водная – гидросфера и воздушная – атмосфера постоянно обмениваются между собой веществом, энергией и информацией. Только постоянное их взаимодействие определяет способность каждой сферы быть полезной для жизни. Пока не известны планеты с подобным набором разнородных оболочек ни в Солнечной системе, ни среди выявленных к настоящему времени более 6000 экзопланет. Так, атмосфера имеется далеко не у всех планет. Гидросфера в виде водных бассейнов отсутствует у планет Солнечной системы в настоящее время и только предполагается по косвенным данным у некоторых экзопланет Галактики. Твердая оболочка имеется в Солнечной системе только у плотных, каменистых планет – Земли, Марса и Венеры, а также у некоторых спутников, но Марс и Венера давно уже не имеют гидросферы. У них отсутствует перемещение тектонических плит, и практически нет магнитного поля. Газовые гиганты Юпитер и Сатурн, состоящие в основном из водорода и гелия, а также ледяные гиганты Уран и Нептун, не обзавелись планетарной корой и не имеют жидкой гидросферы.

У Земли имеется полный набор физических полей с оптимальными характеристиками. Так, наша планета обладает умеренным гравитационным полем, способным удерживать основную массу атмосферы оптимального состава, без которой невозможна эволюция жизни по земному сценарию (направлению). При меньшем размере и слабом гравитационном поле у нее отсутствовала бы атмосфера, как, например, у Меркурия и Плутона. Будь Земля такой большой, как Юпитер или Сатурн, то сверхпритяжение сформировало бы такую плотную атмосферу, что давление на глубине 10 км от поверхности облаков достигало бы миллион земных атмосфер, а температура составляла бы около 5000°C. Горячий водород, сжатый в таких условиях, имел бы характеристику жидкого металла.

Геологическое строение глубинных недр Земли обеспечило функционирование естественного гигантского магнита, создающего внутри и вокруг планеты довольно сильное магнитное поле, которое предохраняет поверхность от атаки губительных для жизни солнечных протонов и других космических излучений. Земля располагает электрическим – естественным (теллурическим) полем, источником которого, возможно, являются стратосферно-электрические процессы, грозы, электрохимические процессы и электромагнитная индукция в ядре Земли. По одной из существующих гипотез первые живые организмы сформировались благодаря электрическим разрядам в атмосфере. Сейсмическое поле – поле механических колебаний, возникающее из-за постоянной разрядки механических напряжений в литосфере, вносит значительный вклад в эволюцию планеты. Различные источники теплового поля обеспечивают энергией геологические и биологические процессы. Земля на протяжении всего своего существования, в отличие от многих других планет, получает оптимальные объемы тепла. Такое количество тепла, с одной стороны, обеспечивает существование не замерзшей, жидкой воды на всей планете. С другой стороны, земная вода не испарилась. Тепловой баланс планеты формируется за счет таких источников тепла, как: излучение Солнца, сила трения, приливные силы, радиоактивный распад, гравитационная дифференциация вещества в недрах. Наибольший тепловой поток из недр приурочен к срединно-океаническим хребтам и континентальным рифтам, наименьший – к самым древним областям континентов. Тепловая история Земли обеспечила такую эволюцию всех оболочек (литосферы, гидросферы с криосферой, атмосферы, биосферы и ноосферы – «сферы разума»), которая привела к появлению и значительному развитию жизни.

Земля располагает огромными запасами жидкой воды, без которой нет ни единого живого организма. Необходимая для жизни вода обеспечивает перемещение различных веществ в растениях, животных и в других организмах. В земных условиях вода распространена в Мировом океане, на поверхности и в ледниках континентов, а также в подземных резервуарах и в минералах (в химически связанном виде). Вода в роли живительной влаги и как фактор многих геологических процессов имеет возможность участвовать в круговороте, постоянно перемещаясь и изменяя фазовое состояние и свой состав.

Наша планета, скорее всего, обладает уникальной эволюцией атмосферы потому, что далеко не все планеты Галактики сохраняют какую-то одну атмосферу на протяжении нескольких миллиардов лет, а тем более маловероятно, чтобы в истории какой-то экзопланеты произошла смена семи атмосфер с разными составами, аналогичными земным воздушным сферам. Например, на Земле третья – Мезокатархейская водно-азотно-углекислая атмосфера[19], которая существовала в период от ~ 4, 45 до 4,1 млрд. л.н., участвовала в подготовке условий для начала образования химических соединений – предшественников живых химических систем. Следующая, четвертая – Эоархейская углекисло-азотная атмосфера в течение от 4.1 до 3.5 млрд. л.н. постепенно изменялась в сторону увеличения доли азота (от 50 до 98 %) и убывания углекислого газа (от 20 до 2 %). В воздухе появился важный парниковый газ – метан, дегазированный глубинными недрами. Состав воздуха имел восстановительную реакцию, кислород практически отсутствовал. Эта атмосфера, наряду с соответствующими гидросферой и литосферой обеспечили многовариантную возможность продолжения химической эволюции Земли. Один из реализованных вариантов привел к появлению Биотической развилки, направившей эволюцию природы на синтез сложнейших химических соединений (в частности, молекул нуклеиновых кислот), представляющих основу живой природы. Наконец, наша планета 700 млн. л.н. создала седьмую – Неопротерозойско-современную кислородно-азотную атмосферу, в которой все мы обитаем, и которая отличается от всех известных нам планетных атмосфер. Состав седьмой атмосферы претерпел интересные изменения: азот уменьшился (N= от 98 % до 77 %); кислород постепенно увеличился, но затем немного снизился (O=1%24%21 %); аргон сократился, но к настоящему времени снова возрос (Ar= 0,9%0,17 % 0,92 %). Содержание углекислого газа в течение последних 700 млн. лет несколько раз очень сильно возрастало, но к настоящему времени снизилось до начальных малых значений[20]. Данная атмосфера обеспечивает сохранение и эволюцию жизни. Она снабжает кислородом дыхание живых существ и углекислым газом питание растений. Важным компонентом атмосферы является слой озона, разновидности кислорода, который нейтрализует вредное воздействие солнечного и космического излучений на живые организмы. К тому же, земная атмосфера поддерживает температурное равновесие на поверхности. Она в качестве своеобразного покрывала предотвращает значительное охлаждение поверхности по ночам и быстрое её нагревание днем. Атмосфера предохраняет живые организмы от постоянной атаки космическими телами, так как она сжигает большинство из них.

На Земле в течение последних более 4 млрд. лет существовали температурные условий в атмосфере и гидросфере, благоприятные для обитаемости. Со времени зарождения жизни на Земле и до наших дней не было таких моментов, чтобы одновременно во всех участках биосферы планеты температура повышалась сверх точки кипения воды или снижалась до её замерзания. В те периоды, когда среднегодовая температура на большей части поверхности Земли значительно понижалась, и наступали ледниковые периоды, большая часть живых видов вымирала. Но даже в такие критические эпохи оставались на планете места, где живые организмы выживали и продолжали эволюционировать.

Земля характеризуется многообразием природных условий, включая климатических. Важным является то, что за историю существования наша планета подверглась многочисленным космическим и геологическим воздействиям, обеспечившим природе обширнейший набор вариантов эволюции. Если бы эволюция состава земной атмосферы пошла несколько иными направлениями, то мог быть вариант превращения Земли в горячую планету, подобную Венере, в случае большей доли углекислого газа на начальном этапе истории планеты. Если бы эволюция Земли привела к увеличенному объему воды, тогда океан покрыл бы всю поверхность, и не было бы материков и наземных существ, включая людей. Мог быть вариант превращения планеты в сплошную снежную пустыню и т. д.

Рассматривая благоприятные факторы зарождения и эволюции жизни на Земле, следует отметить огромный вклад Луны в активизацию тектонических процессов на нашей планете. Формирование массивного спутника на близкой околоземной орбите обусловило ускоренную тектоническую эволюцию Земли. В отсутствие Луны наша планета отстала бы в развитии своей тектонической структуры и всех своих сфер приблизительно на 3 млрд. лет. Соответственно Земля к настоящему времени была бы населена только одноклеточными организмами. Кроме того, Луна, имея довольно большой размера, обеспечивает стабилизацию земной оси, что сохраняет комфортные климатические условия и способствует формированию благоприятных условий для эволюции живых существ до человека разумного.

Описанные глобальные результаты эволюции природы после Земной развилки показывают, что подобные характеристики отсутствуют у планет Солнечной системы и не известны у выявленных экзопланет. Но это – только начало земного этапа антропного эволюционного маршрута.

Уникальность самой планеты Земля (ее структуры, свойств) показывает, что только поворот эволюции природы на Земную развилку привел к появлению человека разумного. Конечно, еще очень много потребовалось времени, чтобы природа уже на Земле методом проб и ошибок нащупала то направление, которое привело к человеку. Природе предстояло еще составить сложный пазл направления эволюции, включающий огромную совокупность благоприятных развилок в неживой и в живой природе. Назовем для краткости этот путь «антропной эволюцией природы или антропным маршрутом природы». Все перечисленные уникальные свойства Земли являлись необходимыми предпосылками возникновения жизни на нашей планете и эволюции её до человека разумного.

Продолжение маршрута эволюции по направлению к зарождению жизни после Земной развилки стало возможным потому, что на первичной мантийной твердой оболочке сформировалась более легкая земная кора и литосфера, затем океаны и континенты. Появление этих элементов на Земле является важнейшими событиями, ведущими к формированию жизни. Эти направления эволюции природы известны только на нашей планете, поэтому данные повороты выделены как Литосферная, Океаническая и Континентальная развилки. Но прежде этих эволюционных поворотов планете пришлось пройти через Лунную развилку, которая оказалась одним из решающих событий для эволюции жизни на Земле.

2.1.3. Атомы-гиды остаются в астероидах

Атомы в составе многочисленных соединений, создавшие Землю и всё живое на ней, представлены несколькими поколениями, возраст которых варьирует от 13,82 миллиардов лет до ~5 миллиардов лет. Самыми древними, возникшими вскоре после Большого взрыва, являются атомы водорода (протоны[21]) и гелия. Более тяжелые атомы создавались в разное время в звездах. Но основой всех атомов служили первые атомы водорода – протоны. Например, наши гиды появились в форме протонов в момент создания Вселенной, но все они, за исключением Гидрожена, приобрели нынешнюю атомарную форму в недрах гигантской звезды Матернитэ ~5,7 млрд. лет назад. Немного позже, в период 5,6–4,6 млрд. л.н. они, находясь в протосолнечном газопылевом облаке, объединились с различными атомами с образованием некоторых сложных молекул.

Все прибывшие на Землю атомы иногда очень долго сохранялись в прежних химических соединениях, но чаще изменяли форму своего существования во время расплавления планеты или когда вступали в какой-либо земной круговорот. Так что, большинство земных атомов периодически меняли напарников в различных молекулах.

Первыми из атомов-гидов прибыли на Землю, 4,47 млрд. л.н., Гидрожен и Оксижен в составе Гидрожен-Оксиженного серпентина. Остальные атомные гиды во время первичного формирования земного шара оставались в телах астероидов, которые продолжали обращаться вокруг Солнца на орбитах, близких к орбите недавно образованной Земли. Все эти атомы пребывали в тех молекулах, в состав которых вошли в период 5,6–4,6 млрд. л.н., находясь в протосолнечном газопылевом облаке. Карбовеж (C) и Нитрожен (N) входили в космическую органическую молекулу Карбовеж-Нитроженного урацила (C4H4N2O2). Карбомал пребывал в форме органической молекулы Карбомалного гликольальдегида (C2H4O2). Флюор (P) и Ферум (Fe) перед прибытием на Землю вошли в состав космического минерала Флюор-Ферумного шрейберзита {(FeNi9Co)3P}. Эти гиды еще находились вне Земли, когда наша планета уже прошла в своей эволюции через Земную, Лунную, Литосферную, Океаническую и Континентальную развилки. Метеориты с нашими элементами-гидами попали на Землю только после Пребиотической развилки, около 4,1 млрд. л.н., во время массивной метеоритно-астероидной бомбардировки.