Наши развилки. Развилки эволюции природы на пути к человечеству

Океаны стали важнейшим фактором формирования климата и погоды. Водяная оболочка влияет на обмен теплом и влагой между атмосферой и сушей. Вода имеет большую удельную теплоемкость, поэтому нагревается и остывает медленнее, чем острова и материки. Океанические течения обеспечивают перемещение теплых вод в холодные регионы планеты, и возвращают холодные воды в горячие тропики. В зимние периоды Мировой океан своим теплом обогревает континенты, а летом несет на сушу прохладу. Изменения глобальных течений, например, из-за дрейфа континентов, приводят к нарушению установившихся распределений давления и температуры воздуха. В совокупности с другими климатическими факторами, такие нарушения глобального теплообмена приводят к частичным и даже глобальным оледенениям или, наоборот, к резким повышениям температурного режима поверхности, к таянию ледников. Растут или снижаются уровни океана, происходят стихийные бедствия.

Как только на первичной базальтовой коре и/или на новообразованной коре «сухого океана» начали возникать первые водные бассейны, практически одновременно на дне этих водоемов происходило накопление слоя осадков иногда очень малой толщины вдали от берега. Однако в некоторых местах – довольно большой мощности, как правило, у берегов или за счет подводных извержений. Первостепенную роль в накоплении осадочных отложений играли мощные дождевые потоки, характерные для этих времен, которые смывали рыхлый вулканический материал в протоокеаны и протоморя. Кроме того, в водоемах происходило выпадение в осадок легких минеральных частиц, которые переносились ветрами с прилегающих территорий, не занятых водой. В осадки водоемов превращались: падающая космическая пыль, вулканический пепел и бомбы. Химические реакции в самой воде или при взаимодействии ее с атмосферными газами приводили к осаждению тех или иных химических соединений. Таким образом, в участках осадконакопления началось формирование океанической коры с её двухслойным строением: нижним – базальтовым и верхним – осадочным. В областях с океанической корой происходили некоторые специфические преобразования твердой мантии, и тем самым формировалась специфическая океаническая литосфера.

Океаническая кора имеет толщину и химический состав довольно постоянными под всеми океанами. Суммарная толщина океанической коры варьирует от 5 до 15 км. Осадочный слой покрывает дно морей и океанов – прошлых и нынешних. Его толщина, как правило, колеблется от нескольких метров до 2 км вблизи континентов. По окраинам океанов установлены аномально большие толщины осадочного слоя. Например, по периферии Атлантического океана линзы осадочных пород имеют толщины свыше 15 км.

Базальтовый слой занимает большую часть океанической коры, которая представлена базальтом – темной эффузивной (излившейся) горной породой, богатой магнием. Общая мощность этого слоя, в основном составляет 5–7 км. Формируется этот слой в зонах растяжения, т. е. в зонах спрединга[35] – в узких, протяженных областях срединно-океанических хребтов за счет извержения базальтов, выплавившихся из ультраосновной магмы мантии. Вся базальтовая толща океанической коры имеет основной состав, за исключением самой нижней части, которая представлена серпентизированными перидотитами (ультраосновной породой, состоящей в основном из оливина – Mg2SiO4 Fe2SiO4 и др.). Эти породы ультраосновного состава (содержат SiO2 менее 40 %) указывают на их происхождение из мантии. Для образования присутствующего в них минерала серпентина нужно высокое давление и наличие воды. Океаническая вода проникает в зонах растяжения коры по трещинам вниз до верхней мантии, где происходит образования серпентина. Таким образом, осуществляется приращение нижнего слоя океанической коры снизу за счет мантии.

2.4.2. Появление гидротермальных источников жизни

Часть проникшей к мантии океанической воды, которая не участвовала в образовании серпентинов, после взаимодействия с раскаленным веществом мантии выходит обратно на дно океанов в виде многочисленных активных горячих термальных источников двух типов – «белых курильщиков» и «черных курильщиков». В этих источниках выходит океаническая вода, профильтрованная через породы подстилающей коры. За каждые 8 миллионов лет вся вода океанов проходила такую циркуляцию. На протяжении более 4,2 млрд. лет существования океанов действует этот процесс колоссальной интенсивности. Природа, на протяжении всего длительного периода прокачивала воду через меняющуюся кору и мантию, вынося в океан несчетное количество вариантов сочетаний химических элементов. С определенной периодичностью происходит изменение температуры и состава компонентов этих гидротермальных источников. В результате продолжительного действия такой мощной экспериментальной естественной химической лаборатории, не мудрено, сформировать комплекс химических соединений, способных самокопироваться, т. е. первое протоживое вещество.

Подводные геотермальные источники приурочены к осевым частям срединно-океанических хребтов в исчезнувших древних океанах, а также в нынешних: Тихом, Атлантическом, Индийском и других океанах. Подводные термальные излияния представляют собой трубообразные минеральные сооружения высотой в несколько десятков метров на глубинах до 2,5 км, из которых в океаны выбрасывается высокоминерализованная горячая вода (с температурой до 400°C) и пар под огромным давлением в сотни атмосфер в форме черного или белого дыма в воде. Тысячи труб «черных курильщиков» образуются вследствие выпадения из охлаждающегося раствора сульфидов металлов (соединений серы с железом, медью, никелем, цинком) и окислов железа и марганца, окрашенных в черный цвет. В настоящее время вокруг них существует среда обитания необычных биотических сообществ – хемосинтезирующих бактерий, получающих энергию не на счет продуктов фотосинтеза, а благодаря хемосинтезу. Хемосинтезирующие бактерии используют выносимые из недр сульфиды. В таких районах образуются огромные массы рудного вещества – скопления полиметаллических сульфидных руд богатых разными металлами (включая медь, золото, свинец). По мнению многих ученых, гидротермальные подводные источники «черные курильщики» и/или «белые курильщики» являются местами синтеза первых живых организмов.

Там, где одна литосферная плита сталкивается со смежной, формируются зоны субдукции, т. е. участки поддвигания древней коры под соседний блок. В зонах субдукции старая кора постепенно погружается (поглощается) в мантию, где расплавляется и смешивается с веществом мантии. Затем вещество из этой подземной лаборатории вновь извергается на поверхность планеты в зонах раздвижения плит (зонах спрединга). В этом круговороте вещества проявляется созданный природой естественный конвейер, который прокручивает через недра огромный объем горных пород. Этот механизм постоянной переработки земного материала обеспечил образование океанической и континентальной коры (см. Континентальная развилка), а также реализацию бесчисленного количества химических экспериментов, в результате которых в один, прекрасный для человечества, момент появились условия для генерации сложных соединений, способных создавать свои копии. Наиболее благоприятным местом для появления новых выдающихся природных изобретений должны быть, как отмечено выше, зоны спрединга, зоны срединно-океанических хребтов.

Постоянное обновление океанической коры привело к тому, что в настоящее время кора всех нынешних океанов является относительно молодой. Самые старые её участки образовались уже в позднеюрское время (около 150 млн. л.н.). Правда, в восточной части Средиземного моря (в бассейне Геродота) выявили остаток коры древнего океана Панталасса, омывавшего берега суперконтинента Пангеи. Возраст этой океанической коры составляет около 340 млн. лет (каменноугольный период). Кроме того, в горных хребтах могли сохраниться обломки древнейшей океанической коры. Например, в Гренландии обнаружен кусок коры возрастом не менее 3,8 млрд. лет. Образцы старой океанической коры встречаются весьма редко потому, что океаническая, более тяжелая кора при столкновении обычно погружается под континентальную кору. В редких случаях кусок океанической коры, срезаясь, выдавливается на часть континентальной коры и тем самым спасается от погружения в раскаленную мантию. Такой остаток океанической коры называют офиолитом, химический состав которого уже отличается от бывшей коры. В целом океаническая литосфера, с учетом твердой мантии (волновода), наращивает толщину по мере увеличения возраста, т. е. от зон срединно-океанических хребтов и рифтов (50 км и менее) к зонам субдукции (до 400 км). Движение тектонических плит с первичным базальтовым и океаническим типами литосферы привело к усложнению подводного рельефа планеты. Появились глубоководные впадины, хребты.

Поворот эволюции Земли на Океанической развилке создал условия не только для зарождения, но и для развития жизни. Становление человеческой цивилизации невозможно представить без таких полезных ископаемых, как: углеводороды, угли, поваренная и другие соли, железо, марганец, бром, кальций, золото, алмазы, янтарь, титан, олово, песок, гравий, вода для опреснения. Образование месторождений всех этих веществ связано с нынешними и исчезнувшими океанами и морями. Поверхностные воды превратились в среду обитания ценных продуктов: рыбы, морских млекопитающих, ракообразных, моллюсков, губки, водорослей.

2.4.3. Гидрожен сменил тучу на океан, Оксижен оказался под океанической корой

Проливные дожди, начавшиеся после свершения поворота эволюции Земли на Океанической развилке, увлекли Гидрожена с небес на горячую земную поверхность. Молекула Гидроженной воды стала микроскопической частичкой в формирующемся Мировом океане. Ей предстоит стать свидетелем и участником дальнейшего развития водной оболочки и твердой земной коры. Гидрожену повезет включиться в процесс зарождения первых живых организмов на Предклеточной развилке 4,1 млрд. л. н.

Оксижен, в крупном кристалле форстерита продолжил дрейфовать в Протоафриканском литосферном блоке. После Океанической развилки Оксиженный форстерит оказался перекрытым океанической корой. Значительно изменится его положение только после Континентальной развилки, когда тектонические силы переместят Оксиженный форстерит из океана на сушу. В будущем (3,6 млрд. л.н.) континент с Оксиженом столкнется с несколькими блоками суши, что приведет к формированию первого суперконтинента Ваальбара.

Другие гиды после Океанической развилки продолжали кружить вокруг Солнца в Карбомалном, Нитроженном и Ферумном астероидах. Вспомним, что наши элементы пребывали в составе сложных соединений: Карбомалного гликольальдегида, Карбожен-Нитроженного урацила и Флюор-Ферумного шрейберзита. На протяжении последующих около 170 млн. лет эти астероиды, подчиняясь гравитационному притяжению гигантского Юпитера, всё более вытягивали свои орбиты. Такие продолжающиеся корректировки их путей вокруг Солнца, в конечном счете, могли привести к падению на какую-либо планету из земной группы: Меркурий, Венеру, Землю, Марс.

Земная водная оболочка и океаническая кора представляют собой Катархейский океанический элемент эволюции Земли на пути к жизни. Совокупность многих характеристик земного шара, включая появление базальтовой литосферы и океанов, постепенно направляли эволюцию твердой оболочки в сторону формирования континентальной литосферы, т. е. к Континентальной развилке, а через нее к Биотическому этапу эволюции Земли.

2.5. Континентальная развилка эволюции Земли. 4,2 миллиарда лет назад

После Океанической развилки большая часть поверхности планеты была покрыта водами Мирового океана, в пределах которого формировалась двухслойная (базальтово-осадочная) океаническая кора. Но какая-то часть планеты не была охвачена процессом океанизации первичной базальтовой коры. Потому, что существовали отдельные участки литосферных плит, приподнятые над уровнем океана благодаря надвиганию их на смежные тектонические блоки. Возможно, эти доконтинентальные участки суши стали первыми «зародышами» будущих материков. В этих местах базальтовая пластина земной коры погрузилась в мантию под смежный блок коры на несколько десятков километров, не сразу меняя состав и структуру. Вместе с горными породами в мантию попало огромное количество воды.

Горные породы погружающегося блока расплавлялись в раскаленных недрах мантии и в форме крупных капель опускались к ядру планеты. Во время этих геологических событий реализовались два интересных процесса: 1-какая-то часть пористого базальта океанической коры превращалась в плотнейший эклогит[36], который продолжал путь в глубины планеты, 2- другая доля коры в виде относительно легкой базальтовой магмы, устремлялась вверх. По мере подъема расплавленные базальтовые породы основного состава (богатые магнием, содержащие кремний – SiO2 – в объеме от 40 до 52 %) взаимодействовали с проникшими в недра массами океанической воды. В результате происходило образование магмы среднего (содержание кварца – SiO2 от 52 до 65 %) и кислого (SiO2 от 65 до 75 %) состава. Возникал новый тип твердых горных пород – сначала «серые гнейсы» – гранитоиды, а позже – «нормальные» граниты. Расплавы более легких гранитов растекались на более тяжелом базальтовом слое, создавая второй, гранитный слой континентальной коры. Формировался базальтово-гранитный тип коры, который служил основой континентальной коры, отличающейся от океанической коры повышенным содержанием оксида кремния (SiO2) и трехслойным строением. Сначала возникли первые крупные участки новой двухслойной континентальной коры (гранитно-базальтовой, еще без третьего – осадочного слоя) – кратоны, которые в виде первых островов возвышалась над еще очень мелководным океаном.

Гранитный состав делает континентальную кору более легкой, что позволяет её блокам всплывать в астеносфере выше, чем базальтовое океаническое дно, и подобно айсбергам возвышаться над уровнем океана. Новая, гранитная кора оказалась не только легкой, но и прочной. Высокая прочность гранитов позволяла первым островам противостоять разрушительной мощи стометровых океанических волн. На поверхности всего океана стали появляться гранитные острова, которые впоследствии объединялись в огромные массивы суши. Континентальная развилка эволюции Земли прекратила глобальное господство водяной стихии и начала эпоху материков. Размываемые горные породы этих выступов суши выносились речными потоками или ветрами в водные бассейны, на дне которых накапливались в форме древнейших пластов обломочных пород[37] континентального происхождения.

После появления плит с континентальной корой, в зонах их столкновения с океаническими плитами, последние погружаются под материковую кору. В этих местах происходило наращивание материковой коры за счет гранитизации базальтов океанической коры. Здесь широко проявлялась вулканическая деятельность, формировались складчатые области, осадочных пород превращались в метаморфические.

2.5.1. Континентальная кора – необходимое условие для наземной жизни

Земной эволюции потребовалось, по разным оценкам, от 100 до 180 млн. лет после начала тектоники океанических плит (4,38 – 4,3 млрд. л.н.) для того, чтобы приблизительно к рубежу 4,2 млрд. л.н. создать первые участки континентальной коры и затем сформировать древнейшие континенты – блоки суши над водами Мирового океана. На континентах сформировались первые материковые воды, которые первое время практически не отличались от морской воды. Эти воды были того же химического типа, что и морские – хлоридные кальциево-магниевые или магниево-кальциевые воды. Впоследствии континентальные воды эволюционировали в результате контактирования с выветриваемыми основными и ультраосновными породами на суше, а также с обновляемой атмосферой.

Не осталось свидетельств о количестве и размерах этих пионерных континентов, но не приходится сомневаться в их существовании. Первым островам материкового типа пришлось еще около 600 млн. лет перемещаться под воздействием циркулирующих потоков вещества горячих недр планеты (дрейфовать) вместе со своими литосферными плитами по таким траекториям, которые вели их к всеобщей встрече. Столкновение континентов произошло около 3,6 млрд. л.н. В результате появился среди океанических вод первый суперконтинент[38] – Ваальбара[39], который просуществовал около 500 млн. лет и затем (около 3,1 млрд. л.н.) раскололся на отдельные континенты. Вновь образованные осколки-континенты отправились в новый цикл путешествия по астеносфере, наращивая по пути свои размеры, соединяясь с подобными небольшими материками, подготавливаясь к пришествию живых организмов.

Начало образования континентальной коры и появление первых блоков суши означало удачный поворот в развитии нашей планеты 4,2 млрд. л.н. на Континентальную эволюционную развилку. Эта развилка является таким возможным поворотом в эволюции планет и крупных спутников, который в полной мере реализовался в Солнечной системе только на Земле. Лишь на Земле существовали условия, позволившие Литосферной и Океанической развилкам ориентировать эволюцию на реализацию череды важнейших событий для появления жизни. Речь идет о таких явлениях, как: 1- формирование базальтовой литосферы, 2- раскол её на множество плит, 3- постоянное перемещение этих литосферных блоков на протяжении уже более 4 млрд. лет, 4- формирование Мирового океана с его особой океанической корой и его существование более 4 млрд. лет, 5- реализация циркуляции энергии и вещества между всеми оболочками Земли (ядром, мантией, литосферой, гидросферой и атмосферой), 6- направление развития планеты на формирование континентальной коры и материков.

Важной особенностью нашей планеты является не только сама реализация эволюции по Континентальному направлению, но формирование такого удивительного соотношения объема океанов и материков, которое всегда обеспечивало широчайшие возможности для эволюции живой природы. Наличие континентов предоставило возможность живым организмам выйти из океанов на сушу, где среди огромного разнообразия микроорганизмов, грибов, растений и животных появились современные люди. Кроме того, эта развилка направила геологические процессы в сторону концентрации в континентальной коре ресурсов самых разных твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых. Без огромного числа месторождений нефти, газа, угля, урана, металлов и многих других полезных веществ в недрах всех континентов невозможно представить развитие человеческого общества.

Рельеф земной поверхности подвергся значительному усложнению после начала действия тектоники плит, особенно после появления континентальной коры. Значительно увеличились глубины океанических впадин. Важным этапом в формировании Мирового океана явилось образование континентов, гор, больших впадин и других форм рельефа земной коры. Заглядывая вперед, отметим, что в течение двух миллиардов лет (от 4,2 до 2,2 млрд. л.н.) сформировалось, по разным оценкам, от 50 до 80 % площади современной континентальной коры. Эта кора была представлена множеством материков, которые за указанный срок успели столкнуться в три суперконтинента (Ваальбара, Ур, Кенорленд) и затем расколоться на новый набор отдельных блоков суши. Образование и распад суперконтинентов имеет циклический характер, который зависит от изменения в режимах конвекции вещества планеты. Понятно, что изменения в конвекции происходили так же циклически. Продолжительность периода от одного суперконтинента до другого в среднем составляет 600–700 миллионов лет. Всего за историю Земли дрейф континентов привел к образованию семи суперконтинентов. Человечество распространилось на обломках седьмого суперматерика – Пангеи, которые представлены шестью нынешними материками.

Венера, Марс, Луна и некоторые спутники газовых планет-гигантов, подобно Земле, в своем развитии прошли через Литосферную развилку эволюции планет, а некоторые из них даже через Океаническую эволюционную развилку. Однако для каждого из этих космических тел повороты на эти направления имели свои неповторимые последствия. На этих планетах и спутниках, кроме Марса, поворот эволюции на Литосферное направление также обеспечил образование базальтовой литосферы и даже некоторые проявления плюмовой тектоники, но дальше развитие не пошло. По современным данным, на Венере, Луне и спутниках Юпитера и Сатурна не было плитной тектоники, которая создала бы условия для появления континентальной коры – носителя всей сушу, без которой не возможно зарождение и развитие животных, обитающих на суше. Конечно, имеет смысл рассуждать о вероятности появления наземных обитателях только в том случае, если на этих космических телах были океаны, населенные водными живыми организмами. На соседнем Марсе выявлена гравитационная аномалия размером с земную Европу, в пределах которой толщина коры составляет около 50 км. По мнению ученых, эта аномалия соответствует континенту среди марсианской океанической коры, который сформировался в начальный период существования этой планеты. Возможно, в этот период на Марсе происходило движение глобальных литосферных плит, т. е. имела место тектоника плит и появились первые блоки континентальной коры. К сожалению, эволюция марсианской коры по направлению к жизни происходила только на протяжении первых приблизительно 350 миллионов лет начальной истории Марса, а затем ядро остыло, отвердело, геологические процессы прекратились. Дальнейшая эволюция этой планеты свернула на специфическую марсианскую Криосферную развилку эволюции планет, не ориентирующую на развитие живых организмов, если таковые и были в марсианском океане до его исчезновения.

Поверхность Земли после формирования первых блоков континентальной коры разделилась на две основные части – океаническую и континентальную. Названия этих частей отражают планетарный рельеф, который тесно связан с разным строением и составом земной коры. Океаны простираются над океанической корой толщиной, как правило, 3 – 12 км (в среднем 4–6 км). Материки являются частью континентальной коры. В результате перехода эволюции Земли через Континентальную развилку литосфера в глобальном плане приобрела ассиметричное строение: полушарие с континентальной корой имеет более дифференцированное строение, чем противоположное океаническое полушарие. Литосфера на континентах и в океанах имеет разное строение. Под континентами литосфера отличается обоими своими компонентами – верхней мантией (волноводом) и корой. Со временем общий объем земной коры постепенно увеличивается за счет наращивания толщины и, в том числе, прирастает континентальная кора. В настоящее время масса всей земной коры составляет около 0,5 % общей массы планеты. Масса материковой коры достигает 79 % массы земной коры, на долю океанической коры приходится 21 %. В то же время, континентальная кора покрывает только 40 % поверхности земного шара, формируя континенты и крупные острова, а также мелководные зоны морей и шельфов океанов. Большой объем континентальной коры обусловлен её значительной толщиной в сравнении с таковой океанической верхней твердой оболочки.

Характеризуя континентальную кору в нынешнем её виде, отметим, что она обладает резкой неоднородностью, как по структуре, так и по составу. Её толщина составляет 20 км в рифтовых зонах растяжения, 80 км в условиях сжатия, достигая 90 км в горно-складчатых поясах – например, в Тибете. Химический состав значительно варьирует даже на коротком расстоянии. В общем виде континентальная кора состоит из трёх частей: нижнего – базальтового слоя (по новой терминологии – из нижней коры), среднего – гранитного слоя (верхней коры) и верхнего – осадочного слоя. Континентальная кора в целом имеет значительно более древний возраст, чем океаническая: около 7 % горных пород континентов имеют возраст старше 2,5 млрд. лет. Сохранившаяся структура континентов представлена блоками (зонами) самого разного возраста. Установленный возраст древнейших пород соответствует 3,5 млрд. лет, но, возможно, существуют даже породы возрастом 4,0–4,2 млрд. лет. Наиболее молодые зоны континентов сформировались в Альпийско-Гималайском складчатом поясе. Этот тектонический пояс появился в альпийскую эпоху складчатости[40], максимальная активность которой была около 35 миллионов л.н. Эта новая кора возникла, когда Индийская плита дрейфовала из Антарктики на север и врезалась в Евразийскую плиту. Поскольку столкнулись две континентальные плиты с приблизительно одинаковой плотностью, то они вздыбились вверх, сформировав высоченные Гималаи.