Глава II. Земля до возникновения на ней растений

"Формой развития естествознания, поскольку оно мыслит, является гипотеза. Наблюдение открывает какой-нибудь новый факт, делающий невозможным прежний способ объяснения фактов, относящихся к той же самой группе. С этого момента возникает потребность в новых способах объяснения, опирающегося сперва только на ограниченное количество фактов и наблюдении. Дальнейший опытный материал приводит к очищению этих гипотез, устраняет одни из них, исправляет другие, пока, наконец, не будет установлен в чистом виде закон"^*.

^* (Ф. Энгельс. Диалектика природы. М., Госполитиздат, 1952, стр. 191.)

Ф. Энгельс

Работы астрономов, геологов и других ученых над строением и развитием небесных туманностей, звезд, Солнца, планет солнечной системы с их спутниками и нашей Земли позволяют с достаточной вероятностью установить общую картину тех изменений, которым подвергалась наша Земля в течение первых миллионов лет ее существования.

Зародилась она в составе одной из спиральных туманностей, подобной одной из ныне существующих на небе. Туманности эти состоят из быстро движущихся газовых частиц, имеющих более или менее однородное строение. В составе туманностей спектроскоп не обнаруживает линий спектра, по которым можно было бы судить о присутствии здесь определенных химических элементов. Нет ни углерода, ни кислорода, ни азота. Постепенно эта масса первичной материи, сжимаясь и сближая свои частицы, превратила часть энергии этих быстро движущихся частиц в лучистую энергию и приобрела свойства белой звезды. Около 1920 г. очень стройной казалась гипотеза Локайера, выведенная им из анализа звездных спектров. Локайер полагал, что при повышении температуры идет распад вещества до первичной материи, а при охлаждении происходит вновь созидание элементов из этой материи. Поэтому он думал, что на очень горячих космических телах есть только один элемент, именно протоводород, по мере охлаждения к нему присоединяется гелий, затем "протометаллы", еще позднее углерод, азот, кислород и кремний, при дальнейшем охлаждении появляются самые металлы, а протоэлементы исчезают. Согласно этой гипотезе схема звездной эволюции отвечала схеме эволюции химических элементов.

Позднее индийский ученый Мег-Над-Сада показал, что протоэлементы Локайера - не что иное, как ионизированные газы. При температуре в 12 000° ионизируются магний и кальций, а при температуре в 25 000° ионизируются даже водород и гелий.

Теперь почти единогласно признано, что вселенная построена преимущественно из тех же 92 элементов, которые входят в состав Земли. По словам А. Е. Ферсмана (Геохимия. т. I, 230), часть мирового процесса - от спиральных туманностей до белых звезд - рисуется в свете явлений создания более тяжелых атомов. Группировка водорода в гелий и сочетание гелиогрупп вместо являются источником огромных нагреваний, конденсации материи и накопления более тяжелых атомов. Синтез гелиевых групп из водорода идет с огромным выделением тепла. Получаемые из этого синтеза сочетания оказываются необычайно прочными элементами. Это - атомы, построенные из гелиогрупп и обладающие атомными весами, кратными 4. Они обладают наибольшей распространенностью и устойчивостью атомов. Таковы гелий, углерод, кислород, магний, кремний, сера, кальций, железо и некоторые другие. Позднейшее развитие идет уже по линии образования сложных соединений. Так, кремний, вступая в разнообразные соединения с другими элементами, дает силикаты, составляющие основу всего мира минералов.

Последующая потеря энергии путем излучения и сжатия массы молодой планеты переводит ее в стадию красной звезды, более холодной. Еще позднее на поверхности Земли стали, благодаря дальнейшему излучению и охлаждению, образовываться шлаки как первый зачаток твердой земной коры. Они неоднократно снова плавились и опять охлаждались и твердели, пока, благодаря центробежной силе, не скопились в экваториальном поясе настолько прочно, что стали постоянным явлением. От экватора образование земной коры стало постепенно распространяться по направлению к полюсам, и когда кора достигла значительной толщины, то она охватила и оба полюса. Некоторые думают, что планета Юпитер до сих пор еще не закончила эту фазу развития сплошной твердой коры.

И. Вальтер полагает, что "образование твердой земной коры было, несомненно, самым важным событием в истории нашей планеты: оно отделяет звездное первобытное время от начинающейся с той эпохи собственно геологической истории"^*.

^* (И. Вальтер. История Земли и жизни. 1911, стр. 45.)

Одновременно с процессами сжатия и охлаждения шло выделение газообразных веществ, благодаря их легкости все время отбрасываемых центробежными силами к поверхности. Вместе с этим Земля стала дифференцироваться на ряд заключенных одна в другую оболочек. Первою сформировалась газообразная оболочка, или атмосфера, и, когда температура ее понизилась до 4000°, в ней стали за счет элементарных газов возникать вое более и более сложные химические соединения. Глубже под атмосферой сконцентрировались огненножидкие массы, получившие название магмы, или пиросферы, а ближе к центру все еще находились под большим давлением массы первобытных газов, как измененный остаток ранних периодов образования земного шара.

С образованием коры и закончилась для Земли звездная фаза. Кремнекислые соединения алюминия, кальция, калия, магния, натрия и железа окружили расплавленное внутреннее ядро, выкристаллизовались и образовали первичные горные породы, подобные современным лавам, которые являются несомненно огнезданными скалами. До образования коры, или литосферы, происходившие на Земле явления состояли главным образом в лучеиспускании тепла в холодное мировое пространство, но как только между атмосферой и пиросферой появилась разделяя их, вновь образовавшаяся земная кора, картина резко изменилась. Внутренность Земли, окруженная уже охлажденной корой, может терять тепло только благодаря теплопроводности последней, т. е. замедленно. Если принять толщину современной нам литосферы в 75 км, то отдача тепла становится крайне ослабленной. И. Вальтер видит в каждом дымящемся вулкане, в каждом охлаждающемся потоке лавы, в каждом горячем источнике частичное проявление векового охлаждения Земли^*. Но все же отдача тепла земным шаром мировому пространству теперь ничтожна по сравнению с тем, что происходило до образования сплошной литосферы.

^* (В 1944 г. акад. О. Ю. Шмидт предложил метеоритную теорию происхождения Земли, по которой Земля, как и другие планеты солнечной системы, образовалась из межзвездного вещества путем захвата его при прохождении Солнцем центральной плоскости Галактики. По этой теории, совершенно необязательно признавать начальное расплавленное состояние Земли. Вулканические извержения могут быть вполне объяснены неравномерным распределением радиоактивных веществ, вызывающих местные разогревания Земли.- Прим. ред..)

Одновременно с этим несравненно большее значение получают солнечная теплота и положение земной оси, вызывающие движения газовых масс в первобытной атмосфере. Постепенно начали слагаться климатические тепловые поясы, пассатные течения и климатические полюсы, которые с той поры и направляют ход развития поверхности Земли. Земная кора разделила также и жидкие массы Земли на вадозные, т. е. все воды, циркулирующие как на поверхности, так и в наружных слоях земной коры, и эруптозные, прорывающиеся из магмы, куда относятся раскаленно-жидкие лавы, вулканические пары и ювенильные водные источники, воды которых, образовавшись на значительной глубине, впервые подходят к земной поверхности.

Вода образовалась на Земле, в ее атмосфере, сначала в виде водяных паров, приблизительно в то время, когда земная кора остыла до температуры, близкой к 364°. Сгущаясь, пары эти начали давать воду, в которой легко растворялись пары хлористого водорода, аммиак и углекислота, уже входившие в состав атмосферы. При дальнейшем охлаждении земной поверхности потоки этой воды ринулись в виде ливней на земную кору и образовали первичный океан, вымывая себе ложе среди горных пород.

Если бы всю воду современных океанов распределить по всей поверхности Земли равномерно, то она образовала бы ровный слой в 2000 м толщиной. Отсюда естественно предположение о таком изначальном периоде, когда суши не было вовсе а море одевало всю Землю. Трудно, однако, допустить, что в литосфере того времени не было никаких деформаций, что она имела гладкую ровную поверхность. Скорее и тогда в ней происходили явления горообразования, и высокие места, острова суши выступали из волн первичного океана.

В первичном океане под влиянием лунного притяжения сейчас же установились приливы и отливы, разрушавшие его берега. Под влиянием неравномерного нагрева солнцем установились морские течения. Вымывание растворимых солей из литосферы обогащало воды океана хлоридами и сульфидами, в противоположность водам суши, речным и озерным, в которых преобладают карбонаты^*.

^* (Карбонаты - соли угольной кислоты, напр., углекислый кальций, образующий известняки; сульфиды - соли серной кислоты, напр., сернокислый кальций, или гипс; хлориды - соли хлористоводородной кислоты, напр., хлористый натрий, или поваренная соль.)

Так возникла четвертая, хотя и не оплошная, но от того не менее важная, сфера Земли, именно гидросфера. Вода с ее способностью растворять различные газы, соли кислот, кислоты и щелочи стала одним из важнейших химических деятелей на земной поверхности. Благодаря воде сильно возросли разнообразие и сложность химических соединений, увеличилось разнообразие минералов и создались условия для образования разнообразнейших горных пород. Наконец, благодаря воде создалась с течением времени возможность появления жизни. А жизнь, раз появившись, создала еще одну сферу, охватившую почти всю поверхность Земли, именно биосферу, важнейшую часть которой и составляет растительный покров Земли, ее фитосфера.

Таким образом, Земля в ее современном виде состоит из нескольких шарообразных оболочек, заключенных одна в другую. Не надо, однако, думать, что они резко разграничены. Воздух проникает во все трещины литосферы, растворяется в водах гидросферы, проникает в живые организмы. Частицы минеральных веществ в виде пыли вместе с зародышами микроорганизмов взмучиваются в атмосфере и переносятся воздушными течениями, поднимаясь нередко на высоту нескольких километров. Вода проникает глубоко в толщу литосферы, а граница между литосферой и пиросферой уже совершенно неопределенна. Тем не менее не бесполезно отметить в истории Земли появление этих сфер и точнее определить их.

1. Атмосфера, или воздушный океан Земли, верхние слои которого сильно отличаются от нижних, ближайших к нам.

2. Гидросфера, водная оболочка Земли. Сюда относятся не только воды морей, озер, рек и болот, но и снега и льды северных стран и высоких гор.

3. Биосфера, совокупность живых существ и вырабатываемых ими химических соединений.

4. Литосфера, каменная оболочка Земли. Совокупность всех горных пород, как входящих в состав гор и подстилающих равнины, так и тех, которые подстилают дно океанов.

5. Пиросфера, огненножидкие массы внутри Земли на глубине около 75 км от поверхности.

Внутреннее ядро Земли до сих пор остается для нас загадкою. Прямых сведений о нем нет, имеются только различные соображения, выработанные на основании удельного веса Земли и других косвенных указаний.

Общая мощность атмосферы превышает 200 км, мощность гидросферы определяется, с одной стороны, глубиной океанов, с другой, высотой верхних облаков; вместе это составит до 25 км; мощность литосферы, как уже было указано, составляет предположительно около 75 км.

Биосфера, в состав которой входит растительный мир, нигде не представляет особенно мощного слоя. Если принять, что некоторые тропические леса имеют среднюю вышину до 100 м, а слой почвы под ними дает жизнь различным почвенным организмам, особенно бактериям, еще на 50 м вглубь от поверхности, то наибольшая мощность достигает всего 150 м. В море слой воды, населенный живыми существами, превышает 2000 м, но на больших глубинах население это сильно разрежено. Впрочем, в атмосфере бактерии попадаются еще на высоте, превышающей 5 км, а в последнее время пурпурные бактерии были извлечены с нефтяными водами из буровых скважин глубиной более 1200 м. Возможно поэтому, что и на суше слой биосферы дает толщу, близкую к тому, что мы только что указали для мирового океана.

Значение биосферы в общем строе происходящих на Земле явлений очень велико, так как растения и животные не только вырабатывают из пищевых веществ свое собственное тело, но и сильно влияют химически на минеральный мир. Используя каждую доступную им частицу углерода, водорода, кислорода, азота, серы, фосфора, калия, кальция, магния, железа и многих других элементом и по использовании возвращая ее в окружающую их среду, живые существа вызывают грандиозное явление - круговорот веществ в природе.

Дальше мы посвящаем четвертую главу нашей книги круговороту вещества в природе, теперь же укажем лишь на то обстоятельство, что частицы углерода, азота или любого другого из перечисленных только что элементов могут входить в целый ряд сложных реакций, образовывать в соединении с другими элементами большое число сложных тел и снова освобождаться из них. Так, углерод входит в различные углеводороды, углеводы, спирты, кетоны, альдегиды, кислоты, металлоорганические соединения и протеиновые, или белковые, алкалоиды и пр. Вступая в состав живого организма или выходя из него, каждый элемент проходит через ряд реакций, пока не вернется в свое исходное состояние в составе атмосферы или почвенного раствора.

Прежде чем перейти к вопросу, как возникла жизнь на Земле, остановимся еще ненадолго на работе, которую производит на Земле солнечный луч. Не зная той основной роли, которую играют солнечные лучи в возникновении и бытии жизни, мы не можем судить и о развитии жизни на Земле. Предположим, что Земля подобна Луне, т. е. лишена наружной газообразной оболочки, лишена также воды и жизни. Какую работу может выполнить Солнце на ее поверхности в этом случае?

На Луне Солнце действует непосредственно на поверхность литосферы. Лунный день равен 14 суткам 18 часам 22 минутам, в течение которых Солнце непрерывно нагревает камни и пески лунной поверхности. Ясно, что температура последних сильно подымается. Ночь сменяет день с поразительной для нас быстротой и продолжается также долго. Температура при этом падает приблизительно до 100° мороза. При таких резких переходах от тепла к холоду и обратно расширение и сжатие отдельных минералов, входящих в состав горных пород Луны, совершается с неодинаковой силой, и связь между ними нарушается. Если уже на Земле морозы немало способствуют разрушению горных пород и образованию в горах каменных развалов и осыпей, то в условиях лунного климата они действуют значительно напряженнее. Получившиеся таким образом отдельные камни и песок сыпятся по закону притяжения к подножию гор и образуют нагромождения мелкого материала. Вот и все, что можно счесть работой Солнца на поверхности Луны или другого подобного ей тела, лишенного воды и атмосферы или имеющего крайне разреженную атмосферу.

Если мы теперь мысленно перенесемся на такую планету, которая, кроме литосферы, имеет еще атмосферу, состоящую из смеси различных газов, но лишена воды, то здесь работа Солнца проявится много разнообразнее и сильнее. Разрушение поверхностных частей литосферы, как результат нагревания и охлаждения, будет идти своим чередом, но, кроме того, нагревание и охлаждение атмосферы вызовет перемещение газовых масс от нагретой части к охлажденной. Произойдет явление ветра, которое, в зависимости от густоты или разреженности атмосферы или от степени ее нагревания и охлаждения, будет более или менее грандиозным. Ветер примет участие и в разрушении гор и в перемещении продуктов их разрушения. Произойдет целый ряд явлений, которые в земных условиях получили название сухой эрозии и которые можно наблюдать в пустынях.

Еще более сложна будет работа Солнца там, где имеется вода, образующая на границе атмосферы и литосферы прерывистый промежуточный слой гидросферы^*. Нагревая воду, Солнце вызовет образование водяных паров, которые на некоторой высоте над морем сгущаются в облака. Облака передвигаются ветром и при дальнейшем охлаждении дают дождь. Дождь, падая, размывает склоны гор, образует потоки и реки, которые перемывают продукты размыва горных склонов, вырывают подчас глубокие долины и сильно изменяют поверхность литосферы. Вода с растворенными в ней газами атмосферы является не только механическим, но и химическим деятелем и способствует разнообразным превращениям веществ на поверхности литосферы. Наконец, при более сильном охлаждении вода замерзает и, расширяясь, производит немалую механическую работу.

^* (Так, по предположению астрономов, планета Венера окружена плотным слоем облаков, причем в спектре этой планеты есть лилии, указывающие на присутствие паров воды.)

Наполняя собою все понижения и углубления литосферы, вода образует океаны и другие, меньшие водоемы. Здесь солнечные лучи, нагревая воду, особенно сильно в определенных частях океана, вызывают морские течения, передвигая массы воды на большое расстояние.

Вообще солнечные лучи и в атмосфере и в гидросфере играют сходную роль, вызывая передвижение и даже перемешивание воздушных и водных масс и способствуя энергичному их действию на литосферу.

Вместе с тем нельзя не отметить, что во всех перечисленных случаях работа солнечного луча непродолжительна. Как бы энергично ни палил землю солнечный луч, но день всегда сменяется ночью. А ночью сильно лучеиспускание и накопленная за день землею лучистая энергия теряется.

Потеря тепла нижними слоями атмосферы весьма велика. Мы видели, что Солнце совершает также значительную механическую работу, но всякая механическая работа в конечном итоге превращается в тепло и в виде тепловых лучей излучается Землей в мировое пространство, которое от этого не становится, однако, теплее, так как оно чрезвычайно велико и все излучения Земли и других планет теряются в нем, как капля в море.

Таким образом, вся работа солнечного луча, там где нет жизни, нет биосферы, сводится к перемещению газообразных, жидких и твердых тел и временному их нагреванию. Присутствие воды может дать солнечным лучам еще и возможность вызвать в некоторых случаях химическую работу, и тогда деятельность их на Земле становится и более сложною и более продолжительною.

Дело совершенно меняется с появлением биосферы и, особенно, с появлением зеленых растений. Способность последних удерживать солнечные лучи и превращать их энергию в скрытую химическую энергию углеводов, жиров и белков создает на Земле такое разнообразие химических превращений, такое воздействие органического мира на неорганический, что мир земных явлений делается необыкновенно разнообразным, необыкновенно богатым. Но мало этого: теперь работа солнечного луча на Земле становится длительной. Превращенный в тот запас энергии, который связан с каменным углем, с торфом, с нефтью, он миллионы лет покоится в осадочных пластах земной коры, чтобы затем питать собою нашу индустрию.

Поскольку солнечный луч встречает на Земле воздух, воду и камень, он мимолетный гость земной поверхности. Его сохранить нельзя, и процесс лучеиспускания, охлаждения, заметный особенно в ночное время, быстро уносит его в мировое пространство. Но при встрече с зеленым растением путь его на Земле становится продолжительным, с постоянными переходами из деятельного динамического состояния в покоящееся потенциальное, и обратно.

Возникновению жизни на Земле предшествовал длинный период расслоения первоначально однородной массы земного шара на указанные выше сферы. Нам легко себе представить тот момент, когда на тонкой еще каменной коре Земли появились воды первичного океана, установилось движение воздуха, появились морские течения, появились потоки дождя. Нетрудно представить себе и происходившие в то время вулканические явления и явления выветривания. Наконец, происходило на дне морском отложение осадков, образовавшихся от размыва морских берегов приливами и волнами, а жизни но было. А жизнь требует для своего осуществления совершенно определенных внешних условий, определенной внешней среды, которая могла сложиться лишь в результате длительной работы только что перечисленных факторов.