Геохронологическая шкала эволюции Земли

Установление продолжительности отдельных периодов и эпох, как и возраста Земли в целом, заставило обратиться к равномерному процессу, протекающему с известной скоростью в течение исследуемого периода и позволяющему делать количественные измерения. Эти соображения высказали Ломоносов («О слоях земных», 1763) и Ламарк («Гидрогеология», 1802). С этой целью пытались исследовать накопления солей в океане и другие ученые. Они получили оценки, не противоречащие расчетам, полученным другими методами.

Возрасты химических элементов и тел Солнечной системы определили по соотношению изотопов свинца Рb-206 — Рb-208 в метеоритах и земной коре и рассчитали: возраст Земли — 4,55 млрд лет. Возраст радиоактивных ядер в Солнечной системе примерно 4,8 млрд лет, и считают, что тяжелые ядра образовались непосредственно перед формированием планет примерно за 200 млн лет. Академик А. Е. Ферсман разделил время существования атомов Земли на три эпохи: эпоху звездных условий существования, эпоху начала формирования планет, эпоху геологического развития.

Термин «геохронология» принят в науках о Земле для обозначения времени и последовательности образования горных пород, слагающих земную кору. Относительный возраст пород оценивается достаточно просто в одном геологическом разрезе, поскольку каждый налегающий пласт образовался позднее того пласта, на который он ложится. Этот стратиграфический метод применяют и при сравнении возраста пород в разных разрезах, хотя приходится привлекать и данные палеонтологии для сопоставления возраста слоев.

Геохронологическая шкала принята в 1881 г. на Международном геологическом конгрессе, на котором были введены термины: эра, период, эпоха, век, время. Хотя это разделение условно, но на рубеже соседних эр или периодов происходили существенные геологические преобразования, а каждое подразделение обладало качественным своеобразием. Эры — наиболее крупные промежутки времени, включающие катархей (от образования Земли до зарождения жизни); архей (3,5 — 2,6 млрд лет); протерозой (2,6 млрд — 570 млн лет) и фанерозой (570 млн лет — наше время) (рис. 10.6).

По степени изученности вся история планеты делится на две части. Более древняя охватывает огромный интервал времени от

570 до 3800 млн лет назад. Ее назвали криптозоем, или периодом со скрытым развитием жизни. Хотя он изучен недостаточно, геологи установили необратимый характер осадкообразования и основные тенденции эволюции Земли под влиянием развивающейся жизни.

Более молодая эра, составляющая 570 млн лет и названная фанерозоем (от греч. phaneros — явный + zoe — жизнь), изучена лучше. К ней относятся формации палеозоя, мезозоя и кайнозоя. Палеозой (570 — 230 млн лет) включает периоды: кембрий (570 — 500 млн лет), ордовик (500 — 440 млн лет), силур (440 — 410 млн лет), девон (410 — 350 млн лет), карбон (350 — 285 млн лет), пермь (285 — 230 млн лет). К мезозою относят периоды: триас (23 — 195 млн лет), юра (195 — 137 млн лет) и мел (137 — 67 млн лет). Кайнозой разделяют на периоды и века. Период палеогена состоит из веков палеоцена (67 — 27 млн лет), эоцена (54—38 млн лет) и олигоцена (38 — 27 млн лет). Период неогена (27 — 3 млн лет) делят на века: миоцен (27 — 8 млн лет) и плиоцен (8 — 3 млн лет). Последний период назвали четвертичным. Он состоит из веков плейстоцена (3 млн—20 тыс. лет) и голоцена (20 тыс. лет — наше время).

Согласно обобщениям академика Н. М. Страхова в настоящее время в истории Земли выделяют четыре этапа химико-биогенного осадкообразования.

Первичные океан и атмосфера,когда живое появлялось в ограниченных масштабах. В ранний архей формировалась водная оболочка Земли, в океанах были растворены выделяемые вулканами

продукты: сероводород (H₂S), метан (СН₄), углекислый газ (С0₂), соляная (НС1), плавиковая (HF) и борная (Н₃В0₃) кислоты, различные углеводороды. Сульфатов тогда, как и свободного кислорода для их образования из сернистого водорода, почти не было. В атмосфере преобладали С0₂ и NH₃, присутствовали и НС1, H₂S0₄, CH₄ и несколько инертных газов. Кислотность воды (рН) была порядка -1—2. Температура на поверхности Земли составляла 65 — 80 "С.

Началось образование первичных осадочных горных пород. Поверхность Земли была похожа на современную лунную: площади между вулканами занимал неглубокий океан, а вулканы выступали в виде островов. Климат был влажный, вулканогенно-осадоч-ный, и климатических поясов в современном понимании не было. Наличие углекислоты в атмосфере способствовало выветриванию изверженных пород, образовывались карбонаты калия, натрия, магния, кальция и коллоидные частицы А1₂0₃, Si0₂, Fe₂0₃. Попадая в кислую среду океана, они превращались в хлориды калия, натрия, магния и кальция, что меняло состав первичного океана, уменьшая его кислотность. Вулканические породы поверхности подвергались выветриванию, на них осаждались кремнезем и сульфиды тяжелых металлов. Это происходило в катархейскую эру.

Появление первых организмоввплоть до фотосинтезирующих. К концу архея состав морской воды изменился. Благодаря воздействию силикатов осадочных отложений и карбонатов К, Са, Na, Mg, образовавшихся на поверхности суши при выветривании минералов вулканических пород под действием углекислой атмосферы, кислоты моря нейтрализовались. Кислотность воды уменьшалась, карбонаты вступали в реакцию с соляной кислотой, образуя хлориды. Менялся состав атмосферы. С суши поступали растворенные карбонаты, они не только преобразовывали хлорид-ную воду в хлоридно-карбонатную, но и выпадали в осадок. Так наряду с песчано-глинистыми осадками и продуктами вулканической деятельности на дне океанов начали формироваться карбонатные отложения — доломиты и известняки. Усиленно отлагались хемогенный кремнезем и окислы железа с образованием илов (позже превращенных в железистые кварциты — источники современных месторождений железных руд). Сложившиеся толщи пород архея достигают огромной мощности (10 — 12 км). Они подвергались метаморфизму и складчатости, происходила гранитизация пород. Гранитные тела поднимались вверх в виде гранитных куполов, деформируя другие породы. Возник метаморфический слой с континентальным типом земной коры; на некоторых территориях современных материков, образуя их ядра, появились древние щиты, выступающие над водой.

С возрастанием роли азота атмосфера очищалась от аммиака и метана. Во время образования обширных континентальных мас-

сивов стали зарождаться климатические зоны — сухого, холодного (ледникового) и влажного климата. В морской воде начали выделяться доломиты CaMg(C0₃)₂, оседающие химическим путем на океаническое дно, где в основном в илах с прослойками минералов накапливались кремнезем, железо и марганец. Возникли многочисленные глинистые минералы, давшие начало образованию кристаллических сланцев. Все эти следы седиментации (от лат. sedimentum — оседание) расшифровываются с большим трудом.

Большая часть докембрийского периода— третий этап (от 3 млрд до 0,6 млрд лет до нашего времени). Протерозой представлен большим числом сильно метаморфизованных пород на нарастающей земной коре. В раннем протерозое на окраинах сложившихся щитов началось развитие первых геосинклинальных зон, где происходили процессы прогибания коры, накопление мощных вулка-ногенно-осадочных толщ, а затем внедрение гранитных массивов, метаморфизм, складчатость, поднятие этих участков — горообразование и поднятие континентов. Но были участки с медленным развитием этих процессов, и образовались крупные платформы жесткой стабилизации. В геосинклинальных зонах с мощными отложениями осадочных пород возникала складчатость. Процессы регулировались тектоническим развитием литосферы. Земная кора разрасталась по поверхности и в глубину. При этом осадочные породы погружались на глубины, подвергаясь процессам гранитизации и метаморфизма, теряя легкоподвижные компоненты, которые перемещались в верхние горизонты. Большая часть карбонатных материалов разрушалась, переходя в силикатные с выделением углекислоты. То же происходило и с водой.

Затем на окраинах платформ возникли новые геосинклинальные пояса — Тихоокеанский, Средиземноморский, Атлантический, Урало-Монгольский и Арктический; их развитие расширяло площадь континентальной коры. Усиливалось отложение доломитов и известняков, что было связано с появлением сине-зеленых водорослей и изменением состава атмосферы. Выделяющиеся при вулканических процессах сера и водород при наличии кислорода образовывали сульфаты, которые вытесняли из морской воды СO₂ в осадок, и наряду с чисто химическими явлениями, за счет связывания карбонатов микроводорослями, большую роль начали играть и органогенные известняки. От этого периода до нас дошли ледниковые отложения. Возникали континенты.

Первичные живые организмы были анаэробными, т. е. жили без кислорода, питаясь готовыми органическими веществами. Но резерв органики, возникающей из смеси неорганических веществ под влиянием жесткого солнечного излучения и грозовых разрядов, иссякал. Поэтому природе следовало бы выработать способы

I

формирования крупных молекул иными способами. Преимущество получили те клетки, которые могли сами использовать энергию солнечного излучения. Некоторые простые соединения способны к этому, если в их состав входят атомы магния (как в хлорофилле). Усвоенная солнечная энергия ускоряла реакции обмена, необходимые для появления органики; она накапливалась, а затем расщеплялась с высвобождением энергии.

Решающие изменения произошли с появлением фотосинтеза. Он обеспечил независимость жизни от внешних питательных веществ. Появились автотрофные организмы. Их следы найдены в отложениях. Даже в породах архея находят остатки зеленых водорослей (3 млрд лет назад). В гидросфере и затем в атмосфере появился свободный кислород, быстро меняющий состав атмосферы; метан и аммиак почти исчезли благодаря окислению, стал убывать и С0₂. Кислород был ядом для анаэробных организмов, они «прятались» в болота, где выделяли метан, или приспосабливались к дыханию, или вымирали. Переход к фотосинтезу длился долго. К кембрию атмосфера стала почти современной — азотно-кислородной по составу. Океан терял углекислоту, обогащаясь кислородом. Вулканическая сера и сероводород стали переходить в сульфатную форму H₂S0₄. Серная кислота, взаимодействуя с растворенными карбонатами, вытесняла углекислоту, а вода обогащалась сульфатным ионом (S0₄)₂. Металлы стали менее подвижны, в кислородной среде они осаждались уже в высших стадиях окисления, накапливались толщи пород, содержащих железо в окисной, карбонатной и сульфидной формах, например Курская магнитная аномалия, Кривой Рог, Нама-Трансвааль (Южная Африка), Хамерсли (Австралия), Верхнее озеро и Лабрадор (Северная Америка) и другие, относящиеся к залеганию пород, которое произошло 3 — 2 млрд лет назад. Возросшая масса органического вещества присутствует в отложениях третьего периода докембрия, появляются горючие сланцы и множество рассеянных органических отложений.

Фанерозой — последний этап развития верхних геосфер. Возникают две обширные платформы — Гондвана и Лавразия (Лаврентьевский щит + Азия), развиваются все известные формы осадочных пород внутри континентов в пониженных местах. Существенно изменяется биосфера из-за быстрого развития жизни и «кислородной революции». Произошел переход от прокариотов к эукариотам. В начале палеозоя живое вещество переходит на сушу, занимая области с влажным климатом, формируя наземные флору и фауну. Масса живой материи резко растет, жизнь проникает и в более глубокие области океанов. Меняется качественный состав живого, организмы начинают усваивать минеральные вещества для формирования своего скелета. Развивающаяся жизнь меняет и мир вокруг себя. Морская вода становится все более хло-

ридно-сульфатной, такие элементы, как Fe, Mn, P, Co, Va, Си, стали существовать в виде малорастворимых, сильно окисленных соединений, и концентрация их в морской воде резко упала. Обилие кислорода снизило подвижность Fe, Mn, P, Va, Cr, Co, Cu, Ni и др., они оказались только в виде взвесей, поэтому их залежи могут быть вблизи берегов моря. На суше процесс накопления солей происходил периодически. В океанах формировались битуминозные глины, горючие сланцы, а на суше — угли.

Для образования углей более подходящими были каменноугольный и пермский периоды, а после ослабевания процесса в триасе — юрский, меловой и палеогенный периоды. Организмы стали использовать для образования скелетов СаС0₃ и Si0₂, что сделало состав морской воды щелочным. Начали осаждаться фосфориты, что привело к появлению их месторождений. Так, под влиянием живого вещества океан стал иным, и осадочные породы из закисно-окисных стали углисто-карбонатно-галогенными. Эволюция Земли как планеты и эволюция живого на ней были взаимосвязаны и взаимозависимы. На весь ход миграции химических элементов в верхних оболочках Земли все сильнее — и прямо, и косвенно — влияло живое вещество биосферы.

Изменение облика нашей планеты можно оценить при изменении масштаба восприятия. Для наглядности геолог и путешественник князь П.Н.Кропоткин создал «сценарий» такого «фильма», когда каждая секунда экранного времени соответствует миллиону лет жизни Земли. Первые 2 — 3 мин идут «кадры» сотворения мира: из сгустка космической пыли, газа и обломков погибших миров формируется шарообразное тело планеты. Следующие 40 мин «фильма» — рассказ о древнейшем этапе геологической истории (архейская эра), Земля обрела первичную атмосферу, на ней появилась жизнь. Но развивалась жизнь очень вяло, и почти ничего не изменилось за 2 млрд лет, или 33,3 мин. Только в протерозое всего за 17 мин (1 млрд лет) растительность распространилась из океанов на прибрежные участки суши; появились черви, моллюски, трилобиты. Все развитие жизни (фанерозой) промелькнет за 10 мин — «кадры» будут меняться с огромной скоростью, будут меняться контуры материков, растительность, рельеф, виды животных и т.д. Меняются физические поля и атмосфера. И из этих 10 мин история человека займет лишь 2 с.

Самоорганизация при образовании планет и взаимодействии геосфер

До недавнего времени считалось, что можно рассматривать моря, леса, горы, атмосферу не только отдельно друг от друга и от всего живого мира, но и по частям или слоям. Тесная взаимосвязь между ними делает такой подход подчас бессмысленным, требует единого подхода. В какой-то степени это следствие успе-

хов аналитического естествознания. В. И. Вернадский, разрабатывая модель биосферы, неоднократно отмечал, что Гете мыслил синтетически, не признавая возможности деления природы на части и считая, что ее можно изучать как целое. И Вернадский внес количественные оценки в качественную модель Гете. Для описания природы (особенно в биологии и геологии) практически нельзя пользоваться моделями, которые «отрицают стрелу времени».

Окружающий нас мир, от элементарных частиц до галактик и биосферы, существенно далек от равновесия. В галактиках идет постоянный обмен веществом и излучением между звездами и межзвездными облаками. Внутри звезд протекают грандиозные неравновесные процессы, особенно сильные в пульсирующих звездах типа цефеид. В недрах звезд происходят мощные термоядерные реакции с выделением огромной энергии. На конечных стадиях жизни в звездах типа белых карликов вещество как бы конденсируется в одну гигантскую «молекулу», находящуюся в нижнем квантовом состоянии, резко уменьшающем энергетические потери. В нейтронных звездах возникает упорядоченное состояние вещества, которое похоже на явление сверхтекучести.

Явление самоорганизации было обнаружено в кольцах Сатурна — шестой по порядку от Солнца и второй по величине планете Солнечной системы. По массе она в 3 раза меньше Юпитера, так как ее плотность всего 0,7 г/см³, и состоит она в основном из водорода и гелия. Колец у Сатурна несколько, их толщина менее 3,5 км, а диаметр внешнего из них 275 тыс. км. Они охватывают планету по экватору, никогда не соприкасаясь с ее поверхностью, и вращаются вокруг нее под углом 27° к экватору, поэтому можно видеть кольца то с одной, то с другой стороны. Внутренние кольца вращаются с большей скоростью, чем внешние. Было установлено, что кольца — это плоская система из огромного числа мелких спутников планеты. Их спектры содержат линии, характерные для чистого льда и водяного инея. Среди 24 «настоящих» спутников Сатурна один из самых больших спутников в Солнечной системе по размерам и массе — Титан — имеет атмосферу, состоящую в основном из метана и водорода.

Когда Гюйгенс догадался, что Сатурн окружен «тонким и плоским кольцом», это было столь неожиданно, что он зашифровал свою идею. Кольца Сатурна исследовал Ж.Д.Кассини (1675), установивший промежуток между кольцами А и В (щель Кассини), а его сын, Ж. Кассини, высказал идею метеоритного строения колец. Сквозь щели между тремя кольцами просвечивают звезды. И.Кант описал (1755) кольца как послойно вращающийся разреженный диск сталкивающихся частиц, который из-за этих соударений разбивается на узкие колечки. Исследования Лапласа по устойчивости колец продолжил Максвелл. Он показал, что кольцо не может быть плотным и привел уравнение (называемое сейчас дисперсионным), определяющее собственные частоты колебаний колец.

Среди колец Сатурна есть кольца, названные именами Гюйгенса и Максвелла.

Американскими астрономами с борта «Боинга» были открыты 9 колец Урана (1977). Эти кольца оказались очень четко очерченными, без всякой диффузии на краях. В 1986 г. космический аппарат «Вояджер-2» впервые приблизился к Урану, открыв 10 новых спутников и еще 2 кольца. В середине 80-х гг. обнаружили кольца возле Нептуна. Открыты кольца шириной 1000 км и у Юпитера — самой большой планеты Солнечной системы, радиус которой больше земного в 11 раз. Изучение планетных колец показало, что наблюдаемые явления могут быть объяснены столкновениями и коллективными взаимодействиями частиц. Эти пространственные структуры образуются благодаря тому, что в энергетическом отношении они — открытые системы, способные к самоорганизации. Эти выводы проецируются на явления в протопланетном облаке и раскрывают космогонию планет.

В строении колец были обнаружены различные неустойчивости: гравитационная — делит диск на кольца, ширина которых примерно одного порядка с их толщиной; аккреционная (от лат. accretio — приращение, увеличение) — влияет на крупномасштабное расслоение колец; энергетическая (или тепловая) — перемешивает частицы так, что возможны эффекты типа «отрицательной диффузии» — продвижение частиц в более плотные области. В силу действия последней кольца работают как тепловая машина, или открытая система, — энергия орбитального движения из-за вязкого трения превращается в теплоту, уносимую в пространство. Математически прирост плотности кольца описывается так же, как возникновение молекул и радикалов в химических реакциях. Внешние спутники вызывают ряд резонансных явлений в дисках. Так, наблюдаемые щели в кольцах имеют резонансную природу. Щель Кассини в кольцах Сатурна вызывается мощной спиральной волной спутника Мимас, коллективные свойства которой позволяют ей распространиться далеко от точки резонанса. Пыль стабилизирует вихревые процессы внутри спиральной волны. Общая картина взаимосвязей внутри Солнечной системы столь многообразна, что Солнце, планеты, спутники, кольца, околосолнечное и межпланетное пространства образуют целостную и существенно неравновесную нелинейную систему. Конечно, энергетический вклад Земли, например, по сравнению с энергетическими характеристиками солнечных процессов очень мал, но в системах, далеких от равновесия, и малые величины могут при определенных обстоятельствах привести к значительным последствиям.

За счет изменений солнечной активности в Солнечной системе становится переменным поток излучаемой энер-

гии. Хотя возникающие вариации излучений малы (порядка 0,1 % общей энергии излучения Солнца), порождаемый ими солнечный ветер может колебаться в интервале двух порядков величины, существенно влияя на планетные магнитосферы и процессы в атмосфере. При этом интенсивность излучения в оптическом «окне прозрачности» атмосферы почти не зависит от солнечной активности, а интенсивность проникающего радиоизлучения, зависящего от нее, очень мала. Ускоренные во вспышках частицы (солнечные космические лучи) преодолевают магнитные поля в атмосфере Солнца, межпланетном и околоземном пространствах (рис. 10.7). Вблизи Земли они вступают в непосредственное взаимодействие с частицами ионосферы и атмосферы, вызывая геофизические явления типа усиленного поглощения коротких радиоволн, приходящих из космоса.

Достаточно устойчивые радиационные пояса Земли, занимающие огромное пространство, которое заполнено заряженными частицами, защищают Землю. Магнитное поле Земли удерживает и перераспределяет потоки космических лучей. Эти области остро реагируют на магнитные бури, происходящие на Солнце. Исследователи земного геомагнетизма С.Чепмен и В.Ферраро показали (1940), что магнитное поле Земли начинает чувствовать воздействие внешнего потока заряженных частиц при плотностях, больших 10⁴ м^-3. Критическое значение плотности связано со скоростью частиц v простым соотношением: п = 6,8 • 10^-11v (м^-3), где v в

(м с^-1). Отсюда можно вычислить плотность и спокойного солнечного ветра (Е= 10 эВ, v = 10⁴ м • с^-1), п = 10^-6 м^-3, и возмущенного (Е = 10³ эВ, v = 4,35 • 10⁵ м • с^-1), п = 10^-5. Для солнечных космических лучей Е - 10⁷ эВ, v = 4,35 • 10⁵ м • с^-1 и п = 3 • 10^-1 м^-3. Таким образом, плотность частиц в солнечном ветре заведомо превышает критическое значение, что имеет важные последствия для магнитосферы.

Магнитное поле Земли напоминает поле плоского магнита с двумя полюсами и представляет собой некоторое препятствие для потока солнечной плазмы. Скорость этого потока больше скорости звука в солнечном ветре, поэтому имеет место явление, соответствующее сверхзвуковому обтеканию препятствия в гидродинамике, и перед препятствием образуется ударная волна. Ее фронт имеет форму параболоида, и при прохождении через него солнечной плазмы замедляются ее движения и переход кинетической энергии в тепловую. Такая «разогреваемая» плазма обтекает геомагнитное поле и оказывает на него давление. Но последнее не может сжиматься безгранично. Границей сжатия является мезопауза — область магнитосферы, расположенная на расстоянии примерно 10 земных радиусов от поверхности. Наблюдения с космических аппаратов подтвердили эту картину (рис. 10.8).

Изменения солнечной активности влияют на формирование циклонов. Из-за неравномерного, хотя и малого по величине, нагревания верхних слоев атмосферы начинается слабая горизонтальная подвижка верхних слоев воздуха — адвекция (от лат. advectio — доставка), вызывающая небольшой вертикальный подъем воздуха. Если воздух влажный, при таком подъеме будут конденсироваться водяные пары, выделяться теплота, что усиливает нагрев,

а с ним и адвекцию. Рост массы поднимающегося воздуха увеличивает конденсацию. Начинается раскручивание неустойчивости, порог которой сильно зависит от влажности воздуха. В устойчивом состоянии атмосфера может пребывать долго, но вблизи неустойчивого состояния изменение любого малого параметра может сыграть роль «спускового крючка». Тем самым нарушается глобальная циркуляция воздуха, и все течения в атмосфере, связанные с конвекцией, существенно меняются даже от слабых воздействий. Расчеты показали, что близкие в начальный момент решения для неустойчивой гидродинамической модели атмосферы очень быстро расходятся и приводят к сильно отличающимся результатам. Такие расхождения не позволяют сделать надежный прогноз погоды более чем на 5 —7 дней (расхождение параметров почти вдвое).

Процессы, происходящие в земной атмосфере, сложны и связаны с множеством действующих факторов. С помощью модельных экспериментов удалось получить интересные результаты, объясняющие сходные явления в метеорологии, океанологии и астрофизике. Например, обращает на себя внимание факт преобладания западных ветров в Северном полушарии Земли. Казалось бы, атмосфера должна вращаться вместе с твердой оболочкой Земли, но она вращается быстрее — суперротация. Энергия общего упорядоченного движения атмосферы поддерживается в основном за счет крупномасштабных вихрей, или хаотического движения (отрицательная вязкость). С точки зрения обычной термодинамики энергия должна рассеиваться, но тут возникает масштабное явление, соответствующее как бы обратной диффузии, направленной в сторону понижения энтропии.

При исследовании периодичности взаимодействия системы «атмосфера—океан» американские ученые К. Россби и X. Вил-летт обнаружили (1944), что в атмосфере чередуются состояния с повышенной скоростью упорядоченного западно-восточного переноса, при котором энергия вихревого движения понижена, с противоположной ситуацией, когда преобладают неупорядоченные вихревые процессы — циклоны и антициклоны. Был открыт основной закон формирования колебательного процесса циркуляции атмосферы. Среднюю скорость западно-восточного переноса характеризуют индексом Россби, а открытые Россби и Виллеттом колебания — циклом индекса. Все процессы в тропосфере описали в новых терминах и связали с изменением типа циркуляции. На погодных картах обратили внимание на упорядоченные образования — планетарные волны давления, захватывающие огромные пространства и связанные с атмосферными фронтами и зонами осадков и струйных течений, формирующих погоду, которые управляют непонятным механизмом, связанным с циклом индекса. От него зависят амплитуда и длина планетарных волн.

Английский ученый Р. Хайд поставил опыт (1953), имитирующий гидродинамические процессы в земном ядре, во многом напоминающие процессы в атмосфере. В кольцевом сосуде вращалась жидкость, причем разница температур между внутренним и внешним цилиндрами могла задаваться извне. При возрастании температурного градиента, как и при увеличении скорости вращения жидкости, в ней возникали упорядоченные структуры (вихри Тейлора), напоминающие планетарные волны. Они более заметны, если к жидкости примешивали порошок. При достижении критических значений разницы температур эти структуры внезапно исчезали, движение становилось хаотическим. Очевидно, что эти явления важны в астрофизике: во многих случаях звезды можно рассматривать как вращающиеся жидкие массы, внутри которых имеются температурные градиенты. Хайд обнаружил явление «качания» вблизи границы перехода от порядка к хаосу, уловив возникновение собственных колебаний системы в передаче энергии от упорядоченного движения к хаотическому и обратно. Эти «качания» метеорологи сопоставили с циклом индекса и придали ему более широкий смысл, считая эти явления общими для всех вращающихся жидкостей и газов. Динамика атмосфер других планет похожа на земную, там тоже есть струйные течения, планетарные волны, цикл индекса. Все они нашли объяснение в особенностях вращения неравномерно нагретой жидкости.

Циркуляция в о к е а н а х напоминает атмосферную — обнаружены «синоптические» вихри, подобные циклонам и антициклонам. В океанических течениях (Гольфстриме, Антарктическом, Куросио) также выделены колебания с периодом 1 — 3 года между упорядоченным и хаотическим типами течения. Все эти явления — примеры диссипативных структур. Их возникновение связано с неравномерностью нагревания планеты солнечными лучами, при котором возникают условия для роста упорядоченности в атмосфере и океане и уменьшения энтропии. Эксперимент Хайда и другие аналогичные опыты показывают, что явление цикла индекса в атмосфере, как и аналогичное ему явление осцилляции в океане, наблюдается в точке фазового перехода между двумя различными режимами вращения неравномерно нагретой жидкости или газа.

Сходства между колебаниями жидкости в лабораторных опытах, колебаниями в планетарных атмосферах и циклом солнечной активности оказались и количественными. Между циклом солнечной активности в 11 лет и циклом индекса в атмосферах также есть подобие. Возможно, эта периодичность солнечной активности связана с существованием индекса в солнечной атмосфере или аналогичным явлением. Чтобы наблюдать структурирование в эксперименте, нужно подобрать соотношение между скоростью вращения и разницей температур. Это еще раз показывает, что наша планета находится в уникальных условиях, а изменения малых параметров, влияющие на климат, могут привести к быстрым и катастрофическим последствиям. Это подтверждают расчеты на ЭВМ, проведенные с целью выяснения последствий ядерного конфликта.

На неустойчивость солнечной атмосферы некоторое влияние оказывает и приливное действие со стороны планет. Существуют теории связи расстояний планет от Солнца с волновыми процессами в плазме солнечного ветра, заполняющей Солнечную систему. Эти процессы носят нелинейный неравновесный характер и связаны со многими весьма малыми параметрами системы. Аналогичные процессы с развитием неустойчивостей происходят и в океанах, и в мантии Земли. Тектоника литосферных плит, разрастание дна океанов, формирование желобов объясняются конвекционными процессами. Движение плит земной коры вызывает напряжения, которые создают неустойчивые состояния, зачастую чреватые землетрясениями, извержениями вулканов и т. п.

Вопросы для самопроверки и повторения

1. Какие гипотезы происхождения Земли Вам известны? Какие закономерности движения нашей планеты они могут объяснить? Что общего в эволюции планет земной группы?

2. Какие гипотезы о происхождении Луны Вы знаете? Почему средняя плотность пород Луны меньше, чем пород Земли? Как определяют возраст горных пород?

3. Перечислите в порядке распространенности четыре-пять химических элементов, составляющих земную кору. Какую роль при образовании планетных тел сыграли соединения железа?

4. Почему существует некая закономерность в распределении элементов, связанная с порядковым номером в таблице Менделеева?

5. Что доказывает единое для всех тел Солнечной системы распределение химических элементов?

6. Поясните геохронологическую шкалу. С чем связано такое разделение? Как Вы можете описать первичную атмосферу и океан Земли?

7. Какие изменения происходили на Земле в эру палеозоя? Поясните, что изменилось на Земле с появлением первых организмов.

8. Назовите основные отличия континентальной коры от океанической по составу. Как можно изучать взаимодействие между ними? Какие процессы при этом происходят?

9. В чем суть гипотезы литосферных плит? Как она связана с дрейфом континентов?

10. Поясните процессы роста континентальной коры. В каких областях наблюдается повышенная магматическая активность? Каковы перспективы будущего дрейфа континентов?

11. Объясните, почему состояние протопланетного облака было далеким от равновесия. Какие факторы послужили толчком к образованию планет?

12. Назовите условия, способствующие процессу самоорганизации в атмосфере. Почему не удается осуществлять долгосрочный прогноз погоды?

Глава 11

ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ, СВОЙСТВА И УРОВНИ

ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ.

МОЛЕКУЛЯРНЫЙ УРОВЕНЬ

11.1. Общая характеристика науки о живом и развитие традиционной биологии

Биология (от греч. bios — жизнь + logos — понятие, учение) — это наука о живом, его строении, формах активности, связях организмов с неживой природой и друг с другом, имеющая определенные объективные закономерности. Ее цель — познание феномена жизни. Биология занимается изучением различных видов живой природы и их взаимоотношений друг с другом и с внешней средой. Можно выделить три направления биологии, имеющих одну цель и один объект исследования: традиционная, или натуралистическая, физико-химическая и эволюционная. Это условное деление не связано с историей развития науки. Ведутся поиски объединительного начала для создания теоретической биологии, и весьма вероятно, что оно будет найдено с помощью системного подхода в рамках единого естествознания.

Базу накопления биологических знаний и аграрной культуры заложили приемы селекции, стимулированные становлением земледелия и скотоводства. Древние цивилизации накопили много сведений о растениях и животных, одомашнили овец, свиней, уток, крупный рогатый скот. В эпоху образования классов выделилась медицина, требующая специальных знаний и навыков, и изменилось отношение к самому человеку. Формировались традиции лечебного использования трав, цветов, отваров плодов, коры деревьев, минералов, животных жиров и пр. Совершенствовались хирургические приемы, массаж и иглоукалывание. Книдская школа испытывала влияние восточной медицины, часть ее трудов вошла в «Свод Гиппократа». Алкмеон Кротонский начал анатомировать трупы животных, описал зрительный нерв и развитие куриного эмбриона. Он считал мозг органом мышления и ощущений, изучал роль ведущих к нему нервов. Гиппократ отделял медико-биологические знания от магии, знахарства, колдовства и пр. Он считал жизнь единым процессом, выделяя роль среды и наследственности в возникновении болезней, а его ученик, Герофил, выше всего ставил наблюдения и опыт. Проводя в Александрии опыты по вивисекции над преступниками, он установил диагностическое значение пульса и различия между венозной и артериальной кровью. Изучив анатомию печени, глаза и других органов и сопоставив их с анатомией животных, Герофил внес большой вклад в создание терминологии. Прекрасным анатомом был К. Гален, но так как в Риме в то время вскрытие трупов было запрещено, он изучал анатомию животных, центральную и периферическую нервные системы.

Гален доказал, что артерии наполнены кровью, связывал с деятельностью спинного мозга процессы дыхания и сердцебиения. В практической медицине уделялось внимание фармакологии, действию растительных лекарственных препаратов. Уже тогда люди задумывались о том, как особенности живых организмов передаются потомкам.

Традиционная биология,соответствующая классической направленности познания, явилась во многом источником конкретных знаний о живой природе. Пока успехи физики, химии и техники не открыли возможности для ученых, она была описательной наукой о формах и видах растительного и животного царства. Совокупность растений называют флорой, а совокупность животных — фауной. Объект изучения традиционной биологии — живая природа в ее естественном состоянии. Э.Дарвин ввел даже отдельный термин «Храм природы», отражающий благоговение перед совершенством ее созданий и ее Создателем. В современное время вклад традиционной биологии в биологию и все естествознание растет, ведь она изучает нерасчлененную природу во всем многообразии связей.

Проявления жизни на Земле чрезвычайно многообразны, образуя ее живую оболочку. Первые живые организмы на Земле появились, по разным оценкам, 2 — 4 млн лет назад, а более 1 млрд лет назад растения и животные начали раздельное существование и развитие от единого предка. Между животными и растениями много и сходств, и отличий. Но растения и животные объединены во взаимозависимые сообщества, в которые помимо них входят производители, потребители и разрушители живой материи, а также некоторые компоненты неорганической природы. Для изучения такого огромного мира живой природы нужно произвести классификацию по каким-либо сходным группам. Этим занимается часть биологии, называемая систематикой, и ее значение трудно переоценить. На Земле идентифицировано почти 2 млн видов животных и растений, из которых большая часть уже вымерла, но есть еще не открытые.

Основы биологической классификации заложил еще Аристотель. Его учение о материи и форме основано на наблюдениях за живой природой. Организм — законченное целое, реализация формы. Каждая часть организма выполняет функцию, составляющую цель его существования. Вещества органов — это материя, а рост — реализация скрытых в ней возможностей. Аристотель исследовал строение более 500 животных, отметив общий план строения высших животных и описав их внешний вид, рассказал об их образе жизни, нравах. Вместе со своим учеником Теофастом он разделил животных на водные, земные и воздушные, а растения — на травы, деревья и кустарники. Такую классификацию называют естественной. Теофаста считают основоположником ботаники, он выделил однодольные и двудольные растения, от него пошли тер-

мины — плод, сердцевина, околоплодник. Аристотель высказывался о единстве живой природы и возможности ее развития, хотя отрицал эволюцию органического мира. Он одним из первых высказал догадку о существовании переходных форм между растениями и животными и ввел в биологию идею о расположении существ (от минералов до человека) на определенной шкале.

С упадком античной цивилизации отношение к природе и человеку изменилось. Христианство рассматривало тело человека только как ничтожную оболочку души, а к X —XI вв. латинская церковь ввела даже безбрачие. Арабский ученый Ибн Сина (Авиценна) искал причинные закономерности в мире природы. На Руси сведения о живой природе были обобщены в «Поучении Владимира Мономаха» (XI в.). Устами Фомы Аквинского церковь провозгласила: «Философия — служанка богословия». Расцветали магия, астрология, колдовство. Натурфилософию арабов, освоивших античные знания и соединивших их с достижениями индусской и китайской культуры, представляет Аверроэс. Альхазен, изучив физиологию зрения и строение глаза, строит ход лучей в нем. Английский мыслитель Р.Бэкон, знакомый с достижениями арабской оптики, советует людям со слабым зрением прикладывать чечевицу к глазам, пишет о камере обскуре. Бэкон выступил против схоластики и призвал не только к освоению античного наследия, но и к добыванию знаний через наблюдения и опыт. Но его труды стали известны лишь через столетие, а сам он был брошен в тюрьму. После упадка знаний в Средние века данные о растениях и животных были собраны в энциклопедии немецкого монаха Альберта Великого (XIII в.), но мир живой природы еще представал в качестве символов, выражающих идеи творца.

В эпоху Возрождения формировались стандарты, критерии и нормы изучения живой природы.

Реформация способствовала возрождению эллинских взглядов на бытие и природу человека, новая нравственность основывалась на развитии естественных свойств человека вне зависимости от религиозных убеждений. Поскольку человек — «венец творения», алхимия настроилась на поиск и изготовление лекарств; развивалась медицина; создавались «аптекарские сады», конезаводы и зоопарки. Леонардо да Винчи описал поведение птиц в полете, способ соединения костей суставами, деятельность сердца и зрительной функции глаза, открыл щитовидную железу. А. Везалий заложил основы научной анатомии, В. Гарвей открыл кровообращение, Дж. Борелли, описав механизмы движения животных, выделял большую роль нервов в осуществлении движения и заложил основы физиологии, а Дж. Майов сравнивал горение и дыхание.

Изобретение микроскопа дало сильнейший импульс развитию биологии. Биологические знания с XVII в. стремительно дифференцировались — последовательно выделялись анатомия, физиология, ботаника, зоология. А. Ван Левенгук обнаружил мир мик-

роорганизмов. В трудах Р. Гука, Н. Грю, Я. Гельмота и других ученых получила развитие анатомия растений, были открыты клеточный и тканевый уровень организации растений, сформулированы первые догадки о роли листьев и солнечного света в их питании. Совершенствование методов искусственного опыления закладывало предпосылки генетики. В XVII в. сложился своеобразный синтез анатомии и физиологии, предвосхищающий структурно-функциональный подход. Начинали формироваться научная методология и методики исследования органического мира. Накопленный материал требовал обобщения.

Первый этап натуралистической биологии завершился в XVIII в. созданием систем классификации животных и растений. В начале века английский биолог Дж. Рей описал более 18,6 тыс. видов растений, введя понятия род и вид. Он считал, что «один вид никогда не зарождается от семян другого вида», т.е. к одному виду относится группа сходных организмов, происходящих от сходных предков. Сходные признаки — строение рогов или копыт. Шведский ученый К. Линней уточнил понятие «вид», добавив способность «детям» давать плодовитое потомство. Он описал более 10 тыс. видов растений и более 4 тыс. видов животных, ввел терминологию и иерархический порядок описания видов и наименования — класс, отряд, род, вид. Так, класс включает несколько отрядов, отряд — несколько родов, род — несколько видов. В животном мире Линней выделил 6 классов (млекопитающие, птицы, амфибии, рыбы, насекомые, черви). Эти группы он назвал таксонами. С той поры вид — важнейший таксон, хотя сначала в основу разграничения видов были положены морфологические различия — определенный план строения. Сам Линней считал эту классификацию поверхностной, но его бинарная номенклатура (вид, род) практически сохранилась. Вслед за бинарным обозначением вида (род и вид) обычно указывают первооткрывателя вида и год открытия.

При создании естественной классификации выявляли некое «сродство» растений, но организация живого долго не связывалась с зависимостью от истории его развития, так как считалось, что живой мир неизменен и создан Богом. К.Линней считал, что меняться могут только разновидности, а виды неизменны, поскольку «видов столько, сколько различных форм сотворила предвечная сущность». Ж. Бюффон изложил свою концепцию трансформизма (на уровне ограниченной изменчивости видов под влиянием окружающей среды) животного мира в своей «Естественной истории» — 36-томной энциклопедии.

После К.Линнея Ж.Кювье ввел понятие о типе животных и описал несколько типов. Ламарк выделил в природе тела организованные, живые и неорганизованные, неживые. В «Естественной истории растений» (1803) он обращал внимание на происхожде-

ние и выделение родственных групп растений. Отметив существование промежуточных разновидностей, сходство ряда черт у животных разных видов, изменение видовых форм при переходе в новые условия и изменения при окультуривании или одомашнивании, Ламарк распределил их по классам несколько иначе, чем Линней. Он разделил животных на позвоночных и беспозвоночных, выделил в отдельные классы паукообразных и кольчатых червей, обосновал идею о путях происхождения человека от обезьяноподобных предков (1809). Затем, после введения понятия «семейство», виды стали объединять в роды, роды — в семейства, семейства — в отряды, отряды — в классы, классы — в типы, типы — в царства. Немецкий ученый Э. Геккель разделил живой мир на царства — простаты, животные и растения. Затем таксоны «дифференцировались» — появились надцарства и подцарства и т. п. После работ Геккеля стали говорить и о генеалогических древах и стволах. Из одного ствола происходят классы, отряды, семейства, роды.

Так сходство строения и эволюционные связи постепенно входили в систематику мира живой природы. Для классификации существуют различные методы, сейчас широко применяют мо-лекулярно-генетические методы с использованием ЭВМ. В традиционной биологии противостоят целостный подход и редукционизм, соответствующие витализму и механицизму, а также телеология и механистический детерминизм. В настоящее время значение натуралистической биологии вновь возросло в связи с экологическими проблемами.

Физико-химическая биологиявключает в себя изучение тех же объектов живой природы, но с использованием физико-химических методов. В первой половине XIX в. эти методы стали использовать для изучения жизни (Г.Дэви, Ю.Либих), и физиология отделилась от анатомии; тогда же возникла бактериология, которая благодаря трудам Л.Пастера, Р.Коха, И.И.Мечникова впоследствии выросла в самостоятельную науку — микробиологию. В течение века сформировались смежные дисциплины — биохимия, а в конце — и биофизика. В 1865 г. появилась работа Г. Менделя «Опыт над растительными гибридами», в которой было установлено существование генов и сформулированы закономерности, относимые теперь к законам наследственности. После повторного их открытия в 1900 г. появилась и генетика. В 40—50-е гг. XX в. в качестве объектов стали использовать микроорганизмы, и поток новых знаний скачкообразно привел к изучению явлений жизни на молекулярном уровне. Возможности исследований существенно выросли после открытия нуклеиновых кислот, в частности де-зоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК) кислот, а также соединений, содержащих фосфорную кислоту (например, аденозинтрифосфат — АТФ), гормонов, ферментов, ви-

русов, биосинтеза белка и т.д. В 1944 г. была открыта генетическая роль ДНК, в 1953 г. — выяснена ее структура, в 1961 г. — расшифрован генетический код, в 2001 г. — расшифрован геном человека. Так происходило объединение молекулярной биологии и молекулярной генетики, называемое физико-химической биологией.

В своем большинстве биологические специализированные дисциплины развивались путем редукции (дробление сложных явлений на простые, в основе которых лежат физические и химические законы). Физико-химическими методами пользовались Л. Па-стер, И.М.Сеченов, И.П.Павлов, сумевшие проникнуть в суть многих процессов жизнедеятельности. Арсенал методов существенно расширился, обеспечив резкий взлет биологической науки. Ныне широко используют рентгеноструктурный анализ, метод меченых атомов, электронную микроскопию, спектральные и хроматогра-фические методы, различные зондирования, томографию и др.

Эволюционная биологияактивно развивается и выводит биологию на лидирующее положение в естествознании. И.Ламарк и Бюффон считали неорганическое вещество умершим, т.е. прошедшим через воздействие жизни. Ламарк отмечал важность длительности истории планеты для образования жизни (1809) и, утверждая связь организации живого и истории его развития, стал использовать эволюционный подход к классификации животного мира. Позже стали появляться и эволюционные идеи не только в систематике, но и в эмбриологии, созданной трудами К. Вольфа, К. Бэра и др. Переход от трасформизма к эволюционизму в биологии происходил в конце XVIII в. Во второй половине XIX в. благодаря Ч.Дарвину в биологию вошел исторический подход, который превращал биологию в науку, способную объяснять происхождение и функционирование многообразных живых систем. Идея естественного отбора как механизма, позволившего «отбраковывать ненужные формы» и образовывать новые виды, нанесла смертельный удар по телеологии в естествознании и утвердила рациональный смысл в биологии. Содержание эволюционной биологии стремительно расширяется. Этому способствуют знания, полученные в других научных дисциплинах. В последние годы наблюдается мощный всплеск построения и исследования самых разнообразных кибернетических моделей, используемых для постижения эффективно функционирующих живых организмов, формируется научная дисциплина — эволюционная кибернетика.

В настоящее время биология представлена комплексом биологических наук. Различие наук может быть по объектам исследования — вирусология, бактериология, ботаника, зоология, антропология. С позиции проявлений свойств живой материи различают морфологию (науку о функционировании организмов), молекулярную биологию (изучающую микроструктуру тканей и клеток), генетику (науку о законах наследственности и изменчивости), экологию

(науку о взаимосвязи растений и животных с окружающей средой). Уровень организации исследуемых объектов отражен в отдельных науках — анатомии (макростроение организмов), гистологии (строение тканей), цитологии (строение клеток). Использование методов смежных дисциплин привело к созданию физико-химической биологии, биофизики, биохимии, астробиологии и др.