Условия зарождения, развития и гибели жизни на Земле

В работе описывается модель изменений климатов Земли, построенная на основе теории глобальной эволюции Земли и адиабатической теории парникового эффекта. Показывается, что главными факторами, определяющими температурные характеристики климата, являются солнечное излучение и атмосферное давление. Показывается, что на климаты Земли существенное влияние оказывала населяющая ее биота. Так, наступление ледниковых эпох в конце протерозоя – в фанерозое объясняется постепенным снижением атмосферного давления благодаря жизнедеятельности азотпотребляющих бактерий, постепенно удаляющих азот из воздуха и консервирующих его в осадочных толщах Земли. Теплый период второй половины мезозоя объясняется формированием в это время суперконтинента Пангея и усиленной генерацией биогенного кислорода, временно компенсировавшего снижение парциального давления азота. Делается прогноз, что, несмотря на увеличение светимости Солнца, следующие ледниковые эпохи будут наиболее обширными из всех предыдущих,

In letters the model of the Earth climate changes, are based on the theories of the global evolution of the Earth and on the adiabatic theory of greenhouse effect is described. It is shown, that by the primary factors determining temperature characteristics of a climate, the sunlight and atmospheric pressure are. It is shown, that on climates of the Earth essential influence was rendered with a biota occupying it. So, approach of glacial epoch at the end of the Proterozoic – and in the Phanerozoic speaks gradual decrease of atmospheric pressure owing to vital activities azoth-fixation bacteria, a gradually excluding nitrogen from air and preserving it in sedimental strata of the Earth. Warm period of the second half of a Mesozoic speaks formation at this time a supercontinent Pangea and the strengthened generation of the biogenic oxygen temporarily compensating decrease of partial pressure of nitrogen. The prognosis is made, that despite of increase of the Sun lighting, the following glacial epoch will be most extensive of all previous,

1. Уникальность Земли

Когда рассматриваешь геологические условия, приведшие к возникновению на Земле исключительно комфортных обстановок для зарождения и развития жизни, особенно, ее высших форм, становится ясным, что путь эволюции Земли в решающей мере был предопределен как типом спокойной “желтой” звезды, называемой нами Солнцем, ее светимостью, так и местом Земли в Солнечной системе. Если бы наше Солнце принадлежало к типу переменных звезд, то на Земле попеременно становилось бы или нестерпимо жарко или невыносимо холодно. Если бы масса Солнца была существенно бóльшей, то оно уже через несколько сотен миллионов лет после своего образования взорвалось бы и превратилось в нейтронную звезду или даже в черную дыру. Нам и всему живому на Земле очень повезло, что Солнце – спокойная звезда со средней звездной массой, относится к звездам-карликам спектрального класса G2 и является стационарной звездой, слабо меняющей свою светимость в течение многих миллиардов лет. Это особенно важно, поскольку за последние 4 млрд лет оно позволило земной жизни пройти длительный путь эволюции от зарождения простой и примитивной жизни к ее высшим формам.

Оптимальным оказалось и расстояние Земли от Солнца, поскольку при их более близком взаимном расположении на Земле было бы слишком жарко и мог бы возникнуть, как на Венере, необратимый парниковый эффект, а при более удаленном – Землю сковал бы мороз и она могла превратиться в “белую” планету с устойчивым глобальным оледенением. Повезло нам и с массивным спутником Земли – Луной. Ее возникновение на близкой околоземной орбите существенно “накачало” в Землю приливную энергию, ускорило ее тектоническое развитие и раскрутило Землю в прямом направлении, благодаря чему и климат стал более равномерным. Если бы у нашей планеты не было массивного спутника, то Земля, подобно Венере, так же задержалась бы в своем тектоническом развитии на 2,5 – 3 млрд лет. В таком варианте сейчас на Земле господствовали бы условия позднего архея с плотной углекислотной атмосферой и высокими температурами, а вместо современной высокоорганизованной жизни Землю населяли бы только примитивные бактерии – одноклеточные прокариоты.

Рассматривая эволюцию Земли в тесном взаимодействии с Солнцем и Луной, поражаешься, насколько это оптимальная и тонко сбалансированная система, так удачно обеспечившая появление на нашей планете весьма комфортных климатических условий для возникновения и развития высокоорганизованной жизни. Кроме того, не меньшее значение имеет масса и химический состав самой Земли. При ближайшем рассмотрении этой системы обращает на себя внимание оптимальная масса Земли, способная удерживать на своей поверхности умеренно плотную атмосферу, а также исключительно удачный ее химический состав. Действительно, даже сравнительно небольшие отклонения от исходных концентраций в земном веществе таких элементов и соединений, как Fe, FeO, CO2, H2O, N2 и др., могли привести к необратимым и катастрофическим для жизни последствиям. В частности, если бы в первичном земном веществе было меньше воды, то с меньшей интенсивностью поглощался бы углекислый газ, и он стал бы накапливаться в земной атмосфере. В результате еще в архее мог возникнуть необратимый парниковый эффект и наша Земля превратилась бы в “горячую” планету типа Венеры. Если бы воды было заметно больше либо меньше свободного железа, то Земля превратилась бы в планету “Океан”. Если бы в Земле было меньше азота, то еще в раннем протерозое она превратилась бы в сплошь покрытую снегом “белую” и холодную планету. При бóльшем количестве свободного (металлического) железа в первичном земном веществе в современной атмосфере, как и в протерозое, не смог бы накапливаться свободный кислород, а, следовательно, на Земле не могло бы возникнуть царства животных. Наоборот, при меньшей исходной концентрации железа уже сейчас или даже раньше должно было начаться обильное выделение эндогенного (абиогенного) кислорода, и все живое на Земле к настоящему времени уже “сгорело” бы в такой атмосфере. Кроме того, процесс дегазации глубинного кислорода должен был бы привести к сильнейшему парниковому эффекту, после чего Земля также превратилась бы в горячую планету типа Венеры. Отсюда, в частности, следует, что время существования высокоорганизованной и, тем более, разумной жизни на любой из планет в звездных системах Вселенной относительно ограничено.

На наше счастье Земля оказалась гармоничной планетой во всех отношениях, с комфортной азотно-кислородной атмосферы и замечательной наземной жизнью. Отсюда, в частности, следует, что такая “удачная” планета, как наша Земля, исключительно редкое явление во Вселенной и вряд ли еще такие планеты, населенные разумными существами, имеется в нашей Галактике. Мы можем только радоваться, что живем на такой прекрасной планете.

2. Зарождение жизни на Земле

Первичная Земля, как это следует из современных теорий планетообразования, сформировалась за счет аккреции исход­ного протопланетного вещества, облученного жестким космическим излучением. Именно поэтому молодая Земля должна была быть полностью безжизненной планетой. Связано это с тем, что само вещество протопланетного газопылевого облака образовалось благодаря взрывам сверхновых звезд и было полностью стерилизовано жестким космическим излучением еще задолго до начала аккреции планет Солнечной системы. Кроме того, на Земле в те далекие времена еще не существовало ни плотной атмосферы, ни гидросферы, т. е. наиболее благоприятных сред для возникновения, обитания и за­щиты от разрушения жизни. Это объясняется тем, что земное ве­щество с самого начала было резко обеднено летучими соединениями, а та их ничтожная часть, которая все-таки освобождалась при ударах и тепловых взрывах планетезималей, тут же сорбировалась очень пористым грунтом (реголитом) и быстро выводилась с поверхности Земли, захораниваясь постепенно в ее недрах при выпадении все новых и новых порций протопланетного вещества. К тому же во время образования Земли ее поверхность подвергалась исключительно интенсивному воздействию излучения молодого Солнца – мощного кор­пускулярного потока, возникавшего в недрах звезд при “зажигании” в них ядерных реакций. Солнце, подобно звездам t-Тельца, находилось тогда в самом начале главной последова­тельности своего развития. Этот интенсивный поток корпускул, в основном протонов и ядер гелия, должен был буквально сду­вать с поверхности Земли все остатки газовых составляющих.

После первой активной стадии развития молодого Солн­ца его светимость резко снизилась и около 4,6 млрд лет назад примерно на 30–25% стала ниже современного уровня . При отсутствии атмосферы это приводило к возникновению отрицательных температур на поверхности молодой Земли (см. ниже) и поэтому тогда она пред­ставляла собой холодную пустыню, к тому же подвергавшуюся постоянному и интенсивному облучению потоками жестких кос­мических лучей. Безусловно, в таких условиях никакой жизни на Земле возникнуть не могло.

Неблагоприятные условия для возникновения жиз­ни на Земле продолжались до тех пор, пока не начал действовать процесс дегазации земного вещества. Однако это могло произойти только после подъема температуры в недрах молодой Земли до уровня плавления земного вещества и появления у нее астеносферы, а также и после возникновения конвективных движений в мантии, т. е. после начала действия наиболее мощного процесса гравитационной дифференциации земного вещества. При этом, образова­ние астеносферы и процесс зонного плавления земного вещества привели к резкому усилению приливного вза­имодействия Земли с Луной и к существенному перегреву верхней мантии в экваториальном поясе Земли. А это, в свою очереди ускорило процессы дегазации Земли. Но про­изошли эти события примерно через 600–700 млн лет после образования самой Земли, т. е. около 4,0–3,9 млрд лет назад [Сорохтин, 2007].

На ранних этапах тектонического развития Земли, т. е. в раннем архее, она еще почти целиком была сложена первичным земным веществом, а бóльшая часть земной поверхности была перекрыта первозданным реголитом (см. рис. 4.16). С началом дегазации Земли в атмосферу стал активно поступать углекислый газ и вода. Тогда же пролились и первые кислые дожди на пористый реголит. При этом бóльшая часть попадавшей на земную поверхность воды поглощалась реголитом первозданного грунта молодой Земли. Из-за высокого содержания в первичном земном веществе железа, в пористом реголите стали происходить реакции диссоциации воды и углекислого газа с освобождением водорода и образованием метана по реакциям (6.3), (6.4) и (6.16). В результате земная атмосфера приобрела восстановительный характер, что является наиболее благоприятным условием для возникновения жизни [Галимов, 2001]. Высокая пористость, присутствие переходных металлов в реголите и его сорбционная способность с достаточно высоким капиллярным давлением, по-видимому, могли обеспечить необходимые усло­вия для формирования сложных органических соединений, а в дальнейшем и за­рождения жизни. Поэтому, скорее всего жизнь зародилась именно в мелких порах первозданного реголита после того, как они оказались заполненными дегазированной из мантии и минерализованной водой [Сорохтин, Ушаков, 1991]. Помимо простых углеводородов тогда же в азотно-углекислотной атмосфере благодаря грозовой деятельности должны были возникать оксиды азота, нитраты, нитриты, аммиак , а также хлориды, сульфаты аммония и другие многочисленные соединения азота и углерода. Соединения фосфора, по-видимому, поступали в растворы непосредственно из вещества первозданного реголита. Необходимые же условия протекания реакций образования более сложных органических молекул при повышенных температурах атмосферы уже в начале архея обеспечивались капиллярным давлением водных растворов в порах реголита и каталитическим действием содержавшихся в нем свободных переходных металлов (Fe, Ni, Cr, Со и др.). Формированию сложных протоорганических молекул способствовало и то обстоя­тельство, что только в мелких порах реголита благодаря их боль­шой сорбционной активности и высоким капиллярным давлениям концентрация элементоорганических соединений могла достигать уровня, необходимого для синтеза более сложных органических веществ (в морских бассейнах эти соединения оказались бы слишком разбавленными).

Развитие молодой Земли и ее “раскручивание” вокруг оси собственного вращения существенно зависело от приливного взаимодействия нашей планеты с Луной. Кроме того, Луна непосредственно повлияла и на развитие Земли, разогрев ее верхний экваториальный пояс до начала плавления земного вещества. Как только появились первые расплавы, сразу же началась дифференциация земного вещества в экваториальном поясе Земли на уровне верхней мантии с отделением расплавленного железа от силикатной матрицы земного вещества. Дифференциация Земли, естественно, сопровождалась ее активной дегазацией с выделением углекислого газа, азота и воды. Более того, как это не покажется парадоксальным, но началом базальтового магматизма на Луне четко зафиксировано начало тектономагматического развития и дегазации нашей планеты [Сорохтин, 1988], а, следовательно, и момент зарождения на ее поверхности начальных форм земной жизни . Поэтому для правильного понимания путей развития Земли и населяющих ее форм жизни попутно пришлось рассмотреть и новую модель происхождения Луны. В основу модели положен физический принцип, согласно которому наибольший вклад в развитие нашей планеты вносили те энергетические процессы, которые в максимальной степени снижали потенциальную энергию планетарной системы, состоящей из Земли и ее массивного спутника – Луны. В качестве краевых условий задачи принималось их современное строение и состав, а также вся геологическая летопись развития Земли и Луны. Термодинамический подход к решению задачи определяет и ранжирует главные энергетические источники развития Земли, а также объясняет необратимость процесса ее эволюции.

Поэтому есть веские основания предполагать, что жизнь на Земле зародилась в пропитанном водой и элементоорганическими соединениями первозданном грунте в начале раннего архея, около 4,0–3,9 млрд лет назад в то время, когда на Земле возникла восстановительная азотно-углекислотно-метановая атмосфера. Таким образом, зарождение жизни на Земле совпало с первым и наиболее сильным тектоническим и геохи­мическим рубежом в истории ее развития – с начальным моментом выделения земного ядра (с началом химико-плотностной дифференциации земного вещества), приведшим в дальнейшем к формированию гид­росферы, плотной атмосферы и континентальной земной коры. Однако, как мы показали в разделе 2.9, начало тектономагматической активности Земли совпадает с началом базальтового магматизма на Луне. Следовательно, и зарождение жизни на Земле, как это не звучит парадоксально, также четко маркируется образованием базальтовых “морей” на Луне.

Напомним, что классические эксперименты С. Миллера , А. Вильсона , Дж. Оро , С. Фокса и других исследователей показали возможность синтезирования достаточно сложных органических молекул из неорганических соединений при их нагревании в полях электрических разрядов. В России направление автохтонного происхождения жизни путем синтезирования органических молекул из неорганических соединений активно разрабатывал академик .

В работе , посвященной проблемам происхождения и эволюции жизни на Земле, показывается, что происхождение жизни должно было быть связано с протеканием энергетических химических реакций, снижающих энтропию системы. Такие высокоэнергетические и низкоэнтропийные реакции могут протекать, например, с участием аденозинтрифосфата (АТФ), а синтез АТФ вполне мог происходить на ранних стадиях развития Земли. При этом для образования АТФ вначале необходимо синтезировать основание аденин – продукт полимеризации синильной кислоты HCN, и рибозу – продукт полимеризации формальдегида HCOH. Таким образом, согласно синтез аденозинтрифосфата представляется необходимой предпосылкой зарождения и развития эволюционного процесса развития жизни на Земле.

Но в нашей модели образование исходных продуктов синтеза АТФ могло происходить самым естественным путем. Действительно, в самом начале архея, как мы показали в гл. 4, бóльшая часть поверхности Земли еще была сложена первозданным мелкопористым реголитом (см. рис. 4.16), содержавшем до 13 % свободного (металлического) и около 23% двухвалентного железа (см. табл. 1.1). После начала дегазации Земли около 4-х млрд лет назад, прошли и первые кислые (содержавшие ионы НСО31–) дожди, пропитавшие этот реголит водой с растворенным в ней углекислым газом. В результате, произошла обильная генерация метана

4Fe + 2H2O + CO2 → 4FeO + CH4 + 41,8 ккал/моль. (10.1)

Метан переходил в атмосферу, в результате молодая атмосфера стала резко восстановительной и азотно-углекислотно-метановой по составу.

Аналогичным путем, правда, в меньших количествах, возникал и формальдегид

2Fe + H2O + CO2 → 2FeO + HCOH + 3,05 ккал/моль. (10.2)

При этом формальдегид оставался растворенным в воде, пропитывавшей реголит, и вымывался из него дождевыми водами в только что образовавшиеся и еще мелкие морские бассейны, а метан поступал в атмосферу, предавая ей строго восстановительный характер. Но в богатой метаном восстановительной атмосфере раннего архея уже могло происходить образование цианистого водорода, например, благодаря грозовым разрядам

N2 + 2CH4 + Q → 2HCN + 3H2, (10.3)

где Q – поглощаемая этой реакцией часть энергии грозовых разрядов.

Таким образом, в самом начале архея на Земле действительно сложились условия, благоприятные для возникновения исходных химических составов, пригодных для дальнейшего синтеза более сложных органических веществ и предбиологических соединений. Этому способствовало и присутствие в реголите активных катализаторов –переходных металлов Fe, Cr, Co, Ni, Pt и др. Возникшие к этому времени в грунте наиболее простые ассоциации сложных органических молекул или примитивные, но уже содержащие рибонуклеиновые кислоты, об­разования могли затем перемещаться в воду молодых морских бассей­нов раннего архея.

По мере дегазации Земли и развития атмосферы, ее восстановительный потенциал постепенно снижался благодаря фотодиссоциации СН4

СН4 + СО2 + hn → 2HCOH, (10.4)

поэтому уже через некоторое время атмосфера стала почти чисто углекислотно-азотной лишь с небольшой примесью метана, постоянно генерировавшегося по реакциям, типа (6.4) или (10.1). Однако, эта примесь метана, по-видимому, могла играть существенную роль в питании примитивных архейских микроорганизмов. Дальнейшее совершенствование жизни должно было происходить уже благодаря высокоэнергетическим, но низкоэнтропийным реакциям [Галимов, 2001] и по биологическим законам развития живой материи, под влиянием направленного давления и “фильтрующих” свойств внешней среды, а потом – и конкурентной борьбы.

Таким образом, возникновение жизни на Земле можно объяснить только благоприятным сочетанием состава первозданного земного вещества, форм его нахождения на поверхности Земли (мелкопористый реголит), а также составом атмосферы с заметным содержанием метана и сравнительно не очень высокой температурой молодых морских бассейнов в самом начале раннего архея. После первого, но, вероятно, не очень продолжительного периода возникновения и существования органических соединений абиогенного происхождения, послуживших основой для образования первых рибонуклеиновых молекул, появились вирусные образования. Благодаря же биосимбиозу таких образований и синтеза первых аминокислот, а также полупроницаемых мембран, вероятно, возникли и первые клеточные формы бактерий. Однако в дальнейшем, из-за интенсивной дегазации земных недр, быстро возросло давление углекислого газа, а температура атмосферы значительно поднялась, и климат стал жарким, если не сказать горячим. По-видимому, именно поэтому в архее снизилась скорость дальнейшего совершенствования жизни и в течение почти всего этого времени господствовали только наиболее примитивные термофильные и прокариотные (безъядерные) бактериальные формы типа археабактерий с халькофильной и сидерофильной специализацией. Вероятнее всего источниками энергии этим примитивных форм жизни тогда служили хемогенные реакции типа тех, которые в настоящее время используются термофильными бактериями в горячих гидротермах (“черных курильщиках”) срединно-океанических хребтов, а также другие анаэробные хемогенные реакции.

В результате еще в раннем архее, вероятно, появились наибо­лее примитивные вирусы и одноклеточные организмы – прокариоты, уже ограниченные от внешней среды защитными полу­проницаемыми мембранами, но еще не обладавшие обособлен­ным ядром. По-видимому, несколько позже появились и фотосинтезирующие одноклеточные микроорганизмы (типа цианобактерий), способные окислять железо. Об этом, в частности, говорит распространен­ность в отложениях раннего архея возрастом около 3,75 млрд лет железорудных формаций, сложенных окислами трехвалентного железа (например, формации Исуа в Западной Гренландии).

15.3. Влияние геологических процессов и накопления кислорода на развитие жизни

Важнейшим фактором, обеспечивающим само существование жизни на Земле, безусловно, является среда обитания живых организмов в океанах и на континентах, а условия такого обитания, прежде всего, определяются климатом Земли, т. е. составом, состоянием и температурой атмосферы, происхождение и развитие которой было связано с процессами дегазации планеты и … жизнедеятельностью микроорганизмов (см. раздел 12.4). Начавшаяся на рубеже катархея и архея дегазация Земли, как мы уже неоднократно отмечали, привела к образованию в архее относительно плотной, существенно восстановительной углекислотно-азотной атмосферы. В архее же появились вулканы, дифференцированные магматические породы и возникли первые изолированные мелководные морские бассейны, соединившиеся к концу архея в единый, но еще мелководный океан. Благодаря высокому атмосферному давлению (от 2 до 6 атм.), средние температуры океанических вод, как и приземных слоев тропосферы, в архее поднялись до +60… +70 °С (см. рис. 8.5), а из-за углекислотного состава атмосферы, воды океанов характеризовались кислой реакцией (pH ≈ 3–5) [Маккавеев, Сорохтин, 2005].

Тем не менее, несмотря на не очень благоприятные условия существования жизни в архее, начиная приблизительно с 3,6–3,5 млрд лет назад уже известны строматолитовые отложения. Так, в серии Онвервахт Южной Африки (3,5–3,3 млрд лет) строматолиты имеют кремневый состав и слагают небольшие по мощности и протяженности слои, залегающие среди пластов кремней в вулканогенных породах зеленокаменного пояса [Семихатов и др., 1999]. В середине архея земная жизнь уже характеризовалась несколько бóльшим разнообразием, о чем, например, говорят многочисленные остатки бактериальных форм жизни формации “Фиг три” в Южной Африке. Не исключено, что в архее появились и цианобактерии, способные в небольших количествах генерировать кислород. Поэтому, вероятно, что постепенная оксигенизация атмосферы началась еще в архее. Этому процессу способствовало и то обстоятельство, что в архейской конвектирующей мантии над зонами дифференциации земного вещества концентрация свободного железа была пониженной (см. рис. 3.20), и оно тогда не могло в заметных количествах поглощать кислород.

В позднем архее около 2.8 млрд лет назад масса воды в гидросфере Земли увеличилась на столько, что отдельные морские бассейны стали сливаться друг с другом в единый Мировой океан и его поверх­ность тогда же перекрыла греб­ни срединно-океанических хребтов (см. рис. 5.4 и 5.6). Приблизительно в это же время, благодаря процессу формирования земного ядра (см. рис. 3.3-г и д), в океаническую кору стало поступать свободное железо и железо-содержащие силикаты (фаялит). В результате активизировались процессы генерации абиогенного метана (см. рис. 6.13), что, в свою очередь, должно было привести в конце архея к увеличению массы строматолитовых отложений в зеленокаменных поясах того времени (см. рис. 6.12), хотя их доля в вулканогенных образованиях таких поясов, по-прежнему, оставалась незначительной [Семихатов и др., 1999]. Однако одновременно с этим несколько увеличилось поглощение кислорода и его парциальное давление несколько снизилось (см. рис. 6.9).

После связывания атмосферной углекислоты в породах земной коры, в раннем протерозое атмосфера Земли около 2,5–2,4 млрд лет назад стала почти чисто азотной, лишь с небольшими добав­ками других газов (см. рис. 6.15). Одновременно существенно снизилась и температура поверхности Земли. Но резкие изменения условий обитания жизни на рубеже архея и протерозоя не могли не сказаться на биоте того времени. Сообщество термофильных прокариот должно было уступить место более холодолюбивым бактериям. С этими событиями в биоте океанов была связана еще одна революционная перестройка. Уже в начале раннего протерозоя широко распространились фотосинтезирующие микроорганизмы - сине-зеленые водоросли , и произошел резкий в геологической истории рост обилия строматолитов (см. рис. 6.12) [Семихатов и др., 1999], пришедшийся на эпоху массового отложения железорудных формаций и генерации абиогенного метана (см. рис.6.11 и 6.13)

В начале раннего протерозоя, в связи с резким падением тектонической активности Земли, значительно возросли глубины океанических впадин и снизился уровень стояния океанов (см. рис. 5.6). В результате уменьшилось поступление железа в гидросферу, что, в свою очередь, привело около 2,4 млрд лет назад к заметному возрастанию парциальное давление кислорода (см. рис. 6.9), а это способствовало появлению новых форм эукариотных одноклеточных организмов, обладавших уже обособленным ядром с дезоксирибонуклеиновыми молекулами, носителями генома клетки. Эукариоты, вероятно, возникли благодаря биосимбиозу более примитивных прокариотных бактерий. Тогда же, по-видимому, возникли и эукариотные организмы, способные под влиянием энергии солнечного света вырабатывать кислород, т. е. появились первые микроводоросли и началось формирование растительного царства.

С этого времени дальнейшее развитие жизни уже происходило по биологическим законам, под давлением условий внешней среды и под влиянием постепенной оксигенизации атмосферы. При этом, исключительно большое влияние на развитие земной жизни оказала оксигенизация атмосферы (рис. 10.1).

Рис. 15.1. Эволюция парциального давления кислорода в земной атмосфере (в логарифмическом масштабе). В докембрии кислород генерировался только океанической биотой, а в фанерозое добавился еще и кислород наземных растений. Кроме того, предполагается, что генерация кислорода архейскими прокариотами (цианобактериями) была на порядок ниже, чем эукариотными микроводорослями протерозоя

Как видно из этого рисунка, каждой эпохе массового отложения железистых осадков в докембрии соответствуют минимумы парциального давления кислорода, что и понятно, поскольку железо при окислении являлось активным поглотителем этого газа. На этом же рисунке эволюция парциального давления кислорода сопоставляется с основными этапами развития земной жизни, откуда видно, что новые формы жизни на Земле всегда возникали только после очередного повышения парциального давления кислорода (т. е. после окончания очередной эпохи массового отложения железорудных осадков). Так произошло на рубеже архея и протерозоя, при этом правда, смена термофильных прокариотных форм микроорганизмов на более холоднолюбивые эукариотные формы, вероятно, произошла также и благодаря существенному похолоданию климата в раннем протерозое. Метаболизм эукариотных микроорганизмов уже был связан с поглощением небольших количеств кислорода, поэтому они и могли широко распространиться только после повышения парциального давления кислорода до уровня порядка 10–3 от его современного значения (точка Юри). Одновременно с этим поднялась эффективность генерирования кислорода биотой, что также способствовало подъему парциального давления кислорода и массовому образованию новых форм жизни (рис. 15.2).

Рис. 15.2. Схема распределения остатков основных типов микрофоссилий в архее и раннем протерозое, по и его коллегам . В архее были распространены в основном одиночные сферические и нитчатые нанобактерии (1 ; 2 ), трихомы (3 ) и, возможно, нити цианобактерий (4 ). Разнообразие раннепротерозойских микрофоссилий простирается от цианобактерий (5–7 ), коккоидных форм (8 ; 9 ), трихом (10 ) до отпечатков крупных морфологически сложных (11–17 ) спиральных (18 ), лентовидных (19 ), круглых и сферических (20 ) форм

После окончания главной эпохи железорудного накопления (см. рис. 9.10) и нового повышения парциального давления кислорода, около 1.9 млрд лет назад произошел новый крупный скачек в развитии земной жизни. Так, судя же по находкам микрофасилий цепочечного вида, около 1,9–1,8 млрд лет назад возникли первые многоклеточные организмы . Одновременно с этим, в среднем протерозое бурно развиваются многие виды одноклеточных бактерий и водорослей. Поэтому на рубеже среднего и позднего протерозоя началась следующая глубокая перестройка трофической структуры океана, связанная с бурным распространением эукариотных организмом и фитопланктона. Приблизительно в это же время происходит и бактериальное заселение суши, о чем свидетельствуют красноцветные коры выветривания земных пород этого же возраста [Анатольева, 1978].

После полного исчезновения металлического железа из докембрийской мантии и его перехода в земное ядро [Сорохтин, 1974; 2002], в земной атмосфере стал более активно накапливаться биогенный кислород (рис. 10.1), что и привело к самой значительной перестройке всей биоты Земли – к появлению высших форм жизни. Более того, на увеличение парциального давления кислорода выше 30 мбар, биота Земли ответила буквально взрывом своего разнообразия, возникновением ее скелетных форм и появлением всех основных типов существующих сейчас форм жизни (рис. 10.3). Отметим здесь же, что появлению и расцвету высших форм жизни на Земле способствовало, по-видимому, и снижение средних по планете приземных температур ниже 20 оС (см. рис. 8.5).

Суммарная биомасса фитопланктона, гене­рирующего кислород в океане, как уже отмечалось, определяется количеством раство­ренных в его водах соединений фосфора [Шопф, 1982], но его концент­рация в океанских водах всегда оставалась равновесной по отношению к базальтам океанской коры и близкой к современ­ной. Отсюда следует, что масса океанского фитопланктона увеличивалась со временем приблизительно пропорционально росту массы воды в океане (см. рис. 6.7). Следовательно, около 2 млрд лет назад биомасса океанических организмов уже была достаточно значительной, около трети ее современной величины.

С процессом усиленной генерации кислорода на рубеже протерозоя и фанерозоя была связана и наиболее радикальная перестройка биоты, которая произошла в самом конце протерозоя после полного исчезновения из мантии металлического железа (см. рис. 3.20), полностью перешедшего к этому времени в земное ядро. Сразу же после этого события в атмосфере стал в заметных количествах накапливаться кислород (см. рис. 10.1). Вместе с накоплением кислорода совершенствовалась и земная жизнь. Так, уже в венде появились первые формы макроорганизмов – животных, похожих на медуз, оставивших свои отпечатки во многих отложениях этого возраста. В кембрии же появились скелетные формы животных и возникли практически все современные типы растительного и животного царств (Рис. 15.3)

.

Рис. 15.3. “Древо жизни” из книги Д. Эттенборо “Жизнь на Земле” . Развитие жизни на рубеже протерозоя и фанерозоя носило характер биологического взрыва

Таким образом, и третий резкий геолого-биологический рубеж на переходе от протерозоя к фанерозою ярко отразился в биологической истории Земли и радикальным образом изменил экологичес­кую обстановку на ее поверхности – отныне земная атмосфера из нейтральной или слабо окислительной превратилась в окислительную. В этой новой ситуации уже наиболее эффективными оказались те формы жизни, обмен веществ которых был построен на реакциях окисления органических веществ кислородом, синтезируемым царством растений.

Очевидно, что пышное развитие жизни на Земле произошло, в том числе, и благодаря комфортным климатическим обстановкам умеренно теплого климата в условиях слабо окислительной атмосферы не очень низкого или высокого давления. Действительно, после жаркого климата архея с высоким давлением углекислотной атмосферы, в котором могли выживать только наиболее примитивные и термофильные формы бактериальной жизни, во всей остальной истории развития Земли господствовали наиболее благоприятные для протекания биологических процессов умеренные температурные условия. Даже заметное похолодание климата в плейстоцене, с характерными для этого времени периодическими оледенениями континентов в полярных и бореальных зонах Земли, по-видимому, имели свое положительное значение для совершенствования высших форм жизни, в том числе, и для становления современного человека.

Развитию жизни на Земле в далеком будущем, правда, грозит неминуемая гибель в связи с дегазацией абиогенного кислорода, который должен начать выделяться после полного окисления мантийного железа до стехиометрии магнетита благодаря реакциям продолжающегося выделения земного ядра, о чем мы говорили в разделе 3.11 и выражали формулой (3.21). Однако события эти произойдут еще очень и очень не скоро – приблизительно через 600 млн лет.

15.4. Влияние дрейфа континентов и морских трансгрессий на экологические обстановки фанерозоя

Перестройки биоты происходили и в фанерозое, но все они уже носили характер дифференциации и эволюционного развития организмов в рамках сформированных в начале фанерозоя крупных таксонов. При этом помимо главного воздействия на эволюцию жизни в фанерозое – постепенного увеличения парциального давления кислорода, заметными факторами влияния внешней среды на эволюционные изменения форм жизни стали дрейф континентов, климатические изменения, трансгрессии и регрессии моря. Все эти факторы меняли устоявшиеся экологические ниши биологических сообществ и усиливали их конкурентную борьбу за выживание.

Как из­вестно, на протяжении фанерозоя имели место две крупные планетарные трансгрессии. Первая происходила от ордовика до девона включительно во время развития каледонской орогении (от 500 до 350 млн лет назад), ее амплитуда достигала 200–250 м (см. рис. 5.8). Вторая и наиболее крупная глобальная трансгрессия, вызванная процессом формирования суперконтинента Пангея, происходила в позднеюрское – меловое время и по амплитуде достигала 350–400 м. Помимо этого консервация воды в мате­риковых ледниках в периоды возникновения покровных оледенений могла приводить к глобальным регрессиям океана с пониже­ниями его уровня на 120–130 м (см. раздел 5.4).

Трансгрессии океана на сушу и обратные им регрессии, связанные с эвстатическими колебаниями уровня океана, должны были существенно влиять на глобальные вариации климата Земли в геологическом прошлом. Из-за того, что теплоемкость воды намного больше теплоемкости атмосферы, всякое существенное увеличение площади морской поверхности за счет уменьшения площади суши смягчало сезонные и широтные изменения климата. При затоп­лении водой до 30% и более площади поверхности континентов в середине мела, смягчающее воздействие трансгрессии на глобальные вариации климата в умеренных и высоких широтах было достаточно значительным. Этому способствовали и расширения эпиконтинентальных морей, создававших морские коридоры, по которым мог происходить теплообмен между низкими и высокими широтами. В периоды регрессий, по мере отступления моря, возрастала общая континентальность климата Земли и увеличивались сезон­ные контрасты температуры.

Однако главными процессами, влиявшими на климат и его широтную зональность, по-прежнему оставались бактериальное удаление азота из атмосферы и колебания угла прецессии Земли в зависимости от дрейфа континентов и высокоширотных оледенений (см. разделы 8.3 и 8.4). Кроме того, существенное влияние на климатическую контрастность оказывало также пространственное расположение материков и океанов. Так, в эры оледенений, области суши, попадавшие по мере перемещения ансамбля литосферных плит в высокоширотные регионы, начинали постепенно покрываться сначала горными ледниками, а затем и покровными оледенениями, игравшими роль глобальных холодильников. Следовательно, наиболее резкая ши­ротная зональность на Земле наблюдалась тогда, когда во время эпох оледенений в полярных областях располагались покрытые льдом и снегом континенты или замерзшие океанические акватории . Кроме того, изменения взаимного расположения континенталь­ных массивов изменяли характер циркуляции океанских вод, что также сильно влияло на формирование земного климата. Известно, что современное оледенение в Антарктиде началось благодаря общему похолодания климата, но достигло своего максимума только после того, как от нее откололась и отошла к северу Австралия, а также открылся пролив Дрейка к югу от Огненной Земли. После этого вокруг Антарктиды возникло южное циркумполярное течение, полностью “отрезавшее” этот континент от более теплых противопассатных течений трех омывающих ее океанов. Эта система климатической изоляции Антарктиды действует и сегодня.

В свете изложенной геоисторической интерпретации процессов изменений глобального климата Земли теперь можно рассмот­реть и природу крупных экологических рубежей фанерозоя, т. е. тех, которые имели место на протяжении последних 550–600 млн лет развития жизни на нашей планете. Постепенное увеличение парциального давления кислорода сделало возможным около 400 млн лет назад выход на сушу высокоорганизованной жизни. Это событие представляет собой уникальный феномен, связанный с коренной перестройкой метаболизма океанских организмов и появлением в царстве животных форм, обладающих легкими - органом идеально приспособленным к газообмену в воздушной среде.

Помимо чисто земных факторов, на климат Земли, как мы видели выше, оказывало и Лунно-Солнечное влияние, всегда снижавшее величину угла прецессии Земли, что, в свою очередь, приводило к существенным похолоданиям. К плавному похолоданию климата в протерозое и фанерозое приводило также удаление из атмосферы азота благодаря жизнедеятельности азотпотребляющих бактерий. С другой стороны, процессы формирования суперконтинентов всегда влияли в противоположном направлении – в сторону потепления климата. В результате взаимодействия этих факторов в протерозое и фанерозое происходило общее похолодание климата приблизительно на 10 –15 оС и возникали его колебания с периодами около 800 млн лет и амплитудой изменений средней температуры до 8 – 10 оС (см. рис. 8.23 и 8.24).

Важную роль в экологической эволюции фанерозоя, как и предыдущих эпох, также играли глобальные тектонические процессы. Действительно, изменение пространственного расположения, размеров и форм как континентов, так и океанов в фанерозойской истории Земли оказывало существенное воздействие на мощ­ность и структуру океанских течений, а, следовательно, и на рас­пределение биологической продуктивности, т. е. на формирование наиболее приспособленных сообществ животных и растений к тем или иным природным условиям и экологическим системам.

В качестве примеров зависимости развития жизни от климатической зональности Земли можно рассмотреть влияние, которое оказывается на видовое распределение морских организмов широтой расположения материков и океанов. Из­вестно, что подавляющее большинство (около 90%) всех видов морских животных обитает на континентальных шельфах или мелководьях около подводных возвышенностей и островов на глуби­нах менее 200 м. Следовательно, можно считать, что в фанерозое главное развитие морской фауны происходило на не­больших глубинах. При этом наиболее богата мелководная мор­ская фауна сейчас в тропиках, где она представлена большим чис­лом высокоспециализированных видов. Разнообразие и количество морской фауны уменьшается по мере увеличения широты, особенно в олиготрофных акваториях океана. Однако в приполярных акваториях в связи с бóльшей концентрацией в их водах растворенного кислорода вновь происходит существенное увеличе­ние биопродуктивности океанов. Наименьшая продуктивность океанов наблюдается в средних субтропических (олиготрофных) широтах. Степень разнообразия современной мелководной морской фауны хорошо коррелируется с изменением устойчивости пищевых запасов, ко­торые зависят от сезонности климата. Кроме этого важнейшего широтного фактора существуют еще и долготные составляющие, которые также определяют общее разнообразие современной мор­ской фауны. В частности, на одинаковой широте большее разно­образие фауны наблюдается там, где существует ста­бильность пищевых ресурсов. Поэтому в каждом широтном поясе наибольшее разнообразие морской фауны наблюдается вблизи по­бережий и островных архипелагов, крупных океанов.

Особо следует выделить области апвеллингов, в которых глу­бинные, богатые фосфором и органическими соединениями воды поднимаются по континентальному склону к поверхности, давая обильную пищу мелководным организмам (см. рис. 9.20). Обычно апвеллинги возникают на восточных берегах океанов в их тропических зонах. В этих зонах возни­кают своеобразные оазисы жизни, пышно расцветающие среди сравнительно пустынных вод прилегающих олиготрофных акваторий. Примерами таких оазисов жизни могут служить Перуанский и Западно-Аф­риканский апвеллинги в Тихом и Атлантическом океанах.

Естественно, что глубоководные океанские котловины становятся существенным препятствием для распространения мелководной фауны. Вулканические дуги, возникающие над зонами погружения океаничес­кой литосферы в мантию, и внутриплитовые цепочки вулканичес­ких островов часто служат хорошими путями распространения морской фауны, особенно когда такие цепочки вулканических островов имеют субширотное простирание или находятся, как, например, острова Полинезии и Микронезии, в пределах единого климатического пояса. Другим механизмом расселения мелководной фауны могут быть миграции личиночных форм этих животных. Тем не менее, в результате достаточно разделенного современного положения каждого из крупных материков заселя­ющая их шельфы морская мелководная фауна в настоящее время развивается приблизительно в 30 провинциях и характеризуется сравнительно не­большим процентом общих для всех этих провинций видов. Оценки показывают, что мелководная морская фауна насчитывает сейчас на порядок больше видов по сравнению с тем, которое наблюдалось бы, если бы на Земле существовала только единая фаунистическая шельфовая провинция, даже при самом высоком видовом разнообразии.

Те же закономерности можно проследить и с расселением некоторых видов глубоководной фауны. Например, в биологических сообществах горячих источников “черных курильщиков” Тихого океана доминируют крупные трубчатые черви – вестиментиферы и двустворчатые моллюски – калиптогены, тогда как в Атлантическом океане такие же гидротермальные источники полностью оккупированы мелкими креветками, приспособившимися к питанию серобактериями.

Используя эти закономерности расселения фауны с учетом данных о дрейфе континентов, сведений об эвстатических изменениях уровня Мирового океана, а также о климатических последствиях этих явлений, можно попытаться объяснить характер изменения числа таксонов мелководной фауны в фанерозое, например массовую гибель многих групп животных на границе палеозоя и мезозоя. Действительно, раздельное положение в раннем палеозое большинства континен­тальных массивов и преимущественное их расположение от тро­пических до высоких широт, а также наличие шельфовых об­ластей у каждого из них привели к значительному возрастанию в ордовике числа семейств мелководной фауны. Такое возросшее число семейств сохранялось в процессе эволюции морской фауны на протяжении большей части палеозоя. На границе перми и три­аса, когда началось объединение многих континентальных фрагментов в единый суперконтинент – Пангею, и особенно в ранней юре, когда Пангея полностью сформировалась, значительно возрос угол прецессии до 30–34о, а климат Земли существенно потеплел (см. рис. 8.23 и 8.24). При этом число биологических провинций и экологических ниш на шельфе Пангеи значительно сократи­лось. Кроме того, регрессия пермо-триасового времени (см. рис. 5.8) привела к резкому сокращению площадей мелководных морей. В таких условиях на границе перми и триаса вы­живали лишь те представители мелководной фауны, которые могли находить себе пищу в придонных слоях. Иными словами, фаунистические семейства, выжившие на рубеже палеозоя и мезозоя, по-видимому, развивались в неустойчивых условиях окружающей среды, тогда как большинство палеозойских по­пуляций, развивавшиеся в стабильных условиях, подобных современным тропическим, после образования Пангеи оказались менее приспособленными и были обречены на вымира­ние. Поэтому можно предполагать, что быстрое вымирание многих ви­дов морской фауны на рубеже палеозоя и мезозоя было обуслов­лено сокращением числа экологических ниш, окружавших образовавшийся тогда суперконтинент и снижением потенциальных возможностей биопродуктивности, окружавших этот еди­ный материк шельфовых морей.

В раннем мелу начался распад Пангеи под влиянием возникшего под центром суперконтинента мощнейшего восходящего мантийного потока, подобного, изображенному на рисунке 4.21. Процесс этот сопровождался существенным усилением тектонической активности Земли (см. рис. 5.9), центробежным раздвижением отдельных материков (рис. 15.4) и крупнейшей в фанерозое трансгрессией морей на сушу (см. рис. 5.8). Результатом стало увеличение разнообразия животного мира, которое существенно возросло в кайнозое по мере обособления шель­фовых провинций различных материков друг от друга и, особенно, благодаря возникновению более резкой контрастности климатических зон Земли.

Рис. 15.4. Начальные этапы распада Пангеи около 100 млн лет назад (в проекции Ламберта), по работе

Разумеется, такой общий подход к проблеме эволюции жизни требует существенного развития и детализации. Так, меловая трансгрессия привела к расцвету карбонатпотребляющей фауны и микрофлоры на шельфах и в эпиконтинентальных морях, особенно фораминифер и коколитофоридной микрофлоры, сформировавшей уникальные толщи писчего мела. Однако эта же трансгрессия вызвала и кризисные явления в жизни биоценозов коралловых атоллов открытого океана. Складывается впечатление, что в середине мелового периода существовал и действовал мощнейший механизм, приводивший, с одной стороны, к резкому ослаблению океанической седиментации, а с другой – к усиленному переносу карбоната кальция и фосфора из вод открытого океана в мелководные моря затопленных участков бывшей суши [Богданов и др. 1990; Сорохтин, 1991].

В меловую эпоху расположение континентов на поверхности Земли было несколько иным, чем сейчас (см. рис. 9.27) и бóльшая часть мелководных эпиконтинентальных морей тогда располагалась в аридных зонах с резким преобладанием испарения над атмосферными осадками. Поэтому такие моря служили естественными насосами, выкачивающими из океанов воду, а вместе с ней карбонаты и фосфор (рис. 9.28). Резкое сокращение поступления карбоната кальция и фосфора к биогермным постройкам атоллов в открытом океане (см. рис. 15.5), произошедшее в апт-сеноманское время, привело к угнетению и деградации рифовых сообществ, строивших свои известковые скелеты и каркасы из карбоната кальция.

Рис. 15.5. Скорость накопления кайнозойских океанических осадков в Тихом океане по данным Т. Девиса и его коллег : 1 – суммарная скорость; 2 – скорость карбонатного осадконакопления

В условиях резкого карбонатного голода кораллы, рудисты и другие скелетные организмы уже не могли создавать прочные известковые постройки, способные противостоять абразионной деятельности океанских волн, особенно в штормовую погоду. В такой ситуации рифовые постройки на океанических островах – атоллах и рудистовых банках апт-сеноманского возраста – уже не успевали надстраиваться и компенсировать своим ростом плавное погружение их вулканических оснований под уровень океана (напомним, что опускание океанического дна происходит по закону корня квадратного от его возраста (4.6’)). С какого-то момента размыв бывших рифов окончательно погубил обитавшую на них мелководную фауну, превращая бывшие коралловые атоллы и рудистовые банки в плосковершинные подводные горы – гайоты (рис. 15.6), названные так Г. Хессом в память французского географа ХIХ века А. Гийо (Guyot).

В апт-сеноманское время таким путем только в Тихом океане погибло около 300 процветавших прежде атоллов, превратившихся затем в плосковершинные подводные горы, вершины которых сейчас расположены на глубинах около 1500 м под уровнем океана. Само же происхождение вулканических гор – цоколей атоллов было связано с мембранной тектоникой и деформациями литосферных плит при их движении по эллипсоиду вращения Земли. Оценка возрастов образования 82-х гайотов, основанная на анализе геоморфологических условий их современного расположения на океаническом дне, показала, что практически все из проанализированных гайотов, как подводные горы, возникли в сравнительно узком возрастном диапазоне приблизительно от 95 до 105 млн лет назад [Богданов и др., 1990]. Отсюда видно, что почти все многочисленные коралловые острова Тихого океана погибли почти одновременно в альб-сеноманское время и от общей причины – карбонатного голода и, вероятно, нехватки фосфора [Сорохтин, 1991].

.

Рис. 15.6. Общая схема образования гайотов

Благодаря происходившему в ледниковые периоды постоянному перемешиванию водных масс в океанах, придонные воды в это время всегда оказываются насыщенными кислородом, а это приводило к возможности существования на дне океанов донной глубоководной фауны. Иная ситуация складывалась в теплые эры на Земле, когда полностью отсутствовали оледенения. В это время почти полностью прекращалось перемешивание океанических вод и в глубоководных котловинах накапливались застойные, лишенные кислорода, и достаточно прогретые глубинные воды. Часто в таких условиях возникала стагнация вод и их сероводородное заражение, сопровождаемое накоплением сапропелевых илов. Естественно, в такие периоды погибала вся глубоководная и бентосная фауна, существовавшая на дне океанов в прошлые ледниковые эпохи. При наступлении новой ледниковой эры заселение бентали и формирование бентосных сообществ фактически происходило заново за счет переселения на глубину животных из пелагиальных зон океанов.

В частности, по данным глубоководного бурения сапропелевые илы встречаются в меловых осадках Тихого океана, откуда следует вывод, что и все бентосные сообщества животных этого океана оказываются очень молодыми – не древнее среднего кайнозоя [Кузнецов, 1991], вероятнее всего не древнее 55 млн лет [Несис, 2001], т. е. не древнее начала оледенения Антарктиды около 50 млн лет назад\.

Существенное влияние дрейф континентов оказал и на сухопутную фауну. Так, хорошо известно, что мезозой вместе с позднепермским временем палео­зоя был эрой рептилий, тогда как кайнозой – эрой млекопитаю­щих. За 200 млн лет развития в пермо-мезозойское время возник­ло только 20 отрядов рептилий, тогда как за кайнозой (за 65 млн лет) возникло около 30 отрядов млекопитающих. Это поразительное различие получает объясне­ние после сравнения условий развития рептилий и млекопитающих. Заметим, что начальный период бурного развития наземных реп­тилий совпадал с началом образования четвертого суперконтинента – Пангеи (см. рис. 4.20-д). Этот же период около 250–200 млн лет назад характеризовался значительной регрессией океана, но уже со сравнительно мягким глобальным климатом, который уста­новился в конце перми. Расцвет же класса пресмыкающихся приходится на вторую половину мезозоя, когда, после увеличения угла прецессии Земли в связи с образованием Пангеи, климат стал теплым. В меловом периоде, когда начался распад Пангеи, между ее фрагментами еще суще­ствовали более или менее устойчивые экологические связи. Следо­вательно, в течение длительного времени развития рептилий на суше существовала единая экологичес­кая провинция, или было очень небольшое число полуизолирован­ных провинций. Ясно, что в таких условиях не могло возникнуть большое разнообразие пресмыкающихся.

В середине мелового периода, когда еще, вероятно, оставались связи между “разбегающимися” осколками Пангеи (см. рис. 10.4), произошло расселение примитивных млекопитающих. В позднем мелу–раннем кай­нозое (т. е. во время начала расцвета млекопитающих) благо­даря значительному удалению друг от друга отдельных континен­тов и еще продолжавшейся морской трансгрессии (см. рис. 5.8) сформировалось несколько крупных существенно или полностью изолированных друг от друга материковых экологических провинций. В частно­сти, в начале кайнозоя, как теперь известно из анализа аномаль­ного магнитного поля Полярной Атлантики, еще сохранялись сухопутные связи между Америкой и Европой (до эоцена). Но Евразию в позднем мелу и в раннем кайнозое разделяло крупное внутреннее море, простиравшееся через Западную Сибирь от Тетиса до Ледовитого океана. При этом между Аляской и Чукоткой, по крайней мере периодически, возникали сухопутные связи через нынешний Берингов пролив. Таким образом, на протяжении позднего мела и первой половины кайнозоя в пределах Лавразийских материков образовались три не полностью изолирован­ных друг от друга экологические провинции, в которых возникло много отрядов млекопитающих.

Экологическое разделение провинций в пределах Гондванских материков началось, вероятно, несколько раньше, чем Лавразийских. В середине позднего мела Африка была уже достаточно удалена от остальных материков Гондванской группы (см. рис. 10.4); в то же время бóльшая часть этого континента была затоплена мелководными морями, которые разделяли ее на две или три сухопутные области. Отделившаяся от Гондваны еще в раннем мелу но ставшая дос­таточно самостоятельной экологической провинцией Южная Америка лишь в позд­нем мелу, была почти полностью разделена мел­ководным морем в бассейне нынешней Амазонки на две сухопут­ные области. Кроме того, в позднемеловое время существовали еще две изолированные сухопутные провинции Индийская и Австрало-Антарктическая; последняя в начале кайнозоя (около 40 млн лет назад) разделилась на две самостоятельные области.

Итак, восемь–десять существенно изолированных друг от друга сухопутных экологических провинций, образовавшихся в раннем кайнозое, – главное условие родового разнообразия класса млекопитающих. Отметим, что соединение в позднем кай­нозое нескольких материковых фрагментов и сокращение числа экологических провинций до пяти – самую обширную, включающую Евразию с Индостаном, Африку, Северную Америку, Южную Америку и Австралийскую, – привели к вымиранию 13 отрядов сухопутных млекопитающих. При этом выжили те отряды, которые в первой половине кайнозоя развива­лись в не полностью изолированных экологических провинциях. Млекопитающие, развивавшиеся до соединения различных мате­риков в изолированных условиях, оказывались, как правило, менее приспособленными и погибали.

Более общий вывод, который на основании анализа позднемезозойской и кайнозойской эволюции дна Мирового океана пока можно только наметить: все главные рубежи геологической истории (и как след­ствие разделение геохронологической шкалы на эры, периоды и эпохи) в значительной степени обусловлены такими событиями, как столкновения и расколы материков в процессе глобального перемещения ансамбля литосферных плит.

Действительно, как показывают реконструкции, составленные А. Смитом и Дж. Брайденом , часть из которых воспроизведена на рисунках 4.20, 9.27 и 10.4, большинство рубежей смены биологических сообществ, по которым проводилось деление фанерозоя на отдельные периоды, совпадает с основными этапами перестройки тектонического плана Земли. Так, в середине мезозоя все материки были собраны в единый суперконтинент Пангею (быть может, лишь за исключением Китайской платфор­мы), а меловой период – это начало раскола Пангеи, который продолжается и до наших дней.

В триасе начался, но так и не состоялся раскол Европы и Азии в районе нынешней Западно-Сибирской низменности, а также начался откол Северной Америки от Афри­ки и Европы, который привел в середине юры к образованию мо­лодой океанической впадины Северной Атлантики. В начале мела откололась Африка от Южной Америки и Антарктиды, которые также разделялись между собой. Начало мелового периода – откол Индостана от Антарктиды и Австралии. В конце мела и начале кайнозоя откалываются современное Новозеландское плато и подводный хребет Лорд-Хау от объединенного материка Антарктиды и Австралии, эти материки раскалываются, и Авст­ралия удаляется в сторону экватора. В тот же период (на рубеже мела и кайнозоя) в Cеверном полушарии отделяются Северная Америка, Гренландия и Европа, в результате, в кайнозое обра­зуется Полярная Атлантика. Кроме того, в самом начале кайно­зоя Аравийская плита откололась от Африканской и началось образование Красного моря и Аденского залива. В середине кайнозоя – происходит столкновение Индостанской плиты с Азией и формирование крупнейшего в настоя­щее время горного пояса. На рубеже олигоцена и миоцена продолжалось закрытие палеоокеана Тетис, а в середине миоцене произошло окончательное закрытие этого палеоокеана и возникновение складчатых сооружений в европейской части Альпийско-Гималайского складчатого пояса. Интересно отметить, что процесс закрытия палеоокеана Тетис четко отмечается локальным повышением температуры придонных вод Мирового океана (см. рис. 8.3). В позднем миоцене поднимаются горы Кавказа, в это же время формируются горы Центральной Азии и Гималаев. Этот процесс формирования гигантского Альпийско-Гималайского складчатого пояса, отделивший Северную Евразию от ее южных регионов, продолжается и сейчас.

Примеры показывают, что на континентах эволюция растительных и животных форм жизни, по-видимому, также во многом определялась дрейфом материков и сменой климатических обстановок на Земле. Особенно это должно было проявляться при объединениях прежде обособленных материков или, наоборот, при расколах крупных континентов и обособлениях их фрагментов. Чередования эпох консолидации и дробления континентов с образованием единых и межконтинентальных океанов, безусловно, сопровождались возникновением новых и закрытием старых экологических ниш, т. е. радикальными изменениями экологических условий существования жизни на Земле. Поэтому такие перестройки, вероятно, могли быть одной из главных причин как видообразования и вымирания отдельных форм жизни, так и их консервации. Ярким примером тому могут служить эндемичные формы жизни в Австралии и Южной Америке.

Разумеется, все эти события отражались в палеоклимате и всей эволюции экологической системы нашей планеты геологического прошлого, что и нашло отражение при составлении геохронологической шкалы и ее делении на эры, периоды и, возможно, эпохи. Естественно, что при геоисторическом анализе проблемы эво­люции флоры в геологическом прошлом также необходимо ис­пользовать данные по дрейфу континентов и учитывать экологическое рав­новесие в каждой из областей, которые разъединялись и объеди­нялись в процессе дрейфа континентов. Значительного успеха на этом пути в нашей стране достиг , в частности, подробно рассмотревший историю развития флоры Сибирской платформы.

Отметим здесь еще раз, что характерной особенностью фанерозоя было долговременное похолодание глобального климата, происходившего благодаря жизнедеятельности азотпоглощающих бактерий, постоянно снижавших парциальное давление азота, а, следовательно, и общее давление земной атмосферы. В плейстоцене на такое общее похолодание климата накладывались периоды ледниковых эпох, связанные с автоколебательными циклами прецессии Земли. Периодические оледенения в плейстоцене, безусловно, должны были сказываться и на биоте Земли, особенно на периодических миграциях фауны и флоры по широтам Земли. Кроме того, резкие колебания климата, по-видимому, могли способствовать обострению эволюционных процессов и видообразования. Так, наступления и деградация ледников самым существенным образом сказалась и на распространении флоры и фауны северных материков. Очень интересна проблема вымирания отдельных видов фауны. Например, на рубеже последней фазы Вюрмского (Валдайского) оледенения и современного межледниковья около 12 – 10 тыс. лет назад, т. е. при наступлении, казалось бы, более благоприятных климатических условий, вымерла бóльшая часть “мамонтовой” фауны, включая самих мамонтов, тапиров, гигантских оленей, шерстистых носорогов, пещерных медведей, саблезубых тигров и многих других форм крупных и мелких животных. В вымирании мамонтовой фауны, безусловно, определенную роль сыграл человек, но одним только антропогенным давлением на состав животного мира и столь радикальную смену фаун в конце последней фазы Вюрмского оледенения объяснить трудно. По мнению, во время развития последнего периода оледенения в регионах, примыкавших с юга к краю покровных ледников, господствовали условия сухих степей, а зимы были малоснежными и травоядные мамонтовой фауны могли легко добывать себе подножный корм. При наступлении же межледниковья около 12 – 10 тыс. лет назад, значительно возросла влажность атмосферы и зимы стали многоснежными, затруднявшими травоядным доступ к подножному корму. В результате травоядные погибали от голода, а хищники – от отсутствия травоядных.

Весьма вероятно, что ледниковые условия сказались и на развитии человечества. Не исключено, например, что неандертальцы вымерли около 30–27 тыс. лет назад не только из-за конкуренции с кроманьонцами, но и потому, что не выдержали похолодания последних фаз Вюрмского ледникового периода. Резкие колебания глобального климата в это время определили моменты миграции народов и время формирования расового состава людей. Так, заселение Америки через Берингов пролив произошло, вероятнее всего, по сухому пути во время понижения уровня океана, вызванного развитием последнего Вюрмского оледенения, продолжавшегося приблизительно от 60 до 12 тыс. лет назад. Максимальных размеров это оледенение достигало около 20 тыс. лет тому назад [Имбри, Имбри, 1988], но приблизительно в это же время (20–12 тыс. лет назад), как предполагается, и происходило заселение Нового Света людьми.

Таким образом, вся биосфера Земли на протяжении свыше 3,5 млрд лет раз­вивалась как единая целая система, но в тесной взаимосвязи с геологической эволюцией нашей планеты. Поэтому привести к успеху может только комплекс­ное изучение биосфер прошлого на основании анализа их взаимосвязей с геологическими обстановками древних эпох, с учетом существовавших тектоногеохимических рубежей в развитии Земли, эволюции климатов Земли в связи с изменениями угла ее прецессии, влияния биоты на давление и состав атмосферы, дрейфа материков, возникновения новых и закрытия старых океанов и т. д.

Помимо прямого влияния геологических процессов на развитие земной жизни, безусловно, существует и обратная связь - влияние жизни на протекание тех или иных геологических процессов. Яркий пример тому мы приводили выше в разделах 6.3, 6.4 и 8.3, где показали определяющее влияние азотпоглощающих бактерий и растительных форм жизни на формирование комфортных условий современного климата, позволивших появиться и развиться на Земле высшим формам жизни, в том числе и нам с Вами. Кроме того, начиная с мезозоя жизни принадлежала и ведущая роль в поддержании равновесной концентрации кислорода в земной атмосфере, что являлось не только определяющим фактором климатообразования на Земле, но и главным фактором развития на Земле высокоорганизованных форм жизни.

Большая роль органической жизни в седиментогенезе карбонатов, фосфоритов, угленосных формаций, нефтегазоносных отложений и пелагических осадков хорошо известна, ее роль значительна и в процессах выветривания земных пород, а, следовательно, в процессах круговорота корового вещества и происхождения полезных ископаемых (см. разделы 9.3, 9.5 и 9.6, а также работу [Сорохтин и др., 2001]).

15.5. Грядущее развитие жизни и гибель биосферы

Похолодание климата, вызванное бактериальным поглощением атмосферного азота, продолжится и далее. Поэтому существенных потеплений климата в будущие 100–200 млн лет ожидать трудно. Напомним, что современное потеплении климата, о котором много говориться последнее время, началось еще в XVII в. (т. е. задолго до индустриальной революции), вероятнее всего, оно является временным и связано с флуктуациями магнитной активности Солнца (см. рис. 8.26). Об этом, в частности, свидетельствуют измерения палеотемператур за последние 3000 лет по остаткам планктонных фораминифер Саргассового моря (см. рис. 8.25), по которым четко видно, что современное локальное повышение средних температур развивается на фоне общего похолодания климата. Об этом же говорят и геологические данные. Действительно, приблизительно 200–100 млн лет назад на Земле полностью отсутствовали покровные ледники, а средние температуры достигали почти +20 °С, тогда как к современному моменту она снизилась до +15 °С (см. рис. 8.22). В результате такого вроде бы незначительного похолодания произошло наступление новой ледниковой эры, и возникновение в середине кайнозоя покровного оледенения Антарктиды, а в четвертичное время – периодических оледенений на континентах Северной Америки, Европы и Азии.

Несмотря на постепенное повышение солнечной активности, медленное похолодание климата продолжится и в будущем, до достижения нового равновесного состояния прохладного климата. Однако этот новый климатический уровень, определяемый метаболизмом азотпоглощающих микроорганизмов, может оказаться не очень благоприятным для процветания на Земле высших форм жизни.

По нашим оценкам, через 250 млн лет средняя по Земле температура во время развития оледенений опустятся до 0 °С, хотя во время межледниковых стадиалов средние температуры останутся положительными – порядка +5…+8 оС (см. рис. 8.22). В связи же с общим ослаблением тектонической активности Земли, одновременно с этим понизится и уровень Мирового океана приблизительно на 200 м, после чего обнажатся все современные шельфы, хотя и в этой ситуации на низких и средних широтах условия для развития высокоорганизованной жизни останутся вполне приемлемыми. Только приблизительно через 400 млн лет средние температуры на земной поверхности опустятся до температуры около –5 °С (см. рис. 8.22), а уровень океана по сравнению с его современным положением в это время опустится более, чем на 400 м (см. рис. 5.6). В этом случае все северные и южные материки даже на умеренных широтах окажутся скованными покровными ледниками, покроются льдом и возвышенные участки континентов на экваторе.

Но похолодание будет продолжаться не вечно. Около 40 млн лет должно будет наступить равновесие между снижением температуры за счет бактериального удаления азота из атмосферы и ее повышением благодаря увеличению светимости Солнца. Однако и это равновесное состояние приблизительно через 600 млн. лет в будущем должно будет резко нарушиться дегазацией абиогенного кислорода, освобождающегося при формировании в мантии “ядерного” вещества по реакции (3.21). После этого момента в мантии начнет генерироваться свободный кислород со скоростью около 2,1·1016 г/год, или 21 млрд т/год. Если бы весь этот кислород поступал в атмосферу, то его парциальное давление повышалось бы со скоростью приблизительно равной 4 атм. за каждый миллион лет. На самом деле скорость дегазации кислорода будет значительно меньшей, но все же она может достигать скорости порядка 0,02 атм./млн лет. Это означает, что через 200 млн. лет после начала дегазации кислорода из мантии парциальное давление этого газа достигнет почти 4 атм., тогда как средняя температура Земли за счет парникового эффекта поднимется почти до 76 °С. Еще через 200 млн лет (через миллиард лет в будущем) давление кислорода превысит 14 атм., а приземные температуры поднимутся до 110 °С.

При таких условиях вся наземная жизнь уже вскоре после начала дегазации эндогенного кислорода в буквальном смысле слова “сгорит” в такой атмосфере. Лишь в океанах из-за малой растворимости кислорода в воде, еще какое-то время смогут существовать высшие формы жизни, пока и они не “сварятся” в его горячих водах. Но после вскипания океанов приблизительно еще через 0.8 млрд лет и возникновения необратимого парникового эффекта с температурами около 550 °С, не смогут выжить даже самые примитивные термофильные прокариоты.

Из проведенного анализа климатов Земли, видно, что благоприятные для жизни геодинамические условия не бесконечны. Вероятнее всего, общая продолжительность существования жизни на Земле приблизительно равна 4.6 млрд лет (от 4 млрд. лет в прошлом до 0.6 млрд лет в будущем). Для развития высокоорганизованной жизни природа отвела еще меньше времени – в океанах максимум 1,1 млрд лет (от 600 млн лет в прошлом до 700 млн лет в будущем), а на суше – не более 1 млрд лет (от –400 до +600 млн лет). Время существования человечества, если оно само себя не уничтожит ранее, наименьшее из всех других форм жизни, теоретически около 600 млн лет, но реально – значительно меньше, но сколько – неизвестно.

Нашему поколению, правда, можно не волноваться за свое будущее (если, конечно, не произойдет какого ни будь ядерного катаклизма), но трезво оценивать перспективу развития органического мира на Земле, по нашему мнению, не только интересно, но и важно в мировоззренческом плане. Поэтому мы и постарались здесь дать не только ретроспективное освещение развития жизни на нашей планете в прошлом, но и показать возможное, хоть и печальное, направление ее дальнейшего развития. А пока мы должны только радоваться, что живем на нашей прекрасной и уникальной планете.

История жизни и история Земли неотделимы друг от друга, так как именно в процессах развития нашей планеты как космического тела закладывались определенные физические и химические условия, необходимые для появления и развития жизни.

Прежде всего, следует отметить, что жизнь (во всяком случае в той форме, в которой она функционирует на Земле) может существовать в достаточно узком диапазоне температур, давлений и радиации. Также для появления жизни на Земле нужны вполне определенные материальные основы - химические элементы-органогены и в первую очередь углерод, так как именно он лежит в основе жизни. Этот элемент обладает рядом свойств, делающих его незаменимым для образования живых систем. Углерод способен образовывать разнообразные органические соединения, число которых достигает нескольких десятков миллионов. Среди них - насыщенные водой, подвижные, низкоэлектропроводные, скрученные в цепи структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой и железом обладают хорошими каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами.

Наряду с углеродом к «кирпичикам» живого относятся кислород, водород и азот. Ведь живая клетка состоит на 70% из кислорода, углерода в ней - 17%, водорода - 10%, азота - 3%. Элементы-органогены принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным во Вселенной химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются в воде. Эти элементы, очевидно, поступили на Землю вместе с космической пылью, которая стала материалом для «строительства» планет Солнечной системы. Еще на стадии формирования планет возникли углеводороды, соединения азота, в первичных атмосферах планет было много метана, аммиака, водяного пара и водорода. Они, в свою очередь, стали сырьем для получения сложных органических веществ, входящих в состав белков и нуклеиновых кислот (аминокислот и нуклеотидов).

Огромную роль в появлении и функционировании живых организмов играет вода, ведь они на 90% состоят из воды. Поэтому вода является не только средой, но и обязательным участником всех биохимических процессов. Вода обеспечивает метаболизм клетки и

терморегуляцию организмов. Кроме того, водная среда как уникальная по своим упругим свойствам структура позволяет всем определяющим жизнь молекулам реализовать свою пространственную организацию. Поэтому жизнь зародилась в воде, но даже выйди из моря на сушу, она сохранила внутри живой клетки океаническую среду.

Наша планета богата водой и расположена на таком расстоянии от Солнца, что необходимая для жизни основная масса воды находится в жидком, а не в твердом или газообразном состоянии, как на других планетах. На Земле поддерживается оптимальная температура для существования жизни, основанной на углероде.

Какой была древнейшая жизнь?

Наши знания о ранее живших организмах невелики. Ведь миллиарды особей, представлявших самые разные виды, исчезли, не оставив после себя никаких следов. По оценкам некоторых палеонтологов, в ископаемом состоянии до нас дошли останки только 0,01% всех видов живых организмов, населявших Землю. Среди них - только те организмы, которые могли сохранить структуру своих форм путем замещения или в результате сохранности отпечатков. Все прочие виды до нас просто не дошли, и о них мы не сможем узнать ничего и никогда.

Долгое время считалось, что возраст древнейших отпечатков живых организмов, к которым относятся трилобиты и другие высокоорганизованные водные организмы, составляет 570 млн. лет. Позже были найдены следы намного более древних организмов - минерализовавшихся нитчатых и округлых микроорганизмов примерно десятка различных видов, напоминающих простейших бактерий и микроводорослей. Возраст этих останков, найденных в кремнистых пластах Западной Австралии, был оценен в 3,2-3,5 млрд. лет. Эти организмы, видимо, имели сложную внутреннюю структуру, в них присутствовали химические элементы, соединения которых были способны участвовать в процессе фотосинтеза. Данные организмы бесконечно сложны по сравнению с самым сложным из известных органических соединений абиогенного происхождения. Нет сомнений, что это не самые ранние формы жизни и что существовали их более древние предшественники.

Таким образом, истоки жизни на Земле уходят в тот «темный» первый миллиард лет существования нашей планеты, который не оставил следа в ее геологической летописи. Данную точку зрения подтверждает и тот факт, что известный биогеохимический цикл углерода, связанный с фотосинтезом, в биосфере стабилизировался более 3,8 млрд. лет назад. Это позволяет считать, что фотоавто-трофная биосфера существовала на нашей планете не менее 4 млрд.

лет назад. Однако по данным цитологии и молекулярной биологии, фотоавтотрофные организмы были вторичными в процессе эволюции живого вещества. Автотрофному способу питания живых организмов должен был предшествовать гетеротрофный способ как более простой. Автотрофные организмы, строящие свое тело за счет неорганических минеральных веществ, имеют более позднее происхождение. Об этом свидетельствуют следующие факты:

Все современные организмы обладают системами, приспособленными к использованию готовых органических веществ как исходного строительного материала для процессов биосинтеза;

Преобладающее число видов организмов в современной биосфере Земли может существовать только при постоянном снабжении готовыми органическими веществами;

У гетеротрофных организмов не встречается никаких признаков или рудиментарных остатков тех специфических ферментных комплексов и биохимических реакций, которые характерны для автотрофного способа питания.

Таким образом, можно сделать вывод о первичности гетеротрофного способа питания. Древнейшая жизнь, вероятно, существовала в качестве гетеротрофных бактерий, получавших пищу и энергию за счет органического материала абиогенного происхождения, образовавшегося еще раньше, на космической стадии эволюции Земли. Следовательно, начало жизни как таковой отодвигается еще дальше, за пределы каменной летописи земной коры, более чем на 4 млрд. лет назад.

Говоря о древнейших организмах на Земле, также следует отметить, что по типу своего строения они были прокариотами, возникшими вскоре после появления археклетки. В отличие от эука-риотов они не имели оформленного ядра, и ДНК располагалась в клетке свободно, не отделяясь от цитоплазмы ядерной мембраной. Различия между прокариотами и эукариотами гораздо глубже, чем между высшими растениями и высшими животными: и те и другие относятся к эукариотам. Представители прокариотов живут и сегодня. Это бактерии и сине-зеленые водоросли. Очевидно, первые организмы, жившие в очень жестких условиях первоначальной Земли, были похожи на них.

Ученые также не сомневаются в том, что древнейшие организмы, населявшие Землю, были анаэробами, получавшими необходимую им энергию за счет дрожжевого брожения. Большая часть современных организмов являются аэробными и используют кислородное дыхание (окислительные процессы) как способ получения энергии.

Таким образом, прав был В. И. Вернадский, предположивший, что жизнь сразу возникла в виде примитивной биосферы. Только

разнообразие видов живых организмов могло обеспечить выполнение всех функций живого вещества в биосфере. Ведь жизнь является мощнейшей геологической силой, вполне сравнимой как по энергетическим затратам, так и по внешним эффектам с такими геологическими процессами, как горообразование, извержение вулканов, землетрясения и т.д. Жизнь не просто существует в окружающей ее среде, но активно эту среду формирует, преобразуя ее «под себя». Не следует забывать, что весь лик современной Земли, все ее ландшафты, осадочные и метаморфические породы (граниты, гнейсы, образовавшиеся из осадочных пород), запасы полезных ископаемых, современная атмосфера являются результатом действия живого вещества.

Эти данные позволили Вернадскому утверждать, что с самого начала существования биосферы входящая в нее жизнь должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, так как биогеохимические функции жизни в силу своего разнообразия и сложности не могут быть связаны только с какой-то одной формой жизни. Таким образом, первичная биосфера изначально была представлена богатым функциональным разнообразием. Поскольку организмы проявляются не единично, а в массовом эффекте, то первое появление жизни должно было произойти не в виде какого-то одного вида организмов, а в их совокупности. Иными словами, сразу должны были появиться первичные биоценозы. Состояли они из простейших одноклеточных организмов, так как все без исключения функции живого вещества в биосфере могут быть выполнены ими.

И, наконец, следует сказать, что первичные организмы и биосфера могли существовать только в воде. Выше мы уже говорили, что все организмы нашей планеты теснейшим образом связаны с водой. Именно связанная вода, не теряющая своих основных свойств, является их важнейшим составным компонентом и составляет 60-99,7% веса.

Именно в водах первичного океана образовался «первичный бульон». Ведь морская вода сама по себе представляет естественный раствор, содержащий все известные химические элементы. В ней образовались вначале простые, а затем и сложные органические соединения, среди которых были аминокислоты и нуклеотиды. В этом «первичном бульоне» и произошел скачок, давший начало жизни на Земле. Немаловажное значение для появления и дальнейшего развития жизни имела радиоактивность воды, которая тогда была в 20-30 раз большей, чем сейчас. Хотя первичные организмы были намного устойчивее к радиации, чем современные, мутации в те времена происходили намного чаще, поэтому естественный отбор шел интенсивнее, чем в наши дни.

Кроме того, не следует забывать о том, что первичная атмосфера Земли не содержала свободного кислорода, поэтому в ней отсутствовал озоновый экран, защищающий нашу планету от ультрафиолетовой радиации Солнца и жесткого космического излучения. В силу этих причин на суше жизнь просто не могла возникнуть, жизнь возникла в первичном океане, воды которого служили достаточным препятствием для этих лучей.

Итак, подводя итоги, следует отметить, что первичные организмы, возникшие на Земле более 4 млрд. лет назад, обладали следующими свойствами:

Они были гетеротрофными организмами, т.е. питались готовыми органическими соединениями, накопленными на этапе космической эволюции Земли;

Они были прокариотами - организмами, лишенными оформленного ядра;

Они были анаэробными организмами, использующими в качестве источника энергии дрожжевое брожение;

Они появились в виде первичной биосферы, состоящей из биоценозов, включающих различные виды одноклеточных организмов;

Они появились и долгое время существовали только в водах первичного океана.

Хотя жизнь основана на клеточной структуре, генетической ин­формации и ее репликации и эволюции со временем, всего этого еще не достаточно для того, чтобы жизнь могла существовать.

Структу­ры и функции создают жизнеспособную единицу только в той окру­жающей среде, которая способна ее поддержать. Для всех своих процессов жизнь нуждается в энергии. Практически единственный исходный источник энергии для жизни на Земле — это Солнце. Его энергию используют даже животные , питающиеся растениями, ко­торым для роста нужен солнечный свет. Впрочем, некоторые бакте­рии и археи живут за счет энергии , добываемой химическим путем из минералов, но эти источники энергии очень ограничены и не мо­гут поддерживать существование биосферы значительного объема. Жизнь также нуждается в питательных веществах — строительном материале для поддержания и воспроизведения своей структуры. Это органические соединения, а также и минеральные, существую­щие в окружающей среде и циркулирующие между органическими и неорганическими соединениями. А еще жизни нужен раствори­тель, чтобы растворять и переносить все эти химикаты. Здесь на Земле растворителем служит вода, которая к тому же является важ­ным компонентом живых организмов.

Без сомнения, вода — самый подходящий растворитель для всех биохимических реакций. Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, связанных между собой ковалентными связями; это означает, что общая электронная пара движется вокруг атома кислорода и каждого из атомов водорода

Атом кислорода притягивает электроны сильнее, чем водо­род, поэтому они располагаются ближе к кислороду. Это приводит к тому, что кислородный конец молекулы имеет небольшой отрица­тельный заряд, а водородный конец — положительный: молекула воды является электрическим диполем (полярной молекулой). Эта особенность сильно влияет на химические свойства воды. Элек­трическая полярность молекул воды вызывает слабое электроста­тическое взаимодействие — водородную связь — между соседни­ми молекулами (см. рис. 28.12); это заставляет воду вести себя как объединенную слабосвязанную сеть. Водородные связи вынуждают молекулы притягивать друг друга, превращая жидкость в немного «липкую», вязкую. Изза этой «липкости» нужна довольно высо­кая температура и много тепловой энергии, чтобы испарить воду, перевести ее в газовую форму. Поэтому вода сохраняет жидкое со­стояние в широком диапазоне температуры. Эта «липкость» препятствуег также повышению температуры воды (усилению теплово­го движения молекул), потому для этого требуется много тепловой энергии. С другой стороны, так же много энергии высвобождается при остывании воды; это делает воду очень хорошим термостатом — и в окружающей среде, и внутри клетки.

Рис.. Молекулы воды в жидком состоянии (слева) и в составе льда (справа). Водородные связи показаны линиями

Вода охотно взаимодействует с другими заряженными молекула­ми; это делает ее очень хорошим растворителем всех ионных соеди­нений из положительно или отрицательно заряженных атомов. Вода растворяет и полярные соединения, когда положительный и отри­цательный заряды находятся в одной молекуле, но раздельно (как у воды). С другой стороны, вода не может растворять неполярные мо­лекулы, такие как длинные незаряженные углеводородные цепочки.

Это свойство очень важно для биологии, поскольку оно означает, что эти молекулы «гидрофобны», то есть в водном растворе они стремят­ся объединиться друг с другом, а не с молекулами воды.

Очень важным типом молекул являются липиды (жиры). К одному концу такой молекулы прикреплена полярная или заря­женная группа, делающая этот конец гидрофильным, то есть рас­творяющимся в воде. А к другому концу прикреплена неполярная группа (например, углеводородная цепочка), превращающая этот конец в гидрофобный. Такие молекулы с двойными свойствами амфифильны: они собираются в водном растворе и образуют двух­слойные мембраны. Гидрофильные и гидрофобные вза­имодействия сильно влияют на образование трехмерной структуры и всех других молекул, включая белки, и помогают им принять пра­вильную функциональную форму.

Из-за притяжения водородных связей и под действием поверх­ностного натяжения и испарения вода в окружающей среде ведет себя очень хорошо. Благодаря капиллярному эффекту она может двигаться против притяжения, например в сосудистой системе рас­тений, по которой она поднимается до кроны высоких деревьев. Вода движется и по капиллярным каналам почвы, самостоятельно поднимаясь с уровня грунтовых вод к корневой системе растений. Водородные связи влияют и на плотность воды при разной темпе­ратуре совершенно особым образом. При понижении температуры водородные связи становятся сильнее и короче, так что при темпе­ратуре +4 °С молекулы воды располагаются наиболее близко друг к другу; при этой температуре вода наиболее плотная. При даль­нейшем снижении температуры молекулярная конфигурация начи­нает меняться в сторону более слабых шестиугольных водородных связей, типичных для кристаллов льда, поэтому объем воды начинает увеличиваться. Лед низкой плотности образуется на поверхности воды при температуре о °С, а более плотная вода с температурой +4 °С остается на дне водоема. Таким образом, если водоем достаточно глубокий или мороз не слишком сильный, вода с температурой +4 °С может оставаться в жидкой форме под ледя­ной корой даже в холодный период, что позволяет выжить в глубо­кой воде и не замерзнуть подо льдом. Это очень важное и очень ред­кое свойство. Например, аммиак, который, возможно, мог бы быть подходящим альтернативным растворителем для жизни, в твердой форме тяжелее, чем в жидкой.

Это означает, что пруд из аммиака промерзал бы до дна и мог бы все время оставаться замерзшим. Изза отсутствия водородных связей аммиак существует в жидком состоянии только в очень узком диапазоне температур и при гораздо более низких температурах, чем вода (между 78 °С и 33 °С на уровне моря). При этих темпе­ратурах все биохимические реакции протекали бы очень медленно. Кроме того, аммиак легко разрушается ультрафиолетовым светом, и его легкий компонент — водород легко улетает в космос. Сол­нечные ультрафиолетовые лучи разрушают и воду, но эта реакция протекает медленнее и дает кислород (Оа) и озон (Оэ), который бло­кирует ультрафиолетовое излучение и предотвращает дальнейшее разрушение воды. Поэтому вода существует в большом количестве в атмосферах планет, похожих на Землю, а аммиак — нет.

ВВЕДЕНИЕ

Происхождение жизни на Земле явилось третьим значительным этапом в ряду происхождения нашей вселенной и происхождения Земли.

Существовало масса теорий и гипотез о возникновении жизни на Земле. Среди них миф о «акте сотворения мира Богом», описанный в Библии, гипотезы Аристотеля, Эпикура и Демокрита.

Исследования Луи Пастера в 19-м веке окончательно подтвердили ошибочность представлений происхождения жизни как о спонтанном самозарождении. Правда, они не дали окончательных выводов о происхождении жизни.

И только 3 мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества ученый А.И. Опарин с новой точки зрения рассмотрел проблему возникновения жизни. Его доклад «О возникновении жизни» стал исходной точкой нового взгляда на вечную проблему нашего появления на Земле. Необходимо подчеркнуть, что независимо от Опарина к таким же выводам пришел английский ученый Дж. Холдейн.

Общим во взглядах Опарина и Холдейна было объяснение возникновения жизни в результате химической эволюции. Оба они подчеркивали огромную роль первичного океана как огромной химической лаборатории, в которой образовался «первичный бульон».

Александр Иванович Опарин

Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн

УСЛОВИЯ ПОЯВЛЕНИЯ ЖИЗНИ

Зарождение жизни не произошло само по себе, а совершилось благодаря определенным внешним условиям, сложившимся к тому времени. Главное условие возникновения жизни связано с массой и размерами нашей планеты. Доказано, что если масса планеты больше чем 1/20 массы Солнца, на ней начинаются интенсивные ядерные реакции.

Следующим важным условием возникновения жизни являлось наличие воды (Рис.1 ). Значение воды для жизни исключительно. Это обусловлено ее специфическими термическими особенностями: огромной теплоемкостью, слабой теплопроводностью, расширением при замерзании, хорошими свойствами как растворителя и др.

Рисунок 1. Структура молекулы воды и ее вид в электронном микроскопе

Третьим элементом явился углерод, который присутствовал на Земле в виде графита и карбидов. Из карбидов при их взаимодействии с водой образовывались углеводороды (Рис.2 ).

Рисунок 2. Структура углеводорода

Четвертым необходимым условием являлась внешняя энергия. Такая энергия на земной поверхности имелась в нескольких формах: лучистая энергия Солнца, в частности ультрафиолетовый свет, электрические разряды в атмосфере и энергия атомного распада природных радиоактивных веществ (Рис.3 ).

Рисунок 3. Излучение Солнца и распад радиоактивного вещества на примере Урана-238

ПОЯВЛЕНИЕ ЖИВЫХ СУЩЕСТВ

Земля после ее возникновения длительное время находилась в таком раскаленном состоянии, что никаких химических соединений на ней не могло быть. Первые соединения, которые появились после охлаждения земного шара, были углеводороды и аммиак. В результате химических превращений производных этих веществ и взаимодействия их между собой в водной среде образовались углеводы, аминокислоты, жироподобные вещества и другие сложные органические соединения. Дальнейшие взаимодействия между упомянутыми соединениями привели к возникновению и объединению больших молекул в каплевидные образования, отделенные от окружающего их водного раствора, из которого они могли поглощать разные вещества. В одних случаях поглощение каплями различных веществ могло приводить к распаду этих капель, в других -- к их увеличению. Оставались такие капли, в которых устанавливалось определенное соотношение между процессами синтеза и распада составляющих их веществ, на ход которых влияли различные катализаторы. Впоследствии появились наиболее совершенные каталитические вещества белковой природы -- ферменты, способствующие ускорению химических процессов и усилению их специфичности.

Такие системы, которые были прообразами очень простых живых существ, имели больше шансов сохраниться, чем те системы, в которых процессы шли медленнее и взаимодействие их с веществами водного раствора было менее активным. Таким образом, с известным правом можно утверждать, что в возникновении первых организмов сыграли роль процессы, напоминающие те, которые совершаются при естественном отборе.

Первые организмы были гетеротрофами и в основном питались органическими веществами, возникшими без участия организмов. Размах их синтетических процессов был еще незначителен; создавать из неорганических соединений органические вещества они не могли ввиду отсутствия у них необходимых для этого аппаратов. В атмосфере, окружавшей рассматриваемые организмы, свободного кислорода не было, так как он был поглощен при остывании Земли в процессе различных реакций. Следовательно, у первых организмов диссимиляция происходила по типу брожения с освобождением сравнительно небольшого количества энергии. Это ограничивало их активность и уменьшало возможности синтеза органических веществ, образующихся с поглощением энергии. Строение их было простое, специальных частей, выполняющих определенные функции, еще, вероятно, не было.

Когда на Земле возникли вещества подобные белкам, начался новый этап в развитии материи -- переход от органических соединений к живым существам. Первоначально, органические вещества находились в морях и океанах в виде растворов. В них не было какого-либо строения, какой-либо структуры. Но когда подобные органические соединения смешивались между собой, из растворов выделялись особые полужидкие, студенистые образования -- коацерваты (Рис.4 ). В них концентрировались все находящиеся в растворе белковые вещества.

Рисунок 4. Коацерватная капля под микроскопом

Хотя коацерватные капельки были жидкие, они обладали определенным внутренним строением. Частицы вещества в них были расположены не беспорядочно, как в растворе, а с определенной закономерностью. При образовании коацерватов возникали зачатки организации, однако, еще очень примитивной и неустойчивой (Рис.5 ). Для самой капельки эта организация имела большое значение. Любая коацерватная капелька была способна улавливать из раствора, в котором плавает, те или иные вещества. Они химически присоединялись к веществам самой капельки. Таким образом, в ней протекал процесс созидания и роста. Но в любой капельке наряду с созиданием существовал и распад. Тот или иной из этих процессов, в зависимости от состава и внутреннего строения капельки, начинал преобладать.

Рисунок 5. Организация коацерватной капли

В результате, в каком-нибудь месте первичного океана смешались растворы белковоподобных веществ и образовались коацерватные капельки. Они плавали не в чистой воде, а в растворе разнообразных веществ. Капельки улавливали эти вещества и росли за их счет. Скорость роста отдельных капелек была неодинакова. Она зависела от внутреннего строения каждой из них.

Если в капельке преобладали процессы разложения, то она распадалась. Вещества, ее составляющие, переходили в раствор и поглощались другими капельками. Более или менее длительно существовали лишь те капельки, в которых процессы созидания преобладали над процессами распада.

Таким образом, все случайно возникающие формы организации сами собой выпадали из процесса дальнейшей эволюции материи.

Каждая отдельная капелька не могла расти беспредельно как одна сплошная масса -- она распадалась на дочерние капельки. Но каждая капелька в то же время была чем-то отлична от других и, отделившись, росла и изменялась самостоятельно. В новом поколении все неудачно организованные капельки погибали, а наиболее совершенные участвовали в дальнейшей эволюции материи. Так в процессе возникновения жизни происходил естественный отбор коацерватных капелек. Рост коацерватов постепенно ускорялся. Причем научные данные подтверждают, что жизнь возникла не в открытом океане, а в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболее благоприятные условия для концентрации органических молекул и образования сложных макромолекулярных систем.

В конечном итоге усовершенствование коацерватов привело к новой форме существования материи -- к возникновению на Земле простейших живых существ (Рис.6 ). Вообще, исключительное разнообразие жизни осуществляется на единообразной биохимической основе: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких соединений типа фосфатов.

Рисунок 6. Первые живые существа. Этим остаткам древнейших бактерий 3,5 млрд лет

Основные химические элементы, из которых построена жизнь, -- это углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, организмы используют для своего строения простейшие и наиболее распространенные во Вселенной элементы, что обусловлено самой природой этих элементов. Например, атомы водорода, углерода, кислорода и азота имеют небольшие размеры и образовывают устойчивые соединения с двух и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность. А образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизни вообще невозможны, связано со специфическими химическими особенностями углерода.

Сера и фосфор присутствуют в относительно малых количествах, но их роль для жизни особенно важна. Химические свойства этих элементов дают возможность образования кратных химических связей. Сера входит в состав белков, а фосфор -- составная часть нуклеиновых кислот.

Для возникновения и развития жизни на планете необходимо, чтобы выполнялся ряд условий весьма общего характера. Совершенно очевидно, что далеко не на всякой планете может возникнуть жизнь. Хорошим примером является Луна, практически лишенная атмосферы и полностью лишенная водной оболочки -- гидросферы. Конечно, при таких условиях говорить о какой бы то ни было жизни на Луне не приходится.

Жизнедеятельность любого организма есть, прежде всего, совокупность различных согласованных между собой сложных химических процессов. Жизнь может возникнуть только тогда, когда на планете уже имеются достаточно сложные молекулярные соединения. Само образование таких соединений, химические реакции между ними, в конечном итоге давшие начало живому веществу, и жизнедеятельность образовавшихся на планете организмов требуют, в частности, подходящих температурных условий. Слишком высокие и слишком низкие температуры исключают возможность возникновения и развития жизни. В равной степени губительны для возникновения и развития жизни очень резкие колебания температуры.

Мы можем представить себе вокруг каждой звезды, имеющей планетную систему, область или зону, где температурные условия на планетах не исключают возникновения и развития жизни. Ясно, что в достаточной близости от звезды температуры планет будут слишком высокими для возникновения жизни. Хорошей иллюстрацией сказанному является Меркурий, температура обращенной к Солнцу части которого выше температуры плавления свинца. На достаточно большом удалении от звезды температура планет будет слишком низкой. Нелегко себе представить, например, жизнь на Уране и Нептуне, температура поверхностей которых -200 °С. Нельзя, однако, недооценивать огромную приспособляемость (“адаптацию”) живых организмов к неблагоприятным условиям внешней среды. Следует еще заметить, что для жизнедеятельности организмов значительно “опаснее” очень высокие температуры, чем низкие, так как простейшие виды вирусов и бактерий могут, как известно, находиться в состоянии анабиоза при температуре, близкой к абсолютному нулю.

Температура планеты определяется прежде всего количеством излучения от звезды, падающим на единицу площади ее поверхности за единицу времени. По этой причине размеры “зон обитаемости” для разных звезд различны. Они тем больше, чем выше светимость звезды, т. е, чем более “ранним” является ее спектральный класс.

У красных карликов спектрального класса М, а также поздних подклассов К внешний радиус “зоны обитаемости” становится очень маленьким, меньше, например, радиуса орбиты “нашего” Меркурия. Поэтому вероятность того, что хотя бы одна из планет, обращающихся вокруг таких карликов красных звезд, находится в пределах “зоны обитаемости”, как можно думать, невелика. Следует, однако, заметить, что планетные системы, окружающие звезды, могут по своим характеристикам значительно отличаться от единственной планетной системы, которую мы пока знаем,-- нашей Солнечной системы. В частности, не исключено, что вокруг красных карликовых звезд планеты могут обращаться по сравнительно небольшим орбитам.

Если сделать весьма “оптимистическое” предположение, что планеты, на которых возможна жизнь, имеются у всех звезд главной последовательности, спектральные классы которых более “поздние”, чем F5, и более “ранние”, чем К5, то окажется, что лишь 1--2% всех звезд в Галактике могут быть “обитаемы”. Учитывая, что число всех звезд в нашей звездной системе около 150 млрд., мы приходим к довольно “утешительному” выводу: по крайней мере у миллиарда звезд нашей Галактики могут быть планетные системы, на которых в принципе возможна жизнь.

Нужно, впрочем, считаться с еще одним обстоятельством. Как известно, около половины всех звезд входит в состав кратных систем. Представим себе планету в системе двойной звезды. Вообще говоря, ее орбита будет довольно сложной незамкнутой кривой. Вычисление характеристик такой орбиты представляет достаточно трудную математическую задачу. Это так называемая “ограниченная” задача трех тел. По сравнению с общей задачей о движении трех тел, взаимно притягивающихся по закону Ньютона, “ограниченная” задача проще, так как масса планеты ничтожна по сравнению со звездами и не оказывает влияния на движение звезд.

Двигаясь по своей сложной орбите, планета временами может приближаться к одной из звезд на небольшие расстояния, а временами удаляться от звезд очень далеко. В соответствии с этим температура поверхности планеты будет меняться в недопустимых для возникновения и развития жизни пределах. Поэтому вначале считали, что около кратных звезд не могут быть обитаемые планеты. Но свыше 30 лет назад Су Шухуанг пересмотрел этот вопрос и показал, что в отдельных случаях может быть такое движение планет по периодическим орбитам, при котором температура их поверхностей меняется в допустимых для развития жизни пределах. Для этого нужно, чтобы относительные орбиты звезд были близки к круговым.

Периодические орбиты планет, допускающие развитие жизни, лежат либо внутри поверхности, проходящей через L1, либо снаружи поверхности, проходящей через L2. Если массы обеих звезд одинаковы, то внутри поверхности, проходящей через L1, орбиты, подходящие для развития жизни, будут существовать при условии, что расстояние между звездами а > 2l1/2 (а выражено в астрономических единицах), где l -- светимость каждой из звезд (в единицах светимости Солнца). Когда а станет больше 13l1/2, каждую из компонент двойной системы можно рассматривать для интересующей нас задачи как одиночную звезду.

Заметим, что у многих двойных систем расстояние между компонентами превосходит это “критическое” значение. Следовательно, в принципе вокруг достаточно удаленных друг от друга компонент двойной системы, движущихся по почти круговой орбите, возможно наличие обитаемых планет. В случае, когда компоненты двойной системы достаточно близки друг к другу, подходящие периодические орбиты могут быть вне поверхности, проходящей через L2. Как показывают вычисления Су Шухуанга, при равных массах компонент двойной системы орбиты, подходящие для возникновения и развития жизни, могут быть при условии, что а < 0,4l1/2. Таким образом, в области значений 2l1/2 > а > 0,4l1/2 исключается возможность существования обитаемых планет.

Аналогичные результаты можно получить путем вычисления и для более общего случая, когда массы компонент двойной системы не равны. Таким образом, мы должны сделать вывод, что и в кратных звездных системах, в принципе могут быть планеты, температурные условия на которых не исключают возможности возникновения и развития жизни. Следует, однако, отметить, что вероятность существования таких планет около одиночных звезд значительно выше. Впрочем, возможно, что образование кратных звезд и планет суть процессы, взаимно исключающие друг друга.

Для оценки количества звезд в Галактике, вокруг которых, как можно полагать, обращаются обитаемые планеты, учет кратных звезд не имеет, конечно, серьезного значения, так как мы едва можем грубо оценить только порядок этой величины. При таких расчетах коэффициент 1,5 -- 2 не играет роли. Другое дело, когда речь идет о вероятности существования обитаемых планет в какой-нибудь совершенно определенной кратной системе, по тем или иным причинам представляющей для нас интерес. Например, одна из ближайших звезд -- а Центавра -- кратная система. Естественно, что вопрос о возможном наличии в этой системе обитаемых планет представляет для нас особый интерес.

Центавра является тройной системой. Относительная орбита двух наиболее массивных компонент этой системы -- эллипс с большой полуосью, равной 23,4 астрономической единицы, и с довольно значительным эксцентриситетом: 0,52. Таким образом, расстояние между двумя главными компонентами достаточно велико, чтобы вокруг каждой из них могли существовать подходящие планетные периодические орбиты (см. выше). Однако большая величина эксцентриситета звездных ор-бит требует для этого случая специального рассмотрения (напомним, что приведенные результаты вычислений Су Шухуанга относятся к случаю круговых орбит компонент двойной системы). Нужно, впрочем, заметить, что система а Центавра, по-видимому, сравнительно молодая. Входящие в нее звезды, возможно, еще не “сели” на главную последовательность. Поэтому маловероятно, что там могут быть планеты даже с примитивными формами жизни.

Как уже подчеркивалось, для развития жизни на какой-нибудь планете необходимо, чтобы температура последней находилась в определенных допустимых пределах. Этим требованием определяются размеры и само наличие “зон обитаемости”. Кроме того, необходимо, чтобы излучение звезды на протяжении многих сот миллионов и даже миллиардов лет оставалось приблизительно постоянным. Например, обширный класс переменных звезд, светимости которых сильно меняются со временем (часто периодически), должен быть исключен из рассмотрения.

Однако подавляющее большинство звезд главной последовательности излучает с удивительным постоянством. Например, согласно геологическим данным, светимость нашего Солнца за последние несколько миллиардов лет оставалась постоянной с точностью до нескольких десятков процентов. По-видимому, такое постоянство светимости есть общее свойство большинства звезд главной последовательности. Таким образом, важное условие постоянства светимости звезды -- центра планетной системы -- почти во всех случаях удовлетворяется, во всяком случае, если речь идет о звездах с массой, близкой к солнечной.

Мы довольно подробно рассмотрели температурные условия, при которых возможно возникновение и развитие жизни на той или иной планете, но эти условия, конечно, не единственные. Очень важное значение для рассматриваемой нами проблемы имеют масса образовавшейся каким-либо способом планеты и химический состав ее атмосферы. По-видимому, эти две первоначальные характеристики планеты не являются независимыми. Рассмотрим сперва случай, когда масса образовавшейся планеты невелика. Молекулы и атомы в верхних слоях атомсферы, где ее плотность низка, двигаются с различными скоростями. Часть из них имеет скорость, превышающую “вторую космическую скорость” (астрономы называют эту скорость “параболической”), и будет беспрепятственно уходить за пределы планеты. Этот процесс, до некоторой степени напоминающий испарение, называется “диссипацией”. Очевидно, эффективная диссипация может происходить там, где плотность атмосферы настолько низка, что “ускользающие” атомы уже не испытывают столкновений с другими атомами. Если бы такие столкновения имели место, то они могли бы изменить величину и направление скорости ускользающих атомов, что препятствовало бы диссипации.

Диссипация планетных атмосфер происходит непрерывно, так как всегда найдется некоторое количество молекул (атомов), которые при данной температуре атмосферы имеют скорости, направленные “вверх” и превосходящие параболическую. Однако для разных газов доля диссипирующих частиц будет различной. Больше всего она для легких газов -- водорода и гелия. Само собой разумеется, что количество диссипирующих частиц зависит, и притом очень чувствительно, от температуры атмосферы на тех высотах,- где происходит диссипация.

Таким образом, чтобы на планете могла возникнуть и развиваться жизнь, ее масса не должна быть слишком маленькой. С другой стороны, слишком большая масса планеты также является неблагоприятным фактором. Планеты, массы которых достаточно велики (например, близки к массам планет-гигантов Юпитера и Сатурна), полностью удерживают свою первоначальную атмосферу. Эта “первобытная” атмосфера должна быть очень богата водородом, так как первоначальная среда, из которой образовались планеты, имела примерно тот же химический состав, что и звезды, которые в основном состоят из водорода и гелия.