Проблема происхождения жизни на Земле и ее эволюции - это прежде всего проблема происхождения веществ определенного состава, в первую очередь белков, и их изменения в ходе геологического времени. С другой стороны, жизнь - это особая сфера выявления и использования энергии, поступающей извне иди возникающей внутри организмов, и, таким образом, жизнь есть форма энергетического состояния, зависящего от энергетического и вещественного состава окружающей среды.
Происхождение и развитие жизни на Земле - это одна из важнейших проблем для целого ряда наук, каждая из которых помогает выяснить ту или иную сторону проблемы. Это прежде всего биогеохимия, основоположником которой был академик В. И. Вернадский (1863-1945). Она раскрывает связи между живым и минеральным - косным веществом Земли в биосфере, что важно для разработки проблемы возникновения и развития жизни.
Владимир Иванович Вернадский (1863-1945)
Геохимия, создателями которой были также академики В. И. Вернадский и А. Е. Ферсман (1883-1946), позволяет понять роль химических элементов и их изотопов в образовании минеральных и органических соединений, а это раскрывает также и особенности геохимических процессов далекого геологического прошлого. Кроме того, геохимия дает замечательный метод определения абсолютного геологического возраста минеральных и органических образований, а стало быть, и меру геологического времени для различных процессов, имевших место в земной коре или на ее поверхности.
Палеонтология дает нам конкретные указания о составе организмов отдаленных геологических периодов, эволюция которых привела к появлению бактерий и современного мира растений и животных на Земле.
Микробиология (бактериология, вирусология) дает замечательные материалы по морфологии и физиологии мельчайших живых существ, среди которых насчитывается немало родственных, давно вымерших форм.
Астрономия и астрофизика, изучая состав и строение космических тел, раскрывают особенности протекающих физико-химических процессов, исследуют состав и строение Солнца и других планет.
Биохимия позволяет составить представление о том, как первичные химические компоненты Земли преобразовались в органические, сначала неживые, а затем в живые вещества, а также поясняет сущность процессов, протекающих внутри организма. Современная экспериментальная биохимия уже может из простых углеродных соединений создавать сложные, в том числе и основные составные части белка - аминокислоты, а из комбинаций аминокислот - и белок (правда, еще неживой).
Так, сотрудничество целого ряда наук позволяет проследить развитие организмов на Земле в процессе ее эволюции под влиянием эволюции среды. Благодаря достижениям этих наук, излагаемые здесь взгляды постепенно превращались из гипотез в научные теории.
Предлагаемая вниманию читателя книга посвящена рассмотрению великой и прочной связи жизни с Землей, со средой ее развития, связи жизни и минерального, косного вещества земной коры. Мы попытаемся проследить, как изменялись формы жизни в результате изменения среды ее обитания, пока, наконец, после длительной эволюции жизнь не приобрела те формы и связи, которые мы можем наблюдать ныне.
Наука, как и жизнь, раз зародившись, развивается и непрерывно решает одну задачу за другой. Открывая новые и новые факты, она все полнее и точнее раскрывает тайны природы. Не было большей загадки, чем происхождение жизни на Земле. Поэтому этой проблеме посвящаются многочисленные труды различных специалистов. Попыткой обобщить эти труды и является предлагаемая книга.
Автор выражает глубокую признательность академику В. Г. Фесенкову, члену-корреспонденту АН СССР С. И. Кузнецову и профессору А. А. Яковлеву за ценные указания при подготовке книги.
Земля в солнечной системе
Благодаря успехам астрономии, астрофизики и ядерной физики, развитию техники и приборостроения пытливый ум человека раскрывает все новые и новые детали строения и состава Вселенной. Развитие наук наряду с успехами техники, развитием методики познания окружающего нас мира продвинулось весьма значительно. Решаются многие вопросы, прежде признававшиеся очень сложными или даже неразрешимыми.
Мы знаем сейчас, что наша Солнечная система изолирована от других групп космических тел. Если представить, что удаленнейшая от Солнца планета Плутон отстоит от него на расстоянии 40 см, тогда радиус орбиты Земли составил бы всего 4 см, а ближайшая к нам звезда Альфа Центавра оказалась бы на расстоянии 2,7 км. Астрономическая наука раскрыла свойства огромного количества космических тел, и все это солнца-звезды. Открытие даже крайних планет Солнечной системы было трудным делом, поскольку они светятся лишь отраженным светом. Поэтому можно полагать, что отстоящие друг от друга на огромных расстояниях другие системы космических тел содержат не только звезды с их разнотипными ядерными реакциями, но и планеты - относительно мелкие тела, подобные планетам Солнечной системы. Из них астрономы могут обнаружить лишь тела, обладающие собственным светом.
Солнечная система, включающая 9 больших планет, 32 их спутника, более 1500 астероидов, или так называемых "малых планет", около 1000 комет и бесчисленное множество мелких космических тел,- летит в космическом пространстве со скоростью 19 км/с. Все тела, входящие в Солнечную систему, движутся с различными скоростями по своим орбитам, подчиняясь влиянию Солнца и друг друга.
Солнечная система к настоящему времени исследована достаточно хорошо. Изучение ее продолжается и приносит все новые результаты.
Краткие сведения о Солнце и планетах приведены в следующей таблице.
Масса Солнца в 744 раза больше массы всех планет вместе взятых. Солнце более чем на 70% по массе состоит из водорода и на 28% - из гелия. На все остальные элементы приходится менее 2%. Все планеты Солнечной системы по физическим свойствам и химическому составу делятся на 2 группы. Планеты земной группы - Меркурий, Венера, Земля и Марс - обладают значительной плотностью и состоят в основном из силикатов и металлов. Планеты-гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун - обладают малой средней плотностью, имеют мощные атмосферы и состоят в основном из легких летучих элементов. Самая далекая от Солнца планета Плутон, открытая в 1930 г., еще мало изучена.
Происхождение Солнечной системы долгое время было предметом научных дискуссий. Было выдвинуто несколько гипотез, по-разному объяснявших ее возникновение. Очень долго в космогонии господствовало представление о конденсации планет из раскаленных сгустков солнечных газов. Однако сейчас твердо установлено, что наша планетная система образовалась из холодного газово-пылевого облака, которое некогда существовало вокруг Солнца. Вопрос о происхождении этого допланетного облака пока еще не решен, но наиболее вероятно, что оно образовалось совместно с Солнцем. В настоящее время установлено, что атомы вещества, из которого "построены" Солнце и планеты, образовались при взрывах сверхновых звезд, которые происходили в нашей Галактике в течение, по крайней мере, 10 млрд. лет. Последняя доля из продуктов такого взрыва была получена веществом Солнечной системы от 30 до 300 млн, лет назад.
Протопланетное облако, из которого образовалась Земля и другие планеты, первоначально, к тому времени, когда Солнце уже сформировалось, имело температуру около 2000° С и находилось в газообразном состоянии. На 98% оно состояло из водорода и гелия, а 2% приходилось на долю всех остальных элементов, которые при охлаждении облака сконденсировались в пылевые частицы. При температурах 1800-1900° С сгущались самые нелетучие вещества. При температуре 1600° С конденсировалось железо. Благодаря присутствию водорода оно выделялось в металлическом виде. При остывании облака до 1400° С затвердевали силикаты. При температуре 600° С образовывалось сернистое железо.
Процесс объединения образовавшихся при охлаждении облака пылевых частиц в планеты был рассмотрен акад. в О. Ю. Шмидтом. При этом О. Ю. Шмидт дал объяснение основных закономерностей планетной системы. Космогонист В. С. Сафронов, продолживший разработку теории О. Ю. Шмидта, изучив законы объединения и дробления в протопланетном облаке, вычислил время роста Земли. Земля приобрела 98% своей массы за 100 млн. лет. В различных частях протопланетного облака температура была неодинаковой. В областях далеких от Солнца она была очень низкой, и все вещества, кроме водорода и гелия, конденсировались в частицы. Среди них преобладали ледяные частицы метана, аммиака, воды, которые вошли в состав планет-гигантов. В области планет земной группы температура была значительно выше, и все летучие вещества и в том числе метан и аммиак остались в газовом состоянии, в образовавшиеся здесь небольшие плотные планеты состоят - в основном из силикатов и металлов. Незамерзавшие водород и гелий рассеялись в пространстве под действием мощного "солнечного ветра" - потока быстрых частиц, извергавшихся Солнцем на заключительной стадии его формирования. Эти газы были потеряны на раннем этапе образования планет, когда массы зародышей почти всех будущих планет были еще малы. Только зародыши Юпитера и Сатурна были достаточно велики для того, чтобы своим тяготением удерживать значительные количества газов на поверхности. Весь газ, оставшийся в облаке в области Юпитера и Сатурна, был поглощен их зародышами, и потому их масса оказалась много больше масс других планет, а химический состав мало отличается от солнечного состава.
