2.3. Химическая эволюция на Земле

2.3. Химическая эволюция на Земле

Одна из современных гипотез утверждает, что наша планета никогда не была расплавлена полностью (Лосев, 1985, с. 40–41). Предположение о том, что Земля сформировалась в виде относительно холодного твердого тела и затем постепенно разогревалась теплом, выделившимся при распаде радиоактивных элементов, принадлежит Ю. Ю. Шмидту. Оказывается, в процессе аккумуляции планет в газопылевом облаке, где главным их источником являлись твердые частицы, могли образоваться очаги расплавленной магмы, в которых начиналась дифференциация Земли на силикатную мантию и железное ядро (Рускол и Сафронов, 1990, с. 72–79). Действительно, если бы планета изначально была огненно-жидким телом, то должны были бы сохраниться мощные отложения карбонатных осадков, выпавших из охлаждающейся атмосферы. Подобных осадков нет.

Имеются и другие факты, подтверждающие идею Шмидта. Например, из раскаленной атмосферы улетучились бы благородные газы, но они сохранились, и т. д. Знание начальных сценариев формирования Земли важны для понимания ее роли в возникновении жизни, а, следовательно, и ее биосферы.

Изучая химический состав пузырьков воздуха, извлеченных из древних пород Земли, ученые установили, что он состоял из азотно-аммиачно-углекислых компонентов.

Этот факт свидетельствует о том, что на первых этапах становления планеты в ее атмосфере отсутствовал кислород. Она была восстановительной. Если бы это было не так, то появляющиеся первые органические вещества сразу бы окислялись. Выяснено, что в лабораторных опытах получить органические соединения из неорганических элементов можно только при отсутствии кислорода. Кстати, не из-за агрессивности ли кислорода многие животные, в том числе и человек, не имеют его про запас (депо этого газа). Так, без пищи можно прожить много дней, без воды три дня, а без кислорода – минуты.

Правильно ли ученые составили представление о химическом составе первичной атмосферы?

Доказательством этому является тот факт, что в древних морских отложениях железных руд было обнаружено высокое содержание закисного железа (FeO) по отношению к окисному (Fe₂O₃). Если бы атмосфера была окислительной (содержащей кислород), то окисное железо не вымывалось бы в океан, а, следовательно, сохранялось в коре континентов.

Существуют убедительные доказательства того, что в становлении трех геосфер (атмосфера, гидро– и литосфера) основополагающую роль сыграл ряд совпавших между собой процессов:

1) разогретая планета;

2) бескислородная атмосфера;

3) активная вулканическая деятельность.

Огромную роль в «запуске» конвейера химической эволюции играли вулканы. Через тысячи вулканических жерл из глубин Земли на поверхность было вброшено огромное количество газов и водяного пара. Бдагодаря им в атмосферу поступили сероводород, метан и аэрозоли соляной и фториевой кислот. Сейчас из своих недр Земля выбрасывает ежегодно через вулканы 3 10¹⁵ г вещества. За всю историю планеты вулканы выбросили 2,86 10²⁵ г

(Лосев, 1985, с. 41) (округляя, 3 10²⁵ г) веществ. Дегазации из этой массы водяных паров было вполне достаточно для возникновения гидросферы, которая состояла из воды с резко выраженной кислой реакцией. Так как атмосфера была лишена кислорода и являлась разреженной и холодной, это способствовало конденсации водяного пара в жидкость, насыщенную растворенными в ней агрессивными газами. В нашем понимании это была не вода, а смесь разбавленных кислот с преобладанием угольной кислоты и большим содержанием кремниевой кислоты. Отсутствовал озоновый экран (для его создания в атмосфере было необходимо наличие соответствующей концентрации кислорода). Следовательно, ультрафиолетовое излучение Солнца препятствовало зарождению жизни на суше. К ее поверхности свободно проникала «жесткая», смертельная для живых организмов радиация, заключенная в пределах от 0,8 10^-7 до 0,39 мкм. Из этого следует, что возникновение жизни происходило в океане.

Прежде всего, в основе живого могут лежать только углеродные соединения. Причина заключается в том, что характер химических связей в углеродном соединении принципиально отличен от всех других. Атомы углерода могут образовывать ковалентные связи с 4 атомами углерода. Поэтому на основе углерода может существовать огромное разнообразие конфигураций размеров структур молекул и соединенных с ними функциональных групп, которые невозможны для иного другого химического элемента. Только кремний может быть конкурентом углерода, но, несмотря на то, что этот элемент имеет большее распространение в природе, чем углерод, в присутствии кислорода связи кремний-кремний нестабильны, и это предопределяет невозможность жизни на основе кремний-органических соединений. Таким образом, углерод явился важнейшим конструкционным элементом (связующим «материалом») всех живых организмов.

Особая роль в зарождении жизни на Земле принадлежит воде. Если рассмотреть химический состав живого вещества, можно убедиться в том, что среди многих ее веществ на первом месте по массе стоит вода (75 и более процентов). Высокое содержание воды в клетке – важнейшее условие ее деятельности. Уже этого факта достаточно для того, чтобы утверждать, что все живые организмы вышли из океана. Поэтому, например, не вызывает удивления тот хорошо известный факт, что соотношения основных химических компонентов в морской воде и в крови практически одинаковы.

В чем же уникальность воды?

Оказывается, что она может находиться в трех фазах – жидкой, твердой (лед) и газообразной (пар) – и является хорошим растворителем. Очень существенным моментом в функционировании океана является постоянство его солевого состава как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении.

Выше уже упоминалось о том, что основатель учения о биосфере В. И. Вернадский даже предлагал принять соотношение основных компонентов морской воды за константу нашей планеты, аналогично тому, как характерной константой вещества служит точка его плавления. Стабильность химического состава морской воды свидетельствует о том, что океан следует рассматривать как систему, способную сохранять постоянство своего внутреннего состояния – гомеостаз. Следовательно, гидросфера является саморегулирующейся системой, находящейся в относительно равновесном (стационарном) состоянии. При отклонении же ее параметров от таковых включаются механизмы, приводящие ее в первоначальное состояние. Это возможно при условии, что океан подчиняется принципу Ле-Шателье. Данная особенность океана, по-видимому, предопределила у живых организмов постоянство внутренней среды (плазма крови и др.), нарушение которой чревато самыми серьезными последствиями для его жизнедеятельности. Вот почему, даже будучи изолированными от океана, неузнаваемо меняясь по форме и содержанию в новой обстановке на протяжении миллионов лет, живые организмы не утратили химических особенностей морской воды.

Элементы, из которых построена молекула воды, – кислород и водород – порознь представляют собой элементарные электростатические сбалансированные системы. Сведенные в одну молекулу два атома водорода и один атом кислорода формально ничего нового не внесли в молекулярную структуру воды. Суммарная масса ее молекулы и взятых порознь ее составляющих элементов равна 18 атомным единицам. Число элементарных частиц – протонов, электронов и нейтронов – тоже одинаково. Однако по свойствам молекула Н₂О – это не просто сумма 2Н и О, а нечто новое, элементы которого определенным образом взаимосвязаны и организованы. Суть данного свойства заключается в том, что свойства целого (молекула воды) не сводятся к сумме свойств его частей. Искомая закономерность именуется эмерджентностью. Эти свойства возникают в результате взаимодействия компонентов, а не в результате изменения природы самих компонентов (Одум, 1986, с. 15–18). Аналогичное утверждение можно найти в работах отечественных ученых (Самарский, 1989, с. 9–29). Они считают, что результат «одновременного действия нескольких факторов на какой-либо объект неравнозначен сумме результатов, вызываемых теми же факторами, если они действуют по отдельности» (нарушение принципа суперпозиции). Здесь вполне уместны вопросы: а есть ли какой-либо реально ощутимый эффект эмерджентности системы? Есть ли какая-нибудь ощутимая разница в том, представляет ли собой вода определенным образом организованную совокупность взаимодействующих элементов (систему), или это просто огромное количество молекул Н₂О?

Можно, в соответствии с таблицей Менделеева, рассчитать свойства и состояние «воды», не обладающей присущей ей структурной особенностью. Для этого нужно экстраполировать характеристики химических аналогов воды, соединений водорода с элементами той же подгруппы, что и кислород. Оказалось, что температура плавления воды вместо 0 С должна бы быть равна -95 С, а температура кипения вместо 10 °C должна быть -65 С. Следовательно, если бы вода была «нормальным» веществом, без водородных связей и обусловленной ими упорядоченности, она существовала бы на Земле только в виде пара, как сероводород. Если допустить, что модельная вода смогла бы обладать свойствами истинной жидкости, т. е. находиться в трех фазах и даже кипеть при 10 °C, то теплоемкость этой воды все же была бы значительно ниже истинной и Землю бы «лихорадило»: температура то очень быстро поднималась бы до 10 °C с плюсом, при этом испарялась бы вся масса воды, то так же быстро падала ниже 10 °C, со знаком минус, и океан превращался бы в лед (Лебедев и др., 1974, с. 9899).