Кукк В.А., Сергеев С.В., Решетников Б.А. Учебное пособие концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

200

сейсмических волн и плотности оболочек. Увеличение плотности

прохождения вещества с увеличением глубины говорят о том, что ядро

состоит из более тяжелых элементов, чем мантия. Ученые считают, что ядро

состоит из железа и никеля, что соответствует составу наиболее тяжелых

железных метеоритов. В составе мантии преобладает вещество более легких

каменных и железокаменных метеоритов, состоящих из окислов железа,

магния, кремния, алюминия и кальция. Такое распределение легких камней

вокруг тяжелых могло произойти в период формирования планеты Земля или

в процессе дифференциации (расщепление) метеоритного вещества на

тяжелую и легкую материю в процессе эволюции Земли. Представления о

различном фазовом состоянии вещества глубинных оболочек основывается

не только на изменении скорости сейсмических волн, но и на изменении

термодинамических условий (повышение температуры и давления) с

увеличением глубины. Некоторые ученые считают, что в ядре Земли, где

господствуют температуры в тысячи градусов и давление в миллиарды

Паскалей, первоначальное вещество Земли потеряло кристаллическую

структуру и благодаря разрушению электронных оболочек атомов перешло в

металлизированное состояние, приведшее к сближению ядер элементов и

следовательно, к сильному повышению плотности вещества.

Более точную характеристику вещества глубоких недр можно получить

лишь непосредственными химическими исследованиями образцов горных

пород. Такая возможность не существует пока для изучения, так как

вещества земной коры, залегают на глубинах до 20 км. О составе вещества

верхней мантии Земли могут свидетельствовать лишь образцы горных пород,

поднятые научными экспедициями из глубоководных рифтов. Эти породы по

плотности соответствуют веществу верхней мантии и состоят из окислов

железа, магния и кремния. В настоящее время наука располагает данными

химических исследований образцов пород базальтовой оболочки Земли,

полученных при бурении глубоководных скважин в океане. Эти породы,

состав которых также близок к перидотитам

, считают продуктом

дифференциации вещества верхней мантии. Предполагается, что такая

дифференциация возможна в слое пониженной плотности — астеносфере.

По поводу образования гранитной оболочки земной коры, состоящей из

легких окислов кремния, алюминия, натрия, калия, существуют два мнения.

Одни исследователи считают, что гранитная оболочка — продукт

дифференциации вещества земной коры, другие связывают ее образование с

последующим переплавлением ранее образованных осадочных горных

пород.

Химический состав осадочного слоя несколько неоднороден. Среди

преобладающих в породах легких окислов кремния и алюминия обнаружены

окислы железа, магния, кальция, натрия, калия, в небольших количествах

Периодотит — ультраосновная полнокристаллическая горная порода, состоящая

главным образом из оливина (40–90%) и пироксена, редко роговой обманки или

слюды. С перидотитом связаны месторождения хромита, платины, никеля и др.

201

присутствуют более тяжелые химические элементы, попавшие в

поверхностные слои вместе с продуктами глубинного магматического

расплава.

Всего в земной коре встречается 92 элемента таблиц Д.И. Менделеева.

Эволюция химических элементов связана с историей развития Земли. В

процессе эволюции происходило усложнение строения их ядер и

электронных оболочек. Из простых по строению элементов (водород, гелий)

формировались более сложные. Химические элементы встречаются в земной

коре в атомарном, ионизированном и молекулярном состояниях. Они

образуют газы, жидкости и твердые тела. Процентное содержание элементов

в земной коре варьируется в широких пределах. Одни из них (кислород,

кремний, алюминий) встречаются в природе в больших количествах, другие

в сотых, тысячных и более малых долях процента. Первую попытку

подсчитать среднее содержание элементов в горных породах сделал в 1889 г.

американский геохимик Ф. Кларк. Несколько позже этим вопросом

занимались А.П. Виноградов, В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман. Они уточнили

цифры, полученные Ф. Кларком. По предложению А.Е. Ферсмана, среднее

содержание элемента в земной коре стали называть кларком.

Из данных таблицы 1 следует, что основная масса вещества земной коры

(99,79%) состоит из девяти химических элементов: кислорода, кремния,

алюминия, железа, кальция, натрия, калия, магния, водорода.

Таблица 1

Содержание наиболее распространенных в земной коре элементов

(по А.П. Виноградову)

Элементы Процент от

общей массы

Элементы Процент от

общей массы

Кислород 47,2 Натрий 2,64

Кремний 27,6 Калий 2,6

Алюминий 8,8 Магний 2,1

Железо 5,1 Водород 0,15

Кальций 3,6 Все остальные 0,21

Геохимические поиски полезных ископаемых, это методы, основанные на

исследовании закономерностей распределения химических элементов в

литосфере, гидросфере, атмосфере и биосфере с целью обнаружения

месторождений полезных ископаемых.

Благодаря миграции элементов между оболочками земной коры

осуществляется взаимный обмен веществом. Осуществляется он между

разными участками земной коры, в том числе между океанами и

континентами. Однако исследования химического состава земной коры

континентального и океанического типов показали, что между ними имеются

заметные различия. В континентальной земной коре выше, чем в

океанической, содержание окислов кремния, натрия, калия и фосфора. В

202

океаническом типе земной коры отмечается повышенное содержание

окислов алюминия, кальция, магния, железа, титана, марганца.

Химический состав земной коры не может характеризовать состав земли в

целом, так как наружная оболочка составляет всего лишь 1% ее массы. О

химическом составе планеты можно судить главным образом по

химическому составу ядра и мантии. По данным А.Е. Ферсмана, наиболее

распространенными элементами Земли являются (в процентах массы):

железо — 39,76; кислород — 27,71; кремний — 14,53; магний — 8,69; никель

— 3,46; кальций — 2,32; алюминий — 1,79; сера — 0,64, прочие элементы —

1,10. Химический состав Земли близок к составу метеоритов, в которых, как

и в Земле, преобладают железо, кислород, магний, кремний. Близость

химического состава Земли к другим планетам подтверждают исследования

лунного грунта, доставленного на Землю советскими автоматическими

станциями и американскими астронавтами. Как показали исследования, в

составе лунных базальтов несколько выше содержание ТО

, FeO, MnO, CaO

и Сг

, а в земных базальтах SiO

, MgO, Fe

, Na

O, K

11.4. Вклад советских ученых в развитие теории тектоники плит

Существенный вклад в развитие идей мобилизма в конце 50-х гг. и в

60-х гг. XX в. внес П.Н. Кропоткин. Он одним из первых оценил

перспективы использования палеомагнитных

данных для построения

глобальных палеогеографических реконструкций. На примере многих

регионов мира, в том числе на примере Азии и южных гондванских

материков, им было показано значительное перемещение крупных блоков

земной коры [4].

Существенный вклад в развитие идей мобилизма внес А.В. Пейве. В

конце 1960-х гг., используя большой фактический материал, он убедительно

обосновал тот факт, который теперь большинством исследователей

признается очевидным, а именно, что встречающиеся в современных горных

областях офиолитовые покровы, на самом деле представляют собой

фрагменты древней океанской коры, механически надвинутые на

континентальные окраины.

Палеомагнитизм — свойство горных пород намагничиваться в период своего

формирования под действием магнитного поля Земли и сохранять приобретенную

намагниченность в последующие эпохи. Палеомагнетизм дает возможность изучать

эволюцию геомагнитного поля и создать абсолютную палеомагнитную

геохронологическую шкалу.

Гондвана (от названия племени гондов и района Индии Вана) — гигантский

суперконтинент, существовавший в течение большей части палеозоя и в начале

мезозоя в Южном полушарии. Включал части современных Юж. Америки, Африки,

Азии (Аравию, Индостан), Австралии и, возможно, Антарктиды. На протяжении

мезозоя произошло распадение Гондваны на отдельные части — прообразы

современных материков; в меловом периоде она перестала существовать как единое

целое. Антипод Гондваны в Северном полушарии — Лавразия.

203

Большой вклад в развитие и распространение новых идей в нашей стране

принадлежит А.Н. Храмову и В.Е. Хаину. А.Н. Храмов в конце 1960-х гг.

был первым советским геофизиком-магнитологом, который использовал

новые палеомагнитные данные для определения параметров движения

континентов и подтвердил крупные перемещения материков в течение всего

фанерозоя, т.е. около 600 млн. лет.

В начале 1970-х гг. советские исследователи (С.А. Ушаков,

Н.П. Федынский, Ф.С. Шебалин, 1972; А.П. Лисицын, 1974) по данным

бурения и магнитным аномалиям построили карты возраста дна Мирового

океана. Кроме того, А.П. Лисицын одним из первых использовал изменения

условий осадконакопления для определения направлений и величины

смещений океанских плит. И.П. Герасимов, А.В. Живаго и С.С. Коржуев с

позиций новой теории предприняли интересную попытку рассмотреть

геоморфологические особенности дна Мирового океана. Л.И. Лобковским и

О.Г. Сорохтиным был теоретически исследован механизм поддвига

литосферных плит под островные дуги и рассчитано условие затягивания

осадков в зоны поддвига плит. Позднее на основе результатов теоретических

расчетов и сопоставлений их с сейсмологическими данными советскими

геофизиками впервые была составлена карта толщины океанической

литосферы.

Ю.И. Галушкиным и С.А. Ушаковым в числе первых исследователей

были рассмотрены различные геодинамические модели внутриплитовой

эволюции литосферы. Были рассмотрены различные геодинамические

модели эволюции литосферы в трансформных разломах, осуществлена

классификация трансформных

разломов по динамическим признакам,

выполнен геодинамический анализ моделей процессов, происходящих на

конвергентных краях плит.

Наряду с развитием вышеперечисленных прикладных проблем теории

тектоники плит советские геофизики, в частности О.Г. Сорохтин, внесли

существенный, а возможно, даже и определяющий вклад в разработку

химической, динамической и термической моделей глобальной тектоники

нашей планеты. Полученные результаты дают основание предполагать, что в

недалеком будущем возможно создание общей теории глобальной эволюции

Земли.

11.5. Контуры современных плит

Гипотеза дрейфа материков возродилась в новой фундаментальной

теории тектоники литосферных плит, которая привела к бурному развитию

более общей концепции глобальной тектоники, став ее составной частью.

Для того, чтобы принять новую теорию, надо понять те факты, на которых

Трансформные разломы — крупные поперечные разломы земной коры,

рассекающие срединно-океанические хребты. Исходя из гипотезы "новой глобальной

тектоники", вдоль них осуществляется скольжение сегментов литосферных плит.

204

она основана. Материки перемещаются не сами по себе, а в составе

литосферных плит. Рассмотрим имеющиеся данные и построенную на их

основе теорию эволюции литосферы.

Из определения литосферы как жесткой оболочки с конечной прочностью

и хрупким разрушением вытекает естественное следствие: если литосферная

плита представляет собой единую пластину, то ломаться она должна лишь по

краям, и каждый такой разлом — это источник землетрясения.

Следовательно, сейсмическая активность сосредоточена на границах

литосферных плит в пределах сравнительно узких зон.

Давно было известно, что землетрясения распространены по поверхности

Земли в виде поясов сейсмической активности, оконтуривающих обширные

асейсмические области. Более надежному выделению границ литосферных

плит помогла созданная к началу 1960-х гг. мировая сеть стандартных

сейсмологических станций. Хорошо определенные сравнительно узкие пояса

современной сейсмической активности — это наиболее существенный

определяющий признак для трассирования границ и, как следствие,

оконтуривания самих литосферных плит.

Развитие широкой мировой сети сейсмологических станций позволило

установить преобладающие направления смещений на различных типах

границ литосферных плит. Современная достаточно обоснованная

кинематическая модель очага землетрясения базируется на том простом

условии, что смещение происходит по разрыву, обусловленному

воздействием пары сил. Согласно такой модели, от очага землетрясения

будут распространяться волны сжатия и растяжения. При этом в каждой

стороне от плоскости разрыва будут возникать области первичного

распространения волн сжатия и растяжения. В направлении смещения

каждой из плоскостей разрыва первыми будут возникать волны сжатия, в

противоположном — волны растяжения. Эти четыре симметричные области

— две сжатия и две растяжения — разделены двумя

взаимноперпендикулярными плоскостями. Одна из них, та, по которой

происходит разрыв, — главная, вторая — вспомогательная. Выбор каждой из

плоскостей для неглубоких, близповерхностных очагов можно сделать по

геоморфологическим данным, а для более глубоких — на основании

геологических и геофизических критериев. Достоверное направление

простирания нодальной плоскости может быть получено, как правило, только

статически, на основании достаточно большого количества решений

фокальных механизмов землетрясений вдоль одной границы литосферных

плит. Для разработки метода определения механизмов смещений в очагах

землетрясений по сейсмологическим данным в нашей стране много сделала

А.В. Введенская, а для приложения этих данных к тектонике плит —

Л.Р. Сайке.

В настоящее время можно выделить лишь семь наиболее крупных плит.

Это Тихоокеанская, Северо-Американская, Южно-Американская,

Африканская, Евразиатская, Индийская и Антарктическая. В несколько раз

меньше по размерам плита Наска. Как свидетельствует анализ "мгновенной"

205

кинематики плит, Наска перемещается с достаточно большой скоростью.

Также со значительной скоростью перемещаются еще две плиты — Кокос и

Аравийская, площадь каждой из них почти в три раза меньше, чем плита

Наска. Из семи крупных плит выделяются две самые большие —

Тихоокеанская и Африканская. Они имеют в плане округлую форму и

расположены антиподально. Все остальные крупные плиты имеют очертания

ближе к эллипсовидным.

За последнее десятилетие кроме названных выше плит выделено

несколько десятков более мелких, из которых самые крупные —

Филиппинская, Скоша и Карибская по площади соизмеримы с плитами

Аравийской или Кокос.

Кроме того, малые плиты могут быть реликтами более крупных в области

сближения дивергентных и конвергентных границ.

Само пространственное положение двух дивергентных планетарных

поясов, от которых большие литосферные плиты расходятся, и двух

планетарных поясов сжатия литосферы заставляет задуматься о механизме,

управляющем движением всего ансамбля литосферных плит. Такое

упорядоченное расположение главных границ плит в виде двух

ортогональных друг другу поясов наводит на мысль о двухъячеистой

структуре конвективных течений, охватывающих всю мантию Земли. При

этом рифтовые трещины будут образовываться в областях, где преобладают

восходящие потоки, тогда как планетарные пояса сжатия литосферы

возникают над нисходящими потоками. Конечно, из-за жесткости и

прочности литосферы не будет полного совпадения дивергентных и

конвергентных границ плит с осями восходящих и нисходящих потоков в

мантии, но генеральная связь должна иметь место.

Вопросы для повторения

1. Каков состав земной коры?

2. Что такое экзогенные процессы?

3. Что такое эндогенные процессы?

4. Что изучает тектоника?

5. Что изучает геодинамика?

6. Что изучает геофизика?

7. Что изучает геохимия?

8. Что такое географический облик Земли?

9. Что такое атмосфера Земли и каков её состав?

10. Что такое геофизические методы разведки земной коры?

Библиографический список

1. Жуков, М.М. Основы геологии / М.М. Жуков, В.И. Славин, Н.Н. Дунаева.

— М.: Госгеолтехиздат, 1961.

206

2. Горшков, Г.Н. Якушева А.Ф. Общая геология / Г.Н.

Горшков, А.Ф.

Якушева. — М.: Изд-во МГУ, 1958.

3. Лейялль, Ч. Основные начала геологии или новейшие изменения земли и

её обитателей / Пер с англ / Ч. Лейялль. — 1986. — Т. III.

4. Справочник по геологии / Под ред. Строева И.А. — М.: Наука, 1983.

5. Яковлев, С.А. Общая геология / С.А.

Яковлев.— М.-Л.: Госгеолтехиздат,

1948.

207

Глава 12. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И СУЩНОСТЬ ЖИЗНИ

12.1. История проблемы

Вопросы о происхождении природы и сущности жизни издавна стали

предметом интереса человека в его стремлении разобраться в окружающем

мире, понять самого себя и определить свое место в природе.

Многовековые исследования и попытки решения этих вопросов породили

разные концепции возникновения жизни: креационизм — сотворение жизни

Богом; концепция самопроизвольного зарождения из неживого вещества;

концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь

существовала всегда и концепция внеземного происхождения жизни в

результате развития физических и химических процессов [1].

Концепция креационизма, по существу, научной не является, поскольку

она возникла в рамках религиозного мировоззрения. Она утверждает, что

жизнь такова, какова она есть, потому что такой ее сотворил Бог. Тем самым

практически снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения

и сущности жизни.

В XIX в. в биологии возникли концепции механистического

материализма и витализма — вершина биологии того времени, между

которыми началась ожесточенная борьба идей о происхождении и сущности

жизни. Механистический материализм не признавал качественной

специфики живых организмов и представлял жизненные процессы как

результат действия химических и физических процессов. С этой точки зрения

живые организмы выглядели как сложные машины. Но аналогия между

живым существом и машиной не объясняет именно того, что она призвана

объяснять: причину целесообразной организации живых существ. Такой

подход неверен в самой своей основе.

Противоположной точкой зрения стал витализм (от лат. vitalis —

жизненный), который объяснял качественное отличие живого от неживого

наличием в живых организмах особой "жизненной силы", отсутствующей в

неживых предметах и не подчиняющейся физическим законам.

Такое решение проблемы сущности жизни тесно связано с признанием

факта творения ее Богом, разумным нематериальным началом и т.д. Отвергая

идею творения мира и жизни, ученые вплоть до середины XIX в.

придерживались идеи самопроизвольного зарождения жизни из различных

материальных образований, в том числе из гниющей земли, отбросов и иных

объектов. Этой точки зрения придерживались такие крупные ученые и

выдающиеся мыслители, как Аристотель, врач Парацельс, эмбриолог Гарвей,

Коперник, Галилей, Декарт, Гете, Шеллинг и др. Их авторитет во многом

определил длительный срок существования идеи самозарождения и ее

широкое распространение.

Лишь в 60-е гг. XIX в. в развернувшейся между Ф.А. Пуше и Л. Пастером

дискуссии, потребовавшей экспериментальных исследований, удалось строго

научно обосновать несостоятельность этой концепции. Опыты Пастера

208

продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических

растворах в силу того, что туда были ранее занесены их зародыши.

Примерно в этот же период времени (1865) на стыке космогонии и

физики немецким ученым Г. Рихтером разрабатывается гипотеза занесения

живых существ на Землю из космоса — так называемая концепция

панспермии

. Согласно этой идее, зародыши простых организмов могли

попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и

положить начало эволюции живого, которая в свою очередь породила все

многообразие земной жизни. Концепцию панспермии разделяли такие

крупные ученые, как С. Аррениус, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский, что

способствовало ее широкому распространению среди ученых. Тем не менее,

пока и эта гипотеза полного научного обоснования не получила. Хотя спектр

возможных условий для существования живых организмов достаточно

широк, все же считается, что они должны погибнуть в космосе под

действием ультрафиолетовых и космических лучей.

Наряду с гипотезой панспермии в современной научной литературе

сохраняется также гипотеза о случайном характере возникновения на Земле

первичной живой молекулы, которая появилась лишь раз за все время

существования нашей планеты. В силу этого обстоятельства

экспериментальную проверку данной гипотезы произвести невозможно. Эта

гипотеза получила широкое распространение среди генетиков в связи с от-

крытием роли ДНК в явлениях наследственности. Г. Меллер в 1929 г.

развивал мысль, что чисто случайно на Земле возникла единичная "живая

генная молекула", обладавшая внутримолекулярным жизнеопределяющим

строением, которое она пронесла неизменным через все развитие земной

жизни. Долгое время моделью такой "живой молекулы" считали частицу

нуклеопротеида вируса табачной мозаики, но сейчас стало очевидным, что

вирусы нельзя рассматривать как промежуточный этап на пути

возникновения жизни: сперва должна была возникнуть жизнь, а затем вирус.

Тем не менее, идея случайного возникновения ДНК до сих пор широко

распространена в научной литературе, хотя вероятность такого события

очень мала [2].

Очевидно, более продуктивно рассматривать жизнь как особую форму

движения материи, закономерно возникшую на определенном этапе ее

развития. Разумеется, возникновение жизни содержало элемент случайности,

но оно было не абсолютно случайным, а в основе своей закономерным,

необходимым. Ранее мы уже говорили о процессах самоорганизации

материи. Видимо, появление жизни произошло в ходе этого процесса, когда

химическая эволюция после одной из точек бифуркации привела к

появлению живого организма и началу биологической эволюции.

Поэтому сегодня наиболее перспективным направлением для

естествознания является исследование возникновения жизни из неживой

материи на нашей планете в ходе процессов самоорганизации [3, 4].

Панспермия — гипотеза о возможности переноса жизни во Вселенной с одного

космического тел на другое.

209

Концепция происхождения жизни А. И. Опарина

Одним из главных препятствий, стоявших в начале ХХ в. на пути решения

проблемы возникновения жизни, было господствовавшее тогда в науке и

основанное на повседневном опыте убеждение в том, что органические

вещества в природных условиях возникают только биогенно, то есть путем их

синтеза живыми существами. Считалось, что представить себе естественное

возникновение даже простейших организмов из неорганических веществ

(углекислоты, воды, азота и т.д.) совершенно невозможно. Поэтому так важно

было появление концепции А.И. Опарина, вступившей в противоречие с

общепринятым мнением. Он выступил с утверждением, что монополия

биотического синтеза органических веществ характерна лишь для современной

эпохи существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда

Земля была безжизненной, на ней осуществлялись абиотические синтезы

углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция.

Совершалось постепенное усложнение этих соединений, формирование из них

индивидуальных фазовообособленных систем, превращение их в протобионты

а затем и в первичные живые существа [5].

Опарин предположил и экспериментально доказал, что под действием

электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газо-

вые смеси, содержащие пары воды, аммиака, циана, метана и др., появились

аминокислоты, нуклеотиды и их полимеры, которые по мере увеличения

концентрации органических веществ в "первичном бульоне" гидросферы Земли

способствовали возникновению коллоидных систем, так называемых

коацерватных капель.

Коацерваты — это комплексы коллоидных частиц. Они могут возникать,

например, из комплексных солей кобальта, кремнекислого натрия и

нашатырного спирта, в растворе ацетилцеллюлозы, в хлороформе или бензоле,

при смешивании растворов различных белков. Такой раствор, как правило, раз-

деляется на два слоя — слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость,

почти свободную от них. В некоторых случаях коацерваты образуются в виде

отдельных капель, видимых под микроскопом. Для их образования необходимо

присутствие в растворе нескольких (хотя бы двух) разноименно заряженных

высокомолекулярных веществ. Поскольку в водах первичного океана это

условие было соблюдено, образование в нем коацерватов могло быть реальным.

А.И. Опарин предположил, что в массе коацерватных капель должен был

идти отбор наиболее устойчивых в существовавших условиях. Многие

миллионы лет шел процесс естественного отбора коацерватных капель.

Сохранялась лишь ничтожная их часть. Способность к избирательной

адсорбции

постепенно преобразовалась в устойчивый обмен веществ. Вместе с

этим в процессе отбора оставались лишь те капли, которые при распаде на

дочерние сохраняли особенности своей структуры, т.е. приобретали свойство

Протобионты — доклеточные предки

Адсорбация — поглощение вещества из газовой или жидкой среды

поверхностным слоем твердого дела (адсорбента) или жидкости.