text:
УДК 55(20)
© Издательство "Недра", 1976
Вологдин Александр Григорьевич - Земля и жизнь
Александр Григорьевич Вологдин
Земля и жизнь
Издание второе, переработанное и дополненное
Редактор Б. А. Трофимов
Редактор издательства М. Д. Мирзоева
Художник Н. И. Шевцов
Художественный редактор В. В. Евдокимов
Технический редактор А. Г. Иванова
Корректор В. П. Крылова
Сдано в набор 15/XII 1975 г. Подписано в печать 28/IV 1976 г. Т 09246. Формат 70*108 1/32. Бумага картографическая. Печ. л. 7,5. Усл. печ Л. 10,5. Уч.-изд. л. 12,0. Тираж 50 000 жз. Заказ 818. 5597-1. Цена 61 коп.
Издательство "Недра", 103633, Москва, К-12. Третьяковский проезд, 1/19
Ярославский полиграфкомбинат Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.
От редактора
Книга А. Г. Вологдина посвящена одной из интереснейших проблем науки - изучению древнейших этапов истории Земли и жизни. В ней изложены современные данные по этой проблеме, особенно о древних организмах и вероятных путях их эволюции в связи с изменением среды обитания, химического состава и лика первобытной Земли.
К настоящему времени сравнительно хорошо изучен и широко известен лишь послекембрийский этап истории Земли и жизни - фанерозой, включающий палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры продолжительностью около 600 млн. лет. Древнейший и значительно более продолжительный этап существования нашей планеты, так называемый докембрий (криптозой), в течение которого протекала ранняя эволюция жизни, был почти неизвестен. И хотя в настоящее время в проблеме изучения этого древнейшего из этапов истории Земли и жизни еще много неразгаданного, неясного - быстрое развитие науки: накопление новых данных в области космогонии, биогеохимии, палеонтологии, абсолютной геохронологии и в различных областях геологии и биологии - позволяет более глубоко заглянуть в это волнующее и во многом загадочное прошлое нашей планеты.
Палеонтологам и геологам удалось проникнуть в глубь веков по меньшей мере на 2,5-3,0 млрд. лет назад. Возникла новая отрасль знания - палеонтология докембрия,- изучающая древнейшие проявления жизни на нашей планете, которая позволяет на основе историко-геологических документов "реставрировать", изучать докембрийские этапы эволюции жизни на Земле. Об этом в популярной форме в основном и рассказывает книга А. Г. Вологдина, раскрывая древнейшие этапы истории Земли и жизни.
Александр Григорьевич Вологдин, крупный советский палеонтолог и геолог, всю свою полувековую научную деятельность посвятил изучению водорослей, примитивных многоклеточных животных,- археоциат, а также древнейших отложений кембрия и докембрия СССР и других стран. Среди печатных трудов А. Г. Вологдина есть работы по региональной геологии и полезным ископаемым, палеонтологии и стратиграфии. Однако подавляющее число трудов по палеонтологии посвящено археоциатам, водорослям. А. Г. Вологдину принадлежит большая роль в распространении палеонтологического метода в изучении древнейшей истории Земли, который он широко и горячо пропагандировал.
А. Г. Вологдин родился 11 марта 1896 г. в селе Рождественском б. Пермской губернии в семье учителя. В 1920 г. он студент Петроградского Горного института и одновременно работает коллектором в Геологическом комитете. Окончив в 1925 г. Горный институт, он возглавил работу Сибирской секции Всесоюзного геологического института, где работал до 1941 г. В этот период А. Г. Вологдиным были сделаны важнейшие палеонтологические открытия в области изучения древних водорослей, археоциат и стратиграфические выводы, которые легли в основу современной биостратиграфии и изучения геологии кембрия Сибири, а также Монголии, Китая и других районов Евразии. Начиная с 1939 г. особое внимание А. Г. Вологдин уделял органическим остаткам докембрия, а также внедрению палеонтологического метода в изучение древнейшей истории Земли.
С 1941 г. работы по изучению археоциат и водорослей велись А. Г. Вологдиным в Палеонтологическом институте Академии наук СССР, куда он был приглашен академиком А. А. Борисяком. В 1943 г. А. Г. Вологдин организовал в этом институте лабораторию по изучению древнейших организмов, которой руководил до конца своей жизни.
За плодотворную научную деятельность А. Г. Вологдину была присуждена ученая степень доктора геологоминералогических наук (1937 г.), и он был избран член-корреспондентом Академии наук СССР (1939 г.). Правительство высоко оценило научные заслуги А. Г. Вологдина - он был награжден Орденом Трудового Красного Знамени и медалями.
Большое количество научных работ в области палеонтологии древних организмов принесли А. Г. Вологдину мировую известность. По решению международного жюри палеонтологов в 1945 г. А. Г. Вологдин был удостоен Международной палеонтологической премии и медали Чарлза Уолкотта "За изучение организмов докембрия".
А. Г. Вологдин был талантливым и неутомимым популяризатором науки о Земле и жизни. Обладая живым умом и прекрасной памятью, он был замечательным лектором и увлекательным рассказчиком. Долгое время он являлся заместителем председателя Методического совета по пропаганде наук о Земле и членом правления общества "Знание" РСФСР.
А. Г. Вологдин прожил долгую, насыщенную деятельностью жизнь ученого, путешественника, популяризатора науки.
Второе издание книги Александра Григорьевича Вологдина переработано и дополнено по сравнению с первым изданием (1963 г.) в значительной степени самим автором.
Новые сведения по отдельным разделам работы были внесены сотрудниками Палеонтологического института АН СССР - одной из ближайших учениц А. Г. Вологдина доктором геологоминералогических наук К. Б. Кордэ и кандидатом биологических наук Б. А. Трофимовым, а также сотрудником Института Физики Земли АН СССР кандидатом физико-математических наук С. В. Маевой. При подготовке рукописи к изданию оказала помощь Г. А. Вологдина.
Книга рассчитана на широкий круг читателей и, в известной мере, воспол нит пробел, который существует в научно-популярной литературе по этой увлекательной проблеме.
Б. А. Трофимов
Предисловие
Светлой памяти Владимира Ивановича Вернадского посвящает свой труд автор
Развитие человеческого знания, быстрый рост науки, теснейшим образом связанный с великими победами социализма в Советской стране, ежедневно и ежечасно ускоряют научно-технический прогресс. Научные идеи, рожденные практикой, и могучая современная техника создают немыслимые ранее возможности познания огромных пространств Вселенной, куда отправляются космические корабли и где побывал уже человек. В глубинах морей работают научно-исследовательские станции, которые изучают сложную и богатую жизнь морского дна. Развитие атомной физики ведет нас к познанию типов и свойств мельчайших частиц и проявлений огромных энергий, которым в будущем надлежит обеспечить человечество самыми совершенными видами топлива, неисчерпаемыми источниками энергии. Бурно развивается химия и химическая промышленность, создающие новые вещества с новыми свойствами. Больших успехов достигла и биологическая наука, способствующая подъему сельского хозяйства - земледелия и животноводства, развитию советской и мировой медицины.
В этой небольшой книге мы попробуем обратить внимание читателя в глубь геологических времен, на те этапы развития нашей планеты и жизни на ней, которые еще недавно рисовались очень смутно.
Палеонтологическая наука, занимающаяся изучением организмов геологического прошлого Земли, историей их появления, развития и расселения в морях и на суше, раскрывает перед нами картину жизни планеты в основном только за последние полмиллиарда лет, а именно с начала кембрийского периода, длившегося по современным данным от 440 до 570 млн. лет. Уже в начале этого периода существовали морские водоросли, некоторые простейшие брахиоподы, черви, древнейшие ракообразные - трилобиты, губки, ранние головоногие и т. д. Но еще раньше, во время так называемого докембрия - этого огромного по продолжительности этапа развития нашей планеты, закончившегося 570 млн. лет назад,- возникли археоциаты, беспозвоночные животные, замечательные строители древнейших рифов. Особенно пышное развитие они получили в ранне- и среднекембрийское время.
Что же представляла собой органическая жизнь на Земле 570 млн. лет назад? Как и в каких условиях зародилась и развивалась она задолго до этого рубежа?
Для объяснения происхождения жизни на нашей планете мы имеем весьма интересную гипотезу, предложенную академиком А. И. Опариным. Эта гипотеза, использующая результаты исследований геологов, геохимиков и астрономов, раскрывает первые страницы истории нашей планеты - истории, насчитывающей по меньшей мере 6-7 млрд. лет. Ультрафиолетовое излучение Солнца и грозовые явления в первичной атмосфере и парах Земли, обильно содержавших метан (СН4), углекислоту, аммиак (NH3), водород и другие элементы, при определенных температурах и давлениях должны были приводить к массовому образованию сложных углеродных соединений, в том числе белков. Поэтому момент возникновения жизни на Земле ученые и относят к самым ранним этапам формирования земной коры, примерно около 3-3,5 млрд. лет назад или даже ранее.
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 Земли
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.
При изучении процессов роста планет в протопланетном облаке В. С. Сафроновым была выяснена значительная роль крупных тел, поперечником до 1000 км. Падая, такие тела сильно нагревали растущую Землю. Их тепло проникало на значительную глубину. Наибольшая температура 1500 К достигала на глубинах 300-500 км. Средняя же начальная температура всей Земли лишь немного превышала 1000 К, т. е. области падения крупных тел на Землю дополнительно нагревались на сотни градусов. Эти большие температурные неоднородности явились основным фактором дальнейшей эволюции Земли. После образования Земли ее недра разогревались в результате накопления тепла, выделяющегося при распаде радиоактивных элементов (U, Th, К), вошедших в ее состав. Дополнительно подогретые ударами, области первыми достигали температуры плавления, и в них раньше всего начались процессы, связанные с расплавлением вещества и с его последующей гравитационной дифференциацией. Более тяжелые вещества опускались вниз, а более легкие поднимались вверх и образовывали земную кору. Весьма вероятно, что именно над сильно нагретыми областями началось образование континентов. В Земле, разогреваемой радиоактивными элементами, гравитационная дифференциация происходила очень медленно и продолжается до сих пор. С ней связана современная внутренняя активность Земли - горообразование, сейсмичность и т. п.
Сейсмическими наблюдениями давно установлено, что в Земле существует плотное ядро. Однако природа его до сих пор не выяснена. По одним предположениям, ядро состоит или из железа с примесью более легких элементов или из смеси окислов железа, по другим - из силикатов, перешедших в металлизованное состояние под действием высокого давления, господствующего в глубине Земли.
Земля, непосредственно после своего образования, не имела атмосферы. Это было связано с тем, что газы из протопланетного облака были потеряны раньше, чем растущая Земля стала настолько массивной, чтобы своим тяготением удерживать заметное количество газа на поверхности.
Длительный этап формирования нашей планеты шел в сопровождении бурно и сложно проявлявшихся химических реакций, что, несомненно, осуществлялось с поглощением свободного кислорода при образовании кремнекислоты и ряда других компонентов магматических пород. При разогревании недр Земли газовые компоненты планеты, вовлеченные во внутренние зоны, выделялись на ее поверхности и создали, таким образом, вторичную, собственно земную атмосферу.
Достигнув к этому времени значительных размеров в результате накопления падавших на поверхность Земли частиц вещества туманности, планета стала способной удерживать эти газы, в основном углеводородные газы, аммиак, углекислоту, свободный водород, при отсутствии свободного кислорода и азота. Все запасы кислорода, которые могли быть вовлечены в процесс формирования вследствие присутствия неокисленных соединений, несомненно, полностью шли на их окисление. Вода в парообразном состоянии образовывала тогда пелену облаков. Взаимодействие между углекислотой и водородом должно было приводить к образованию метана и водяного пара. В связи с этим появилась вода в атмосфере и на поверхности Земли. Возник круговорот воды, возникли моря и океаны.
Первичный кислород мог образоваться в результате воздействия ультрафиолетовой радиации Солнца, а также и других космических излучений на молекулы углекислого газа.
Поверхность земной коры, покрытая газовой оболочкой - атмосферой, является ареной проявления многих разнообразных геологических процессов, и естественно предполагать, что именно здесь сначала образовались сложные углеродные соединения, а затем на их основе возникла и жизнь. Вторичная атмосфера Земли состояла из водорода, метана, аммиака, окиси углерода и сероводорода с парами воды в неясных количественных соотношениях.
С самого образования атмосферы из ее состава весьма интенсивно ускользал молекулярный водород. Позднее, с появлением молекулярного кислорода, этот процесс замедлился, хотя не прекратился и к настоящему времени. Как известно, Земля отдает в космос значительные количества молекулярного водорода, порядка 107 атомов в секунду с 1 см2. Это соответствует расходу 20 г воды с 1 см2 в течение 4,5 млрд. лет.
Первоначально Земля не имела водных бассейнов, и первичные запасы воды в виде пара входили в состав Древнейшей атмосферы. Впоследствии с понижением температуры ее поверхности метан и аммиак, соединяясь с парами воды, переходили в раствор.
Так образовались первичные водные бассейны. Некоторые летучие соединения водорода - СН4, С2Н2, НСl и другие,- оставаясь в составе атмосферы, подвергались воздействию ультрафиолетовых лучей и разлагались с выделением молекулярного водорода. Ультрафиолетовые лучи разлагали и воду, причем кислород быстро вступал в новые связи, а выделявшийся водород тоже частью ускользал с поверхности Земли.
Из недр планеты поднимался углекислый газ. Он входил в состав атмосферы, а также интенсивно растворялся в воде, входя при этом в разнообразные химические соединения с метаном и аммиаком. Количества углекислого газа, попадавшие в атмосферу, были огромны. Об этом говорят, с одной стороны, его извечные выбросы в биосферу при вулканических явлениях, с другой стороны, об этом свидетельствуют огромные массы образовавшихся в разные периоды истории Земли отложений карбонатных пород, представляющих собой соединения углекислого газа с окисью кальция и магния.
Имеются основания полагать, что образование карбонатов, как и последовавшее позже возникновение наземной растительности и углеобразование, были подвержены определенному ритму, который находит разгадку в ритме вулканической деятельности на Земле.
Миллиарды лет назад на Земле не было жизни и свободного кислорода (по А. И. Перельману)
На конференции в Москве в 1957 г. по происхождению жизни на Земле приводились интересные мнения относительно состава вторичной атмосферы, собственной атмосферы нашей планеты. Большинство ученых считают ее главными компонентами Н2, СO2, N2, H2S, в меньшей степени - СН4, NH3. Обращалось внимание на избыток в верхней зоне атмосферы Н2O, СO2, СO2 и других компонентов; все эти газы рассматривались как "равновесная смесь". Предполагалось, что, если не учитывать паров воды, то основными компонентами вторичной атмосферы Земли были СO2 (около 91%) и N2 (около 6,4%). В первую фазу существования вторичной атмосферы в ней находилось много водорода, в частности образовавшегося при разложении воды под влиянием космических излучений. Но большая часть его улетучивалась в космическое пространство. Вследствие активности газов Н2, СО, СO2, SO2, SO3, NO, N2O, NO2 они входили в присутствии воды в соединения, задерживаясь в породах и в водах, тогда как СO2 и СО в значительной части поступали в атмосферу.
Таким образом, складывается представление, что собственная атмосфера Земли состояла тогда из Н2, NH3, CH4, СO2, H2S при малом содержании других компонентов, в том числе и O2, что в общем создавало восстановительную обстановку.
В новой атмосфере, быстро разросшейся под влиянием активных радиохимических и вулканических процессов, стала преобладать углекислота с парами воды. Такая атмосфера, вероятно, хорошо удерживала тепло геохимических реакций. Огромная мощность и обилие паров воды делало ее малопроницаемой для солнечных и отчасти космических лучей.
Возникали и угасали разнообразные воздушные потоки. Движение воздушных масс, вызываемое разностью давления за счет притяжения Солнца и Луны, рождало ветры и бури. Сильные ураганы и сейчас приносят огромные непоправимые бедствия, особенно в приморских странах. Но, вероятно, они - ничто перед бурями и ураганами далекой геологической древности.
При конденсации паров воды в атмосфере образуются капельки с электрическими зарядами. Каждая капелька имеет положительный заряд в центре и отрицательный - на поверхности. Потоки воздуха дробят эти капельки на мелкие части, которые соответственно знаку своих зарядов способны группироваться. Отрицательно заряженные капельки поднимаются вверх, а более крупные положительно заряженные опускаются вниз. При этом верхняя часть облака или тучи получает более или менее мощный заряд отрицательного электричества, а нижняя - положительного.
Так возникает электрический заряд между облаками или же между облаком и землей.
Большая интенсивность атмосферных процессов в период образования Земли приводила к тому, что над поверхностью земной коры непрерывно сверкали и грохотали мощные электрические разряды. Электрические разряды в атмосфере имели, вероятно, большое значение для природного образования сложных углеродных соединений. На то, как происходило связывание всех весьма активных химических компонентов вторичной атмосферы Земли в разнообразные соединения, в том числе и в сложные органические, проливают свет замечательные опыты Стэнли Г. Миллера.
Миллер пропускал электрический разряд через смесь метана, аммиака, воды и водорода. В результате действительно удалось получить аминокислоты - исходный материал для создания белков - и другие сложные органические вещества. Тогда же Т. Е. Равловской и А. Г. Пасынским были получены аминокислоты при действии ультрафиолетовых лучей на раствор смеси формальдегида и хлористого или азотнокислого аммония.
Эти эксперименты подтверждают положение теории А. И. Опарина о том, что в первородном океане ультрафиолетовое излучение Солнца и электрические разряды атмосферы могли приводить к накоплению аминокислот, необходимых для образования белковых соединений.
Интересны сравнительные данные о составе атмосфер планет Солнечной системы. На Венере атмосфера в основном состоит из углекислого газа (97%). Есть также азот, кислород не обнаружен. Можно полагать, что современное состояние атмосферы Венеры соответствует состоянию атмосферы Земли в один из ранних этапов ее добиосферного периода, когда в результате накопления гравитационного тепла, ядерных и электронных процессов, происходящих в толще атмосферы, богатой углекислым газом, температура литосферы была в то время особенно высокой.
Марс больше других планет похож на Землю. О нем много пишут ученые и не меньше - писатели-фантасты. Его атмосфера на 90% состоит из углекислого газа. Есть вода и кислород.
Атмосферы планет-гигантов состоят в основном из легких газов. В атмосферах Юпитера и Сатурна преобладают водород и гелий, углекислый газ отсутствует. Газообразный С02 при наличии водорода полностью превращается в метан и воду. В верхних слоях атмосферы вода переходит в лед. Облака на Юпитере состоят из аммиачного льда. В атмосферах Урана и Нептуна преобладает метан, аммиак и вода.
В наше время исследования планет, которые проводятся не только наземными методами, но и при помощи космических аппаратов, приносят множество новых фактических данных о Солнечной системе. Сравнительное изучение химического состава планет очень важно для понимания химической эволюции допланетного облака, а следовательно, и для выработки правильных представлений о строении и эволюции Земли.
Земная кора и палеонтологическая летопись
Геология - наука о Земле - изучает происхождение нашей планеты и ее развитие, в особенности развитие ее твердой оболочки - земной коры и проявлений на ней жизни с ее геологической деятельностью.
Геология - наука историческая. Геологическая наука в настоящее время сильно разветвилась, превратившись в комплекс наук. Это: историческая геология, изучающая историю Земли; физическая геология, изучающая геологические процессы на Земле и их влияние на строение земной коры; палеонтология - учение об ископаемых организмах, об их морфологии и развитии; биостратиграфия - наука о руководящих ископаемых организмах, как вехах геологического времени, помогающих расчленять вмещающие отложения на относительно маломощные серии, свиты и горизонты, а также сопоставлять отложения разных районов; учение о фациях - наука об условиях формирования осадочных горных пород и полезных ископаемых; петрография - учение о минеральном составе, структуре и сложении горных пород изверженного происхождения; литология - учение об осадочных горных породах, их составе и свойствах; наука о рудных и нерудных полезных ископаемых; гидрогеология - учение о подземных водах, их составе, движении и геологической деятельности; инженерная геология и гидрогеология - наука о грунтах, горных породах и подземных водах, связанная с задачами строительства; минералогия - наука о минералах, их составе, свойствах и практическом применении; кристаллография - наука о кристаллах; геофизика - учение о физических явлениях Земли, о методах поисков полезных ископаемых и изучении геологических структур; геотектоника - учение о движениях земной коры и их результатах; геохимия - учение о химическом составе геологических образований, о поведении химических элементов и их изотопов в земной коре во времени и пространстве; абсолютная геохронология - наука, имеющая целью определение абсолютного возраста горных пород и минералов на основе изучения продуктов распада радиоактивных элементов, включенных в минералы и горные породы при их образовании.
Все эти науки характеризуются своими особыми объектами и методами исследования. При этом геологический цикл наук теснейшим образом связан, с одной стороны, с циклом наук химических, изучающих химические элементы, их изотопы и их поведение в различных соединениях и процессах, с другой стороны - с циклом наук физических, изучающих явления внутри Земли, на ее поверхности и в окружающем космическом пространстве; и с третьей - с циклом биологических наук благодаря палеонтологическим материалам, часто находимым в слоях осадочных пород.
Для успеха палеонтологических исследований оказываются часто очень важными следующие науки: физиология животных и растений, микробиология (бактериология), биохимия, биогеохимия (учение о геохимической роли организмов), сравнительная остеология и т. д. Можно добавить, что и сама палеонтологическая наука разветвляется на эволюционную теоретическую и прикладную. Кроме того, она делится соответственно группам ископаемых организмов на палеоботанику и палеозоологию (или более подробно - археоциатологию), палеоконхиологию (учение об ископаемых моллюсках), палеоэнтомологию (учение об ископаемых насекомых) и т. д. При этом выделилась специальная отрасль палеонтологической науки - палеоэкология, изучающая условия обитания ископаемых организмов.
Земная кора имеет весьма сложное строение. Она образована породами различного происхождения, различного минерального состава и различного геологического возраста в самых разнообразных соотношениях составляющих их химических элементов. Распространение же различных типов пород обычно подчиняется определенным закономерностям.
Основу земной коры составляют породы магматические, т. е. некогда образовавшиеся из расплавленных масс, застывших на глубинах близ земной поверхности или излившихся на нее. В последних случаях образовывались лавовые потоки и отлагались иногда большие массы пепла, превращавшегося в вулканические туфы. Выветривание пород на суше приводило к образованию огромных масс мелкозема - измельченного каменного материала, который под действием воды, ветра и силы тяжести перемещался и отлагался в виде слоев так называемых осадочных пород, к которым добавлялись в тех или иных количествах осадки самих водных бассейнов. В одних случаях это были известковые илы бактериального или химического происхождения, превращавшиеся со временем в твердые известняки. В других случаях, если воды бассейнов были сильно минерализованы или если испарение вод превышало их приток, выпадали различные соли кальция, магния, натрия, калия и других металлов, иногда с образованием соляных залежей. В определенных условиях при смешивании вод, стекавших с континентов, с водами древних морей создавались местные скопления глин (монтмориллониты, бентониты), фосфороносных и алюминиеносных минералов (фосфориты и бокситы), к которым в том или ином количестве подмешивался обломочный материал, приносимый реками с суши.
Мощная водная оболочка, покрывающая более двух третей поверхности Земли, является местообитанием огромного количества разнообразных живых организмов, которые тоже участвуют в процессе образования донных осадков и осадочных пород. Они обладают способностью накапливать минеральные вещества, играющие роль опоры для их мягких тканей. Многие организмы в процессе жизнедеятельности непрерывно выделяют твердые минеральные массы, в частности углекислый кальций, фосфорнокислый кальций, кремнезем и другие вещества.
В наше время созидающая геологическая деятельность свойственна бесконечному множеству морских животных и большим группам водорослей, живущих как в верхних слоях воды, так и на глубинах. Организмы в истории Земли издавна были активными геологическими агентами и выполняли огромную работу по формированию осадочных пород.
Создававшиеся в водных бассейнах геологического прошлого разнообразные минеральные, минерально-органические и органические осадки уплотнялись и преобразовывались в различные типы осадочных пород. В сложной геологической жизни земной коры с ее магматическими и вулканическими явлениями, с опусканиями и поднятиями, с образованием впадин и выступов и формированием складчатых горных сооружений, первичные "нормальные" горные породы претерпевают те или иные вторичные изменения. Подвергаясь давлению, они превращались в слоистые сланцеватые породы. При воздействии на исходное вещество пород, поднимавшихся из глубин нагретых минерализованных вод и паров, преобразовывался их минеральный состав, создавались новые минералы. Такие породы называют метаморфическими - измененными. Чем глубже залегали породы в земной коре, тем сильнее они изменялись под воздействием поднимавшихся из земных недр эманации, тем больше они отличались от первичных нормальных пород.
Исследователи природы давно заметили, что один слой осадочной породы лежит на другом. Это привело к появлению понятия более "молодой" и более "древней" породы. Постепенно накапливались описания выходов пород на дневную поверхность (по берегам рек, на склонах гор или в искусственных выработках - каналах, ямах, колодцах, каменных, песчаных или глинистых карьерах. Были выделены серии слоев - свиты, образование которых связывалось с более или менее длительными этапами прошлого геологического времени. Формирование каждого слоя, несомненно, было теснейшим образом связано со средой (вода или воздух суши), с окружающей частью земной поверхности (ландшафт), с климатическими особенностями. Каждая смена слоев обусловливалась изменениями этих или каких-либо других факторов. При этом могли проявляться и деятельность ветра и течений, та или иная роль живых организмов. Сама последовательность слоев, отличающихся друг от друга, отражала историю водного бассейна или впадины на поверхности континента за соответствующий отрезок геологического времени.
Наблюдение свит помогало ученым представить себе этапы геологического прошлого, но не давало понятия общей меры времени в каких-либо единицах. Впервые вопрос о времени образования осадочных пород был решен, когда геологи стали использовать для этого остатки животных и растений или их отпечатки, находимые на поверхности наслоения древних осадков, а также следы жизнедеятельности организмов. Постепенно опыт изучения осадочных пород в разных районах мира и на разных этапах геологического времени привел геологов к представлению, что каждому пласту осадочной породы соответствует как свидетель определенный состав остатков живых организмов. Наблюдавшееся при этом различие состава "окаменелостей" в отдельных слоях, последовательно налегающих друг на друга, первоначально объяснялось "катастрофами" на Земле. Но со времени работ Ж. Б. Ламарка (1744-1829) и Ч. Дарвина (1809-1882) это стало бесспорным доказательством эволюции животных и растений на нашей планете.
Палеонтологическая наука, выросшая на основе изучения органических остатков в горных породах и специальных исследований геологических разрезов, раскрыла грандиозную картину непрерывной смены в ходе эволюции жизни на Земле.
Уже на ранних этапах развития палеонтологии в отдельных слоях были обнаружены скопления остатков каких-либо определенных видов организмов, групп видов, родов, которые, несомненно, были особенно приспособлены к существовавшей тогда обстановке. Поскольку в соседних слоях наблюдались остатки уже других организмов, то отсюда возникло представление о "руководящих" формах - об организмах, указывающих на определенное время образования данного слоя и, таким образом, служащих "вехами" геологического времени, своего рода "часами".
Палеонтологические "часы" верно служат всему геологическому циклу наук. Они дали возможность построить схему истории геологического развития земной коры с делением ее на отдельные этапы. При этом геологические единицы времени непосредственно связывались с соответствующими геологическими образованиями. Так возникло представление об эрах, периодах, эпохах и геологических "веках", а также о группах, геологических системах, их отделах, ярусах и горизонтах.
Смятые в крупные и мелкие складки слои доломитов и известняков докембрия (Китай). Фото автора
Геологический возраст пород иного, не осадочного происхождения - магматических и метаморфических, лишенных органических остатков, тоже можно точно определить именно по соотношению с осадочными породами, содержащими органические остатки. Так, если какое-либо гранитное тело или жила изверженной породы "прорывает" осадочную серию определенного геологического возраста, то, следовательно, расплавленная магма внедрилась сюда после формирования этой серии. Если на поверхности гранитного тела или выше верхней части жилы изверженной породы залегает свита осадочных пород - значит это гранитное тело или жила является более древней, чем осадочные породы.
Совершенно аналогично палеонтологические материалы помогают определить геологический возраст движений земной коры. Земная кора никогда и нигде не находится в состоянии абсолютного покоя - отдельные ее части движутся в различных направлениях. Временами, когда эти движения приводили к погружению части поверхности земной коры под уровень моря или, наоборот, к появлению целых участков дна на поверхности, характер геологических процессов коренным образом менялся. Образованные в глубинах моря породы начинали в условиях суши или мелководья выветриваться и размываться, а на погруженных участках формировались новые осадочные слои, в которых появлялись соответствующие комплексы организмов. Таким образом, возраст некоторых фаз движений земной коры и районы их проявления могут быть также определены палеонтологическими методами. Поэтому тектоника - учение о движениях земной коры стала наукой исторической только с помощью палеонтологии.
Палеонтология довольно хорошо раскрывает историю жизни на Земле за последние 570 млн. лет. История живых существ записана, как говорят, на камне. Она выражена остатками твердых частей тела древних организмов, следами их ползания, проявлениями жизнедеятельности (сверление раковин, отложение минерального или органического вещества). Но по отпечаткам, а еще лучше по раковинам и костям можно воссоздавать и сами организмы. Интересно, что вещества, из которых формировались и формируются твердые части тела организмов,- это соли кальция, углекислая соль у большинства беспозвоночных животных и фосфорная у животных позвоночных. Причина этого несомненно лежит в энергетических особенностях перевода солей кальция из растворенного состояния в нерастворимое, что осуществляется с выделением свободной энергии. С этим обстоятельством необходимо связывать неизбежное для организмов освоение солей кальция, преобразующихся при этом в раковину у моллюска или в скелет у позвоночного животного.
В процессе бесчисленных смен поколений организмов, который выразился в видимом проявлении эволюции бесчисленных линий развития с их временными и местными этапами формообразования новые виды, образуясь в условиях изменения среды, были то удачными, то неудачными, приобретали одни признаки, утрачивали другие. Вследствие этого, как оказывается, в каждом геологическом периоде, в каждом этапе геологического времени наибольшую жизнедеятельность проявляли разные группы организмов. Наряду с проявлением и развитием форм более сложных, приспособившихся к существованию в определенных условиях, всегда существовали и более примитивные формы, эволюция которых, по-видимому, замедлялась вследствие относительной устойчивости условий их существования в древних средах, или же такие условия изменялись очень медленно в ходе геологического времени. Например, обстановка для бактерий в недрах Земли, куда они проникают на глубины в несколько километров, остается длительно относительно неизменной, часто вполне обеспечивающей осуществление ими обмена веществ со средой.
Исследования остатков организмов имеют двойную цель. Во-первых, они помогают различать осадочные отложения различного геологического возраста, т. е. принадлежащие к различным стратиграфическим подразделениям их, образованным в ходе геологического развития земной коры в водных бассейнах или на суше. Во-вторых, остатки организмов, находимые в ископаемом состоянии, показывают ход и характер их эволюционного развития. Они указывают на эволюцию жизни, в разные моменты оставлявшую свой след во вмещающих породах, показывают общий ход эволюции за длительные этапы и поясняют происхождение современного мира животных и растений на Земле.
Чем древнее осадочные породы, тем менее они оказываются похожими на первичные рыхлые осадки древних морских бассейнов или пресноводных бассейнов суши. Известно, что некоторые организмы вообще не могли оставлять следы своей жизнедеятельности в осадочных горных породах. Остатки других иногда изменялись уже в момент их захоронения настолько сильно, что оказывались для палеонтолога весьма трудно распознаваемыми. Все же в прежде известковых илах, известковоглинистых и иных осадках, ставших метаморфизованными породами - кристаллическими известняками и мраморами, кремнистыми сланцами и кварцитами (сливными песчаниками),- иногда сохраняются древние ископаемые остатки. Бережное отношение к этому материалу, внимательное его изучение в специально приготовленных препаратах (прозрачных шлифах и в пришлифовках) позволяет различать эти следы древней жизни.
Одним из важнейших факторов, способствующих сохранению органических остатков в ископаемом состоянии в древних породах, является содержавшееся в них первоначально остаточное органическое вещество. Пока оно не удалено из породы геологическими процессами, органические остатки и структуры не могут быть совершенно уничтожены. Их видно на выветреной поверхности породы и в прозрачных шлифах. Они придают породе часто более или менее темную окраску. При этом применение биологического микроскопа с увеличениями до 2000 раз часто позволяет выявлять очень интересные явления. Оказывается, что остаточное органическое вещество как бесструктурное, рассеянное в породе, так и в остатках организмов при наблюдении его в прозрачных шлифах под микроскопом выражено скоплениями черного, непрозрачного углистого вещества в виде сплетений тонких нитей, имеющих форму бактерий. Создается впечатление, что все органическое вещество при переходе его в ископаемое состояние перед завершением процесса окаменения осадка (литификация, диагенез) становилось объектом освоения бактериями и в виде отмерших клеток попадало затем в твердую породу. Это свойство установлено в массе образцов древних и поздних осадочных пород, включая и древнейшие, так называемые докембрийские, т. е. древнее 570 млн. лет.
Совершенно то же явление, но в несколько иных формах и других размерах микроскопических телец наблюдается в захороненном в осадочных породах железе. Всюду, в самых разнообразных осадочных породах железо представлено сгустками окислов в виде тонких округлого сечения палочек или нитей, напоминающих строение современных железобактерий.
Возможно ли сохранение в ископаемом состоянии остатков бактерий? Сущность явления их сохранности несомненно вполне объяснима. Иногда сгустки органического вещества отмерших клеток проходили стадию минерализации. Чаще они пропитывались известью. Некоторые виды бактерий, способные к использованию закисного железа, создавали чехлики из его гидроокислов, хорошо сохраняющиеся в осадке в породе. Б. Л. Исаченко считает, что отложение углекислого кальция в морских осадках происходит под влиянием бактерий. Установлено также, что некоторые культуры бактерий способны выделять из морской воды также фосфорнокислую известь, фосфорно-аммонийно-магнезиальные соли. В то же время изучение древних осадочных пород морского происхождения с применением биологического и электронного микроскопов позволяет видеть и остаточные клеточные структуры бактериального характера. Поэтому или минерализация остатков, или их отпечатки в структуре цементирующего минерального материала, иногда являвшегося минеральным коллоидом (например, кремниевым гелем), и другие условия захоронения бактериальных клеток несомненно имели широкое распространение в средах геологического прошлого. При этом часто остатки бактерий получали в породах и минералах прочную упаковку.
Большое значение имеют палеонтологические методы для изучения изменений в геологическом прошлом Земли, ее климата и земной поверхности, т. е. для палеогеографии. Материалы палеофитогеографии (истории расселения растений) и палеозоогеографии (истории распространения животных) поэтому являются основой палеогеографического исследования отдельных районов нашей планеты или ее поверхности в целом.
Данные палеонтологии, как мы говорили выше, помогают ученым представить себе последовательность отдельных этапов геологического прошлого Земли. Однако они не могут помочь нам определить абсолютную продолжительность этих этапов, точный возраст тех или иных пород. Поэтому уже давно исследователи искали способ, который дал бы возможность устанавливать геологический возраст отложений в абсолютных единицах. В частности, для этой цели пытались использовать изучение скорости накопления на дне бассейнов различного типа осадков. Этот метод, если его применять к отложениям, образовавшимся из материала, принесенного с суши в моря, дает интересные результаты, например, помогает подсчитать длительность времени отложений, образовавшихся из материала, принесенного с областей бывшего оледенения в морские и внутриконтинентальные водные бассейны.
Принципиально новые способы определения абсолютного возраста горных пород и минералов были получены геологической наукой в результате изучения радиоактивных элементов. Суть этих способов такова.
Ядра атомов всех химических элементов состоят из мельчайших частиц - положительно заряженных протонов и не несущих заряда нейтронов. Масса протона почти равна единице - массе атома водорода (ядро которого и состоит из одного протона). Нейтрон же имеет массу чуть большую, чем протон. Как оказалось, так называемый атомный номер элемента, установленный Д. И. Менделеевым в периодической системе элементов, соответствует числу протонов, или положительному заряду ядра. Нейтроны же присутствуют в составе ядра независимо от атомного номера. Число их в ядре варьирует у различных химических элементов - от атома водорода, не имеющего нейтронов, до атомов плутония и америция, содержащих по 149 нейтронов. Химические элементы, ядра атомов которых имеют одно и то же число протонов и, следовательно, один и тот же положительный заряд, но различное число нейтронов, называются изотопами. В периодической системе элементов они занимают одно и то же место, но вследствие различий в числе нейтронов имеют различные свойства.
Ядра бывают прочными (стабильными), не проявляющими никаких изменений во времени, или нестабильными, неустойчивыми, распадающимися с измеримой. скоростью. Радиоактивность - это и есть распад ядер, который сопровождается различным типом излучения.
Так называемое альфа-излучение представляет собой поток положительно заряженных ядер гелия со значительной кинетической энергией; бета-излучение - это поток отрицательно заряженных электронов; гамма-излучение - аналогично по свойствам лучам Рентгена.
Вое встречающиеся в природе химические элементы, имеющие атомный номер более 80, являются радиоактивными. Они образуют четыре радиоактивных ряда. Иногда эти ряды называются "семействами". Распад атомов исходных элементов - урана-233, урана-235, урана-238 и тория-232 (U233, U235, U238, Th232) - приводит к образованию неустойчивых ядер различной продолжительности существования, в свою очередь распадающихся. Сам процесс распада не зависит ни от каких внешних условий. Он идет с неизменной скоростью различной у различных элементов. Половина всех имевшихся в наличии ядер данного элемента распадается за строго определенный промежуток времени - так называемый период полураспада. Каждый радиоактивный ряд заканчивается образованием одного из трех изотопов свинца с выделением гелия. Эти процессы, и оказались теми "часами" истории Земли, которые позволяют исчислять возраст геологических образований в виде так называемой абсолютной геохронологии.
Что же такое абсолютная геохронология и что она дает к настоящему времени?
Интерес геологов к природным процессам распада радиоактивных элементов связан с тем, что скорость этих процессов, во-первых, постоянна, во-вторых, очень мала. Лабораторные испытания, в которых радиоактивные вещества подвергались воздействию температур от -270 до +7000°С, давлений свыше 200 атм, сильных магнитных полей, бомбардировки космическими лучами не могли изменить нормального хода распада радиоактивных элементов.
Периоды полураспада основных естественных радиоактивных изотопов следующие.
На ранних этапах по определению абсолютного возраста геологических пород наибольшее применение получил метод, основанный на определении количеств свинца и гелия как продуктов распада урана-238, урана-235 и тория-232. Оказалось, что радиоактивные химические элементы, входящие в состав минералов земной коры, способны давать указание на время их образования и поэтому могут служить для установления времени геологических событий, иногда весьма древних. Поскольку урано- и ториеносные минералы встречаются в природе реже, чем калиеносные, то преимущество калиевого метода оказывается очевидным особенно для осадочных пород.
В применении к изучению абсолютного возраста минералов осадочного происхождения наиболее интересным показал себя стронциевый метод, основанный на распаде рубидия-87 с образованием стронция. Для этого необходимо, чтобы испытуемый материал содержал рубидий, например, в виде хлористой соли или в виде калийсодержащих глинистых минералов группы иллита, или в виде глауконита, а из магматических минералов - микроклина, флогопита, мусковита и др.
Особое место в абсолютной геохронологии занимает углеродный метод, основанный на измерении содержания углерода-14, период полураспада которого составляет 5568 лет. Этот метод применим для сравнительно самых молодых геологических образований - четвертичных. Исходным материалом для него являются углеродсодержащие горные породы, лигниты, торф и т. д.
Углерод в природе представлен двумя стабильными изотопами С12 и С13, соотношение количеств которых в некоторых известняках составляет 98,892 и 1,108%. При этом интересно, что С12 является биогенным изотопом углерода, поскольку его содержание в организмах и в органогенных геологических образованиях всегда относительно выше по отношению к С13. Принято различать углерод небиогенного происхождения (С12/С13 =88,0-90,2) и биогенного (С12/С13=90-92,9).
Методы определения абсолютного возраста прошли довольно длительную проверку. Выяснено, что причиной ошибок при вычислении могут быть утечка изучаемого элемента при выветривании породы, утечка гелия, образовавшегося при распаде, примеси нерадиогенного свинца и т. д. Поэтому различные определения одного и того же объекта способны давать более или менее значительные отклонения. Но все же эти отклонения не столь значительны, как можно было думать ранее, и цифры возрастов тех или иных минералов и горных пород постепенно уточняются.
Одним из важнейших достижений современной науки является определение возраста Земли, точнее возраста слоев земной коры.
Так, возраст ряда весьма древних геологических образований составлял для гранитов Беломорья 1800 млн. лет, габброноритов Беломорья 2060 млн. лет, гранитов Балтийского щита 2030 млн. лет, пегматитов Карелии 2450 млн. лет. Аналогичные цифры получены для древних пород Канады, Бразилии, Индии, Южной и Центральной Африки и т. д. Возраст этих пород составляет от 2500 до 3350 млн. лет. Последняя цифра некоторыми исследователями принималась за возраст земной коры, другие принимали цифру 3,6 млрд, лет, полагая, что формирование каменной оболочки - коры нашей планеты началось 4,5 млрд. лет назад и длилось многие сотни миллионов лет в условиях уже относительно медленного накопления дополнительного космического вещества. Итак, наилучший способ проследить процессы и события истории земной коры - это сочетание палеонтологического и геохронологического методов. На основе этих данных выделены определенные этапы геологического развития земной коры и была принята геохронологическая шкала по данным определения абсолютного возраста (по Д. И. Щербакову, 1961 г.). Эта схема сильно раздвинула возрастные границы эр и периодов, в особенности в отношении более ранней части истории земной коры. Докембрий на территории СССР был разбит на четыре крупных подразделения, имеющих огромную длительность. Весьма велика и мощность образований, соответствующих этим подразделениям. Все четыре подразделения докембрия можно рассматривать как эры.
Обращают на себя внимание различия в длительности выделенных в схеме периодов. Чем ближе к нашему времени, тем они становились как бы короче и короче. Это объясняется тем, что основой для схемы были полученные геохимиками от геологов и палеонтологов палеонтологические данные. Эти данные отражали эволюцию органического мира Земли в ходе геологического времени, которая осуществлялась как бы убыстряющимися темпами. От слоя к слою, от одного геологического века к следующему изменения в составе организмов происходили все быстрее, что позволяло выделять менее мощные серии отложений, образовавшиеся за сравнительно короткие промежутки времени.
Заменяет ли метод абсолютной геохронологии другие методы определения геологического возраста, в частности палеонтологический? Совсем наоборот! Именно сочетание палеонтологического метода, раскрывающего вместе с геологическими данными последовательность формирования осадочных отложений целыми свитами и сериями свит, с методом геохронологии способствует наилучшему раскрытию истории развития нашей планеты.
Среда жизни
Средою жизни издавна являются моря и океаны. Растворяющие свойства в жидком состоянии, способность в парообразном состоянии соединяться с различными химическими элементами и их соединениями делают воду важнейшим фактором и компонентом в химических и биологических процессах в природе. В воде растворяются газы атмосферы и газы, поднимающиеся из земных недр. Поэтому воды суши, морей и океанов до самого их дна являются продолжением атмосферы, обеспечивая тем самым существование организмов - растений, животных и бактерий. Поэтому влажному почвенному покрову суши, с его богатыми проявлениями бактериально-водорослево-грибной жизни, вполне соответствует верхний слой рыхлых донных осадков. Ниже, на суше и в водах, органическая жизнь прослеживается, но в количественном отношении оказываете более скудной.
Важно отметить, что воздух, растворенный в воде, содержит кислорода относительно больше, чем воздух газообразный, так как растворимость кислорода в воде лучше, чем растворимость азота. Высокую растворимость в воде имеет и углекислота, запасы которой в водах гидросферы во много раз превосходят ее запасы в атмосфере, обеспечивая тем самым существование и развитие водных растений.
Водная масса Земли всегда находится в непосредственном, теснейшем контакте с твердым веществом земной коры, с горными породами и минералами и продуктами их выветривания на суше и на дне моря. Поэтому воды гидросферы обычно насыщены минеральными веществами или содержат их в том или ином количестве.
Вода - основной компонент живого вещества - протоплазмы клетки, крови, лимфы. Она совершенно необходима для жизнедеятельности - процессы питания и выделения немыслимы без нее. Особо важную роль вода играет для водных организмов, являясь не только средой их жизни и эволюции, но и происхождения.
Вода - минерал, как считают геологи и минералоги. Химики говорят, что вода - самое распространенное на Земле вещество, имеющее определенный химический состав и физические свойства (текучесть, отсутствие цвета и запаха, определенную плотность и т. д.) и являющееся активным растворителем газов и твердых веществ.
Процессы растворения в воде твердых веществ связаны с разрушением их структуры, с образованием связей между их молекулами и молекулами воды. Оказывается, абсолютно нерастворимых веществ в природе не существует, но растворимость разных элементов и их соединений проявляется в разной степени в зависимости от их свойств. В результате высокой растворяющей способности воды в природе она всегда оказывается обогащенной веществами, с которыми входит в соединения, чаще в так называемые гидраты (сольваты). Образование гидратов вызывается наличием у молекул растворенных веществ электрического заряда и притяжением их к молекулам растворителя обычно с выделением при этом тепловой энергии.
В природных водах, таким образом, оказываются в взаимосвязи и во взаимовлиянии самые разнообразные по свойствам химические элементы и соединения, на взаимоотношениях которых сказываются температура, ее изменение, изменение давления. Между растворенными в воде веществами возможны самые разнообразные химические связи. При пересыщении раствора каким-нибудь компонентом выпадает осадок, качественно отличный от первично растворенных веществ,- то в виде гидратов окислов элементов, то в виде их фосфатов, сульфатов, галоидных солей, с тем или иным количеством молекул воды на молекулу осажденного из раствора соединения.
Таким образом, вода в природе - это сложнейшая химическая лаборатория, где встречаются и входят во взаимодействие разнообразные химические элементы земной коры и атмосферы. Поэтому в природе не было более благоприятной обстановки, чем водная среда, для предбиологического этапа химического развития углеродных соединений и для возникновения первичных организмов.
Роль воды в природе оценивалась человеком различно в странах с различным климатом. В условиях жаркого климата южных стран вода - благо, без которого не может обойтись ни одно живое существо. Например, древние индийские сказания гласили, что вода - основа всей жизни мира, из которой произошло все остальное. Древний Египет с его своеобразной историей и культурой, существовавшей благодаря Нилу, был всем обязан этой реке, ее периодическим разливам, увлажнявшим и улучшавшим почву долины, и, естественно, представлял ее божеством. Аналогичное отношение к воде других древних народов Северной Африки, Ближнего Востока и Южной Азии являлось основой представлений о мироздании. Возникали учения древних мыслителей, по которым даже звезды, Луна и Солнце признавались вызванными к жизни испарением вод. В странах же с влажным климатом, с периодическими ливнями, разливами рек, затопляющих обширные участки суши, вода представлялась злым началом, олицетворяла злое божество, приносящее людям иногда большие несчастья. Началом мира здесь признавалось Солнце и его свет, породившие Землю. В них видели и начало жизни.
Некоторые мыслители (III-II в. до н. э.) полагали, что мир состоит из пяти элементов: воды, огня, дерева, металлов и земли, что изменения в природе происходят под влиянием взаимного уменьшения или увеличения этих пяти материальных сил. Позднее возникло учение, по которому все вещи произошли от первоначального жизненного "эфира".
Философские обобщения XVII-XVIII вв. в странах Западной Европы были первыми попытками создать представление о космосе. В XVIII в. французский естествоиспытатель Ж. Бюффон говорил о воде, что она может уходить с поверхности в глубины и вновь появляться на свет, что воды неба, падая на землю и стекая в океаны, разрушают ее поверхность. Тогда же высказывались и мысли о расплавленной массе Земли, о разрушительной силе небесной воды и созидающей силе вод океанов.
Постепенно, побеждая религиозную трактовку вопросов устройства Вселенной, научная мысль приближалась к современному мировоззрению. Уже в XIX в. стало общепризнанной истиной суждение о круговороте воды в природе, складывающемся из двух циклических процессов. Один из них, "внешний" цикл выражается в испарении воды под действием солнечных лучей с поверхности суши, морей и океанов, затем вода осаждается, стекая в ручьи и реки, пока не собирается вновь в водные бассейны земной поверхности. Второй, "внутренний" цикл состоит в просачивании воды в землю, где она проникает в глубины земной коры, в область высоких температур. Там, близ очагов расплавленной магмы, вода переходит в пар с высокой температурой и давлением, в результате чего создаются мощные запасы энергии, проявляющиеся затем при вулканических извержениях и при образовании гейзеров. Пары воды способствуют поднятию лавы на поверхность и выбросу пепла в атмосферу. При этом они поднимаются над жерлами вулканов на большие высоты, образуя облака. Вулканизм тогда связывался именно с деятельностью воды в этом "внутреннем" цикле ее движения и объяснялся проникновением морских вод в глубь земной коры по трещинам.
В XX в. новая наука уже по-новому трактует происхождение вод. Появилось представление о существовании вод земной поверхности, так называемых вадозных, и вод глубинных, поднимающихся из недр, где они были связаны с веществом земной коры,- вод ювенильных, или молодых. На эту мысль Э. Зюсса натолкнуло исследование поднятия горячей трещинной воды до высоты в 12-15 м известного гейзера Шпруделя в Карловых Варах. Воды ювенильные, подмешиваясь к вадозным, таким образом увеличивают количество воды в биосфере. Отсюда пришла идея о том, что гидросфера Земли создана глубинными процессами земной коры, которые, протекая в течение долгих геологических периодов, и создают на Земле запас вод атмосферы, морей и океанов, непрерывно пополняемый и в настоящее время. Вместе с парами ювенильной воды в биосферу тем же путем поступали и поступают разнообразные ювенильные газы, так называемые "благородные" - гелий, аргон, а также и "неблагородные" - сернистый газ, окись углерода, закись углерода, водород и др. В соответствии с этой идеей, ныне прочно вошедшей в представления геологов, вся вода земной поверхности является наследием догеологической и геологической истории Земли.
А. П. Павлов следующим образом рисует историю образования морей и океанов. "Суша, неравномерно нагретая, с многочисленными вулканами несколько иного типа, чем теперь, и с горячими источниками владела почти нераздельно поверхностью планеты. Это и была древнейшая на земле пустыня... Первобытные бури потрясали атмосферу Земли могучими страшными концертами. По временам разражавшиеся ливни выметали из диких скалистых горных долин в необозримые безжизненные и голые равнины разнообразные продукты дробления... Солнце льет свой жар сверху в тех местах, где холодные верхи гор не сгущают паров в тучи. Море еще не родилось или только еще нарождалось в наиболее глубоких впадинах... Снизу, еще близко к поверхности, недавно заключенный в каменную оболочку отрывок солнечной массы - раскаленная магма Земли. Местами она льется по Земле могучими потоками, доставляя свежий каменный материал для грядущих процессов разрушения, или выбрасывает из глубин новые массы паров - созидателей будущего моря".
Первичная гидросфера и атмосфера Земли еще не заслуживали название биосферы, но уже были средой ее зарождения.
Что же представляла собой древняя среда жизни?
Изучение ферментативных процессов обмена веществ у организмов приводит к выводу, что они у разных групп сходны по своему характеру, хотя и отличаются по структуре, и что они всегда связаны с восстановительной обстановкой. Следовательно, первичная среда, создавшая их, тоже должна была иметь восстановительный характер. Значит первичный обмен у организмов был бескислородным.
Жизнь на Земле связана с большим количеством так называемых "биофильных" химических элементов, среди которых виднейшее место занимают углерод, кислород, водород, азот и сера.
Появлению жизни на Земле предшествовала длительная и сложная эволюция веществ, состоящих из этих элементов,- от простых соединений к сложным, с их новыми свойствами и поведением в "добиосфере".
Уже давно возникло представление о "главном слое жизни", за который принимается в гидросфере Земли самый верхний "слой" водной среды с многообразным комплексом организмов планктона, среди которых основное место занимают микроскопические одноклеточные водоросли - фитопланктон. На суше роль главного слоя жизни играют поверхность и верхний слой почвы. В прибрежных зонах, по краям выступов суши, у границы их с водными бассейнами эти два типа главного слоя жизни совмещаются.
В геологической жизни Земли такие районы оказывались, в частности, основными производителями больших запасов углерода и, вообще, органического вещества. Исследователи отводят побережьям древнейших морей и океанов особое место, поскольку здесь, в условиях больших колебаний температуры, взаимодействовали самые разнообразные компоненты состава биосферы: горные породы, вода, солнечная и космическая радиация, углеводородные и иные жидкие и газообразные соединения.
Таким образом, древнейшая среда на Земле, в частности водная, представляла собой концентрированный раствор сложных органических соединений, механически и химически тесно связанный с твердым веществом земной коры и Находившийся под воздействием мощных излучений. Эта среда - колыбель первичных организмов - была восстановительной, бедной кислородом. Это была арена разнообразнейших химических и геохимических реакций, из которых многие шли с выделением тепловой энергии.
В такой обстановке должны были успешно развиваться многие микробиологические процессы, в частности, окисление водорода кислородом углекислоты с одновременным образованием метана и многие аналогичные процессы с участием других исходных веществ древнейшей природы.
Создается впечатление, что древнейшая среда на поверхности нашей планеты не была гибельной для многих групп микроорганизмов. Наоборот, можно полагать, что все главнейшие компоненты первичного состава биосферы, каждый в отдельности, могли быть основой, жизненным субстратом соответствующих проявлений жизни. В отношении типов сред, способствовавших возникновению жизни и ее развитию, между учеными существуют значительные расхождения во взглядах. Известны весьма решительные высказывания в пользу почвенных растворов в качестве предполагаемой среды возникновения жизни, притом в условиях высыхания мелких материковых водоемов.
Имеются высказывания в пользу прибрежных зон мелководных бассейнов, где этому могло благоприятствовать сочетание природных факторов: увеличения запасов углекислоты, влияния химически действующих солнечных лучей, одновременного присутствия в растворах усложненных углеродных соединений и минеральных веществ земной коры. Под защищающим от гибельных лучей слоем почвы или на малых глубинах водоемов средой жизни в основном была, конечно, вода.
Итак, средой жизни является вода. Она же является обязательным компонентом в веществе живой клетки - внутриклеточной средой при процессах обмена, а также материалом в этих процессах.
Зародыши жизни - коацерваты - представляли собой полужидкие коллоидные вещества, проницаемые для некоторых растворенных в водной среде солей, газов и самой воды. Как известно, коллоидным веществом весьма свойственна способность к поглощению и связыванию различных веществ из окружающей среды. К сожалению, природные коллоиды, в частности минеральные, в специальных исследованиях, касающихся иногда явно органогенных образований, как железо-марганцевые конкреции на дне современных морей и океанов, вещества фосфоритового состава, кремниевый гель (силикогель) и другие, обычно пока трактуются авторами вне связи с биологическими явлениями.
Между тем в вопросе первичной среды жизни и ее возникновения Н. Г. Холодный придавал большое значение коллоидным органическим соединениям. Поэтому, подытоживая изложенное выше, можно сказать, что средой возникновения жизни на Земле были природные водные растворы сложных органических и минеральных соединений с соответствующими температурами и давлениями, создававшиеся в результате сложного химического взаимодействия вещества земной коры, гидросферы и атмосферы.
В связи с этим можно признать, что средой и местом массового возникновения жизни были влажные почвы, водная среда прибрежной зоны морских бассейнов, лагун и внутриконтинентальных водоемов, их зоны прибоя, в особенности зона приливов и отливов.
Жизнь и изотопы
Изменение температуры химических процессов способно отражаться на изотопном составе углерода, благодаря чему открывается возможность определения температур древних сред, в частности температур, при которых образовались каменноугольные пласты.
По содержанию С13 и О18 Г. Юри измерил в 1951 г. температуру отложения карбоната кальция в юрском белемните. Выраженная слоистость раковины - проявление сезонности развития животного. Установление повышенного содержания С12 в биогенных карбонатных образованиях было проверено на архейской окаменелости возраста 1,4 млрд. лет.
Интересно, что метаморфизм и, вообще, любой нагрев, даже искусственный, различных графитов не изменяет у них отношение С12 к С13. Углерод животного происхождения имеет отношение изотопов углерода в пределах от 90,1 до 92,5, углерод растительного происхождения в пределах от 90,6 до 93,1, ископаемая древесина - от 90,1 до 92,2, торф до 92,8, лигнит - от 90,87 до 91,10, битуминозные угли - от 90,53 до 92,1 как и антрациты и полуантрациты.
Выяснено, что неорганические процессы, включая вулканизм, способствуют увеличению запаса С13, тогда как органические обогащают вещество изотопом С12. Полагают, что современная атмосфера Земли почти полностью была биогенного происхождения. В этой атмосфере первичной двуокиси углерода присутствует немного.
С14 - радиоактивный изотоп углерода - образуется под действием космической радиации на азот атмосферы, поскольку его ядро способно поглощать нейтроны космического излучения. Возникающий таким путем изотоп С14 реагирует с кислородом атмосферы, образуя С14O2 или С14O которая окисляется в озоновом слое до окиси углерода. Опускаясь, С14 поглощается наземными и водными растениями.
Элементарный углерод не играет роли в процессах на земной поверхности в ее водах и на суше. Он представлен здесь в виде относительно прочного соединения - углекислоты СO2.
Углекислота происходит из трех источников: а) углекислота атмосферы; б) углекислота болотная, торфяная и получающаяся при преобразовании вещества бурых и каменных углей в природе и благодаря деятельности человека; в) углекислота из карбонатных пород, главным образом из известняков, а также и из карбонатных руд железа и марганца, образовавшаяся при их вовлечении в процессы выветривания.
Поступая в атмосферу, углекислота в той или иной степени поглощается дождевыми водами, проникает в почву и в коренные породы, где становится сильным геологическим деятелем вследствие ее способности образовывать более сложные соединения с встречающимися веществами земной коры. Воздействуя на них в качестве угольной кислоты, она образует карбонатные и бикарбонатные соединения. Первые чаще являются твердыми минеральными образованиями, вторые - образуются в растворах и могут в таком виде, поднимаясь с водами источников на поверхность Земли, входить в химические связи с различными другими растворенными или твердыми минеральными или органическими соединениями.
Несомненно, значительные количества окиси углерода образуются при естественном преобразовании в земной коре вещества каменных и бурых углей и лигнитов, которые извечно проявляют общую тенденцию к потере так называемых летучих компонентов. В числе этих компонентов углекислота обычно занимает видное место с примесями закиси углерода (угарного газа) и часто метана. Процессы выделения газов из угольного вещества связываются с его окислением при участии кислорода, заносимого туда проникающими с поверхности водами. Общеизвестно, что скопления газов в угольных пластах иногда вызывают их активные выбросы, наподобие взрывов, представляющих опасность для шахтеров. Подземные воды, насыщаемые этой углекислотой, становятся сильными растворителями и потому оказываются способными выносить на поверхность из углей многие химические элементы, в числе которых кремний, барий, олово, железо, марганец, бор, никель и др.
Известен и другой путь образования окиси углерода в угольных пластах. Содержащиеся часто в них в виде конкреций пирит и марказит, окисляясь при участии кислорода из притекающих поверхностных вод, что, как мы знаем, обычно происходит при участии бактерий, дает с водой серную кислоту. Серная кислота, воздействуя на известняки, залегающие там же, образует сульфат кальция (гипс) с выделением углекислоты. Таким образом, в выделении свободной углекислоты в биосферу участвуют различные процессы в недрах Земли и в связи с осадочными отложениями.
Между тем углекислота в указанных условиях способна образовывать ряд органических кислот, таких, как муравьиная, уксусная и другие, которые могли подниматься к древней поверхности насыщенными соответствующими металлическими основаниями или не насыщенными, т. е. способными к реагированию с другими веществами в других условиях. Известны многочисленные разнообразные минеральные углекислые источники, часто используемые для лечебных целей, воды которых бывают насыщены различными солями (карбонаты, хлористые и сернокислые соли щелочных металлов, кальция и магния и т. д.). Примеры того - источники Кисловодска, Карловых Вар.
На относительно больших глубинах в недрах Земли свободная углекислота образуется при взаимодействии известняков с кремнеземом в условиях высоких температур, с образованием кремнистых пород, где к поверхности поднимаются горячие соленые источники, богатые углекислотой. Поэтому полагают, что влияние высокой температуры недр и вулканических образований на породы осадочных толщ состоит в выделении из последних углекислоты.
Наибольшее количество углекислоты биосфера получает в процессе вулканической деятельности. Эта углекислота - ювенильная, выделяется при остывании лавовых масс и в последние фазы вспышек вулканической деятельности. Это явление было изучено в районах действующих вулканов Италии и древних вулканов Чехии и Оверни.
В вулканических областях известны струи газов с содержанием СO2 до 59%, например на о-ве Мартиника у Мон-Пеле, а также около Неаполя. В области Тихоокеанского вулканического пояса, в Северной Америке, в "Долине десяти тысяч дымов" сухие газовые струи углекислоты, вырываясь в атмосферу, сильно охлаждаются и газ выпадает у самых источников в виде твердой углекислоты.
Громадные запасы углекислоты в земной коре находятся в связанном состоянии в разнообразных изверженных породах, куда она попала в процессе их первичного формирования. Азот, количественно основной компонент атмосферы Земли, представлен в ней двумя стабильными изотопами N14 и N15 в соотношении: N14 - 99,635%, N15 - 0,365%. Отношение N14/N15 = 273. Изотоп N14 под влиянием космического излучения превращается в верхних слоях атмосферы в радиоактивный углерод С14 и в радиоактивный тритий - Н3. При искусственной бомбардировке альфа-частицами изотоп N14 превращается в кислород О17. На больших высотах отношение между изотопами N14 и N15 возрастает, в частности, на высоте 58,3 км до 282,6. Полагают, что в разделении изотопов проявляется сила тяжести.
Важно отметить, что в радиоактивных минералах различного геологического возраста отношение изотопов азота иное. Так, отношение N14/N15 в урановой смолке различного геологического возраста следующее:
Из этих данных отчетливо видно, что у определенного вида минералов отношение изотопов отражает геологический возраст, проявляя Тенденцию со временем к относительному уменьшению изотопа N15. По мнению некоторых ученых, отношение изотопов в минералах, содержащих азот, не зависит от химического их состава, хотя наблюдаются и исключения.
Откуда появился азот в атмосфере Земли и ее минеральных образованиях? Один из возможных путей - это распад какого-то азотного соединения под влиянием излучений радиоактивных элементов на азот и гелий. Таким исходным веществом мог быть скорее всего аммиак, известный в составе атмосферы ряда планет Солнечной системы. При распаде U238 также образуется азот. Наличие азота в составе многих минералов должно указывать на особую геологическую, или точнее догеологическую, древность этого процесса, относящегося к стадии формирования нашей планеты и ее коры.
Между тем есть и другие точки зрения на происхождение азота в атмосфере. Так, В. И. Вернадский считал, что азот постоянно приходит в атмосферу из глубоких зон земной коры в составе газов, выделяющихся при деятельности вулканов и минеральных источников. На Земле во многих местах известны газовые струи, почти нацело состоящие из азота с примесью благородных газов (гелий, аргон). Под влиянием электрических разрядов азот входит в соединение с водородом и кислородом, образуя NH3, NO2 и NO3, азотистокислые и азотнокислые соли аммония, а также и более сложные азотные органические соединения, "строящие тела организмов".
В природе имеет место грандиозный процесс извлечения из биосферы свободного азота бактериями почвы и вод, а также некоторыми водорослями. Азот при этом поступает в тела организмов в виде разнообразных соединений, а потом иногда накапливается в виде азотсодержащих минералов, например, селитры, азотных соединений нефтей, каменных углей и т. д. В то же время в природе идет не менее грандиозный процесс выделения свободного азота биохимическим путем, тоже при участии организмов, в основном бактерий, принадлежащих к группе так называемых денитрифицирующих. Таким образом, часть азота из состава живых тел и захваченных ими аммиачных и кислородных соединений возвращается назад в атмосферу, часть откладывается в составе ряда минералов или снова захватывается живым веществом биосферы (селитра, аммиачные соединения) или захороняется в осадочных отложениях.
В. И. Вернадский полагал, что количество свободного азота в атмосфере, по-видимому, не меняется и что его приток из более глубоких слоев Земли возмещает его потребление организмами и образование азотсодержащих минералов. Решающая роль в этом процессе отводится живым организмам.
Если учесть приведенные выше данные, что биофильный изотоп азота N14 в истории Земли проявляет тенденцию к накоплению в биосфере, по отношению к более тяжелому изотопу, то относительное обогащение некоторых минералов изотопом N15 позволяет считать его в большей степени связанным с химическими процессами. Между тем в первичной атмосфере, где преобладали лишь химические реакции преобразования ее вещества под влиянием электрических разрядов, трудно допустить большое содержание свободного азота. Скорее всего, он был преимущественно связан в соединения с водородом и углеродом в виде аммиака и углеводородных газов.
Водород представлен в природе тремя изотопами: Н1 - протий, Н2 - дейтерий и радиоактивный Н3 - тритий.
Присутствие свободного водорода в составе атмосферы и гидросферы нашей планеты не вполне еще исследовано. В окружающей среде мы не видим его заметного содержания, но имеется достаточно данных о его присутствии в верхних слоях атмосферы, что установлено исследованиями с помощью ракет. В то же время известно, что свободный водород присутствует в глубинах земной коры и выделяется при вулканических процессах. По данным Резерфорда, весьма вероятен синтез водорода в процессе разрушения атомов других элементов.
Значение водорода определяется его свойствами, в частности исключительной легкостью, вследствие чего Земля может обмениваться им с космосом.
В земной коре водород наряду с другими газами захватывается магматическими и лавовыми массами. Крайне интересно, что в комплексе этих газов оказываются Н2, СН4, C2H4, СО, СO2, N2 и другие, поскольку их ассоциация, несомненно, отражает исконное свойство земной материи и ее первичный газовый состав вообще.
Содержание водорода в твердых породах достигает 36-38%. Водород входит в состав вод минеральных источников, нефтей, часто выделяется мощными струями из залежей морских солей, в частности калийных. В газовой фракции выбрасываемых вулканами веществ он составляет до 3% у Везувия, до 22,3% у Мон-Пеле, а в Исландии вулканические источники выбрасывают струи газа, содержащие 54% водорода. Кроме того, водород высвобождается при гниении органических (белковых) веществ вследствие жизнедеятельности некоторых видов бактерий, что должно давать большой эффект в ходе геологического времени.
На высоте около 100 км водород - является господствующим газом. Предполагается, что он частично улетучивается из земной атмосферы в космическое пространство. Под влиянием азота верхних слоев атмосферы, под влиянием почвенных бактерий и другими путями водород окисляется в воду.
Изотопы водорода дейтерий и протий обычно присутствуют в соотношении 1:6409. В связи с различием в массе протия и дейтерия органические и неорганические процессы с их участием идут различно. Обычно протиевые соединения вступают в реакцию энергичнее и быстрее, чем дейтериевые, примерно в 6 раз. Тритий радиоактивен; его содержание в веществах определяется путем измерения радиоактивности. Полагают, что из изотопов водорода именно протий проявляет тенденцию к утечке в космическое пространство, тогда как дейтерий в ходе геологического времени накапливается. Окись дейтерия - так называемая "тяжелая" вода - имеет особые свойства, в частности является менее активным химическим веществом по сравнению с водой. Тяжелая вода вредна для организмов, а чистая окись дейтерия даже ядовита, способна задерживать биологические процессы. Между тем организмы, усваивая воду, способны разделять изотопы в соотношении обычно около 4500-6000.
Водород - активный биофильный элемент. Многие бактерии, способные к автотрофному существованию, т. е. не требующие для себя готовых органических соединений, могут получать жизненную энергию при окислении водорода: Н2 + 1/2 О2 = Н2O + 56 больших калорий энергии. Правда, эти микроорганизмы не являются обязательными автотрофами, так как могут существовать и на обычных органических средах. Имеется группа водородных бактерий, которые усваивают водород, окисляя его. в присутствии кислорода среды (аэробные бактерии). Некоторые бактерии развиваются автотрофно на минеральной среде в присутствии окиси углерода и кислорода.
Существование автотрофных бактерий, добывающих энергию за счет окисления водорода в присутствии углекислоты, представляется фактом исключительного значения, к которому далее мы вернемся.
В природе существует три изотопа кислорода: О16, О17 и О18. При этом в атмосферном кислороде изотопы составляют соответственно 99,760, 0,042 и 0,198%. Изучение их распространения в природе позволило, прийти к выводу, что тяжелый кислород О18 преимущественно концентрируется в кислороде двуокиси углерода, в частности в кислороде карбонатов и образованных из них кислородных соединений. Установлено, также, что О16 скорее усваивается организмами, в частности почвенными бактериями и в процессе фотосинтеза растений. Этот изотоп в основном составляет кислород воды. Именно О16, легкий изотоп кислорода, преобладает в процессе жизнедеятельности морских организмов, поглощающих кислород.
Поскольку тяжелый изотоп кислорода в большей степени оказывается связанным с минеральным веществом земной коры, а легкий О16 - с жизнедеятельностью организмов и водой гидросферы, то геологическая история их, несомненно, была различной. Малые запасы тяжелых изотопов О17 и О18, вероятно, представляли собой кислород древнейшей атмосферы Земли, тогда как легкий изотоп создавался организмами, вероятно, за счет соответствующих соединений, в связи с его более высокой химической активностью.
Ранее полагали, что кислород атмосферы происходит из кислорода двуокиси углерода при фотосинтезе. Между тем оказалось, что кислород водных растений образуется при фотосинтезе из воды, что подтверждено данными изучения фотосинтеза у ряда видов современных водорослей (хлорелла, гелиатус и др.). В выделяемом водорослями кислороде изотопа О18 оказывается меньше, чем в составе атмосферы. Изучение А. П. Виноградовым, Р. В. Тейс и другими учеными процесса фотосинтеза у элодеи показало, что состав фотосинтетического кислорода совпадает с изотопным составом кислорода воды, но существенно отличается от общего изотопного состава кислорода атмосферы и кислорода углекислоты. Изотопный состав фотосинтетического кислорода оказывается средним по отношению к составу кислорода атмосферы и углекислоты. Это обстоятельство породило гипотезу о том, что в растениях содержатся атомы кислорода, происшедшего как из воды (две трети), так и из двуокиси углерода (одна треть). Путем определения изотопного состава кислорода ряда древних изверженных пород был установлен первоначальный изотопный состав земного кислорода. Отношение между изотопами O16/018 для него получилось в пределах 495,6-495,3. Выяснено, что содержание О18 в карбонатных осадках способно указывать температуру процесса их осаждения в геологическом прошлом - палеотемпературу. Г. Юри на основе тщательного измерения содержания О18 в породах разработал метод измерения температуры воды в момент образования отложения древних карбонатных осадков.
В. И. Вернадский, отмечая наибольшую роль водорода и кислорода в образовании живого вещества, считал кислород, в виде свободного кислорода биосферы, "продуктом жизни". Он доказывал, что для большинства элементов их геохимия обусловливается живым веществом и вообще до 99% (по весу) вещества земной коры считал "обусловленным жизнью", из чего вытекало его представление о теснейшей вещественной связи между живой и косной (мертвой) природой.
Общее содержание кислорода в современной атмосфере - 2,8-1014 т, между тем все растения земного шара в процессе фотосинтеза за год выделяют его 1,2-1011 т. Таким образом, весь запас кислорода современной атмосферы Земли мог бы образоваться всего за 2-3 тыс. лет, если бы он не расходовался на разнообразные окислительные процессы химического и биологического порядка. Правда, имеются высказывания о неорганическом пути образования свободного молекулярного кислорода вследствие термической диссоциации воды, но они не получают поддержки со стороны геологов и химиков.
Возможно, что диссоциация паров воды и происходит в верхних слоях атмосферы при участии солнечной и космической радиации. Приводимые подсчеты количеств кислорода, который мог бы образоваться таким путем за три миллиарда лет существования Земли оказывались в десятки раз больше, чем современные запасы молекулярного кислорода в атмосфере. Однако количество паров воды в верхних слоях атмосферы весьма незначительно и потому эта гипотеза не получила признания специалистов.
Сера - активный биофильный элемент. На Земле она в основном находится в зоне биосферы, где входит в органические и минеральные соединения, отличающиеся огромным разнообразием. Последнее объясняется существованием у серы способности образовывать полимеры в результате различной валентности (S8, S6, S4, S2 и S1). Известно четыре устойчивых изотопа серы (S32, S33, S34, S36) и получено искусственным путем несколько радиоактивных ее изотопов. Так, например, период полураспада S35 равен 87,1 дня, что делает его пригодным для применения в опытах с мечеными атомами. Изотопный состав серы зависит от того, с минеральными или с биологическими процессами она связана. Общее отношение S32/S34 варьирует в пределах от 21,4 до 23,2. Природная биогенная сера и биогенный сероводород имеют отношение этих изотопов в пределах от 22,4 до 22,6, тогда как сульфатные минералы химического происхождения - 21,6-22,0. Природная вулканическая сера имеет отношение изотопов чуть выше 22,2, тогда как сера сульфидных минералов изверженного происхождения - чуть ниже 22,2. Считают, что деятельность серных бактерий может привести к более или менее полному разделению изотопов серы.
Интересно отметить, что количественное отношение изотопов серы S32/S34, наблюдаемое в сульфидных минералах, в частности в пирите, не зависит от геологического возраста минерала, но дает указание на температуру среды кристаллизации. При этом выяснено: что при высоких температурах в начале процесса осаждается изотоп S34, а при понижении температур S32 в виде мелко- и затем крупнокристаллического пирита. В первом случае отмечались температуры 235-210°, а во втором 185-135°. Открытие такого "серного термометра" геохимиками Тодом, Макнамара и Коллинсом очень ценно для изучения состояния сред "ископаемой" биосферы. Правда, этот "термометр" при его практическом использовании требует очень внимательного изучения условий осаждения минерала и последующих процессов, которые могли бы изменить соотношение между изотопами.
Таким образом, доказано, что в природе происходит повышение концентрации S34 при неорганических процессах и обогащение S32 при биологических, что может служить ключом для понимания условий отложения серы в далеком геологическом прошлом. Принято считать, что отношение S32/S34 больше 22,3 указывает на биогенное происхождение материала, а меньше 22,18 - на минеральное. Установлено, что изотопное разделение серы в докембрии выражалось слабо и началось лишь 900 млн. лет назад, когда оно стало более заметным и доступным для исследования. Объяснение явления, данное Г. Юри, может оказаться очень важным, если оно будет подтверждено фактическими данными. Г. Юри полагает, что около 800 млн. лет назад восстановительные (бескислородные) среды сменились окислительными (кислородными).
Известны группы нефотосинтезирующих автотрофных серных бактерий, способных окислять сероводород, с выделением свободной серы (процесс формирования серы!), воды и с выделением при этом 172 кДж тепловой энергии на 1 грамм - молекулу вещества. Существуют окислители серы в присутствии воды, приводящие к образованию серной кислоты и к получению при этом 496 кДж энергии.
Открытие автотрофных бактерий - окислителей серы в природе, сделанное С. Ваксманом и Дж. Иоффе в 1921 г., привело к возможности дальнейшего успешного исследования процессов выделения серы в истории Земли. Впоследствии было установлено, что сера выделяется и рядом других организмов, не вполне автотрофных или гетеротрофных. Были выделены группы организмов, жизнедеятельность которых протекает в кислородной среде, а также и такие, которые пользуются кислородом, связанным в соединениях различного типа. Такие анаэробные микроорганизмы должны быть признаны древнейшей из групп серных бактерий. Они берут из нитратов кислород, за счет которого окисляют молекулярную серу.
Таким образом, биохимическое выделение самородной серы или образование сероводорода в геологическом прошлом то проявлялось, то исчезало в зависимости от условий, причем восстановительная обстановка, преобладавшая в ранней биосфере Земли, для этого, несомненно, не служила препятствием.
В биосфере существуют факторы, регулирующие состав атмосферы,- это водная оболочка Земли и живое вещество природы.
Вода растворяет газы воздуха. Огромное их количество находится в растворе во всех типах природных вод: морских, солоноватых и пресных. Поскольку кислород растворяется лучше, то воды содержат его в относительно больших количествах по сравнению с азотом, что делает водные среды в химическом и биологическом отношениях более активными. Этим путем газы доходят до самых больших глубин морей и океанов, делая их доступными для организмов. Море то выделяет кислород в атмосферу, то поглощает его вновь.
Как отмечал В. И. Вернадский, в природе известны тысячи реакций, связанных с поглощением, связыванием кислорода. Между тем свободный кислород в истории Земли мог быть образован только при жизненных процессах, при выделении его зелеными хлорофильными организмами под влиянием энергии света. Поэтому процесс выделения кислорода приурочен исключительно к так называемой кислородной поверхности - земной коре, суше и водам. С глубиной выделение кислорода прекращается и там уже господствует восстановительная обстановка, В. И. Вернадский не допускал мысли, что в природе мог существовать какой-либо иной источник свободного кислорода, кроме биологического, биохимического, что это Является основной чертой истории кислорода Земли. Таким образом, весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. При этом подсчитывалось его количество (1,2*1015 т), что указывает на масштаб проявлений жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов в ходе геологической истории Земли.
Естественно, возникает вопрос о форме существования кислорода в догеологический период истории Земли. Ответом на него может служить, по-видимому, мнение В. И. Вернадского, что кислород был тогда полностью в связанном виде в многообразных соединениях типа окислов.
Происхождение организмов
Бесчисленные виды растений, животных и микроорганизмов, обитающие ныне на Земле в различных условиях, поражают разнообразием своего строения и жизнедеятельности. Организмы обитают на поверхности суши, в почвах, в пресных и соленых водных бассейнах, в глубинах земной коры и под дном морей и океанов. Они прослежены до глубин, которых достигают буровые инструменты (до 7 км). Организмы можно обнаружить в воздухе, который переносит их на значительные расстояния, иногда на высоте в несколько километров. Споры и пыльца растений, огромное разнообразие микроорганизмов, переносимые вместе с земной и космической пылью, захватывают не только тропические, теплые и умеренные пояса, но и области высоких широт, вплоть до полярных. Эти зародыши жизни, микроорганизмы и их споры проявляют жизнедеятельность всюду, где они только находят для этого благоприятную обстановку.
С тех пор, как наука решительно победила веками бытовавшие представления о "чудесном" происхождении всего мира, мысль человека постоянно обращается к вопросу: как возникло это огромное разнообразие организмов на нашей планете?
Микробиологи, ботаники и зоологи часто рассматривают современные организмы с точки зрения уровня эволюционного развития, располагая их в системы и ряды от наиболее простых к сложным по жизненным функциям и строению. Точно так же биогеохимическая наука создала и разрабатывает убедительную историческую картину связи организмов с минеральным веществом Земли. Чем ниже уровень организации живого существа, тем большую роль играют в его жизнедеятельности (например, бактерии - геологические деятели) элементы мертвой природы. Поэтому даже в современном живом населении Земли можно подобрать такой ряд организмов, который как бы отражает ход общей эволюции жизни.
Развитие организмов на Земле (по Суиннертону)
Однако все современные организмы являются продуктом длительного хода эволюции жизни на Земле. Они приобрели через бесчисленные смены поколений разнообразные особенности и свойства, которых, несомненно, не имели их далекие предки, поэтому палеонтологическая наука, изучающая остатки прежде живших организмов, способна внести в данную проблему верные решения. Идеи Ж. Б. Ламарка и Ч. Дарвина - стройное учение о естественном отборе форм и происхождении видов - дарвинизм,- успешно дополняемое данными мичуринского учения о связях между организмом и средой, о неразрывности этой связи, вскрывают общее направление эволюции жизни на Земле. Этапы развития определенных комплексов организмов геологического прошлого признаны этапами геологического развития самой планеты, разделенного на эры, периоды и геологические века. При этом, чем древнее подразделение осадочных пород с остатками организмов, тем примитивнее по построению и часто мельче по размерам оказываются представленные там организмы, а чем позднее образовался слой породы, тем остатки организмов в нем оказываются более сложно устроенными и более разнообразными.
Обращая внимание на уровень организации ископаемых форм жизни и основываясь на еще относительно скудных палеонтологических материалах того времени, Ф. Энгельс признавал эволюцию жизни как движение материи, как переходы от простого к сложному, как процессы обмена белковых соединений со средой, с основной ролью в них белков как носителей жизни. Ф. Энгельс писал, что остается добиться еще только одного: объяснить возникновение жизни из неорганической природы.
Белковые тела представляют собой цепи связанных между собой аминокислот (полипептидные цепи), уложенные в молекулах таким образом, что в точках соприкосновения между частями этих цепей возникают более или менее прочные химические связи. Процесс образования белковых молекул требует поэтому затраты энергии. Кроме того, в белковых телах могут самопроизвольно образовываться вторичные связи, требующие меньшей затраты энергии. Особенностью живой ткани организма, условием его существования является образование новых аминокислот и распад части старых.
Практика лабораторной работы по синтезу более сложных соединений из более простых при помощи соответствующих энергетических воздействий добилась больших успехов. Обычно для этого применяются высокие давления, поскольку при синтезе объем получаемого вещества меньше, чем сумма объемов исходных веществ.
Опираясь на идеи А. И. Опарина и Г. Юри о первичном составе атмосферы Земли из метана, аммиака, воды и водорода, профессор Колумбийского университета Стэнли Г. Миллер в 1955 г. провел очень интересный опыт синтеза органических соединений в искровом электрическом разряде. Он подводил к смеси метана, аммиака и водорода нагретые пары воды под давлением в пределах 100-200 мм рт. ст. Эта смесь подвергалась действию искровых разрядов с максимумом напряжения в 60 тыс. вольт. Было обнаружено что, кроме исходных газов, в приборе присутствует целый ряд новых углеродных соединений. Получившаяся сложная смесь соединений была разделена различными методами.
Результаты этого замечательного опыта подтвердили возможность природного образования сложных органических соединений из немногих простых компонентов, составляющих первичную атмосферу Земли С. Миллер получил глицин, аланин, аспарагиновую, глютаминовую кислоты и другие соединения, которые входят в состав белков или участвуют в биохимических процессах обмена веществ организмов. Многие из этих веществ могут быть единственными источниками углерода и энергии организмов. Таким образом, опыт С. Миллера показал, что органические соединения можно получить из простых неорганических соединений.
Аминокислоты и полипептиды еще далеки от живого организма. Нужно найти механизмы синтеза еще более сложных органических соединений - пуринов, пиримидинов, жиров, коферментов и нуклеиновых кислот, в особенности ферментов - полипептидов, способных содействовать обмену веществ. С. Миллер отмечает, что роль катализаторов в реакциях, происходящих в организмах, могут играть и некоторые металлы и простые органические соединения, но вряд ли их деятельность могла быть достаточной для обеспечения жизнедеятельности. Поэтому он приходит к заключению, что именно полипептиды были катализаторами почти с самого начала возникновения обмена веществ, еще до того, как развился воспроизводящий себя организм. Таким образом, чтобы существующая гипотеза о происхождении организмов стала вполне доказанной научной теорией, экспериментальному направлению химии и биологии предстоит еще получить искусственно эти полипептиды.
С. Миллер считает возможным два пути образования первичных живых организмов. Первый из них - это появление, согласно представлениям А. И. Опарина, коацерватов - разнороднейших по структуре и свойствам первичных сгустков белковых веществ. Попадая в виде микрокапель в сферы развития геохимических реакций с выделением тепла, эти' сгустки на момент или на более длительные сроки "оживали", становясь сами средой таких реакций. Продолжительность "жизни" соответствующих систем зависела от того, насколько успешно налаживалась их связь со средой, их породившей. Например, закисное соединение, проникнув внутрь коацервата путем осмоса через его граничный слой, превращалось в окись с выделением некоторого количества энергии. Поскольку закись исчезает, то сюда из среды путем осмоса поступает новая ее порция, чем поддерживается процесс и, следовательно, жизнь. Коацерваты могли накапливать еще больше белков и, таким образом, в течение длительного времени вырабатывать механизм для синтеза белка и для генетического размножения, что составляет признаки организма.
Вторую возможность развития органического вещества С. Миллер видит в возникновении так называемой дезоксирибонуклеиновой кислоты - сокращенно ДНК, свойственной веществу современных организмов. Молекулы этой кислоты могли содержать "биологическую информацию", образовывать мутации (скачкообразные изменения), в результате чего метаболические (созидательные) способности первичных форм жизни могли увеличиваться, мог расшириться обмен их веществ со средой. Полезные изменения - это уже признаки живого организма. Естественный отбор должен был обеспечить дальнейший ход эволюции организмов.
Какой из этих двух путей проявился в процессе возникновения жизни, пока еще не ясно. С. Миллер связывает решение этого вопроса с изучением путей синтеза ферментов и воспроизводства генов в современном организме.
Обширные геологические материалы говорят об определенном этапе истории нашей планеты, когда возникли процессы почвообразования на выступах суши, когда отлагались массы мелкозема в древнейших бассейнах, когда начали отлагаться микробиологическим и химическим путями известковые илы, гидрозакиси железа, сульфиды железа и других металлов в условиях восстановительных, т. е. при отсутствии в атмосфере и водах запасов свободного кислорода.
Общеизвестно, что перевод бикарбонатов в карбонаты, закисных соединений и элементов в окислы и закиси всегда сопровождается выделением свободной энергии. Поэтому естественно представить себе, что древнейшие формы жизни использовали для своей жизнедеятельности ту или другую геохимическую реакцию с выделением энергии. Таким образом, создается впечатление, что древнейшими формами жизни являлись автотрофные организмы, т. е. такие, которые не требуют готовых органических соединений и способны довольствоваться лишь углекислотой и перерабатываемыми ими минеральными веществами земной коры.
Известно, что наиболее распространенные в природе автотрофы - это зеленые растения. Для их жизнедеятельности нужна углекислота при источнике энергии в виде света, источник азота, серы и других элементов. На самой низкой ступени по уровню организации стоят одноклеточные микроскопические водоросли, которые иногда придают зеленую окраску стоячим пресным водам, верхнему слою морских и океанских вод, которые получают нужные им питательные вещества в виде углекислоты и минеральных солей из воды через клеточную оболочку. Среди бактерий есть формы пигментированные - окрашенные и бесцветные. Для их развития тоже необходим свет, и многие из них также принадлежат к автотрофным организмам. Есть и бактерии, жизнедеятельность которых подавляется светом и которые могут жить только в темноте. Но и они способны производить белки, углеводы, жиры и другие сложные соединения из соединений углерода типа углекислоты, используя энергию окисления некоторых минеральных веществ.
Весьма важно, что химический анализ живого вещества автотрофных бактерий показал в них наличие того же набора аминокислот, углеводов, жиров и биологически активных веществ - ферментов, который свойствен и гетеротрофным организмам. Из этого следует, что в широком смысле все формы жизни построены по одному образцу.
Возникновение жизни произошло, несомненно, сразу же, как только температура в водных бассейнах или на смежных выступах суши снизилась до пределов, допускающих сохранность белковых веществ. Идеи А. И. Опарина в отношении абиогенной эволюции углеродных соединений на основе синтеза из первичных газовых компонентов атмосферы при наличии паров воды или воды в жидкой фазе не встречают возражений ни со стороны биохимиков, ни со стороны геологов. Однако могут быть некоторые расхождения в представлениях, какими были первичные организмы - гетеротрофами или автотрофами. Несомненно при этом, что те или другие или те и другие обязательно должны были обладать способностью существования в анаэробных, т. е. в бескислородных условиях.
Когда исследователи задумываются над первичной формой и первичным носителем жизни, первым комочком органического вещества, приобретшего способность к размножению, то возникают представления или о бактериях, или о иных организмах, с той или иной поправкой на "древность" таких существ. Естественно, какую бы группу современных микроорганизмов мы не взяли под наблюдения как модель первых организмов, мы не можем упускать из виду их длительной эволюции, длительного приспосабливания к средам обитания с совершенствованием в процессе отбора функций клеточного вещества.
Микробиологией изучено огромное разнообразие бактерий, которые еще не так давно считались самыми мелкими представителями жизни на Земле. Несколько десятилетий назад были обнаружены еще более мелкие элементы, невидимые в самые лучшие микроскопы, которые были названы вирусами. Свойства и химический состав многих вирусов в настоящее время раскрыты и хорошо изучены. По-видимому, все вирусы способны развиваться только в живых клетках организмов растительных и животных или в культурах их тканей.
Еще одна группа мельчайших организмов, которая по размерам укладывается между бактериями и вирусами, а по свойствам близка к бактериям - это так называемые микоплазмы, микроорганизмы, способные жить и развиваться как в организмах, так и вне их. Способность некоторых из них жить в сточных водах и почвах на продуктах разложения растений и животных показывает, что среди них есть и сапрофиты, т. е. организмы, использующие для своей жизнедеятельности готовый углерод из органических остатков.
Вероятно, исследователям предстоит еще много поработать над современными микоплазмами. То, что известно о них теперь, указывает на сильное морфологическое непостоянство - пластичность, а также большую эластичность их клеток, лишенных ригидной клеточной оболочки. Микоплазмы оказываются "голыми", тогда как бактерии имеют хорошо развитую клеточную оболочку. Клетки микоплазм это нити и шаровидные сгустки протоплазмы, которые способны менять форму в процессе развития микоплазм. Нить может затем переходить в цепочку округлых телец. Клеточное ядро имеется. Размножение осуществляется делением, или материнская клетка распадается на массу мелких дочерних телец.
Основное питание современных микоплазм - белковые вещества кровяной сыворотки, холестерин. Сами они, оказывается, неспособны синтезировать многие органические вещества, в которых нуждаются. Но ведь микоплазмы - продукт длительной эволюции. Какими они были в геологическом прошлом? Н. Г. Холодный дал им название "пробионтов", т. е. еще "не вполне организмов" и приписывал им проявление высокой приспособляемости, "пластичности" при изменениях условий обитания. "Толчковые" изменения условий среды, уничтожая одних пробионтов, способствовали подъему на более высокий уровень эволюции других с превращением их в подлинно живые существа - "археобионты".
Жизненные проявления у клетки организма зависят от физико-химического состояния ее веществ, характеризуемых в особенности концентрацией в них свободных водородных ионов - так называемой величиной рН. От рН зависят вязкость белков, осмотическое давление, способность набухания, поверхностное натяжение и т. д. Поэтому считают, что соответствующий рН является и необходимым условием и причиной жизнедеятельности клеток. Различия в величине рН, несомненно, объясняются составом веществ клетки, так как по существу химический состав клетки или организма в целом является признаком устойчивым, признаком систематического значения. Можно сделать вывод, что осуществление жизненных процессов в первичном сгустке белкового вещества связано с рН, обусловившим возникновение процесса обмена вещества со средой, т. е. жизни.
Первичные организмы, естественно, могли не иметь оболочки, могли быть пластичными в виде сгустка протоплазмы и при размножении делиться на две или на большее число дочерних частиц. Они могли питаться рассеянным в природе органическим веществом, вследствие чего должны были быть сходными с современными микоплазмами. Именно отсутствие оболочки и пластичность тел организмов типа микоплазм могли быть основой бурной эволюции, которую прошла жизнь в ходе геологической истории Земли. От микоплазм могли произойти бактериальная клетка и одноклеточный животный или растительный организм, питанием для которых могли служить минеральноорганические среды.
Отметим, что понятия "окисление" и "восстановление" связываются с получением элементов положительного заряда (отдача отрицательного электрона) или с получением отрицательного заряда (получение отрицательного электрона). Ранее окислением называли только присоединение кислорода. Действительно, в природе веществом, которое дает положительный заряд (отнимает электрон), часто является кислород, тогда как водород - восстановитель, так как он дает отрицательный электрон. Но в современном понятии окислением является не только присоединение кислорода, но и отдача водорода, отдача электрона без участия водорода или кислорода. При этом водород, потерявший электрон, является восстановленным, получивший электрон - окисленным.
Вещественная основа жизнедеятельности организмов создается производством и воспроизводством ими различных белковых соединений, в основном представляющих собой так называемые ферменты, белковые тела, которые вызывают процессы обмена веществ, характеризующие жизнь. Необходимо постоянное образование новых запасов таких тел в организме, чтобы он мог существовать и развиваться. Изменение в составе ферментов способно изменять свойства организмов, придавать им новые признаки.
Химия белковых тел в настоящее время располагает возможностями анализа белковых тел клеток организмов, которые представляют собой смесь весьма многочисленных различно построенных белковых соединений, выполняющих определенные функции. Белковые тела, это сложные, гигантские по сравнению с молекулами, известными неорганической химии, молекулы, в образовании которых принимают участие сотни более простых органических веществ - аминокислот. Предполагается, что из 25 типов различных аминокислот в разных качественных и количественных сочетаниях друг с другом можно получать бесчисленное множество самых разнообразных белковых тел с разнообразными свойствами. Установлена последовательность, с которой образуются такие вещества.
Всюду и везде, где на Земле проявляется жизнь, идет преобразование веществ под влиянием энергии, выделяемой внутри организмов или получаемой ими извне. В первом случае происходит превращение одних минеральных или органических веществ в другие, причем выделяется тепловая или химическая энергия, используемая организмом для его роста и размножения. Во втором случае организм должен располагать каким-то органом, который является "ловушкой" для энергии, поступающей извне. Это имеет место у некоторых бактерий и у всех растений, от самых низших до самых высших представителей. Этими "ловушками" у них являются вещества хлорофильного ряда - так называемые хлоропласты.
Итак, химический состав вещества земной коры - твердого и измельченного, неподвижного и перемещаемого бурями, ветрами, дождями и волнами первичных бассейнов - неизбежно и обязательно приводил к возникновению на самом раннем этапе истории Земли микроскопических примитивных организмов в тех районах, где для этого только-только сложились благоприятные условия температурного режима. На других участках поверхности планеты, преобладавших по площади, массовое проявление магматических и вулканических процессов, выбросы из недр остаточного тепла гравитационного происхождения и тепла от распада радиоактивных элементов поддерживали высокую температуру. Здесь падавшие на землю дождевые воды обращались в пар и снова поднимались в атмосферу. Бури и ураганы проносились над земной поверхностью. Волны первичных водных бассейнов разрушали выступы суши, превращая камень в мелкозем - гальку, песок и тонкий ил. Возникали химические связи между ними и некоторыми другими растворенными веществами земной коры.
Космические, преимущественно солнечные, излучения, пробиваясь через почти сплошную облачность тяжелой вторичной атмосферы, то дробили атомы химических элементов, то перестраивали их соединения, вызывали распад паров воды на водород и кислород, причем первый частично улетал в космическое пространство, а второй активно вступал в химическую связь с веществом земной коры, твердым и растворенным.
Огромное разнообразие веществ древнейшей литосферы (каменной оболочки Земли), находившихся в результате общего восстановительного характера химических процессов в закисном состоянии, представляло собой своего рода "топливо", к которому нужно было только поднести зажженную спичку. Этой "спичкой" послужили окислительные процессы при участии слабо связанного кислорода и его масс, возникавших при распаде паров воды. Процессы такого порядка всегда сопровождаются выделением свободной энергии. При химическом ходе реакций окисления эта энергия в виде тепла разными путями растрачивалась. Например, выбрасываемые на поверхности Земли при современных вулканических извержениях лавовые массы, всегда богатые закисями, приобретают еще более высокую температуру, чем имели в недрах. Встречаясь с кислородом атмосферы, они как бы загораются, начинают светиться, приобретают еще большую подвижность и иногда текут, подобно рекам, далеко по поверхности Земли. При недостатке же кислорода вулканические массы становились вязкими, как становятся вязкими и лавы, бедные закисями и богатые кремнеземом,- так называемые "кислые". Лавы древнейших фаз вулканизма образовывали огромные скопления каменных масс, наращивавших земную кору на суше и в водах, а пепел разносился вихрями древнего углекисло-метано-аммиачного воздуха молодой планеты с парами воды и осаждался на обширных площадях с теми или иными химическими изменениями его компонентов.
Угольная кислота была первым химическим агентом доорганического этапа истории Земли, имевшим биологическое значение. Она активно влияла на многие вещества, в частности образовывала разнообразные карбонаты, в числе которых преобладающее развитие получили карбонаты кальция и магния. В присутствии молекул воды эти карбонаты превращались в растворимые бикарбонаты, которыми обогащались водные массы древнейших бассейнов. Поэтому древнейшие воды гидросферы Земли содержали много углекислых и, вероятно, азотнокислых солей и очень мало хлористых. Другими словами, древние моря были почти не солеными. Их известковые воды по типу были близки к многим водам современной суши, связанным с карбонатными породами. Содержавшиеся в воде бикарбонаты были тоже "топливом", поскольку они способны переходить в твердые кальцит и доломит с выделением энергии.
Таким образом, вещество земной коры и геохимические процессы, включая химическую эволюцию углеродных соединений, неуклонно и необратимо вели к возникновению жизни и ее торжеству в последующие геологические времена.
Протекание и развитие микробиологических процессов в почвах представляет исключительный интерес, так как вообще почвенные условия являются издавна одной из самых распространенных сред питания микроорганизмов на земной поверхности. Как известно, новообразование, т. е. разрушение коренных скальных пород с превращением их в равномерно зернистый мелкозем в присутствии бактериального населения, протекает в 20 раз быстрее, чем в результате деятельности только агентов физического выветривания пород (колебаний температуры и растрескивания пород в присутствии воды при ее замерзании). В первом случае мелкозем образуется в сложной биогеохимической среде, где к деятельности микроорганизмов (бактерии, грибы, водоросли) добавляется геологическая деятельность выделяемых ими органических кислот.
Процесс отсортировки обломочного минерального материала в почвах обусловлен отделением кварцевых зерен изверженных пород от кристаллов полевых шпатов, которые под влиянием микроорганизмов (диатомовые водоросли) превращаются в глинозем, с образованием почвенных минеральных коллоидов; это может приводить и к переотложению этих коллоидов в виде "вторичных" глин на дне водных бассейнов. За счет этого материала в водах могут отлагаться глинистые минералы - бентониты, монтмориллониты. Железо- и марганецсодержащие минералы разрушаются в результате жизнедеятельности железобактерий.
Какие условия в природе наиболее подходят для развития сложных химических процессов при участии веществ, находящихся в трех фазах - твердой, жидкой и газообразной - под воздействием различных физических явлений, в частности излучений? Как уже отмечалось выше, таким местом оказываются почвы суши влажных районов, образованные за счет коренных пород, содержавших соответствующие химические элементы. Как известно, наиболее богаты биофильными химическими элементами некоторые типы изверженных пород. Наиболее бедными являются продукты переноса и переотложения почвенного материала, из которых активные химические элементы и их соединения удалены, но это имеет место в отношении песков и песчаников кварцевого состава.
Важнейшим агентом химических процессов является вода, которая служит и важнейшим компонентом живого вещества биосферы. Граница соприкосновения скальной горной породы с водой, содержащей в растворе углекислоту, кислород воздуха и азот, является местом взаимодействия между важнейшими компонентами биосферы. Здесь развиваются соответствующие реакции. Включение сюда же органических кислот или кислот минерального происхождения усиливает воздействие таких сред на вещество скальной горной породы, и она более или менее быстро разрушается. При этом продукты разрушения деятельностью силы тяжести, воды или ветра могут быть частью вынесены, частью вовлечены в раствор и унесены с водой. Здесь за счет минеральных веществ разрушаемой горной породы образуются новые минералы, часто содержащие воду.
Естественно, что почвы обычно являются местообитанием огромного многообразия микроорганизмов, среди которых много различных бактерий, грибов, водорослей и простейших животных, создающих почву и использующих ее как среду своей жизнедеятельности. О присутствии почвенного покрова на выступах суши в геологическом прошлом, если не сохранились сами почвы или вообще кора выветривания горных пород в зоне контакта с атмосферой, могут говорить массы обломочного материала наземного происхождения, снесенные водами в бассейны и превращенные затем в те или иные скальные породы (песчаники - в кварциты, глины - в глинистые или кристаллические парасланцы, галька - в конгломераты). Чистота их сортировки, однородность формы частиц и характерный минеральный состав могут служить признаками активного хода процессов почвообразования на суше. Поэтому очень интересно и важно, что эти признаки характерны для древнейших осадочных пород. Песчаники или образовавшиеся из них кварциты обнаружены даже в составе пород архея, так же как и мраморизованные известняки и превращенные в кристаллические сланцы песчано-глинистые породы.
Поскольку преобразование многих минеральных веществ в биосфере происходит с выделением свободной энергии, то в почвенных условиях эта энергия поддерживает жизнедеятельность организмов. В далеком геологическом прошлом в особых физико-химических условиях именно эта обстановка могла быть наиболее подходящей для возникновения примитивных форм жизни и их развития.
Таким образом, почвы - это микробиологическая лаборатория природы. По продуктам процесса породообразования мы можем судить и о наличии почвенного населения в определенные геологические эпохи. Имеются данные о существовании почвенных бактерий и, возможно, почвенных водорослей уже в позднем архее, не говоря уже о протерозое, когда почвенные процессы, несомненно, захватили обширные выступы суши. Наличие в составе древнейших обломочных пород сероцветов или зеленоцветов указывает на преимущественный восстановительный характер как на суше, так и в бассейнах. Как известно, продукты перемыва некоторых вулканогенных пород докембрия часто бывают выражены так называемыми серыми вакками, в которых встречаются и мало измененные первичные материалы материнских пород (базальтов). Такие породы указывают на времена и области преобладания физических агентов почвообразовательного процесса.
Что касается железосодержащих и марганецсодержащих минералов коренных пород суши, то их разрушение из химических агентов идет наиболее активно под действием углекислоты с образованием растворимых в водах бикарбонатов, которые легко разрушаются и в почвах и в бассейнах биосферы деятельностью разнообразных железобактерий. Поэтому состав и сложение осадочных пород, сформировавшихся в водных условиях, могут указать на характер обстановки на смежных выступах суши и на деятельность тех или иных организмов в геологическом прошлом.
Возникновение первичного живого вещества на Земле на основе запасов разнообразных углеродных соединений биосферы сопровождалось вовлечением в круговорот жизни косного вещества земной коры и атмосферы с использованием энергии его превращений. Энергетический процесс, который возникал в минерало-органических веществах, оформленных в мельчайшие каплеобразные тела, проявлялся сначала как вспышка, как взрыв. Позднее он стал принимать более спокойное течение. Жизнь, загоревшаяся, как искры света во тьме, то вспыхивала, то угасала, то, получив достаточный приток "пищи", снова становилась устойчивой и "горела" ровным маленьким пламенем.
Энергетические процессы, происходящие внутри живого организма, идут на более высоком качественном уровне, чем явления неживой природы. Обмен веществ, являющийся источником энергии, если она не поступает извне в форме световой или тепловой, приводит к получению энергии при окислительных процессах, с превращением ее в химическую, механическую и электрическую. По мнению Н. Г. Холодного, основным источником энергии в обмене веществ служит водород. Углерод окисляется косвенно в процессе последовательной отдачи водорода, присоединения частицы воды, новой отдачи водорода и т. д. Характерно, что отнимаемый от окисляемого вещества водород соединяется с кислородом и освобождает весь свой запас химической энергии не сразу. Он проходит через систему промежуточных переносчиков, от одного соединения к другому. Отдавая электрон, водород переходит в ионную форму и, наконец, соединяясь с кислородом, образует воду.
Поскольку многие виды окислительных процессов, происходящих в природе, действительно проявляют свечение (светящиеся бактерии, светящаяся в темноте гниющая древесина), возникновение жизни в первичных сгустках - "коацерватных каплях" А. И. Опарина - действительно можно уподобить искрам света, бесчисленным огонькам, загорающимся в природе, то быстро угасающим, то постепенно разгорающимся все сильнее и сильнее.
Нельзя не отметить роли тепловой энергии, возникающей при процессах обмена. Нередко эта энергия бывает избыточной, излишней для биохимических процессов организма. Она выделяется в среду обитания, которая при этом претерпевает нагревание (окисление серных руд в штабелях, пирита и марказита в углях и в штабелях, гниение сена, "созревание" торфа в торфяниках и т. д.). Это явление ведет к обособлению деятельности так называемых "термофилов" (теплолюбивых организмов), хотя изменение обстановки может в действительности идти лишь в сторону уже чисто химических процессов во вред упомянутым организмам. Так, организмы, возникшие при соответствующем составе и особенностях среды, влияют на нее и подвергаются при этом изменениям под влиянием ими же вызванных изменений последней.
Раз появившись и приобретя способность к воспроизводству новых поколений, жизнь стала быстро завоевывать среды всех типов. Используя запасы углеродных соединений земной коры, живое вещество - новый геологический фактор - быстро поглощало их. Поэтому на Земле могла быть только одна эпоха возникновения жизни, так как это был определенный этап в развитии вещества планеты, больше никогда уже не повторявшийся.
В сферу жизнедеятельности организмов, возникших на основе минерало-органических соединений, с качественно новыми отношениями их со средой, были вовлечены элементы, которые до того были недоступными; поле деятельности организмов быстро расширилось. Расселяясь, организмы стали осваивать все новые и новые места обитания: все более глубокие зоны морей, всю поверхность суши, от низин до высот, а также и недра Земли. Таким образом, первый и главный слой жизни, несомненно, расширяясь, быстро охватил выше и ниже лежащие зоны и превратился в биосферу, размер которой по вертикали стал измеряться километрами.
Так жизнь как энергетический процесс стала на Земле неотделимой от минерального вещества, стала неотъемлемой частью природы, планетарным явлением. Подчиняясь до известного предела условиям среды своего развития, она вносила, как вносит и теперь, часто значительные изменения в состав и свойства среды. Жизнь расширила круг химических процессов на Земле, добавив к нему огромное разнообразие биохимических реакций. Жизнь с самого начала стала осуществлять разнообразную огромную и все увеличивающуюся породообразующую геологическую работу. Она стала играть все большую роль в формировании пород, ландшафтов и самой среды.
По мнению Г. Лиса, первичные организмы, обитавшие в условиях атмосферы, содержавшей углекислоту и лишенной кислорода, в средах, бедных органическими веществами, могли иметь источником жизненной энергии только свет. Поэтому этот исследователь полагал, что первыми живыми существами на Земле были фотосинтезирующие организмы, которые жили в анаэробных условиях, пока в результате того же фотосинтеза не создался в биосфере и запас кислорода и органических веществ. Следует отметить, что хлорофилл, зеленый компонент живого вещества фотосинтезирующих организмов, по своей конструкции стоит на уровне аминокислот и потому мог быть действительно одним из древнейших белковых соединений в природе.
Фотосинтезирующие бактерии имеют в своем составе красящие вещества - пигменты, близкие к хлорофиллу растений. У бактерий, выращенных в темноте, эти пигменты не образуются. Бактериальный хлорофилл представляет собой различные близкие по составу пигментирующие вещества, каждое из которых, свойственно соответствующим группам бактерий - пурпурным, серным и несерным, зеленым серобактериям и др. Схема процесса фотосинтеза у таких бактерий имеет следующий вид:
Фотосинтезирующие бактерии выделяют в составе среды не молекулярный кислород, а группы ОН. Это приводит к окислению в среде их обитания некоторых восстановительных веществ - сероводорода, серы водорода. Как мы отмечали, водородом древняя биосфера была богата.
Как пишет Г. Лис: "...автотрофные бактерии могут быть охарактеризованы как организмы, которые могут жить, расти и размножаться в среде, где единственным источником углерода служит углекислота, и для конструктивного обмена которых не требуется готового органического вещества... Гетеротрофные организмы к этому не способны, поскольку для ид развития требуется присутствие по крайней мере одного органического вещества, например какого-либо сахара или аминокислоты. Гетеротрофные организмы нуждаются в органических веществах не только как в материале для роста, но и как в источнике энергии. Рост и развитие этих организмов регулируются количеством энергии, получаемой при усвоении нужного им органического вещества. Между тем автотрофные бактерии проявляют свою жизнедеятельность, используя световую энергию или энергию, получаемую ими при преобразовании неорганических веществ".
Вот некоторые пути получения энергии (по Г. Лису).
Окисление сероводорода до элементарной серы в присутствии кислорода: H2S+O = H2O + S + 172 кДж
Окисление элементарной серы в присутствии кислорода: H2O+S+3O = H2SO4 = 496 кДж
Окисление азотистой кислоты в азотную: HNO2+O = HN03 + 71 кДж
Окисление водорода: Н2+O = Н2O + 235 кДж.
Световая энергия -6*1023 квантов красного света дает автотрофу 40 ккал энергии.
Для сравнения мы можем привести энергетический эффект усвоения гетеротрофными бактериями глюкозы:
С2Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + 2900 кДж.
Из этого сравнения отчетливо виден значительно более высокий уровень химического развития "пищевого" вещества гетеротрофов сравнительно с автотрофами. Получаемый в последнем случае огромный энергетический эффект не мог иметь места на самом раннем этапе существования организмов и мог развиться лишь в процессе длительной эволюции живого вещества в биосфере при последовательном усложнении химической структуры веществ, включаемых в сферу биологических процессов. Способность вырабатывать эфиры, нектар, масла, сахара растениями могла возникнуть и развиться лишь в ходе длительной эволюции растительного живого вещества природы. Отсюда естественно представлять развитие жизни от первичных преимущественно автотрофных организмов к преимущественно гетеротрофным, от анаэробных форм жизни, не нуждающихся в свободном кислороде, к более высокоорганизованным анаэробным же и к аэробным, требующим кислорода для своей жизнедеятельности.
Форма и абсолютные размеры тела живого организма играют решающую роль в его отношениях со средой. При этом определяющим фактором является поверхность тела, осуществляющая обмен веществ.
Произведем некоторый расчет. Представим себе кубик с ребром в 1 см. Будем дробить его на кубики меньшего размера и при соответственно большем их количестве попробуем подсчитать их суммарную поверхность:
1 кубик с ребром в 1 см - 600 мм2;
1 тыс. кубиков с ребром в 1 мм - 6 тыс. мм2;
1 млн. кубиков с ребром в 0,1 мм - 600 тыс. мм2;
1 млрд. кубиков с ребром в 0,01 мм - 60 млн. мм2;
1000 млрд. кубиков с ребром в 0,001 мм - 6 млрд. мм2, или 600 м2.
Таким образом, если мы имеем дело, например, с бактериями размером около 0,001 мм (1 микрон!) в поперечнике, то оказывается, что 1 см3 такого бактериального вещества имеет суммарную поверхность связи со средой 600 м2! Таким образом, у бактерий, если выразиться техническим языком, коэффициент полезного действия оболочки и самого вещества оказывается весьма низким. Живые существа с более высокой организацией имеют иное отношение к среде, выражающееся, в частности, большими размерами и иной конфигурацией тел.
Форма живого тела, его размер и конфигурация в пространстве теснейшим образом связаны с содержанием, со свойствами и количеством органического вещества, осуществляющего жизненные функции особи - единицы жизни. Поэтому совершенно ясно, что первичной формой при возникновении жизни на Земле была каплеобразная сфероидальная, имевшая сверхмикроскопические размеры, до 1 μ. Малые размеры тела - результат естественного отбора - составляли преимущество этих первичных организмов, унаследованное затем всем миром бактерий и зародышевой стадией более высокоорганизованных существ. Таким образом, первичная сфероидальная клетка стала основной первичной стадией индивидуального развития всех живых существ Земли.
Важное свойство любого природного тела - его электрический заряд, возникающий на границе сред. Он есть у падающей капли дождя, у пылинки, плавающей в воздухе и в воде, он есть у бактерии, находящейся в жидкой среде. У тел неживой природы заряд способен возникать и исчезать, но знак его не меняется. У живых же организмов, от самых простейших их представителей до высших, электрический заряд создается ими самими и их определяет; в момент гибели особи заряд теряется.
Говоря об организмах как древнейших, так и современных, мы не можем не коснуться связи между содержанием и формой. При этом в понятие содержания входят представления о внутренних источниках единства, целостности и развития части материи с совокупностью свойственных ей процессов. В сгустке живой материи содержание - это все биологические, физические и химические процессы, а форма - та организация, которая обеспечивает взаимодействие этих внутренних процессов и связь их с внешними условиями среды. Содержание обладает собственным движением, тогда как форма имеет относительную самостоятельность. Содержание заключает в себе возможность беспредельного развития, тогда как форма его ограничивает.
Развитие организмов выражается и обусловливается повторяющимися в определенном порядке формообразовательными процессами в виде бесконечных циклов. Наиболее простые формы развиваются в более сложные или приобретают при тех же формах и размерах более сложные функции (современные бактерии).
Геологические материалы, в частности образование осадочных горных пород, способны давать существенные указания на характеристику водных сред геологического прошлого. Минералы, образовавшиеся одновременно с отложением осадков на дне древних бассейнов, способны давать исчерпывающие указания на условия среды осаждения. Чаще всего это были щелочные и восстановительные среды; в придонной зоне, в ее "бактериальной" пленке, кислород обычно был израсходован в результате деятельности аэробных (потребляющих кислород) бактерий. Особенно важно, что геологи находят под позднее отложившимися осадками "коры выветривания" продукты разрушения горных пород, относящиеся к разным моментам геологической истории Земли. Оказывается, что древнейшие такие "коры" не несут признаков развития окислительных процессов.
Отложение осадочных железных руд при участии железобактерий, происходящее в современности только на площадях суши, в условиях кислых аэробных сред в течение всего докембрия происходило в бассейнах морского типа. Это указывает на их тогда еще низкую засоленность и близость по свойствам к водам суши. Для бассейнов докембрия было свойственно также огромное развитие водорослей, которые их исследователям - палеоальгологами признаются за пресноводные. Таким образом, мы имеем теперь много "ключей" для разгадки особенностей древней биосферы Земли, которые использовали пока еще недостаточно.
Считаясь с признанием большинством исследователей первичной среды жизни как среды восстановительной, первые проявления жизни следует представлять подчиненными этому фактору. Так, некоторые микробиологи, задумывающиеся над путями эволюции обмена веществ, обращают внимание на тип бактерий, способных фотоассимилировать угольную кислоту в условиях анаэробной среды, как это осуществляется, в частности, современными пурпурными и зелеными серобактериями. Эта форма обмена к тому же является самой примитивной. Она оказывается типично автотрофной. В. Н. Шапошников полагает, что от такого типа обмена легко перекинуть мостик к типичному гетеротрофному питанию, через гетеротрофную ассимиляцию несеропурпурных микроорганизмов, которые развиваются на свету за счет органических веществ.
Из углеродных соединений первичная среда жизни имела углекислоту и углеводороды, в основном метан, и продукты их соединения с водой в условиях почти полного отсутствия свободного кислорода.
Теория А. И. Опарина прекрасно поясняет ход процесса уплотнения молекул органического вещества химическим путем и механизм деятельности коацерватных капель, которые должны были слагаться из органических веществ типа белковых. Причиной возникновения жизни в первичных сгустках белковых веществ могло быть только одно - осуществление в них химических реакций за счет вещества среды, поступавшего через граничную пленку, с выделением при этом энергии, если она не поступала извне. Оба эти пути равно могли иметь место с самого начала проявления жизни на Земле.
Первыми возникли скорее всего автотрофы, так как их структура проще, а энергетический эффект, даже у современных их представителей, значительно ниже, чем у гетеротрофов. Формы типа гнилостных бактерий тогда отсутствовали, что прекрасно доказывается относительно высокой сохранностью даже следов клеточного строения у многих ископаемых представителей древнейших водорослей и других организмов. Только появление древнейших животных могло стимулировать развитие групп гетеротрофных - болезнетворных микроорганизмов паразитического, или сапрофитного, характера.
Различные автотрофные микроорганизмы, как известно, способны в природе образовывать разнообразные минеральные вещества. Из аммиака нитрофицирующие бактерии в природе образуют нитраты - соль азотной кислоты. Тионовые (серные) бактерии обладают способностью из элементарной серы производить серную кислоту.
В анаэробных - бескислородных - условиях некоторые автотрофные бактерии способны восстанавливать сульфаты до сульфидов, используя при этом молекулярный водород. В озерах и реках автотрофные фотосинтезирующие бактерии в анаэробной обстановке могут окислять сероводород до серы, а затем до серной кислоты, при этом могут создаваться местные скопления серы.
Например, в одном небольшом озере в Киренаике ежегодно накапливается около 100 т элементарной соли. Очень интересно, что микроорганизмы предпочтительно накапливают один из изотопов серы - серу-32. Изотопный анализ древних залежей серы, начиная с докембрия, показал повышенное содержание в них этого изотопа. Значит в их образовании сыграли роль микроорганизмы.
Современные автотрофные микроорганизмы осуществляют широкий круг природных процессов, где их "работа" оказывается то полезной для человека (образование месторождений серы тионовыми и серными бактериями), то вредной (разрушение бетона и кирпича при участии тионовых бактерий). Иногда они закупоривают железные трубы отложениями гидрата окиси железа, усиливают или осуществляют целиком коррозию металлических конструкций.
Современные автотрофные микроорганизмы, по данным микробиологов, характеризуются весьма сложным составом ферментов.
Первичные автотрофы не могли походить в этом отношении на их потомков, хотя в общем характер их биогеохимической деятельности остался тем же. Между теми и другими прошел длительный этап биохимического развития. Коренным образом изменилась и сама среда их существования. Следует полагать, что деятельности первичных форм жизни существенно помогала та среда, которая их породила и что ход эволюции организмов является проявлением саморазвития их вещества, с развитием свойств новых, с изменением при этом и требований к среде обитания. Поэтому древнейшие автотрофы должны быть сходны с современными лишь отчасти.
Мы остановились на вопросе об автотрофных микроорганизмах потому, что эти формы жизни наименее требовательны к обстановке. Для них нужна в основном углекислота как ростовый материал и различные минеральные вещества при наличии слабо связанного или свободного кислорода или без него. Древняя среда жизни содержала огромное многообразие необходимых для них закисных минеральных соединений и являлась, таким образом, средоточием доступнейших для организмов источником энергии. Химический процесс преобразования этих закисей поэтому легко и естественно стал биологическим. Энергия геохимических реакций стала энергетической базой жизни.
Данные геологии показывают наличие в древнейших осадочных толщах докембрия скоплений сульфидов в виде пирита, марказита, свинцового блеска и т. д. Нами установлено обильное развитие бактериальных микроструктур у многих кремнисто-железистых сланцев и железных руд, в частности докембрийских. Напрашивается единственно возможный вывод, что древнейшими формами жизни на Земле были по преимуществу именно группы автотрофных бактерий и одноклеточные водоросли. Они играли важную роль не только в преобразовании минеральных веществ, но и в накоплении высокомолекулярных углеродных соединений, затем ставших питательной средой для развития гетеротрофных бактерий и предков других групп организмов.
Геохимические реакции в первичной биосфере Земли шли при несомненном участии фотосинтезирующих бактерий и простейших представителей растительного мира. Клетки этих организмов, развиваясь с помощью поступавшей извне лучистой энергии, должны были располагать зеленым веществом типа хлорофилла и рядом ферментов для удаления продуктов фотосинтеза.
Возникновение хлорофилла в ходе эволюции было закладкой нового типа живого вещества биосферы - всего мира растений.
Мир растений оказался мощным геологическим фактором, способным высвобождать кислород, выделять его в атмосферу и воду, а также накапливать в биосфере органическое вещество, частью захоронявшееся в осадочных отложениях. Искусственное получение в 1961 г. путем синтеза вещества феофорбида, почти соответствующего хлорофиллу, явилось новым достижением в области изучения строения органических веществ и истории их развития.
Наиболее вероятным временем возникновения на Земле процессов синтеза органических веществ с помощью ультрафиолетовых лучей Солнца и электрических разрядов атмосферы был этап перехода от катархея к архейской эре истории нашей планеты. Это было временем возникновения массы первичного живого вещества, чему способствовали вода в жидкой фазе и запас сложных углеродных соединений.
Живое и минеральное вещество
В течение тысячелетий передовые умы человечества бьются над вопросами, что такое материя, каково ее строение. Появление атомистического представления о строении материи, горячим сторонником которого был М. В. Ломоносов, стало важным этапом в развитии знаний. Так, М. В. Ломоносов видел проявление атомного строения вещества в их свойстве нагреваться. Он считал, что теплота - это не что иное, как движение мельчайших частиц тела, а степень нагрева зависит от скорости движения частиц. Открытие и изучение химических элементов показало, что вещества бывают простые и сложные и что имеются возможности разложить одни вещества, получая при этом другие, более простые. Постепенно были открыты химические законы, в частности закон постоянства состава химического соединения, открыто молекулярное строение веществ. При этом доказано, что свойства элементов находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов, от величины атомных весов элементов.
Развитие идей Д. И. Менделеева, открытие ряда новых элементов с предсказанными свойствами, открытие электронной структуры атомов Э. Резерфордом и Н. Бором привели к установлению единой природы всех химических элементов. Затем были вычислены размеры электронов, определен состав ядер, и новая физика научилась превращать одни элементы в другие.
Развитие материалистической мысли и создание К. Марксом и Ф. Энгельсом диалектического материализма привело к идее развития, к идее непрерывного обновления всего существующего. Диалектический материализм считает способность к развитию неотъемлемым свойством материи. Материалистическое миропонимание приводит нас к идее вечной и неизменной первоосновы всех вещей, к идее существования предметов и явлений объективно, т. е. независимо от нашего сознания. В. И. Ленин писал, что материя есть объективная реальность, данная нам во в ощущении. Основной причиной того, что материя действует на чувства, является то, что она находится в движении.
Открытие радия и радиоактивности необычайно обогатило физику и химию, вплотную приблизив человечество к пониманию вещества Земли. Ядерная физика еще развивается на этой основе и не сказала своего последнего слова, тем не менее она привела к учению об изотопах в природе и позволила в содружестве с химией, биохимией и геохимией подойти к пониманию сущности связей между элементами мертвой и живой природы, а также внутри этих двух категорий веществ.
В свете новых взглядов на живое вещество природы основным моментом оказывается понятие об энергетической стороне явлений жизни.
В. И. Вернадский считал, что вся биосфера, во всех ее формах находится в непрерывном движении. Температура свободной тропосферы (нижней, охватываемой жизнью зоны атмосферы Земли) кверху понижается, температура гидросферы понижается книзу, температура литосферы (верхнего слоя земной коры) постепенно повышается с глубиной. В тропосфере азот и кислород находятся в определенном соотношении. Под землей быстро исчезает кислород и существует "кислородная поверхность", ниже которой располагается азотная подземная атмосфера.
Вещество биосферы В. И. Вернадский делил прежде всего на две крупные категории: "живое" вещество (совокупность всех живых организмов), богатое действенной энергией, и "косное", действенная радиоактивная и химическая энергия которого в подавляющей ее массе, в ходе исторического времени, ничтожна. Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы. В. И. Вернадский поэтому считал, что "живое вещество есть самая мощная геологическая сила биосферы, растущая с ходом времени (разрядка моя - А. В.). Оно не случайно и независимо от нее, в ней живет, она есть проявление физико-химической организованности биосферы".
Обратимся к рассмотрению тех химических элементов, которые являются общими как для живого вещества природы, так и для косного. Эти общие элементы, поскольку они являются основными компонентами веществ - носителей жизни, называются биофильными. Их не так много, хотя вообще в состав живых тел входит много десятков других элементов, но обычно в ничтожных количествах.
Биофильные элементы следующие: углерод, азот, водород, кислород и сера. Как выяснено, "биофильные" свойства этих элементов нужно понимать и рассматривать с оговорками. Суть в том, что почти все известные химические элементы оказались смесями изотопов, почти не отличающихся друг от друга по своим химическим и физическим свойствам. При этом не все изотопы элементов, упомянутых выше, имеют равное отношение к процессам жизни.
Стремление понять вещественный состав Земли, прежде всего той ее части, которую называют биосферой, привело исследователей - химиков и минералогов, а также и геологов - к изучению распространения химических элементов в природе, в земной коре, к поискам закономерностей на основе геологической карты.
Геологическая карта призвана показать распространение тех или иных горных пород по их выходам на дневную поверхность и искусственным выработкам и буровым скважинам, с указаниями на их геологический возраст и вещественный состав, на различные взаимоотношения этих пород.
Для пород земной коры было очень важно учесть распространение в ней химических элементов. В результате трудов В. И. Вернадского, Ф. У. Кларка, А. Е. Ферсмана, их учеников и последователей возникла и непрерывно расширяется таблица количественной распространенности химических элементов, или, как говорят геохимики, "кларков" элементов. Отсюда возникло представление о среднем составе земной коры, на фоне которого местные более высокие или более низкие концентрации представляли практический или научный интерес. Высокие концентрации практического значения - это месторождения полезных ископаемых. Поэтому геохимия оказывает помощь практической геологии, на материалах которой она развивалась и развивается, дополняя ее специальными исследованиями.
Крайне важно, что в то же время родилась идея об эволюции вещества земной коры. В. И. Вернадский высоко расценивал работы в этом направлении, имея в виду возможность глубокого изучения вещества Земли и полагая, что химический атомный состав его не есть случайное явление, что он связан с многообразными свойствами атомов в физическом поле, прежде всего в энергетическом - термодинамическом.
Количественные отношения атомов Земли были отражены в так называемой таблице Филипса - Кларка - Фохта. Она показала, что атомный состав Земли тождествен составам поверхностных слоев звезд и Солнца.
Живые организмы В. И. Вернадский не считал в основном углеродными. Он полагал, что с геохимической точки зрения живое вещество есть кислородное вещество, богатое углеродом, и лишь иногда оно является углеродистым и содержит более 10% углерода по весу. Значение углерода в живом веществе, в организмах, не объясняется его количеством, но есть функция его химических свойств.
Замечательную особенность взглядов В. И. Вернадского составляет единство его подхода к представлениям об элементарном составе живой и косной природы. Выяснилось, что элементы, слагающие тела организмов, свойственны природе вообще, не только живому, но и косному ее веществу, в частности минеральному. Отсюда естественным было категорическое признание постоянства химического облика земной коры в течение геологического времени, признание того, что "средние количества и состав живого вещества оставались приблизительно одинаковыми в течение всего этого непостижимого по длительности времени". Поэтому он признавал, что количество живого вещества, по-видимому, является планетной константой (постоянной величиной) со времени архейской эры, т. е. за все течение геологического времени.
Следует отметить, что и ранее некоторые мыслители, в частности в XVII в. Ж. Бюффон, высказывались за идею об относительной неизменности количества живого вещества. Между тем и в настоящее время нет точных данных об изменениях количества живого вещества во времени и потому решение этого вопроса пока оказывается невозможным.
Рассматривая элементарный состав живого вещества, В. И. Вернадский разбил элементы в зависимости от их распространения на декады:
В составе тел всех ныне живущих организмов мы находим кислород, водород, серу, азот и в особенности углерод. Эти элементы и ряд других, присутствующих в меньших количествах, железо, марганец, медь, образуют простые и сложные химические соединения, главнейшими из которых являются белковые. Из простых соединений следует отметить воду, углекислоту, метан, угарный газ, закись азота и другие, свойственные, оказывается, не только живым организмам, но и так называемой "мертвой природе".
Упомянутые элементы и их простые и сложные соединения слагают тела организмов, но все они также свойственны и окружающей их среде. Элементы и соединения извлекаются организмами из среды с образованием нужных им веществ для построения соответствующих клеток и тканей, а затем в процессе обмена со средой и после смерти организма они возвращаются снова в состав среды.
Таким образом, органическая жизнь базируется на химических элементах и соединениях, являющихся общими и для нее и для окружающей "мертвой природы". Отсюда возникает один из важнейших законов биологии - "единство среды и жизни", прежде всего в вещественном понимании.
Основной признак каждого живого существа - способность усвоения соответствующих элементов и веществ природы - способность к ассимиляции. Ф. Энгельс считал ассимиляцию существенной функцией жизни.
Элементарное вещество, обусловливающее жизнь,- белок, или комплекс белковых соединений. По Ф. Энгельсу, белок - совершенно бесструктурное вещество, обнаруживает все основные свойства жизни, осуществляемой путем ассимиляции: пищеварение, выделение, сокращение (раздражимость, реакцию на раздражение), размножение. Великий мыслитель считал, что должны были пройти тысячелетия, пока не создались условия, необходимые для следующего шага вперед, когда из этого бесформенного белка благодаря образованию ядра и оболочки возникла клетка. Он полагал, что сначала возникли бесконечные количества бесскелетных бесклеточных и клеточных протистов (простейших), о которых говорит наука палеонтология и которые преобразовались постепенно в первые растения, в первых животных. В настоящее время на первом месте в этом перечне мы ставим микроорганизмы - бактерии и близкие к ним формы жизни.
Сущность связи организма со средой состоит в энергетике. Всем организмам свойственно постоянное извлечение из среды энергии, которая затем используется организмом в его многообразных функциях, прежде всего на построение его тела, на движение. Питание в общем смысле и есть тот путь, который позволяет организму постоянно и непрерывно пополнять запас энергии, и как только приток энергии по каким-либо причинам прекращается - организм погибает. В древнейших водных бассейнах или во влаге древнейших почв на суше, где возникали и развивались наидревнейшие формы жизни, она могла развиться путем усвоения в основном неорганических веществ, которые оказывались способными к окислению их несвободным или свободным кислородом. Это могли быть углекислота, метан, соли, растворенные в воде, которые, попав в организм, способны были окисляться, причем выделялась свободная энергия (тепловая и химическая), а продукты окисления или шли на построение тела и его оболочки, или извергались обратно в состав среды, где они чаще шли в осадок, на дно. Накопление органических веществ, развитие органической жизни обусловило и другой путь извлечения свободной энергии - окисление органических веществ, относительно более эффективное в энергетическом отношении, чем окисление неорганических соединений.
Как известно, академик А. И. Опарин создал гипотезу происхождения жизни на Земле именно на основе представлений о первоначальном уплотнении органических соединений на Земле, возникших химическим путем, до образования белка. Белок сгустился в капли - коацерваты, которые, усваивая тоже белковые соединения среды, стали первыми живыми клетками. Не исключается, что жизнь, массово и беспорядочно, удачно и неудачно, возникавшая и отмиравшая, шла и тем и другим путем, а также и промежуточным, т. е. с одновременным использованием и неорганической и органической пищи (миксотрофы).
Растение, получая энергию солнечных лучей извне, использует ее на разложение воды, на ассимиляцию углекислоты из атмосферы, на построение из синтетически создаваемых углеродных соединений нужных веществ в процессе своего роста и размножения. Клетка железобактерии, ассимилируя из среды растворенные в ней закисные соединения железа или марганца, окисляет их в окисные соединения, выделяющиеся в твердом виде или в состав среды, или на поверхности клетки в виде чехла. Ржавая железистая вода есть результат растворения и окисления железа бактериями "ржавчины" (в технике это называется коррозией металлов). Такие организмы, использующие неорганические соединения для своего существования, называются автотрофами. Организмы, питающиеся органическими соединениями, как, например, гнилостные бактерии, а также животные называются гетеротрофами.
В. И. Вернадский выделял также промежуточный тип существ - миксотрофы - организмы, способные питаться за счет неорганических и органических соединений. Можно полагать, что морской моллюск - устрица, способная при весе тела около 40-50 г накапливать за несколько лет оболочку из углекислого кальция (раковину) весом до 3 кг, принадлежит именно к миксотрофам. У всех организмов важная роль принадлежит оболочке. Сквозь оболочку внутрь организма проникают вещества из среды, если они внутри него отсутствуют. Из организма выводятся через оболочку вещества, содержание которых в среде более низкое.
Первичный белковый комочек мог стать живым организмом лишь во взаимодействии с энергией, поступавшей извне или образовывавшейся внутри него. Первое имеет место у зеленых автотрофов - всех растений Земли, второе - у других организмов. Существование первичных сгустков только из белковых соединений, ставших организмами, в мировом древнейшем океане или в древнейших почвах на суше маловероятно. Несомненно, имелась, как и теперь, переходная - вирусоподобная, "ультрамикробная" стадия с весьма менявшимися свойствами, сходная то с организмами, то с мертвой материей. Ведь известны вирусы кристаллизующиеся, способные переносить и крайне низкие и высокие температуры и т. д. Для белка же 60°С - предел, при котором он свертывается и ни к какой жизнедеятельности уже не способен. Веществом первичных "вирусов" - пробионтов, зародышей первичной жизни в геологическом прошлом, могли быть различные металлоорганические соединения, каких в природе существует бесчисленное разнообразие. Как известно, они образованы при участии ряда металлов из группы "биофильных". При этом роль атомов металлов в сложных металлоорганических соединениях - служить мостиками, связями между частицами органических соединений, вследствие чего молекулы металлоорганических соединений могут быть весьма сложными и обладать разнообразными свойствами.
Известно, что бактерии, в частности "железные", способны к жизнедеятельности в определенном температурном диапазоне, в котором они действительно процветают, интенсивно размножаются. Следовательно, температура среды в какой-то момент "поджигает" жизненный процесс. Вещества, извне поступающие в клетку, развязывают внутренние силы, как бы служа для них запалом, стимулятором. Так, бактерия может из недеятельного состояния перейти в деятельное. Так могли возникать и многообразные первичные организмы. Удачно создавшиеся - существовали, неудачные - исчезали в средах далекого прошлого Земли, способствуя накоплению органического и минерального вещества в водных бассейнах и в осадках. Наладившийся обмен веществ означал жизнь, нарушившийся - гибель.
Естественный отбор организмов, приспособленных к среде и условиям обитания в ней, далее уже моделировал первичный сгусток жизни - живого вещества, обусловливая дальнейшую эволюцию жизни. Возьмем пример хотя бы из истории техники. Создателям бензинового мотора далеко не сразу, конечно, удалось наладить режим его работы, чтобы превращать внутреннюю химическую энергию горючей смеси (пары бензина + воздух) в тепловую, способную производить работу. Но когда мотор, засасывая регулярно "питание", ритмично заработал, он как бы "ожил". Подобно этому возникла и жизнь.
Живое и минеральное (косное) вещества находятся в природных условиях во взаимосвязи и взаимодействии в процессах жизнедеятельности автотрофных, полуавтотрофных, миксотрофных и гетеротрофных организмов. В. И. Вернадский, который был первым исследователем, обратившим серьезное внимание на геологическое значение явлений жизни, предложил понятие о живом веществе, о биосфере - области развития этого вещества с соответствующими энергетическими процессами, сопровождающими его превращения. Поверхностную оболочку Земли он предложил рассматривать не только как область распространения вещества биосферы, но и как область энергии, причем он учитывал влияние на развитие живого вещества геологических и геохимических процессов, солнечных и космических излучений. В. И. Вернадский говорил о роли лучистой солнечной энергии для существования жизни и для геологических явлений - движения воздушных масс, морских водных масс (течения), морской волны, берегового прибоя; отмечал теплорегулирующую способность водных масс морей и океанов, играющую огромную роль в явлениях погоды и климата и связанных с ними процессах жизни и выветривания; в живом веществе, совокупности живых организмов Земли, видел преобразователя лучистой энергии Солнца в химическую энергию биосферы, где в реакциях фотосинтеза создается бесконечное число новых химических соединений.
А. И. Опарин в своем замечательном труде "Возникновение жизни на Земле" нарисовал очень убедительную картину химической эволюции органических веществ, предшественников "живого вещества" В. И. Вернадского, путем трех основных типов реакций: конденсации первичных органических веществ химического происхождения, полимеризации - гидролиза, и окислительно-восстановительной реакции. А. И. Опарин создал много новых интересных представлений о возникновении жизни, но он недостаточно учитывает роли в этом процессе солнечных и космических излучений, чему В. И. Вернадский придавал большое, почти ведущее значение.
Нижнюю границу области жизни - биосферы - В. И. Вернадский определял на глубине в три и более километра от дневной поверхности. Он делал это на основании планетного значения микробного живого вещества, главным образом анаэробного (живущего в бескислородной среде), достигающего таких глубин. И на всю мощность биосферы, от этой границы в недрах Земли до нижних слоев атмосферы он распространял проявления биогенной миграции химических элементов, биогеохимической энергии организмов, которые, являясь "закономерной функцией биосферы", распределены в ней в строгой связи с ее структурой.
По состоянию знаний того времени о биохимических процессах В. И. Вернадскому о многом приходилось говорить в общей форме. Большей частью он не конкретизировал свои представления о деятельности организмов в круговороте веществ. Этой области вопросов посвятил большие труды академик А. П. Виноградов, уделивший серьезное внимание химизму организмов моря. Ему принадлежит и первая, единственная в своем роде, замечательная схема взаимосвязи между живым и минеральным (косным) веществом для условного эволюционного ряда современных организмов, приведшая его к идее "пирамиды" минерального субстрата жизни, к идее постепенной химической эволюции живого вещества, освобождения его от минерагенной части химических элементов, постепенного отхода организма от использования биогеохимической энергии и перехода к использованию энергии только биохимических превращений. Чем выше уровень химического развития живого однородного вещества, тем меньшее участие в его составе принимают минерогенные химические элементы.
Взаимосвязь жизни и среды обитания В. И. Вернадский иногда определял понятием "биокосное тело", как, например, почва, вода пресного водоема и т. д. Это области, зоны и участки биосферы, где живое вещество перерабатывает геологическую оболочку биосферы, меняет ее физические, химические и механические свойства. В связи с этим "косным" - неживым - В. И. Вернадский называл главную массу вещества биосферы, не входящую в живое вещество,- ее горные породы и минералы, химические элементы которых в процессе биогенной миграции атомов могут "входить в естественные живые тела и уходить обратно". Это проявляется в процессах дыхания, питания, размножения, выделений, свойственных живому веществу, которое он считал "закономерной функцией" биосферы, подчеркивая постоянную теснейшую связь между организмом и средой, что, как он отмечал, "не всегда правильно учитывалось" исследователями. В. И. Вернадский отмечал, что биокосные тела характерны для биосферы. К ним он относил, в частности, и зону выветривания горных пород, которое считал биокосным процессом, подчеркивая биогеохимическую природу разрушения горных пород в коре выветривания.
Мы поставили перед собой задачу проследить влияние живого вещества на минеральное - косное, на основании прежних и новых данных о породо- и рудообразующей деятельности ископаемых автотрофных организмов. Новые материалы повлекли за собой новые выводы, частью очень интересные, касающиеся ряда смежных научных дисциплин. В связи с этим возникла и неотложная необходимость внесения существенных поправок в некоторые взгляды, а именно по вопросу происхождения некоторых горных пород и минералов. Но следует при этом отметить, что наши представления о связи живого и минерального вещества в природе не выходят за общие рамки, гениально очерченные В. И. Вернадским. Мы можем предложить лишь ряд конкретных представлений о некоторых биокосных телах, телах, сложенных живым и минеральным веществом.
Коснемся теперь более детально организмов - концентраторов минерального вещества, минерогенных элементов, косного вещества, расположенных в основании "пирамиды" А. П. Виноградова. Их существовало и существует в природе множество. Есть концентраторы специализированные - автотрофы и работающие биогеохимически, так сказать, "по совместительству" - миксотрофы.
Алюминий химически осаждается в слизистой оболочке бактериями, например рода кренотрикс, содержащими его до 17,7%. Кремний усваивается диатомеями, кремневыми губками и др. Кальций осаждается разнообразными водорослями (синезеленые, красные, харовые и др.). Водоросли осаждают карбонат кальция, поглощая СО2 и Са(НСО3)2. Известен вид бактерий, осаждающих СаСОэ внутри клетки. У других карбонат кальция выделяется в виде кристаллов при распаде их клеточного вещества. Кальций в огромных количествах, как это хорошо известно, потребляют и позвоночные животные, строящие из фосфатов кальция и кальцийорганических соединений свой скелет и различные части организма.
Магний накапливается литотамниями, некоторыми мшанками и др.
Железо, кроме представителей железобактерий, усваивается многими представителями водорослей. По существу оно используется всем миром животных.
Марганец усваивается целым рядом марганцевых организмов, такими как лептотрикс, некоторыми диатомовыми.
Фосфор, в виде фосфатов, отмечался В. И. Вернадским в составе раковин лигнул - брахиопод с роговой раковиной. Роль бактерий в его накоплении ранее исследователями не учитывалась.
Сера является источником энергии для колоссального количества организмов различного систематического положения, от бактерий (тионовые, пурпурные и др.) до высших организмов, поскольку сера непременная составная часть белка.
Из упомянутых организмов для нас особо интересны автотрофные, к которым В. И. Вернадский относил такие организмы, которые "берут все нужные им для жизни химические элементы, в современной биосфере, из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых органических соединений другого организма". Среди автотрофов он различал две группы: зеленые хлорофильные организмы - "главный механизм биосферы, создающий фотосинтезом органические тела", "источник действенной химической энергии биосферы" - и мир автотрофных бактерий.
Массу зеленых автотрофов В. И. Вернадский считал количественно близкой к половине животного живого вещества. Важно отметить, что количество живого вещества, собранное в форме автотрофных бактерий, он считал гораздо меньшим. Об этих бактериях он говорил, что они рассеяны всюду: в почвах, иле водных бассейнов, в морской воде,- но что "нигде нет тех их количеств, которые были бы сравнимы с количеством автотрофной зелени суши, не говоря о зеленом планктоне океана".
Он признавал при этом, что "геохимическая энергия бактерий гораздо выше той же энергии зеленых масс... является максимальной для живых существ". Причину же "малого скопления" живой материи в этой форме он считал связанной с недостаточными количествами находящихся в биосфере не вполне окисленных и неокисленных соединений азота, серы, железа, марганца, углерода. По его мнению, автотрофные бактерии находятся ныне в состоянии непрерывного недостатка пищи, "недоедания". Он отмечал своеобразное "вторичное равновесие между бактериями, восстанавливающими сульфаты и их окисляющими, как это, например, наблюдается в озерных грязях, сырых почвах, морской воде. Такое же равновесие он отмечал между бактериями, окисляющими азот, и гетеротрофами, раскисляющими нитраты. Поэтому главную массу живого вещества В. И. Вернадский считал сосредоточенной в освещенной Солнцем части нашей планеты, где собраны гетеротрофные организмы и автотрофные бактерии, тесно связанные с продуктами жизни зеленых организмов и свободным кислородом. Из этой зоны автотрофы проникают и в темные области биосферы, где нижнюю границу для анаэробов он определял до глубины в 500 м и где размах их жизнедеятельности считал ограниченным.
В наших исследованиях мы начали подбирать материалы по рассеянному, законсервированному в горных породах органическому веществу, ранее вообще не изучавшемуся, которое должно было иметь местами весьма сложный состав. Его изучение позволило бы нам подойти к представлениям о составе исходного первичного органического вещества, к химическому составу самих древних организмов. Это органическое вещество осадочных горных пород во многих случаях не связано с составом видимых остатков организмов, обычных объектов палеонтологического исследования. Поэтому нам пришлось в ряде случаев принять его отчасти за остаточное органическое вещество бактериального происхождения. Местами оно оказалось четко связанным с веществом ископаемых синезеленых водорослей.
Зародившаяся мысль о значительной роли ископаемых древних автотрофных и иных бактерий в породо- и минералообразовании привела нас в некоторые районы Тянь-Шаня, в горные районы Сибири - к разрезам древнейших осадочных отложений, где мы знали или предполагали аномальные концентрации ряда интересных минеральных веществ. Это были залежи фосфатов в кембрии Каратау (Казахстан), а также слои с осадочными рудами железа и марганца, различные железисто-кремнистые породы, известняки различных типов. Как оказалось, очень интересные материалы имеются в районах известных контактовых месторождений железа и месторождений марганца неясного происхождения. Интересные материалы дало и изучение процесса цементации некоторых древних обломочных пород, а также процессов выветривания горных пород, в том числе и интрузивных.
Эти материалы привели к необходимости пересмотреть взгляды на породообразующую роль микроорганизмов, особенно ископаемых. Первое место среди них теперь приходится приписывать бактериям.
Изучая деятельность морских денитрифицирующих бактерий в Атлантическом океане, Г. Дрю открыл формы, осаждающие из морской воды карбонат кальция. Эти бактерии оказались денитрифицирующими и декальцинирующими. Они как бы снижают содержание нитратов в морской среде, ограничивая тем самым масштаб жизнедеятельности фитопланктона. Бактерии проявляют свою "деятельность" в районах тропических и субтропических морей и океанов. Оптимальная температура для них - около 29,5° С. Рост их отмечается при температуре выше 10°, при 33°С он начинает замедляться. Образуемый ими карбонатный осадок в виде белого облака - мути - медленно оседает (в лабораторных условиях) или остается в течение длительного времени во взвешенном состоянии. Такое явление можно наблюдать и в СССР на оз. Балхаш. Осадок получается или иловидный, или в виде мелких шариков типа оолитов, если в воду добавлять мелко раздробленный гипс. Шарики эти, в частности, со дна Большого Соленого озера в Северной Америке, состоят из арагонита с постепенными переходами в кальцит. Кальцит иногда образовывался непосредственно из известковой мути при отстаивании пробы морской воды, причем отмечалось выделение сероводорода, которое происходило при участии бактерий.
Советские микробиологи полагают, что выделение карбоната кальция бактериями из морской воды и других минерализованных сред происходит за счет сульфата кальция (гипса) в процессе его разрушения, иногда с получением конечного продукта в виде серы. Ход реакций представляется таким:
CaSО4 → CaS CaS + СО2 → СаСО3 + S
Таким образом, выпадение карбоната кальция, а иногда и магния из природных водных сред приходится считать связанным в той или иной степени с жизнедеятельностью бактерий. Процесс этот в морях геологического прошлого некоторые литологи и геологи иногда недооценивают, иногда совсем не принимают во внимание как массовое явление.
Как известно, карбонатные породы начали входить в состав осадочных отложений непосредственно с архейского времени, с момента начала формирования древнейших нормальноосадочных пород. Если биогенное происхождение многих известных слоев и горизонтов известняков, например: рифовых, археоциатовых, коралловых, брахиоподовых, фораминиферовых и прочих, не вызывало никаких сомнений, то в отношении многих толщ и свит таких "плотных" пород вопрос о генезисе не всегда был ясен. Чем древнее карбонатные породы, тем чаще мы встречаем так называемые "немые" слои и толщи, лишенные видимых остатков ископаемых организмов. Подобные породы мы находим, в сущности, во всех геологических системах. Слои с органическими остатками в природе все же редкость, но там, где они имеются, мы уделяем им преимущественное внимание, в результате чего наши коллекции относительно богаче остатками ископаемых макроорганизмов, чем отображаемые ими естественные разрезы соответствующих геологических свит и серий.
Между тем тщательные поиски органических остатков часто позволяют охарактеризовать палеонтологически многие толщи древних морских отложений, в которых обнаруживаются остатки породообразующих синезеленых водорослей в виде строматолитов, онколитов и даже иногда плотных внешне пород. Тем не менее еще бытует мнение о распространенности "немых толщ" и вследствие этого часто некоторые морские осадки признаются имеющими химическое происхождение, что не всегда правильно.
Известно, что пересыщенный раствор карбоната кальция в морской воде мог бы получаться лишь при выпаривании последней на 75%, что и осуществляется в природе, но не в нормально морских, а в лагунных условиях. Выпадение карбоната кальция при этом может сопровождаться осаждением сернокислого кальция в виде гипса. Некоторые исследователи, подсчитывая растворимость карбоната кальция в морских водах, полагают, что и там могут возникать обстановки насыщения среды этой солью, т. е. условия для ее химического выпадения. Но нужно учитывать запасы в морских водах свободной углекислоты, способной растворять твердый карбонат кальция. Таким образом, от идеи массового химического осаждения морских известняковых осадков приходится решительно отказаться. Главную массу их приходится определенно считать микробиогенной. Следовательно, мы должны поддерживать ранее высказанные взгляды Мэррея, В. И. Вернадского, Б. Л. Исаченко, А. П. Виноградова и других.
Изготовляя тончайшие прозрачные шлифы из различных известняков древнейших толщ, мы смогли в ряде случаев, окрашивая препараты, различать палочковидные, кокко-бацилловидные тельца, в которых нельзя не узнавать фоссилизированных, пропитанных карбонатом кальция клеток каких-то породообразующих бактерий. Открытые нами палочковые бактерии в кембрийском известняке имеют толщину около 1 pH при длине в 2,0-2,5 μ.
Нам думается, что выпадение карбоната кальция из морской воды происходит не при косвенном участии бактерий, как это представляли себе многие исследователи ранее, а в теле бактерий, в процессе превращения бикарбоната кальция морской воды в кальцийорганическое соединение, близкое к кальциту. Поэтому образование карбонатной мути, известкового илового осадка в теплых морях, вероятно, есть процесс осаждения отмерших клеток бактерий, пересыщенных твердым минеральным веществом в виде кальцийорганических соединений. При этом органическая оболочка этих сгустков на пути ко дну бассейна, в осадке, а иногда даже после превращения его в известняк, защищает их более или менее длительно от перераспределения вещества. Последнее происходит, несомненно, лишь после полного распада органических веществ клетки с выпадением в осадок карбоната кальция в виде мелких кристалликов. Вследствие этого нам и удается наблюдать иногда подобные образования в очень древних породах.
По данным исследований академика Б. Л. Исаченко, изучавшего условия образования известкового ила в озере Севан (Армения), а также известковых образований в горячих источниках, существует ряд видов бактерий, способных выделять углекислый кальций сначала в виде кальцийорганических соединений, потом в виде бесформенных скоплений карбоната кальция, затем в кристаллической форме кальцита или арагонита. Иногда образуются округлые тела - сферолиты, или оолиты, радиально-лучистые или концентрически наслоенные. Внутри последних исследователь обнаруживал клетки бактерий. Поэтому Б. Л. Исаченко полагал, что таким путем и в древних пресных и соленых водоемах могли образовываться известковые отложения.
Принимая такой взгляд, мы должны допустить, что группа денитрифицирующих (высвобождающих азот) бактерий является одновременно и накопителем в биосфере органического вещества. Этого нельзя хотя бы отчасти не связать с одновременным выделением сероводорода, т. е. с деятельностью сероводородных бактерий, разрушающих при этом белковые вещества отмерших клеток "кальциевых" бактерий.
Таким образом "немые", плотные, массивные и слоистые известняки, часто перекристаллизованные, лишенные, следовательно видимых остатков животных и растений, мы иногда имеем основание считать микробиогенными образованиями, биолитами, биокосными телами, что указывает на колоссальную роль кальциевых бактерий в формировании живого вещества - вообще органического вещества в биосфере. Если учесть, что эти организмы усваивают большую часть приносимого в моря и океаны с суши кальция (по Кларку, 577 670 000 т кальция ежегодно!), то живому веществу кальциевых бактерий будет принадлежать видное место среди породообразователей - концентраторов минерального вещества.
К "кальциевым" бактериям, по их роли в породообразовании, приближаются лишь карбонатные водоросли группы синезеленых, в ископаемом состоянии представленные изучаемыми нами строматолитами, скопления которых, особенно в древнейших отложениях, часто наблюдаются в виде слоев и толщ мощностью во много сотен метров. В протерозое и кембрии эти образования формировались в изобилии, местами до 40-50% по отношению к микробиогенным карбонатным породам. Синезеленые водоросли живут в тесном общении с различными бактериями, чаще с железобактериями. Формирование живого вещества здесь завершалось почти полной фоссилизацией остаточного материала в виде упомянутых строматолитов - продуктов их многолетней жизнедеятельности. Следует думать, что экзотермический характер реакции выделения твердого карбоната кальция в организме играл также свою роль и в энергетическом балансе некоторых древнейших водорослей, как это, несомненно, имело место в слоевищах мезозойских и более поздних кораллинацей.
Микроскопические синезеленые водоросли образовывали в синийское время часто мощные толщи, состоящие из ветвящихся слоистых известковых колонок. Мощность слоя, часть которого показана на рисунке, составляла 36 м. Фото автора
В связи с отмеченным выше мы можем позволить себе по-новому взглянуть и на процесс накопления карбоната кальция многими беспозвоночными, например в виде раковин моллюсков, брахиопод, кораллитов кораллов, скелета археоциат, спикул известковых губок и т. д. Клетки мантий и соответствующих других тканей этих организмов, живших и живущих в той же морской среде, восстанавливая тот же бикарбонат кальция, должны получать и освобождающуюся при этом энергию. Мы можем вспомнить при этом о безобразно толстой, неуклюжей многослойной раковине некоторых современных и ископаемых устриц, о чем выше мы уже говорили. Такие раковины изучать очень интересно, можно видеть, как она развивается, как непрерывно утолщается корка за коркой, иногда даже без прямой связи с ростом мягкого тела животного. Чем вызвано это явление? Поскольку этот процесс непрерывен, хотя и идет в течение года с неодинаковой скоростью, он больше похож на процесс питания, чем на тенденцию к защите от механических воздействий извне. Некоторые ученые думают, что такой устрице нужно увеличивать свой вес, чтобы ее "не беспокоила" волна или течение. Естественный отбор мог бы создавать и такие организмы, но он бессилен создать упомянутую функцию мантии, если она не возникла в ходе эволюции данной группы для выполнения определенной физиологической задачи. А эта задача для карбонатотлагающих организмов - превращение бикарбоната кальция в карбонат (экзотермическая реакция!). Поэтому в жизненном цикле устриц предполагаемый нами источник энергии (вероятно, исторически первичный) занимает, по-видимому, видное место. В энергетическом балансе других животных, из числа вышеупомянутых, кроме кораллов, тоже постоянно отлагающих карбонат кальция, этот источник жизненной энергии, по-видимому, играет относительно скромную роль в виде "дара предков", в ходе эволюции иногда постепенно утрачиваемого.
Палеонтология дает нам немало таких примеров, до перехода к "бесскелетным" формам, как это намечается у некоторых археоциат к началу позднего кембрия, а также у кораллов.
Таким образом, для нас представляется весьма соблазнительным предположить, что все карбонатотлагающие многоклеточные организмы, не исключая и высших представителей животного мира (с фосфатами кальция в скелете), относятся к числу участвующих в процессе энергетического использования восстанавливаемого ими растворенного карбонатного вещества, т. е. к числу полуавтотрофных, в той или иной степени несвободных от этого примитивного древнейшего источника химической энергии. Исходя из этого, мы получаем новое представление о размахе взаимосвязи между живым и минеральным веществом природы, отличное от наших прежних представлений. При этом мы признаем, конечно, обломочное, а местами химическое происхождение многих известняков. Сидериты, магнезиты, доломиты и другие карбонаты имеют, по-видимому, лишь косвенную связь с деятельностью живого вещества.
В существующих учениях о рудных месторождениях и минералах миграция железа и марганца в земной коре и на ее поверхности часто трактуется в свете чисто химических процессов.
Микробиологические отложения окислов железа и марганца в наземных - дерновых, болотных и озерных условиях известны давно. В изучении этих образований принимали участие многие исследователи.
Поиски морских железобактерий, начавшиеся с экспедиций "Челленджера", вначале были безуспешными. Открытие морских железо-марганцевых бактерий было у нас осуществлено лишь В. С. Буткевичем. Тем не менее многие ученые не сомневались в том, что величайшие скопления железа в земной коре образовались биохимическим путем при незначительном участии в этом процессе водорослей. Так, В. И. Вернадский считал мезозойские железные руды Эльзас-Лотарингии и керченские третичные руды биогенными, вероятно, бактериальными, как и марганцевые чиатурские руды. Большинство исследователей железобактерий склонялось к взгляду, что наряду с биогенными скоплениями железа в осадке бассейнов отлагаются и хемогенные. Железобактерии проявляют жизнедеятельность в трубах водопровода, образуют конкреции на морском и озерном дне.
Биогенный путь состоит в окислении гидратов закиси железа и марганца, а также их бикарбонатов, с переводом, с помощью соответствующего фермента бактерий, двухвалентного железа в трехвалентное, при переработке колоссальных количеств закиси железа, выносимой из недр Земли подземными водами.
Мы предприняли поиски микробиогенных структур в железных и марганцевых рудах осадочных толщ различного геологического возраста, начиная с раннепротерозойского, а также в районах подобных руд первично магматогенного происхождения, в обломочных терригенных породах и в зоне выветривания массивных пород. Результаты оказались замечательными.
Изучая под микроскопом шлиф из образца железистого кварцита бедной руды Кривого Рога (докембрий), мы обнаружили массовые скопления чехликов железобактерий, заключенных в коллоидную кремнеземную массу, по-видимому, и сохранившую эту микробиогенную структуру сгустков окислов железа. Первичные гидроокислы железа в результате метаморфизма представлены теперь магнетитом. Такие же скопления ожелезненных клеток железобактерий в ассоциации с коллоидным кремнеземом мы открыли и в железистых сланцах гребенской свиты протерозоя р. Ангары, нижнего палеозоя хребта Каратау.
Бурые железняки, образование которых В. Линдгрен считал химическим, представляли для нас большой интерес. Мы изучали их по материалам Кокчетавского района в Казахстане, в отложениях, относимых к докембрию. Для всех изученных образцов руд происхождение оказалось общим. В них удалось ясно различить чехлики древнейших представителей железобактерий, из которых слагается вся масса руд. Размеры ожелезненных клеток близки к современным. Изучение бурых железняков и лимонитов многих других месторождений, до так называемых "железных шляп", формирующихся в поверхностных условиях при выветривании сульфидных руд железа, показало решительно то же самое. Все бурые железняки и лимониты прекрасно сохраняют свою микробиогенную структуру. При этом стало ясно, что жизнедеятельность железобактерий, типичных аэробов, осуществлялась и осуществляется и в недрах Земли, в зоне циркуляции кислородных вод. Обычные в магнетитовых месторождениях магматогенного происхождения бурые железняки показали ту же микробиогенную структуру и, следовательно, огромный размах этого процесса.
Мы изучали природные скопления марганца в месторождениях Казахстана, Сибири, относящиеся к нижнему и среднему палеозою, и получили такие же результаты. Руды, за исключением части их, подвергшейся перекристаллизации, оказались сложенными сплошь микротельцами фоссилизированных клеток бактерий, имеющих около 1,33 μ в поперечнике и до 2,0-3,6 μ в длину, соединенных в длинные изогнутые, плотно сплетенные нити. Последние различимы тем лучше, чем "беднее" изучаемая руда, в которой рудная масса перемежается с нерудными, обычно прозрачными, минералами. Общим признаком для отмеченных марганцевых биолитов, как и для железных, по казахстанским и сибирским материалам, является плотное коллоидоподобное их сложение, или волокнисто-лучистое (псиломелан, лимониты), тогда как в поверхностных, "осадочных" условиях чаще распространены конкреционно-желваковые и гороховые - пизолитовые структуры. Природа конкреционных образований, по-видимому, связана с разложением органического вещества бактериальных клеток и потерей микробиогенной структуры таких руд.
Микробиогенными образованиями являются и так называемые "дендриты" - налеты окислов марганца на стенках трещин горных пород, вблизи от скоплений марганцевых руд и минералов. Природа рисунка дендритов, вероятно, связана со строением колоний марганцевых и железобактерий. Такого же происхождения, по-видимому, и "пустынный загар" горных пород, нами пока ближе не изучавшийся. Железистый цемент красноцветных песчаников, например, пермского возраста с р. Шугор (бассейн Печоры), оказался массовым скоплением между песчинками породы фоссилизированных телец железобактерий, пропитанных окислами железа. Такое же происхождение имеют различные охры, ржавчины, распространенные в природе в трещинах горных пород, в карстовых полостях, образовавшихся в процессах выветривания пород, где бактериям, несомненно, принадлежит ведущая роль.
Постоянное присутствие органических веществ, часто в виде углистой массы, в фосфоритовых слоях Каратау давно уже привлекало к себе внимание, но выяснить его природу и происхождение самих фосфоритов мы смогли тоже лишь в последние годы.
Накопление фосфатов в осадках до сих пор объяснялось учеными с помощью двух теорий. Первая, так называемая "биолитная", теория рассматривала образование фосфоритов как следствие массовой гибели организмов и перехода их фосфора в фосфатную горную породу. Согласно второй теории, происходило непосредственное осаждение фосфорных солей из морской воды под влиянием изменения их растворимости. По первой теории, причиной гибели организмов считались изменения уровня моря, направления течений, степени солености в эпохи "перерыва", крупных тектонических движений. Химическая теория родилась в свете представлений о повышенном содержании фосфора в водах морских глубин (до 300 мг/м3). Поднимаясь с гипотетическими восходящими течениями до глубин в 50-150 м, эти воды должны переносить содержащийся в них фосфор и отлагать его вслед за несколько ранее выпадающим в осадок карбонатом кальция. Но ведь здесь фосфор снова становится объектом использования его фитопланктоном, т. е. субстратом для морских водорослей. Верхние слои морских вод всегда поэтому бедны фосфором. Слабое место этой теории - отсутствие в морях массовых "восходящих течений" и отсутствие в нормально морских условиях возможности химического осаждения карбоната кальция, о чем выше мы уже говорили.
Каратауские фосфориты развиты в слоях среднего кембрия на обширной площади. Они представлены здесь плотными массивными ("плита") и оолитовыми разновидностями. Последние очень напоминают внешне бокситы, за которые первоначально они и были приняты. Сначала мы исследовали оолитовые фосфориты, состоящие из серых зерен, сцементированных желтовато-бурым веществом. В этом цементе мы обнаружили железо. Тончайшие шлифы, изготовленные из таких фосфоритов, при увеличениях свыше 2000 раз показали, что оолитовые зерна являются местом массовых скоплений микротелец бактериального облика, имеющих в поперечнике 1,1 μ при длине в 1,3 μ, то соединенных в изгибающиеся нити, то одиночных. Бактериальная природа этих образований несомненна. Ясно, что это прекрасно сохранившие свои очертания окаменевшие клетки каких-то бактерий кембрийского возраста. Интересно, что в центрах оолитовых зерен расположение бактериальных клеток беспорядочное, но по мере приближения к периферии в концентрических наслоениях зерен они начинают принимать более или менее радиальное расположение, указывающее на формирование колоний "фосфатных бактерий" в условиях сезонно изменчивой среды. В составе концентрических наслоений, часто перемежаясь с ними, наблюдаются тонкие пленки, сложенные тельцами железистого состава в виде обогащенных железом отмерших клеток железобактерий. Цемент природы, скрепляющий оолитовые зерна, целиком состоит из ожелезненных клеток отмерших железобактерий знакомого уже для нас облика. Последние развивались позже, в условиях несколько измененного температурного режима.
Бактерии ржавчины при увеличении в 3000 раз. Фото автора
Изучение немногих образцов плотных разновидностей каратауских фосфоритов показало, что они или сплошь состоят из клеток "фосфатных" бактерий и бесструктурной массы карбоната кальция, или же к минерализованным клеткам "фосфатных бактерий" примешиваются тельца клеток железобактерий. Последние в таких случаях местами группируются в виде тонких пленок, линзочек.
Раскрытие природы каратауских фосфоритов позволяет нам думать, что и другие известные месторождения фосфоритов имеют, возможно, такое же органическое, бактериальное происхождение.
Интересно, что при изучении разреза фосфоритовой свиты мы наблюдали смену фосфоритовых слоев марганцево-железистой породой с прослоем карбонатных синезеленых водорослей. Разрез показывает на близость экологических условий для автотрофных бактерий, усваивавших фосфор, железо и марганец, и для синезеленых автотрофов. Известна местная засоренность каратауских фосфоритов терригенным материалом.
О современных бактериях - накопителях фосфатов почти ничего неизвестно. Известны лишь почвенные бактерии, растворяющие фосфаты, фосфатредуцирующие, способные образовывать растворимые соли фосфорной кислоты. Между тем концентрирующие фосфор бактерии в кембрии, по-видимому, существовали. Может быть, подобные организмы формируют и редкие в наше время скопления фосфоритов на дне моря, как, например, в районе южной оконечности Африки.
Остаточные бактериальные микроструктуры боксита. Увеличение в 3600 раз. Фото автора
В круговороте серы, одного из важнейших биогенных элементов биосферы, принимают участие почти все организмы; в недрах земной коры переработкой серных соединений заняты также многие группы бактерий. Наиболее известная группа - сульфатредуцирующие (разрушители сульфатов, в частности гипса) или гнилостные (разрушители органических веществ) бактерии - анаэробы, которые часто обитают в застойных водах и под землей. Следы процессов преобразования серы мы находим уже в горных породах протерозойского и раннепалеозойского возраста, в виде пиритизированных песчаников и сланцев древних толщ Сибирской платформы. Накопление сероводорода происходит микробиологическим путем за счет сернокислых солей моря, с последующим образованием в осадке скоплений сернистого железа (пирит, марказит) в восстановительной обстановке. Существуют различные аэробы, которые с успехом окисляют сульфиды как в зоне земной поверхности - "выветривания" горных пород, так и в зоне окисления земной коры. Часто бактериальная сероводородная зона развивается на разлагающихся органических веществах, при разрушении белковых и иных соединений.
"Обохривание" пиритовых залежей, по нашим наблюдениям, как и окисление магнетитовых, происходит и в недрах (зона окисления) и в субаэральной зоне (в воздушной среде) благодаря жизнедеятельности одновременно железных и тионовых бактерий, с выносом сернокислых солей и с преобразованием вещества пирита и магнетита в лимонит, что хорошо видно в препаратах под мироскопом. Поэтому массовое гипсообразование в ряде случаев мы можем считать связанным с продуктами жизнедеятельности тионовых бактерий.
Естественно, мы здесь не смогли перечислить еще многих других процессов связи между живым веществом природы и минеральным субстратом, играющим косвенно роль источника энергии.
Таким образом, органическая жизнь в природе в ее наиболее примитивных бактериальных формах оказывается теснейшим образом связанной с веществом земной коры. Поэтому было бы совершенно правильно трактовать все подобные материалы, как относящиеся к новой науке - геологической микробиологии. Советские ученые, начиная с В. С. Буткевича, А. И. Самойлова, В. И. Вернадского и Б. Л. Исаченко, уже внесли большой вклад в создание основ этой науки. Интересные и практически важные работы по геологической деятельности микроорганизмов ведутся в Институте микробиологии АН СССР С. И. Кузнецовым и группой его сотрудников, которым удалось значительно продвинуть решение многих вопросов геологической микробиологии.
Множество интересных вопросов, связанных с древней природой, уже разрешено. В данном случае мы могли бы обратить внимание на роль древних организмов как создателей тех или других веществ, в водных средах прошлого, захороненных в горных породах или же принявших характер горных пород. Так, мы знаем, что из вещества наземных и водных растений в геологическом прошлом Земли образовывались различные типы каменных и бурых углей, минерального топлива. Простейшие формы жизни - бактерии и простейшие животные - фораминиферы создавали на дне водных бассейнов отложения извести, из которых потом получались твердые горные породы известняки и мраморы.
Долго казалось загадочным происхождение нефти и горючих газов в недрах. Одни ученые считали, что эти вещества первично в виде простого газа метана (углеводородный газ СН4) являются остаточным компонентом древнейшей атмосферы Земли, еще космической атмосферы, как остаток той атмосферы, которая создалась вокруг нашей планеты во время ее образования, другие - что нефть и газ есть продукты преобразования органического вещества, остатков организмов, в основном различных групп водорослей, в результате его разложения и преобразования при участии соответствующих групп бактерий.
Выяснено, что в древнейших водных бассейнах нашей планеты жизнь на ранних этапах ее развития особенно обильно и разнообразно была представлена бактериями и водорослями. Первые перерабатывали местами и временами огромные массы железа, марганца, серы, азотных соединений, образовывали "осадочные" железные и марганцевые руды, серные руды, свободный азот и т. д. Вторые благодаря энергии солнечных лучей накапливали огромные массы органического вещества за счет углекислоты и воды. При этом за счет воды выделялся в водную среду и атмосферу кислород. Так и возникла современная атмосфера Земли, как известно состоящая на четыре пятых из азота и на одну пятую из кислорода.
Отмиравшее водорослевое вещество в водной среде или уже в осадках разрушалось бактериями. В условиях отсутствия кислорода это разрушение не было полным. При этом образовывались углеводородные газы (соединения углерода с водородом в разных пропорциях). Эти газы частично могли уходить в древнюю атмосферу, растворяться в древних водах. Остатки водорослей в толщах рыхлых осадков на дне бассейнов и углеводородные вещества захоронялись то скученно, то рассеянно и, таким образом, оказывались при погружениях участков земной коры на разной глубине. Будучи более легкими, чем вода, эти вещества всегда были склонными к стремлению перемещения вверх, к земной поверхности в сторону меньших давлений. Местами они встречали препятствия в виде более плотных пород и потому там накапливались. При этом происходило часто их преобразование в более тяжелые углеводородные соединения, в тот сложный комплекс веществ, который мы знаем под названием "нефть" - "кровь" Земли.
Ранее считалось, что чем древнее какая-нибудь нефтеобразующая, нефтеносная толща осадочных пород, тем благоприятнее ее скопления (месторождения) в отношении количества. Так, более ста лет назад разрабатывались на территории Европы нефтяные месторождения Карпат и Кавказа, имеющие возраст в несколько десятков миллионов лет (меловые и третичные отложения). Потом с конца 20-х годов на территории СССР были открыты месторождения нефти и газа, гораздо более древние,- Волго-Уральская нефтяная провинция - "Второе Баку" с возрастом нефтематеринских отложений около трехсот и более миллионов лет (девонские отложения). Несколько лет назад были открыты в Восточной Сибири месторождения нефти и газа в осадочных породах морского происхождения возраста около пятисот пятидесяти миллионов лет (нижнекембрийские отложения). При этом последние оказались не связанными единством происхождения с вмещающими породами (песчаниками и доломитами).
Выяснено, что в наиболее древние геологические времена на территории Восточной Сибири располагались обширные моря, в которых особенно обильно развивались морские водоросли. Остатки этих водорослей часто облекались корками извести и сильно известковистой воды бассейнов. Органическое вещество такого происхождения за сотни миллионов лет суммарно накапливалось (условно подсчитывая) в толщи в сотни метров. Последующее погружение древних (докембрийских) толщ в недра Земли, где господствуют высокие давления и повышенная температура, способствовали движению углеводородов вверх. Так, в ряде районов так называемой Сибирской платформы, между Енисеем и Леной, к северу от Восточного Саяна и Байкальского нагорья в кембрийских отложениях сформировались месторождения нефти и горючего газа.
Итак, органические вещества не могли не образовываться химическим путем при участии физических (электрические разряды атмосферы, ультрафиолетовые лучи Солнца) и химических (уплотнение, синтез молекул) явлений в более сложные соединения (в белковые, в аминовые и нуклеопротеиновые кислоты) А это при участии химической или лучистой энергии должно было привести к возникновению жизни. При этом роль жизни в геологических процессах оказывается по материалам геологов и палеонтологов очень значительной.
Первичные формы жизни и их эволюция
Для первичных организмов Земли среда была столь же благоприятной, как и для, существующих сейчас,- современная среда их жизни. В жидких средах биосферы - в почвенной влаге и в прибрежной водной среде - возникали организмы, условия питания и жизни которых были различны. Состав первичной биосферы, несомненно, определял и состав организмов. Это были потребители углеводородных соединений и аммиака: серные бактерии - окислители сероводорода вулканического происхождения, водородные бактерии - окислители молекулярного водорода и т. д. Такие группы организмов прекрасно представлены и в современном бактериальном мире. Появились же их предки в то время, когда они были лучше всего обеспечены питанием. Вообще можно полагать, что эти группы живых существ во все геологические времена на Земле были в достаточной мере обеспечены пищей и что естественный отбор быстро привел к выработке устойчивых биохимических форм. Многие из этих групп расселились потом шире и глубже. В частности, распространились они и в недра Земли, где стабильные условия не давали им особых стимулов для проявлений изменчивости.
Отмеченную группу микроорганизмов можно считать древнейшей группой живых существ на Земле, размах жизнедеятельности которой уже на ранних этапах ее развития, вероятно, быстро приобрел планетарный характер. Эти организмы способствовали сокращению в биосфере исходных запасов аммиака, водорода, метана, сероводорода. Они потребляли и углекислоту, хотя запасы последней в общем все же увеличивались за счет выделения из недр Земли.
Зарождение фотосинтезирующих бактерий и одноклеточных микроскопических водорослей, подобных тем, которые составляют в основном морской и пресноводный фитопланктон, было событием большого геологического значения. Имеющиеся в настоящее время находки остатков бактериальных организмов, начиная С отложений возраста 3100 млн. лет, на разных стратиграфических уровнях докембрия датируют время их возникновения и начала интенсивного развития. Бактерии содействовали накоплению в биосфере высокоорганизованных углеродных соединений, водоросли приводили к обогащению биосферы свободным кислородом с одновременным обеднением ее углекислотой.
Появление свободного кислорода, возможно еще в малых дозах, стимулировало массовое развитие микроорганизмов, окислявших железо самородное, закисное, вообще недоокисленное. Продукты жизнедеятельности этих организмов в виде мощных залежей железных руд или рассеянных масс окислов железа указывают на большое их распространение в бассейнах и почвах древней биосферы. Геологическое время проявлений этого процесса в основном известно. Это в большей степени поздний докембрий - гуронские слои в Северной Америке, раннепротерозойские отложения в Европе и Азии.
Замечательно, что осадочные горные породы и многие рудные образования осадочного происхождения, сформированные именно на дне водных бассейнов далекого геологического прошлого, часто способны сохранять следы бактериальных структур. По-видимому, это связано со стойкостью некоторых органических соединений остаточного вещества бактерий, а отчасти с условиями захоронения.
Многие осадочные породы, если из них изготовить тонкие прозрачные шлифы, позволяют видеть под микроскопом обильные остатки телец по форме и размерам близких к бактериям. Осадочные железные и марганцевые руды часто представляют собой сплошную массу оруденелых оболочек - "чехликов" клеток железобактерий. Бокситы, фосфориты, глинистые морские и пресноводные отложения часто содержат большое разнообразие таких микроскопических бактериеподобных телец.
Таким образом, появившись около 3000 млн. лет назад, мир микроорганизмов быстро овладел биосферой нашей планеты. Его история исследователями-микропалеонтологами еще раскрыта слабо, но имеются достаточные основания надеяться, что она будет раскрыта. Она может быть исследована по форме и размерам окаменевших остатков бактерий и их скоплений, а также по геологическим продуктам их жизнедеятельности, как это имеет место в отношении железных и марганцевых пластовых руд, отложений пирита, глубинных залежей бактериального азота и т. д.
Удивительное, бесспорно доказанное сохранение в ископаемом состоянии остатков спор древнейших растений, обнаружение множества осадочных пород с явными остатками бактериальных структур позволяют надеяться, что этот раздел палеонтологии получит свое развитие.
Естественно, современные процессы не могут помогать выявлению процессов далекого геологического прошлого, но принцип актуализма помогает понять их, если мы правильно учитываем при этом ход и характер явлений, процессов эволюции среды и жизни за геологическое время.
Микробы, которые способны получать жизненную энергию путем окисления различных веществ, являются аэробами. Микробы, способные получать жизненную энергию в отсутствие свободного молекулярного кислорода в среде их обитания, являются анаэробами. Какая же из этих групп микроорганизмов является на Земле древнейшей?
Мнение о большей древности автотрофных бактерий по сравнению с гетеротрофными поддерживается и специалистами, занимающимися проблемой происхождения нефти, причем принято считать, что в общем случае существование гетеротрофных организмов немыслимо без существования автотрофов. Но в общем миры автотрофов и гетеротрофов образуют в биосфере единую неразделимую систему, которая геологически возникла, несомненно, очень рано.
Обратимся к фактам. Изучение под микроскопом в тончайших шлифах при значительных увеличениях древнейших осадочных горных пород, часто даже измененных последующими процессами, указывает на местные концентрации остаточного органического вещества, которое почти никогда не бывает полностью бесструктурным. Оно не бывает ни коллоидным, ни кристаллическим, если не представлено чистым графитом. Обычно это скопления микроскопических бактериеподобных образований, размещенных с различной степенью густоты. Чаще это нитевидные образования, прихотливо изогнутые, иногда сфероидальные, как бы смотавшиеся в маленькие клубки, прежде чем заглохла их жизнь. При этом все следы древнейшей жизни ясно указывают на водную среду.
Прослеживая состав организмов в различные геологические этапы жизни нашей планеты, исследователи обычно переходят от более поздних к более ранним - в направлении, противоположном ходу эволюционного процесса.
Используя материалы палеонтологии, мы можем убедиться, что следы человека прослеживаются в глубь веков не далее чем на 3 млн. лет. Следы млекопитающих исчезают 60 млн. лет назад. Следы пресмыкающихся отсутствуют в слоях, возраст которых более 185 млн. лет. Земноводные (амфибии) и костистые рыбы не существовали во времена, удаленные от современности более чем на 340 млн. лет. Остатки примитивных рыбообразных - бесчелюстных и хрящевых рыб - не встречаются в слоях, образовавшихся более 420 млн. лет назад. Археоциаты - своеобразные древнейшие строители морских рифов с изящнейшим известковым скелетом, видимо, начали свое развитие 600 млн. лет назад. В более древних отложениях, образовавшихся до 1800-1900 млн. лет назад, мы находим лишь остатки водорослей и следы жизнедеятельности бактерий.
Если же рассматривать развитие жизни по группам организмов в нормальном ходе их эволюции, то мы увидим, что каждая из групп проходила свои этапы развития. Появлялись новые формы, вымирала часть старых. Некоторые группы существовали ограниченное время, потомки других живут даже в наше время. Таким образом, "корни жизни" на Земле оказываются весьма многочисленными, представленными действительно наиболее просто построенными, притом преимущественно мельчайшими по размерам организмами. Несомненно, жизнь появилась более 2700 млн. лет назад.
Палеонтологический метод в изучении докембрия
Граница между докембрием и кембрием обычно резко выражена не только по степени вторичных изменений осадочных пород, но и по кажущемуся коренному отличию пород кембрия, отложения которого почти всюду охарактеризованы обильными разнородными остатками беспозвоночных, водорослей и др. Поэтому исследователи всего мира занимаются изучением органических остатков из палеозойских и более поздних отложений. Некоторые исследователи уделяют внимание изучению докембрия, его литологии, петрологии, в еще меньшей степени палеонтологии, несмотря на огромное распространение и мощность его осадочных отложений.
В трансваальской серии докембрия Южной Африки остатки водорослей известны в виде мелких строматолитов и онколитов. Абсолютный возраст, определявшийся Ф. Абельсоном и Э. Баргхорном в институте Карнеги в Вашингтоне, дал цифру около 2600 млн. лет. В отложениях кремнистых сланцев гуронского возраста (2000 млн. лет), в районе оз. Онтарио в Северной Америке Э. Баргхорн нашел хорошо сохранившиеся остатки нитчатых синезеленых водорослей и одноклеточных животных.
Таким образом, жизнь на Земле является очень древней, имеющей возраст порядка 3000 млн. лет или более. Следы древнейшей жизни можно наблюдать в некоторых геологических образованиях докембрия, в виде непосредственных морфологических материалов по конкретным группам организмов и в виде косвенных данных.
Существование жизни на Земле можно проследить в ее проявлениях во времени и в пространстве, т. е. в данном случае в разрезах разновозрастных осадочных горных пород, в их довольно большом разнообразии.
Общеизвестно большое распространение в составе отложений архея и протерозоя нормальноосадочных пород терригенного состава. Учитывая степень дифференциации мелкозема, выделение достаточно хорошо отсортированного материала обломочных пород, в частности песков, превращенных в кварциты, приходится допускать на выступах древнейшей суши развитие почвенного покрова.
Как известно, почвообразование идет интенсивно с дифференциацией минерального вещества лишь при участии почвенных микроорганизмов, роль которых в создании почвенного мелкозема обычно в 20 раз превосходит роль почвенных коллоидов химического происхождения. Поэтому почвообразование, связанное с деятельностью микроорганизмов, является, несомненно, процессом очень древним. В связи с этим наблюдение в составе беломорской серии архея Карелии магнетитовых сланцев и кварцитов, первично представляющих собой отложения осадочных железных руд и песчаные отложения, показывает, что они, несомненно, были продуктом развития на смежном выступе суши почвообразовательных процессов с участием почвенных микроорганизмов и железобактерий.
Многими исследователями происхождение тонких морских карбонатных илов рассматривается в связи с жизнедеятельностью некоторых специфических морских бактерий, в частности из группы денитрифицирующих.
Процесс денитрификации водной среды при участии бактерий обусловлен в природе наличием нитратов, усвояемого органического вещества, анаэробных (бескислородных) условий и нейтральной реакции среды. Представление многих авторов о составе древней атмосферы и гидросферы Земли сводится к признанию большой роли там свободного водорода, метана, углекислоты и аммиака. Благодаря высокой растворимости аммиак должен был легко переходить в раствор, чтобы обеспечить развитие денитрифицирующих микроорганизмов, продуктами жизнедеятельности которых могли .быть иловые карбонатные отложения, с превращением их в известняки, доломитизированные известняки (в порядке замещения кальция осадка магнием раствора) и доломиты. Лишь образование магнезитов можно отнести к процессам химического характера, происходившим и происходящим в условиях выпаривания морских вод полузамкнутых лагун.
Наличие кристаллических известняков в беломорской серии архея Карелии Беломорского побережья позволяет предполагать развитие в древнем бассейне соответствующих бактериальных процессов, частичным выражением которых могут быть такие породы.
Имеющиеся цифры абсолютного возраста в 2000-2300 млн. лет для архея Беломорья некоторые исследователи склонны считать возрастом метаморфизма архейских пород. Таким образом, процессы древнейшего карбонатного осадконакопления при участии бактерий должны быть признаны здесь весьма древними. В некоторых мраморах архея Кольского полуострова, по наблюдениям автора, между зернами кальцита установлено содержание обуглероженных остатков микротел бактериального размера.
Известно широкое распространение в докембрийских отложениях всего мира пластовых железных руд, горизонтов пиритизированных пород, которые можно связать по условиям их происхождения только с жизнедеятельностью ряда групп микроорганизмов.
Прямые морфологические данные мы можем получить, изучая под микроскопом препараты из железных руд осадочного происхождения. Так, автором остатки железобактерий были установлены в ряде образцов докембрийских железных руд, в частности Кривого Рога, некоторых месторождений докембрия Казахстана и Сибири.
На территории Карелии, характеризующейся широким распространением мощных отложений докембрия, был открыт ряд ценных палеонтологических материалов в трех горизонтах ятулия (среднего протерозоя). Р. В. Бутиным и автором описано много видов водорослей, которые сохранились в виде остатков строматолитов и других карбонатных образований. Это свидетельствует о большом разнообразии ценозов водорослей в бассейнах протерозоя Северо-Запада СССР. С этими открытиями перекликаются открытия остатков строматолитов в слоях серии Хяохе Северного Китая, которые по возрасту относятся также к среднему протерозою. Наряду с местной и временной жизнедеятельностью синезеленых водорослей, в меньшей степени красных водорослей, сыгравших местами роль крупных геологических деятелей, имело место отложение карбонатных илов, что осуществлялось, по-видимому, при участии денитрифицирующих микроорганизмов.
В ятулии Карелии открыто большое разнообразие проблематических образований, предположительно отнесенных к водорослям или остаткам ряда групп беспозвоночных животных. Не подлежит сомнению, что теперь весь протерозой становится объектом биостратиграфических и палеонтологических исследований. Выделена группа образований, которые можно условно принять за остатки водорослей из группы багрянок - кораллинаией. Некоторые из них отличаются необычайно крупными размерами клеток (?). Возможно, подобные водоросли, описанные из мезозоя, не являются самыми древними на Земле, как это предполагалось. Известны также находки одноосных кремневых спикул губок, остатки радиолярий и др.
Более поздние докембрийские отложения (верхний протерозой - синий, иотний и гиперборей, овруч, бавлы, альгонкий, рифей и др.) богаче остатками организмов, особенно синезеленых и красных водорослей. Так, автором описано более 200 видов водорослей среднепротерозойского и позднепротерозойского (синийского) возраста из отложений Карелии, Средней и Восточной Сибири и Дальнего Востока, а также из отложений КНР, которые он отнес к 80 родам и 20 семействам.
Морфология клеточных колоний, общий, местами хорошо сохранившийся вид талломов, скопления остаточного органического вещества в породе нередко оказываются близкими к современным. Между тем преобладающая часть форм очень своеобразна и потому является хорошим опорным материалом для корреляции вмещающих отложений. Из сотен горизонтов с остатками водорослей пока выявлено в верхнем протерозое до 40, характеризующихся наиболее хорошей сохранностью форм. В среднем протерозое (ятулии) Карелии Р. В. Бутин выявил три водорослевых горизонта.
Установлены случаи дальней миграции некоторых водорослей древнее протерозойского возраста, например: северная часть КНР - Оленекское поднятие, северная часть Сибирской платформы - Кольский полуостров (о-в Кильдин), Енисейский кряж - Восточное Верхоянье и т. д. Таким образом, выявлены возможности открытия остатков древнейших водорослей в отложениях докембрия как нормального палеонтологического материала. Впрочем, поиски его часто еще не являются систематическими. Открытие их чаще носит случайный характер.
Одним из интересных выводов, полученных при изучении конкретного палеонтологического материала по древнейшим водорослям, было прямое указание на незначительность или отсутствие гнилостных процессов в докембрийских бассейнах. Вследствие этого колонии микроводорослей, выделяя карбонат кальция на поверхности, в условиях среды, богатой бикарбонатами, переходили в ископаемое состояние почти без изменения их морфологии. Минерализацией охватывались сгустки студенисто-слизистого вещества синезеленых водорослей, оболочки их трихомов и клеточных колоний. Остаточное органическое вещество, в той или иной степени обуглероженное переходило в толщу осадков и в некоторых случаях за счет его могли образовываться скопления нефти и горючего газа. Так образовались нефть и газ в нижнем кембрии Сибирской платформы, такого же происхождения нефть и газ в бассейне верхнего течения р. Лены в Иркутской области. Поэтому проблема шунгита Карелии также может быть решена в связи с водорослевыми ценозами докембрия и соответствующими геологическими условиями.
В случае метаморфизма, как известно, битумы часто бывают выражены скоплениями графита, и потому вкрапленность графита, его тонкие пленки в породах докембрия или более или менее значительные скопления должны указывать на распределение продуктов преобразования исходного органического вещества растительного происхождения в виде одноклеточного или многоклеточного фитопланктона. Поэтому битумы, шунгиты, графиты, скопления обуглероженного вещества следует признать заслуживающими специального изучения с целью выяснения их связи с организмами докембрия. Осадочные железные и марганцевые руды пластового типа, пиритизированные породы и продукты гранулометрической дифференциации материалов сноса с древних выступов суши должны быть признаны связанными с соответствующими жизнепроявлениями в докембрии, как следы этой жизнедеятельности. Специально подготовленные препараты могут позволить обнаружить в этих веществах следы остатков микроорганизмов.
Фации и их осадки составляют единство. Единство составляют также среда и жизнь. Среды прошлого проходили стадии непрерывного и направленного изменения под влиянием общих причин и отчасти при участии самих организмов. Организмы выводили из гидросферы большие запасы углекислоты и бикарбонатов. Они обогащали ее свободным азотом и свободным кислородом. Измененная среда становилась не пригодной для одних организмов и пригодной для других. Поэтому ископаемые организмы можно рассматривать как индикаторы древнейших сред, как свидетели тех или иных геологических процессов, а иногда даже материалов астрономического значения. Так, по проявлениям фототропизма и гелиотропизма древнейших синезеленых водорослей, отраженных в построении специфических строматолитов (параллелофитонов), можно установить положение палеомеридианов. По проявлениям цикличности в строении слоистой карбонатной массы строматолитов можно устанавливать 11-летние циклы в развитии солнечной радиации. Таким образом были получены данные об абсолютном приросте строматолитов за сезон, о масштабе накопления органического вещества в осадочных толщах докембрия, о длительности существования видов водорослей, о длительности формирования горизонтов и свит.
Остатки докембрийских организмов могут оказать существенную помощь в раскрытии палеоклимата для соответствующих этапов геологического времени, а также палеогеографической эволюции лика Земли в докембрии.
Особое значение имеет в породах докембрия поведение изотопов углерода, кислорода, азота, серы, водорода и их отношений, поскольку известно, что легкие изотопы преимущественно оказываются связанными с жизнедеятельностью организмов, тогда как более тяжелые - лишь с минеральными - химическими процессами.
Остатки организмов в осадочных породах докембрия известны во многих районах мира. Можно отметить находку Дж. Лаусона (1865 г.) Eozoon canadense в районе Оттавы. Л. Кайо (1894 г.) открыл остатки радиолярий, фораминифер, спикул кремневых губок в углистых сланцах докембрия Бретани. Чарльз Д. Уолкотт в докембрии Большого Каньона и в серии Белт в США выявил интереснейшие остатки многощетинковых червей и ряд других организмов.
Известны находки остатков радиолярий в докембрии юга Австралии. Правда, некоторые исследователи, не признали этого открытия, другие склонны относить его к образованиям бактериального происхождения. И. Седерхольм открыл в карельском шунгите остатки проблематического животного Goridum, которого, по-видимому, следует отнести к проблематическим образованиям.
В среднепротерозойских отложениях Енисейского кряжа Ю. А. Кузнецов обнаружил остатки одноосных спикул кремневых губок. Между тем в бакальской свите позднего докембрия Урала автором были обнаружены предполагаемые отпечатки медуз (?), отчасти подобные найденным в докембрии Большого Каньона в слоях Нанкоуин. В Северо-Западной Африке (в" Анти-Атласе) установлены остатки членистоногих в виде разрозненных сегментов. Во многих районах мира известны, правда, еще редкие и случайные находки остатков простейших животных, примитивных целетерат, брахиопод, червей, членистоногих, заслуживающих специального изучения.
Больше всего в мире открыто в докембрийских отложениях остатков фотосинтезирующих организмов - морских водорослей, являвшихся часто активными породообразователями. Изучение таких остатков особенно успешно идет в Советском Союзе. Этот нормальный палеонтологический материал ныне часто обнаруживается в отложениях докембрия и нижнего палеозоя. Он представлен строматолитами, а иногда тонкослоистыми карбонатными породами с "курчавой" текстурой.
Что такое строматолиты и онколиты? Строматолиты и онколиты - это микрослоистые сгустки карбонатного, иногда вторично измененного вещества, находимые в составе преимущественно древнейших морских и пресноводных отложений, формировавшихся в мелководьях в основном синезелеными, реже красными водорослями на твердом субстрате (первые) или на подвижном (вторые) в условиях сильно карбонатной (богатой бикарбонатами кальция и магния) водной среды за длительные этапы времени, измеряющиеся часто сотнями и тысячами лет. В их построении обычно участвовало несколько видов микроскопических водорослей, проявлявших жизнедеятельность одновременно (сосуществование) или в порядке последовательной смены одного вида другим, причем часто через малые промежутки времени (естественный отбор, быстрота темпов эволюции).
Поскольку строматолиты и онколиты представляют собой продукты сложных и длительных процессов и не являются остатками единого конкретного организма, то они не заслуживают применения к ним латинизированной номенклатуры, как это делается некоторыми исследователями. Они являются в геологических разрезах лишь частью того каменного материала, который несет в себе (если этому не мешают вторичные явления) остатки микроскопических породообразующих фотосинтезирующих организмов (синезеленых, реже красных, водорослей).
Поскольку между формами и размерами конкретных видов породообразующих водорослей и формами и размерами включающих их остатки строматолитов непосредственная связь отсутствует, то эти сгустки карбонатного материала, обычно характеризующиеся бесконечным разнообразием по виду, могут знаменовать лишь местную временную фацию, сочетание экологической обстановки с тектоническим режимом области бассейна и не более.
Строматолиты могут указывать на результаты взаимосвязи процессов нарастания элементарных наслоений и накопления биогенного (фитопланктонного) или обломочного материала между ними.
Эти процессы протекали с относительно равными скоростями (нависания и наросты на боковой поверхности строматолитов), с опережением первого процесса (гладкие боковые поверхности или с пережимами экологического происхождения) или отставанием его. Это создавало условия для прекращения развития строматолитов (их сужения, приобретения неправильной общей формы и т. д.). Так шло их местное отмирание.
Естественно, что внешние признаки как-то отражают особенности их конкретных образователей - водорослей (строение и отчасти форма элементарных наслоений микрослоев, соответствующих накоплению карбонатного материала за сезоны вегетации). Форма наслоений, степень их выпуклости отражают чувствительность водорослевых колоний к свету, степень проявления фототропизма, иногда выражавшуюся в виде прямого гелиотропизма (параллелофитоны).
При условии благоприятной сохранности микроструктур строматолиты и онколиты, находимые в Отложениях различного геологического возраста (от нижнего протерозоя и почти до наших дней), являются ценнейшим материалом для изучения истории развития мира микроскопических водорослей (синезеленых и красных), их эволюции и породообразующей деятельности. В них мы видим свидетелей обстановок далекого геологического прошлого с указанием на палеоклимат, палеотемпературу среды, палеотечения, батиметрические данные, скорости вертикальных движений литосферы и гидрохимию бассейна. Это дает представление о связях между бассейнами и палеогеографических перестройках лика Земли во времени.
Успех исследования строматолитов и онколитов, водорослевых пород вообще как фитогенных образований, требует от исследователей палеоботанического, особенно альгологического изучения и глубоких знаний современных представителей названных типов микроскопических водорослей, их морфологии, экологии, физиологии, биохимии и природного распространения (геоботаники водорослей).
Результаты изучения остатков водорослей из докембрийских отложений СССР показали возможность решения важных вопросов стратиграфии. В частности, отложения протерозоя ряда районов Сибири, часто неправильно сопоставлявшиеся друг с другом, ныне получили определенное положение на основании данных эволюции выявленных видов и родов синезеленых и красных водорослей. Так, морской протерозой Енисейского кряжа оказался более древним по отношению к карбонатным отложениям Туруханского поднятия, древние же карбонатные отложения р. Нижней Тунгуски - более древними по отношению к улунтуйской свите Прибайкалья. Между тем водоросли нижнего кембрия Иркутского амфитеатра оказались генетически связанными с формами, выявленными в улунтуйской свите верхнего синия.
Необходимо отметить полную бесперспективность исследований строматолитов как таковых, без изучения их микроскопических структур. При таком методе изучения строматолитов, связанным с массовым распиливанием каменного материала, уничтожается большое количество материала, который был бы полезен для палеонтологического метода.
Организмы - индикаторы среды. Знание их раскрывает особенности среды, ее обстановку. Поэтому ископаемые организмы как свидетели могут помогать раскрытию природных обстановок геологического прошлого. В связи с исключительной древностью жизни на Земле перед исследователями может раскрыться картина ее развития. По литофациям и органическим остаткам докембрия исследователи несомненно могут вскрыть многие важные детали истории земной поверхности, биосферы и состава и строения земной коры в ее геологическом развитии. Ископаемые водные организмы могут указывать на степень солености среды, температурный режим, глубинность, характер и направления течений, взаимосвязь между древними бассейнами и т. д.
Поскольку древность жизни на Земле доказана, то экологические и другие данные могут быть исключительно полезными для геологии, если учесть, что в дальнейшем на ее основе может разрабатываться стратиграфия осадочных отложений, палеогеография, могут вестись поисково-разведочные работы. Организмы участвовали и участвуют в накоплении различных минеральных веществ и даже некоторых видов руд.
Палеонтологи и палеоэкологи, занимающиеся изучением палеозойского и более молодого палеонтологического материала, успешно получают соответствующие данные о древней среде и условиях обитания ископаемых организмов. Необходимо применить палеонтологический метод к докембрийским осадочным отложениям. Этому должны способствовать специальные работы литологов по изучению проявлений метаморфизма, восстановлению первичных типов осадков и выявлению биогеохимической роли древнейших организмов.
В настоящее время находки остатков докембрийских животных организмов пока эпизодичны. Наблюдаются огромные пробелы в палеонтологической летописи докембрия. Тем более следует внимательнее относиться к каждой находке и пытаться найти для нее место в общей системе организмов.
Раскрытие физико-географических условий на границе докембрий - кембрий раньше встречало действительные и кажущиеся препятствия: следы крупных перерывов в осадконакоплении, местная изменчивость состава горных пород докембрия, особенно из-за обилия вулканогенно-туфогенных образований и проявлений различной степени метаморфизма первичных осадочных пород.
Открытие органических остатков дает новый материал для изучения истории жизни и ее эволюции в докембрии, что в целом для отдельных районов распространения докембрийских отложений раскрывает перспективы разработки биостратиграфии и палеогеографии.
Органические остатки докембрия помогают выяснить происхождение известных типов животных, растений и бактерий, так как корни их затеряны среди отложений глубокой геологической древности. Изучение особенностей древних фаций по литофациям и организмам способствует выяснению причин изменчивости организмов во времени и пространстве и темпов этой эволюции во времени в конкретных физико-географических, физико-химических и других обстановках. Таким образом, изучение древнейших организмов помогает решить целый ряд важных вопросов биологии и геологии.
Палеонтологическая наука в содружестве с геологической дает обильные материалы к истории жизни на Земле в ходе геологического времени, по эрам, периодам и эпохам. Палеонтологи и художники многих стран мира пытаются воссоздать картины среды и жизни на отдельных этапах геологического прошлого. Мы попробуем воспроизвести некоторые из этих картин.
Катархей
Мрачной, еще безжизненной, мертвой была земная поверхность в раннем докембрии - в катархее. Не было еще ни свободного кислорода, ни жизни. Запасов воды было меньше, чем сейчас. Атмосфера, мощная и тяжелая, состояла из обильных паров воды, углекислоты, аммиака, метана, водорода и других газов.
Этот выделенный советскими геологами ранний этап развития Земли, в диапазоне геологического времени 3500-2700 млн. лет назад, был временем бурной перестройки молодой земной коры, интенсивных проявлений вулканизма и магматической деятельности. Первичные осадочные породы образовывали складки, преобразовывались под влиянием давления и повышенных температур.
Во "вторичной" атмосфере, которой оделась Земля, став планетой, и на ее поверхности, как и в зоне коры, развивались процессы только химические, которые привели к образованию первичных белковых соединений. В парах и водных массах первичных бассейнов интенсивно растворялись и накапливались аммиак и углеводородные газы, которые и преобразовывались в более сложные углеродные соединения. Этому тогда способствовали более высокое давление атмосферы, температурный режим и жесткие космические излучения, которые в большей степени участвовали в преобразовании вещества атмосферы, гидросферы и земной коры, чем позднее, когда на Земле накопились запасы свободного кислорода, выделенного фотосинтезирующими организмами. Углекислый газ, поднимавшийся из недр Земли при вулканических явлениях расходовался и на образование сложных углеродных соединений и известняков.
Именно в этих особых термодинамических условиях из исходных сложных органических соединений возникла простейшая и примитивнейшая жизнь, промежуточным этапом пути к которой были подобные вирусам или микробам организмы.
Архей
Длительность архея, по данным абсолютной геохронологии, составляет 800 млн. лет - от 2700 до 1900 млн. лет назад.
В толщах пород архейского возраста, обычно сильно измененных более поздними процессами, известны осадочные водные отложения - мраморы, песчаники, глинистые сланцы, в которые превратились известняковые илы, пески и глины. Песчинки и глинистые частицы, как известно, образуются преимущественно на суше, откуда они могут быть смыты в моря. Мелкозем на суше образуется под влиянием факторов почвообразования, и это говорит о большой древности на Земле почвенных процессов.
Измельчение пород в почвенных условиях, распад их обломков на мельчайшие частицы, на отдельные минеральные зерна или их части вызывают обычно не только агенты физического выветривания - вода, ветер, температура. Значительно большую роль играют многообразные почвенные бактерии и органические кислоты, Образующиеся за счет разложения вещества почвенных организмов, в основном растений. Их активность в почве примерно в 20 раз сильнее физических агентов. Столь совершенное измельчение материала, из которого часто вынесены в закисном виде железо, марганец, алюминий, с образованием в конечном счете светлоокрашенных песков (кварцитов) явно указывает на то, что почвы на сушах архея уже существовали и интенсивно развивались и что в этом процессе принимали участие почвенные бактерии. В водных бассейнах бактерии отлагали железо, образуя местами крупные месторождения. Бактерии могут проявлять жизнедеятельность в весьма широком диапазоне температур, от отрицательных до +170°С.
Жизнеспособные бактерии можно обнаружить даже в Арктике - в снегу, в погребенных льдах. Б. Л. Исаченко полагал, что развитие бактерий началось еще в докембрии, причем допускал, что первые периоды докембрия были более благоприятными для развития автотрофных организмов, восстанавливавших углекислоту.
Как уже отмечалось, некоторые ученые полагают, что углеводороды и нефть являются компонентами состава протопланетного облака и что на поверхности Меркурия они быстро рассеялись и разложились под влиянием высокой температуры. На поверхности Земли обстановка была для них крайне неустойчивой из-за действия ультрафиолетового излучения Солнца и окислительных процессов, и они тоже разложились и исчезли.
Длительное время считалось, что живые существа, населявшие кембрийские моря (570-440 млн. лет), были самыми древними на нашей планете, хотя они нередко и удивляли исследователей разнообразием представленных тогда групп организмов, большой местами густотой населения ископаемых биотопов, их обильными популяциями, в числе которых отмечалось присутствие многих видов археоциат, трилобитов, хиолитов, реже губок, криноидей, червей, в сопровождении разных типов водорослей. Во всем мире, за малыми исключениями, палеонтологи не изучали и не изучают систематически организмы более древнего возраста. Данные региональной геологии, казалось, предрешали неудачу геологов и палеонтологов в поисках органических остатков в более древних, чем кембрий, осадочных горных породах.
Осадочные горные породы докембрийского возраста, исключительно широко представленные на выступах суши нашей планеты, обычно более или менее сильно изменены вторичными процессами по отношению к их первичному облику. Часто это бывает выражено перекристаллизацией вещества пород, с потерей ими частично или полностью первичных признаков. Поэтому у исследователей возникло представление о полном исчезновении в таких образованиях признаков прошлой органической жизни. Поэтому палеонтологи почти не занимались такими породами, проявляя лишь некоторый интерес к строматолитам, своеобразным сгусткам углекислого кальция и магния, природа которых длительно оставалась неразгаданной.
Мощность докембрийских осадочно-метаморфических, осадочно-вулканогенных, туфогенных толщ обычно огромна. Местами она достигает многих десятков километров, но точному ее установлению как раз мешает недостаточность или отсутствие критериев для расчленения и корреляции этих толщ, особенно в условиях их интенсивной складчатости. При этом известно, что серии таких образований часто вмещают месторождения весьма разнообразных полезных ископаемых, например руд черных и цветных металлов, редких и рассеянных элементов, золота, фосфоритов, алюминиевого сырья и т. д.
Следы древнейшей органической жизни на Земле ученые устанавливают по присутствию в древнейших горных породах органических веществ и продуктов их изменения, как, например, в виде графита, шунгита и других или же в виде непосредственных остатков организмов, по их отпечаткам на поверхности пород или с помощью того же остаточного органического вещества, обычно сильно обуглероженного. При этом иногда открываются в совместном развитии остатки морских водорослей и простейших животных.
Параллельно с изучением в СССР обильных материалов палеонтологии кембрия автор более 30 лет вел поиски органических остатков и в породах докембрия, в особенности его поздней части - протерозоя (2700-570 млн. лет), широко представленной во всех горных районах нашей страны. Исследовались некоторые осадочного происхождения руды. Изучению подвергались метаморфические породы, обычно внешне лишенные каких-либо признаков связи с ними остатков организмов. Еще в 40-е годы автору удалось собрать большой материал по ископаемым бактериям, оказавшимся и в далеком прошлом важными геологическими "деятелями". Эти работы подтвердили замечательные идеи В. И. Вернадского о роли организмов в геологических процессах Земли, поскольку раскрылась особо важная роль ископаемых микроорганизмов в создании рудных веществ, накоплении различных соединений и химических элементов (железо, марганец, сера, фосфор, алюминий и др.).
Теперь можно сказать, что в породах докембрия, а именно всего протерозоя и частью архея, открыты обильные новые палеонтологические объекты, притом весьма различного уровня развития - от бактериальных и бактериеподобных до сложных многоклеточных, принадлежащих к целому ряду групп беспозвоночных животных. При этом господствующими в количественном отношении оказались представители водорослей различных типов. Так впервые появились данные к биостратиграфии докембрия в частности для районов хребта Малого Хингана, Удокана, Восточного Саяна, Байкальского нагорья, Кузнецкого Алатау, Западно-Сибирской низменности (по скважинам), Урала, Тимана, Карелии, Кольского полуострова и докембрия Украины и Молдавии. При участии автора подобные материалы были выявлены на территории Китая, Монголии, Польши и Чехословакии.
Таким образом, метаморфический осадочный докембрий оказался способным сохранять остатки организмов в различных его морских и терригенных породах, особенно в кремнистых. Вся северная Евразия стала благодарным объектом для поисков остатков организмов докембрия вплоть до пород, возраст которых достигает 3 млрд. лет. Иначе говоря, выявилась возможность крупного "приращения" (термин М. В. Ломоносова) палеонтологической науки, ранее в данном направлении не развивавшейся. Практическая же геология получила необходимый ключ для расшифровки истории формирования, расчленения и корреляции древнейших осадочных серий. Одновременно открылась возможность прослеживать историю жизни на Земле до самых ее "корней", где-то около 3,5 млрд. лет до н. э.
Водоросль Kakabekia umbellata Barghoorn. Сев. Америка, сланцы серии Ганфлинт (1800 млн. лет) (по С. Баргхорну)
Особого внимания заслуживают работы Эльсо С. Баргхорна, П. Клода и В. Шопфа, открывших в породах архейского возраста очень интересный комплекс органических остатков. Э. Баргхорн обнаружил в районе оз. Онтарио нити многоклеточных водорослей однорядного строения и остатки каких-то животных (Kakabekia) типа медуз или гидроидных полипов. Абсолютный возраст вмещающих слоев, определенный по калий-аргоновому методу, оказался не менее 2000 млн. лет. При изучении доломитовых слоев архея Трансвааля Южной Африки были выявлены остатки организмов возраста около 2600 млн. лет, представленные остатками колоний синезеленых водорослей, выраженных скоплениями графита, а также остатками ископаемых бактерий. В образце породы, имеющей известковый состав, видны строматолиты, по-видимому, имеющие внешнюю куполовидную форму.
Интересны также остатки бактерий Eobacterium isolatum Barghoornet Schopf и колонии синезеленых водорослей Archaeosphaeroides barbertonensis Schopf et Barghoorn в отложениях группы Фиг-Три с возрастом 3100 млн. лет в восточном Трансваале (Южная Африка). Менее отчетливые, но не менее интересные остатки водорослей, подобные Archaeosphaeroides barbertonensis, но не имеющие определенного очертания, установлены из отложений группы Онверхват возраста 3200 млн. лет, из наиболее древних строматолитовых пород Буловайна в Родезии, встречены своеобразные шиповатые остатки, выявленные в электронном микроскопе. Одноклеточные синезеленые водоросли описаны профессором П. Клодом и Н. Лайкери из отложений формации Соуден-Айрен, возраст которой определяется в 2700 млн. лет.
Остатки бактерий (а), колонии Eobacterium isolatum Barghoorn et Schopf и синезеленых водорослей Archaeosphaeroides barbertonensis Schopf et Barghооrn (б). Африка, Восточный Трансвааль, отложения группы Фиг-Три (3100 млн. лет, по В. Шопфу); шиповатые остатки из строматолитов (в), Африка, Восточная Родезия, отложения группы Буловайан (2800 млн. лет, по Ф. Оберлис и А. Пресновскому)
Остатки бактерий (а), колонии Eobacterium isolatum Barghoorn et Schopf и синезеленых водорослей Archaeosphaeroides barbertonensis Schopf et Barghооrn (б). Африка, Восточный Трансвааль, отложения группы Фиг-Три (3100 млн. лет, по В. Шопфу); шиповатые остатки из строматолитов (в), Африка, Восточная Родезия, отложения группы Буловайан (2800 млн. лет, по Ф. Оберлис и А. Пресновскому)
Остатки бактерий (а), колонии Eobacterium isolatum Barghoorn et Schopf и синезеленых водорослей Archaeosphaeroides barbertonensis Schopf et Barghооrn (б). Африка, Восточный Трансвааль, отложения группы Фиг-Три (3100 млн. лет, по В. Шопфу); шиповатые остатки из строматолитов (в), Африка, Восточная Родезия, отложения группы Буловайан (2800 млн. лет, по Ф. Оберлис и А. Пресновскому)
Таким образом, уже в архее, даже в раннем архее, на Земле существовали и многоклеточные водоросли и даже организмы типа медуз или гидроидных полипов, т. е. многоклеточные животные, жизнедеятельность которых при этом, вероятно, обеспечивалась тесным соседством с водорослями, выделявшими свободный кислород.
В общем за последнюю четверть века, а особенно за последнее десятилетие, в поисках следов древнейшей жизни получены замечательные результаты. На территории северной Евразии на разных уровнях стратиграфии докембрия выявлены местами массовые скопления остатков различных организмов, состав которых менялся иногда при мощностях слоев всего в 20-25 см. На основе каменного материала лабораторным путем можно изучать осадочно-метаморфическую серию пород докембрия вплоть до магматогенных образований катархея и архея.
Полученный материал не всегда отличается достаточной четкостью, поскольку он действительно местами бывает сильно поврежден вторичными процессами. Главным образом приходится сталкиваться с остаточным органическим веществом в его бесструктурном проявлении, но в большом числе случаев это остатки конкретных организмов с признаками живого вещества (способность к росту особей, к тем или иным способам размножения, проявления биологических связей с сосуществовавшими организмами, срастания, прирастания, проявления наследственности на популяциях и т. д.).
Размеры ископаемых организмов в основном микроскопические. Самые древние в СССР остатки организмов пока обнаружены в слоях беломорской серии архея Кольского п-ова и в докембрии Украинского кристаллического массива (криворожская серия пород). Наиболее древние органические остатки в настоящее время установлены в докембрии Африканского массива в отложениях группы Онвервахт возраста 3200 млн. лет, группы Фиг-Три, возраста 3100 млн. лет. Они представлены одноклеточными и колониальными водорослями и бактериями.
Не менее интересна природа тонкозернистых морских карбонатных илов, получивших название дрюитов, которым приписывается минеральное происхождение и коллоидная структура, в действительности, в условиях открытого моря и ненасыщенности вод солями кальция, также являются продуктом жизнедеятельности денитрифицирующих бактерий. Жизнедеятельность этой группы микроорганизмов основана на переводе растворенного в воде бикарбоната кальция в карбонат кальция. При этой реакции выделяется значительное количество энергии.
Следует отметить, что и в настоящее время далеко не все литологи и геологи правильно учитывают вышеприведенные данные, проявляя склонность объяснять происхождение травертинов и известняков с позиций коллоидной или общей химии, что следует считать для условий биосферы ошибочным представлением.
Отметим, что биологический путь осаждения карбоната кальция из водных растворов проявляется в более широких пределах изменения среды (рН от 6 до 9), тогда как химическая садка кальцита идет лишь при рН около 9,5, т. е. в условиях сильного испарения и садки всех солей вообще.
Известно, что отложения карбоната кальция - кристаллические известняки - имеются в составе самых древних образований архея Карелии, Кольского полуострова и в других местах (беломорская серия) среди слюдяных, гранатовых, полевошпатовых и иных гнейсов, которые тоже следует признать первично представленными нормальными осадочными отложениями глинистого или песчано-глинистого характера с примесью вулканических пород. Для этих отложений первые определения абсолютного возраста дали цифры от 2000 до 2300 млн. лет. Установление в геологическом прошлом массового отложения карбоната кальция в открытых бассейнах гидросферы Земли заставляет нас полагать, что начало массовой жизнедеятельности денитрифицирующих бактерий относится уже к этому раннему этапу формирования земной коры.
На Кольском полуострове выше отложений беломорской серии залегает Кольская серия нормальноосадочных и вулканогенных образований, подвергшихся значительному вторичному изменению. В их составе обнаружены песчаники, превращенные в кварциты, и железистые отложения, превращенные в железные руды (магнетитовые сланцы). Поэтому приходится делать вывод, что на суше тогда уже шли процессы почвообразования, вернее всего при участии микроорганизмов, а в водных условиях временами очень интенсивно проявлялась жизнедеятельность железобактерий.
Известняки и мраморы установлены в обилии в составе архея горных систем Тянь-Шаня и Памира. Первичнокарбонатные (известняковые) отложения геологи открыли в составе архея Анабарского кристаллического массива на севере Сибири. Карбонатные породы были первично, вероятно, илами бактериального происхождения.
В пределах Енисейского кряжа, в Ангаро-Питском районе, автор наблюдал очень интересные осадочные железные руды, имеющие нередко лепешковидное строение, что прямо указывало на их бактериальное происхождение. С помощью остатков водорослей из слоев того же разреза автор установил докембрийский возраст этих руд.
Таким образом, древнейшие известные нам остатки организмов относятся еще к архейскому времени и ясно указывают на то, что жизнь на Земле существует не меньше 3000 млн. лет.
Архейская эра представляется важнейшим этапом в истории Земли, когда возникли условия для неизбежного и обязательного происхождения жизни. Вещественный состав нашей планеты, в особенности ее твердой коры, жидкой и газообразной оболочек, и природные энергетические проявления должны были этому способствовать. Именно в это время среда была наиболее обогащена сложными углеродными соединениями. Уже первичная жизнь, используя запасы сложных углеродных соединений, создавшиеся на более раннем химическом этапе истории планеты, израсходовала их настолько, что в последующие времена жизнь уже не могла больше зарождаться.
Жизнь возникла в мельчайшей микроскопической форме, в огромном многообразии биохимических, биогеохимических проявлений. Пластичность живого вещества и естественный отбор обусловили быстрое повышение интенсивности жизнепроявлений, пока они не приобрели планетарного значения.
Протерозойская эра
Огромный этап геологического развития, выделенный под названием "протерозой", соответствует времени 1900-570 млн. лет. Он представлен в пределах всех выступов суши разнообразными горными породами огромной мощности, в числе которых видное место занимают породы биогенные.
Бактериальная и водорослевая жизнь в протерозое достигла исключительного размаха и представлена многообразными геологическими факторами - породо- и рудообразователями. Продуктами этой жизнедеятельности были карбонатные осадки открытых водных бассейнов, железные и марганцевые руды, осадочные сульфидные минералы, отложения кремнезема в виде кремнистых сланцев, силицилитов и т. д.
Осадочное отложение железа происходит на Земле во все геологические времена, от архея до современности. Его сущность давно уже разгадана. Это бактериальный процесс, при котором бактерии используют в качестве энергетической базы растворенные закисные соединения железа. Оказывается, при переводе железа в нерастворимое состояние происходит выделение тепла.
Исследования Н. Г. Холодного показали, что железобактерии необычайно распространены в природе. Они проявляют жизнедеятельность обычно в условиях относительно низких температур (0°-16°С), при наличии СO2 и карбонатных или иных закисных соединений железа в слабокислых или нейтральных средах (рН от 5,8 до 7,6) в присутствии любой концентрации кислорода. В бедных кислородом средах железобактерии развиваются около колоний водорослей. В органических веществах эти бактерии или не нуждаются совершенно, или относятся к ним безразлично, так же как и к наличию света. Железобактерии превращают бикарбонаты железа в гидрат его окиси, причем углекислота является строительным материалом для вещества их клеток.
Биологическое формирование осадочных месторождений железа в огромных масштабах происходило в особенности в протерозое, т. е. в позднем докембрии. Крупнейшие железные месторождения мира принадлежат к группе отложений этого возраста.
Н. Г. Холодный считал, что железобактерии имеют прямое отношение к поведению железа в биосфере, где они выполняют значительную биохимическую работу по окислению закисей железа и превращению их в нерастворимую гидроокись - в железные руды различных типов, по условиям их образования и последующим химическим изменениям, под влиянием различных геологических обстановок (лимониты, гематиты, гётиты, а также силикаты, фосфаты и сульфиды железа). Эти руды очень часто содержат остаточное органическое, по-видимому, бактериальное вещество. Докембрийские руды Кирунавары (Швеция), как правило, содержат до 5% этого органического вещества. Богатейшие месторождения Северной Америки в районе Верхнего озера тоже отложились в раннем протерозое.
К отложениям нижнего протерозоя относятся и криворожские железные руды, а также железные руды Курской и Воронежской областей, Прибалтики. Руды кремнистые. В рудах Кривого Рога и в аналогичных кремнистых рудах Кольского полуострова автор наблюдал настоящие бактериальные структуры, лучше различимые именно в рудах, бедных железом, на фоне светлого кремнезема.
Начало отложений курской железорудной серии датируется 2060 млн. лет, а конец ее формирования - 1500 млн. лет.
И почвы на суше, и водные бассейны протерозоя были широкой ареной деятельности целого ряда групп микроорганизмов, из которых уже тогда эволюционно обособились группы автотрофов, приспособившиеся к освоению реакций распада и преобразования ряда минеральных веществ, связанного с выделением свободной энергии. В породах архея мы не находим зерен пирита, но уже в протерозое пирит отлагался в осадочных породах (пиритизация пород). Значит, в это время появились в массовом количестве окислители серы, а затем и сульфатредуцирующие (разрушающие сернокислые соли) бактерии. Вероятно, существовали и денитрифицирующие бактерии, выделявшие элементарный азот в состав древней атмосферы за счет первичного аммиака и соединений азота, возникших на его основе.
Таким образом, органическая жизнь в виде железобактерий была представлена уже более 2000 млн. лет назад. Для существования этих бактерий был нужен, хотя бы в очень малых количествах, элементарный кислород. Часто они его получали от водорослей, вместе с которыми иногда создавали концентрации гидроокислов железа и карбоната кальция. Иногда деятельность бактерий чередовалась с деятельностью водорослей: лето было временем оптимального развития железобактерий. Часто в докембрии так образовывались строматолиты.
Мир водных растений, настоящих фотосинтезирующих, уже в позднем архее был представлен одноклеточными формами. В следующую эру - в протерозое - во всех водных бассейнах Земли развились разнообразные виды многоклеточных, начавших играть важную роль в породообразовании. Лучистая энергия Солнца, особенно красная часть спектра, и значительные запасы углекислоты в биосфере, пополнявшиеся при вулканических явлениях, способствовали развитию водной растительности не только плавающей, но и донной. Воды морей, еще слабо соленые, но богатые бикарбонатами кальция и магния, легко осаждали их химически. Подщелачивая воду, водоросли играли важную роль в осаждении таких карбонатов, образуя строматолиты.
Развитие многоклеточных водорослей произошло более или менее одновременно с появлением в осадках протерозойской эры слоев плотных известняков. Интересная зависимость существует между вспышками вулканизма и количеством растительного водорослевого вещества. Создается впечатление, что временами развитие водных растений на Земле ограничивалось содержанием углекислоты в биосфере, что подтверждается и сокращением отложения карбонатных отложений вообще.
Протерозой - это эра водорослей и бактерий. Лишь к концу ее возникли самые ранние представители многоклеточных животных - черви, губки и археоциаты. Это была также эра одноклеточных простейших животных, пока слабо вскрываемых при исследовательских работах. Но главнейшими видимыми проявлениями жизни в протерозое были водоросли типа пресноводных. Последние, вероятно, участвовали наряду с бактериями и в развитии на суше процессов почвообразования. Перемыв и смыв рыхлых масс почвенного мелкозема уже играл существенную роль в осадочном породообразовании во внутренних и внешних морях того времени. Жизнь по преимуществу захватывала в то время области морских мелководий. Многоклеточные растения еще не выходили на сушу.
В протерозойскую эру на выступах суши, не имеющих растительного покрова, интенсивно шло выветривание горных пород при участии физико-химических и микробиологических процессов; в морских и пресноводных мелководьях развивались водорослевые банки, часто причудливого облика. Водные растения создавали очень своеобразные накопления известняка и даже древнейшие рифы и банки. "В поле" исследователь далеко не всегда отличит небольшие водорослевые скопления карбонатной породы от вмещающих отложений. Но повторяемость рисунка поверхности породы иногда подсказывает, что найдены остатки ископаемых древнейших водорослей. Порода местами оказывается кривослоистой, и это уже частый признак ее водорослевого происхождения; иногда видны известковые тела, которые при разрушении, при выветривании как бы расслаиваются на отдельные пластинки. Это водорослевые известковые образования - строматолиты, иногда достигающие значительных размеров. Они бывают построены или неправильно, или в виде относительно правильных куполов, состоящих из последовательно наросших друг на друга куполовидных годичных наслоений. В некоторых слоях поперечные сечения водорослевых образований кажутся округлыми, концентрически слоистыми, тогда как в действительности это вытянутые вверх тела, чаще конической формы, до метра в высоту и до полуметра в поперечнике у основания. Иногда это крупные тела с округлой поверхностью, тоже сложенные как будто из отдельных корок. В изломе видно, что первоначально маленькое известковое тело постепенно, слой за слоем, обрастало все больше сверху и с боков, сохраняя почти шаровидную форму. Кое-где на скалах как будто нарисованы колонки, состоящие тоже из наслоений, тянущиеся в одном направлении и время от времени ветвящиеся. Лишь при более внимательном рассмотрении видно, что местами они срастаются друг с другом, отклоняются в ту или другую сторону. В одном случае колонии водоросли построили слой породы толщиной в 36 м при скорости роста 1 мм за год. Это значит, что данный вид водоросли, с ее микроскопическими колониями, просуществовал 36 000 лет.
Типы проявления жизни в докембрии: остатки червей, синезеленые водоросли в виде лучистых колоний (ув. в 325 раз), спикулы губок и спор (ув. в 725 раз), отпечаток медузы (уменьш. в 2 раза) и строматолиты, образованные известковыми водорослями (по Р. Моору)
Специальное лабораторное изучение показывает, как виды микроскопических водорослевых колоний с течением времени непрерывно сменяли друг друга. Отдельные слои породы могут иметь различное строение и слагаться из водорослевых сооружений разной формы и размеров. Часто геологическая жизнь большей части этих ископаемых видов оказывается относительно короткой: смена одних породообразователей другими иногда происходила через 20-30 см, или даже менее. При годичном приросте, составлявшем около 0,1-0,5 мм, длительность жизни видов этих водорослей измеряется всего сотнями лет.
Колонковые строматолиты из отложений докембрия (Северный Китай). Фото автора
Для изучения строматолитов из них выпиливаются тонкие прозрачные шлифы, определенным образом ориентированные по отношению к направлению нарастания строматолитов. Если сохранность первичных структур водорослевых колоний достаточная, в шлифе можно видеть особенности строения остатков водорослей. При зарисовках с увеличениями в 10-400 раз видны округлые клеточные колонии из окаменевших сгустков слизистой массы в виде тяжей разной формы, или же удлиненные многорядные нити, тоже с остаточными структурами слизистых масс колоний синезеленых водорослей. Специальными исследованиями шлифов, зарисовок с них и микрофотографий раскрыто огромное разнообразие водорослевых структур из отложений докембрия. Это позволило описать массу видов, принадлежащих к нескольким десяткам родов синезеленых и красных водорослей.
Сосуществование множества видов водорослей привело к построению многообразных строматолитов в одном слое породы. Поздний синий (Китай). Фото автора
Таким образом, непонятные прежде известковые стяжения - строматолиты, ныне во все большем количестве обнаруживаемые в слоях древних морских и пресноводных отложений и часто составляющие мощные слои породы, оказываются продуктами жизнедеятельности древнейших фотосинтезирующих организмов.
У некоторых водорослей при быстрой фоссилизации газовые пузырьки, оставшиеся в слизи, входили в структуру своеобразных лентовидных строматолитов, обладающих временной способностью подниматься над субстратом. В результате образовывались своеобразные заросли из жестких известковых лент, которые, по мере рассасывания пузырьков кислорода и заполнения их объемов вторичным кальцитом, опускались на дно и накапливались иногда слоем в несколько метров мощностью. Часто водорослевые банки протерозойского времени приобретали общее куполовидное очертание, по-видимому, выгодное в условиях обитания в зоне морского волнения (до глубины в 20 м). Интересно отметить, что лишь в конце кембрийского периода, т. е. много позднее, эта способность некоторых водорослей, обитавших в условиях рифа или мелководной банки, получила очень изящное выражение. Колонии водорослей сезон за сезоном образовывали сотни и тысячи колонок, куполовидные завершения которых вверху составляли в свою очередь более крупные купола, что, несомненно, возникало в процессе естественного отбора под влиянием волн. Рифы менее правильной формы под ударами волн часто разрушались. Между тем куполовидная поверхность групп водорослевых колонок оказывалась защищенной от такого разрушения. Интересно, что в построении колонок иногда участвовали последовательно многие виды водорослей, принадлежащие даже к разным родам. Ниже волновой зоны моря часто многие виды водорослей существовали совместно, по соседству, и образовывали известковые тела, строматолиты разной формы.
Остатки одноклеточных водорослей из строматолитового известняка верхнего докембрия на о-ве Кильдин. (Ув. в 40 тыс. раз). Фото В. В. Любцова
Интересный тип остроконических строматолитов образовывали разные виды водорослей, одинаково подвижные колонии которых скользили по субстрату, прежде чем частично от него оторваться. В таких случаях водорослевые банки имели вид остроконечного частокола, с предельными поперечниками до 10-15 см.
Удалось также выяснить, почему часто строматолиты имеют выпуклые вверх, иногда даже куполовидные наслоения. Оказывается, в слизистой массе древнейших синезеленых водорослей выделяемый ими кислород часто застревал в виде пузырьков. Эти пузырьки, стремясь подняться вверх, способствовали скольжению колонии по субстрату к более высоким точкам его поверхности. Образовывались вздутия колоний с тенденцией к образованию конических форм, если пузырьки скапливались в осевой зоне в большем количестве, чем по краям дерновинки водоросли. Часто в последующих наслоениях колонии водоросли скользили вверх по этим вздутиям, а иногда даже частично срывались с субстрата и всплывали в верхние слои воды. Так за столетия и тысячелетия формировались конические, иногда даже остроконечные, строматолиты.
Это свойство проявлялось у многих видов водорослей в разное геологическое время. Конические строматолиты образовывались во все времена докембрия, в разные эпохи кембрия и даже ордовика, исчезнув вообще лишь при общем спаде геологической деятельности водорослей, когда появились древнейшие группы морских беспозвоночных животных.
Таким образом, как конические, так и куполовидные формы строматолитов не имеют прямого отношения к систематике породообразующих водорослей.
Микроструктура строматолита из отложений докембрия. Видна быстрая смена породообразующих форм. Фото автора
Следует учесть, что преобладающее количество видов древнейших водорослей не образовывало четких тел постоянной формы типа строматолитов, а наслаивало осадок, превращая его в плотную породу, где лишь частично сохранялась морфология колоний и продукты их жизнедеятельности, то в виде прихотливо изогнутых столбиков, то в виде неправильных стяжений мелких известковых комочков, подобных цветной капусте. Изученность этих древнейших водорослей еще очень низка. Однако за последние годы в слоях морских отложений, образовавшихся от 1200 до 600 млн. лет назад (синийский период), выявлено большое разнообразие родов и видов синезеленых и красных водорослей, одновременно раскрывших перед нами и абсолютные скорости роста водорослевых колоний и отражение на их жизнедеятельности влияния 11-летних циклов солнечной радиации. По тому, как ориентированы в пространстве скопления карбонатного материала, созданные жизнедеятельностью водорослевых колоний за длительные промежутки времени, можно определить общее направление светового потока.
Часть поверхности водорослевой банки со слабовыпуклыми наслоениями. Ранний протерозой (Китай). Фото автора
Самый главный результат исследований состоит в том, что установлена возможность вскрывать остаточные биогенные структуры у карбонатных стяжений водорослевого происхождения. Таким образом был обнаружен целый мир водорослей и водорослевых сообществ, крайне интересный для развития палеоботанической науки, для сопоставления по этим остаткам отложений разных районов, иногда весьма удаленных друг от друга, как, например, Енисейский кряж и Прибайкалье, район Туруханска и бассейн р. Алдана и т. д.
Требуются еще большие усилия, чтобы раскрыть окончательно эволюцию древнейших водорослей, разработать их систематику и определить масштабы их геологической деятельности.
Мелководье раннесинийского моря. Строматолитовая банка, образованная синезелеными водорослями. Реконструкция автора
Можно сказать, что водоросли, и только они, примерно за два миллиарда лет извлекли из биосферы колоссальные количества углекислоты, образовав на ее основе столь же колоссальные количества органических веществ. При отмирании колоний эти вещества послужили жизненной средой для развития других организмов (бактерий и простейших) и в итоге - исходным материалом для образования биохимическим путем углеводородных соединений - нефти и горючего газа. Водоросли способствовали отложению на дне древнейших морей огромных количеств углекислого кальция и отчасти магния. Можно считать, что в пределах современных континентов водоросли отложили за время протерозоя карбонатные породы общей мощностью более 1000 м. Эта их геологическая деятельность сопровождалась часто отложением известковых илов при участии "кальциевых" (денитрифицирующих) бактерий. Синезеленым водорослям часто сопутствовали также железобактерии, иногда господствовавшие в межвегетационные сезоны и образовывавшие в строма толитах железистые пленки.
Систематически очищая биосферу от углекислого газа и бикарбонатов (растворимых карбонатов кальция и магния), водоросли выделили за счет кислорода воды огромные количества свободного кислорода. Этим они существенно изменили свойства среды жизни на Земле, сделав ее пригодной для появления и развития аэробов в широком смысле, т. е. для новых групп микроорганизмов и для животных. Восстановление аммиака и углеводородных соединений деятельностью многих групп бактерий при одновременном накоплении в биосфере больших масс органического вещества привело к концу протерозоя (синия) к накоплению на Земле свободного азота.
Поперечное сечение конического строиатолита. Видны годичные наслоения и 11-летние циклы. Средний синий. Фото автора
Конечно, свободный азот мог накапливаться в атмосфере не только в результате жизнедеятельности денитрифицирующих бактерий, но и при разложении органического вещества белкового состава в бескислородной среде биосферы того времени. В круговороте веществ в природе такой путь также мог играть важную роль.
Совместная деятельность всех отмеченных групп организмов, обитавших лишь в водных средах Земли, таким образом, в корне изменила состав атмосферы и гидросферы, значительно приблизив его в конце протерозойской эры (570 млн. лет назад) к современному.
Плитообразные строматолиты верхнего синия с однородной ориентировкой в пространстве, соответствующей древнему меридиану. Фото автора
Остатки животных в отложениях протерозоя очень редки, но нет сомнения в том, что основы животного мира были заложены одновременно с возникновением мира бактерий и фотосинтезирующих растений. Животные представлены в протерозое мелкими формами, не получившими массового развития и не принимавшими участия в породообразовании. Они пока теряются среди обильно проявившейся водорослевой и бактериальной жизни. Однако все же находки остатков организмов в метаморфических толщах докембрия известны уже в ряде стран мира, в особенности они участились в пределах некоторых горных районов Дальнего Востока, Сибири и на севере европейской части СССР. К таким районам можно причислить и Украину, в частности докембрий Украинского кристаллического массива. В 1958 г. В. В. Бесе в породах криворожской серии наблюдал некоторые "проблематические" остатки организмов, оставшиеся ближе не изученными.
Отпечатки червей (?) на выветрелой поверхности известняка. Нижний синий. Фото автора
В 1965 г. при микроскопическом изучении конгломератов верхней свиты криворожской серии из района рудника им. М. В. Фрунзе были обнаружены уже хорошо сохранившиеся остатки организмов. В геологическом строении района этого рудника участвуют породы метабазитовой и криворожской серий глубокого докембрия, образующие синклинальную структуру субмеридионального простирания. Верхняя из этих серий сложена различными сланцами, мраморами, песчаниками и конгломератами. Характерной особенностью некоторых сланцев, реже песчаников и мраморизованных известняков, является местами содержание углеродистого материала с переходами даже в углистые сланцы. Конгломераты состоят из окатанных обломков кварцитов, песчаников, гранитов и очень редко из известняков, по-видимому, принадлежащих к более древней серии отложений докембрия. В штуфе керна с глубины в 1344-1345 м, представленном именно конгломератом, была обнаружена галька такого состава с одиночной галькой карбонатной породы с явными остатками организмов. Цемент песчанистый перекристаллизованный, показывающий зеленосланцевую фацию метаморфизма на переходе к амфиболитовой. Абсолютный возраст конгломерата, точнее время его метаморфизма, по данным Ф. И. Котловской (1961), А. П. Виноградова, Л. В. Комлева и А. И. Тугаринова (1965), указывается около 2000 млн. лет.
Кораллиты Aseptalia ukrainika Vologdin, обнаруженные в нижнем протерозое криворожской серии. Украина, Кривой Рог (около 2000 млн. лет, по А. Г. Вологдину)
Кораллиты Aseptalia ukrainika Vologdin, обнаруженные в нижнем протерозое криворожской серии. Украина, Кривой Рог (около 2000 млн. лет, по А. Г. Вологдину)
С помощью прозрачного шлифа в гальке мраморизованного известняка установлены несомненные остатки синезеленых водорослей, в сопровождении нескольких экземпляров остатков кораллообразных представителей беспозвоночных животных, что, конечно, не только для докембрия Украины, но и вообще является большой сенсацией. Остатки водорослей представлены в виде местных скоплений одноклеточных форм, а также водорослевым трихомом, свернутым в спираль, со следами его окружавшей студенисто-слизистой массы (?). Подобный тип сохранности ранее многократно наблюдался. Остатки кораллообразных организмов вскрыты в косых и продольных сечениях, причем их внутренняя полость заполнена или остатками одноклеточных водорослей, или густой массой метаморфизованного органического вещества (битумами?). Кораллиты Aseptalia были узкоконической или роговидной формы с двуслойной стенкой и без каких-либо перегородок.
Спикулы губок. Дальний Восток, бассейн р. Учур. Отложения гонамской свиты (1500 млн. лет, по А. Г. Волoгдину и Н. А. Дроздовой)
Не менее древние остатки фауны червей, трубкожилов - Udocania problematica обнаружены А. М. Лейтесом в отложениях битунской свиты удоканской серии Забайкалья, возраст которых определен в 2000-1600 млн. лет. На этом же стратиграфическом уровне в туломозерской свите сегозерской серии ятулия Карелии В. А. Перевозчиковой обнаружены створки раковины.
В отложениях гонамской свиты в бассейне р. Учур (Дальний Восток) автором установлены остатки спикуд губок и двух типов проблематик. Фрагменты спикул губок представлены одноосными спикулами - рабды и спикулами крючковидной формы. В этой же свите в Аяно-Майском районе установлены колониальные водоросли Gonamophyton, широко распространенные в мурандавской свите хребта Малый Хинган Приамурья и щекурьинской свиты восточного склона Приполярного Урала, где были распространены также колониальные водоросли Murandavia.
Обильный материал по древнейшей органике получен из слоев нижнего и среднего протерозоя Южной и Центральной Карелии. Он представлен здесь как исключительно мелкими, так и относительно крупными формами, в числе которых главнейшая роль принадлежит синезеленым водорослям, обитавшим в составе планктона и бентоса. Они представлены как одноклеточными, так и, чаще, колониальными формами, частью в виде сложных биоценозов. Представители бентоса часто развивались последовательно друг на друге в общем процессе, приводившем к образованию соответствующего осадка, охватываемого литогенезом. Отчетливо выражены микрослои, вероятно, обусловленные сезонными изменениями условий жизни фотосинтезирующих организмов. Субстрат иногда был подвижным (песчаники?), причем формировались так называемые онколиты. В составе вещества их наслоений удается различать остатки отдельных видов синезеленых водорослей. Возможен подсчет числа сезонов вегетации при формировании таких образований. Иногда формировались онколиты удлиненной формы, направленного развития. Наблюдались случаи их прижизненного срастания, что могло произойти при делении клеточных колоний. Их вещество первично имело студенисто-слизистую консистенцию, как это и свойственно синезеленым водорослям.
Остатки организмов: губкообразные организмы в разных сечениях в шлифах (ув. в 4 раза) Ladogaella variabilis Vologdin (а). Часть сечения онколита, образованного нитями водоросли (ув. в 20 раз) Ptilophyton makarovae Vоlоgdin (б). Карелия, район г. Сортавала, свита контиосари (1770-1850 млн. лет, но А. Г. Вологдину)
В слоях из свиты контиосари Карелии (нижний протерозой) обнаружено сосуществование водорослей Ptilophyton с губко-подобными организмами рода Ladogaella. У этих организмов были отчетливо выражены внутренняя полость и общая радиальная симметрия. В своем индивидуальном развитии они проходили начальную планктонную стадию и взрослую - прикрепленную с образованием каблучка прирастания к субстрату.
Иногда губкообразные организмы прикреплялись к колониям водорослей, ограничивая их жизнедеятельность. Случалось, что стадия свободного плавания задерживалась, причем соседние организмы иногда срастались. У сидячих особей верхняя часть оформлялась в виде воронкообразного углубления, чем они как бы предрешали внешнюю форму поздних кораллов и других кораллообразных организмов. В поле прозрачного шлифа под микроскопом удается наблюдать сложные картины таких древнейших жизнепроявлений. Морской бассейн охватывал тогда, по-видимому, всю Фенноскандию, поскольку автору удалось в той же свите сделать вторую в мире находку Corycium enigmaticumSederholm. При изучении данной формы оказалось, что ей свойственна трубчато-коническая форма тела с радиальной симметрией. Оболочка (стенка) утолщенная, подчеркнутая остаточным органическим веществом. При этом были обнаружены внутренние перегородки на разных стадиях индивидуального развития, обычно пористые, плоские. Этот новый признак,
возможно, указывает на принадлежность формы к более высокоорганизованной группе животных. Не исключено, что развитие шло в сторону цефалопод (?). У совместно находимых губкообразных (ладогелл) на взрослой стадии проявлялась способность к почкообразованию, очевидно, прогрессивная по отношению к простому делению. Как корициумы, так и ладогеллы, по-видимому, имели студенисто-слизистую консистенцию тел, что способствовало длительному свободному развитию особей. Последующая фоссилизация, вероятно, была проявлением старения особей, что приводило к их отмиранию и погружению в илистый осадок бассейна.
Обнаружено много остатков организмов с радиально-осевой симметрией тела и внутренней полостью или с системой полостей и каналов. Поражает, что они совсем не деформированы в породе; это можно объяснить своеобразием проявлений фоссилизации. Вероятно, эти организмы были близкими к гидроидным полипам, к гидромедузам.
Очень интересна сплошная черная окраска пород (кристаллических сланцев) свиты контиосари. Она оказалась обусловленной скоплением черной (вторичной) слюды - биотита и сильно измененных битумов, частью вполне поддающихся экстракции сильными растворителями. Поиски особо мелких остатков с помощью шлифов и порошковых проб привели к открытию множества своеобразных мелких скелетных образований, частью целых, частью ломаных, среди которых присутствуют фоссилизированные остатки водорослей типа золотистых (?), перидинеевых (?), диатомовых по построению очень еще примитивных, чаще сложенных кремнеземом, что может быть следствием как первичных явлений, так и вторичных. Данное местонахождение в возрастном отношении близко к установленному в слоях свиты ганфлинт на берегах оз. Онтарио, но в отношении богатства органическими остатками оно значительно интереснее.
В Восточной Сибири - в Забайкалье, в Удоканском хребте представлены отложения протерозоя большой мощности. Здесь в слоях бутунской свиты тоже обнаружено много органических остатков, в основном водорослевых. Местами породы свиты, явно имеющей морское происхождение, целиком состоят из подвергшихся фоссилизации органических остатков, местами встречается бесструктурное остаточное органическое вещество. Водоросли по типу принадлежат к красным. Следы слизеобразования у их остатков выражены незначительно. Некоторые формы с нитчатым талломом образуют сплетения, свивающиеся в две пряди, подобно шпагату, что можно различить в сечениях породы соответствующего направления. При хорошей сохранности у однорядных нитей можно отчетливо различить последовательность наращивания клеток или клеточных колоний. Некоторые участки породы сложены однородно ориентированными тесно сомкнутыми фоссилизированными нитями с ясной полярностью развития водорослевой дерновинки. Фоссилизация превосходно закрепила морфологические черты ряда видов таких водорослей. Открыты виды, вполне сопоставимые с изученными автором из свиты цзинлин китайского синия. Удалось также обнаружить остатки своеобразных двухстенных скелетных образований, имеющих пластинчатое строение и пористость, благодаря чему они несколько напоминают археоциаты кембрия. Примерный возраст вмещающих пород - средний протерозой.
В Юго-Западном Прибайкалье слои улунтуйской свиты верхнего протерозоя оказались преимущественно фитогенными, но органические остатки в них сохранились по большей части плохо. Все же по р. Сарме удалось обнаружить разновидность улунтуйского водорослевого известняка, почти целиком состоящего из фоссилизированных остатков водорослей с округлыми и нитевидными клеточными колониями. В результате был описан ряд видов и рядов микроскопических водорослей, очень четких. В их составе присутствуют одноклеточные с округлыми клетками двух размеров, отнесенные к двум видам одного рода, и интересная нитчатая форма. Сходная форма затем была открыта в мурандавской свите протерозоя Приамурья.
Из учурской серии верхнего протерозоя на юго-востоке Сибирской платформы в районе пос. Нелькан Аяно-Майского района был описан ряд интересных родов и видов водорослей группы хроококковых и ревуляриевых. Первые (гонамофитоны) были представлены в породе отдельными клеточными колониями, окруженными прижизненно толстой оболочкой студенисто-слизистой массы. В шлифах это видно отчетливо. В последней видны радиальные каналы, по которым клетки могли выбрасываться наружу, подобно тому, как это имеет место у современного рода воронихиния (Voronichinia Elenkin). Интересно, что очень сходную водоросль удалось обнаружить в докембрийской породе в забое одной нефтяной скважины в Тюменской области, что позволяет коррелировать вмещающие слои. Водоросли группы ревуляриевых - нельканеллы с колониями радиально-лучистого строения развивались от центра колонии или же, как казалось, только в зоне периферии с образованием дерновинки сферического очертания в пространстве. Важно отметить, что микроводоросли с радиально-лучистым расхождением нитей и свободной полостью внутри найдены также в протерозое восточного склона Кузнецкого Алатау. Накопленный опыт позволяет относить такие формы предположительно к зеленым водорослям тиго обнаруженных автором на Тимане.
Докембрийские отложения Батеневского кряжа в Кузнецком Алатау также оказались изобилующими остатками водорослей из мартюхинской свиты. Автором были выявлены и описаны колониальные водоросли из порядка Chroococales Geillеr роды Vesiculophyton и Echaninia. Остатки своеобразной водоросли Pustularia были встречены в верхнепротерозойских отложениях (джурская свита) низовьев р. Амбары восточного склона Енисейского кряжа, среди строматолитового материала. Ее остатки представлены известковыми лентовидными образованиями весьма своеобразного строения, характеризующимися отчетливо выраженными пузырчатыми микроструктурами.
Колония водоросли из микроскопических прямостоячих нитей обладала способностью последовательного линейного разрастания с образованием лентовидных пластин впоследствии обызвествлявшихся. Причем скопления пузырьков воздуха, находящихся в слизи колонии, мешавшие ее сплошному обызвествлению, обусловливали наличие в дальнейшем ее пузырчатой структуры. Обызвествленные колонии водоросли залегают в породе одна над другой через промежуток 0,3 до 2,0 мм.
На западном склоне Тиманского кряжа, по р. Мезенская Пижма, в слоях протерозойской серии, выраженной алевролитовыми породами, выявлен крупный биогерм, образованный при участии зеленых водорослей большого размера. В результате этого открытия автором была описана форма рода тиманелла, имеющая таллом в поперечнике до 10-12 см, при отчетливо выраженной гигантской осевой части и постепенно утолщающихся массовых нитевидных ответвлениях в стороны и вверх. Водоросль имеет черты, сближающие ее с типичными палеозойскими сифоновыми, но по размерам таллома она в десятки раз крупнее. Упомянутый биогерм развивался на грунте илистого состава. Особи водоросли нарастали друг на друга, образуя сплошную массу, отмершее вещество которой пропитывалось илистым материалом. Первичная консистенция этого вещества была несомненно студенисто-слизистой. Материал можно различать только на увлажненных пришлифовках и в прозрачных шлифах благодаря сохранившемуся остаточному органическому веществу.
Выше уже упоминались строматолиты - своеобразные известковые сгустки слоистого строения, встречающиеся в древних толщах от архея до современных отложений. Некоторые исследователи изучают такой материал на основе лишь внешних признаков, учитывая их форму и размеры, не раскрывая его микроскопического строения, неправильно придавая им тройную латинизированную номенклатуру, как будто это нормальный палеонтологический материал. Между тем внутри таких образований, по существу являющихся микробиогермами, нередко присутствуют остатки конкретных форм микроскопических водорослей. Они вполне различимы для опытного глаза и обычно заслуживают специального палеонтологического изучения. Так, в строматолитах протерозоя Приамурья (хребет Малый Хинган, левый берег р. Амура) в слоях мурандавской свиты автору удалось обнаружить в веществе крупных, изменчивой формы строматолитов множество четких видов и родов синезеленых. водорослей, среди которых видное место занимают развивавшиеся округлыми колониями мурандавии. Чтобы различить их и понять, необходимо было только при изучении препаратов перейти от малых увеличений к большим, до нескольких сотен раз. Их остатки отчетливо видны в препаратах, нередко напоминая картину живой колонии водоросли на предметном стекле. Видны также фоссилизированные следы наружной студенисто-слизистой оболочки колоний с особенностями их микростроения. Выделенные из препаратов таксоны различаются то размерами клеточных колоний, то толщиной и внутренними деталями строения их оболочек, размерами клеток и т. д. Благодаря этому значительно обогатился список руководящих форм для мурандавской свиты, позволивший определить и ее возраст как низы верхнего протерозоя, что заставило признать докембрийским и возраст железорудной свиты Малого Хингана. Как оказалось, выделенные мурандавии распространялись отсюда на запад, достигая Карелии, а весьма возможно и дальше. Наряду с округлыми колониями здесь же были открыты нитчатые формы водорослей и колонии с особо крупными клетками. Одна из нитчатых форм особо примечательна. Ее можно рассматривать как развитие двух-трех спирально свернутых однорядных нитей в сгустке студенисто-слизистого вещества. Она имеет сходство с Thisanaplanta filamentosa V.et J., выделенной автором и Т. Н. Титоренко в слоях улунтуйской свиты протерозоя Юго-Западного Прибайкалья.
Водоросль нитчатого строения со спирально свернутой нитью была обнаружена автором во внутриформационном конгломерате в низах криворожской серии на Украине. К сожалению, метаморфизм сильно изменил ее остатки. Нить водоросли тоже, по-видимому, находилась внутри слизевого чехла. Сравнивать эти водоросли преждевременно; обе они относятся, вероятно, к одной группе, к одному семейству (?). Вместе с этой "спирогироподобной" водорослью в гальке того же конгломерата были открыты интереснейшие остатки организмов Aseptalia, тяготеющих к явным целентератам, о которых говорилось выше.
Pustularia taeniata Vologdin. Уменьш. в 10 раз. Реконструкция
Много нового, интересного материала по организмам докембрия дал автору Чешский массив (Западная Чехословакия). В районе к югу от г. Пльзень, близ г. Вотице, в слоях докембрия, серия молданубика, была обнаружена большая группа ископаемых форм, в числе которых оказалось много водорослей с колониями сферической формы. У них варьируют размеры, очертание в пространстве и проявления следов клеточной структуры. Они существенно отличаются от подобных сибирских микроводорослей докембрия. Наряду с этим обнаружены фоссилизированные дерновинки, которые тоже состоят из округлых, но разновеликих клеточных колоний, имеющих форму неправильных тяжей - нитей. Обычно им сопутствуют там крупные местные скопления обуглероженного битума, иногда размером с голову ребенка. Эта группа водорослей, кажущаяся эндемичной, дала возможность автору выделить и описать в специальной монографии ряд довольно четких видов и родов, которые характерны именно для слоев пестрой свиты молданубика Южной Чехии. Интересно, что в ассоциации с этими водорослями были обнаружены остатки беспозвоночных животных, которые очень напоминают скелеты археоциат, но отличаются от типичных кембрийских представителей этой группы исключительно малыми размерами. Возможно, что это предковые формы, требующие дальнейшего исследования.
Timanella gigas Vologdin. Внешний вид водоросли. Уменьш. в 2 раза. Реконструкция
В составе докембрия Чешского массива, в его спилитовой серии, автором также были открыты четкие нитчатые водоросли в ассоциации с одноклеточными планктонными формами. Если они удачно вскрыты при распиловке образца, именно продольно, то в препаратах местами кажутся образующими целые заросли, в частности водоросль Bystraia boucekl. Там же, в районе бассейна р. Бероунки, в лидитах альгонкия выявлена нитчатая водоросль Berounkia, несколько сходная с соответствующей находкой в докембрии района оз. Онтарио.
В чешском материале обнаружены следы сгустков бесструктурного органического вещества, иногда хорошо зафиксированных процессами окаменения, притом наблюдаемых среди массового развития одноклеточных водорослей. По-видимому, это тоже остатки водоросли, способной образовывать округлые клеточные колонии с обильным слизеотделением (?). Там же были обнаружены остатки конических или трубчатой формы тел с довольно толстой стенкой. К водорослевым остаткам их причислить трудно.
Timanella gigas Vologdin: а - внутреннее строение слоевища; б - боковые ответвления. Нат. вел. Реконструкция
В докембрии Чешского массива при неясном стратиграфическом положении были найдены остатки почти настоящих археоциат с двухстенными скелетами, у которых стенки соединены между собой пористыми радиальными перегородками. Таким образом, накапливается достаточно данных, чтобы считать археоциаты характерными и для протерозоя. В слоях пестрой свиты района г. Вотице автором выявлено несколько групп беспозвоночных животных, имевших пористо-пластинчатый известковый скелет. Некоторые организмы отличались двухкамерным скелетом. У других он был многокамерным, по своему строению напоминающим дольки апельсина. Возможно, это тоже археоциатоподобные или приближающиеся к простейшим, к фораминиферам, организмы. Вопрос этот пока остается открытым. В слоях чешского моравика в районе г. Грудима были выявлены остатки многокамерных организмов со следами пузырчатой ткани во внутренней полости. Еще важнее, что там же были обнаружены сечения маленьких раковинок, лишенных замка, скорее всего принадлежавших лингулоподобным брахиоподам. Раковины лежали на грунте вогнутой стороной вверх и на них видны фоссилизированные скопления одноклеточных планктонных водорослей.
Большую группу горных пород составляют породы, образованные за счет остатков органического вещества и самих растительных организмов, такие, как горючие сланцы (кукерситы Эстонии), каменные и бурые угли, вся группа ископаемых битумов (нефть и горючий газ, асфальт и озокерит). Породы, сложенные растительными остатками - водорослями, имеются и в протерозое.
В составе пород докембрия Карелии издавна известны шунгиты, своеобразные горные породы осадочного происхождения, встречающиеся в ряде районов Заонежья, в частности в районах Кондопоги, Великой Губы, пос. Шунги. Шунгиты образуют особую свиту в верхах ятулия (среднего протерозоя). Имеются шунгитовые сланцы - пластообразные шунгиты, залегающие жилообразно вблизи от покровных диабазов. Внешне шунгиты напоминают каменные угли и антрацит. В особых условиях им свойственна способность к сгоранию, чаще при большой зольности, объясняемой высоким содержанием углерода. Эти шунгиты содержат до 98% углерода. Их плотные кремнистые разновидности используются как поделочный материал или как пробирный камень. В порошке шунгиты пригодны для получения черной краски. Почвы на шунгитах отличаются повышенной урожайностью сельскохозяйственных культур вследствие наличия в них большого комплекса фитофильных микроэлементов: молибдена, меди, ванадия, мышьяка, калия, магния и т. д.
Некоторые разновидности шунгитов при температуре до 1090-1105° С вспучиваются, превращаясь в легкую пористую массу, пригодную для использования ее в качестве теплоизоляционного материала - шунгизита. Вспученная масса шунгита - пенокералит - хорошо пилится, имеет прочность на сжатие до 40 кг/см2, что делает его тоже ценным строительным материалом.
Происхождение шунгитов многие десятилетия представлялось загадкой. Более близко к объяснению природы шунгитов подошел Б. А. Борисов, считавший, что они созданы за счет метаморфизма пород сапропелевого типа, образованных в стоячих морских мелководных бассейнах - бухтах и лиманах, где интенсивно развивалась жизнь того времени. В 1968 г. в шунгитовых породах из Приладожья В. И. Горлов действительно обнаружил остатки организмов, представленных микроскопическими формами. При исследовании этой находки, а также изучении других материалов из шунгитовой свиты Прионежья было установлено в шлифах массовое скопление остатков микроскопических водорослей типа синезеленых. По-видимому, их периодическое развитие в прошлом обусловливало "цветение" воды в периоды годичных сезонов вегетации. Это оказались планктонные водоросли, по своим биологическим свойствам действительно сходные с водорослями, образующими сапропелевые осадки в современных стоячих пресноводных и солоноватоводных водоемах.
Описанная значительная группа родов и видов микроскопических водорослей, по их остаткам из карельских шунгитовых пород характеризует особенности жизнепроявлений в водных бассейнах глубокого геологического прошлого в пределах Северо-запада СССР и, вероятно, Финляндии. Кроме того, можно считать, что одновременно разгадывается происхождение шунгитоподобных образований из ряда других районов СССР, в частности Восточной Сибири, Дальнего Востока и Украины.
Интересно, что процессом окаменения осадков в древнейших бассейнах указанного выше типа закреплены, зафиксированы вполне ясно стадии индивидуального развития отдельных клеток водорослей, этапы их размножения посредством простого деления, что указывает на их особую примитивность, как это и можно было ожидать у таких древних форм жизни. Кроме того, в средних и более поздних слоях протерозоя, в основном в синий, известны замечательные находки остатков радиолярий, фораминифер и кремневых губок в углистых сланцах докембрия Бретани. Чарльз Д. Уолкотт открыл в докембрии Большого Каньона Северной Америки остатки многощетинковых червей и ряд других организмов. На юге Австралии обнаружены в докембрии остатки радиолярий. В слоях докембрия Швеции открыт отпечаток членистоногого животного - "ксенусиона", которого можно признать представителем ветви животных, из которой в кембрии развился класс трилобитов. Своеобразные остатки животных неясного систематического положения, отнесенного к проблематическому роду "чарний", были открыты в докембрии Англии и Австралии.
Чрезвычайно разнообразна в систематическом составе фауна Эдиакарского месторождения на юге Австралии близ г. Аделаиды. Здесь в кварцитовых песчаниках Паунд возраста около 600 млн. лет установлены остатки бесскелетной фауны, представленной медузоидными формами, остатками червей, организмов неизвестного систематического положения. Подобные же организмы обнаружены в одновозрастных отложениях свиты Кибис системы Нама в Южной Африке. Здесь встречены Rongea Gurich, Pteridinium Gurich, Para medusium. В серии Нама в Африке обнаружены криброциатоподобные организмы из рода Cloudina. В Евразии и в Америке установлено несколько отпечатков медуз и червей, напоминающих по форме и размерам пиявок.
Вид организма Suvorovella aldanica Vologdin et A. Maslov на выветрелой поверхности породы в нижней части юдомской свиты (ув. в 2 раза). Якутия, район пос. Усть-Юдома, р. Мая (по А. Г. Вологдину)
В докембрии СССР и Китая мы находим иглы кремневых губок, самые примитивные по устройству, отпечатки червей типа сабеллитов, получивших позднее в кембрии более значительное развитие, остатки фораминифер, древнейших археоциат, хиолитов и организмов неясного систематического положения.
В прослоях доломитизированного известняка нижней части разреза юдомской свиты по левому берегу р. Май Н. П. Суворова обнаружила своеобразные органические остатки Suvorovella и Majella, неизвестного систематического происхождения, организмы с двустепенным известковым пластинчатым непористым скелетом, с интервалом без скелетных элементов и стенкой из ромбических выступов, расположенных рядами по спирали.
В верхнем докембрии Русской платформы обнаружены остатки медузоидных организмов Beltanelloides морщинистых сфероидальных форм, напоминающих Charniodiscus, на п-ове Рыбачьем встречены медузоидные формы, напоминающие Medusina и Ediacaria, в керне скважины у г. Яренска из ляминаритовых глин установлена Vendia, в ляминоритовых глинах наблюдаются пиритизированные следы червеобразных организмов Vendovernites. В валдайских отложениях Прибалтики встречены формы, подобные Beltanella, и отпечатки оболочек типа Sabellidites.
Отпечатки протомедуз Sajanella arshanica Vоlogdin на поверхности глинистого песчаника в низах карагасской свиты (нат. вел.). Восточный Саян, Иркутская обл., район пос. Аршан
Небезынтересно отметить находки в слоях карагасской свиты Восточного Саяна отпечатки медуз Sajanella. Они были отнесены к отряду брукселлид, выделенному по материалам нижнего палеозоя. Почти в тех же слоях обнаружены остатки червей сабеллидитов, а также крупных ракообразных, несколько напоминающих палеозойских эвриптерид. Они были описаны автором как карагассии и отнесены к хелицеровым из-за их клиновидных тельсонов и других особенностей панциря. Карагассии достигали в длину полметра и более. Пока что это самые крупные организмы из беспозвоночных позднего докембрия. Впрочем, некоторые исследователи склонны считать их "скрюченными корками высыхания глинистых прослойков на поверхности песка". Карагассии являются, по-видимому, вымершей группой членистоногих, живших в некоторых пресноводных бассейнах конца докембрийского времени.
Таким образом, в мощнейших толщах осадочно-метаморфического докембрия северной Евразии выявлен принципиально новый обильный палеонтологический материал, охватывающий огромный стратиграфический диапазон - от верхов архея до начала кембрия. Он характеризует многие горизонты пород и этапы геологического времени и начинает укладываться в основу новой единой, по крайней мере для Евразии, схемы стратиграфического расчленения докембрия.
Границу между докембрием и кембрием пытались установить многие исследователи. В настоящее время этот вопрос в корне проясняется, поскольку оказывается, что переход от протерозоя к палеозою (570 млн. лет) был отчетливо выражен соответствующей сменой представителей растительной и животной жизни в общем ходе ее эволюции. Преобладание синезеленых водорослей сменилось преобладанием водорослей красных. Сам протерозой и даже поздний архей оказались не только потенциальными, но и фактическими вместителями остатков организмов за огромный этап геологического времени, а именно более чем на два миллиарда лет древнее той границы, ниже которой палеонтологи в сущности не заглядывали. Можно отчетливо отделить начало кембрия от верхов докембрия по остаткам специфических форм водорослей, археоциат, трилобитов и других групп организмов, поскольку история формирования пород земной коры отчетливо записывалась в них, одновременно с общим ходом истории жизни. Поэтому вырисовывается, притом во многом по-новому, общий ход развития организмов Земли в палеофациях ее биосферы, почти с момента возникновения жизни - около 3500 млн. лет до н. э. В результате этого имеется возможность широко внедрить в практику стратиграфических и геологосъемочных работ, связанных с древнейшими осадочными толщами, палеонтологический метод и выделить с его помощью руководящие формы ископаемых организмов как меру геологического времени одновременно с прослеживанием развития самой жизни на ранних этапах.
В общих чертах выясняется древность известных науке организмов, устанавливаются новые, не известные ранее, группы и конкретные предковые формы всех типов бактерий (?), растений и животных, сформировавшихся в процессе общего изменения жизненной среды в биосфере Земли, в процессе биохимической эволюции живого вещества, сопровождавшейся неразрывно эволюцией морфологической. Следует отметить, что органическое вещество в виде продукции организмов и их конкретных остатков во вмещающих породах почти никогда полностью не исчезает. Будучи в той или иной степени измененным - редуцированным, обуглероженным, фоссилизированным, оно часто способно сохранять во вмещающей горной породе исходные морфологические черты, достаточные для палеонтологического изучения. В то же время это вещество представляет немалый интерес и для специальных биохимических исследований, поскольку местами в породах докембрия уже установлено присутствие многих химических компонентов из состава живого вещества. Важно лишь, чтобы палеонтолог и биохимик работали совместно. Геолог при этом получит новый опорный материал для своих стратиграфических, палеогеографических, фациальных и иных построений, а также данные о палеоклимате, ископаемых фациальных обстановках породо- и рудообразования в осадочных условиях, именно от живых свидетелей геологического прошлого. Биогеохимик и биохимик могут получить важный документальный материал и данные о биохимической эволюции жизни на нашей планете.
Таким образом, протерозойская эра истории нашей планеты была в основном временем исключительного господства бактерий и водорослей в водных средах. За этот этап времени, длившийся, по данным абсолютной геохронологии, около 1200 млн. лет, упомянутые группы организмов выполнили огромную геологическую работу по образованию ряда типов осадочных пород и руд, а также по переработке вещественного состава самой биосферы и атмосферы Земли.
Палеозойская эра
Начало палеозойской эры (кембрий - 570-480 млн. лет) отмечено появлением целого ряда новых групп организмов, в числе которых виднейшую геологическую роль сыграли археоциаты, интересные морские беспозвоночные животные с внутренним известковым скелетом очень изящного и часто сложного строения, по преимуществу обитавшие на дне мелких морей, где они строили своеобразные барьерные и береговые известковые рифы. Это был особый тип морских животных, быстро распространившихся в морях Земли в пределах всех широт, за исключением лишь самых приполярных областей. Нужно отметить, полюсы Земли тогда располагались в зоне современных шестидесятых параллелей. Об этом "говорят" и водоросли, и археоциаты.
Захватывая средние и небольшие глубины морей, археоциаты сильно потеснили обитавшие там водоросли. Вероятно, они питались микроскопическим фитопланктоном, спорами водорослей и бактериями. Их личинки, садясь на дно, прирастали к разным твердым предметам, чаще к скелетам отмерших особей тех же археоциат. Они образовывали то малые, то крупные скопления извести, возвышавшиеся над соседними участками дна. Такие ископаемые рифы были новым явлением в истории Земли, в истории ее морских бассейнов.
Известняк со скелетными остатками археоциат. Средний кембрий Западного Саяна (ув. в 2 раза)
В морских отложениях кембрия продолжают обнаруживаться остатки археоциат в виде трубчатых или дискообразных пластинчатопористых скелетов кальцийорганического состава. Их лабораторное изучение позволило выделить и описать до 1000 видов из более чем 60 семейств и 25 отрядов, принадлежащих к четырем классам. Установлено, что в пределах Советского Союза кембрийские отложения особенно богаты остатками этой фауны, долго считавшейся загадочной, пока она не получила признания как особый самостоятельный тип животных, не связанных ни с кораллами, ни с губками.
Так выглядели археоциаты - первые животные-строители морских известковых рифов. Реконструкция автора
В Сибири и Средней Азии выявлено много остатков археоциат, которые удается выделять из вмещающей породы. В противоположность правильному, изящному строению элементов скелета их внешняя форма оказывается часто не столь правильной. Это, видимо, связано с влиянием на них среды, на что указывают поперечные пережимы и расширения кубков, встречающиеся у ряда развивавшихся по соседству особей, принадлежащих не только к разным видам, но даже и к разным родам. Археоциаты могли достигать значительных размеров: до 40-80 см в поперечнике и до 100-150 см в высоту. В обломках пород часто наблюдаются следы нарастания одной особи на боковой поверхности или на дистальном конце скелета другой.
Наиболее интенсивно жизнедеятельность археоциат проявлялась в ранне- и среднекембрийские эпохи. В более древних и более поздних отложениях их остатки пока редки и еще недостаточно изучены. На обширных пространствах мелководных морей на востоке СССР, на Китайской платформе, в относительно глубоких морях - на юге Сибири и в Монголии в начале кембрийского времени археоциаты строили подводные банки, создавая огромные массы рифогенных известняков в виде береговых или барьерных рифов. Аналогичные материалы по археоциатам известны на территориях Северной Америки, Австралии, Западной Европы и Северо-Западной Африки. Их широкое расселение, связанное со способностью личинок перемещаться с морскими течениями на дальние расстояния, приближает нас к возможности осуществления палеогеографических построений для отдельных моментов геологической истории Земли в интервале раннего и среднего кембрия.
Следы строения мягких тканей у археоциат кембрия Восточной Сибири. Фото автора
Что же представляли собой археоциаты как живые организмы далекого геологического прошлого? В 1948 г., на основании следов строения мягких тканей археоциат из кембрия р. Кии в Кузнецком Алатау, удалось доказать, что археоциаты имели не наружный скелет, а внутренний. Губчатое строение центральной полости в целом было принято за внутренний орган ассимиляционного назначения. Эта находка позволила выяснить назначение центральной полости, помогла установить роль пор стенок, перегородок и днищ и, что особенно важно,- внутренний скелет у этой группы организмов. Наружная мягкая оболочка прекрасно объясняла, почему археоциаты обладали способностью прикрепляться к субстрату, образуя те или иные дополнительные элементы скелета до отложения иногда сплошной массы твердого скелетного вещества.
Эпифитоны - микроскопические красные водоросли кембрия. Фото автора
Находки археоциат с остаточными структурами мягких тканей внутри кубка и на его поверхности в СССР уже перестали быть редкостью. В южной части Сибири, Восточном Забайкалье среди остатков скелетов археоциат попадаются и такие, у которых в разной степени сохранились следы строения мягких тканей. В некоторых шлифах можно проследить замечательные картины биологических взаимоотношений форм, принадлежащих разным видам и являющихся самостоятельными организмами. Своеобразно выглядело дно кембрийского моря, где, кроме водорослей, появились археоциаты, губки, копошились и плавали разнообразные древнейшие ракообразные - трилобиты.
Самое значительное, что принесло изучение археоциат,- это обнаружение их остатков со следами строения мягких тканей. Причина этого, по-видимому, в отсутствии в водах кембрийских морей гнилостных бактерий. У многих экземпляров археоциат во внутренней полости сохранились следы сложно построенной системы взаимосвязанных каналов, сопряженных с порами внутренней стенки. Сюда поступала морская вода с пищевыми веществами. Продукты ассимиляции перемещались затем по капиллярным сосудам в межстенное пространство, где имелись многочисленные камеры со стенками, покрытыми слоем мягкой ткани. Сквозь поры мягкой наружной оболочки проходили наружу тонкие капиллярные сосуды.
Полученные микрофотографии со следами строения мягкого тела археоциат имеют исключительную ценность для дальнейшего изучения этого интересного типа животных, поздние представители которого к девону совершенно вымерли.
Наряду с археоциатами в кембрии появилась большая группа древнейших членистоногих - трилобиты, эволюция которых растянулась на несколько геологических периодов - до триаса включительно (570-185 млн. лет назад). Появились древнейшие панцирные рыбы, строматопороидеи, брахиоподы и т. д. С начала кембрийского периода мир животных начал развиваться бурно, сложно, с проявлением многих этапов формообразования, с вымиранием одних групп и появлением новых.
За последнее время в отложениях кембрия обнаружены представители многих новых классов. Автором были установлены криброциаты, сопутствующие почти повсеместно археоциатам, остатки фораминифер в образцах из нижнего кембрия р. Ирбитей на южном склоне хребта Восточного Танну-Оли, встреченные ранее Е. А. Рейтлингер в синской свите р. Синий, левого притока р. Лены. В образцах своеобразного пятнистого известняка, формировавшегося явно в условиях прибрежно-морского мелководья, собранных в отложениях ирбитейской свиты на южном склоне хребта Танну-Ола совместно с археоциатами и губками, и были обнаружены остатки диатомообразных и фораминифероподобных организмов. К. Б. Корде описала новый класс кишечнополостных животных - Hydroconozoa, являющихся породообразующими организмами.
Организмы кембрийского возраста: диатомообразные (ув. в 60 раз). Тува, хр. Танну-Ола, ирбитейская свита (а); фораминифероподобные (ув. в 210 раз). Тува, хр. Танну-Ола, р. Кадый, нижний кембрий (б)
Организмы кембрийского возраста: диатомообразные (ув. в 60 раз). Тува, хр. Танну-Ола, ирбитейская свита (а); фораминифероподобные (ув. в 210 раз). Тува, хр. Танну-Ола, р. Кадый, нижний кембрий (б)
Организмы кембрийского возраста: диатомообразные (ув. в 60 раз). Тува, хр. Танну-Ола, ирбитейская свита (а); фораминифероподобные (ув. в 210 раз). Тува, хр. Танну-Ола, р. Кадый, нижний кембрий (б)
Начиная с кембрия стали интенсивно развиваться красные и зеленые (сифоновые) водоросли. Первые были представлены большим количеством родов и видов. Наряду с археоциатами они играли породообразующую роль в биогермах кембрийского возраста, могли сопутствовать археоциатам, но в некоторых случаях были единственными породообразователями,
Остатки красных водорослей встречаются в отложениях морских фаций, сформированных в чистых водах и при нормальной для кембрийского времени солености. Сифоновые водоросли были представлены незначительным количеством видов и родов, но местами - в Казахстане, Сибирской платформе и на р. Амге, они играли породообразующую роль. Синезеленые водоросли с начала кембрия стали уменьшаться в количестве.
Рассматривая комплекс живых существ на Земле как "живое вещество биосферы", следует отметить, что это вещество выполнило в течение палеозоя грандиозную работу. Непрерывно и бурно развиваясь качественно, давая новые и новые формы, оно уже с начала эры стало решительно распространяться и на области суши. Первыми, освоив прибрежные зоны бассейнов, вышли на сушу микроскопические синезеленые водоросли, которые затем довольно быстро распространялись на площадях увлажнения почв. Водоросли с более высокой организацией, красные и зеленые, располагавшие корневой системой и специализацией клеточных тканей, смогли при этом выйти в субаэральную среду. Несомненно, все присущие наземной растительности особенности - анатомическое строение, смена поколений в цикле индивидуального развития и другие - все это было заложено еще в предшествующей, водной, стадии развития.
Выход растений на сушу заставил их приспособиться к самым разнообразным условиям обитания. Поскольку ни свет, ни влага, ни углекислота не лимитировали развития растений, то они быстро расселились на обширных пространствах, одновременно приобретя многие новые специфические черты строения. Ботаники считают, что при этом, кроме ранее господствовавшего полового размножения растений, проявилось и стало развиваться бесполое - вегетативное. Переход на сушу вызывал возникновение у растений способности к защите от потери влаги и высыхания, развитие тканей, которые должны были играть роль опорного каркаса и т. д.
Часть поверхности водорослевого рифа - биогерма. Нижний ордовик. Реконструкция автора
В истории палеозоя были этапы массового развития растений. В условиях влажного климата это приводило местами к накоплению растительного вещества в составе осадочных отложений с последующим превращением его в результате вторичных процессов в каменный уголь. В водных условиях усиливалась жизнедеятельность водорослей, что также приводило к накоплению органических веществ с частичным их преобразованием потом, в толще накапливаемых минеральных осадков, в нефть и горючий газ. По-видимому, стимулом для подобных усилений жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов были выбросы в биосферу, уже значительно обедненную углекислотой, новых ее запасов.
Верхняя поверхность водорослевой банки. Силур. Фото К. К. Воллосовича
В ордовике (450-420 млн. лет) на дне морей развивались колонии кораллов, ползали крупные головоногие животные - ортоцератиты, также трилобиты и т. д. Местами развивались водорослевые рифы - биогермы с участием синезеленых водорослей, то в виде неправильных скоплений массы карбонатного вещества, то в виде довольно изящно оформленных рифов, в моделировании которых, несомненно, сказалась приспособленность к разрушающей деятельности морских волн. Их строение часто показывает быстрые темпы эволюции.
Придонная зона позднесилурийского моря с гигантскими ракообразными - эуриптерами и с зарослями водорослей. Реконструкция Р. Моора
На дне силурийских морей (420-400 млн. лет) жизнь была уже совсем иной. Красные водоросли местами преобладали над синезелеными. Из животных крупнейшими были ракообразные - эуриптеры, пышно развивались моллюскообразные - брахиоподы, птероподы. Кораллы строили рифы или располагались малыми скоплениями на различных участках дна. В силуре заметно распространилась наземная флора, представленная споровыми растениями.
В девоне (400-320 млн. лет) развились псилофиты - древнейшие стеблевые, древнейшие древовидные и кустарниковые папоротники, появились первые голосеменные - кордаиты, гингко и другие, также примитивные ранние хвойные. Местами началось углеобразование. На дне мелких морей при участии различных видов синезеленых водорослей формировались своеобразные строматолиты.
Наземная флора девонского периода. Реконструкция Р. Моора
В девонское время коралловые фауны развились очень пышно. Водоросли делали уже решительные попытки выхода на сушу, постепенно приспособившись в береговой зоне бассейнов. Из животных крупнейшими были акулоподобные и панцирные рыбы. Появились также кистеперые рыбы, у которых развитие скелета шло к выработке конечностей, пригодных для хождения по твердой земле. Эта ветвь жизни поэтому дала позднее амфибий - двоякодышащих, вышедших на сушу. На низких выступах суши девонского времени уже возникали леса.
Позднекарбоновая древесная растительность - лепидодендроны и другие растения. Реконструкция Р. Моора
В карбоне (320-270 млн. лет) и перми (270-225 млн. лет) сравнительное однообразие флоры девона сменилось массой более высоорганизованных форм, в свою очередь быстро распространившихся по всему миру. Впервые наметились особые палеоботанические и палеогеографические области. Хотя корневые системы новых растений все еще хранили черты водорослевых, а также папоротникообразный характер верхнего строения, новые кордаиты, каламиты и другие формы образовали уже леса, часто типа тропических. При этом наземная флора позднего палеозоя оставила в строении земной коры крупнейший след в виде пластов каменных углей в ряде районов мира на самых разных широтах (Шпицберген, Гренландия, Южная Африка и т. д.). Эволюция водорослей также продолжалась. Морские фауны беспозвоночных проявляли в карбоне большое разнообразие и развитие характерных форм.
Позднекарбоновый ландшафт с пресмыкающимися петролакозаврами, скорпионами, жуками, стрекозами и представителями наземной флоры. Реконструкция Р. Моора
К началу палеозойской эры фотосинтезирующие организмы биосферы, а также химические процессы почти полностью исчерпали запасы углекислоты. С этого времени жизнедеятельность фотосинтезирующих, в особенности наземных организмов, оказалась подчиненной периодическим выбросам ювенильной углекислоты из недр Земли при вспышках вулканической деятельности. В связи с этим общая масса живого вещества растений была в разные моменты истории Земли различной. Это проявилось в колебаниях количества органических и минеральных веществ, накапливавшихся в результате жизнедеятельности водорослевых сообществ в бассейнах типа пресноводных и в морских мелководьях. Особенно это выразилось в возникновении ритма в развитии наземных растений. Некоторые исследователи процессов угленакопления на Земле пришли к выводу, что такие процессы должны быть причинно связаны с фазами складчатости земной коры. Между тем дело не в "фазах складчатости", а в выбросах углекислоты из недр при вулканических явлениях, хотя они часто были связаны с горообразовательными движениями.
Раннепермские пресмыкающиеся - эдафозавры. Реконструкция Р. Моора
Истории развития высших организмов на нашей планете - позвоночных животных - посвящено много прекрасных специальных и научно-популярных исследований во всем мире. В частности, следует особо отметить книги Б. А. Трофимова (1957) и Ю. А. Орлова (1961), богато иллюстрированные художником - палеобиологом К. К. Флеровым. В связи с этим в данной книге мы коснемся истории развития позвоночных животных предельно кратко.
Пресмыкающиеся пермского периода - сеймурии, сохраняющие сходство с амфибиями. Реконструкция Р. Моора
Высшие представители мира животных вышли на сушу тоже в девоне. Это были кистеперые рыбы, превратившиеся в амфибий - двоякодышащих, а затем, ко времени карбона, и в рептилий - пресмыкающихся. В пермское время на суше обитали уже крупные представители древних четвероногих, поедавших водоросли, наземные растения или себе подобных. Появились и многообразные насекомые, достигавшие огромных размеров, до 1 м в размахе крыльев. В морях появились новые группы беспозвоночных животных.
Хищный пермский ящер иностранцевия терзает травоядную рептилию парейазавра. Реконструкция А. П. Быстрова
Мезозойская эра
Мезозойская эра началась около 200 млн. лет назад. Она характеризуется расцветом пресмыкающихся, возникновением высших представителей органического мира - покрытосеменных растений, двукрылых и перепончатокрылых насекомых, костистых рыб, птиц, млекопитающих.
В начале мезозоя, в триасовой период суша имела максимальное за всю историю Земли распространение, климат был теплый. В океанах и морях пышно развиваются новые формы морских лилий и ежей, образуют мощные рифы шестилучевые кораллы. Плеченогие уменьшаются в числе и на смену им приходят двустворчатые моллюски. Трилобиты и ракоскорпионы исчезли, появились длиннохвостые высшие раки. Особенно характерными для мезозойской эры являются головоногие моллюски - закрученные аммониты и белемниты, остатки которых известны часто в народе под названием "чертовых пальцев".
На суше также происходит энергичная замена низших форм жизни высшими. Начинается пышный расцвет мезозойских голосеменных растений, покрывших землю новыми лесами. Эти леса и вся наземная растительность состояла в основном из древних хвойных и их родичей - гингковых и беннеттитовых.
Для наземных позвоночных триаса более, чем для пермских, характерно следующее контрастное развитие, по-видимому, связанное с резко континентальным климатом этого периода. У одних наблюдается "тяготение" к водным условиям, у других - к сухопутным. Многие пресмыкающиеся приспосабливаются к жизни в море. В болотах и низменных лесах широко распространились двуногие архозавры - предки юрских и меловых динозавров. Передвижение архозавров и динозавров на двух конечностях было результатом приспособления их к жизни среди высокой растительности. Они быстро передвигались на задних конечностях и могли хорошо ориентироваться среди высоких деревьев.
Амфибия триасового периода - мастодинозавр. Реконструкция Р. Моора
В триасе, вероятно, возникли первые млекопитающие, которые, однако, не играли заметной роли в органическом мире в течение почти всей мезозойской эры.
Несмотря на то, что у млекопитающих есть признаки, общие с земноводными и отсутствующие у пресмыкающихся, в частности, обилие кожных желез, происхождение их от пермских и триасовых териодонтов не вызывает сомнения. У териодонтов постепенно появляются признаки, свойственные исключительно млекопитающим. Скелет их мало чем отличается от скелета древних млекопитающих и по ряду физиологических особенностей они, вероятно, также были им близки. Хорошо развитое вторичное костное нёбо и сложные зубы давали возможность териодонтам непрерывно дышать и в то же время хорошо пережевывать пищу. Они так же, как и млекопитающие, уже высоко держались на ногах и были весьма активными животными.
Можно указать на следующие основные вехи прогрессивного развития млекопитающих: преобразование рогового покрова в волосяной, защищающий тело от потери тепла; преобразование черепа, связанное с питанием и развитием сложного уха; развитие органов дыхания, кровообращения; прогрессивное развитие головного мозга, особенно коры больших полушарий; живорождение и вскармливание детенышей молоком. Комплекс этих признаков обусловливал развитие теплокровности. В течение всей мезозойской эры млекопитающие существовали в виде мелких форм, от которых нам известны остатки обычно в виде черепов, челюстей, зубов.
В юрский и меловой периоды моря были обширны и, например, Европа представляла тогда архипелаг островов. Климат был ровный, мягкий. В морях были широко распространены простейшие фораминиферы, губки, шестилучевые кораллы, морские лилии и ежи, двустворчатые моллюски, десятиногие раки, крабы, но особенно многочисленны аммониты, белемниты и различные рыбы. Акуловые рыбы были близки к современным, а костные имели строение, промежуточное между осетровыми и настоящими костистыми, развившимися в меловом периоде.
На суше, в условиях средней влажности и довольно высоких температур были распространены голосеменные растения. Травянистый покров составляли мелкие папоротники, мхи, хвощи, плауны.
Пресмыкающиеся достигли огромной численности и разнообразия. Они заселяют всю сушу, моря, поднимаются в воздух. На суше появились речные крокодилы, черепахи, ящерицы, но полными хозяевами ее были динозавры.
В юрском периоде динозавры уже представлены самыми гигантскими наземными животными - бронтозаврами, диплодоками и др. с очень длинными хвостом и шеей, маленькой головой и громадным туловищем. Эти гиганты, достигавшие 30 м длины, жили в прибрежных зонах больших водоемов, питались мягкой растительной пищей. Другие динозавры имели четырехлучевой таз птичьего типа. К ним относятся панцирные ящеры - стегозавры, четвероногие с маленькой головкой. Их спина была усажена длинным рядом костных вертикальных пластин. Появились также хищные карнозавры, передвигавшиеся на задних конечностях.
Ландшафт юрского периода с летающими пресмыкающимися - птерозаврами (вверху), первыми птицами - зубастыми археоптериксами (в центре) и мелкими динозаврами (внизу). Реконструкция Р. Моора
В морях обитали прекрасно плавающие дельфинообразные рыбоящеры - ихтиозавры. Они имели веретеновидное тело, ласты, хорошо развитые спинной и хвостовой плавники. Короткие с боченкообразным туловищем и длинной шеей плезиозавры плавали при помощи ласт в более мелких, чем ихтиозавры, зонах моря. Эти водные живородящие пресмыкающиеся были хищниками и нередко достигали в длину 15 м.
Летающие пресмыкающиеся - птерозавры - были двух типов. Рамфоринхи с длинными узкими крыльями и длинным хвостом - рулем, имели планирующий полет, ширококрылые и короткохвостые птеродактили - порхающий. Крыло у птерозавров было образовано кожной складкой, отходившей от боков тела и поддерживаемой длинным четвертым пальцем передней конечности.
В юрском периоде появились птицы. Птицы имеют много общих черт с пресмыкающимися и, несмотря на ряд существенных новоприобретений и разнообразие форм, представляют группу пресмыкающихся, приспособившихся подобно птерозаврам к полету. На основании палеонтологических данных можно не сомневаться, что птицы произошли от лазающих псевдозухий - мелких ящерицевидных хищных пресмыкающихся триасового периода, живших на деревьях, где они были хорошо защищены от врагов и питались насекомыми, ягодами и пр.
Особенно ясно это родство показывают юрские первоптицы - археоптериксы. Эти длиннохвостные величиной с голубя животные имели на теле, хвосте и трехпалых передних лапах перья, причем пальцы лап были свободны и вооружены когтями. Несмотря на наличие перьев, задних конечностей и таза птичьего типа, в их строении еще много черт, свойственных предкам - слабая грудина, наличие брюшных ребер и длинного хвоста (18-20 позвонков), присутствие зубов и др. Но эти в основном лазающие по деревьям птицы уже могли совершать планирующий прыжок, что было переходной ступенью к полету.
Меловой период длительностью около 70 млн. лет является переходным к эре новой жизни - кайнозою. В конце мелового периода моря и суша приблизились по очертанию к современным. На побережьях океанов возвышались грандиозные горные цепи. Влажный и теплый климат становится более прохладным, континентальным, резче намечается разница между климатическими поясами и ландшафтными зонами.
Рогатый динозавр-стиракозавр мелового времени. Реконструкция К. К. Флерова
Органический мир меловых морей сходен по общему облику с юрским: по-прежнему обильны аммониты, белемниты и особенно костистые рыбы. К концу мелового периода морские ящеры, а также аммониты и белемниты вымирают.
На суше прежде всего изменяется растительный покров. Уже в раннем мелу появляются покрытосеменные, или цветковые, растения, а из голосеменных лишь некоторые новые хвойные продолжали играть значительную роль в растительном покрове Земли.
Мир наземных позвоночных в меловой период резко изменяется. Правда, до конца его продолжают жить различные динозавры, достигая апогея в своем развитии. Стройные, с длинной шеей и маленькой головой двуногие бегуны - струтиомимусы, похожие на страусов; величайшие из когда-либо живущих хищников - тиранозавры, двуногие гиганты весом в несколько тонн и достигавшие 9 м в высоту при длине тела 14 м. Многочисленны птицетазовые утконосые динозавры - с вытянутым вроде утиного черепом, с многочисленными зубами, передвигаются на двух ногах, опираясь на массивный хвост. Млекопитающие жили в теплых влажных лесах. Они были величиной с мышь и крысу, что помогало им вести скрытый образ жизни и защищало от громадных ящеров. В воздухе вместе с появившимися зубастыми птицами парили птеродактили и беззубые гигантские птеронодонты, достигавшие 8 м в размахе крыльев. Итак, на протяжении истории органического мира мы всегда наблюдаем вымирание одних и процветание других организмов.
Кайнозойская эра
Кайнозойская эра, длившаяся около 70 млн. лет,- время расцвета высших форм жизни. В эту эру происходило энергичное поднятие больших участков материков, формировались высочайшие горы Земли - Гималаи, Памир, Альпы, Анды,- исчезали или уменьшались в размерах огромные внутриконтинентальные водоемы - океан Тетис окончательно распался на ряд морей - Средиземное, Черное, Каспийское и др. Усиливается континентальность климата и происходит быстрая смена растительных покровов.
Появление и развитие цветковых растений - один из крупнейших шагов в истории жизни на Земле - они увеличили общую продукцию пищи, создали новые, лучшие условия (разнообразную кормовую пищу) для многих животных.
С появлением покрытосеменных растений однообразные леса из голосеменных и папортниковых стали исчезать. Приспосабливаясь к изменяющимся и усложняющимся условиям среды, цветковые растения создали новый разнообразный растительный покров Земли из деревьев, кустарников, травянистых однолетних и многолетних растений.
Наземная растительность и млекопитающие первой половины третичного периода (палеогена) - еще мало похожи на современные. Тропическая растительность широко распространена в Европе, Азии, Северной Америке. В средней и южной полосе Европы, например, в южной части Русской равнины наряду с пальмами, араукариями, лаврами, магнолиями, кипарисами, каштанами, эвкалиптами росли дубы, липы, ивы, ольха, тополь, клен, кустарниковые - бересклет, туя, мирта, а в более влажных местах - разнообразные папоротники и мхи.
Мир наземных позвоночных в кайнозойской эре резко отличается от мезозойской. В кайнозое млекопитающие быстро заняли господствующее положение, приспособившись к различным условиям суши, к жизни в воздушной и водной среде, и как бы заменили мезозойских пресмыкающихся, из которых сохранились только крокодилы, черепахи, ящерицы, змеи. Уже в мезозое появились низшие млекопитающие - сумчатые, плацентарные (насекомоядные), которые были предками хищных, копытных и других млекопитающих.
Млекопитающие, найденные во многих местах Азии, Европы, Северной Америки, еще сочетали особенности, свойственные представителям различных отрядов или семейств. Предками современных копытных были первичные копытные - кондиляртры. Их непосредственными потомками были также разнообразные копытные нередко причудливого строения и гигантских размеров. Из них можно назвать громадных рогатых, похожих на носорогов, титанотериев, безрогих носорогов, мелких, с зайца, безрогих парнокопытных. Последние были предками оленей, жираф, полорогих. Самым крупным наземным млекопитающим был носорог индрикотерий. Он достигал 5 м в высоту.
Во второй половине третичного периода - неогене - очертания морей и континентов, рельеф земной поверхности уже близки к современным, климат стал холоднее, в горных районах были оледенения. Происходят большие изменения наземной флоры и фауны, в умеренных поясах тропические и субтропические растения сменяются растительностью с опадающей листвой, возникают поросшие злаками и другими травами степные и лесостепные пространства, и позднее, в конце третичного и в четвертичном периоде появляется растительность тайги, тундр. На юге растительность, а также и животный мир изменяются меньше и сохраняют более древний облик.
Изменение климата и особенно появление нового растительного покрова - широкое распространение сухих лугов и лесостепей,- как показал еще в 70-х годах прошлого века основатель современной палеонтологии В. О. Ковалевский, резко сказалось на развитии млекопитающих и в первую очередь травоядных копытных.
Индрикотерий - крупнейшие млекопитающие позднетретичного времени. Реконструкция К. К. Флерова
Несколько миллионов лет назад появились уже все семейства и многие роды ныне существующих млекопитающих: лошадиные, свиньи, олени, жирафы, полорогие (быки, антилопы), гиены, кошки, ластоногие, обезьяны, в том числе человекообразные, хоботные - мастодонты и древние слоны. У многих копытных (лошадиных, оленей, полорогих) выработались хорошие приспособления к быстрому бегу и питанию травянистыми растениями. Ноги их удлинились, коренные зубы стали постоянно растущими с высокой коронкой. Впервые эти основные изменения в истории копытных млекопитающих в зависимости от изменения условий жизни были установлены В. О. Ковалевским.
В конце миоцена и в плиоцене в Европе, Азии, Африке была широко распространена так называемая гиппарионовая фауна, в состав которой входили трехпалые лошади - гиппарионы, свиньи, олени, жирафы, разнообразные антилопы, мастодонты, гиены, барсуки, виверры, медведи, кошки, в том числе гигантские тигры - саблезубы, грызуны. Из птиц характерны страусы. Во второй половине плиоцена эта фауна исчезла в Европе, большей части Азии, Средней Америке. В Африке она просуществовала дольше и превратилась в современную фауну саванн. Огромные скопления остатков гиппарионовой фауны обнаружены и раскопаны на территории Молдавии, Украины, Кавказа, Средней Азии, Казахстана.
Четвертичный период, или антропоген, начавшийся более 1 млн. лет назад, богат событиями. В это время образовались многие виды существующих высших растений и животных, формировались современные флора и фауна. В начале антропогена даже на севере было тепло, растительный и животный мир отличался от современного. В Евразии, например, были широко распространены гигантские древние слоны, крупные, высотой до 2-х метров и с громадным рогом на лбу носороги - эласмотерии, дикие однопалые лошади, верблюды, антилопы, олени, различные грызуны, в том числе похожие на гигантских бобров, трогонтерии, страусы. Несколько позже появились пещерные гиены и медведи, крупные длиннорогие бизоны, большерогие олени, трогонтериевые слоны, олени и мало отличавшиеся от современных волки, лисицы, зайцы, куницы и др. Во второй половине антропогена в связи с изменением рельефа, морских течений, образованием холодных морей имело место резкое похолодание, приведшее к обилию снегового покрова и возникновению оледенений больших пространств Европы, Азии, Северной Америки. Одни млекопитающие не приспособились к новым условиям и вымерли, другие изменились. Наиболее распространенными животными были мамонты, волосатые носороги, овцебыки и живущие теперь на крайнем севере песцы, лемминги, северные олени и др. К этому времени вымерли мамонты, волосатые носороги, гигантские олени, возник современный животный и растительный мир. Таким образом, лишь во второй половине антропогена возникли отчетливые умеренная и арктическая ландшафтные зоны, их флора и фауна.
Древнейший безрогий носорог - хилотерий. Реконструкция К. К. Флерова
Антропоген - период развития человека, создателя новейших форм органического мира - культурных растений и домашних животных.
Итак, развитие жизни на Земле от начала архея до современности можно проиллюстрировать следующей таблицей.
Эволюция среды и жизнь
Изучение истории Земли и жизни позволяет видеть, что жизнь - важнейший геологический фактор, что она издавна вносила и вносит коренные изменения в состав геологических образований, в состав среды, вследствие чего изменялась среда и изменялась сама жизнь.
Древнейшая бескислородная или бедная кислородом среда узнавалась нами по ее геологическим образованиям; она оставила свой след в виде отложений в осадках водных бассейнов закисных, недоокисленных соединений. Это способствовало накоплению в природе органического вещества вообще и особенно вещества отмерших организмов, в частности, в виде битумов жидких и газообразных, отчасти минерализованных, в виде шунгитов докембрия Карелии. Восстановительный характер сред докембрия виден и по присутствию в его составе пиритоносных слоев, свидетельствующих о сероводородных фациях.
Эпоха возникновения жизни приходится на границу с археем, когда водные бассейны уже образовались, когда углеродные соединения еще естественно синтезировались химическим путем при участии воды и внешних факторов и когда энергия геохимических реакций с выделением тепла могла стать основой оживления белковых микрокапель - коацерватов, став энергией биохимических процессов.
Ареной зарождения жизни была восстановительная среда. В древнейшей атмосфере углекислоты содержалось, по-видимому, в 100 000 раз больше, чем в наше время, причем около 40% ее запасов биологическим и в меньшей степени геохимическим путем было вовлечено в земную кору в виде твердых карбонатов кальция и магния, карбонатных железных и других руд. Древнейшие фотосинтезирующие организмы тоже извлекали огромные количества углекислоты из биосферы, высвобождая за счет воды большие запасы свободного кислорода. Таким образом, органическая жизнь изменила первичные восстановительные среды на окислительные, в условиях которых, естественно, углеродные соединения уже не могли создаваться, а могли лишь разрушаться. Поэтому возникновение организмов в дальнейшем уже не происходило.
Протерозой был временем проявления массовой жизнедеятельности водорослей и бактерий, в том числе железобактерий. Водные среды были сильно карбонатными из-за обилия углекислоты в биосфере и мало солеными. Но к концу этой эры расход углекислоты уже недостаточно восполнялся ее выбросами при вулканических явлениях. Конечно, мы не располагаем количественной характеристикой компонентов, которые входили в протерозое в гидро- и атмосферу Земли. Но общий состав их, по-видимому, разгадан исследователями правильно, что подтверждается как минеральными образованиями, так и организмами, остатки которых мы находим в отложениях протерозоя. Высокая растворимость углекислоты, поступавшей в биосферу при вулканических явлениях, способствовала быстрому захвату ее дождевыми и затем морскими водами. В морях ее приток должен был стимулировать развитие фотосинтезирующих организмов, одноклеточного фитопланктона и донных форм водорослей в мелководьях.
Изучение водорослей протерозоя, в основном синезеленых, показывает на огромный размах их развития. Извлечение углекислоты из среды, насыщенной бикарбонатами и нитратами кальция и магния, вело к интенсивному выделению карбонатов кальция непосредственно на тканях водорослей, поэтому ученые нередко наблюдают в прозрачных шлифах пород прекрасное сохранение их морфологии в ископаемом состоянии. Известь, садившаяся на пленки и колонии микроскопических водорослей, облекала их со всех сторон, что приводило за длительные промежутки времени к образованию известковых тел различной формы и размеров (строматолитов), которые указывают часто, какими были эти водоросли, и свидетельствуют об относительной устойчивости их жизнедеятельности. При этом, если водорослевые строматолиты не подвергались вместе с вмещающей породой существенным преобразованиям в процессе метаморфизма, в них можно обнаружить остаточные микроструктуры, которые обычно говорят о быстром ходе эволюции этой группы организмов. Подсчитывая продолжительность жизни и деятельности водорослей в постройках строматолитового типа, мы можем говорить о длительности жизни их видов, что дает цифры от сотен до нескольких тысяч, редко до двух-трех десятков тысяч лет.
Все три первые эры существования Земли отличались от последовавших за ними высоким содержанием в биосфере углекислоты, запасы которой начали иссякать лишь к концу протерозоя в результате огромного размаха жизнедеятельности "морских" придонных водорослей и, несомненно, фитопланктона. Одновременно создавались запасы молекулярного кислорода. Моря, освобождаясь от высокого содержания в водах бикарбонатов, постепенно засолонялись. Таким образом, водная среда, как и атмосфера, постепенно, но неуклонно изменялась, влияя тем самым на развитие в биосфере живого вещества.
Из потребителей свободного кислорода около остатков водорослей можно отметить, как видно по остаточным микроструктурам, только железобактерии. Таким образом, наличие железистых пленок в строматолитах все же скорее говорит о бедности биосферы кислородом. По-видимому, он жадно поглощался тогда при химическом окислении минеральных веществ на выступах суши. Во всяком случае несомненно, что появление запасов кислорода в биосфере еще не стимулировало заметно развитие животных. Вплоть до начала палеозоя они были представлены очень и очень бедно.
Вероятно, что к началу палеозоя сформировалась атмосфера почти современного состава. Возможно, что это и так, но основной фактор, который при этом проявил себя как планетарное явление,- это появление признаков повышенной солености некоторых бассейнов, приводившей к развитию лагун с садкой морских солей, и снижение магнезиальности вод. В протерозое таких явлений не отмечено. Начало палеозоя ознаменовалось значительным развитием красных водорослей, так называемой эпифитоновой флоры, и именно около мелких"зарослей" таких водорослей мы находим и остатки археопиат, килобитов и других беспозвоночных животных кембрия. Палеоэкологические наблюдения позволяют думать что стимулом для развития многих ранних трупп животных были условия
Эволюция среды и жизни на Земле
Вещество синезеленых водорослей (пектины) отличается значительной химической стойкостью и вообще мало пригодно в качестве пищевого материала для каких-либо животных или бактерий. По-видимому, развившийся фитозоонланктон, состав которого мы пока раскрыли лишь отчасти, послужил пищевым субстратом, который определил возникновение в пресных и морских водах синийского периода жизненного никла в виде пени организмов, биологически связанных между собой, что обусловило появление животных более сложной организации. Если для зоопланктона фитопланктон является базой, то для более высокоорганизованных животных нужны были вещества, вырабатываемые тем и другим, в большей степени - вторым. Поэтому необратимое общее изменение вещественного состава сред биосферы во все геологические времена с момента возникновения жизни влияло на микрожизнь, на бактерии, на микроводоросли на грибы и другие организмы, приспособительные свойства которых в общем вели ко все большему охвату разнообразных сред На базе этого микромира как пищевого субстрата в водных бассейнах развивались разнообразные организм в виде пеней, в которых представители одного звена поедались другим более сильным, хотя и не всегда более крупным.
Длительное отсутствие в протерозое животных в заметных количеств представляло собой загадку. Но эта загадка как будто разрешима.
Между вещественным составом фито- и зоопланктона имеется конечно, большая разница. Она, несомненно, была и в то далекое время, когда ход эволюции жизни только-только привел к развитию зоопланктона - той живой "мелочи", имевшей огромное значение в жизненном цикле, без которой животные более высокой организации еще не могли существовать. Потребовалось, по-видимому, длительное время для развития разнообразного зоопланктона - простейших животных, остатки которых мы находим теперь. Так, в слоях позднего синия местами в составе отложений морских карбонатных пород присутствуют мощные слои, сложенные мельчайшими округлыми известковыми тонкостенными образованиями, внутри которых мы находим или только вторичный кальцит, или кальцит и битумоподобное остаточное органическое вещество. Их нельзя принять за минеральные образования и трудно еще принять за остатки организмов, хотя ничем иным они не могли быть.
Особи, составлявшие жизнь докембрия, были очень мелки. Они имели микроскопические размеры, и их остатки нам удается различать по большим скоплениям, закрепленным в ископаемом состоянии процессами минерализации, окаменением. Строматолиты, часто огромные известковые тонкослоистые тела, которые многими исследователями принимались, да и теперь принимаются за остатки крупных живых существ не то растительного, не то животного происхождения, в действительности оказались именно скоплениями огромных количеств окаменелых микротел - клеток и тел микроскопических водорослей, развивавшихся тончайшими пленками жизни на поверхностях субстратов слой за слоем, год за годом, тысячелетиями. Между тем микроскопическое изучение строматолитов показало огромное разнообразие их строения, и, что очень и очень важно, быструю смену одних породообразующих видов водорослей другими. Эволюция и в протерозое шла быстрыми темпами, с сильным проявлением естественного отбора в условиях непрерывно менявшей свои свойства среды.
Далек был путь от первичных комочков жизни - археобионтов до закрепившихся в водных средах биосферы видов бактерий и бактериеподобных, до первых одноклеточных представителей фитопланктона! Не менее длинным был путь развития из тех же первичных комочков белковых веществ первых представителей микроскопического зооплактона; на это по существу ушло в истории жизни на Земле более двух миллиардов лет.
Появление в позднем докембрии червей, хиолитов и других ранних представителей более "высокоорганизованных существ заставляет считать, что зоопланктон только к этому времени развился достаточно и стал разнообразным и в морфологическом и в биохимическом отношениях, чему способствовала его пищевая база - микроскопический фитопланктон и фитобентос водных бассейнов протерозоя. Так удлинялась биологическая цепь жизни, удлинялись циклы жизни в древнейших средах, дававшие в отдельные моменты геологического времени более крупных и анатомически и биохимически сложных представителей жизни, которые лишь в ничтожной доле попадают в виде окаменелых остатков к палеонтологу.
Ничтожно малая частица "смеси" исходных белковых веществ превратилась в бесконечное многообразие таких же малых частичек жизни с колоссальным многообразием их свойств, морфологии и жизнестойкости. Несомненно, огромные запасы исходных сложных углеродных соединений осваивались жизнью и были вобраны ею в круговорот полностью. Они стали живым веществом Земли. Поэтому понятно, что в более поздние времена новые формы жизни уже не возникали.
Развитие углеродных соединений химическим путем в сторону усложнения до стадии белковых должно было иметь свои скорости и занять большой этап геологического времени. Развитие микроскопических форм разного строения могло произойти только в результате эволюции белковых веществ и физиологических и морфологических изменений организмов. При этом в бесконечной смене особей шла не только смена поколений, но и формирование видов, родов, семейств, соответственно их приспосабливаемое к условиям среды и к сообществу друг с другом. Выявлен медленный темп повышения размеров тел организмов, наиболее совершенных для соответствующих этапов геологического времени.
Остаточное органическое вещество, часто захороненное в горных породах вместе со скелетными образованиями форм древней жизни, возможно, содержит осколки молекул первичного его состава. Можно выразить надежду, что развитие биохимической науки поможет нам распознавать исчезнувшие в ходе эволюции жизни на Земле формы по вещественному их составу, по комплексам микроэлементов, содержащихся в ископаемых остатках. Важнейшую роль при этом играет закон единства организма с условиями его существования, а также фактор количественных соотношений между компонентами среды. Поэтому по организму мы уже смело говорим теперь о свойствах среды, а по признакам "ископаемой" древней среды - о возможных проявлениях жизни в ней.
По существу все организмы сложны. Их жизнепроявления состоят в образовании вещества, построенного из "тяжелых" сложных молекул с огромным молекулярным весом по сравнению с веществами косной мертвой природы. Ничтожное изменение в свойствах среды влияет на организм, вызывая у поколения за поколением перестройку каких-то молекул, каких-то органов или тканей, исполняющих их функции, и это приводит к изменению затем и внешних морфологических черт. Когда мы говорим о "направленности" таких изменений, то мы, конечно, имеем в виду, что естественный процесс, пока к нему не прикасалась рука человека, шел и идет стихийно, с одновременным существованием и низших и высших, а главное в комплексах, во взаимосвязи со средой и между собой, тогда как мы, в наших интересах, прослеживаем, например, иногда только развитие высших.
В основе существования жизни лежит зародышевая клетка и индивидуальное развитие особей в их поколениях. Простейшие формы жизни и во взрослом состоянии особей неотличимы от зародышевой клетки. Сложные многоклеточные организмы проходят в своем индивидуальном развитии часто много промежуточных по уровню жизни этапов, повторяя при этом в ускоренном темпе морфологическое развитие данной ветви жизни, пока не появятся признаки вида. Это так называемый закон рекапитуляции, закон повторения признаков предков в развитии каждой особи, много давший зоологам и ботаникам и ставший важнейшим теоретическим положением при изучении палеонтологами ископаемых организмов. Этот закон позволяет воссоздавать ход эволюции жизни и понять, в конечном счете, как отдельные этапы ее развития в прошлом, так и возникновение того мира живых существ, среди которого мы живем. Поэтому он обычно и именуется основным биогенетическим законом.
Материалы по ископаемым организмам от начала кембрия давно стали основой выделения этапов геологического времени; для действительной меры времени и длительности этих этапов абсолютная геохронология дала цифровую характеристику и продолжает давать к ней поправки и дополнения.
Глядя на схему развития жизни на Земле, можно прийти к мысли об усилении геологических процессов на Земле в ходе времени, о постепенном ускорении ее развития вплоть до современности: для четвертичного периода (антропогена) эта длительность определена около 1 млн. лет. Но это ложное впечатление. В действительности земная кора в ходе геологического времени постепенно как бы успокаивается, процессы складкообразования, фазы и площади вулканизма сокращаются. Прежние складчатые области земной коры "захватываются" режимами платформенного типа, со спокойными, только вертикальными движениями и т. д.
Сокращение этапов геологического времени обусловлено способом выделения их при помощи палеонтологических материалов. Оно отражает действительное убыстрение хода эволюции живого населения Земли. Причина этого убыстрения достаточно ясна. Поскольку в эволюции жизни сказывается эволюция многих факторов - среды в геологическом ее понимании, условий жизни организмов, пищевого субстрата, биохимических процессов, живого вещества организмов и их органов, то суммарное действие этих факторов приводило и приводит к ускорению изменений формы организмов, их размеров, способности к миграции и т. д.
Органическая жизнь на Земле активно вмещалась в ход геологических процессов. Она проявила себя как фактор изменения самой среды, образовав атмосферу за счет элементов, до того находившихся в связанном состоянии. Она стала мощным геологическим фактором, поскольку активно участвовала и участвует в породообразовании, в отложении вещества многих осадочных горных пород и руд, нефти и газов, поскольку она влияла на изменение глубины бассейнов и т. д. В общем, раз появившись в биосфере, бактериальный мир менялся морфологически очень мало, совершенствуясь в основном биохимически и физиологически. Только с появлением высших организмов растительного и животного мира в массовом развитии он дал и дает множество новых форм сапрофитного и паразитического рядов, в том числе болезнетворных.
Мир растений, существующий с архея, был длительно представлен только водными и отчасти почвенными формами. Размах водорослевой жизни в протерозое был неповторимым по своим проявлениям и по породообразующей роли этой группы организмов благодаря огромным запасам углекислоты. Эволюция вещества спор, приобретение ими относительно прочной оболочки позволило растениям выйти на сушу, где в разнообразных условиях жизни их эволюция ускорялась обилием солнечной энергии, развитием почвенных процессов и т. д.
К началу палеозоя живое зеленое вещество Земли удалило из палеоатмосферы все ее запасы углекислоты, которая частично сохранилась в растворенном состоянии лишь в глубинах вод гидросферы. Для наземных растений палеозоя и более поздних эпох это обстоятельство временами ставило предел их количественному развитию. Поэтому наземные флоры в палеозое и позднее оказывались подчиненными некоторому ритму, отчасти установленному геологами по эпохам углеобразования на Земле. Сущность этого ритма, по-видимому, состоит в тесной связи с выбросами углекислоты в атмосферу в эпохи вулканизма и массовым развитием живого вещества фотосинтезирующих организмов в соответствующий этап геологического времени.
Эволюция позвоночных животных (по Л. Ш. Давиташвили)
Мир животных, возникший в тот же отдаленный момент, как и другие типы живого вещества, долго "прозябал", не играя геологической роли. Но эволюция вещества фитопланктона, микроскопического зоопланктона и накопление в биосфере запасов кислорода создали мощный стимул для его массового развития к концу синия и началу кембрия. С этого момента на Земле развилось много типов животных - от простейших (инфузорий и др.) к фораминиферам, от червей к примитивным хордовым, к рыбам, от рыб к амфибиям, от амфибий к рептилиям, от рептилий к плацентарным млекопитающим. Эта высшая по строению тел группа организмов на ранней стадии развития была представлена животными весьма небольшого размера, в основном насекомоядными. Вероятно, бурное развитие насекомых с конца палеозойского времени во многом стимулировало развитие этих животных с последующей их специализацией как растениеядных, червеядных и др. Выделялись хищные формы, которые приобрели соответственно оформленные зубные аппараты, форму тела, когти. Другие из растениеядных приспосабливались к быстрому бегу, в связи с чем пятипалые конечности древних форм у них становились одно- двухпалыми, как у лошадиных и парнокопытных. Многие группы млекопитающих ушли снова в воду, став морскими организмами, как киты, белухи, тюлени, сохранив при этом способность дышать с помощью легких. Многие группы приспособились к лазанию по деревьям, например обезьяны, и т. д.
Динотерии - древние хоботные. Реконструкция К. К. Флерова
Поэтому первая половина третичного времени была ознаменована широкой специализацией млекопитающих, которые освоили при этом все природные обстановки - сушу, воды и воздух и пришли на смену пресмыкающимся, в большинстве исчезнувшим на грани мелового и третичного периодов, 70 млн. лет назад. Весь этот богатый формами мир млекопитающих быстро достиг массового развития, чему, вероятно, способствовала благоприятная для него эволюция пищи - развитие цветковых растений, плоды, семена, листья, кора и корни которых содержали многие новые в природе вещества, полезные и важные для животных.
Ранние киты были небольшими животными, имевшими крупные зубы. Позднее естественный отбор привел к питанию китов мелкими рачками с помощью "китового уса". От древних наземных хищников развились роды кошек, собак, куниц, медведей и барсуков. Наибольшего разнообразия в третичное время на суше достигли растениеядные формы наземных и водных животных.
Широко были представлены хоботные животные, предки современных слонов - индийского и африканского. Ископаемых хоботных известно около 400 видов. Ранние их формы были не крупнее лошади. У них развились передние зубы - резцы, превратившиеся в бивни различного строения. Развился хобот - с помощью которого животные могли подносить пищу ко рту, пить воду, срывать плоды с дерева и т. д. Меритерии, мастодонты, динотерии были распространены широко, как и целый ряд других групп млекопитающих. Несмотря на их бивни - резцы, которые, может быть, в большей степени служили копательными орудиями, чем средством защиты или нападения, эти животные часто становились жертвами хищников.
При специализации мелких насекомоядных животных в начале мезозойского времени обособилась группа таких, у которых не оказалось острых зубов и когтей, не развились копыта на конечностях, не возникли крылья. Представители этой группы, обитая в лесных условиях, находили там и приют и пищу в виде плодов, ягод и насекомых. Они ходили по земле, но научились лазить по деревьям. Из этой группы вышли в ходе времени обезьяны, полуобезьяны и человек. Это так называемые приматы, т. е. "первенствующие", поскольку они составляют группу самых высокоорганизованных существ на Земле. Общей их чертой явилось значительное увеличение объема черепной коробки по отношению к величине всего тела, пятипалое строение конечностей. Особенно развилась у них хватательная способность передних конечностей. В ряду этих животных были полуобезьяны, лемуры и другие формы. Ответвились обезьяны, перешедшие целиком к лазающему способу существования в лесах. Появились бесхвостые человекообразные, среди которых учеными выделены, по данным раскопок, остатки так называемых дриопитеков (древесные обезьяны); среди них возникали иногда гиганты, достигавшие 3-х метров в высоту (гигантопитеки). Остатки человекообразных обезьян найдены и на территории СССР, близ селения Удабно в Грузии. Наибольшее количество материала по древним предкам человека обнаружено в Африке. Это были австралопитеки (южные обезьяны), сушества, которые ходили на двух ногах вертикально или слегка наклоняясь вперед и, несомненно, уже имели возможность сравнительно далеко уходить от лесной зоны. Их череп уже походил на человеческий, мозг весил около 650-700 г. Челюсти их менее выступали вперед, чем у обезьян. Зверообразный вид их предков у них сменился чертами, приближающимися к облику человека. Поэтому австралопитеки и гигантопитеки признаются за прямых предков человека.
Эволюция человекообразных и человека
Особенно интересные данные о прямых предках человека недавно были открыты в пределах Восточной Африки. В результате многолетних работ английского археолога Луиса С. Б. Лики в ущелье Олдовай, к северу от оз. Иаси, в северной части Танганьики, были открыты остатки древнего человека - зинджантропа, который уже умел изготавливать каменные орудия, но еще не знал огня.
Калий-аргоновым методом абсолютного летоисчисления была получена цифра от 1 570 000 до 1 890 000 лет. Была принята средняя цифра в 1 750 000 лет, что не означает, конечно, даты появления этого человека (по последним сообщениям, возраст олдовайских находок Л. С. Б. Лики сейчас пересматривается в сторону увеличения). Судя по строению зубов, очень крупных с гладкой жевательной поверхностью, зинджантроп был еще вегетарианцем. Он умел охотиться на зебру, антилопу, крокодила и даже на крупнейшего хоботного динотерия. Его современниками были саблезубый тигр и ряд других, позднее вымерших, животных. Зинджантроп питался растительной пищей, но мог ловить птиц, черепах, грызунов, змей, варанов и крокодилов.
Известны остатки китайского человека - синантропа, еще более близкого к современному человеку. Синантроп, живший в период времени 700-600 тыс. лет до современности, уже умел поддерживать огонь.
Бола - охотничье орудие зинджантропа - древнего восточноафриканского человека (по Л. Лики)
Его каменные орудия были уже лучше и, по-видимому, он одевался в шкуры и занимался охотой. Остатки синантропа обнаружены в пещере Чжоукоудянь, недалеко от Пекина, где установлены следы его длительного обитания.
Охота зинджантропа на динотерия (по Л. Лики)
В центральной Европе в то время обитал неандертальский человек, который владел огнем и примитивными каменными орудиями.
Неандертальский человек. Реконструкция Р. Моора
Человек по своему происхождению связан с миром животных, из которого уже миллионы лет назад выделились и обособились его предки, начав путь самостоятельного развития. Благодаря благоприятному для развития анатомическому строению, труду, приспособляемости и развившейся способности мыслить человек постепенно овладевал окружающей природой и одновременно изменялся сам. Поэтому, находясь в отдаленном родстве с остальными позвоночными, человек представляет собой в непрерывной цепи развития самое совершенное звено. Это помогло ему расселиться по всем континентам нашей планеты.
Таким образом, благодаря физико-химическим процессам, химико-биологическому возникновению живого вещества мертвая, безжизненная планета Земля за миллиарды лет эволюции организмов естественным ходом развития стала местообитанием сложнейшего мира бактерий, растений, животных и людей. Осваивая многообразные жизненные ресурсы природы, человек создает для себя наиболее благоприятную среду (жилье, одежда, пищевая база), изучает ее и в наше время проявляет интерес уже к другим планетам, к космосу.
Заключение
Несмотря на гипотетичность, предположительность наших представлений о непосредственном механизме возникновения жизни из неживых углеродных соединений с достаточной ясностью установлено, как возникла жизнь на Земле и как она затем развивалась с проявлением биохимической эволюции ее живого вещества в условиях непрерывного изменения среды. Всеми своими корнями органическая жизнь на Земле связана с косным, мертвым, минеральным веществом. Эта связь составляет основу самого процесса жизни, энергетическую вещественную базу жизни, от самых ее примитивных форм до самых высокоорганизованных.
Химические элементы и их соединения, вовлеченные в процессы жизнедеятельности организмов, претерпели отбор с выделением тех изотопов и их соотношений, которые в наибольшей степени обусловливали ход биохимических и биогеохимических реакций со средой и внутри организмов. Выясняется особое значение для проявлений жизни изотопа углерода - 12, изотопа кислорода - 16, определенных соотношений изотопов серы (S32/S34) и т. д. Это раскрывает для нас возможности и далее прослеживать проявления жизни в глубинах геологических времен и их последующий ход методами геохимии. Наметившееся плодотворное сотрудничество между геологией, геохимией, биогеохимией, физиологией, астрофизикой, экспериментальной биохимией способно приносить и далее новые успехи в разработке проблемы жизни и ее развития.
Очень важно развивать поиски и изучение конкретных остатков всех жизнепроявлений прошлого, а также их следов по вещественному (элементарному и изотопному) составу, поскольку к сохранению в "ископаемом" состоянии оказываются способными даже многие органические вещества. Несомненно, особое значение имеют прямые поиски органических остатков во всех толщах осадочных пород, где они до сих пор еще не обнаружены. Действительно "немых" отложений с момента возникновения жизни на Земле практически ныне уже не оказывается.
Особо следует считать важным и увлекательным прослеживание проявлений жизни организмов в древнейших осадочных отложениях. Почти во всех горных районах нашей страны горообразовательными процессами подняты на огромных площадях складчатые серии древнейших отложений самого различного состава. По своей мощности, измеряющейся многими десятками километров, эти докембрийские отложения, в той или иной степени обогащенные различными вулканогенными и туфогенными образованиями, превосходят в несколько раз мощность всех более поздних отложений. Их понимание, расчленение и сопоставление встречают еще большие трудности. Между тем в составе серий древних пород всюду имеются минеральные богатства, часто огромного практического значения, для поисков и выявления которых нужны надежные методы и средства. Поэтому очень важно, что мы имеем возможность распространять палеонтологический метод на отложения докембрия и выявлять в его слоях остатки разнообразных организмов, в основном пока в виде бактерий и водорослей. Развитие таких работ весьма перспективно.
Единство жизни и среды, единство Земли и жизни и великая роль жизни в развитии биосферы доказаны, но существует еще большое количество вопросов научного и практического значения, которые ждут своего разрешения с помощью плодотворного сотрудничества ученых различных профилей.
Список литературы
Вернадский В. И. Избранные сочинения, М., Изд-во АН СССР, т. 1, 1954; т. IV, 1959.
Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружение. М., "Наука", 1971.
Виноградов А. П. Химический состав морских организмов.- "Труды Биогеохим. лабор. АН СССР", 1935-1936.
Виноградов А. П. Геохимическая история кислорода и фотосинтез.- "Изв. АН СССР, серия биол.", 1947, No 3.
Вологдин А. Г. Геологическая деятельность микроорганизмов.- "Изв. АН СССР, серия геол.", 1947, No 2.
Вологдин А. Г. Разгадка происхождения строматолитов.- "Природа", 1955, No 9.
Вологдин А. Г. Древнейшие строители рифов.- "Природа", 1955, No 11.
Вологдин А. Г. Палеонтология и поиски полезных ископаемых. М., Изд-во "Знание", 1960.
Вологдин А. Г. Свидетели миграции полюсов.- "Природа", 1961, No 5.
Вологдин А. Г. Древнейшие водоросли СССр. М., Изд-во АН СССР, 1962.
Войткевич Г. В. Происхождение и химическая эволюция Земли. М., "Наука", 1973.
Криштофович А. Н. Палеоботаника. Изд. 4-е, М., Гостоптехиздат, 1957.
Крылов И. А. На заре жизни. Органический мир докембрия. М., "Наука", 1972.
Лис Г. Биохимия автотрофных бактерий. М., Изд-во иностр. лит-ры, 1958.
Ломоносов М. В. О слоях Земных. М., Госгеолиздат, 1949.
Миллер Стэнли Л. О синтезе органических веществ на первичной Земле.- "Природа", 1958, No 5.
Некрасов А. Д. Чарлз Дарвин. М., Изд-во АН СССР, 1957.
Опарин А. И. Возникновение жизни на Земле. М., Изд-во АН СССР, 1957.
Орлов Ю. А. О мире древних животных. М., Изд-во АН СССР, 1961.
Перельман А. И. Геохимия древних ландшафтов.- "Природа", 1961, No 1.
Ранкама К. Изотопы в геологии. М., Изд-во иностр. лит-ры, 1956.
Рассел Г. Н. Солнечная система и ее происхождение. М., Гостехиздат, 1944.
Рыжков В. Л. Ультрамикробы.- "Природа", 1961, No 2.
Сауков А. А. Эволюция геохимических условий в истории Земли.- "Природа", 1958, No 2.
Пешков М. А. Первые шаги жизни на Земле.- "Природа", 1970, No 10.
Трофимов Б. А. Жизнь в глубинах веков. М., Госкультпросветиздат, 1957.
Тугаринов А. И., Войткевич Г. В. Докембрийская геохронология материков. М., "Недра", 1970.
Фасенков В. Г. Происхождение и развитие небесных тел по современным данным. М., Изд-во АН СССР, 1953.
Холодный Н. Г. Железобактерии. М., Изд-во АН СССР, 1953.
Шмидт О. Ю. Роль твердых частиц в планетной космогонии.- "Природа", 1956, No 11.
Шмидт О. Ю. Четыре лекции о теории происхождения Земли и планет. М., Изд-во АН СССР, 1950.
Штрауб Ф. Б. О синтезе белковых тел.- "Природа", 1956, No 2.
Яковлев Н. Н. Организмы и среда. М., Изд-во АН СССР, 1956.