Самоорганизация и эволюция Земли
Согласно современным гипотезам, формирование Земли как геологического тела происходило в первые сотни миллионов лет ее жизни. При этом определяющее значение имели:
- сложный характер ее механического движения;
- гравитационное взаимодействие с другими космическими телами;
- тепловые процессы во внутренних областях Земли;
- периодически изменяющиеся потоки солнечной энергии;
- теплообмен с окружающей средой.
В ранний период ее становления как планеты самоорганизация осуществлялась за счет физико-химических процессов по сценарию, описанному для открытой термодинамической системы, в которой со временем установился баланс между энергией, рассеиваемой в космическое пространство, и энергией, получаемой от Солнца и внутреннего тепла самой Земли. Циклические повторения периодов оледенения и потепления, связанные с разными сочетаниями механических и тепловых состояний Земли, были своеобразными точками бифуркации в ее развитии. Важнейшей из них являетсястратификация (лат. stratum - слой, разделение на слои или фазы) вещества планеты и формирование первичных литосферы, атмосферы и гидросферы. В результате химической эволюции появляется широкий спектр органических соединений, которые природа использует для строительства живых организмов. Около трех с половиной миллиардов лет назад на Земле появились простейшие организмы и примитивная биосфера. Появление и развитие живого вещества стало очередной важной точкой бифуркации. Под влиянием его жизнедеятельности изменяется состав атмосферы и гидросферы. Под воздействием воды, воздуха и живых организмов активно идет процесс почвообразования, в результате разложения органических остатков появляется гумусный слой. Наряду с абиотическими (греч. – безжизненный) (рельеф, распределение температур, освещенность, влажность, космические излучения, определенный состав воздуха, наличие минеральных веществ, определенная соленость и кислотность среды, определенное давление) факторами важную роль начинают играть биотические (совокупность влияний живых организмов на среду обитания). С появлением живого вещества биологические процессы и биотические факторы стали определяющими в становлении состава современных атмосферы, гидросферы и почвенного покрова литосферы. На смену периоду геолого-химической эволюции планеты пришел период геолого-биологический. Следующей очередной точкой бифуркации стало появление человека, а затем и цивилизации, кардинально изменивших облик Земли.
При изучении Земли геологи и палеонтологи разделили ее историю на отдельные эры, периоды и эпохи. Это разделение не случайно. Переход от одной эры к другой знаменовался кардинальными изменениями в облике Земли. Эти изменения наблюдаемы, их следы видны в отложениях разного типа. Определяя возраст отложений, и осуществили эту периодизацию.
Физические оболочки Земли
В описании Земли как геологического тела широко используется как системная, так и сферная (греч. sphaira - шар, область действий, пределы распространения чего-либо), или оболочечная, модели. С точки зрения первой, Земля - гигантская физико-химическая система, состоящая из множества взаимодействующих подсистем. С точки зрения второй, это совокупность взаимодействующих между собой сфер - ядра, мантии, литосферы, гидросферы, атмосферы, ионосферы и магнитосферы.
Развитие космонавтики позволило достаточно хорошо изучить внешние оболочки. О процессах, протекающих внутри Земли, судят по данным о вулканической деятельности, движению литосферных плит, землетрясениям. Для изучения внутреннего строения Земли используется бурение. Однако самая сверхглубокая скважина на Кольском полуострове достигла едва двенадцати километров от поверхности. О строении и особенностях литосферы до этой глубины получают сведения, исследуя добытые при бурении образцы пород. Для исследования более глубоких слоев широко используют геофизические (прежде всего сейсмические) методы. Однако и здесь остается масса вопросов. Поэтому о составе и строении глубинных внутренних сфер Земли имеются лишь предположения и модельные представления.
Понижение температуры планеты в первые сотни миллионов лет ее существования и стратификация вещества привели к появлению земной тверди. В процессе самоорганизации наиболее тяжелые элементы образовали ядро, мантию и земную кору. Ядро планетыимеет радиус около 3000 км, температура его внутренних областей достигает 5000К. Но огромные давления препятствуют плавлению. Предполагается, что центральная часть ядра находится в твердом состоянии и имеет железно-никелевую основу (отсюда и мощное магнитное поле).
Над ядром находится самая массивная оболочка - мантия. Ее толщина около 3000 км. Температура мантии на границе с земной корой - около 500К, на границе с ядром свыше 2000К. Мантия напоминает слоеный пирог. На разных глубинах ее вещество находится в разных состояниях: пограничные с ядром слои - в жидком; слои, находящиеся на глубине около 300 км (астеносфера), - в размягченном.
Поверхностный слой тверди - земная кора. Самые верхние ее слои - осадочные породы, далее идет гранитное основание, а под ним - еще более плотные базальты. Ее толщина на материках составляет 35-70 км и 3-10 км в океане. Кора состоит из отдельных блоков - литосферных плит, которые «впаяны» в вещество мантии и медленно, со скоростью 1-5 см в год перемещаются, как бы ползут, по размягченной астеносфере. Это движение - результат сложного взаимодействия механического движения Земли и гигантской конвекции (лат. convectio - принесение, перемещение) тепла в ее внутренних слоях. В силу неоднородности в верхних слоях мантии возникают разрывы и сдвиги, что и приводит к подвижкам земной коры. Все это определяет особенности литосферных процессов (тектоника, образование островных дуг, океанических впадин, горных хребтов, изменение форм и очертаний материков и другие).
Первая теория дрейфа материков была разработана немецким геофизиком А. Вегенером (1880-1930), которая по сути является теорией эволюции земной коры. По его предположению, когда-то на Земле существовал единый материк вблизи Северного полюса - Пангея. Около 350 млн лет назад вследствие участия Земли в сложных механических движениях и процессов, протекающих внутри Земли, он разделился на два материка - Лавразию и Гондвану, около 100 млн лет назад распавшиеся на более мелкие куски, которые стали медленно дрейфовать к югу. Они-то и образовали современные материки. Использование методов математического моделирования в современной геофизике дает основание полагать, что есть тенденция к их сближению у Южного полюса и образованию нового единого материка. Некоторые ученые полагают, что такие литосферные процессы на Земле происходили неоднократно, с регулярностью в сотни миллионов лет.
Суша на поверхности Земли занимает 1/4 часть, 3/4 - вода. Водную оболочку - гидросферу образуют воды океанов, рек, озер, подземные воды, водяные пары атмосферы, шапки полярных и горных льдов. Гидросфера, это, конечно, не сфера в геометрическом смысле, а область распространения воды. Это самая тонкая оболочка. Ее масса составляет всего лишь 1/1000 долю всей массы Земли. Воды Мирового океана перемещаются со скоростью 2-3 см/с, а в океанических течениях-5-10 см/с. Малый и большой круговороты воды поддерживают равновесие гидросферы и способствуют возобновлению запасов пресной воды. Большой круговорот полностью осуществляется примерно за 200 миллионов лет. Это время, в течение которого происходит самоочищение всех океанических вод.
Газовая оболочка - атмосфера простирается над поверхностью Земли почти на 200 км. Она состоит из нескольких сфер - тропосферы (до 20 км над уровнем моря), стратосферы (до 50 км), мезосферы (до 80 км) и термосферы. На высоте 30-50 км находится озоновый слой, предохраняющий живой мир Земли от жесткого космического излучения. Атмосфера состоит на 78% из азота, на 21 - из кислорода, 1% составляют вместе взятые инертные газы, двуокись углерода, метан, оксиды азота, водород, озон, пары воды и примеси. 4/5 всей массы воздуха находится в тропосфере. Хаотическое движение молекул способствует рассеянию атмосферы в космическое пространство, силы притяжения к Земле, наоборот, стремятся сосредоточить ее в тонком приземном слое. В результате действия этих факторов возникло определенное распределение частиц газа по высоте (распределение Больцмана), при котором плотность газа и его давление уменьшаются с высотой по экспоненциальному закону. Скорость перемещения воздушных масс атмосферы 5-7 м/с, в случае урагана - до 30 и выше. В атмосфере образуются облака, дождь, снег, циклоны, антициклоны - словом, все, что определяет погоду. Атмосфера снабжает живые организмы кислородом для дыхания, защищает от космических излучений и метеоритов. Космическое и солнечное излучения, попадая в верхние слои термосферы, ионизуют разреженный газ и формируют ионосферу. Благодаря магнитному полю Земли на высоте 500-800 км существует мощный радиационный пояс.
Все физические оболочки Земли представляют единый комплекс и находятся в тесном взаимодействии. Каждая из них представляет собой открытую самоорганизующуюся систему. Процесс их самоорганизации происходил (и происходит сейчас) под воздействием внешнего источника энергии - Солнца, внутреннего тепла Земли и сложного механического движения, в котором Земля принимает участие. Между ними существует множество прямых и обратных связей, которые реализуются благодаря малым и большим круговоротам веществ, обмену энергией и информацией. Флуктуации параметров в одной из сфер (температура, давление, плотность, изменение скорости перемещения и т.д.) вызывают локальные, а иногда и глобальные изменения и в других сферах.
Химическая эволюция Земли происходила синхронно с ее геологической эволюцией. В результате активной вулканической деятельности в первые миллионы лет жизни Земли верхние слои литосферы обогащались тяжелыми химическими элементами, которые сосредотачивались в виде концентрированных запасов в отдельных точках Земли. При дегазации лав выделялись газы, которые стали основой первичной атмосферы: аммиак, цианиды, диоксид углерода, соединения серы, пары воды и другие.
На ранней Земле постепенно создались условия для абиотического синтеза простейших органических соединений. Насыщенная парами атмосфера обладала высокой электропроводностью, поэтому в изобилии происходили грозы. В каналах молний, где температура достигает нескольких тысяч градусов, происходил синтез сложных соединений. Первичная атмосфера не имела озонового слоя, что способствовало поступлению на Землю огромных количеств ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Это в свою очередь содействовало протеканию фотохимических реакций, которые в обычных условиях были бы невозможны.
Атмосфера была очень тонкой и слабо препятствовала рассеянию тепла в окружающее околоземное пространство. Вследствие этого средняя температура поверхности Земли снизилась до 15-20о С, что способствовало активной конденсации паров и образованию водоемов. Это произошло около 4 млрд лет назад, о чем свидетельствует возраст найденных древних осадочных пород. Растворение всевозможных неорганических соединений в водах первичного океана и выпадение атмосферных осадков обогащали его солевой состав.
Гидросфера и атмосфера первобытной Земли практически не содержали свободного кислорода. Его выделение в чистом виде связано с появлением простейших живых организмов и прежде всего - водорослей.
Косная материя не могла эффективно использовать солнечную энергию для самоорганизации, поэтому процессы эволюции шли медленно. И лишь с появлением живого вещества интенсивность круговоротов многократно усилилась, появилась возможность за счет фотосинтеза более эффективно использовать солнечную энергию для формирования облика Земли. В результате взаимодействия геологических, химических и биотических процессов установился современный состав литосферы, гидросферы и атмосферы, которые существенно отличаются от раннего периода существования планеты. Однако и термодинамические процессы не потеряли своей значимости. Они и сейчас во многом определяют характер тектонических, атмосферных и гидросферных явлений.
Геосфера
Геосфера или географическая оболочка - это глобальный природный комплекс Земли, представляющий тонкий слой (50-60 км) на границе литосферы, гидросферы и атмосферы и включающий биосферу. Это область наиболее интенсивного взаимодействия всех сфер Земли. В геосфере существует и развивается человечество. Благодаря живому веществу и производственной деятельности человека в ней более интенсивно, чем в других оболочках, идут процессы обмена веществом, энергией и информацией. Хрупкое подвижное равновесие геосферы поддерживают естественные круговороты. Но в последние два столетия в них активно встраиваются техногенные циклы, что в значительной мере смещает природное равновесие в сторону неустойчивости.
Геосфера представляет совокупность иерархически связанных подсистем - ландшафтной оболочки, физико-географических стран, зональных областей, местностей и т.д. Взаимодействие абиотических и биотических факторов определяет разнообразие свойств геосферы. Ее целостность обусловлена слаженным взаимодействием всех подсистем.
Важнейшей подсистемой геосферы и зоной наиболее активной деятельности живого вещества является ландшафтная оболочка. Ее толщина не превышает нескольких сотен метров. Характер солнечно-земных связей, расположение относительно экватора и рельеф поверхности определяют зональность распределения животного и растительного мира, пригодность отдельных ее областей к проживанию и производственной деятельности человека.
ХИМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
Вселенная и все ее структурные элементы - это гигантская химическая лаборатория природы, в которой протекает огромное количество самых разнообразных физических и химических процессов, благодаря которым и формировалось косное вещество самой Вселенной, галактик, звезд и звездно-планетных систем. В ходе эволюции Земли эти процессы наиболее активно протекали в первые сотни миллионов лет ее жизни. Позднее к ним присоединились простейшие биохимические, а когда природа «отработала» механизмы фотосинтеза, - и биологические процессы. Благодаря всем этим процессам осуществляются естественные круговороты веществ и поддерживается устойчивость геосферы и всех ее подсистем.
Химическая эволюция
Одной из важнейших космологических проблем является проблема происхождения и относительного распределения химических элементов во Вселенной. Как сложился универсальный химический состав космического вещества (70% Н, 25% Не, а остальное более тяжелые элементы), как возникло стандартное соотношение между водородом и гелием, двумя первыми элементами менделеевской таблицы, - вот проблема, в поисках решения которой физики обратились к звездным недрам, где интенсивно протекают реакции превращения атомных ядер. Теоретические расчеты показывают, что при условиях, которые осуществляются в центральных областях звезд, подобных Солнцу, никакие элементы тяжелее гелия не могут образовываться в сколько-нибудь существенных количествах.
А что если элементы образовались не в звездах, а сразу во всей Вселенной на первых этапах космологического расширения? Универсальность химического состава при этом автоматически обеспечивается. Внешние условия - высокая плотность и температура, необходимые для реакций такого рода, были. Теория происхождения химических элементов потребовала трудоемких расчетов. В итоге стало очевидным, что космическая распространенность водорода и гелия действительно может быть объяснена ядерными реакциями в горячем веществе ранней Вселенной. Более тяжелые элементы, по-видимому, должны синтезироваться другим путем, например, при вспышках сверхновых звезд.
В процессе эволюции Вселенной происходили структуризация и усложнение химических элементов. Первыми образовались самые легкие - водород и гелий. Сегодня периодическая система насчитывает свыше ста элементов. Первые 94 элемента периодической системы достаточно широко представлены в природе в виде различных типов неорганических соединений. Элементы с более высокими номерами (до 110) созданы искусственно, методом бомбардировки ядер тяжелых элементов тяжелыми ионами, обладающими высокими энергиями. Для получения химических элементов с более высокими порядковыми номерами (а значит, с более тяжелыми ядрами) существует несколько ограничений. Это, прежде всего, ограниченность энергетических возможностей ускорителей и нестабильность искусственных элементов. Современная ядерная физика предсказывает относительную стабильность элементов 112 - 118 и предполагает, что возможны элементы с номерами до 174.
Работы в области синтеза искусственных химических элементов и исследования ядерных и термоядерных процессов в земных условиях позволяют высказать предположения о механизмах утяжеления ядер и образования тяжелых и сверхтяжелых элементов в процессе эволюции материи.
Под влиянием сил природы (гравитационные, электромагнитные), флуктуаций и внешних тепловых шумов атомарные частицы при столкновениях могут случайно образовывать более сложные упорядоченные структуры (молекулы), обладающие на микроуровне примитивной обратной связью, устойчивость которых определяется соотношением сил притяжения и отталкивания ядер и электронов в образовавшейся структуре. Это сосредоточение атомов из рассеянного состояния в агрегаты связано с повышением качества и количества информации; происходит как бы связывание рассеянной информации и снижение энтропии отдельного агрегата на фоне общего повышения энтропии всей атомарной системы. Очевидно, что из первичной смеси частиц могут образовываться самые разнообразные упорядоченные структуры (конечные продукты), но преимущество распространения получают те, для которых скорость процесса образования превышает скорость распада, то есть происходит конкуренция образовавшихся структур и отбор наиболее устойчивых. Если внутренняя энергия образовавшейся молекулы ниже суммарной энергии образующих ее частиц, молекула находится в устойчивом состоянии, она как бы оказывается в потенциальной яме, выбраться из которой (разложиться на отдельные частицы) может лишь благодаря селективной активации извне. Частицы, образующие молекулу, принимают участие в разных видах движения (электронное, колебательное, вращательное), причем энергии и скорости частиц могут иметь определенный ряд дискретных значений, соответствующих определенным состояниям частиц. Переход из одного состояние в другое связан с поглощением или излучением энергии и определяет характер спектров молекул в ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной и микроволновой областях.
Самоорганизация и эволюция химического вещества на Земле происходилаи под воздействием изменяющихся физических факторов. Величайшим «достижением» природы стало появление автокаталитических реакций. Именно они сыграли первостепенную роль в возникновении и эволюции живого вещества.
Для человека природа всегда была образцом и самой первой лабораторией. В ней он многое подмечал, многому учился, многое угадывал, экспериментировал и в своей производящей деятельности стремился использовать ее опыт. Вряд ли кто точно может сказать, когда человек, может быть, случайно получил химическое соединение в искусственных условиях. Но к концу XУIII века синтетическая химия уже имела огромный опыт, а в XIX веке она из стен лабораторий ученых выходит в производство и становится основой химической промышленности, без продукции которой жизнь современного человека просто немыслима.
Но развитие химических технологий невозможно без знания кинетики (греч. kinetikos - приводящий в движение) химических процессов и способов управления ими. Поэтому разработка теории химического процесса стала одним из магистральных направлений химии ХХ века. Изучение кинетики химических процессов, осуществляемых в лабораторных и промышленных условиях, кроме прикладного, имеет огромное общетеоретическое значение, так как приближает нас к пониманию процессов самоорганизации и эволюции природных химических систем, а значит, и к пониманию механизмов перехода от неживого к живому.
Химические производства и процессы, которые сегодня осуществляет человек, - это лишь некое подобие безотходного рационального химического производства природы. Повторяя ее опыт, постигая его тонкости, человек создает процессы и соединения, несвойственные природе. Уже в начале ХХ века было синтезировано около двух миллионов веществ. Сегодня в лабораториях мира ежедневно синтезируется около трехсот новых соединений. Природа, «привыкшая» медленно создавать новое и медленно его перерабатывать, не может приспособиться к такому темпу накопления синтетических материалов. Вследствие этого встраивание техногенных химических циклов в природные смещает равновесие последних в сторону неустойчивости, которая может иметь разрушительные последствия для всей геосферы.