Страница:
Из всего этого был сделан совершенно правильный вывод о том, что породы коры легче пород мантии и «плавают» в ней подобно айсбергам (или как металлические пластины в ванне со ртутью). Плавающий айсберг, в соответствии с законом Архимеда, должен быть глубоко (на 5/6 своего объема) погружен в воду; чем выше его надводная часть, тем больше должна быть подводная (рис. 6). На дне океанов слой коры очень тонок, тогда как материки сформированы во много раз более толстой и более легкой корой (в 50-е годы ХХ века это было подтверждено прямыми измерениями – средняя толщина континентальной и океанической коры составляет 36 и 7,5 км, соответственно); максимальной же толщины кора достигает под горными системами («У гор глубокие корни»). Это явление было названо изостатическим равновесием, или просто изостазией – взаимное уравновешивание по закону Архимеда, когда вес погруженного тела (коры) равен весу вытесненной им жидкости (мантийного вещества). Необходимо помнить, что «жидкость», в которую погружена кора, обладает столь большой вязкостью, что при относительно быстрых (сотни – первые тысячи лет) нагрузках ведет себя как твердое тело.
Теория дрейфа континентов быстро завоевала популярность, которая, однако, оказалась недолгой. Ни Вегенеру, ни его сторонникам не удалось найти сил, заставляющих материк продвигаться вперед, преодолевая колоссальное сопротивление мантийного вещества. Попытки объяснить это движение кориолисовыми силами (инерционные силы, возникающие на поверхности вращающегося тела, вектор которых направлен против направления вращения) и тяготением Луны были тут же отвергнуты геофизиками как несерьезные. Несколько десятилетий к концепции горизонтальных перемещений континентов относились как к изящной фантазии, но в начале 60-х годов она получила подтверждение с совершенно неожиданной стороны – из области палеомагнитных исследований.
Если нагреть постоянный магнит выше определенной температуры, называемой точкой Кюри, то он теряет свои магнитные свойства, но затем, при охлаждении, вновь восстанавливает их. При прохождении точки Кюри застывающая изверженная горная порода, которая содержит ферромагнитные минералы (соединения железа и никеля), намагничиваются и ориентируются в соответствии с существующим в это время магнитным полем; это явление называется остаточной намагниченностью. Иными словами, содержащая соединения железа (или иных ферромагнетиков) горная порода в известном смысле представляет собой стрелку компаса, указывающую направление на магнитный полюс Земли в момент застывания породы. Если же у нас есть более одной такой «стрелки», то пересечение указываемых ими направлений даст нам и точное положение полюса в соответствующую эпоху, и, с другой стороны, географическую широту района образования каждой из наших «стрелок»-пород (направление линий намагниченности породы относительно земной поверхности меняется от 90° на полюсе до 0° на экваторе). А поскольку для изверженной породы можно радиоизотопным методом определить абсолютный возраст (см. главу 1), то возникает возможность нарисовать довольно точную картину расположения континента относительно полюса в различные моменты истории.
В результате этих исследований выяснились две вещи. Во-первых, теперь было прямо доказано, что все «Гондванские» материки действительно находились некогда в гораздо более высоких широтах Южного полушария, чем ныне. Во-вторых, общая картина положения полюсов в геологическом прошлом получалась какая-то странная. Данные по каждому отдельному материку «рисуют» вполне согласованную траекторию перемещений полюсов (например, Северный полюс относительно Евразии начиная с карбона двигался из центральной части Тихого океана до своего нынешнего положения по S-образной кривой, проходящей через Берингов пролив), однако траектории, даваемые разными материками, не совпадают между собой – за исключением того, что все они заканчиваются близ современного полюса (рис. 7, а и б). Эта картина казалась совершенно необъяснимой до тех пор, пока С. Ранкорн не догадался (в 1962 году) «сдвинуть» материки в соответствии с полузабытыми уже реконструкциями Вегенера. При таком их положении соответствующие палеомагнитные траектории совместились между собой практически идеально (рис. 7, в).
Тем временем накапливались и новые данные о строении дна океанов. Была детально закартирована глобальная (т.е. охватывающая весь земной шар) система срединно-океанических хребтов и располагающихся в периферических частях океанов глубоководных желобов, с которыми связаны районы активного вулканизма и землетрясений. По гребню срединно-океанического хребта проходит рифт – глубокая продольная трещина, над которой фиксируется постоянный мощный тепловой ток. С глубоководными желобами же связаны сильные отрицательные гравитационные аномалии, означающие, что дефицит массы внутри желобов (которые наполнены водой – веществом менее плотным, чем окружающие их горные породы) не компенсируется избытком массы на их дне. Поскольку желоба не имеют «тяжелого» дна, то оно, в соответствии с изостазией, должно было бы «всплывать», ликвидируя тем самым желоб как таковой; а раз этого в действительности не происходит, то должна существовать некая иная (негравитационная) сила, удерживающая желоб в прогнутом состоянии.
Если на срединно-океанических хребтах постоянно образуется новая океаническая кора, то должно быть и место, где происходит обратный процесс, – ведь суммарная-то поверхность планеты не увеличивается. Где кора уходит обратно в некогда породившую ее мантию? В глубоководных желобах. Именно продольное давление постоянно расширяющейся океанической коры и является той силой, которая удерживает желоба в прогнутом состоянии и не дает их дну «всплывать». А энергия напряжений, возникающих, когда твердая кора вдвигается в лишь частично расплавленную мантию, выделяется в виде глубокофокусных землетрясений (с эпицентром на глубине до 600–650 км) и извержений вулканов (рис. 8).
В воображении океаническое дно представляется гигантской конвейерной лентой, выходящей на поверхность в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов и затем скрывающейся в глубоководных желобах. Предположение, что возраст океанической коры должен увеличиваться по мере удаления от рифта и достигать максимума на окраинах океанов, было блестяще подтверждено открытием на дне океанов так называемых полосовых магнитных аномалий.
Еще в 1906 году Б. Брюн, изучая остаточную намагниченность некоторых лав, установил, что она противоположна по направлению современному геомагнитному полю. Впоследствии было установлено, что такая обратная намагниченность – явление достаточно распространенное; при этом она явно создается не какими-то особыми свойствами самих этих изверженных пород, а обратной полярностью магнитного поля Земли в момент их остывания. Оказалось, что обращения (инверсии) геомагнитного поля, когда Северный и Южный полюса постоянного магнита (коим является Земля) меняются местами, происходят регулярно. В начале 60-х годов в результате определения абсолютного возраста соответствующих лав калий-аргоновым методом была разработана шкала инверсий геомагнитного поля, состоящая из чередующихся эпох нормальной (т.е. такой же, как в наши дни) и обратной полярности. Эта шкала стала основой для принципиально нового раздела стратиграфии – магнитостратиграфии.
Понятно, что образующиеся в рифтовых зонах породы океанической коры при своем остывании в соответствующие эпохи полярности тоже должны были приобретать, соответственно, нормальную или обратную намагниченность. Как выяснилось, эту намагниченность можно измерять прямо с океанской поверхности, не прибегая к анализу самого донного вещества. В 1963-64 годах независимо друг от друга Л. Морли, Ф. Вейн и Д. Мэтьюз пришли к выводу о том, что при спрединге океанического дна на нем должны образовываться полосы положительных и отрицательных магнитных аномалий, параллельные срединно-океаническим хребтам и симметричные относительно них; при этом ширина таких полос должна быть пропорциональна длительности соответствующих эпох полярности. Это предположение полностью подтвердилось (рис. 9, а). Тогда же родилась еще одна аналогия: океаническое дно – это магнитофонная лента, на которой записана история магнитного поля Земли.
Некоторое время спустя в результате глубоководных бурений были получены образцы как изверженных пород океанической коры (пригодные для определения их абсолютного возраста), так и лежащих непосредственно на них осадочных слоев с ископаемыми. Картина приобрела завершенность. Возраст океанической коры, например, в Атлантическом океане действительно постепенно «удревняется» – от почти современного у рифта до раннеюрского (170 млн лет) у побережья северной Америки. При этом ни в одном океане не удалось обнаружить коры более древней, чем юрская. Это полностью соответствует предположению, что вся океаническая кора со временем возвращается в мантию путем ее поглощения в глубоководных желобах (рис. 9, б).
Спрединг океанического дна – это один из «китов», на которых стоит господствующая ныне в геологии концепция тектоники литосферных плит. Из многих ее аспектов нас будет интересовать лишь рисуемая ею картина перемещения и взаиморасположения континентов в различные периоды прошлого, ибо именно эти перемещения в значительной степени определяют характер климата соответствующей эпохи. Глядя на реконструкции (рис. 10), мы видим, что материки могут «слипаться» в обширные континентальные массы (Гондвана, Пангея), которые затем раскалываются на отдельные фрагменты и вновь сталкиваются между собой (Азия и Индостан). Возникает естественный вопрос: является ли это движение бессистемным, «броуновским», или оно определяется некими закономерностями? И здесь нам придется вернуться к упомянутому выше процессу мантийной конвекции.
Этот тип конвекционного процесса (который мы только что описали) называют тепловой конвекцией. Г.Хесс предполагал, что она-то и происходит в мантии. Однако в последнее время геофизики отводят главную роль не тепловой, а фазовой конвекции. Дело в том, что существуют и другие (помимо нагрева) способы создать в среде архимедовы силы плавучести, которые породят конвекционный ток. Вспомним описанный в главе 2 процесс гравитационной дифференциации недр. Внутренние слои мантии, потерявшие при контакте с поверхностью ядра часть «ядерного» (богатого железом) вещества, обладают пониженной плотностью и положительной плавучестью; внешние слои мантии, напротив, уплотнились в результате выплавки из них «легкого», силикатного, вещества земной коры и обладают отрицательной плавучестью. Под действием этих архимедовых сил плавучести в мантии и развиваются крайне медленные (порядка нескольких сантиметров в год) конвекционные токи.
Объем вещества, охваченный конвекционным током, называют конвективной ячейкой. Весь объем греющегося чайника представляет собой единую ячейку. Если же мы станем нагревать широкий таз двумя удаленными друг от друга горелками, то у нас возникнут две относительно независимые системы циркуляции воды, взаимодействующие между собой. Ячейки бывают двух типов – открытые и закрытые. По краям открытых ячеек происходит подъем, а в центре – опускание вещества, т.е. в поверхностном слое вещество движется от краев к центру, а в придонном – от центра к краям; в закрытых ячейках, соответственно, все наоборот (рис. 11).
Литосферные плиты с «впаянными» в них континентами оказываются вовлеченными в движение вещества мантии в поверхностном слое конвективных ячеек, перемещаются вместе с ним (мантийным веществом) от областей его подъема к областям опускания (сравните: в кастрюле с кипящим молоком – ячейке закрытого типа – пенка собирается у стенок). В толстостенной сферической оболочке (каковой является мантия планеты) лишь две схемы организации конвекционного процесса могут быть относительно устойчивы. Одной, более простой, будет единственная ячейка, охватывающая собою всю мантию, с одним полюсом подъема вещества и одним же полюсом его опускания. В этом случае континенты собираются воедино вокруг полюса опускания, освобождая вокруг полюса подъема «пустое» океанское – полушарие; такая ситуация существовала, например, во времена Пангеи.
Глава 4
а)
б)
Рис. 6. Изостазия: а – соотношение в различиях между величиной надводных и подводных частей двух айсбергов (a:b); б – структура континентальной и океанической коры (по Уеда, 1980)
Итак, Вегенер фактически объединил концепцию изостазии (этот термин был введен Даттоном в 1892 году, но сама концепция гораздо старше) с данными по геологии и палеоклиматологии южных материков и создал в итоге свою теорию дрейфа континентов. Согласно ей изостатические «айсберги»-материки медленно дрейфуют в чрезвычайно вязком мантийном веществе. Праматерик Гондвана, первоначально располагавшийся в высоких широтах Южного полушария, раскололся на фрагменты, часть из которых затем переместилась еще дальше к Южному полюсу (Антарктида), а остальные, напротив, приблизились к экватору (Южная Америка, Африка, Австралия) или даже пересекли его и оказались в Северном полушарии (Индия). Когда материки сталкиваются между собой, кора сминается в складки, образуя горы; если продолжать аналогию с плавучими льдами, то орогенез соответствует процессу образования торосов.Теория дрейфа континентов быстро завоевала популярность, которая, однако, оказалась недолгой. Ни Вегенеру, ни его сторонникам не удалось найти сил, заставляющих материк продвигаться вперед, преодолевая колоссальное сопротивление мантийного вещества. Попытки объяснить это движение кориолисовыми силами (инерционные силы, возникающие на поверхности вращающегося тела, вектор которых направлен против направления вращения) и тяготением Луны были тут же отвергнуты геофизиками как несерьезные. Несколько десятилетий к концепции горизонтальных перемещений континентов относились как к изящной фантазии, но в начале 60-х годов она получила подтверждение с совершенно неожиданной стороны – из области палеомагнитных исследований.
Если нагреть постоянный магнит выше определенной температуры, называемой точкой Кюри, то он теряет свои магнитные свойства, но затем, при охлаждении, вновь восстанавливает их. При прохождении точки Кюри застывающая изверженная горная порода, которая содержит ферромагнитные минералы (соединения железа и никеля), намагничиваются и ориентируются в соответствии с существующим в это время магнитным полем; это явление называется остаточной намагниченностью. Иными словами, содержащая соединения железа (или иных ферромагнетиков) горная порода в известном смысле представляет собой стрелку компаса, указывающую направление на магнитный полюс Земли в момент застывания породы. Если же у нас есть более одной такой «стрелки», то пересечение указываемых ими направлений даст нам и точное положение полюса в соответствующую эпоху, и, с другой стороны, географическую широту района образования каждой из наших «стрелок»-пород (направление линий намагниченности породы относительно земной поверхности меняется от 90° на полюсе до 0° на экваторе). А поскольку для изверженной породы можно радиоизотопным методом определить абсолютный возраст (см. главу 1), то возникает возможность нарисовать довольно точную картину расположения континента относительно полюса в различные моменты истории.
В результате этих исследований выяснились две вещи. Во-первых, теперь было прямо доказано, что все «Гондванские» материки действительно находились некогда в гораздо более высоких широтах Южного полушария, чем ныне. Во-вторых, общая картина положения полюсов в геологическом прошлом получалась какая-то странная. Данные по каждому отдельному материку «рисуют» вполне согласованную траекторию перемещений полюсов (например, Северный полюс относительно Евразии начиная с карбона двигался из центральной части Тихого океана до своего нынешнего положения по S-образной кривой, проходящей через Берингов пролив), однако траектории, даваемые разными материками, не совпадают между собой – за исключением того, что все они заканчиваются близ современного полюса (рис. 7, а и б). Эта картина казалась совершенно необъяснимой до тех пор, пока С. Ранкорн не догадался (в 1962 году) «сдвинуть» материки в соответствии с полузабытыми уже реконструкциями Вегенера. При таком их положении соответствующие палеомагнитные траектории совместились между собой практически идеально (рис. 7, в).
Тем временем накапливались и новые данные о строении дна океанов. Была детально закартирована глобальная (т.е. охватывающая весь земной шар) система срединно-океанических хребтов и располагающихся в периферических частях океанов глубоководных желобов, с которыми связаны районы активного вулканизма и землетрясений. По гребню срединно-океанического хребта проходит рифт – глубокая продольная трещина, над которой фиксируется постоянный мощный тепловой ток. С глубоководными желобами же связаны сильные отрицательные гравитационные аномалии, означающие, что дефицит массы внутри желобов (которые наполнены водой – веществом менее плотным, чем окружающие их горные породы) не компенсируется избытком массы на их дне. Поскольку желоба не имеют «тяжелого» дна, то оно, в соответствии с изостазией, должно было бы «всплывать», ликвидируя тем самым желоб как таковой; а раз этого в действительности не происходит, то должна существовать некая иная (негравитационная) сила, удерживающая желоб в прогнутом состоянии.
Рис. 7. Траектории движения полюса относительно континентов при их современном расположении: а – Северного относительно Европы и Северной Америки; б —Южного относительно Африки и Южной Америки; в – те же траектории. но при совмещении приатлантических частей континентов в соответствии с реконструкциями Вегенера (по Монину, 1980)
В 1962 Г. Хесс суммировал эти данные, сформулировав свою гипотезу разрастания (спрединга) океанического дна. Он предположил, что в мантии происходит конвекция, т.е. тепловое перемешивание вещества (подробнее об этом чуть дальше). Горячее, частично расплавленное мантийное вещество поднимается на поверхность по рифтовым трещинам; оно постоянно раздвигает края рифта и одновременно, застывая, наращивает их изнутри. При этом возникают многочисленные мелкофокусные землетрясения (с эпицентром на глубине несколько десятков километров). Хесс писал: «Этот процесс несколько отличается от дрейфа материков. Континенты не прокладывают себе путь сквозь океаническое дно под воздействием какой-то неведомой силы, а пассивно плывут в мантийном материале, который поднимается вверх под гребнем хребта и затем распространяется от него в обе стороны». Срединно-океанический хребет, таким образом, является просто-напросто местом, где на поверхность планеты выходит восходящий конвекционный ток, как в кастрюле, в которой варится кисель или жидкая каша; материк же (в рамках такой аналогии) является пенкой на этом киселе.Если на срединно-океанических хребтах постоянно образуется новая океаническая кора, то должно быть и место, где происходит обратный процесс, – ведь суммарная-то поверхность планеты не увеличивается. Где кора уходит обратно в некогда породившую ее мантию? В глубоководных желобах. Именно продольное давление постоянно расширяющейся океанической коры и является той силой, которая удерживает желоба в прогнутом состоянии и не дает их дну «всплывать». А энергия напряжений, возникающих, когда твердая кора вдвигается в лишь частично расплавленную мантию, выделяется в виде глубокофокусных землетрясений (с эпицентром на глубине до 600–650 км) и извержений вулканов (рис. 8).
В воображении океаническое дно представляется гигантской конвейерной лентой, выходящей на поверхность в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов и затем скрывающейся в глубоководных желобах. Предположение, что возраст океанической коры должен увеличиваться по мере удаления от рифта и достигать максимума на окраинах океанов, было блестяще подтверждено открытием на дне океанов так называемых полосовых магнитных аномалий.
Еще в 1906 году Б. Брюн, изучая остаточную намагниченность некоторых лав, установил, что она противоположна по направлению современному геомагнитному полю. Впоследствии было установлено, что такая обратная намагниченность – явление достаточно распространенное; при этом она явно создается не какими-то особыми свойствами самих этих изверженных пород, а обратной полярностью магнитного поля Земли в момент их остывания. Оказалось, что обращения (инверсии) геомагнитного поля, когда Северный и Южный полюса постоянного магнита (коим является Земля) меняются местами, происходят регулярно. В начале 60-х годов в результате определения абсолютного возраста соответствующих лав калий-аргоновым методом была разработана шкала инверсий геомагнитного поля, состоящая из чередующихся эпох нормальной (т.е. такой же, как в наши дни) и обратной полярности. Эта шкала стала основой для принципиально нового раздела стратиграфии – магнитостратиграфии.
Понятно, что образующиеся в рифтовых зонах породы океанической коры при своем остывании в соответствующие эпохи полярности тоже должны были приобретать, соответственно, нормальную или обратную намагниченность. Как выяснилось, эту намагниченность можно измерять прямо с океанской поверхности, не прибегая к анализу самого донного вещества. В 1963-64 годах независимо друг от друга Л. Морли, Ф. Вейн и Д. Мэтьюз пришли к выводу о том, что при спрединге океанического дна на нем должны образовываться полосы положительных и отрицательных магнитных аномалий, параллельные срединно-океаническим хребтам и симметричные относительно них; при этом ширина таких полос должна быть пропорциональна длительности соответствующих эпох полярности. Это предположение полностью подтвердилось (рис. 9, а). Тогда же родилась еще одна аналогия: океаническое дно – это магнитофонная лента, на которой записана история магнитного поля Земли.
Некоторое время спустя в результате глубоководных бурений были получены образцы как изверженных пород океанической коры (пригодные для определения их абсолютного возраста), так и лежащих непосредственно на них осадочных слоев с ископаемыми. Картина приобрела завершенность. Возраст океанической коры, например, в Атлантическом океане действительно постепенно «удревняется» – от почти современного у рифта до раннеюрского (170 млн лет) у побережья северной Америки. При этом ни в одном океане не удалось обнаружить коры более древней, чем юрская. Это полностью соответствует предположению, что вся океаническая кора со временем возвращается в мантию путем ее поглощения в глубоководных желобах (рис. 9, б).
Спрединг океанического дна – это один из «китов», на которых стоит господствующая ныне в геологии концепция тектоники литосферных плит. Из многих ее аспектов нас будет интересовать лишь рисуемая ею картина перемещения и взаиморасположения континентов в различные периоды прошлого, ибо именно эти перемещения в значительной степени определяют характер климата соответствующей эпохи. Глядя на реконструкции (рис. 10), мы видим, что материки могут «слипаться» в обширные континентальные массы (Гондвана, Пангея), которые затем раскалываются на отдельные фрагменты и вновь сталкиваются между собой (Азия и Индостан). Возникает естественный вопрос: является ли это движение бессистемным, «броуновским», или оно определяется некими закономерностями? И здесь нам придется вернуться к упомянутому выше процессу мантийной конвекции.
Рис. 8. Модель конвекции в мантии как механизма континентального дрейфа – а; схематический разрез Земли на основе гипотезы разрастания (спрединга) океанического дна – б; район глубоководного желоба – в: литосферная плита погружается в астеносферу (А), упирается в ее днище (Б и В) и разламывается – отламывается часть (Г). В зоне «трения» плит – мелкофокусные землетрясения (черные кружки), в зоне «упора» и «разлома» плиты – глубокофокусные землетрясения (белые кружки) (по Уеда, 1980)
Рис. 9. Свидетельства спрединга океанического дна: а —аномалии величины напряженности магнитного поля в районе Срединно-Атлантического хребта; б – карта значений возраста дна Северной Атлантики (цифры – миллионы лет) (по Монину, 1980)
Рис. 10. Положение материков: а —180 млн лет назад; б —135 млн лет назад; в – 65 млн лет назад; г – современное (по Монину, 1980)
Что такое конвекция вообще? Вот мы поставили на плиту чайник. Через некоторое время придонный слой воды нагревается от конфорки. Поскольку любое вещество при нагревании расширяется, эта придонная вода начинает занимать (при том же весе) несколько больший объем, а потому «всплывает» на поверхность – в соответствии с законом Архимеда. Холодные и, соответственно, «тяжелые» поверхностные слои «тонут», занимая место всплывших у источника тепла. Так образуется круговорот, называемый конвекционным током, который будет работать до тех пор, пока вся вода в сосуде не прогреется до одинаковой температуры.Этот тип конвекционного процесса (который мы только что описали) называют тепловой конвекцией. Г.Хесс предполагал, что она-то и происходит в мантии. Однако в последнее время геофизики отводят главную роль не тепловой, а фазовой конвекции. Дело в том, что существуют и другие (помимо нагрева) способы создать в среде архимедовы силы плавучести, которые породят конвекционный ток. Вспомним описанный в главе 2 процесс гравитационной дифференциации недр. Внутренние слои мантии, потерявшие при контакте с поверхностью ядра часть «ядерного» (богатого железом) вещества, обладают пониженной плотностью и положительной плавучестью; внешние слои мантии, напротив, уплотнились в результате выплавки из них «легкого», силикатного, вещества земной коры и обладают отрицательной плавучестью. Под действием этих архимедовых сил плавучести в мантии и развиваются крайне медленные (порядка нескольких сантиметров в год) конвекционные токи.
Объем вещества, охваченный конвекционным током, называют конвективной ячейкой. Весь объем греющегося чайника представляет собой единую ячейку. Если же мы станем нагревать широкий таз двумя удаленными друг от друга горелками, то у нас возникнут две относительно независимые системы циркуляции воды, взаимодействующие между собой. Ячейки бывают двух типов – открытые и закрытые. По краям открытых ячеек происходит подъем, а в центре – опускание вещества, т.е. в поверхностном слое вещество движется от краев к центру, а в придонном – от центра к краям; в закрытых ячейках, соответственно, все наоборот (рис. 11).
Литосферные плиты с «впаянными» в них континентами оказываются вовлеченными в движение вещества мантии в поверхностном слое конвективных ячеек, перемещаются вместе с ним (мантийным веществом) от областей его подъема к областям опускания (сравните: в кастрюле с кипящим молоком – ячейке закрытого типа – пенка собирается у стенок). В толстостенной сферической оболочке (каковой является мантия планеты) лишь две схемы организации конвекционного процесса могут быть относительно устойчивы. Одной, более простой, будет единственная ячейка, охватывающая собою всю мантию, с одним полюсом подъема вещества и одним же полюсом его опускания. В этом случае континенты собираются воедино вокруг полюса опускания, освобождая вокруг полюса подъема «пустое» океанское – полушарие; такая ситуация существовала, например, во времена Пангеи.
Рис. 11. Возникновение конвективной ячейки в нагреваемой жидкости – стрелками указано направление токов (слева вид сбоку, справа вид сверху): а – ячейка закрытого типа; б – ячейка открытого типа; в – двухъячеистая конвекция (две ячейки открытого типа)
Другая, более сложная, схема действует в наши дни. Это пара открытых ячеек типа «лоскутов теннисного мяча» – очень точное и наглядное определение. Теннисный мяч состоит из двух половинок, соединенных между собой так, что соединяющий их шов волнообразно изогнут относительно экватора двумя гребнями и двумя ложбинами; лоскуты теннисного мяча (в отличие от детского резинового) вытянуты, и их продольные оси взаимно перпендикулярны (рис. 12). Зону подъема вещества (являющуюся одновременно и границей между этими ячейками открытого типа – тот самый волнообразно изогнутый «шов») и составляет глобальная система срединно-океанических хребтов. Зонами же опускания при такой схеме являются продольные оси ячеек (более или менее перпендикулярные друг другу), вдоль которых должны выстраиваться две цепочки материков Примерно такая картина и наблюдается на Земле в настоящее время одну группу материков образуют Африка, Евразия и Австралия, другую Северная и Южная Америка и Антарктида. (Заметим, что в принципе возможна и такая двухъячеистая конвекция, когда граница между ячейками полностью совпадает с экватором планеты, однако это будет просто частный случай крайне малого искривления «шва».)Рис. 12. Схема организации конвекционного процесса: а – теннисный мяч, состоящий из двух лоскутов; б – схема поверхности планеты, имеющей две конвективные ячейки: «шов» – линия подъема мантийного вещества (срединно-океанические хребты), материки выстраиваются вдоль линии опускания мантийного вещества (оси каждого из лоскутов); в – поверхность современной Земли (заштрихован американо-антарктический «лоскут») (по Монину, 1980)
При одноячеистой конвекции положение полюсов подъема и опускания вещества всегда будет несколько отличаться от идеального (точно по диаметру планеты); там, где соединяющие их «меридианы» будут самыми длинными, образуется застойная область, в которой вещество не теряет железа и потому постепенно оказывается тяжелее окружающей его среды. Через некоторое время оно «проваливается» вглубь мантии, создавая второй полюс опускания и превращая конвекцию в двухъячеистую. Двухъячеистая конвекция постепенно ослабляется и затем переходит в одноячеистую (одна из ячеек как бы «съедает» другую), и конвекционный цикл начинается заново. Таким образом, взаиморасположение континентов определяется фазой конвекционного цикла в мантии – и наоборот: фаза конвекционного цикла, имевшая место в некую геологическую эпоху, может быть определена исходя из взаиморасположения континентов, реконструированного палеомагнитными, палеоклиматологическими и другими методами. Понятно, что все эти изменения весьма существенно влияют на климат соответствующей эпохи, а через него – на функционирование ее биосферы.
Глава 4
Происхождение жизни: абиогенез и панспермия. Гиперцикл. Геохимический подход к проблеме.
Рассмотрев вопросы, связанные с эволюцией самой Земли, мы приступаем теперь к изучению эволюции жизни на ней. Сразу оговорюсь: я не собираюсь ни углубляться в дебри определений того, что такое «жизнь», ни обсуждать чисто химические аспекты этого явления – это увело бы нас слишком далеко от темы спецкурса[8] . Наш подход к проблеме жизни на Земле будет сугубо функциональным, и в его рамках нам следует принять одно аксиоматичное утверждение: эволюция биосферы и составляющих ее экосистем идет в целом в сторону возникновения все более совершенных (т.е. устойчивых и экономных) круговоротов вещества и энергии. Совершенствование циклов направлено на то, чтобы минимизировать безвозвратные потери биологических систем: экосистема стремится препятствовать вымыванию микроэлементов и захоронению неокисленного углерода, переводить воду из поверхностного стока в подземный и т.д. Поэтому с общепланетарной точки зрения жизнь следует рассматривать как способ стабилизации существующих на планете геохимических циклов.
Вопрос о происхождении жизни на Земле еще со времен Э. Геккеля (1866) сводят к решению чисто химической задачи: как синтезировать сложные органические макромолекулы (прежде всего белки и нуклеиновые кислоты) из простых (метана, аммиака, сероводорода и пр.), которые составляли первичную атмосферу Земли. Ответ пока не найден.
В 20-е годы прошлого века А.И.Опарин и Дж.Холдейн экспериментально показали, что в растворах высокомолекулярных органических соединений могут возникать зоны повышенной их концентрации – коацерватные капли, которые в определенном смысле ведут себя подобно живым объектам: самопроизвольно растут, делятся и обмениваются веществом с окружающей их жидкостью через уплотненную поверхность раздела. Затем, в 1953 году, С. Миллер воспроизвел в колбе газовый состав первичной атмосферы Земли (исходя из состава современных вулканических газов) и при помощи электрических разрядов, имитирующих грозы, синтезировал в ней ряд органических соединений, в том числе аминокислоты. Через некоторое время С. Фоксу удалось осуществить безматричный синтез полипептидов (соединить аминокислоты в короткие нерегулярные цепи); подобные полипептидные цепи были потом найдены, среди прочей простой органики, в метеоритном веществе. Этим, собственно говоря, и исчерпываются реальные успехи, достигнутые в рамках концепции абиогенеза, если не считать того, что было ясно осознано, по крайней мере, одно фундаментальное ограничение на возможность синтеза «живых» (т.е. биологически активных) макромолекул из более простых органических «кирпичиков».
Многие органические соединения представляют собой смесь двух оптических изомеров – веществ, имеющих совершенно одинаковые химические свойства, но различающихся оптической активностью. Они по-разному отклоняют луч поляризованного света, проходящий через их кристаллы или растворы, и в соответствии с направлением этого отклонения называются право- или левовращающими (таким свойством обладают лишь чистые изомеры, смеси же их оптически неактивны). Это явление связывают с наличием в молекуле таких веществ асимметричного атома углерода, к четырем валентностям которого могут в разном порядке присоединяться четыре соответствующих радикала (рис. 13). Так вот, эти химически идентичные вещества, как выяснил еще в 1848 году Л. Пастер, вовсе не являются таковыми для живых существ: плесневый гриб пенициллиум (Penicillium), развиваясь в среде из виноградной кислоты, «поедает» лишь ее правовращающий изомер, а в среде из молочной кислоты – левовращающий (на этом, кстати, основан один из методов разделения оптических изомеров); человек легко определяет на вкус изомеры молочной кислоты.
Между тем даже успешный синтез «живых» макромолекул (до которого еще, как говорится, «семь верст – и все лесом») сам по себе проблемы не решает. Для того чтобы макромолекулы заработали, они должны быть организованы в клетку. Причем никаких возможностей для «промежуточной посадки» в ходе этого немыслимой сложности «перелета» вроде бы не просматривается: все так называемые доклеточные формы жизни (вирусы) являются облигатными (т.е. обязательными) внутриклеточными паразитами, а потому вряд ли могут являться предшественниками клеток. Пропасть, отделяющая полный набор аминокислот и нуклеотидов от простейшей по устройству бактериальной клетки, в свете современных знаний стала казаться еще более непреодолимой, чем это представлялось в XIX веке.
Вопрос о происхождении жизни на Земле еще со времен Э. Геккеля (1866) сводят к решению чисто химической задачи: как синтезировать сложные органические макромолекулы (прежде всего белки и нуклеиновые кислоты) из простых (метана, аммиака, сероводорода и пр.), которые составляли первичную атмосферу Земли. Ответ пока не найден.
В 20-е годы прошлого века А.И.Опарин и Дж.Холдейн экспериментально показали, что в растворах высокомолекулярных органических соединений могут возникать зоны повышенной их концентрации – коацерватные капли, которые в определенном смысле ведут себя подобно живым объектам: самопроизвольно растут, делятся и обмениваются веществом с окружающей их жидкостью через уплотненную поверхность раздела. Затем, в 1953 году, С. Миллер воспроизвел в колбе газовый состав первичной атмосферы Земли (исходя из состава современных вулканических газов) и при помощи электрических разрядов, имитирующих грозы, синтезировал в ней ряд органических соединений, в том числе аминокислоты. Через некоторое время С. Фоксу удалось осуществить безматричный синтез полипептидов (соединить аминокислоты в короткие нерегулярные цепи); подобные полипептидные цепи были потом найдены, среди прочей простой органики, в метеоритном веществе. Этим, собственно говоря, и исчерпываются реальные успехи, достигнутые в рамках концепции абиогенеза, если не считать того, что было ясно осознано, по крайней мере, одно фундаментальное ограничение на возможность синтеза «живых» (т.е. биологически активных) макромолекул из более простых органических «кирпичиков».
Многие органические соединения представляют собой смесь двух оптических изомеров – веществ, имеющих совершенно одинаковые химические свойства, но различающихся оптической активностью. Они по-разному отклоняют луч поляризованного света, проходящий через их кристаллы или растворы, и в соответствии с направлением этого отклонения называются право- или левовращающими (таким свойством обладают лишь чистые изомеры, смеси же их оптически неактивны). Это явление связывают с наличием в молекуле таких веществ асимметричного атома углерода, к четырем валентностям которого могут в разном порядке присоединяться четыре соответствующих радикала (рис. 13). Так вот, эти химически идентичные вещества, как выяснил еще в 1848 году Л. Пастер, вовсе не являются таковыми для живых существ: плесневый гриб пенициллиум (Penicillium), развиваясь в среде из виноградной кислоты, «поедает» лишь ее правовращающий изомер, а в среде из молочной кислоты – левовращающий (на этом, кстати, основан один из методов разделения оптических изомеров); человек легко определяет на вкус изомеры молочной кислоты.
Рис. 13. «Левая» и «правая» молекулы аланина
Сейчас известно, что все белки на нашей планете построены только из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты – из правовращающих сахаров; это свойство, называемое хиральной чистотой, считается одной из фундаментальнейших характеристик живого. А поскольку при любом абиогенном синтезе (например, в аппарате Миллера) образующиеся аминокислоты будут состоять из приблизительно равных (по теории вероятностей) долей право– и левовращающих изомеров, то в дальнейшем – при синтезе из этого «сырья» белков – перед нами встанет задача: как химическими методами разделить смесь веществ, которые по определению химически идентичны? (Не зря оптической активностью обладают лишь природные сахара – и ни один из синтетических, а упомянутые выше полипептиды из метеоритного вещества состоят из равных долей право– и левовращающих аминокислот.)Между тем даже успешный синтез «живых» макромолекул (до которого еще, как говорится, «семь верст – и все лесом») сам по себе проблемы не решает. Для того чтобы макромолекулы заработали, они должны быть организованы в клетку. Причем никаких возможностей для «промежуточной посадки» в ходе этого немыслимой сложности «перелета» вроде бы не просматривается: все так называемые доклеточные формы жизни (вирусы) являются облигатными (т.е. обязательными) внутриклеточными паразитами, а потому вряд ли могут являться предшественниками клеток. Пропасть, отделяющая полный набор аминокислот и нуклеотидов от простейшей по устройству бактериальной клетки, в свете современных знаний стала казаться еще более непреодолимой, чем это представлялось в XIX веке.