Читать онлайн «Эволюционизм. Том первый: История природы и общая теория эволюции». Страница 172

Биогенная миграция изучается отпочковавшейся от геохимии наукой – биохимией, основателем которой также является В.И. Вернадский. Именно Вернадский убедительно доказал, что живое вещество является главной химической силой земной поверхности, движущей (и мобилизующей) силой химической эволюции наземной и околоземной природы. Химические элементы перемещаются в определённом порядке, который определяется жизнедеятельностью одних подсистем биосферы и подготавливает возможность жизнедеятельности других. Миграция элементов происходит либо при непосредственном участии живого вещества, либо в среде с геохимическими особенностями, возникшими с участием живого вещества. В результате биогенной миграции возникает биогенное и биокосное вещество. К биогенному веществу относятся известняки, кораллы, горючие ископаемые (уголь, нефть) и т. д. Биокосное вещество представлено различными типами почв.

Живые организмы осуществляют самые различные виды химических превращений веществ, аккумулируют в себе химические элементы из внешней среды. Они обусловливают миграцию газов, потребляют одни газы и выделяют другие. Горючие вещества и осадочные горные породы создаются на основе живого вещества. На основе жизнедеятельности микроорганизмов происходит рудообразование. Живое вещество включает как процессы жизнедеятельности живых организмов, так и прекращения жизни и разложения органических веществ, что также способствует интенсивной миграции химических элементов. Всё это в совокупности обеспечивает упорядоченный кругооборот вещества и энергии с участием всех видов химических элементов, атомов, изотопов и ионов.

Биосфера продуцирует ежегодно около 170 млрд. тонн углерода и 467 млрд. тонн кислорода. Земля и её биосфера представляют собой, по существу, глобальную фабрику химических веществ с огромной экономичностью и эффективностью. К сожалению, время, затрачиваемое на производство, несоизмеримо с потребностями в ресурсах человеческой цивилизации. Ограниченность ресурсов Земли, накопленных биосферой за миллиарды лет, вынудит земную цивилизацию к созданию способов искусственного производства ресурсов и извлечению ресурсов внеземного происхождения.

Геохимические процессы, происходящие в недрах Земли и в её коре, в самом деле напоминают производственные циклы на химическом предприятии. Многие из этих процессов протекают в мантии при очень высоких давлениях и температурах. В миниатюре такие процессы воспроизводятся в научных лабораториях, в ходе экспериментов которых получаются аналогичные результаты. Природа Земли самостоятельно, без участия разума освоила процессы смешивания, растворения, кристаллизации, плавления, изменения структуры минералов в условиях высоких давлений и температур (метаморфизма), фильтрации, радиоактивного распада и т. д. В совокупности эти процессы обеспечивают рудообразование и насыщение приповерхностного слоя коры, глубиной 0,5–4,5 км, разнообразными веществами, составляющими природно-ресурсный потенциал человеческой цивилизации. Ядро Земли воздействует на мантию, мантийные потоки обеспечивают необходимые давления и температуры для протекания физико-химических процессов в литосфере, а литосферные плиты всей своей тяжестью давят на мантию. Результатом всех этих сложных взаимодействий являются месторождения алмазов, железа, золота, пластины, меди, вольфрама, молибдена, урана, горных пород, многие из которых служат сырьём для изготовления строительных материалов.

Земная кора состоит главным образом из восьми элементов – кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия и калия. Почти половину массы коры составляет кислород, но он находится здесь, в отличие от его содержания в воздухе атмосферы, в связанном состоянии, прежде всего в окислах различных металлов. Преобладающую роль в земной коре играют лёгкие элементы – кремний, алюминий и их окислы – кремнезём и глинозём. Типичными для земной коры также являются фосфор и сера. Макроскопическое же сложение земной коры характеризуется горными породами различного типа и происхождения. Из них около 70 % составляют магматические породы, т. е. имеющие своё происхождение из магмы и поставляемые из глубин Земли вулканической активностью; около 20 % представляют собой метаморфические породы, возникшие в ходе преобразования минеральных масс при высоких температурах и давлениях; около 9 % приходится на осадочные породы.

Кажущаяся неподвижность и непоколебимость континентальной коры постоянно нарушается выветриванием, сносом и воздействием биосферы. Вследствие этих процессов вся континентальная поверхность полностью обновляется за 80-100 млн. лет.

В отличие от коры, мантия Земли насыщена как лёгкими элементами (магнием, кальцием), так и тяжёлыми (железом, марганцем, хромом, кобальтом, титаном и др.). Они также присутствуют в составе сложных окислов, ведущую роль среди которых составляют силикаты. Соответственно земная кора находится под двойным химическим воздействием – изнутри и снаружи. Изнутри из глубин земли, прорываясь сквозь плотный слой литосферы, происходит воздействие мантии, а сверху, из атмосферы, гидросферы и биосферы направляются потоки воздействий самых различных естественных процессов, происходящих на поверхности Земли. Итогом является колоссальная сложность химии земной коры, многообразие её химического состава.

Колоссальную роль в химической истории Земли играет радиоактивность. На эту роль впервые пристальное внимание обратил ирландский учёный Д. Джоли ещё в 1908 г. Его доклад о геологической значении радиоактивности произвёл сенсацию в научном мире и был встречен с огромным интересом образованным обществом в самых различных странах. Основываясь на успехах физики и химии своего времени, он впервые обосновал мысль о том, что всякий атом – не последний и неделимый, а только ключевой структурный компонент материи, а как токовой – как и всё в мире – имеет предел своего существования и с течением времени неизбежно распадается. Расчёты Джоли показывали, что с распадом атомов выделяется значительное количество тепловой энергии, а если просуммировать это количество в масштабах планеты, то его будет достаточно, чтобы обеспечить разогрев магмы, извержения вулканов, процессы горообразования и другие геологические процессы. Так возникла идея о первоначально холодном газопылевом облаке, которое разогревалось радиоактивным распадом атомов.

Земля в процессе своего формирования, как и многие другие первичные планетные образования, обладала высоким уровнем радиоактивности, и тепловая энергия, выделявшаяся в процессах радиоактивного распада, способствовала дифференциации вещества Земли, выделению ядра, мантии, созданию базальтовых расплавов, которые, застывая, образовывали плиты литосферы. Радиоактивность способствовала возникновению сложных органических соединений, которые явились одной из важнейших предпосылок и стартовым условием развития жизни.

Самые различные элементы, систематизированные в таблице Менделеева, характеризуются определённым набором изотопов, т. е. атомов с тем же зарядом ядра, но с разными массами. Вещество Земли и других планет состоит из 300 изотопов, из которых 273 стабильны, а остальные 27 нестабильны, радиоактивны. Радиоактивными являются все изотопы, расположенные в таблице Менделеева за 83-м элементом, – висмутом. Радиоактивными являются и некоторые изотопы более лёгких элементов, даже самого лёгкого – водорода. Ядра таких атомов нестабильны и распадаются с испусканием либо альфа-частиц, т. е. ядер гелия-4, либо бета-частиц, т. е. электронов. Радиоактивный распад ядра приводит к образованию другого ядра, чаще всего к возникновению изотопа другого элемента. При этом выделяется значительная тепловая энергия, которая способствует поддержанию теплового баланса Земли. Наиболее важную роль в этом процессе играют радиоактивные изотопы трёх элементов – урана, тория и калия.

При всех своих недостатках и телесной ограниченности Земля является космическим образованием величайшей физико-химической активности и разнообразия. Происходит это благодаря описанному выше эффекту двойной мобилизации, действующему из глубин Земли и с её поверхности, из биосферы.

Прогнозы экологов относительно наличия ресурсов в недрах Земли сильно занижены. Это показывает и пробуренная на Кольском полуострове сверхглубокая скважина, позволившая впервые в истории Земли проникнуть в её толщу на 12 километров и войти в прямой контакт с условиями её внутренней среды. Это космическое путешествие вглубь Земли показало, что химическая эволюция Земли продуцирует её физико-химические ресурсы, и, в частности, процессы рудообразования на очень больших глубинах. Естественное химическое производство в недрах Земли обусловлено своеобразием динамики температуры и давления в её глубинах.