Земля и жизнь - Александр Вологдин

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.