Возникновение солнечной системы

Теория Канта

На протяжении многих веков вопрос о происхождении Земли оставался монопо- лией философов, так как фактический материал в этой области почти полностью отсутствовал. Первые научные гипотезы относительно происхождения Земли и солнечной системы, основанные на астрономических наблюдениях, были выдви- нуты только лишь в xviii веке. С тех пор не переставали появляться все новые и новые теории, соответственно росту наших космогонических представлений.
Первой в этом ряду была знаменитая теория, сформулированная в 1755 году немецким философом Иммануилом Кантом. Кант считал, что солнечная система возникла из некой первичной материи, до того свободно рассеянной в космосе.
Частицы этой материи перемещались в различных направлениях и, сталкиваясь друг с другом, теряли скорость. Наиболее тяжелые и плотные из них под дей- ствием силы притяжения соединялись друг с другом, образуя центральный сгус-

ток - Солнце, которое, в свою очередь, притягивало более удаленные, мелкие и легкие частицы.
Таким образом возникло некоторое количество вращающихся тел, траектории которых взаимно пересекались. Часть этих тел, первоначально двигавшихся в противоположных направлениях, в конечном счете были втянуты в единый поток и образовали кольца газообразной материи, расположенные приблизитель- но в одной плоскости и вращающиеся вокруг Солнца в одном направлении, не мешая друг другу. В отдельных кольцах образовывались более плотные ядра, к которым постепенно притягивались более легкие частицы, формируя шаро- видные скопления материи; так складывались планеты, которые продолжали кружить вокруг Солнца в той же плоскости, что и первоначальные кольца газо- образного вещества.

Небулярная теория Лапласа

В 1796 году французский математик и астроном Пьер-Симон Лаплас выдвинул теорию, несколько отличную от предыдущей. Лаплас полагал, что Солнце существовало первоначально в виде огромной раскаленной газообразной туман- ности (небулы) с незначительной плотностью, но зато колоссальных размеров.
Эта туманность, согласно Лапласу, первоначально медленно вращалась в простран- стве. Под влиянием сил гравитации туманность постепенно сжималась, причем скорость ее вращения увеличивалась. Возрастающая в результате центробежная сила придавала туманности уплощенную, а затем и линзовидную форму. В эквато-

риальной плоскости туманности соотношение между притяжением и центробеж- ной силой изменялось в пользу этой последней, так что в конечном счете масса вещества, скопившегося в экваториальной зоне туманности, отделилась от осталь- ного тела и образовала кольцо. От продолжавшей вращаться туманности по- следовательно отделялись все новые кольца, которые, конденсируясь в опреде- ленных точках, постепенно превращались в планеты и другие тела солнечной системы. В общей сложности от первоначальной туманности отделилось десять колец, распавшихся на девять планет и пояс астероидов - мелких небесных тел.
Спутники отдельных планет сложились из вещества вторичных колец, оторвав- шихся от раскаленной газообразной массы планет.
Вследствие продолжавшегося уплотнения материи температура новообразован- ных тел была исключительно высокой. В то время и наша Земля, по П. Лапласу, представляла собой раскаленный газообразный шар, светившийся подобно звез- де. Постепенно, однако, этот шар остывал, его материя переходила в жидкое состояние, а затем, по мере дальнейшего охлаждения, на его поверхности стала образовываться твердая кора. Эта кора была окутана тяжелыми атмосферными парами, из которых при остывании конденсировалась вода.
Эти две теории взаимно дополняли друг друга, поэтому в литературе они часто упоминаются под общим названием как гипотеза Канта-Лалласа. Поскольку наука не располагала в то время более приемлемыми объяснениями, у этой теории было в XIX веке множество последователей.
Современные теории
Среди последующих космогонических теорий можно найти и теорию «катас- троф», согласно которой наша Земля обязана своим образованием некоему вмешательству извне, например, близкой встрече Солнца с какой-то блуждающей звездой, вызвавшей извержение части солнечного вещества. В результате рас- ширения раскаленная газообразная материя быстро остывала и уплотнялась, образуя большое количество маленьких твердых частиц, скопления которых были чем-то вроде зародышей планет.
В последние годы американскими и советскими учеными был видвинут ряд новых гипотез. Если раньше считалось, что в эволюции Земли происходил не- прерывный процесс отдачи тепла, то в новых теориях развитие Земли рассматри-

вается как результат многих разнородных, порой противоположных процессов.
Одновременно с понижением температуры и потерей энергии могли действовать и другие факторы, вызывающие выделение больших количеств энергии и ком- пенсирующие таким образом убыль тепла. Одно из этих современных предположений его автор американский астроном Ф. Л. Уайпль (1948) назвал
«теорией пылевого облака». Однако по существу это ничто иное как видоизме- неный вариант небулярной теории Канта-Лапласа.
Любопытно, что на новом уровне, вооруженные более совершенной техникой и более глубокими познаниями о химическом составе солнечной системы, астрономы вернулись к мысли о том, что Солнце и планеты возникли из об- ширной, нехолодной туманности, состоящей из газа и пыли. Мощные телескопы обнаружили в межзвездном пространстве многочисленные газовые и пылевые
«облака», из которых некоторые действительно конденсируются в новые звезды.
В связи с этим первоначальная теория Канта-Лапласа была переработана с при- влечением новейших данных; она может сослужить еще хорошую службу в деле объяснения процесса возникновения солнечной системы.
Каждая из этих космогонических теорий внесла свой вклад в дело выяснения сложного комплекса проблем, связанных с происхождением Земли. Все они рассматривают возникновение Земли и солнечной системы как закономерный результат развития звезд и вселенной в целом. Земля появилась одновременно с другими планетами, которые, как и она, вращаются вокруг Солнца и являются важнейшими элементами солнечной системы.

Земля: атмосфера и гидросфера

После своего возникновения приблизительно 4600 млн. лет тому назад наша
Земля, по всей вероятности, уже не меняла своей формы. Ее химический состав также остался первоначальным, однако распределение отдельных химических элементов существенно изменилось. Поверхность Земли первоначально была пустынной и не носила следов эрозии.
Первичная атмосфера Земли, возникшая из межзвездного газа, состояла преимущественно из водорода и гелия. Однако гравитация Земли не могла удержать легкие газы и значительная часть их ускользала в межпланетное пространство, а оттуда под действием солнечного ветра эти газы вытеснялись за пределы солнечной системы.
Современная «кислородная» земная атмосфера имеет вторичное происхожде- ние. Она пополнялась и пополняется за счет газов, выделяющихся при жизне- деятельности организмов на поверхности Земли и вулканической деятельности земных недр. Биогенное происхождение имеет практически весь свободный кислород атмосферы.
Видимо, лишь в течение относительно короткого времени Земля оставалась безводной. Ее гидросфера сложилась приблизительно таким же путем, как и атмосфера - сначала в виде водяных паров, которые по мере понижения температуры конденсировались и выпадали в виде осадков. Поскольку Земля находится на довольно-таки выгодном расстоянии от Солнца (в 1500 млн. кило- метрах), температура на ее поверхности колеблется в узких пределах, главным образом оставаясь обычно несколько выше 0 . При такой температуре вода на поверхности Земли остается в жидком состоянии, что имело колоссальное значение для всей дальнейшей истории Земли, так как вода является идеальной средой для самых разных химических реакций. Как только на поверхности Земли стали задерживаться водные массы, образуя в местах депрессий сплошные водные бассейны, в эволюции нашей планеты наступил период, известный под названием океанического.
На Земле участились ураганы и грозы невиданной силы. Ливни растворяли все растворимые соли, находившиеся на поверхности Земли, а также вымывали их из горных пород. Образовавшиеся растворы выносились в мировой прото- океан и накапливались там. Таким образом, морская вода стала соленой уже очень рано.
С возникновением гидросферы и атмосферы появились новые силы, активно преобразующие лик Земли и ныне.

Осадочные породы

Древнейшими горными породами являются застывшие кристаллические породы первичной коры, образовавшиеся из расплавленной магмы еще на
«звездной» стадии эволюции Земли по мере ее постепенного остывания. Все участки Земли, которые после образования первичного океана остались не покры- тыми водой, начали подвергаться физическому и химическому выветриванию.
Частицы разрушенных горных пород перемешались под влиянием ветра и водных потоков и осаждались на новых местах в виде осадочных пород.
Осадки откладывались последовательными слоями и группами слоев, чаще всего на дне морей. Они уплотнялись, превращаясь в горные породы, бесчислен-

ные тектонические движения земной коры сжимали их в складки. То тут, то там возникали и вновь разрушались горы. Осадочные породы являются свидетелями этих превращений. По ним мы можем сказать, откладывались ли они в море или в пустыне, в условиях теплого или холодного, засушливого или влажного кли- мата. Если бы на Земле существовало место, где осадочные породы оставались бы в нетронутом виде так, как они отлагались в течение в,сех геологических пе- риодов вплоть до наших дней, то мы получили бы законченную картину истории
Земли. Эта картина включала бы в себя и историю жизни на Земле, так как различные слои осадочных пород содержат окаменелые остатки современных им животных и растений. Изучая их мы можем познать, как развивалась жизнь на нашей планете и как выглядели предки современных животных и самого человека.
Из геологии мы знаем, что земная кора не является неподвижной. Одни ее части поднимаются, другие опускаются. Во многих местах море отступает, осво-

бождая большие куски суши, тогда как в других местах целые районы медленно, но верно погружаются в зыбучие волны. Так могут возникать из моря или погру-

жаться в него целые континенты. Такая «неспокойная» эволюция земной по- верхности не позволяет осадочным породам откладываться в непрерывных се- риях; вот почему количество и характер отложений в разных местах различны и повсюду отличаются неполнотой.
Законченную картину развития Земли можно получить, только изучая слои осадочных пород в различных местах земной поверхности и сопоставляя полу- ченные результаты. В этом и состоит основная задача исторической геологии, главный раздел которой - наука об исторической последовательности слоев земной коры - именуется стратиграфией. Эта наука основывается на изучении состава горных пород (литология), а также на исследовании остатков животных и растений, «законсервированных» в горных породах, и на определении абсолют-

ного возраста горных пород, основывающемся на закономерностях распада во времени радиоактивных элементов, содержащихся в этих породах.
По высоте эволюционного развития ископаемых организмов в слоях различно- го возраста мы можем распределить эти слои по стратиграфической шкале.
Наука, изучающая органический мир прошлых геологических эпох по окаменевшим остатком животных и растений, захороненных в осадочных породах, называется палеонтологией.
На основе стратиграфических данных геологи и палеонтологи подразделили всю историю Земли на два неравных этапа: криптозой с археозойской и протеро-

зойской эрами и фанерозой с палеозойской, мезозойской и кайнозойской эрами.
Эры, в свою очередь, подразделяются на различные периоды, эпохи и т. д.
Мы начнем наше описание со времени, когда на Земле впервые появилась жизнь, с древнейшего первичного океана криптозоя.

Криптозой

Это геологическое время началось с момента происхождения Земли 4,6 млрд. лет назад, включает период формирования земной коры и протоокеана и заканчи-

вается с широким распространением высокоорганизованных организмов с хорошо развитым наружным скелетом. Криптозой принято подразделять на архей, или археозой, длившийся приблизительно 2 млрд. лет, и протерозой, продолжи- тельность которого также близка к 2 млрд. лет. Когда-то в криптозое, не позже чем 3,5 млрд. лет назад, появилась на Земле жизнь.

Происхождение жизни
Жизнь могла появиться только тогда, когда в архее сложились для этого благоприятные условия и, в первую очередь, благоприятная температура.
Живая материя, помимо других веществ, построена из белков. Поэтому к мо- менту происхождения жизни температура на земной поверхности должна была упасть настолько, чтобы белки не разрушались. Известно, что ныне температур-

ная граница существования живой материи лежит у 90 С, в горячих источниках при этой температуре живут некоторые бактерии. При этой высокой температуре уже могут образовываться определенные органические соединения, необходи- мые для образования живой материи, и прежде всего белки. Трудно сказать, сколько времени понадобилось для того, чтобы земная поверхность остыла для соответствующей температуры.
Многие исследователи, изучающие проблему происхождения жизни на Земле, полагают, что жизнь зародилась на морском мелководье в результате обычных физико-химических процессов, присущих неорганической материи. Определен- ные химические соединения образуются в определенных условиях и химические элементы соединяются друг с другом в определенных весовых соотношениях.
Вероятность возникновения сложных органических соединений особенно высока для атомов углерода вследствие их специфических особенностей. Именно поэтому углерод стал тем строительным материалом, из которого по законам физики и хи- мии относительно легко и быстро возникли самые сложные органические соеди- нения.
Молекулы отнюдь не сразу достигли той степени сложности, которая необхо- дима для построения «живой материи. Мы можем говорить о химической эволю- ции, предшествовавшей биологической и завершившейся появлением живых су- ществ. Процесс химической эволюции был довольно медленным. Начало этого процесса удалено от современности на 4,5 млрд. лет и практически совпадает со временем формирования самой Земли. Первым этапом на этом пути было возникновение элементов, которые стали вступать в различные комбинации, образуя химические соединения. И вскоре после этого на поверхности Земли появились органические соединения и их полимеры, оказавшиеся предшествен- никами первичных живых систем - эобионтов. Последние появились на менее
3,5 млрд. лет назад.
Первые живые организмы отличались, естественно, предельной простотой строения. Однако естественный отбор, в ходе которого выживали мутанты, лучше приспособленные к условиям среды, я вымирали их менее адаптированные кон- куренты, вел к неуклонному усложнению форм жизни. Первичные организмы, появившиеся, по нашим представлениям, где-то в раннем архее, еще не подраз- делялись на животных и растения. Обособление этих двух систематических групп было закончено только в конце раннего архея. Древнейшие организмы жили и умирали в первичном океане, и скопления их мертвых тел уже могли оста- вить в породах отчетливые отпечатки.
Первые живые организмы могли питаться исключительно органическими веществами, т. е., они были гетеротрофными. Но исчерпав запасы органического вещества в своем ближайшем окружении, они оказались поставленными перед выбором: погибнуть или выработать способность синтезировать органические вещества из материалов неживой природы, и прежде всего из углекислого газа и воды. И действительно, в ходе эволюции некоторые организмы (растения) приобрели способность поглощать энергию солнечных лучей и с ее помощью расщеплять воду на составляющие элементы. Используя водород для восстано- вительной реакции, они смогли перерабатывать углекислый газ в углеводы и строить из него другие органические вещества в своем теле. Эти процессы известны под названием фотосинтеза. Организмы, способные превращать не- органические вещества в органические путем внутренних химических процессов, называются автотрофными. Появление фотосинтезирующих автотрофных орга- низмов явилось переломным моментом в истории жизни на Земле. С этого времени началось накопление свободного кислорода в атмосфере и стало резко увеличиваться общее количество существующего на Земле органического ве- щества. Без фотосинтеза дальнейший прогресс в истории жизни на Земле был невозможен. Следы фотосинтезирующих организмов мы находим в самых древ- них слоях земной коры.
Первые животные и растения были микроскопическими одноклеточными существами. Определенным шагом вперед было объединение однородных клеток в колонии; однако по-настоящему серьезный прогресс стал возможен только после появления многоклеточных организмов. Их тела состояли из отдель- ных клеток или групп клеток различной формы и назначения. Это дало толчок бурному развитию жизни, организмы становились все более сложными и разно- образными. В начале протерозойского периода быстро прогрессировала флора и фауна планеты. В морях процветали уже несколько более прогрессивные формы водорослей, появились первые многоклеточные организмы: губки, кишечно- полостные, моллюски и черви. Последующие этапы биологического развития сравнительно легко прослеживаются по окаменелым остаткам скелетов, встре- чающимся в различных слоях земной коры. Эти остатки, которые благодаря случаю и благоприятной среде сохранились в отложениях вплоть до наших дней, мы называем окаменелостями, или ископаемыми.
Древнейшие окаменелости
Древнейшие остатки организмов на Земле обнаружены в докембрийских отло- жениях Южной Африки. Это бактериеподобные организмы, возраст которых оценивается учеными в 3,5 млрд. лет. Они столь малы (0,25 Х 0,60 мм), что разглядеть их можно только с помощью электронного микроскопа. Органические части этих микроорганизмов хорошо сохранились и позволяют сделать заключе- ние о сходстве с современными бактериями. Химический анализ выявил их био- логический характер. Другие доказательства докембрийской жизни были найде- ны в древних образованиях Миннесоты (27 млрд. лет), Родезии (2,7 млрд. лет), вдоль границы Канады и США (2 млрд. лет), на севере штата Мичиган (1 млрд. лет) и в других местах.
Остатки животных со скелетными частями обнаружены в докембрийских отложениях лишь в последние годы. Однако уже давно в докембрийских отло- жениях находили остатки различных «бесскелетных» животных. Эти примитив- ные существа еще не имели ни известкового скелета, ни твердых опорных струк-

тур, однако изредка находились отпечатки тел многоклеточных организмов, а как исключение и их окаменевшие остатки. В качестве примера можно привести открытие в канадских известняках любопытных шишковидных образований -
Atikokania, - которых многие ученые считают родителями морских губок. На жизнедеятельность более крупных живых существ, по всей вероятности червей, показывают четкие зигзагообразные отпечатки, - следы ползания, а также остатки «норок», обнаруженные в тонкослоистых осадках морского дна. Мягкие тела животных разложились в незапамятные времена, но палеонтологи смогли по следам определить образ жизни животных и установить существование различных их родов, напр., Planolithes, Russophycus и др. Чрезвычайно интерес- ная фауна была открыта в 1947 г. австралийским ученым Р.К. Сприггсом в хол- мах Эдиакары, приблизительно в 450 км к северу от Аделаиды (Южная Австра- лия). Эта фауна была изучена профессором Аделаидского университета, австрий-

цем по происхождению, Н. Ф. Глесснером, который констатировал, что боль- шинство видов животных из Эдиакары относится к неизвестным ранее группам бесскелетных организмов. Одни из них принадлежат к древним медузам, другие напоминают сегментированных червей - аннелид. В Эдиакаре и близких по возрасту местонахождениях Южной Африки и других регионов обнаружены также остатки организмов, принадлежащих к совершенно неизвестным науке группам.
Так, профессор X. Д. Пфлуг установил на основе некоторых остатков новый тип примитивных многоклеточных животных Petalonamae. Эти организмы обладают листовидным телом и происходят, по-видимому, от примитивнейших колониаль- ных организмов. Родственные связи петалонамий с другими типами животных не вполне ясны. С эволюционной точки зрения, однако, очень важно что в эдиа-

карское время сходная по составу фауна населяла моря различных регионов
Земли.
Еще совсем недавно многие высказывали сомнение в том, что эдиакарские находки действительно имеют протерозойское происхождение. Новые радио- метрические методы показали, что слои с эдиакарской фауной насчитывают воз- раст около 700 млн. лет. Иными словами, они принадлежат позднему протеро- зою.
Еще более широкое распространение имели в протерозое микроскопические одноклеточные растения. Следы жизнедеятельности синезеленых водорослей - так называемые строматолиты, построенные из концентрических слоев извести, известны в отложениях, возраст которых насчитывает до 3 млрд. лет. Сине- зеленые водоросли не обладали скелетом и строматолиты образованы материалом, выпавшим в осадок в результате биохимических процессов жизнедеятельности этих водорослей. Синезеленые водоросли, наряду с бактериями, принадлежат к наиболее примитивным организмам - прокариотам, в клетках которых еще отсутствовало оформленное ядро.
Итак, в докембрийских морях появилась жизнь, а появившись, разделилась на две главные формы: на животных и растения. Первые простейшие организмы развились в многоклеточные организмы, относительно сложные живые системы, ставшие родоначальниками растений и животных, которые в последующие геологические эпохи расселились по всей планете. Жизнь множила свои проявле-