Ричард Флинт - История Земли
Abelson P. H., 1966, Chemical events on the primitive earth: "Nat. Acad. Sci. Proc." v. 55, p. 1365-1372. McLaughlinD. В., 1965, p. 669-698 in Kay, Marshall, Colbert E. H., Stratigraphy and life history: John Wiley 8; Sons, New York.
Urеу H. C., 1952, The origin of the earth: "Sci. American", v. 187. p. 53-60.
ЛУНА:
Mutch T. A.. 1970, Geology of the Moon: Princeton University Press. Princeton, N. J.
МАГНИТНЫЕ ОБРАЩЕНИЯ:
Сох Allan, and others, 1967. Reversals of the Earth's magnetic field: "Sci. American", v. 216, p. 44-54.
ДВИЖЕНИЕ ПЛИТ ЗЕМНОЙ КОРЫ И КОНТИНЕНТОВ:
Воtt M. H. P., 1971. The interior of the Earth: St. Martin's Press, New York. Ernst W. G.. 1969, Earth materials: Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J.
Hammond A. L., 1971, Plate tectonics...: Science, v. 173, p. 40-41, 133-134.
Heirtz1er J. R.. 1968. Sea-fооr spreading: "Sci. American", v. 219, p. 60-70.
Menard H. W., 1971, p. 1-14 in Turekian К. К., ed., Late Cenozoic glacial ages: Yale University Press, New Haven.
Mоrgan W. J.. 1968, Rises, trenches, great faults, and crustal blocks: "Jour. Geophys. Research", v. 73, p. 1959-1982.
Wilson J. Т., and others, 1972, continents adrift: W. H. Freeman and Co., San Francisco. (Paperback) (Reprints of 15 articles from Scientific American about the movement of crust plates.)
Глава седьмая. Молодость биосферы
Органическое вещество
Предположительно мы уже знаем, что атмосфера образовалась в результате выделения некоторых первичных элементов из глубин Земли, где они первоначально входили в состав ее твердого тела, и что гидросфера образовалась в результате конденсации атмосферной влаги.
Атмосфера представляет собой простую смесь азота, кислорода, углекислого газа, водяного пара и некоторых других газов. Состав гидросферы еще более прост - главным образом Н2О. По сравнению с ними биосфера гораздо сложнее. Несмотря на то что она состоит из тех же самых основных веществ, что атмосфера и гидросфера, биосфера сложна благодаря многочисленным химическим и структурным изменениям. Раньше, когда знания об органическом веществе были еще очень ограниченными, основное органическое вещество называли протоплазмой. Химическими элементами, которые образуют это вещество (а в действительности большую группу веществ), являются главным образом водород, кислород, азот и углерод. В самом деле, около 99% всего органического вещества состоит из указанных четырех элементов. Вместе с ними в состав протоплазмы входят сера, фосфор и в небольших количествах еще свыше двух десятков элементов. Эти составные элементы образуют огромное количество соединений. В количественном отношении суммарный состав биосферы близок к составу морской воды. В нем не содержится ни одного элемента, который был бы свойствен исключительно живому веществу, ни одного, который не встречался бы в неорганической материи. Поэтому в основе химическое строение вещества биосферы не отличается от строения двух других подвижных оболочек [гидросферы и атмосферы. - Ред]. Оно отличается только по способу отбора и организации основных компонентов. Это различие хорошо согласуется с идеей, которую поддерживает большинство ученых и согласно которой живое вещество было построено из неорганической материи.
Клетки
Живое вещество состоит из структурных и функциональных единиц, называемых клетками; они могут быть уподоблены кирпичам или блокам, из которых строится здание, и, различаясь по форме и размерам, могут образовывать множество разнообразных функциональных систем. Каждая клетка окружена клеточной мембраной, полупроницаемой молекулярной "стенкой", через которую могут проходить вода и питательные вещества. Некоторые простые организмы состоят из одной клетки; другие представляют собой чрезвычайно сложные системы клеток, выполняющих множество разнообразных функций. Вне зависимости от степени сложности каждый организм сохраняет свою структуру и форму, в то время как через него проходит поток вещества, имеющего своим источником Землю, и энергии, происходящей от Солнца. Поток этот принимает форму химических реакций, осуществляющих разнообразные функции: питание, построение материала новых клеток, удаление отходов и воспроизводство особей. Другими словами, организм, созданный из клеток, живет. Период жизни отдельной клетки колеблется от нескольких минут до нескольких десятилетий. В конце концов она разрушается. Но тип клеток продолжает существовать, обладая способностью к воспроизводству.
Три главные группы живых организмов
Все живые организмы объединяются в три большие группы, две из которых - растения и животные - хорошо всем известны. В общих чертах мы можем определить различия между ними, сказав, что животные обладают способностью к произвольному перемещению, а растения не обладают. Однако более существенно биохимическое различие этих групп. Растения создают свою пищу путем химической реакции восстановления в процессе, называемом фотосинтезом. Процесс этот заключается в том, что он воздействует на углекислый газ (СО2), отделяя кислород от углерода и используя воду и солнечную энергию. Растения образуют органические соединения, в которых солнечная энергия накапливается как потенциальная энергия, а остаточный кислород выделяется в свободном виде (О2). Животные отличаются от растений. Они питаются веществами, которые уже созданы другими организмами, и поедают растения или других животных, которые в свою очередь питались растениями. При дыхании они поглощают свободный кислород из атмосферы или гидросферы и с его помощью окисляют органические соединения пищи. Растения тоже дышат, но менее активно.
Окисление - это процесс медленного сгорания, которое высвобождает энергию из углеродно-водородных соединений органических молекул. Это та энергия, которая была накоплена растениями в их тканях. Окисление создает возможность использования этой энергии во многих процессах. В процессе дыхания выдыхается СО2, который может сразу же снова вовлекаться в жизненный цикл растений. Таким образом, между растениями и животными существует двусторонняя связь, которая осуществляется путем реакций окисления и восстановления, причем основным предметом обмена служит кислород. В реакции восстановления растения выделяют кислород; в окислительных реакциях животные выделяют углекислый газ.
Третья группа организмов гораздо менее известна. Она охватывает царство одноклеточных организмов, не являющихся ни животными, ни растениями; сюда относятся зеленые водоросли, бактерии и одноклеточные простейшие, которые прежде считались животными. Тела у большинства простейших состоят из одной клетки или слабо дифференцированы. Предполагается, что зеленые водоросли были предками растений. В действительности простейшие как группа в целом предположительно являются общими предками и растений и животных, и потому тесно связаны с проблемой возникновения жизни вообще.
Давайте вернемся на минуту к вопросу циклов, упомянутому выше. Циклически повторяющееся движение элементов в биосфере подобно тому, которое происходит в неорганических оболочках. В главе второй мы описали круговорот пород как серию повторяющихся преобразований, при которых одни и те же химические элементы меняются местами и образуют различные соединения. Позднее они высвобождаются и образуют другие соединения, бесконечно повторяясь. Круговорот углерода и кислорода, при котором эти элементы временно входят в состав тел растений и затем животных, возвращаясь потом скова в растения, представляет собой биологический цикл. Этот цикл, как и круговорот горных пород, является составной частью движения вещества на Земле.
Определение живого вещества
Как можно определить живое вещество? Пожалуй, ближе всего к этому определению стоит следующее утверждение: "Живое вещество состоит из компонентов, которые могут воспроизводить себя, изменяться и воспроизводить эти изменения". Эти способности обеспечивают передачу энергии и передачу информации. Отметим, что сама способность к воспроизводству является выдающимся свойством организмов. Неорганическое вещество к этому не способно. Мы могли бы добавить, не усложняя определение, а лишь отмечая интересный факт, что в общем молекулы органического вещества имеют большие размеры и более сложны, чем неорганические, и поэтому обладают большей способностью к изменениям. А постоянные изменения являлись отличительным свойством жизни на Земле в течение всей ее долгой истории и продолжают происходить и в наши дни.
Древнейшие ископаемые организмы
Поскольку нас интересует древнейшая история биосферы, наиболее разумным представляется начать с обзора данных о жизни до начала фанерозоя, которые были получены при изучении древнейших ископаемых.
Хотя эти ископаемые немногочисленны и относятся к далеко отстоящим один от другого моментам времени, тем не менее они дают достоверные сведения. Они все датированы, хотя бы приблизительно, калий-аргоновым методом и могут быть положены в основу летописи древнейшей истории живых организмов.
Самые древние ископаемые, найденные в горных породах (табл. 2), представляют собой морские организмы: простейшие (бактерии) (фото 8) и растения, представленные одноклеточными сине-зелеными водорослями. Остатки были найдены в Южной Африке в породах, возраст которых насчитывает по крайней мере 3,2 миллиона лет. Эта дата означает, что в момент, когда возраст Земли составлял лишь одну треть современного, море уже было населено живыми организмами, хотя и самыми простейшими. Это был значительный шаг вперед.
