Геохимические функции

Литосфера как абиотическая основа жизни

Концепция современного естествознания - Лекции

st1\:*{behavior:url(#ieooui) }

Литосфера образовалась в процессе остывания и кристаллизации частично расплавленного вещества мантии Земли. Образование литосферы явилось необходимым условием для зарождения и поддержания жизни на нашей планете. Ее можно считать абиотической основой жизни, поскольку она выполнила и продолжает выполнять ряд важнейших функций:

1. Первая и абсолютно необходимая абиотическая функция литосферы – субстратная. В данном случае субстрат (литосфера) – это граница раздела между максимально противоположными средами, между насыщенными веществом высокотемпературными внутренними слоями планеты и холодной пустотой Космоса. Обе эти крайности не предполагают существование углеводородных органических форм вещества, из которого образовалась жизнь. Пограничный слой (субстрат), где крайности усреднялись до приемлемых условий, и стал колыбелью эволюции органической жизни.

2. Вторым обязательным условием образования жизни является термический режим литосферы (термическая функция). В истории эволюции Земли наступил длительный период, когда температура литосферной оболочки достигла приемлемых величин для развития органической жизни (примерно от 0 до 40ºС). Жизнь за этими пределами обеспечена более поздними приспособлениями (шерсть, спячка, образование спящих форм и т.д.).

3. Известно, что оптимальные условия для осуществления химических реакций создает водная среда. Литосфера молодой Земли была лишена воды. В определенный период происходила дегазация Земли, инициируемая изливавшимися на ее поверхность мантийными расплавами. Эти расплавы, попав в условия с минимальным давлением, вскипали и выделяли летучие вещества, в том числе пары воды. Чем сильнее нарастали конвективные явления в мантии, тем чаще и в большей массе извергались на поверхность Земли потоки магмы, тем больше становился объем первоначально неглубокого океана. Из-за поглощения части воды океанической, а также континентальной корой глубина океана увеличивалась медленно. И лишь после полного насыщения водой серпентинитового слоя океанической коры, а произошло это около 2,2 млрд. лет назад, дно океана стало быстро опускаться (до средней глубины современного океана). Наибольший приток воды происходил в период охвата конвективными движениями всей мантии Земли, т.е. около 2,6 млрд. лет назад. Приток воды в Мировой океан имеет место и в наши дни, он будет продолжаться и в дальнейшем. Таким образом, литосфера в своей эволюции сыграла совершенно необходимую – водно-концентрационную функцию, что в дальнейшем обеспечило комбинаторику химических реакций в водной среде и к образованию, в конце концов, углеводородных химических соединений.

4. Наличие универсального растворителя (вода), еще недостаточно для образования жизни. Элементный синтез внутри планеты находит свое завершение именно в ее верхних слоях, где наличие растворителя и оптимальной температуры приводит к массовым химическим реакциям и образованию гигантского числа разнообразных химических веществ. К настоящему времени в литосфере Земли имеются в наличии практически все известные элементы и их природные вариантные соединения. В этом заключается химико-концентрационная функция литосферы.

5. Рассматривая химическую, а затем и органическую эволюцию на Земле можно было бы предположить, что когда-нибудь в этом процессе наступит равновесное состояние (гомеостаз) и этот процесс будет эволюционировать в соответствие с миллиардно-временными сроками развития планеты. Однако на деле наблюдаются более интенсивные изменения – за миллионы, тысячи, а в последнее время сотни и даже десятки лет. Значит, существует некий ускоряющий фактор эволюции жизни. В упрощенном виде его можно обозначить как мутагенная функция литосферы. Эта функция во многом обеспечивается внутренними процессами планеты, где происходят реакции радиоактивного распада. Жесткие излучения от этих реакций вызывают химические изменения в различных веществах. В частности, в селекции это обстоятельство используется для создания новых сортов растений и пород животных. Точно также в природе радиоактивность и другие мутагенные факторы (тяжелые металлы, яды и т.д.) создают многообразие живых организмов, из которого в эволюционном процессе отбираются наиболее приспособленные к современным условиям среды.

6. Согласно неклассической концепции глобальной эволюции Земли, история атмосферы связана с дегазацией планеты отнюдь не меньше, чем история гидросферы. Полагают, однако, что уже на ранних этапах своей эволюции (4,7-4,0 млрд. лет назад) Земля, еще не приобретя гидросферы, уже обладала атмосферой, но крайне разряженной. Она, видимо, состояла главным образом из летучих соединений, которые распространены в космосе, т.е. Н₂, Не, N₂, CH₄, NH₃, H₂O, СО₂, СО. Рождение плотной атмосферы оказалось связанным с выделением тех летучих соединений, которые попали на Землю в связанном состоянии: вода – с гидросиликатами, азот – с нитридами и нитратами, углекислый газ – с карбонатами и т.д. Подлинным динамическим источником атмосферы Земли оказалась ее активная дегазация (4 млрд. лет назад). Около 3 млрд. лет назад Земля была окутана плотной, состоящей в основном из азота (N₂) и углекислого газа (СО₂) атмосферой с давлением до 4 атм. Последующая история Земли связана в основном со своеобразной "заменой" углекислого газа на кислород.

Насыщение серпентинитового слоя океанической коры водой сопровождалось связыванием СО₂ в карбонаты, что привело к "извлечению" углекислого газа из атмосферы, его парциальное давление снизилось почти до современного. Обеднение атмосферы СО₂ – газом, который задерживает инфракрасное (тепловое) излучение Земли, привело к резкому снижению приземной температуры (с 90 до 6°С) и грандиозному оледенению (2,4 млрд. лет назад). Активную роль в извлечении углекислого газа из атмосферы сыграли также зеленые растения и фотосинтезирующие микроорганизмы. Насыщение атмосферы кислородом происходило также благодаря фотодиссоциации паров воды коротковолновым излучением Солнца и галогенизации окислов щелочных и щелочноземельных металлов:

Na₂O + 2Сl → 2NaCl + О; CaO + 2F → CaF₂ + О.

В насыщении атмосферы кислородом доминирует биогенез, а аутсайдером является галогенез. Далеко не весь кислород переходил непосредственно в атмосферу. Его мощным поглотителем являлось свободное железо: 2Fe + О₂ → 2FeO. Свободное железо исчезло из мантии Земли около 600 млн. лет назад. Это способствовало росту выхода кислорода в атмосферу, что благоприятствовало быстрому развитию многоклеточных организмов. Отсюда очевидна важнейшая и обязательная функция литосферы – атмосферообразующая.

7. Литосфера имеет сложное строение, она состоит из большой совокупности природных комплексов. Наиболее крупные поверхностные подразделения это географические пояса, опоясывающие земной шар в широтном направлении. Каждый географический пояс имеет особый набор широтных, долготных и высотных зон. В целом эта оболочка подразделяется на следующие географические пояса: один экваториальный и по два (всякий раз северный и южный) субэкваториальных, тропических, субтропических, умеренных, а также субарктический и субантарктический, арктический и антарктический. Внутри поясов по соотношению тепла и влаги и преобладающей растительности выделяются природные зоны – тундры, тундролесия, тайга, лесостепи, степи, полупустыни, пустыни и др. Зональность характерна также и для Мирового океана – от экватора к полюсам меняются свойства вод (температура, соленость, плотность), характер планктона, состав растительности и животного мира. Высотная поясность характерна для гор. С высотой изменяется климат – как правило, температура понижается, а осадки увеличиваются. Таким образом перемещение литосферных плит, их изменения обеспечивают такую специфическую функцию литосферы, как ландшафтно-климатическую.

8. Земная кора сложена горными породами различного типа и различного происхождения. Более 70% из них магматические, 20% – метаморфические породы, 9% составляют осадочные породы. На поверхности литосферы в результате совокупной деятельности ряда факторов возникает почва. Основоположник почвоведения В. В. Докучаев назвал почвой наружные горизонты горных пород, естественно измененных совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов, включая их остатки. Почва – это сложнейшая система, стремящаяся к равновесному взаимодействию с окружающей средой. Таким образом, субстратная функция атмосферы дополняется почвообразующей, которая смогла осуществиться только при условии образования жизни, а поэтому ее можно обозначить как совместную. В целом взаимодействие литосферы и живых организмов укладывается в единую биостратиграфическую шкалу геологического времени.

9. Литосфера сыграла важнейшую функцию ресурсосбережения для создания техногенного общества человека. Возможно, что именно с помощью полезных ископаемых человек стал человеком, так как смог создать для себя локальные абиотические условия, что и позволило ему выжить в суровых природных условиях.

Таким образом, литосфера создает необходимые абиотические условия для существования жизни на Земле, появление которой в свою очередь начало сказываться на развитии самой литосферы