История Земли

Образование континентов

После поднятия температуры верхней части мантии до температуры плавления силикатов приливное взаимодействие Земли с Луной ускорило расплавление веществ всей верхней мантии. Это событие произошло около 4 млрд лет назад.
Первичное вещество Земли содержало около 13 % металлического железа и около 24 % его двухвалентного оксида. С перегревом верхней мантии возникла резкая гравитационная неустойчивость земных недр, так как под слоем тяжелых расплавленных веществ в центральной части Земли находилось более легкое вещество, не прошедшее гравитационную дифференциацию. Этот процесс завершился катастрофически быстрым стеканием железных и окисножелезных расплавов к центру планеты, в результате чего произошло образование плотного земного ядра. Этот процесс физической эволюции в развитии планеты сопровождался возникновением в мантии сильных конвективных потоков, приведших к образованию возле одного полюса огромной континентальной плиты — суперконтинента Монгозеи, или Пангеи (от лат. pan - «всё» и Гея — в древнегреческой мифологии — богиня Земли). В этот период возникло дипольное магнитное поле Земли современного типа. Это произошло около 2,6 млрд лет назад на границе архея и протерозоя.

Химические процессы ранней Земли

Отсутствие атмосферы у молодой Земли было связано с тем, что газы (то есть «первичная» атмосфера) из протопланетного облака были потеряны раньше, чем растущая Земля стала настолько массивной, чтобы своим тяготением удерживать заметное количество газа на поверхности. Лишь достигнув значительных размеров в результате накопления падавших на поверхность Земли частиц веществ и тел из окружающего пространства, масса планеты стала способной удерживать газы.
Основным источником газов, поступающих в атмосферу, была сама планета. Полагают, что в ней содержались пары воды и газы: CO2, CO, N, H2, CH4 и NH3. Точный состав атмосферы пока до конца не выяснен, но установлено то, что древняя атмосфера была бескислородной из-за высокой реакционной способности атомов кислорода.

Переход воды из газообразного в капельножидкое состояние, выделение газов из недр Земли, а следовательно, и образование атмосферы происходило около 4 млрд лет назад. Затем начали формироваться первые мелководные изолированные морские бассейны, которые впоследствии объединились в единый неглубокий Мировой океан, обеспечивавший развитие и расселение живого мира.

Насыщение водой слоя коры под океаном сопровождалось массовым связыванием CO2 в карбонаты (главным образом в доломиты). В результате парциальное давление углекислого газа снизилось и стало близким к современному. Уменьшение в атмосфере углекислоты привело к снижению температуры на поверхности Земли до +6 ºC, а затем и очень сильному оледенению (Гуронское оледенение), которое покрыло льдом фактически все континенты того времени. Гуронское оледенение явилось самым сильным и продолжительным оледенением за всю геологическую историю Земли.

При разогреве недр Земли из ее внутренних зон происходило выделение газовых компонентов на поверхность планеты. Таким путем была создана древняя, собственная земная атмосфера, а происходящие в то время химические реакции определили ее состав. В основном это были углеводородные газы, аммиак, углекислота, сероводород и свободный водород при отсутствии свободного кислорода и азота. Взаимодействие между углекислотой и водородом приводило к образованию метана и воды. Вода в парообразно состоянии образовала сплошную пелену облаков.

Атмосфера ранней Земли
Миллиарды лет назад в процессе формирования Земли выделившиеся из ее недр газы образовали атмосферу, состав которой определили бурно протекающие химические реакции. Первичная атмосфера Земли была бескислородна

Формирование нашей планеты происходило на протяжении длительного периода времени и сопровождалось бурно и сложно протекавшими физическими и химическими процессами. Они, несомненно, осуществлялись с поглощением свободного кислорода при образовании кремнекислоты и ряда других компонентов магматических пород. Поэтому в атмосфере Земли свободного кислорода не было.

Первичный кислород мог появляться в результате воздействия на молекулы углекислого газа ультрафиолетовой радиации Солнца, а также других космических излучений. Но все запасы появляющегося кислорода полностью расходовались на процессы окисления.

На поверхности земной коры под газовой оболочкой (атмосферой) стали происходить разнообразные геологические и физико-химические процессы. И именно здесь образовались вначале простые, а затем сложные углеродные соединения, а затем на их основе возникла жизнь.

Насыщение водой слоя коры под Мировым океаном произошло около 2,2 млрд лет назад. Это вызвало активное вымывание металлического железа из мантии, которого там содержалось до 5 %. Вымываемое железо в форме двухвалентного гидроксида стало разноситься по всему океану. Окисляясь до трехвалентного, оно оказалось на дне, особенно по мелководьям. Около 600 млн лет назад свободное железо исчезло из мантийного вещества. Исчезновение такого активного поглотителя кислорода, как металлическое железо, незамедлительно отразилось на увеличении количества свободного кислорода в атмосфере. Это произошло на границе протерозоя и палеозоя. Этому же рубежу соответствует появление многоклеточности у живых организмов.

Химический состав живой матери

В состав живой материи входят практически все химические элементы Земли (вспомните соотношение химических элементов Земли и живого вещества). Однако больше всего здесь представлены те химические элементы, которые входили в состав первичной атмосферы Земли: водород, кислород, углерод, азот и сера. Именно из них 3,9 млрд лет назад возникли удивительно сложные и разнообразные молекулярные формы — органические соединения, обеспечившие появление живой материи. Миллионы лет шел этот процесс, объединивший несколько простых органических соединений первобытной земной атмосферы в грандиозный комплекс органических веществ, которые составляют нынешнюю живую материю. Уникальную роль в этом процессе сыграл элемент углерод, ставший основой создания органических соединений.

Главнейшее свойство углерода — это способность создавать связанные ряды его атомов в виде прямых и разветвленных цепочек и колец. В эти «скелеты» молекул органических соединений встроены атомы водорода, кислорода и азота с добавлением в небольшом количестве атомов других веществ. Такие как сера, фосфор и различны металлы (железо, медь, магний и др.). Сложность строения и разнообразия органических веществ чрезвычайно велики. Большинство из них входит в состав тел живой материи.

Этапы появления биосферы

Человечество с давних времен искало ответ на вопрос: каким был процесс появления живой материи на Земле? Однако только в середине XX века установлено, что одновременно с процессом формирования и развития нашей планеты (физической эволюцией) шел грандиозный процесс химической эволюции. В итоге из простых химических компонентов первичной атмосферы первоначально возникли простые органические соединения, а из них в ходе физико-химических и биохимических процессов возникли сложные (полимерные) органические соединения, обусловившие возможность появления жизни.

Схема эволюции среды и жизни на Земле
Схема эволюции среды и жизни на Земле

Таким образом, появлению жизни на Земле предшествовал этап длительной физической, химической, а также геологической и климатической эволюции нашей планеты. Наиболее существенные физические и геоморфологические события произошли 6-5 млрд лет назад, а основные физико-химически и биохимические события — 4-3,9 млрд лет назад. Именно в этот период в особых термодинамических условиях из сложных органических соединений шло возникновение примитивнейших форм жизни, послуживших началом огромного разнообразия видов и форм живой материи. Появившись около 3,5 млрд лет назад, мир живых организмов вскоре заселил нашу планету, создав на ней особую сферу, новую географическую оболочку Земли — биосферу.

С появлением живого вещества на планете возникает биосфера.

Биология: