3. Происхождение
жизни на Земле
3.1. Образование мантии и ядра
Земли.
Образование Земли
связано с аккумуляцией вещества, представленного
преимущественно высокотемпературными
конденсатами солнечного газа. Однако
относительно способа аккумуляции существуют
различные мнения. В процессе формирования
Земли можно допустить три варианта аккумуляции.
1. Гомогенная аккумуляция, нашедшая наиболее
полную разработку в гипотезе О.Ю. Шмидта
и его сторонников. Она привела к образованию
квазиоднородной первичной Земли. Модель
первоначально гомогенной по составу
и строению Земли пользовалась наиболее
широким признанием. Согласно этой модели,
современное зональное строение Земли
возникло лишь в ходе эволюции, что выразилось
вразогревании, частичном плавлении и
дифференциации земного вещества под
воздействием радиоактивных источников
тепла.
2. Гетерогенная аккумуляция, определившая
с самого начала главные черты строения
земного шара — наличие в первичной Земле
металлического ядра и мантии. При аккумуляции
металлических частиц сначала возникло
ядро, затем на него осели более поздние
конденсаты в виде силикатов, образовав
мощную мантию первичной планеты.
Идею о том, что Земля начала аккумулироваться
первоначально из металлических частиц,
высказали В. Латимер, Э. В. Соботович, П.
Гаррис и Д. Тозер, а позднее Э. Орован.
В дальнейшем она была поддержана К. Таркяном
и С. Кларком, Дж. Джекобсом, А. П. Виноградовым.
По К. Таркяну и С. Кларку, первичная Земля
аккумулировалась в той последовательности,
в которой происходила конденсация веществ
из первичной солнечной туманности. Крайний
вариант гетерогенной аккумуляции Земли
был недавно предложен Д. Л. Андерсоном
и Т. Ханксом, которые полагают, что внутреннее
ядро Земли приобрело свой состав за счет
самых ранних дометаллических конденсатов,
внешнее ядро возникло из металлической
фракции и серы, а мантия—за счет аккумуляции
силикатной фракции. На заключительных
стадиях аккумуляции произошло осаждение
материала типа углистых хондритов, включая
гидратированные силикаты, летучие и органические
соединения.
3. Частично гетерогенная аккумуляция
без резких перерывов в составе материалов,
строящих земной шар. В этом случае наиболее
резкая разница в составе имела место
лишь между центральными частями Земли
и поверхностными слоями первичной мантии.
При таком способе аккумуляции первоначально
не было pезких границ между ядром и мантией,
подобно современному состоянию. Границы
эти установились позже в ходе дальнейшей
химической дифференциации, связанной
с нагревом. Ядро Земли возникло в результате
комбинации процессов гетерогенной аккреции
и последующей химической дифференциации.
Выплавление железо-сернистых масс и удаление
их из разных горизонтов первичной Земли
путем стекания в центральные области
было процессом, протекавшим асимметрично
и в дальнейшем определившим асимметрический
характер коры и верхней мантии.
В настоящее время нам довольно обоснованной
представляется идея о том, что происхождение
земного ядра связано с происхождением
(способом формирования) самой Земли и
Солнечной системы. Химическая эволюция
протопланетной туманности, рассмотренная
нами выше, при остывании газа солнечного
состава определила то обстоятельство,
что в районе аккумуляции вещества Земли
возникли химические соединения, которые
определили химический состав нашей планеты
в целом. Начало формирования Земли по
всей вероятности, было связано с первичной
аккумуляцией именно металлических частиц.
В пользу этого мы можем привести следующую
аргументацию.
В процессе аккумуляции планет железоникелевые
частицы имели явное преимущество в отношении
объединения перед частицами другого
состава. Если аккумуляция первоначально
происходила при высоких температурах,
то капли железа при соприкосновении друг
с другом легко сливались в тела компактной
массы, образуя зародыши планет. Если агломерация
имела место при низких температурах,
то металлические частицы ввиду своей
пластичности и хорошей теплопроводности
объединялись при столкновении. В этом
случае происходило поглощение кинетической
энергии. Таким образом могли происходить
процессы как “горячей сварки”, так и
“холодной сварки” в зависимости от температуры
частиц. Заметим, что в некоторых железных
метеоритах обнаружены признаки объединения
металла в результате соударений.
Наконец при температурах ниже точки Кюри
(1043 К для Fe, 598 К для FeS) частицы железа и
троилита могли легко намагничиваться
в сильном магнитном поле первичного Солнца
ив дальнейшем объединялись силами магнитного
притяжения. Поскольку силы магнитного
притяжения для мелких металлических
частиц на много порядков превосходят
гравитационные силы, зависящие от масс,
аккумуляция частиц никелистого железа
из охлаждающейся солнечной туманности
могла начаться при температурах ниже
1000 К в виде крупных сгущений и во много
раз была более эффективной, чем аккумуляция
силикатных частиц при прочих равных условиях.
По Ф. Хойлу и Н. Викрамасингу, когда происходило
непрерывное сжатие Солнца, напряженность
магнитного поля могла достигать высоких
значений, на два порядка превышающих
современную. В этих условиях аккумуляция
ферромагнитных материалов типа железоникелевых
частиц и троилита должна протекать наиболее
эффективно, образуя зародыши планет земного
типа. Поскольку точка Кюри для железа
и железоникелевых сплавов находится
вблизи 1000 К, магнитные силы как фактор
аккумуляции могут вступить во взаимодействие
задолго до начала окисления железа. П.
Гаррис и Д. Тозер вычислили поперечное
сечение захвата взаимно намагниченных
частиц, которое оказалось в 2-104 раз выше
их реального поперечного сечения. В то
же время они показали, что магнитное взаимодействие
зависит от размеров частиц. Оно весьма
незначительное для частиц с диаметром
менее 10--5 см, но при размерах частиц 10-4
см агрегация наступает довольно быстро.
При высоких температурах (свыше 1273 К)
в газопылевом облаке все частицы могли
сосуществовать независимо до падения
температуры ниже точки Кюри. Но при падении
температуры ниже точки Кюри магнитное
взаимодействие железоникелевых частиц
становилось решающим фактором аккумуляции
в процессе рождения планет.
Из сказанного совершенно естественно
вытекает вывод, что при самых разнообразных
условиях в первичной туманности железоникелевые
сплавы должны аккумулироваться первыми.
При достижении достаточно крупных масс
зародыши планет в дальнейшем могли захватывать
более поздние конденсаты солнечного
газа путем непосредственного гравитационного
захвата. Совершенно очевидно, что
описанные выше процессы вполне относят
к нашей планете, для которой гетерогенная
аккумуляция представляется совершенно
неизбежной. Эта аккумуляция определила
первоначальную химическую неоднородность
Земли, ее термодинамическую неустойчивость,
которая в дальнейшем предопределила
ход развития Земли—дифференциацию ее
материала, что привело к четкому обособлению
границы между мантией и ядром, между внутренним
и внешним ядром...
В свете изложенного выясняется общая
картина рождения Земли. Рост Земли начался
с объединения металлических частиц при
температурах ниже точки Кюри. Однако
нагрев первоначального металлического
тела вследствие ударов частиц при аккумуляции
привела повышению температур и, возможно,
устранил взаимодействие магнитных сил,
которое было основным. Достигнув значительной
массы, первичное металлическое ядро—зародыш
продолжало гравитационный захват более
поздних конденсатов из окружающей среды.
На этом этапе аккумуляция стала более
гомогенной, и первичная мантия накапливалась
как мощная оболочка в виде смеси металлических,
силикатных частиц и троилита. При этом
весьма вероятно, что в нижних горизонтах
первичной мантии содержание металлических
частиц было повышенным, а в верхних горизонтах
они отсутствовали. Таким образом, первоначальная
мантия по радиусу представляла собой
неоднородную смесь металлического и
силикатного материала. На поздних стадиях
аккумуляции оседали гидратированные
силикаты и органические вещества. На
завершающих этапах аккумуляции Земля
путем прямого гравитационного захвата
приобрела также часть (вероятно, небольшую)
газов, в том числе Н2О, СО2, СО, NН3, Hg, из
первичной туманности в силу собственного
притяжения.
Заключение
Таким образом,
мы рассмотрели: системный подход и особенности его применения,
различные типы и виды систем, основы синергетики,
понятие самоорганизации, происхождение
жизни на Земле.
Системы, находящиеся вдали от термодинамического
равновесия, могут обмениваться с окружающей
средой не только энергией, но и массой
вещества. Такие системы в отличие от замкнутых
называются открытыми. Энергия в них может
рассеиваться к необратимым образом переходить
в другие виды энергия, например энергию
колебательного или теплового движения
«томов. Иногда такие системы называют
диссипативными.
До последнего времени работ, непосредственно
относящихся к самоорганизации в геологических
процессах и физических полях Земли, не
было. Науки о Земле пока обходились без
методов синергетики. "Да и самой науки
"синергетики" физически пока нет,
и трудно сказать, будет ли она существовать",
хотя в настоящее время накоплен уже большой
экспериментальный материал по явлениям
самоорганизации в различных областях
естествознания. Сложность приложения
идей синергетики для анализа процессов
протекания геологических процессов,
заключается в отсутствии единого феноменологического
подхода к анализу формирования и преобразования
геологических тел. Многообразный характер
геологических тел, сопряженность одновременно
протекающих различных физико- химических
процессов, затрудняют создание корректных
моделей, учитывающих изменение энергетического
состояния и баланса масс в системе и ее
подсистемах.
Использованная
литература:
1. Данилова «Концепции
современного естествознания»
2. Горелов «Концепции
современного естествознания»
3. Эткинс П.
«Порядок и беспорядок в природе»
М-1987, «Мир»
4. «Самоорганизация в природе.»
Материалы семинара,
Выпуск 2, Томск-1998.
7. Войткевич Г.В. «Основы
теории происхождения Земли»
М.-1979, “Недра”.