Рожденный жизнью. Уран: от атома до месторождения
Рис. 3. Схема приливного взаимодействия Земли с Луной:
F – приливная сила, тормозящая вращение Земли; f – приливная сила,
ускоряющая орбитальное обращение Луны; δ – угол запаздывания приливов. По [Сорохтин, Ушаков, 200218].
Сейчас трудно представить, как в то отдаленное время по поверхности планеты несся колоссальный каменный вал, делая сотни оборотов в год. Согласно расчетам, он передвигался со скоростью не менее тысячи километров в час! А энергия вызываемых им приливных землетрясений в 17 тысяч раз превосходила энергетический уровень современной сейсмичности Земли19. Максимальной амплитуды приливные горбы достигали на экваторе и постепенно уменьшались к полюсам.
Породы внутри циклопической «волны» полуторакилометровой высоты разогревались от трения, однако наработанное тепло почти все уходило в открытый космос, ведь Земля еще не была защищена атмосферой. Но в глубине планеты началось постепенное увеличение температуры, которое без видимых последствий накапливалось в течение 600 миллионов лет. Наконец, к началу архея (около 4 млрд лет назад) недра в районе экватора прогрелись настолько, что метеоритное железо, входящее в состав первичного космического вещества начало плавиться.
Удельная плотность железа составляет 7,85 г/см3, а у прочих силикатных минералов, принесенных из космоса, – 3,27—2,37 г/см3. Такая более чем двукратная разница привела к тому, что расплавленное железо под действием гравитации стало медленно просачиваться вниз, а избавившиеся от тяжести металла силикаты начали всплывать. Процесс преобразования космического вещества в земное стартовал.
Термодинамические расчеты показывают: гравитационное расслоение вещества сопровождалось выделением огромного количества тепла. Чем больше железа выплавлялось и опускалось под действием гравитации в сторону центра Земли, тем больше выделялось тепла, которое растапливало выше и ниже залегающие слои. Началось зарождение и расширение астеносферы – пластичного слоя Земли. Процесс шел крайне медленно – со скоростью около 2 мм в год. Тем не менее он приобрел необратимый характер: стремление тяжелых расплавов железа вниз вызывало встречное движение силикатов – был запущен процесс конвекции – своеобразный «мотор» Земли. Физическое обоснование возникновения диссипативных структур, разновидностью которого является процесс конвекции, дал Илья Пригожин20.
Представим, что наше расплавленное железо медленно движется по колоссальной вертикальной скважине, основание которой находится в центре Земли, а устье выходит к поверхности. Стекающий металл постепенно смещает центр тяжести столба железа к основанию. При этом его потенциальная энергия (произведение массы тела на высоту подъема) неизбежно уменьшается. Но суммарная энергия Земли, если верить законам сохранения, остается неизменной. При этом потенциальная энергия, теряющаяся при стекании железа, преобразуется в кинетическую энергию молекул – то есть уходит в нагрев. Согласно расчетам, эта энергия составляет величину 4х1030 кал. Этого с лихвой хватает, чтобы растопить недра изначально холодной планеты.
Примерно 3,8 млрд лет назад астеносферный слой в районе экватора расширился настолько, что его отдельные перегретые «протуберанцы» стали пробиваться к поверхности планеты, сокрушая первозданную холодную оболочку (Рис. 4). Земля начала активно «дышать»: вырывавшиеся из недр расплавы растекались лавовыми полями, выделяя огромное количество жидкости и газов. Началось формирование атмосферы и гидросферы. Планета покрылась одеялом перегретых облаков, которые состояли в основном из водяного пара (75%) и углекислого газа – СО2 (15%), остаток приходился на соединения серы и другие вулканические газы, часть из которых оставалась в атмосфере, а часть растворялась в водах зарождающегося океана.
Рис. 4. Разрушение первичной коры Земли.
Черное поле – расплавы железа и его окислов; точки – формирующийся
астеносферный слой, обедненный железом; черточки – первичное земное
вещество; эллипсы со стрелками – конвекционные потоки; фонтаны – выбросы вулканов (H2O, CO2, CO, SO2, H2S, CH4 и др.). По [Сорохтин, Ушаков, 200221]
с дополнениями.
Появившиеся мелководные морские бассейны начали гасить приливную энергию, и со временем она перестала заметно влиять на разогрев планеты. Но Луна уже сделала свое дело, послужив спусковым механизмом конвективных потоков. С этого времени начинается собственно геологическое развитие планеты за счет внутренней энергии.
Справедливости ради, надо заметить, что в разогрев Земли вносил свою долю и радиоактивный распад урана, тория, калия, а в то давнее время еще и плутония и других трансурановых элементов, которые к сегодняшнему дню распались. Вот только гравитационная дифференциация весь свой жар выделяла в узком прослое астеносферы, а радиоактивный распад «пытался» прогреть всю землю разом. Но уж слишком распылены были отдельные атомы радиоактивных элементов – может ли согреть отдельная искорка? Современные месторождения урана или тория содержат концентрации радиоактивных элементов в сотни тысяч раз выше, но «температура» этих месторождений не отличается от окружающих пород. Хотя полностью игнорировать тепло радиоактивного распада не стоит – особенно на самых ранних периодах развития, когда еще не «самоликвидировались» трансурановые элементы.
Между тем процесс гравитационной дифференциации вещества набирал обороты, и на Земле начала складываться неустойчивая ситуация.
Плотность первородных космических отложений, покрывавших Землю, составляла около 4 г/см3, а образовавшийся астеносферный слой после избавления от железа был гораздо легче – 3,2—3,3 г/см3, причем мощность этого слоя неуклонно возрастала. Холодный и более тяжелый космический материал какое-то время еще держался на поверхности вязкого расплава, но ситуация не могла сохраняться вечно и закономерно разрешилась «утоплением» первичного вещества в астеносфере. Там оно со временем переплавилось и постепенно превратилось в земное.
Закончился догеологический этап развития Земли – катархей. Начался архей.
Не успело утонуть в недрах последнее первородное вещество, как планета начала одеваться новой корой. Конвективные потоки продолжали поставлять к поверхности пышущую магму, наполненную растворенными газами. Вырываясь из недр, адское варево выплескивалось прямо в космическую пустоту, где царил вечный холод и практически отсутствовало давление.
При резком перепаде давления магма буквально «вскипала», выпуская растворенные газы и пары воды, а шоковое понижение температуры быстро остужало раскаленную смесь, превращая ее в пористый базальт. Плотность этой породы невелика – всего 2,8—2,9 г/см3, поэтому возникавшие над конвективными ячейками базальтовые массивы в прямом смысле слова плавали по поверхности мантии, подобно мясной пенке в кипящем бульоне.
Состав этой «пенки» был уже не тот, что у первородного вещества. Базальт, рожденный в горниле астеносферы, состоит из минералов группы пироксенов и плагиоклазов. Пироксены недалеко ушли от классических железо-магнезиальных силикатов – в них только несколько увеличилось содержание кремния и кислорода – (Mg, Fe) 2Si2O6. А вот плагиоклазы – другое дело, здесь место железа прочно занял алюминий, к которому присоединились в разных пропорциях натрий и кальций. Химическая формула плагиоклазов – NaAlSi3O8 – CaAl2Si2O8, где натрий и кальций способны полностью замещать друг друга. В базальтах резко преобладают так называемые основные плагиоклазы, где главенствует кальций.
Плагиоклазы ознаменовали появление на земле новой обширной группы минералов – алюмосиликатов, где слились в триумвирате самые распространенные на Земле элементы: кислород, кремний и алюминий.
С появлением базальтов первая минералогическая революция свершилась – космическое вещество превратилось в земное.
Плагиоклазы – это условная сотня минералов, представленная непрерывным изоморфным рядом (твердым раствором) натриево-кальциевых алюмосиликатов от альбита (NaAlSi3O8) до анортита (CaAl2Si2O8). Состав плагиоклаза обозначают номером по процентному содержанию анортита. Например, плагиоклаз №84 представляет изоморфную смесь, содержащую 84% анортита и 16% альбита. При этом четыре промежуточные точки ряда получили собственные названия: олигоклаз (20% An), андезин (40% An), лабрадор (60% An) и битовнит (80% An), но по действующей номенклатуре Международной минералогической ассоциации (IMA), эти промежуточные члены твердого раствора не должны считаться минералами.
C увеличением анортитовой составляющей в плагиоклазах убывает содержание кремнезема, в связи с чем плагиоклазы от №0 до №30 называются кислыми, №30—50 – средними и №50—100 – основными.
В виде примесей плагиоклазы иногда содержат K2O (до нескольких процентов) и другие окислы.
Мощность астеносферы на первых порах была невелика, и конвективные ячейки, возникшие в ее толще, имели небольшие размеры, но их было достаточно много. С расширением астеносферы вширь и вглубь увеличивался объем циркулирующей мантии и возрастали размеры конвективных ячеек. Сталкиваясь, они спаивались друг с другом, образуя ядра будущих архейских щитов (Рис. 5а-б).
Поступающий из недр расплавленный базальт, постепенно расползаясь, обволок всю поверхность планеты сплошным хрупким, но пока маломощным панцирем. Но снизу поступали на-гора все новые порции вещества, которому уже некуда было растекаться, и базальтовые плиты начали громоздиться друг на друга. Под собственным весом нагромождения базальтовых пластин все глубже погружались в перегретую мантию, но за счет высокой пористости первозданные материки высоко вздымались над уровнем океана. По оценке отечественных геологов, уровень стояния континентов в течение всего архея и начала раннего протерозоя был исключительно высоким, их поверхность возвышалась над океанами на 4—6 км22.
Незаметно пролетело полтора миллиарда лет, и к концу архея сложилась ситуация, зеркально противоположная той, которая была в начале эона, когда остатки космического вещества погрузились в астеносферу. Теперь картина оказалась перевернутой: под тонкой земной корой образовалась мощная толща раскаленного вязкого слоя, обогащенная в нижней части тяжелым расплавленным железом, а в центре Земли все еще сохранялось холодное первичное космическое вещество. Теперь уже более легкая и жесткая сердцевина планеты оказалась заключена в глубине вязкой, но более тяжелой субстанции. Рано или поздно ситуация должна была стабилизироваться.
Если в начале архея расплавленная лента астеносферы окольцовывала Землю только в узком тропическом поясе, то со временем, разрастаясь к полюсам и на глубину, кольцевой слой жидкого железа практически полностью «обернул» первичное вещество, за исключением высоких широт, где холодная сердцевина планеты до поры оставалась жестко связанной с еще не разогретыми полярными областями. Прогрев полярных областей полностью замкнул первичное вещество в оболочке расплавленного железа и нарушил хрупкое равновесие. Холодная сердцевина Земли начала всплывать, словно поплавок, а на его место постепенно стекло тяжелое железо, образовав металлическое ядро (Рис. 5в-г).
Рис. 5. Последовательные этапы развития процесса зонной дифференциации земного вещества и формирования плотного ядра Земли. Черное – расплавы железа и его окислов; белое – мантия, обедненная железом и сидерофильными элементами; черточки – первичное земное вещество; радиальная штриховка – континентальные массивы. По [Сорохтин, Ушаков, 200223].
Время всплытия остаточного холодного вещества оценивается в 400, а может быть, и все 500 миллионов лет (геология не терпит суеты). Такой чудовищный по масштабам «бульк» в центре планеты привел в конце архея к полной перестройке конвективных течений и образованию гигантской одноячеистой конвективной структуры с единым восходящим потоком над местом всплытия бывшей сердцевины Земли и нисходящим – над областью стока железа. Центростремительные потоки над нисходящей конвективной структурой стянули обособленные до этого континентальные массивы в первый в истории планеты суперконтинент Моногея (Рис. 5г). Процесс сопровождался колоссальным столкновением плит и крупнейшим в истории Земли кеноранским тектономагматическим диастрофизмом, которым завершился архейский этап развития Земли.
Наступил протерозой. До сегодняшнего дня остается 2,5 миллиарда лет.
Пока мы рассматривали процессы, которые происходили в недрах планеты. А какие события в это время разыгрывались на поверхности? А на поверхности появилась Жизнь.
Жизнь вносит коррективы.
Когда нечего есть, станешь и камни грызть
В начале был единый Океан,
Дымившийся на раскаленном ложе.
И в этом жарком лоне завязался
Неразрешимый узел жизни: плоть,
Пронзенная дыханьем и биеньем.
Планета стыла.
Жизни разгорались.
Максимилиан ВолошинПока мы рассматривали процессы, которые происходили с огромными массами вещества. Теперь перейдем от планетарных масштабов к микромиру.
В мире звезд и планет важнейшую роль играет гравитация. В наномире, где обитают атомы, она не так важна. Здесь правит электромагнитная сила, которая проводит работу по перестановке отдельных атомов и молекул, образуя все многообразие веществ в нашем мире.
Атомы почти полностью состоят из пустоты. В центре расположено крошечное ядро из протонов и нейтронов, а по удаленным орбитам, каждая из которых связана со своим энергетическим уровнем, носятся электроны. При любой возможности они стремятся попасть ближе к ядру, ведь тогда орбита получается короче, и энергии требуется меньше. Обычно электрон вращается вокруг своего ядра, но, если подворачивается более «заманчивое предложение», этот изменщик может перескочить в соседний атом с незаполненной внешней орбитой. В результате этой «незаконной связи» образуется новое вещество. По сути, вся атомно-молекулярная жизнь основана на эквилибристике электронов.
Химическая связь между атомами возникает, когда их электронные оболочки объединяются. В одних случаях электронное облако делится по-братски – пополам. В других – более «наглый» атом перетягивает электронное «одеяло» на себя, и тогда перед вторым партнером встает дилемма: довольствоваться краешком облака, теснее прижимаясь к наглецу, или вовсе остаться без электрона. В случае, если облако растягивается на два ядра, образующаяся стабильная связка атомов называется молекулой.
Любая химическая реакция – это столкновение молекул и атомов, в результате чего происходит перераспределение их электронных облаков. Молекулы, словно гиперактивные дети, постоянно носятся туда-сюда и все время сталкиваются. Иногда от этого у них что-нибудь отваливается, или, наоборот, притягивается. Но для свободы передвижения нужно пространство маневра, а его не всегда хватает.
Первоначально Земля представляла спрессованные глыбы космических пород. С точки зрения химика, это были твердые вещества, состоящие из бесчисленного числа перемешанных молекул. В твердом веществе атомы «замурованы» в кристаллических решетках, словно узники в одиночных камерах, и электроны практически лишены возможности завязывать связи «на стороне», поэтому с образованием новых минералов в то время было туго.
Рождение сугубо земных минералов началось со скрипом в образующемся вязком астеносферном слое, когда атомы получили относительную свободу, барахтаясь в густом раскаленном расплаве. И только когда магма вырвалась наружу, все завертелось в сумасшедшем темпе. Огнедышащий ад обуял планету – извергающаяся лава вскипала у поверхности парами воды и исходила вулканическими газами. Перегретые частицы вулканического пепла сталкивались, терлись друг о друга, а баллоэлектрический эффект24 многократно усиливал электризацию пепла. И без того черное небо планеты (кислородной подушки у Земли пока не было) заволокли наэлектризованные пепло-газовые тучи, прорезаемые бесконечными вспышками молний.
По подсчетам вулканологов, в ходе извержения вулкана Тятя на Курилах в 1973 году число молний измерялось десятками миллионов! И это всего за два дня извержения, и из одного вулкана25.
В момент разряда в канале молний химические элементы ионизируются: электроны получают свободу. Дотошные исследователи подсчитали, что каждая молния выбрасывает в окружающее пространство 1х1020 свободных электронов!
В пепло-газовом вулканическом столбе есть все необходимые для образования жизни компоненты: водяной пар, водород, аммиак, углеводороды, СО, СО2, соединения серы и т. д. По мнению отечественного геолога Е. К. Мархинина – основателя биовулканологии, – «Вулканические извержения, и в первую очередь пепло-газовые вулканические столбы, явились мощными природными химическими реакторами, в которых в большом масштабе образовывались сложные, биологически важные органические соединения – „молекулы жизни“. Именно с образования этих вулканогенных „молекул жизни“ на Земле началась молекулярная эволюция по пути к преобразованию неживой материи в живую, приведшая впоследствии к возникновению жизни»26. Но, с другой стороны, если разряд электричества способен породить органические молекулы, то он же может и растерзать их в клочья.
Современные исследователи полагают, что добиологические молекулы, давшие впоследствии старт Жизни, образовались в ходе менее затратных химических реакций. Например, Михаил Никитин, научный сотрудник НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского полагает, что жизнь возникла в грязи, точнее вокруг грязевых вулканов (такие вулканы «извергаются» не благородной лавой, а жидкой глиной)27, а известный популяризатор науки, британский биохимик Ник Лейн считает, что для возникновения Жизни и вовсе необходимо и достаточно было всего лишь трех компонентов: горной породы, воды и углекислого газа28. То есть жизнь возникла на грани трех агрегатных состояний вещества – твердого, жидкого и газообразного. Но американские ученые палеонтолог Питер Уорд и геобиолог Джо Киршвинк все же уверены, что именно катаклизмы способствовали появлению жизни, причем больше, чем все остальные силы вместе взятые29. Есть мнение, что основной вклад в этот процесс внес уран30, но это представляется малоубедительным – ведь в раннем архее уран еще не накопил значительных концентраций и не обзавелся собственными минералами, чтобы дать толчок зарождающейся Жизни. Все это занимательно, но… не наша тема.
Так возникла жизнь или эдак – не принципиально, для нас важнее, как она «работает». Для ее поддержания нужен постоянный приток энергии. Для всех живых организмов (и для нас, людей, в том числе) это потенциальная химическая энергия, заключенная в пищевых веществах. Мы заряжаемся пищей, которая содержит избыточные электроны и вдыхаем кислород, который их принимает. Организм расщепляет пищу, отрывая электроны, которые проходят сквозь клетки, участвуя в сложном комплексе химических реакций. В ходе этого процесса клетки вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ) – молекулу, которая действует как накопитель энергии почти во всех живых организмах. То есть для получения энергии организм постоянно должен пропускать через себя поток электронов, получая их с пищей. Мы живем, заряжаясь электронами.
На заре Жизни мир был полон свободных электронов и некоторые организмы приспособились питаться электрической энергией, вкушая голые электроны «без гарнира». Сегодня выявлено около десятка разновидностей древнейших бактерий, потребляющих электричество напрямую31. Причем при закислении среды до рН=2 (что примерно соответствует кислотности первобытного океана и архейской атмосферы) «прожорливость» этих микробных сообществ возрастает на два порядка32. Косвенно это может означать, что разнообразие подобных микроорганизмов в те эпические времена было значительно больше, но, не сумев приспособиться к изменяющейся обстановке, далеко не все из них дожили до наших дней.
Со временем вулканическая вакханалия молодой планеты стала утихать, количество «неприкаянных» электронов в окружающей среде снизилось, и бактериям пришлось переходить на новый рацион питания. Выжили те, которые приспособились встраиваться в геохимические циклы, и использовать электроны, которыми обмениваются химические элементы во время реакций.
В ходе геохимического круговорота, запущенного Луной, первородные космические породы и минералы вступали в химические реакции с образованием новых, уже сугубо земных отложений. Процессы сопровождались выделением или поглощением тепла и энергии, при этом преобладали окислительно-восстановительные реакции, происходящие благодаря обмену электронов между веществами. К чисто химическим реакциям начали присоединяться непрошенные участники – микроорганизмы – так называемые хемоавтотрофы33, используя электроны для своих нужд. С помощью белков-ферментов они научились многократно ускорять реакцию, и, если реакция идет с выделением энергии, она подхватывается живым веществом и используется для синтеза АТФ. Имея запас АТФ хемоавтотрофы получают возможность осуществлять уже те реакции, которые идут с поглощением энергии, например, синтез органики из углекислого газа.
Донорами электронов для хемоавтотрофов архея могли выступать водород и сероводород, двухвалентное железо или соединения аммиака. В поисках пропитания – необходимых электронов и микроэлементов – бактерии с энтузиазмом принялись разлагать горные породы. С той поры хемоавтотрофы ведут с горными породами настоящую войну, воздействуя на них богатым арсеналом химического оружия. Некоторые бактерии в процессе жизнедеятельности выделяют муравьиную, уксусную, пропионовую, азотную, серную (вплоть до 10%-ого раствора, способного прожечь бумагу!) и другие кислоты, разрушающие минералы.
В течение первого миллиарда лет существования биосферы прокариоты здорово «пощипали» каменную оболочку Земли и между делом сократили свою кормовую базу. Но Жизнь не стояла на месте: все это время одна за другой появлялись новые формы микробов и бактерий со своими способами получения энергии из окружающего пространства.
Примерно 3,7—3,2 млрд лет назад некоторые микробы научились немного «подкармливаться» солнечным светом. Да, это уже был фотосинтез, но пока еще не полноценный – аноксигенный, в ходе которого не происходит выделения кислорода. Световую энергию солнца бактерии научились переводить в разность электрохимических потенциалов, которая использовалась клеткой для синтеза АТФ. Конечно, это был гораздо менее эффективный способ утилизации солнечной энергии по сравнению с настоящим фотосинтезом, но зато и более простой.
Живые существа, овладевшие секретом аноксигенного фотосинтеза, получили доступ к неисчерпаемому источнику энергии – солнечному свету. Но их зависимость от дефицитных химических веществ все еще сохранялась, ведь для фотосинтеза одного света мало – нужна еще какая-нибудь субстанция, от которой можно оторвать электрон: например, сероводород или железо.
Ориентировочно в это же время (свыше 3,2 млрд лет назад) появились и гетеротрофы. Это значит, что к этому времени микробы-первопроходцы накопили «жирок» и Земля обзавелась достаточным количеством органики, способным прокормить новое поколение Жизни. Появились так называемые бродильщики. Кислород в то время еще был в жутком дефиците, поэтому они приспособились получать энергию за счет бескислородной ферментации (сбраживания) отмерших собратьев.
«Сообразив», что в одиночку прожить трудно, микробы на самых ранних этапах развития Жизни начали сотрудничать, сообща решая задачи выживания. Высшим достижением первого миллиардолетия жизни стали сложные микробные сообщества – бактериальные маты, которые появились предположительно 3,55 млрд лет назад. В основе их жизнедеятельности еще лежал аноксигенный фотосинтез. Эта форма жизни господствовала на планете в неизменном виде сотни миллионов лет, пока Жизнь не совершила новое открытие: примерно 2,7 млрд лет назад появились цианобактерии, открывшие миру кислородный фотосинтез. Жизнь приспособилась перерабатывать лучевую энергию солнца с бо́льшим КПД. Это «изобретение» стало важнейшим поворотным пунктом: в ходе оксигенного фотосинтеза донором электрона является уже не горная порода, а поистине неисчерпаемый земной ресурс – обычная вода, а побочным продуктом – кислород. Кислородный фотосинтез сделал бактерии независимыми от соединений серы и железа и открыл перед ними небывалые возможности. Но за все надо платить – кислород оказался настоящим ядом для существовавших на тот момент форм жизни. Спокойному существованию анаэробных организмов микроорганизмов на планете пришел конец: началась борьба за выживание. И все-таки, несмотря на появление цианобактерий, господство прокариот на Земле продолжалось еще почти два миллиарда лет.