Наши развилки. Развилки эволюции природы на пути к человечеству
Шрифт:
Время и место возникновения Солнечной развилки эволюции Галактики определилось приблизительно через 8,7 млрд. лет после Большого взрыва, т. е. около 5 млрд. л.н., когда сформировалось массивное, плотное газопылевое облако в Галактической нити Персея-Пегаса. Более точный адрес места формирования Солнечной системы: комплекс сверхскоплений Рыб-Кита, местная группа галактик, галактика Млечный Путь, рукав Ориона. Это облако массой около 10 масс Солнц состояло из молекул водорода и гелия, а также небольшой доли тяжелых элементов. Около 4,6 млрд. л.н. это массивное протосолнечное скопление молекулярной пыли и газа, вращающееся и летящее в галактическом пространстве, подверглось воздействию ударной волны от вспыхнувшей неподалеку сверхновой звезды под названием Матернитэ. Всё облако получило дополнительный импульс для уплотнения и подверглось гравитационному коллапсу (резкому сжатию). Взрыв сверхновой звезды не только явился триггером для начала формирования Солнечной системы, но внедрил в облако комплекс своих тяжелых и сверхтяжелых химических элементов, без которых Земля либо вовсе не образовалась бы, либо имела иной состав, не благоприятный для зарождения и эволюции жизни. Важнейшим вкладом сверхновой звезды в состав будущей Солнечной системы явился, прежде всего, набор сверхтяжелых элементов от кобальта до урана. Эти весьма тяжелые атомы наряду с полным комплексом
Газопылевое протосолнечное облако представляло собой, по существу, пространство, заполненное двухатомными молекулами водорода (73 % – H2) и одноатомными молекулами гелия (25 % – Не). Доля всех тяжелых элементов составляла лишь 2 %. Самыми распространенными тяжелыми элементами являлись: кислород, углерод, неон, азот, железо, магний, кремний, сера, аргон, алюминий, никель, натрий и кальций. Все остальные элементы таблицы Менделеева присутствовали в газопылевом облаке в очень малых количествах. Среди газообразных молекул лишь изредка встречались тяжёлые химические элементы в форме различных микроскопических пылеобразных минеральных соединений. Пылевые гранулы состояли преимущественно из смеси разных силикатов (H2SiO3, Na2SiO3, H4SiO4 и др. [8] ), графита (C) и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), которые, по одной из гипотез, занимают определявшее место в происхождении жизни (в создании цепочки РНК). Многие минералы сформировались уже в протосолнечном газопылевом диске, но определенная часть соединений была создана ещё в межзвездном пространстве в результате деятельности и гибели звезд первого и второго поколений. В межзвездном космосе атомы и молекулы движутся на значительном удалении друг от друга. В период долговременного одиночного путешествия они заряжаются большой энергией за счет поглощения электромагнитного излучения (фотонов – света). Поэтому при встрече такие, «высокоэнергетичные» молекулы были способными образовать экзотические соединения, которые не могут возникнуть в земных условиях. Продолжительная деятельность природной Галактической химической лаборатории обеспечила будущую Солнечную систему не только полным набором атомов, но также многими соединениями разной сложности, которые направили эволюцию Земле по траектории к зарождению и развитию жизни.
8
В тексте приводится немало химических формул с целью показать, насколько сложными бывают не только молекулы живых существ, но также неживые минералы. Кроме того, формула указывает на место расположения наших атомных гидов в той или иной молекуле.
Например, в протосолнечное облако попали такие собранные из межзвездного пространства, тугоплавкие минералы ранних звезд, как: алмаз (С) [9] , лонсдейлит (одна из полиморфных модификаций углерода), карбид кремния (соединение кремния с углеродом – SiC). Кроме того: нитрид кремния (кремний с азотом – Si3N4), оксиды алюминия (корунд – Al2O3) и титана (Ti3O), оливин (MgFeSiO4), пироксен ((Mg, Fe, Ca) Si2O6), полевой шпат ((K, Na) AlSi3O8). В планетеземали, содержащих эти минералы, присутствовали также примеси фосфатов кальция (Ca SO4), сульфида железа (FeS), самородных железа и никеля. Кроме того, исходное вещество для Солнечной системы было обогащено такими молекулами, как: вода (H2O), монооксид углерода (CO) и циановодород – бесцветный, очень ядовитый газ (HCN) и другими. Особое внимание обратим на недавно открытое в нашей и соседней галактике, весьма интересное соединение – Фуллерен – молекула в форме полого выпуклого многогранника из шестидесяти и более атомов углерода. Эта комбинация атомов в газообразной и твёрдой фазе напоминает покрышку футбольного мяча. Вполне возможно, что фуллерены участвовали в формировании пребиотических предков первых живых организмов. Ведь они обладают весьма прочной и долговечной конструкцией и способны транспортировать сложные органические молекулы.
9
Для того, чтобы понимать из каких элементов состоят минералы, после их названий приведены химические формулы.
Природа экспериментальным путем выбрала углерод для формирования живых существ потому, что только этот элемент способен формировать неисчислимое разнообразие молекул с крупнейшими размерами. Уже в протопланетном диске Солнечной системы образовалось значительное количество таких сложных [10] молекул, как: 1- муравьиная кислота (CH2O2), которую земные формы жизни активно используют для синтеза более сложных карбоновых кислот; 2- метанол (CH4O – простейший одноатомный спирт) и 3- формальдегид (CH2O – бесцветный органический газ). Наличие сложных углеводородов вне Земли показывает, что неживая и живая природа находятся в тесном единстве. Периодическая химия создала предпосылки для появления биотической химии. Конечно, для протекания химических реакций, создавших живые объекты, необходимы особые условия, возникновение которых потребовало от природы реализовать множество самых разных вариантов эволюции природы. Например, Земной маршрут эволюции природы характеризуется неустойчивостью большинства космических органических соединений. Особые геологические и геохимические условия на нашей планете преобразовали органические вещества космического происхождения и создали углеродные агрегаты, специфичные только для Земли. На Земле эволюция природы привела к зарождению жизни и её развитию до человека современного типа благодаря последовательному выстраиванию череды множества эволюционных поворотов (развилок). Читателю предоставлена возможность ознакомиться с 47 главными развилками эволюции природы, приведшими к возникновению разумной формы материи.
10
Самой сложной молекулой в природе является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), в которой кодируется геном организма. Молекулярный вес её достигает миллиардов, длина в развернутом виде составляет до 3 см.
Сжатие вращающегося газопылевого облака преобразовало его в диск, в котором сформировался центральный быстро крутящийся и уплотняющийся сгусток вещества – протозвезда. Мощное поле гравитации протозвезды стянуло на нее почти всю массу-энергию протосолнечной системы. Считается, что около 99,8 % массы химических элементов всего диска сконцентрировалось в прото-Солнце. Планеты и спутники Солнечной системы образовались из остатков вещества.
Вещество центральной протозвезды в течение приблизительно одного миллиона лет сжалось до такой степени, при которой произошел гравитационный коллапс [11] . В результате катастрофического сжатия в недрах протозвезды возникли термоядерные
11
Гравитационный коллапс – катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил.
12
Вскоре после вспышки Солнца образовались кальций-алюминиевые соединения, имеющие возраст 4568 млн лет, который почти соответствует времени появления Солнечной системы.
На разном удалении от вспыхнувшего Солнца создались отличающиеся температурные, радиационные и прочие условия, что обусловливало зональное образование специфических новых минералов и такое же распределение ранее прибывших соединений. Соответственно, планетеземали – исходные компоненты планет, сформированные на разном удалении от Солнца, различались как фазовым, так и химическим составом. Остатки вещества в протопланетном диске, после сбора протозвездой всего газа и пыли в её ближайшем окружении, сгруппировались во множество слоев-колец. Причем вещество колец, расположенных ближе к Солнцу, значительно прогревалось, что приводило к дегазации пылинок. Значительная часть газа отсюда выдавливалась звездным излучением в периферийную область протопланетного диска. Поэтому в составе ближайших к Солнцу газопылевых колец доля пыли значительно превышала газовую составляющую. Такая обогащенность тяжелыми минеральными частицами внутренней области диска обусловила формирование четырех твердых планет земной группы вблизи Солнца (Меркурий, Венера, Земля, Марс). В этой области кислород (O), кремний (Si) и натрий (Na) объединились в многочисленные пылинки минералов, называемых безводными силикатами (например, Na2SiO3 и др.). Силикаты послужат основой горных пород, из которых состоит земная кора. Образованные здесь углистые хондриты (графит, сажа, органические соединения и др.) содержали воду в значительных количествах, а также заключали силикаты с большой долей железа (прежде всего, оксида железа – магнетита – Fe3O4). Во внутренней области протопланетного диска были сосредоточены многие органические вещества, например, цианоацетилен (HC3N), ацетонитрил (CH3CN), циклопропенилиден (c-C3H2) и другие, вплоть до аминокислот, а также вышеупомянутые ПАУ. В этой области проявилось неполное окисление железа. Вещество более удаленных от Солнца газопылевых колец оказались более окисленным. Конечно, весь этот, достаточно обширный перечень химических соединений представлял очень малую долю в протосолнечном облаке. Всё же, даже такое небольшое количество разнообразных веществ обеспечило формирование Земли с её уникальным составом и со всеми живыми организмами на ней.
В слоях-кольцах, удаленных от Солнца, было очень холодно, что привело к намерзанию газа на пылинках. Этот газ, наряду с большим объемом выдавленного водорода и гелия из окружения Солнца, создали условия для формирования здесь планет иного типа – газовых гигантов (Юпитер, Сатурн).
Тепло от Солнца прогрело вещество протопланетного диска. Для каждого кольца были характерны свои температуры, зависящие от удаления их от звезды. Вещество колец, прогретых свыше 2 000°C, испарилось и переместилось на более удаленные орбиты. На удалении более 8 млн. км от Солнца пониженные температуры позволили металлам и минералам затвердеть, но вода и ряд других веществ находились в жидком или газообразном состоянии. Эта внутренняя часть Солнечной системы простирается до «линии снега», границы, за которой вода, метан и аммиак существуют в твердой фазе – форме льда. Эти соединения водорода являются самыми распространенными веществами Солнечной системы, особенно вода.
Молекулы газа, пылинки, кристаллы льда в кольцах вокруг Солнца постепенно притягивались друг к другу, образуя каменные обломки и куски льда. По мере вращения по своим орбитам вокруг Солнца более крупные тела притягивали мелкие, превращаясь в каменные или ледяные глыбы размером приблизительно от 1 до 1,5 км – планетеземали. Через несколько миллионов лет из планетеземалей сформировались протопланеты – основа будущих планет. Довольно хаотичное движение протопланет приводило их к частому столкновению, в процессе которого одни разрушались, а другие наращивали массу.
Первой планетой Солнечной системы стал газовый гигант Юпитер приблизительно 4,55 млрд. лет назад. Юпитер по химическому составу очень сходен с Солнцем. Этой огромной планете не хватило совсем немного массы для того, чтобы зажечь термоядерную реакцию в ядре и превратиться в звезду подобную Солнцу. Если бы в распоряжении Юпитера оказалось чуть больше исходного газопылевого материала, то на месте этой планеты вспыхнула бы вторая звезда в нашей Солнечной системе. Впрочем, в таком случае эта двойная звездная система не была бы нашей, так как высокая температура на Земле испарила бы всю воду, и не было бы человека на ней. Вокруг Юпитера подобно звездной системе вращается 79 спутников, среди которых – такая интересная минипланета, как Европа, под ледяной оболочкой которой расположен океан жидкой воды. Юпитер образовался на достаточно удаленном расстоянии от Солнца. Сначала скомпоновалась суперземля – каменная планета массой превышающей нескольких масс Земли. Огромная масса твердой протопланеты притянула к себе все ближайшие протопланеты и весь газ, окружающий её орбиту в пределах своего слоя-кольца. В конечном счете, Юпитер расчистил от протопланетного вещества широченное кольцо в диске Солнечной системы. Возникла замерзшая гигантская газовая планета, внешние оболочки которой представлены в основном молекулярным и металлическим водородом, а ядро сложено тяжелыми элементами, вероятно, в плазменном состоянии.
Немного позже шло формирование соседней планеты Сатурн, которая собрала все вещество с обширного пространства, прилегающего к её орбите. Получился второй по величине замерзший газовый, преимущественно водородный гигант в Солнечной системе. Эти два планетных монстра вобрали в себя 92 % вещества, оставшегося после образования Солнца. В периферийной области диска Солнечной системы образовались две другие холодные планеты меньшего размера – Уран и Нептун, состоящие преимущественно из водорода, гелия и метана. Внешние планеты – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун состоят из водорода, гелия, метана, аммиака и других газов. Кроме того, в их атмосферах содержатся сложные молекулы. Предполагается существование твердого ядра у этих планет.