Средообразующая роль биосферы состоит в создании и непрерывном поддержании планетарных химических и физических (климатических) факторов. Жизнь является главной силой, преобразовавшей Землю. Биосфера полностью изменила доступную часть пространства планеты. Привычные для нас условия жизни, в первую очередь кислородная атмосфера и современный климат, являются «заслугой» биосферы, которая создавала и стабилизировала их на протяжении последних 320 миллионов лет. Без этой биотической регуляции, среда на безжизненной Земле представляла бы некий промежуточный вариант между условиями, наблюдаемыми сейчас на поверхности Венеры и Марса. На Земле неизбежно установилось бы химическое равновесие, такое же, как наблюдаемое сейчас на этих планетах: вселенское спокойствие, изредка нарушаемое падением метеоритов и выносом вещества из недр планеты газовыми струями и вулканическими извержениями.
Рассмотрим, как был основан и постепенно строился наш общий дом.
Зарождение жизни
Когда вверху не названо небо,
А суша внизу была безымянна,
Апсу первородный, всесотворитель,
Праматерь Тиамат, что всё породила,
Воды свои воедино мешали.
(Вавилонская поэма «Энума Элиш», II тыс. до н.э.)
Юная Земля
Жизнь зародилась на Земле в совершенно невообразимых по сегодняшним представлениям условиях. Наша планета в те далекие времена 3,8 миллиардов лет назад была представлена только ландшафтами неприветливой, суровой и холодной пустыни с черным небом, на котором сияли яркие, немерцающие звезды. Солнце было желтым и слабо греющим (его светимость была приблизительно на 30% ниже современной). Луна находилась на расстоянии всего 19 25 тыс. км от поверхности Земли. Её непомерно большой диск был по видимым размерам в 300 раз больше современного. Луна была расплавлена, поэтому днем и ночью она светилась темно-красным светом и, так как имела огромные видимые размеры, то заметно обогревала земную поверхность. На лике Луны еще не было привычных для нас «морей».
Пустынный пейзаж первозданной Земли временами нарушался лишь выбросами первичной горной породы реголита от беззвучных взрывов падавших на Землю астероидов. Удивительным тогда было и стремительное движение Солнца. Вследствие большой скорости вращения Земли вокруг собственной оси сутки продолжались не более 6-ти часов. Фазы Луны менялись буквально на глазах, проходя весь цикл от новолуния до полнолуния и обратно за 8 10 часов. Однако самой впечатляющей была практически непрерывная череда землетрясений, вызываемых интенсивными приливными деформациями Земли. Вместе с движущимися вслед за Луной приливными «горбами» в твёрдом веществе Земли, высота которых превышала 1,5 км, эти землетрясения дважды за каждые 18 20 часов потрясали первозданный земной ландшафт.
Создание планетарной среды обитания («терраформирование», говоря современным языком) заняло у природы не один миллиард лет. Царства флоры и фауны, формы жизни, биологические виды и отдельные живые организмы сменяли друг друга, приспосабливаясь к изменяющейся окружающей среде. В табл. 1.1 показана геохронологическая шкала, в которой выделены этапы эволюции биосферы, в процессе которых происходило изменение условий обитания и образование новых форм жизни на Земле.
Таблица 1.1. Геохронологическая шкала
Земля в архейской эре
Сколько раз меняла лицо Земля,
Сбрасывая уборы,
Сколько раз поглощали сушу моря,
Из морей поднимались горы.
(Вероника Тушнова, «Миллион лет до нашей эры»)
К началу архея Луна отдалилась от Земли на расстояние около 160 тыс. км, но все же ещё приблизительно в 2,4 раза была ближе к Земле, чем сейчас. В то время наша планета вращалась вокруг своей оси с высокой скоростью, в году было ещё около 890 коротких суток, продолжительностью всего 9,9 часов. С большой скоростью вращалась и Луна вокруг Земли, поэтому лунные приливы амплитудой до 360 см деформировали земную поверхность через каждые 5,2 часа. К концу архея вращение Земли уже существенно замедлилось и в году насчитывалось только 460 суток продолжительностью по 19 ч. Резко упала к этому времени и амплитуда приливных деформаций Земли до 45 см в твёрдом веществе, поэтому Луна практически перестала влиять на тектоническую активность Земли.
В архейской эре Земля обзавелась достаточно мощной атмосферой. Эта атмосфера состояла из газов, прорывавшихся из расплавленных недр планеты, поэтому получила название вулканической. В табл.1.2 представлен химический состав той, древнейшей атмосферы. В таблице также приведены данные, показывающие, что ближайшие к Земле планеты солнечной системы и сейчас имеют подобную атмосферу. Нынешняя кислородная атмосфера Земли целиком и полностью является результатом деятельности живых организмов биосферы, осуществлявшейся на протяжении всей её эволюции.
Таблица 1.2. Химический состав атмосферы планет Солнечной системы5
Главным достижением архейской эры является зарождение жизни на Земле. Происхождение жизни на Земле является крайне сложным вопросом. Считается, что такие особенности молодой Земли, как дегазация первичного вещества, высокая пористость и сорбционная ёмкость реголита могли обеспечить благоприятные условия для формирования сложных органических соединений. Связано это с тем, что первозданный реголит и первичные вулканические горные породы Земли содержали в изобилии в свободном состоянии хром, железо, кобальт, никель, свинец, платину и некоторые другие металлы, обладающие активными каталитическими свойствами по отношению к синтезу органических соединений.
Анаэробные прокариоты. Они были первыми
По мере дегазации недр Земли и развития гидросферы выделения воды в виде свободной жидкости, возникшие в грунте наиболее примитивные формы жизни, вероятно, еще в виде простых ассоциаций сложных органических молекул или содержащих рибонуклеиновые кислоты образований, могли переместиться в воду молодого Мирового океана раннего архея. В результате, в архейской эре появились самые примитивные одноклеточные организмы цианобактерии и водоросли-прокариоты (безъядерные клетки), уже ограниченные от внешней среды защитными полупроницаемыми мембранами, но еще не обладаюшие обособленным ядром. По-видимому, тогда же появились и первые фотосинтезирующие одноклеточные микроорганизмы сине-зелёные водоросли, способные окислять железо, так как кислорода в первичной вулканической атмосфере Земли практически не было.
В настоящее время атмосфера Земли более чем на 20% по объёму состоит из свободного кислорода, который есть не что иное, как «побочный» продукт фотосинтеза цианобактерий, водорослей и высших растений за всю историю биосферы. Для того чтобы кислород начал накапливаться в атмосфере, хотя бы часть образованного в ходе фотосинтеза вещества должна быть выведена из круговорота, то есть не перерабатываться его потребителями. Кислород преобразуют все дышащие многоклеточные организмы, микроорганизмы, разлагающие органическое вещество и растения в темновой фазе фотосинтеза. В архее этих потребителей ещё не было, поэтому кислород расходовался на окисление горных пород, в изобилии содержавших железо. Так образовались месторождения железных руд, которые сейчас разрабатываются человеком, например Курская магнитная аномалия, сформировавшаяся более 2 млрд. лет тому назад6.
Накопление О2 в атмосфере, в % от современной концентрации