Previous Entry Share Next Entry
Лекция
caenogenesis


Хочу выложить расшифровку лекции Владимира Васильевича Малахова, прочитанной на биофаке МГУ в начале сентября прошлого года.
Это была вводная лекция по курсу зоологии беспозвоночных. Сам курс, разумеется, весь посвящен конкретным группам животных (и, по традиции, некоторых одноклеточных эукариот), но в последние несколько лет Малахов начинает его лекцией, в которой кратко рассказывает о возникновении Земли, о происхождении жизни и о первых этапах эволюции.
Осенью видеозапись этой лекции была выложена в открытый доступ на сайте МГУ, и я сделал по ней расшифровку. Текст записан не строго дословно, но редактирование минимально: я сгладил разрывы предложений, убрал лишние междометия да исправил одну-две явные оговорки. Никаких смысловых поправок, никаких добавлений от себя, авторское содержание сохранено полностью.
Малахов - очень крупный биолог и великолепный лектор (Александр Владимирович Марков рассказывал, как сильно на него в свое время повлияли лекции Малахова - поверьте, это более чем заслуженно), и я думаю, что такая лекция вполне может представлять интерес не только для первокурсников-биологов, которым она читалась, но и, что называется, для широкой публики.
Но, кроме того, мне было бы интересно обсудить с читателями блога затронутые в лекции вопросы по существу. Есть ли у кого-нибудь замечания, уточнения, дополнения к тому, что сказал Малахов? И биологические, и особенно небиологические, смотря по тому, кто в чем компетентен.
По техническим причинам выложить текст придется двумя частями, в этом посте и в следующем.

Наша Вселенная образовалась около 13 миллиардов лет назад. Первые звезды, которые формировались в нашей Вселенной — то есть звезды первого поколения, — формировались практически целиком из водорода и гелия. Как мы знаем, звезда — это газовый шар, который под действием гравитационных сил сжимается, и в результате в ее центре возникает область с очень высоким давлением и очень высокой температурой. В этой области частицы — то есть протоны — движутся так быстро, что могут преодолеть электростатическое отталкивание. В результате из протонов (ядер атома водорода) в несколько этапов синтезируется ядро атома гелия (альфа-частица), и при этом есть дефект массы — он составляет примерно 0,75%. Он уносится жесткими гамма-квантами, которые постепенно, поглощаясь и излучаясь снова, смягчаются. В конце концов дефект массы уносится фотонами, и звезда излучает видимый свет. Постепенно в центре звезды возникает ситуация, когда водорода не хватает, и горение (если можно так назвать эту ядерную реакцию) перемещается на периферию. Звезда расширяется, а ее центральные области, в которых больше не идут ядерные реакции, охлаждаются. Начинается их неудержимое сжатие — так называемый коллапс. В результате этого сжатия температура необычайно возрастает, и начинаются ядерные реакции по синтезу тяжелых элементов, которые могут идти только при температурах уже не 10-15 миллионов градусов, достаточных для того, чтобы синтезировались ядра гелия, а при температурах 100-150 и более миллионов градусов, когда синтезируются тяжелые элементы — не только кремний, алюминий, железо, но даже и более тяжелые, вплоть до урана и до трансурановых элементов. При этом выделяется огромная энергия, и внешние оболочки звезды сбрасываются, а окружающее пространство обогащается элементами, рассеянными в результате взрыва звезды. Звезда умирает именно в результате такого взрыва, это терминальная стадия ее эволюции. А в результате межзвездная среда обогащается не только легкими, но и тяжелыми элементами. И вот туманности, которые возникают на месте взрыва крупных звезд (а крупные звезды живут короткое время, звезда вообще тем дольше живет, чем она меньше; красные карлики могут жить десятки миллиардов лет, а белые гиганты живут всего лишь 100-200 миллионов лет), — эти туманности, обогащенные тяжелыми элементами в результате взрыва звезд первого поколения, становятся одновременно и кладбищами звезд первого поколения, и родильными домами для звезд второго и третьего поколений.
И вот в той области Галактики, где находится наше Солнце, примерно 4,6 миллиарда лет назад произошел взрыв двух сверхновых звезд, принадлежавших, вероятно, уже даже не к первому, а ко второму поколению (я имею в виду те поколения звезд, которые прошли с момента возникновения нашей Вселенной около 13 миллиардов лет назад). Произошел взрыв двух крупных сверхновых (резкое повышение светимости при таком взрыве астрономы очень давно назвали появлением сверхновой звезды). И эта обогащенная тяжелыми элементами туманность стала местом, где сформировалось наше Солнце. Итак, возраст начала формирования нашей Солнечной системы — 4,6 миллиарда лет назад.
Как формируются звезды и планетные системы вокруг них? Они формируются опять-таки в результате гравитационной аккреции, в результате флуктуаций плотности (кстати, этим флуктуациям плотности способствуют взрывы сверхновых, потому что они создают волны). Начинается гравитационное стягивание материала. Сначала этот материал имеет форму шара, но, поскольку момент количества движения в силу случайных причин не может быть абсолютно скомпенсирован, то этот шар начинает вращаться. А вращаясь, он неизбежно вытягивается и превращается в диск. И вот центральные части этого диска, аккумулирующие 99% всего материала, становятся звездой — в данном случае нашим Солнцем, — а периферические части становятся планетами, астероидами, кометами и другими малыми телами, входящими в состав планетных систем.
Из нескольких существовавших теорий звездообразования следует, что формирование звезд почти всегда должно сопровождаться формированием планет. Долгое время этому не было подтверждений, потому что у нас не было возможности наблюдать планеты у других звезд: ни в какой телескоп с Земли вы этого не увидите. И только с появлением новых, косвенных методов (иногда даже прямых, но не с Земли, а с использованием космического телескопа «Хаббл») удалось показать, что действительно существует огромное количество экзопланет. Звезды, которые находятся в пределах нескольких десятков световых лет от Солнца, почти все имеют планеты. Количество известных экзопланет сейчас растет бурно, оно уже составляет несколько тысяч. Конечно, легче всего зафиксировать наличие у звезд крупных планет — планет-гигантов, таких, как Юпитер и Сатурн; но у нескольких не очень далеких звезд удалось обнаружить и планеты, сравнимые по массе с Землей и планетами земной группы. Это подтверждает те теории звездообразования, которые прямо говорят о том, что при формировании звезд должны формироваться, как правило, и планеты.
Когда молодая звезда начинает светиться, это мощное свечение начинает сопровождаться вихревыми магнитными полями и давлением солнечного ветра. А это приводит к сегрегации материала в протопланетном диске. Давление световых лучей и корпускул, которые вылетают из звезды — звездный, или, как мы говорим применительно к нашей звезде, солнечный ветер — приводит к тому, что легкие элементы уходят на периферию протопланетного диска. В результате получается, что водород, углерод, кислород, азот в значительной степени отодвигаются на далекую периферию. А вблизи звезды оказываются более тяжелые элементы: кремний, алюминий, железо, никель и другие, которых, вообще-то говоря, очень немного, но их тяжелее отодвинуть с помощью солнечного ветра. Поэтому в нашей Солнечной системе вблизи Солнца находятся маленькие каменные планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс. А дальше, за поясом астероидов, находятся планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун; за ними — малые планетные тела, пояс легких астероидов (пояс Койпера) и планетное облако (облако Оорта). Маленькие планеты земной группы — тяжелые. У них высокая плотность, потому что они состоят на 75% из алюмосиликатов и на 25% просто из железа. Поэтому плотность этих планет — около 5, а плотность планет-гигантов — около 1 (у некоторых даже меньше 1): эти планеты состоят в основном из водорода, гелия и других легких элементов в меньшем количестве. Это — несостоявшиеся звезды. Если бы Юпитер был раз в 30-50 побольше, он бы уже мог стать коричневым карликом и мог бы сам светиться. Нас, конечно, интересуют планеты земной группы. Они в основном каменные, воды на них очень мало, потому что вода состоит из легких элементов и в основном удалена на далекую периферию Солнечной системы. Например, прилетающие издалека кометы состоят в основном из водяного льда. А незагрязненные первичные базальты нашей планеты содержат примерно 0,05% воды. Так что даже возникает вопрос, откуда столько воды на Земле.
Планеты формируются в результате аккреции: во вращающемся протопланетном диске сталкиваются камешки, два столкнувшихся камешка притягивают третий, и так далее. Постепенно формируются планетные тела (планетезимали), которые выметают окружающее пространство, притягивая мелкие камешки к себе. Происходит это, по расчетам (а сейчас есть очень хорошие расчетные методы), довольно быстро — в течение нескольких десятков миллионов лет. Если наша Солнечная система начала формироваться 4,6 миллиарда лет назад, то формирование Земли как планеты в целом закончилось уже 4,54 миллиарда лет назад — примерно через 60 миллионов лет.
Нужно учесть, что при формировании планеты движение и соединение камешков, о которых я говорил, происходит на космических скоростях. И, соответственно, поверхность планеты довольно сильно разогревается. Кроме того, у планеты есть несколько источников, которые будут долгое время питать ее тектоническую энергию. Один из этих источников — это гравитационное сжатие. Любой конгломерат из твердых или газообразных тел под действием гравитации будет сжиматься, и в результате этого планета будет разогреваться. Это — один источник энергии. Падение космических тел на космической скорости на поверхность планеты — другой источник энергии. Источником энергии является и распад радиоактивных элементов, которые попали в тело планеты и добавляют свое тепло. Ну, и в отношении Земли есть еще один источник энергии — это приливные силы, возникшие благодаря тому, что у Земли в результате некоторых процессов появился очень массивный большой спутник — Луна. Земля может рассматриваться как двойная планета. И это тоже добавляет энергии.
На сколько хватает этих источников энергии? Наличие теплоты означает, что на Земле и на других планетах довольно долгое время идет тектоническая активность. Суть ее — в гравитационной (плотностной) дифференцировке: когда планеты формируются в результате случайного столкновения, то легкие элементы могут случайно оказаться внутри, тяжелые — снаружи, и если планета хоть как-то нагрета, то тяжелые элементы (железо) погружаются внутрь, постепенно формируя железное ядро, а легкие выплавляются на поверхность, формируя мантию (она силикатная) и кору (она состоит из силикатов, глин и карбонатов), а также водную и газовую оболочки. Вся вода, которая появилась на поверхности нашей планеты, появилась в результате этих тектонических процессов, сопровождающихся вулканическими извержениями — а вулканические газы на 90% состоят из воды. Так что вода, которая образовала водную оболочку нашей планеты — это результат выплавления тех 0,05% воды, которые содержались и содержатся еще в мантийных породах, но которые постепенно выходят на поверхность в нагретом виде. Водяной пар выходит в атмосферу, потом он конденсируется и дает вот эту водную оболочку, которой мы пользуемся и которая служит основой жизни.
Надо сказать, что подобные процессы шли на всех планетах земной группы. И судьба планет земной группы на ранних этапах была очень похожей. Например, Марс сейчас выглядит совершенно сухой планетой, но так было не всегда. Примерно первый миллиард лет существования Марса (он тоже сформировался примерно 4,5 миллиарда лет назад) на Марсе существовал океан. Он был немного меньше, чем наш нынешний океан — он занимал примерно треть поверхности Марса, но следы этого океана на поверхности хорошо прослеживаются. Ну, а потом запасы энергии гравитационного сжатия и распада радиоактивных элементов закончились. Марс постепенно остыл (он ведь маленький — в 9 раз по массе меньше Земли), и тектоническая активность закончилась. Правда, мы находим на Марсе огромные вулканы (гора Олимп — вообще крупнейший в Солнечной системе вулкан), но все это было в далеком прошлом. А сейчас тектоническая активность закончилась, большая часть воды просто испарилась и улетела — так же как и атмосфера, тем более что Марс маленький и вторая космическая скорость там гораздо меньше, чем на Земле. Сейчас вода на Марсе есть, но в виде небольшого количества льда, находящегося под поверхностью. Когда на Марс шлепается с космической скоростью какой-нибудь большой метеорит, он, естественно, нагревает поверхность, и вода выплавляется. На Марсе есть потоки и следы рек, но это — результат временных явлений, когда замороженная вода переходит на короткое время в жидкую фазу.
Венера — большая планета (80% по массе от Земли), и тектонической энергии ей хватило дольше. Но примерно 500 миллионов лет назад, то есть совсем недавно, вулканическая и тектоническая активность на Венере тоже прекратилась (все вулканические проявления на Венере имеют возраст порядка 500 миллионов лет), и произошла климатическая катастрофа. Дело в том, что Солнце постепенно увеличивает количество излучаемой энергии, потому что растет сама поверхность Солнца. А Венера ближе к Солнцу, чем Земля. На ней произошел нагрев атмосферы, он привел к тому, что океаны выкипели, и это создало парниковый эффект. Произошло разложение карбонатов, еще больше повысившее плотность атмосферы. Сейчас мы имеем на Венере атмосферу с очень высокой плотностью (приповерхностное давление там порядка 500 атмосфер) и поэтому очень высокую температуру порядка 500 градусов. Это событие, которое произошло относительно недавно — несколько раньше, чем 500 миллионов лет назад. А когда-то на Венере тоже был океан, и, возможно, была жизнь. Но, к сожалению, сейчас найти на Венере ее остатки будет трудно.
Земля — большая планета, тектонической энергии на ней хватило до сих пор. На Земле до сих пор извергаются вулканы, хотя, конечно, тектоническая активность нашей планеты сейчас гораздо меньше, чем в прошлом. Это естественно, потому что тектоническая энергия расходуется. У Земли мощное магнитное поле — оно связано с тем, что у нее до сих пор кроме твердого железного ядра есть и жидкое железное ядро. А когда с поверхности опускаются тяжелые компоненты, часть их включается в ядро, проходит по ядру и потом где-то поднимается, это приводит к тому, что в жидком ядре происходят постоянные токи, а это порождает магнитодинамический эффект и магнитное поле, которое у Земли очень мощное. Его нет ни у Марса, ни у Венеры. И то, что ни у Марса, ни у Венеры нет магнитного поля, означает, что это тектонически мертвые планеты.
Итак, благодаря постоянной тектонической активности на нашей планете на ней существует вода. Конечно, далеко не вся вода, которая выделилась в результате тектонических процессов, на Земле сохранилась. Значительная часть воды улетела в межзвездное пространство, но это не настоящее испарение, а разложение воды под действием ультрафиолетовых лучей на кислород, который немедленно связывается с горными породами, и водород, который не удерживается земным тяготением, потому что это слишком подвижный элемент. Если бы вся вода, которая выделилась в результате тектонической активности, сохранилась на нашей планете, то мы бы имели океан средней глубиной около 10 километров, — практически это была бы настоящая водная оболочка. Сейчас средняя глубина океана около 4 километров, и довольно много земной поверхности выступает из воды (чуть меньше 30%); благодаря этому есть суша, на которой могут существовать государства, воевать между собой, делить эту сушу и так далее. По расчетам, нашей планете тектонической активности хватит примерно еще на один миллиард лет (может быть, на полтора миллиарда), а потом произойдет то же, что с Марсом и Венерой: мы потеряем водную оболочку, по-видимому, будет мощный парниковый эффект, который повысит приземную температуру до нескольких сот градусов, и всякая жизнь на нашей планете прекратится. Но это произойдет только через миллиард (или полтора миллиарда) лет в будущем. А через 4,5-5,0 миллиарда лет и Солнце взорвется, поскольку подойдет к терминальной стадии своей эволюции, но к тому времени на Земле давно уже не останется никаких признаков жизни.
Сейчас, правда, нас интересует не столько далекое будущее, как еще более далекое прошлое. Земля сформировалась 4,54 миллиарда лет назад, и понятно, что в процессе формирования на нее шлепались метеориты и другие крупные тела. Она была горячей. Нам важно знать: как быстро поверхность планеты остыла настолько, что могла появиться жидкая вода? Долгое время думали, что это мог быть довольно длительный период; но, с другой стороны, существовала и точка зрения, что период горячей планеты очень быстро закончился, первоначально Земля была совершенно холодной и очень медленно разогревалась. Сейчас у нас появилась возможность установить, что Земля действительно очень быстро остыла до такого состояния, что могли появиться первые водоемы. Речь идет, конечно, не об океане и даже не о морях или озерах — речь идет о том, что появились какие-то лужицы, пропитанный водой грунт, влажный субстрат. И это произошло порядка 4,4 миллиарда лет назад. Это — дата появления жидкой воды на поверхности нашей планеты. Почему мы это знаем? Вообще говоря, на Земле нет никаких больших массивов пород старше 4 миллиардов лет. Но минералы, которые образовались раньше этого срока, есть. Например, цирконы. Циркон — это соль циркония и кремниевой кислоты, очень твердый минерал (он используется в технике как абразивный материал, а крупные цирконы могут даже использоваться как ювелирные камни). Благодаря своей твердости цирконы могут перезахораниваться, попадая в более молодые породы, но при этом мы можем легко определить возраст самих цирконов благодаря радиоактивным примесям, которые там есть. И вот интересно, что в цирконах, образовавшихся 4,4 миллиарда лет назад, есть свидетельства того, что они формировались в присутствии жидкой воды — потому что кислород, который входит в состав цирконов, был взят из жидкой воды (это можно надежно сказать по его изотопному составу). Эти цирконы найдены на западе Австралии в породах формации Джек-Хилл, тоже довольно древней (возраст этих древних кусочков земной коры — больше 3,5 миллиардов лет), но в ней есть еще более древние камешки — совсем крошечные зернышки, — которые свидетельствуют о том, что вода появилась очень рано.

  • 1
Суть дела не сильно меняет, результат тот же. Просто у элементов тяжелее железа дефект массы отрицательный

(Deleted comment)
Для чего надо "прикидывать время эволюции конкретных звезд...", чтобы узнать, что у тяжелых элементов отрицательный дефект массы? Ничего не понял.

  • 1
?

Log in

No account? Create an account