Происхождение Земли. Различные гипотезы происхождения Земли
Когда выходишь ранним морозным утром на улицу и чувствуешь похрустывание снежинок под ногами или встречаешь рассвет на берегу реки в жарком июле, очень трудно представить себе, что когда-то давно ничего этого не было. Вообще ничего: ни снега, ни реки, ни травы, ни даже Солнца. Существовал лишь бескрайний космос, в котором носились частички пыли, врезаясь друг в друга на огромных скоростях. Этот период трудно как-то назвать. Он не доисторический, он какой-то внеисторический: настолько непостижимо давно это происходило, и так безнадежно безжизненно было тогда пространство…
Однако происхождение Земли неразрывно связано с этим этапом становления Вселенной. Условия, впоследствии приведшие к появлению нашей планеты, начали формироваться с самого момента Большого взрыва. Различные гипотезы происхождения Земли и зарождения мира возникали в умах людей с тех пор, когда человек впервые задумался о своем месте во Вселенной и о том, что существует за пределами привычной ему территории.
Мифология
У всех народов есть легенды о возникновении мира. Объединяются они божественным началом, лежащим в основе мифологического творения. Из хаоса появляются первые божества, которые дают начало сомну сверхъестественных существ, а также всему, что есть: океану, суше, дню и ночи, людям. Концепции происхождения Земли у разных народов часто связаны с желанием бога сотворить твердь посреди мировых вод. В разные эпохи мифы о создании мира дополнялись, либо появлялись новые версии. Так, в индуизме происхождение Земли и всего мироздания рассматривается в пяти вариантах. Основой для Вселенной, согласно разным преданиям, считается священный звук Ом, первочеловек Пуруша, пожертвовавший части своего тела для создания мира, дыхание Маха-Вишну. Также в качестве начала всего сущего выступает «первичное тепло» и «космическое яйцо».
Космогония славян
Происхождение Земли по древним славянам во многом схоже с прочими мифологическими представлениями. Изначально Вселенная не была упорядочена. В то время существовал лишь единый бог Род, который структурировал первозданный Хаос. Он создал землю из соединения морской и небесной стихии. Затем его сын Сварог начал упорядочивать пространство. Он вдохнул жизнь во все земное, создал человека и объяснил первым людям законы, по которым нужно жить.
Под влиянием христианства миф несколько видоизменился. В летописях встречается предание о Боге, плывущем по первозданным водам на лодке и встречающем черта. Бог посылает беса на дно морское за горстью песка и создает из нее земную твердь.
Название
С мифологическими сказаниями о мироустройстве связано и происхождение названия «Земля». В мышлении далеких предков всех современных народов не существовало представления о шарообразной форме планеты, да и о самой планете тоже. Происхождение названия «Земля» связано, с одной стороны, с легендой о плоской, словно блюдце, поверхности с сушей и морями, покоящейся на спинах гигантских животных. У разных народов это были слоны, черепаха или кит. С другой стороны, происхождение слова «земля» связано с разделением мироздания на три уровня: небо, пространство, населенное людьми и животными, и преисподняя, или подземное царство. Оба эти момента повлияли на появление привычного обозначения нашей планеты в разных языках. Происхождение названия «Земля» у древних славян связано с понятиями «низ» и «почва». Земля — это то, что под небом, внизу: почва под ногами, основа. Таким образом, происхождение названия «Земля» основано на понимании мира людей как «плоского блюдца» и как пространства, расположенного ниже небесного жилища богов.
Кроме того, в культуре наших предков слово «земля» соотносилось со всем родным, со знакомой территорией. Чуждое и часто враждебное обозначалось как далекое, и название его имело аналогичное происхождение. «За тридевять земель» — фразеологизм, означающий «очень далеко». Древние славяне часто обозначали так и царство мертвых.
Интересно, что схожее со славянским значение имеют и корни, от которых возникло название планеты в других языках. Так, происхождение слова «Земля»(Earth) в английском тоже связано с понятием низа и почвы под ногами.
Как из ничего получилось нечто
Естественно, современные научные представления о появлении Вселенной сильно отличаются от тех, что лежат в основе любой религии. Сегодня все модели мироздания построены на теории Большого взрыва. Согласно ей, примерно 13,77 млрд лет назад Вселенная возникла в результате трудно представимого по своей мощности взрыва. Состояние, в котором она пребывала до этого момента, называется сингулярным. По своим характеристикам оно настолько отличалось от всего известно сейчас, что даже ученые с трудом могут понять, какие процессы в нем происходили.
Вскоре после Большого взрыва молодая Вселенная начала расширяться. Огромные температурные показатели и скорость составляющих ее частиц не позволяли им объединяться в более крупные объекты. Однако по мере расширения снижалась температура. Прошло около миллиона лет, пока Вселенная остыла до 4000 ºС, и элементарные частицы стали образовывать атомы. Первыми появились гелий и водород, за ними сформировались и атомы более тяжелых элементов.
На следующем этапе развития Вселенной частицы пыли и газа, составлявшие ее, начали сталкиваться и образовывать все более крупные объекты. Медленно формировались галактики со звездами и планетами. Вселенная при этом продолжала расширение, и процесс этот идет до сих пор.
Родной кусочек Млечного Пути
Презентация «Происхождение Земли» на уроках часто начинается с рассказа об истории Солнечной системы. Она началась примерно 4,6 млрд лет назад. К появлению нашего кусочка Галактики привели те же процессы, в результате которых сформировались многие участки Вселенной. Сам Млечный Путь появился примерно на 7-8 млрд лет раньше. К образованию Солнечной системы привел гравитационный коллапс сравнительно небольшого участка молекулярного межзвездного облака. Понимание процессов, происходивших тогда в этом месте Вселенной, – довольно непростая задача в силу удаленности их во времени. Судить о событиях, послуживших толчком к образованию Солнечной системы в известном нам виде, можно, лишь выстраивая теории на основе изученных космических и физических закономерностей и соотнесения их выводов с тем, что мы в действительности наблюдаем.
«Горячая» гипотеза
В конце XIX века происхождение Земли и всей Солнечной системы активно изучали астрономы Т. Чемберлен и Ф. Мультон. Они выдвинули так называемую горячую гипотезу. На создание теории их подтолкнуло открытие, сделанное в то время. Стало известно, что глубоко под поверхностью Земли стоит буквально адская жара: температура недр достигает 1000 ºС.
«Горячая» гипотеза предполагает, что Земля, как и другие планеты, изначально представляла собой раскаленный шар, который затем стал постепенно остывать. Появление этих горячих сгустков материи объяснялось взаимодействием молодого Солнца с другим, сопоставимым по силе гравитационного притяжения, объектом. Звезда проходила в относительной близости от нашего светила. В результате между ними сформировалось нечто вроде моста, состоящего из вещества обоих космических тел. Постепенно звезды разошлись, а мост распался на отдельные горячие «островки» материи, называемые планетезималями. Они и стали впоследствии планетами и спутниками, известными сейчас.
Вначале было холодно
Однако это далеко не единственная теория, объясняющая происхождение Земли. Гипотезы в научном мире начинают доминировать тогда, когда объясняют большое количество видимых фактов. Во второй половине прошлого века астрономы и физики обратили свое внимание вновь на концепцию изначально холодных планет.
Впервые небулярная теория была сформулирована в XVIII веке. Предположительно, ее высказал Эммануил Сведенборг, затем подхватил Иммануил Кант. Основное же развитие гипотеза получила в трудах Пьера-Симона Лапласа. Этапы происхождения Земли и Солнечной системы в целом, согласно этой теории, выстраивались несколько иначе, чем в описанной выше, и первым из них было образование туманности, или небулы. Она представляла собой газопылевой сгусток, сконцентрированный в результате коллапса участка молекулярного межзвездного облака. Небула, в силу воздействия на нее силы притяжения от соседних подобных образований, стала вращаться. В туманности из-за вращения появилась сила тяжести, которая привела к уменьшению ее радиуса. Следствием этого стало увеличение скорости движения. Молодая туманность напоминала центрифугу, и ее первоначально близкая к шару форма становилась все более похожей на эллипс. Спустя некоторое время центробежная сила на экваторе уравновесила силу притяжения, и от средней зоны туманности начали одно за другим отслаиваться кольца. Они состояли из все тех же частиц пыли и газа, которые постепенно стали объединяться в более крупные объекты. Со временем они «доросли» до планет, причем температура новых космических тел никак не позволяла назвать их горячими.
Жар недр
Сегодня небулярная теория считается наиболее вероятным сценарием формирования Солнечной системы. Развитие гипотезы происходило при участии многих научных дисциплин, некоторые положения Лапласа были изменены или дополнены. Высокая температура земных недр также получила объяснение, не противоречащее теории.
Существуют две основные причины для разогрева: радиоактивный распад и гравитационная дифференциация недр. Первый дает примерно 15 % от разогрева. Основное же значение имеет разделение изначально перемешанных элементов на несколько слоев под действием силы тяжести. Этот процесс привел не только к повышению температуры недр, но и к образованию той внутренней структуры планеты, которую все мы изучаем еще в школе: ядро, мантия, кора.
Молодая Земля представляла собой близкий к шару по форме космический объект, состоящий из нескольких хаотично перемешанных элементов. Современные наблюдения, однако, показывают, что структура планеты имеет довольно упорядоченное строение. Основные элементы, составляющие Землю, — это кислород в составе оксидов, кремний, железо и алюминий. Каждый из них при этом влияет на плотность вещества.
Дифференцировка
Масса и объем Земли, определенные еще в XVIII веке, позволили ученым вычислить ее среднюю плотность. Она оказалась равной примерно 5,5 г/см3. При этом величина параметра для поверхности — всего 2,8 г/см3. Обнаруженные значения позволили предположить, что более тяжелые элементы сконцентрированы в центре земного шара, а легкие составляют поверхностные слои.
Упорядочивание элементов началось с самого момента появления планеты. Под действием силы тяжести железо стало «оседать» в центр, а соединения алюминия и кремния, наоборот, «всплывать» на поверхность. Железо, меняя место своего положения, смещает и центр тяжести планеты. В силу определенных физических законов при этом выделяется большое количество тепловой энергии, которая и приводит к нагреву внутренних слоев Земли. Величина образующейся энергии огромна. При этом исследования показывают, что планета никогда не была полностью расплавленной. Это еще раз подтверждает небулярную гипотезу.
Охлаждение и нагрев
Конечно, тепло недр постоянно расходуется на обогрев поверхности, и часть энергии при этом теряется. Однако она успешно компенсируется солнечным излучением. Энергия дифференциации используется во всех происходящих на Земле процессах: перемещении континентов, образовании гор, вулканизме.
По подсчетам ученых, на сегодняшний день процесс разделения элементов завершился на 85 %. После окончания дифференциации Земля станет геологически неактивной планетой, похожей в этом плане на Луну. Произойдет это примерно через 1,5 млрд лет.
Бомбардировки
Кроме дифференциации недр и распада радиоактивных элементов на первых этапах формирования Земли, определенную роль в разогреве ее внутренних слоев играли астероиды. Повышению температуры способствовали частые столкновения малых космических тел с планетой. По одной из версий, самое внушительное из подобных соударений привело к появлению Луны. С С Землей столкнулось тело размером с Марс. В результате из планеты был выбит довольно внушительный кусок материи, который впоследствии и стал спутником. Столкновение имело и другие результаты: заметно повысилась скорость вращения Земли и наклонилась ее ось. Также астероиды и кометы считаются одним из вероятных источников воды.
Появление живительной влаги
Происхождение воды на Земле — тема достаточно обширная. Наиболее вероятной на сегодняшний день считается версия о ее «доставке» астероидами. Косвенно гипотезу подтверждают данные космических исследований, в результате которых была обнаружена вода на нескольких малых телах Солнечной системы. Ученые, склоняющиеся к этой версии, указывают на то, что вода — довольно летучее вещество, а потому в жарких условиях молодой Земли, скорее всего, испарилась бы полностью. Отсюда и низкая вероятность земного происхождения воды. Вероятно, столь необходимое для всего живого вещество попало на планету с астроидами и кометами из главного пояса, расположенного между Марсом и Юпитером.
Однако точное происхождение воды на Земле – пока все же вопрос без однозначного ответа. Есть мнение, что в этом процессе сыграли свою роль несколько факторов. Среди них и дегазация магмы, выплавление из нее летучих элементов. Водяной пар и некоторые другие соединения выбрасывались на поверхность Земли во время извержения вулканов. Затем испарения конденсировались, так постепенно накапливались океаны, формировалась гидросфера.
Появление воды, как и проблема происхождения Земли, – не решенный до конца вопрос. Вероятно, свою роль здесь сыграли оба процесса: и бомбардировка, и дегазация магмы. Последний также способствовал формированию атмосферы.
Происхождение живого на Земле
Еще один широко обсуждаемый вопрос, связанный с историей развития Земли, — это появление живых организмов. На сегодняшний день существует несколько гипотез, описывающих происхождение жизни на Земле. Биология, преподававшаяся лет десять назад, приоткрывала перед учениками завесу тайны: жизнь появилась в водах мирового океана, в так называемом первичном бульоне. С тех пор картина несколько изменилась, обросла новыми данными.
Урок «Происхождение жизни на Земле» сегодня начинается с рассказа об РНК-мире. Рибонуклеиновая кислота, согласно последним исследованиям, — первая молекула на планете со способностью к самовоспроизведению. Следующим этапом на пути от неживого мира к органическому было обретение границ. Молекулы РНК, вероятно, тем или иным образом оказались внутри полых сфер, которые в толще воды океана образуются жирными кислотами. Так появился прототип простейшей клетки: молекула РНК, окруженная мембраной.
Формирование обмена веществ между внешней средой и РНК стало возможным благодаря способности последней притягивать одни нуклеотиды и отталкивать другие. Происхождение жизни на Земле биология и смежные науки изучили еще не до конца. Остается множество невыясненных вопросов. Среди них, например, возникновение деления и образование многоклеточных организмов.
Великий симбиоз
Менее туманной сегодня считается история возникновения различных органелл в клетке. Все началось с появления у первых микроорганизмов способности к фагоцитозу, поглощению питательных веществ из окружающей среды с образованием пищевых вакуолей. Новый способ питания привел к увеличению размеров клеток: хищник должен быть крупнее жертвы. Наследственный материал при этом хранился в виде генофор, предшественников хромосом. Прикреплялись они непосредственно к мембране. Фагоцитоз сопровождался появлением сильного течения в цитоплазме, в зоне которого оказывались и генофоры. Возникала опасность потери части генетического материала или нарушения его структуры. В результате в клетке образовалась полость, отделенная мембраной от цитоплазмы. Постепенно она преобразовалась в ядро. Так появились первые эукариотические клетки.
Такие органеллы, как митохондрии и жгутики, скорее всего, возникли также в процессе фагоцитоза. Предшественники современных клеток, поглощая пищу, обзавелись симбионтами, дружественными микроорганизмами. Они, используя питательные вещества, попадающие в цитоплазму, стали осуществлять функции регуляции различных внутриклеточных процессов. Согласно концепции симбиогенеза, таким образом в клетке появились уже названные митохондрии и жгутики. Многие современные исследования подтверждают справедливость гипотезы.
Альтернативы
РНК-мир как предшественник всего живого имеет «конкурентов». Среди них есть и креационистские теории, и научные гипотезы. Многие века существовало предположение о самозарождение жизни: мухи и черви появляются в гниющих отходах, мыши — в старом тряпье. Опровергнутая мыслителями XVII-XVIII веков, она получила второе рождение в прошлом столетии в теории Опарина-Холдейна. Согласно ей, жизнь возникла в результате взаимодействия органических молекул в первичном бульоне. Предположения ученых были косвенно подтверждены в знаменитом эксперименте Стенли Миллера. Именно эту теорию и сменила в начале нашего века гипотеза РНК-мира.
Параллельно существует мнение, что жизнь имеет изначально внеземное происхождение. Принесли ее на нашу планеты, согласно теории Панспермии, все те же астероиды и кометы, которые «позаботились» о формировании океанов и морей. По сути, эта гипотеза не объясняет появление жизни, а констатирует ее как факт, неотъемлемое свойство материи.
Если обобщить все вышесказанное, становится понятно, что происхождение Земли и жизни на ней на сегодняшний день – это все-таки открытые вопросы. Современные ученые, конечно, намного ближе к разгадке всех тайн нашей планеты, чем мыслители Античности или Средневековья. Однако многое еще требует прояснения. Различные гипотезы происхождения Земли сменяли друг друга в те моменты, когда обнаруживались новые сведения, не вписывающиеся в старую картину. Вполне возможно, что подобное может случиться и в не столь отдаленном будущем, и тогда на смену устоявшимся теориям придут новые.