Время пребывания большинства составляющих морской воды является коротким по сравнению с геологической летописью жизни в море. Поэтому концентрации большинства их в морской воде должны стабилизироваться геологическими циклами. Хотя эти циклы помогают объяснить химический состав современного океана, они не дают возможности представить, какой была морская вода в далеком прошлом. Всегда ли на Земле был океан или состав моря формировался постепенно после образования твердого тела Земли? Были ли воды первичного океана и атмосфера более или менее подобны тем, которые существуют сейчас, или они испытывали химическую эволюцию? Почему и как первичные формы жизни химически взаимодействовали с поверхностью нашей планеты? В этой главе мы приведем некоторые ответы на эти вопросы. Существовал ли первичный океан? Имела Земля сразу океан и атмосферу или первоначально Земля была без жидкой оболочки? Сохранение Землей летучих, т. е. легко испаряющихся составляющих, таких, как воздух и вода, зависит от их температуры. Газы непрерывно рассеиваются в мировое пространство, но этой тенденции противодействует гравитационное притяжение Земли. Средняя кинетическая энергия молекулы газа порциональна абсолютной температуре, поэтому средня скорость v пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры, деленной на массу. Чем легче молекула тем выше температура, тем больше вероятность того, что газ может улетучиться из земной оболочки. При современных условиях газы водород и гелий быстро теряются атмосферой, в то время как тяжелые газы, такие, как кислород и азот, удерживаются. Луна благодаря ее слабому гравитационному притяжению и высокой максимальной температуре на поверхности не может удержать ни воду, ни атмосферу. Если бы Земля никогда не была теплее, чем в настоящее время, то она смогла бы сохранить первичные океан и атмосферу. Если бы, с другой стороны, Земля имела больше тепла в течение ее ранней истории, то она потеряла бы какие-либо первоначально накопленные летучие вещества. Разгадка ранней истории Земли заключается в относительном изобилии инертных газов на Земле и на звездах. Эти газы, в отличие от воды, химически не взаимодействуют и всегда находятся в газообразном состоянии. Мы должны сравнить количество этих первичных летучих веществ с количеством элементов, которые химически связаны с твердым веществом Земли, такими, как кремний — главным элементом в горных породах. Так как Земля образовалась из твердых веществ, то первоначально отношение концентрации инертных газов к кремнию, Вероятно, было подобно отношению, которое в настоящее время наблюдается на звездах. Если бы первичная Земля затем наделась, то летучие фракции потерялись бы, в результате чего Уменьшилось бы отношение концентраций инертных газов кремнию. Потеря инертных газов будет наибольшей у элементов с малой атомной массой (гелий и неон) и наименьшей У элементов с большей атомной массой. Сокращение запасов инертных газов наводит на мысль, что поверхность Земли когда-то была значительно теплее, чем сегодня. Если Земля потеряла много аргона с молекулярной массой 40, то она должна была также потерять много водяного пара, азота и кислорода, молекулярные массы которых 18 28 и 32 соответственно. Таким образом, атмосфера и океан не могут быть остатком первичной Земли. Эти газы должны первоначально химически взаимодействовать внутри твердого вещества Земли, они могли аккумулироваться на поверхности только со времени, когда Земля охладилась примерно до ее современной температуры. Данные об обилии инертных газов наводят на мысль, что вся вода в океане и газы атмосферы когда-то должны были находиться внутри твердого тела Земли. Является ли это допущение правдоподобным? Мантия Земли имеет объем 1027 см3. Сравним эту цифру со средним содержанием воды в мантии. Пока мантия недоступна для взятия пробы, однако метеориты часто снабжают нас пробами вещества, подобного мантии. Метеориты являются осколками планет в солнечной системе. Куски этого вещества часто захватываются гравитационным полем Земли. Некоторые метеориты состоят главным образом из железа с высоким содержанием никеля и, по-видимому, по составу имеют большое сходство с ядром Земли. Другие, каменные метеориты содержат силикаты и, по-видимому, имеют большое сходство с мантией. Исследуя содержание воды в каменных метеоритах, мы можем оценить содержание воды в мантии. Хотя анализы отдельных метеоритов различны, среднее содержание воды в них составляет около 0,5%, или, применяя это соотношение к Земле, в 10 раз больше того количества, которое должно было выделиться из мантии для формирования современного океана. Таким образом, мантия могла быть подходящим источником воды для океана.
Избыток инертных газов показывает, что поверхность Земли была некогда сухой и лишенной атмосферы. До эволюции океана и атмосферы химического выветривания не происходило, следовательно, не было осадочных отложений. Таким образом, первоначально Земля была покрыта первичными кристалдическими горными породами. По мере того как происходило образование океана и атмосферы, развивалась денудация твердой Земли. Формировались осадочные отложения, а растворимые соли начали аккумулироваться в море. Процесс выветривания состоит из преобразования первичных кристаллов горных пород в донные отложения и перехода в состав морской воды. Но образовавшиеся осадочные породы также могут выветриваться и превращаться вновь в донные осадки. Таким образом, одновременно с первичным выветриванием кристаллических пород существует также цикличность разрушения и образования осадочных пород. Со времени начала выветривания первичная кристаллическая порода уже превратилась в донные отложения и соли, которые остаются растворенными в воде океана и воде, пропитывающей донные отложения. Кроме того, некоторые летучие составляющие поднимаются в атмосферу. Так как масса должна сохраниться, то вся масса выветриваемой кристаллической породы должна равняться сумме масс элементов, образованных при выветривании. Не только вся масса должна сохраниться, но и общая масса каждого элемента должна также сохраниться, за исключением радиоактивных элементов, атомы которых распадаются и не сохраняются. Таким образом, общее число атомов каждого элемента и, следовательно, их масса сохраняются. Уравнение сохранения общей массы можно написать в отдельности для каждого устойчиво сохраняющегося элемента. Точность, с которой бюджет может быть сбалансирован, зависит от того, насколько хорошо можно вычислить общую массу и среднюю концентрацию. Поскольку объем океана известен, а воды в нем хорошо перемешаны, то геохимический баланс океана является самым точным в системе балансовых уравнений. Кристаллические горные породы являются более разнородными, и вычисление их среднего состава менее определенно. Осадочные породы складываются из различных компонентов, и они могут подвергаться неодинаковому последующему изменению. Первоначальные типы донных отложений следующие: карбонатные породы, песчаник и сланцеватые глины (глинистый сланец). Чтобы получить средний состав, необходимо вычислить сумму каждого типа донного отложения. Многие геохимики занимаются балансом земной коры. Удивительно не то, что их результаты различаются, а то, что, несмотря на разнородные данные, полученные ими результаты согласуются достаточно хорошо. Для крупных породообразующих составляющих геохимические уравнения сохраняются в пределах точности вычислений. Однако для некоторых компонентов балансовое уравнение не выполняется. В океане, атмосфере и донных отложениях количество этих элементов гораздо больше, чем можно отнести за счет выветривания кристаллических горных пород-Поскольку эти компоненты преимущественно быстро испаряются с поверхности, они называются избыточными летучими веществами. В каждом случае количество летучих веществ в океане, атмосфере и донных отложениях может быть приведено к количеству, освободившемуся при выветривании из горных пород, лишь при введении значительной поправки.
Избыточные летучие вещества
Рассматривая элементы, которые существуют на поверхности Земли в избытке, замечаем, что все они характеризуются летучестью. Они либо существуют как газы при нормальной температуре, либо становятся газами при сравнительно небольших повышениях температуры. Они не могут быть остатком какой-нибудь первичной атмосферы и не могут происходить от выветривания кристаллических пород. Поэтому мы должны искать другой источник происхождения этих газов. В настоящее время вулканы и горячие ключи извергают газ из недр Земли в атмосферу. Эти газы содержат главным образом воду и в меньшей степени СО2, серу и азот. Некоторую часть изверженного материала -составляет грунтовая вода, просочившаяся через осадочные породы, такие, как известняк, и вновь включившаяся в кругооборот. В результате состав газов варьирует. Однако некоторые из упомянутых газов выделились из расплавленных пород. Когда расплавленная порода остывает, то твердые вещества выкристаллизовываются и при этом выделяются летучие фракции. Некоторые газы, таким образом, представлены веществом, вновь поступающим из Мантии. Мы можем анализировать маленькие пузырьки летучих веществ, которые заключены в изверженных породах. Химический состав газов, полученных из расплавленных пород, довольно хорошо соответствует составу избыточных летучих газов. Является ли современная скорость выделения этих газов достаточной, чтобы за время снабдить океан массой избыточных летучих веществ? Для ответа на этот вопрос измерим приток вод из горячих источников в США. Если предположить, что это явление типично для материков и что через единицу площади океанического Дяа воды горячего источника вносятся со скоростью, вполовину меньшей, чем в источниках на материке, то мы найдем, что полный объем потока вод достаточен для того, чтобы 100 раз наполнить океан.
Объем океанов на протяжении геологического времени
Геохимические данные по инертным газам и по избыточным летучим веществам наводят на мысль, что вода океанов медленно образовывалась в течение всего геологического времени. Невозможно вычислить объем океана за прошлое время, однако настоящая скорость выделения газов не является несовместимой с постоянной скоростью увеличения объема океана на протяжении геологического времени. Означает ли это, что океан в прошлом покрывал малую часть земной поверхности? Площадь поверхности океана зависит от объема морской воды и распределения поднятий твердой суши. Глубины океана являются результатом различий в толщине между материковой и океанической корой. Если первоначально не было различия между океанической и материковой корой, то затем Материковая кора также претерпела аккумуляцию за геологическое время. Вероятно, конвергенцией массивов суши создалась литосфера. В то же самое время эта конвергенция дала начало вулканизму, в результате чего избыточные летучие вещества поступали из глубинных слоев Земли. Таким образом, летучие вещества и образование материковой коры являются двумя аспектами одного и того же явления. Другой важной проблемой является вопрос о наличии соли в океане. Всегда ли океан имел такую соленость, как в настоящее время, или наблюдались большие изменения солености за геологический период? Основным отрицательным ионом морской воды является С1. Большая часть выделяемого из недр Земли хлора оказалась в морской воде и его поступление почти прекратилось. Поэтому проблема солености прошлого зависит главным образом от соотношения хлора и водяных паров. Если эти два летучих вещества находились в постоянном отношении в течение геологического периода, то соленость должна была быть относительно постоянной. Нет доказательства, что в прошлом содержание хлора в воде изменялось значительно. Поэтому мы приходим к заключению, что морская вода всегда имела соленость, незначительно отличающуюся от солености, которую она имеет в настоящее время. Общая картина, которая возникает, характеризуется единообразием. Соленость океана и относительные площади океанической и материковой коры, по всей вероятности, сохранялись без больших изменений в течение геологического времени. С другой стороны, общий объем океана и объем материковой коры увеличиваются постепенно. Однако имеется один аспект существования поверхностной среды, которая испытывает сильные изменения. Эти изменения являются результатом начала и последующей эволюции жизни на Земле. В настоящее время процессы жизнедеятельности оказывают сильное воздействие на круговорот углерода в природе. До возникновения жизни поверхностная среда была другой, и это отличие определялось главным образом недостатком кислорода в первичной атмосфере.
Первичная атмосфера и происхождение жизни
Если исследовать состояние железа в вулканической породе, то оказывается, что большая часть содержащегося в не» железа находится в форме закиси. Таким образом, кислород который может встретиться в вулканических газах, будет расходоваться на окисление FeO. Можно заключить, что вулканические газы не содержат свободного кислорода и что первичная атмосфера не могла поэтому содержать этот летучий газ. Отсутствие кислорода в первичной атмосфере имело важные последствия. Кислород дает начало озону в верхних слоях атмосферы, и этот слой озона, защищает поверхность Земли от ультрафиолетовой радиации. В отсутствие кислорода ультрафиолетовая солнечная радиация не поглощалась атмосферой и, следовательно, достигала поверхности океана. Ультрафиолетовая радиация вредна для жизни, из-за нее разрушаются сложные органические молекулы внутри живых клеток. Однако, если в бескислородной атмосфере облучить ультрафиолетовой радиацией воду, содержащую некоторое количество метана и аммиака, то образуются различного состава сложные органические молекулы. Таким образом в первичной, лишенной кислорода системе атмосфера — океан создавались органические структуры, послужившие началом для создания первичного самовоспроизводящегося организма. В приповерхностном слое морских вод он был защищен от ультрафиолетовой радиации, в то же время продолжающееся непрерывное формирование органического вещества в бескислородной атмосфере обеспечивало постоянное снабжение питанием. Первые организмы,, данные о которых мы имеем, были подобны бактериям, а затем появились сине-зеленые водоросли. Эти первичные растения были способны использовать свет, чтобы превратить двуокись углерода и воду в органическое вещество с выделением свободного кислорода. Таким образом, эволюция растений привела к биологическому образованию свободного кислорода. Большая часть появившегося таким образом свободного кислорода расходовалась на окисление закиси железа выветриваемых горных пород. Другая часть кислорода расходовалась на окисление летучих веществ, входящих в состав вулканических газов. В дальнейшем свободный 02 начал аккумулироваться в атмосфере. Кислород потребляется животными для разложения органического растительного вещества обратно в двуокись углерода и воду. Другие 94% освобожденного кислорода использовались для окисления выветриваемых горных пород и вулканических газов, выделенных из внутренних слоев Земли. Когда-то поверхность Земли была лишена океана и атмосферы. Выделение летучих веществ из внутренних слоев Земли привело к постепенному образованию океана и атмосферы. С появлением воды на поверхности могло начаться выветривание кристаллических пород. В результате кристаллические горные породы трансформировались в донные отложения и со-л» морской воды. Затем под действием динамических причин в литосфере образовалась материковая кора таким образом, что увеличились поверхности океана и его глубины. Прежде атмосфера была лишена кислорода, и ультрафиолетовая радиация на морской поверхности привела к синтезу сложных органических молекул. Из них развился самовоспроизводящийся организм, питающийся органическим веществом, образованным в результате преобразования солнечной радиации вблизи поверхности моря. Эволюция первичных морских растений привела к биологическому выделению свободного кислорода и постепенному окислению поверхностной среды. В конечном счете это привело к современной атмосфере, содержащей кислород. Таким образом, биологические процессы изменили поверхностную среду на нашей планете.
Живой организм более показателен в отношении среднего состава Вселенной, чем кусок скалы, хотя в состав Земли входит мало газообразных компонентов, а организмы состоят в основном из кислорода, углерода и водорода в соединении с меньшим количеством азота, серы, фосфора и калия. На лишенной кислорода первичной поверхности Земли эти элементы находились в виде простых соединений, таких, как вода, аммиак, метан, углекислый газ и окись углерода — угарный газ. Ультрафиолетовая радиация Солнца преобразовывала некоторые из этих простых соединений в органические молекулы, например в аминокислоты, пурины, пиримидины, углеводы. Эти простые органические молекулы объединялись затем в более крупные молекулы протеиновых и нуклеиновых кислот. Более трех миллиардов лет тому назад комплекс органических блоков развился в первую самовоспроизводящуюся (авторепродуцирующуюся) систему. Затем синтез органической материи стал регулироваться генетическим кодом. Путем естественного отбора, преобразования и совершенствования генетического кода было достигнуто разнообразие форм жизни, существующее на нашей планете. Следы прошедших этапов Развития жизни, сохранившиеся в виде ископаемых в осадоч-Нь1Х породах, по-видимому, представляют собой отдельные звенья единой цепи эволюционирующих форм жизни. Таким образом, история происхождения каждого растения, животного или бактерии может быть прослежена по ископаемым остаткам вплоть до самых древних предковых форм. Несмотря на То что некоторые геологические данные свидетельствуют о массовом, катастрофическом вымирании типов организмов, более широкий биологический подход показывает преемственность развития.
Время
Каждый живой организм — это звено в непрерывной цепи развития, берущей начало у истоков жизни. В девятнадцатом столетии некоторые ученые полагали, что жизнь может самопроизвольно возникать из неживой материи. Такое мнение основывалось на, казалось бы, внезапном появлении микроорганизмов в первоначально стерильных культурах, в которые преднамеренно бактерии не заносились. Л. Пастер (1822— 1895) доказал, что возникновение микроорганизмов является следствием случайного занесения в среду бактерий, находящихся в воздухе, показав, что в тех случаях, когда попадание воздуха в сосуд с питательной средой было предотвращено путем герметизации, никакого роста колоний микроорганизмов не происходило. Цепь жизни поддерживается путем размножения. Чтобы обеспечить выживание видов, популяция каждого типа организмов должна давать достаточный прирост потомства. Таким образом, каждый вид обладает естественной тенденцией к увеличению числа особей. Результирующая численность популяций ограничивается лишь предельными ресурсами среды обитания. Поэтому существует постоянное противоречие между тенденцией популяции разрастаться в геометрической прогрессии и наличием ресурсов, необходимых для поддержания этого прироста. Для иллюстрации проблемы роста популяций рассмотрим простейший микроорганизм, объем которого равен одному кубическому микрометру (10-12 см3). Допустим, что этот микроорганизм удваивает свою численность раз в сутки. Тогда через 10 суток число организмов достигнет 103, а через 40 суток их общий объем составил бы 1 см3. Спустя 61 сутки объем Мирового океана оказался бы недостаточным, чтобы вместить потомство крошечной клетки. Популяции организмов находятся в состоянии постоянного движения. Увеличение ресурсов ведет к расширению ареала популяций до тех пор, пока популяция не истощит эти ресурсы. Каждый организм в свою очередь является источником пищи для другого организма. Таким образом, часто численность популяций снижается скорее в результате истребления» чем вследствие ограниченности ресурсов. При благоприятны условиях популяции разрастаются до тех пор, пока ресурс не будут полностью использованы или пока увеличивающееся их потребление не приведет к сокращению самой популяции. Некоторые популяции достаточно устойчивы, другие чрезвычайно резко меняются во времени.
Вещество и энергия
Для того чтобы сохраниться в общей цепи жизни, организмы должны размножаться. Генетический код содержит информацию для создания нового организма. Кроме того, для создания нового организма требуются материя и энергия. Различные химические компоненты организма могут быть синтезированы из материалов среды обитания. Более того, для переработки исходных веществ в процессе синтеза требуется приток энергии. Все организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные организмы независимы от внешних источников органического вещества; они могут производить необходимые органические вещества из неорганических элементов. Энергию, необходимую для синтеза, автотрофные организмы получают от солнечного света (фотосинтезная автотрофия) или в процессе химических реакций. Гетеротрофные организмы зависят от наличия внешнего источника органического вещества, потребляя его из среды обитания. Таким образом, этим животным требуется пища, которая служит одновременно источником вещества и энергии. Гетеротрофные организмы не могут синтезировать органическое вещество из неорганических компонентов. Различия между автотрофными и гетеротрофными организмами не всегда четко выражены. Многие морские растения, обладающие способностью синтезировать наибольшую часть необходимых веществ из неорганических источников, все же потребляют некоторое количество витаминов и других органических образований. Такие растения не способны произрастать в полностью органических культурах. Однако в тех случаях, когда в эти культуры добавляются органические вещества или создающие бактерии, такие растения могут развиваться и синтезировать все остальные необходимые им компоненты из неорганических источников.
Пространство и движение
Наземные растения неподвижны, однако воздух, перемещающийся над их листьями, поставляет углекислый газ и уносит кислород и водяные пары. Точно так же грунтовые воды, просачивающиеся через почву, поставляют корням воду. Подобно этому постоянное движение вод моря непрерывно омывает свежими водами сидячие морские организмы, входящие в состав бентоса. Выше упоминалось, что нектон обладает способностью активного плавания, которое позволяет ему менять свое местоположение, тогда как мельчайшие планктонные организмы более или менее пассивны и переносятся вместе с водой. Если бы их перемещение было совершенно пассивным, то они очень скоро истощили бы питательные вещества в своем непосредственном окружении. Для того чтобы выжить, планктонные организмы, не обладая большой способностью к активному плаванию, должны иметь способность перемещаться относительно водной массы. Их собственное движение позволяет им входить в контакт со свежими водами, однако скорость его недостаточно велика, для того чтобы противостоять океаническим течениям. Зоны жизни в океане классифицируются по глубинам и по месту обитания. Самой мелководной является приливная, или литоральная, зона, располагающаяся вдоль побережья в пределах приливных изменений уровня. Мелководная часть океана, находящаяся над шельфом, т. е. в пределах глубины 200 м, известна как неритическая зона. Океаническая зона охватывает пространство от края шельфа до глубочайших впадин. Наконец, целесообразно подразделить океан на освещаемую солнечным светом фотическую (световую) зону и афотическую (бессветовую) зону, в которой постоянно сохраняется темнота. Глубина фотической зоны зависит от прозрачности вод и может колебаться от 100 м вдали от берегов до нескольких метров в прибрежных районах. Поскольку пелагические организмы могут перемещаться в трех измерениях, проблемы расселения для них не существу, ет. В то же время бентосные организмы, живущие на дне или в донных отложениях, располагают очень ограниченной возможностью перемещения. Обычно в приливной зоне, на скалистом побережье, все пригодные для обитания места плотно заселены. Там, где существует борьба за пространство, все возможные для заселения поверхности вскоре покрываются сообществами организмов. Только покрытие специальной краской и частая очистка могут предохранить подводные части кораблей от обрастания их различными прикрепленными организмами.
Многообразие жизни в океане
Плиний Старший (23—79 гг. нашей эры) предпринял попытку описать многообразие жизни в море. Перечислив 176 видов, он заключил: «Конечно, теперь каждый должен убедиться, что совершенно невозможно охватить все виды (земных) животных в одном общем обзоре. И, кроме того,— клянусь Геркулесом! — в морях и океанах, таких огромных, как они есть, не существует ничего такого, что не было бы нам известно. И воистину изумителен тот факт, что мы лучше знакомы с теми существами, которые природа скрыла на глубинах». Сегодня никто не решился бы утверждать, что известно все разнообразие живых организмов, обитающих в море. Самая грубая прикидка «аводит на мысль, что в перечне Плиния численность видов ниже действительной по меньшей мере на три порядка. Попытка систематизировать великое разнообразие организмов, обитающих в море, была предпринята шведским ботаником Линнеем (1707—1778) в его монографии «Система природы» (1-е издание—1735 г., 10-е издание вышло в 1758 г.). Линней сгруппировал сходные виды организмов в роды и создал бинарную номенклатуру, посредством которой организм получает наименование по латинскому обозначению рода, за которым следует название вида. Классификация не остается неизменной, поскольку результаты новых исследований часто показывают необходимость пересмотра ранее принятых классификационных схем. Интерпретации родственных связей организмов в известной мере субъективны, отсюда нередко возникают противоречия в классификации. Каждый тип морских животных по ареалу обитания относится к бентосу, планктону или нектону. Так, динофлагеллаты (перидинеи) (Dinophyta) являются главным представителем планктонных растений, тогда как иглокожие (Echinodermata) обитают главным образом на дне моря. Многие организмы, взрослые особи которых населяют дно или активно плавают, в ювенильной (личиночной) Стадии развития являются планктонными. Многие морские зеленые водоросли (хлорофиты) не имеют скелетной структуры. Однако зеленые водоросли неизменно содержат карбонат кальция. Это соединение, входящее в состав водорослей, составляет значительную часть отложений карбоната кальция в тропической неритической зоне. Организмы, которые населяют Землю, являются прямыми потомками ранних форм жизни. Существует постоянная тенденция популяций размножаться в геометрической прогрессии, которая находится в противоречии с ограниченностью ресурсов и тенденцией хищных популяций реагировать на изменения численности животных, служащих им пищей. Воспроизводство организмов требует наличия веществ и энергии. Автотрофные организмы черпают эти ресурсы из неорганических компонентов и солнечного света, тогда как гетеротрофные организмы используют органические пищевые продукты. Поскольку организмы получают необходимые питательные вещества и нуждаются в очищении от собственных выделений, должно существовать относительное движение между организмом и средой, в которой он обитает. В зависимости от образа жизни морские организмы подразделяются на планктонные, нектонные и бентосные. Эти организмы населяют воды от приливной до неритической зоны над шельфом и до океанической среды. Многообразие жизни в океане чрезвычайно велико. Организмы классифицируются на виды, роды, отряды, классы и типы. Многие организмы имеют минерализованные скелеты, состоящие из карбоната кальция, кремния или фосфата кальция.
Геохимическое равновесие обширных площадей
Избыток инертных газов показывает, что поверхность Земли была некогда сухой и лишенной атмосферы. До эволюции океана и атмосферы химического выветривания не происходило, следовательно, не было осадочных отложений. Таким образом, первоначально Земля была покрыта первичными кристалдическими горными породами. По мере того как происходило образование океана и атмосферы, развивалась денудация твердой Земли. Формировались осадочные отложения, а растворимые соли начали аккумулироваться в море. Процесс выветривания состоит из преобразования первичных кристаллов горных пород в донные отложения и перехода в состав морской воды. Но образовавшиеся осадочные породы также могут выветриваться и превращаться вновь в донные осадки. Таким образом, одновременно с первичным выветриванием кристаллических пород существует также цикличность разрушения и образования осадочных пород. Со времени начала выветривания первичная кристаллическая порода уже превратилась в донные отложения и соли, которые остаются растворенными в воде океана и воде, пропитывающей донные отложения. Кроме того, некоторые летучие составляющие поднимаются в атмосферу. Так как масса должна сохраниться, то вся масса выветриваемой кристаллической породы должна равняться сумме масс элементов, образованных при выветривании. Не только вся масса должна сохраниться, но и общая масса каждого элемента должна также сохраниться, за исключением радиоактивных элементов, атомы которых распадаются и не сохраняются. Таким образом, общее число атомов каждого элемента и, следовательно, их масса сохраняются. Уравнение сохранения общей массы можно написать в отдельности для каждого устойчиво сохраняющегося элемента. Точность, с которой бюджет может быть сбалансирован, зависит от того, насколько хорошо можно вычислить общую массу и среднюю концентрацию. Поскольку объем океана известен, а воды в нем хорошо перемешаны, то геохимический баланс океана является самым точным в системе балансовых уравнений. Кристаллические горные породы являются более разнородными, и вычисление их среднего состава менее определенно. Осадочные породы складываются из различных компонентов, и они могут подвергаться неодинаковому последующему изменению. Первоначальные типы донных отложений следующие: карбонатные породы, песчаник и сланцеватые глины (глинистый сланец). Чтобы получить средний состав, необходимо вычислить сумму каждого типа донного отложения. Многие геохимики занимаются балансом земной коры. Удивительно не то, что их результаты различаются, а то, что, несмотря на разнородные данные, полученные ими результаты согласуются достаточно хорошо. Для крупных породообразующих составляющих геохимические уравнения сохраняются в пределах точности вычислений. Однако для некоторых компонентов балансовое уравнение не выполняется. В океане, атмосфере и донных отложениях количество этих элементов гораздо больше, чем можно отнести за счет выветривания кристаллических горных пород-Поскольку эти компоненты преимущественно быстро испаряются с поверхности, они называются избыточными летучими веществами. В каждом случае количество летучих веществ в океане, атмосфере и донных отложениях может быть приведено к количеству, освободившемуся при выветривании из горных пород, лишь при введении значительной поправки.
Избыточные летучие вещества
Рассматривая элементы, которые существуют на поверхности Земли в избытке, замечаем, что все они характеризуются летучестью. Они либо существуют как газы при нормальной температуре, либо становятся газами при сравнительно небольших повышениях температуры. Они не могут быть остатком какой-нибудь первичной атмосферы и не могут происходить от выветривания кристаллических пород. Поэтому мы должны искать другой источник происхождения этих газов. В настоящее время вулканы и горячие ключи извергают газ из недр Земли в атмосферу. Эти газы содержат главным образом воду и в меньшей степени СО2, серу и азот. Некоторую часть изверженного материала -составляет грунтовая вода, просочившаяся через осадочные породы, такие, как известняк, и вновь включившаяся в кругооборот. В результате состав газов варьирует. Однако некоторые из упомянутых газов выделились из расплавленных пород. Когда расплавленная порода остывает, то твердые вещества выкристаллизовываются и при этом выделяются летучие фракции. Некоторые газы, таким образом, представлены веществом, вновь поступающим из Мантии. Мы можем анализировать маленькие пузырьки летучих веществ, которые заключены в изверженных породах. Химический состав газов, полученных из расплавленных пород, довольно хорошо соответствует составу избыточных летучих газов. Является ли современная скорость выделения этих газов достаточной, чтобы за время снабдить океан массой избыточных летучих веществ? Для ответа на этот вопрос измерим приток вод из горячих источников в США. Если предположить, что это явление типично для материков и что через единицу площади океанического Дяа воды горячего источника вносятся со скоростью, вполовину меньшей, чем в источниках на материке, то мы найдем, что полный объем потока вод достаточен для того, чтобы 100 раз наполнить океан.
Объем океанов на протяжении геологического времени
Геохимические данные по инертным газам и по избыточным летучим веществам наводят на мысль, что вода океанов медленно образовывалась в течение всего геологического времени. Невозможно вычислить объем океана за прошлое время, однако настоящая скорость выделения газов не является несовместимой с постоянной скоростью увеличения объема океана на протяжении геологического времени. Означает ли это, что океан в прошлом покрывал малую часть земной поверхности? Площадь поверхности океана зависит от объема морской воды и распределения поднятий твердой суши. Глубины океана являются результатом различий в толщине между материковой и океанической корой. Если первоначально не было различия между океанической и материковой корой, то затем Материковая кора также претерпела аккумуляцию за геологическое время. Вероятно, конвергенцией массивов суши создалась литосфера. В то же самое время эта конвергенция дала начало вулканизму, в результате чего избыточные летучие вещества поступали из глубинных слоев Земли. Таким образом, летучие вещества и образование материковой коры являются двумя аспектами одного и того же явления. Другой важной проблемой является вопрос о наличии соли в океане. Всегда ли океан имел такую соленость, как в настоящее время, или наблюдались большие изменения солености за геологический период? Основным отрицательным ионом морской воды является С1. Большая часть выделяемого из недр Земли хлора оказалась в морской воде и его поступление почти прекратилось. Поэтому проблема солености прошлого зависит главным образом от соотношения хлора и водяных паров. Если эти два летучих вещества находились в постоянном отношении в течение геологического периода, то соленость должна была быть относительно постоянной. Нет доказательства, что в прошлом содержание хлора в воде изменялось значительно. Поэтому мы приходим к заключению, что морская вода всегда имела соленость, незначительно отличающуюся от солености, которую она имеет в настоящее время. Общая картина, которая возникает, характеризуется единообразием. Соленость океана и относительные площади океанической и материковой коры, по всей вероятности, сохранялись без больших изменений в течение геологического времени. С другой стороны, общий объем океана и объем материковой коры увеличиваются постепенно. Однако имеется один аспект существования поверхностной среды, которая испытывает сильные изменения. Эти изменения являются результатом начала и последующей эволюции жизни на Земле. В настоящее время процессы жизнедеятельности оказывают сильное воздействие на круговорот углерода в природе. До возникновения жизни поверхностная среда была другой, и это отличие определялось главным образом недостатком кислорода в первичной атмосфере.
Первичная атмосфера и происхождение жизни
Если исследовать состояние железа в вулканической породе, то оказывается, что большая часть содержащегося в не» железа находится в форме закиси. Таким образом, кислород который может встретиться в вулканических газах, будет расходоваться на окисление FeO. Можно заключить, что вулканические газы не содержат свободного кислорода и что первичная атмосфера не могла поэтому содержать этот летучий газ. Отсутствие кислорода в первичной атмосфере имело важные последствия. Кислород дает начало озону в верхних слоях атмосферы, и этот слой озона, защищает поверхность Земли от ультрафиолетовой радиации. В отсутствие кислорода ультрафиолетовая солнечная радиация не поглощалась атмосферой и, следовательно, достигала поверхности океана. Ультрафиолетовая радиация вредна для жизни, из-за нее разрушаются сложные органические молекулы внутри живых клеток. Однако, если в бескислородной атмосфере облучить ультрафиолетовой радиацией воду, содержащую некоторое количество метана и аммиака, то образуются различного состава сложные органические молекулы. Таким образом в первичной, лишенной кислорода системе атмосфера — океан создавались органические структуры, послужившие началом для создания первичного самовоспроизводящегося организма. В приповерхностном слое морских вод он был защищен от ультрафиолетовой радиации, в то же время продолжающееся непрерывное формирование органического вещества в бескислородной атмосфере обеспечивало постоянное снабжение питанием. Первые организмы,, данные о которых мы имеем, были подобны бактериям, а затем появились сине-зеленые водоросли. Эти первичные растения были способны использовать свет, чтобы превратить двуокись углерода и воду в органическое вещество с выделением свободного кислорода. Таким образом, эволюция растений привела к биологическому образованию свободного кислорода. Большая часть появившегося таким образом свободного кислорода расходовалась на окисление закиси железа выветриваемых горных пород. Другая часть кислорода расходовалась на окисление летучих веществ, входящих в состав вулканических газов. В дальнейшем свободный 02 начал аккумулироваться в атмосфере. Кислород потребляется животными для разложения органического растительного вещества обратно в двуокись углерода и воду. Другие 94% освобожденного кислорода использовались для окисления выветриваемых горных пород и вулканических газов, выделенных из внутренних слоев Земли. Когда-то поверхность Земли была лишена океана и атмосферы. Выделение летучих веществ из внутренних слоев Земли привело к постепенному образованию океана и атмосферы. С появлением воды на поверхности могло начаться выветривание кристаллических пород. В результате кристаллические горные породы трансформировались в донные отложения и со-л» морской воды. Затем под действием динамических причин в литосфере образовалась материковая кора таким образом, что увеличились поверхности океана и его глубины. Прежде атмосфера была лишена кислорода, и ультрафиолетовая радиация на морской поверхности привела к синтезу сложных органических молекул. Из них развился самовоспроизводящийся организм, питающийся органическим веществом, образованным в результате преобразования солнечной радиации вблизи поверхности моря. Эволюция первичных морских растений привела к биологическому выделению свободного кислорода и постепенному окислению поверхностной среды. В конечном счете это привело к современной атмосфере, содержащей кислород. Таким образом, биологические процессы изменили поверхностную среду на нашей планете.
Основа жизни
Живой организм более показателен в отношении среднего состава Вселенной, чем кусок скалы, хотя в состав Земли входит мало газообразных компонентов, а организмы состоят в основном из кислорода, углерода и водорода в соединении с меньшим количеством азота, серы, фосфора и калия. На лишенной кислорода первичной поверхности Земли эти элементы находились в виде простых соединений, таких, как вода, аммиак, метан, углекислый газ и окись углерода — угарный газ. Ультрафиолетовая радиация Солнца преобразовывала некоторые из этих простых соединений в органические молекулы, например в аминокислоты, пурины, пиримидины, углеводы. Эти простые органические молекулы объединялись затем в более крупные молекулы протеиновых и нуклеиновых кислот. Более трех миллиардов лет тому назад комплекс органических блоков развился в первую самовоспроизводящуюся (авторепродуцирующуюся) систему. Затем синтез органической материи стал регулироваться генетическим кодом. Путем естественного отбора, преобразования и совершенствования генетического кода было достигнуто разнообразие форм жизни, существующее на нашей планете. Следы прошедших этапов Развития жизни, сохранившиеся в виде ископаемых в осадоч-Нь1Х породах, по-видимому, представляют собой отдельные звенья единой цепи эволюционирующих форм жизни. Таким образом, история происхождения каждого растения, животного или бактерии может быть прослежена по ископаемым остаткам вплоть до самых древних предковых форм. Несмотря на То что некоторые геологические данные свидетельствуют о массовом, катастрофическом вымирании типов организмов, более широкий биологический подход показывает преемственность развития.
Время
Каждый живой организм — это звено в непрерывной цепи развития, берущей начало у истоков жизни. В девятнадцатом столетии некоторые ученые полагали, что жизнь может самопроизвольно возникать из неживой материи. Такое мнение основывалось на, казалось бы, внезапном появлении микроорганизмов в первоначально стерильных культурах, в которые преднамеренно бактерии не заносились. Л. Пастер (1822— 1895) доказал, что возникновение микроорганизмов является следствием случайного занесения в среду бактерий, находящихся в воздухе, показав, что в тех случаях, когда попадание воздуха в сосуд с питательной средой было предотвращено путем герметизации, никакого роста колоний микроорганизмов не происходило. Цепь жизни поддерживается путем размножения. Чтобы обеспечить выживание видов, популяция каждого типа организмов должна давать достаточный прирост потомства. Таким образом, каждый вид обладает естественной тенденцией к увеличению числа особей. Результирующая численность популяций ограничивается лишь предельными ресурсами среды обитания. Поэтому существует постоянное противоречие между тенденцией популяции разрастаться в геометрической прогрессии и наличием ресурсов, необходимых для поддержания этого прироста. Для иллюстрации проблемы роста популяций рассмотрим простейший микроорганизм, объем которого равен одному кубическому микрометру (10-12 см3). Допустим, что этот микроорганизм удваивает свою численность раз в сутки. Тогда через 10 суток число организмов достигнет 103, а через 40 суток их общий объем составил бы 1 см3. Спустя 61 сутки объем Мирового океана оказался бы недостаточным, чтобы вместить потомство крошечной клетки. Популяции организмов находятся в состоянии постоянного движения. Увеличение ресурсов ведет к расширению ареала популяций до тех пор, пока популяция не истощит эти ресурсы. Каждый организм в свою очередь является источником пищи для другого организма. Таким образом, часто численность популяций снижается скорее в результате истребления» чем вследствие ограниченности ресурсов. При благоприятны условиях популяции разрастаются до тех пор, пока ресурс не будут полностью использованы или пока увеличивающееся их потребление не приведет к сокращению самой популяции. Некоторые популяции достаточно устойчивы, другие чрезвычайно резко меняются во времени.
Вещество и энергия
Для того чтобы сохраниться в общей цепи жизни, организмы должны размножаться. Генетический код содержит информацию для создания нового организма. Кроме того, для создания нового организма требуются материя и энергия. Различные химические компоненты организма могут быть синтезированы из материалов среды обитания. Более того, для переработки исходных веществ в процессе синтеза требуется приток энергии. Все организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные организмы независимы от внешних источников органического вещества; они могут производить необходимые органические вещества из неорганических элементов. Энергию, необходимую для синтеза, автотрофные организмы получают от солнечного света (фотосинтезная автотрофия) или в процессе химических реакций. Гетеротрофные организмы зависят от наличия внешнего источника органического вещества, потребляя его из среды обитания. Таким образом, этим животным требуется пища, которая служит одновременно источником вещества и энергии. Гетеротрофные организмы не могут синтезировать органическое вещество из неорганических компонентов. Различия между автотрофными и гетеротрофными организмами не всегда четко выражены. Многие морские растения, обладающие способностью синтезировать наибольшую часть необходимых веществ из неорганических источников, все же потребляют некоторое количество витаминов и других органических образований. Такие растения не способны произрастать в полностью органических культурах. Однако в тех случаях, когда в эти культуры добавляются органические вещества или создающие бактерии, такие растения могут развиваться и синтезировать все остальные необходимые им компоненты из неорганических источников.
Пространство и движение
Наземные растения неподвижны, однако воздух, перемещающийся над их листьями, поставляет углекислый газ и уносит кислород и водяные пары. Точно так же грунтовые воды, просачивающиеся через почву, поставляют корням воду. Подобно этому постоянное движение вод моря непрерывно омывает свежими водами сидячие морские организмы, входящие в состав бентоса. Выше упоминалось, что нектон обладает способностью активного плавания, которое позволяет ему менять свое местоположение, тогда как мельчайшие планктонные организмы более или менее пассивны и переносятся вместе с водой. Если бы их перемещение было совершенно пассивным, то они очень скоро истощили бы питательные вещества в своем непосредственном окружении. Для того чтобы выжить, планктонные организмы, не обладая большой способностью к активному плаванию, должны иметь способность перемещаться относительно водной массы. Их собственное движение позволяет им входить в контакт со свежими водами, однако скорость его недостаточно велика, для того чтобы противостоять океаническим течениям. Зоны жизни в океане классифицируются по глубинам и по месту обитания. Самой мелководной является приливная, или литоральная, зона, располагающаяся вдоль побережья в пределах приливных изменений уровня. Мелководная часть океана, находящаяся над шельфом, т. е. в пределах глубины 200 м, известна как неритическая зона. Океаническая зона охватывает пространство от края шельфа до глубочайших впадин. Наконец, целесообразно подразделить океан на освещаемую солнечным светом фотическую (световую) зону и афотическую (бессветовую) зону, в которой постоянно сохраняется темнота. Глубина фотической зоны зависит от прозрачности вод и может колебаться от 100 м вдали от берегов до нескольких метров в прибрежных районах. Поскольку пелагические организмы могут перемещаться в трех измерениях, проблемы расселения для них не существу, ет. В то же время бентосные организмы, живущие на дне или в донных отложениях, располагают очень ограниченной возможностью перемещения. Обычно в приливной зоне, на скалистом побережье, все пригодные для обитания места плотно заселены. Там, где существует борьба за пространство, все возможные для заселения поверхности вскоре покрываются сообществами организмов. Только покрытие специальной краской и частая очистка могут предохранить подводные части кораблей от обрастания их различными прикрепленными организмами.
Многообразие жизни в океане
Плиний Старший (23—79 гг. нашей эры) предпринял попытку описать многообразие жизни в море. Перечислив 176 видов, он заключил: «Конечно, теперь каждый должен убедиться, что совершенно невозможно охватить все виды (земных) животных в одном общем обзоре. И, кроме того,— клянусь Геркулесом! — в морях и океанах, таких огромных, как они есть, не существует ничего такого, что не было бы нам известно. И воистину изумителен тот факт, что мы лучше знакомы с теми существами, которые природа скрыла на глубинах». Сегодня никто не решился бы утверждать, что известно все разнообразие живых организмов, обитающих в море. Самая грубая прикидка «аводит на мысль, что в перечне Плиния численность видов ниже действительной по меньшей мере на три порядка. Попытка систематизировать великое разнообразие организмов, обитающих в море, была предпринята шведским ботаником Линнеем (1707—1778) в его монографии «Система природы» (1-е издание—1735 г., 10-е издание вышло в 1758 г.). Линней сгруппировал сходные виды организмов в роды и создал бинарную номенклатуру, посредством которой организм получает наименование по латинскому обозначению рода, за которым следует название вида. Классификация не остается неизменной, поскольку результаты новых исследований часто показывают необходимость пересмотра ранее принятых классификационных схем. Интерпретации родственных связей организмов в известной мере субъективны, отсюда нередко возникают противоречия в классификации. Каждый тип морских животных по ареалу обитания относится к бентосу, планктону или нектону. Так, динофлагеллаты (перидинеи) (Dinophyta) являются главным представителем планктонных растений, тогда как иглокожие (Echinodermata) обитают главным образом на дне моря. Многие организмы, взрослые особи которых населяют дно или активно плавают, в ювенильной (личиночной) Стадии развития являются планктонными. Многие морские зеленые водоросли (хлорофиты) не имеют скелетной структуры. Однако зеленые водоросли неизменно содержат карбонат кальция. Это соединение, входящее в состав водорослей, составляет значительную часть отложений карбоната кальция в тропической неритической зоне. Организмы, которые населяют Землю, являются прямыми потомками ранних форм жизни. Существует постоянная тенденция популяций размножаться в геометрической прогрессии, которая находится в противоречии с ограниченностью ресурсов и тенденцией хищных популяций реагировать на изменения численности животных, служащих им пищей. Воспроизводство организмов требует наличия веществ и энергии. Автотрофные организмы черпают эти ресурсы из неорганических компонентов и солнечного света, тогда как гетеротрофные организмы используют органические пищевые продукты. Поскольку организмы получают необходимые питательные вещества и нуждаются в очищении от собственных выделений, должно существовать относительное движение между организмом и средой, в которой он обитает. В зависимости от образа жизни морские организмы подразделяются на планктонные, нектонные и бентосные. Эти организмы населяют воды от приливной до неритической зоны над шельфом и до океанической среды. Многообразие жизни в океане чрезвычайно велико. Организмы классифицируются на виды, роды, отряды, классы и типы. Многие организмы имеют минерализованные скелеты, состоящие из карбоната кальция, кремния или фосфата кальция.
