ЭКЗОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ В ЭВОЛЮЦИИ ЗЕМЛИ

ЭКЗОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ В
ЭВОЛЮЦИИ ЗЕМЛИ
Гипотезы о независимом происхождении
жизни на Земле:
•“aquatic” – Фалес, 640/624 —548/545 BC,
Анаксимандр, 610-520 BC,
•Дарвиновский “небольшой теплый водоем”,
•Опаринский “бульон”,
•Эксперимент Миллера,
•Bada et al. (2007) - 22 аминокислоты в
лабораторном эксперименте «вулкан»
Идея панспермии восходит к временам
АНАКСАГОРА из Клазомен, 500 BC – 428 BC
Мы собираемся объединить эти гипотезы.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
• В Гигантском молекулярном облаке
типа Туманности Ориона рождается
Солнечная система. Близкие O-B
звезды обеспечивают поляризацию
и слабую хиральность (на 5-15 %),
там же формируются органические
молекулы до глицина NH2CH2COOH
и дальше.
• В околосолнечном газопылевом диске
образуются первичные планетезимали (в
течение первых 1-5 миллионов лет). Их число
1012-1015, в зависимости от их размеров (1-10
км) и массы первичного облака. В их недрах
происходит плавление льда из-за нагревания
короткоживущими 26Al (τ = 720 тысяч лет) и 60Fe
(τ = 2.5 миллиона лет). Температуры в
зависимости от частоты столкновений
планетезималей между –100 и 2000°C.
Морские температуры 0-150°C, Ph = 7 ± 2, есть
металлы и монтмориллониты. Кетоны могли
увеличить хиральность до 100 %.
• Мы должны искать LUCA в
кометных ядрах и крупных
планетезималях.
Может быть, анцестор был
не один?
Туманность Ориона – это самая яркая диффузная
туманность и ближайший к Земле комплекс
областей современного звездообразования
Credit: NASA/ESA
Пять ярчайших звезд на снимке известны как Трапеция
– ядро рассеянного звездного скопления в центре
туманности Ориона. Их массы порядка 15-30 солнечных
масс. Само звездное скопление содержит
более 2000 молодых звезд, многие из
которых имеют
околозвездные
диски, вероятно,
прекурсоры
образования
планет
Trapezium in infrared light from Hubble NASA photo.
Протопланетные диски у молодых звезд
типа Т-Таури в комплексе
звездообразования в Орионе
Коллекция протопланетных дисков
Photo: ESA/ESO, L. Ricci
Protoplanetary disk (scheme)
Стандартный Сценарий Формирования
Солнечной Системы
Стандартный сценарий эволюции газопылевого
допланетного диска около молодого Солнца
Слева сверху вниз – опускание
пыли к центральной плоскости и
образование пылевого субдиска,
уплощение пылевого субдиска,
гравитационная неустойчивость
в нем и его распад на пылевые
сгущения, сжатие пылевых
сгущений и образование роя
плотных тел астероидных
размеров.
Справа – объединение
планетезималей в планеты:
появление крупных тел,
ударный нагрев, сильный
метаморфизм, плавление и
испарение вещества,
реконденсация, диссипация
газа из СС и аккреция его на
Юпитер и Сатурн,
образование облака Оорта и
пояса Койпера, завершение
процесса формирования
планет и спутниковых систем
(Левин Б.Ю., 1964; Витязев и
др., 1990).
Тепловая эволюция внутренней области диска на
интервалах в 500 тысяч лет, жирной линией
указаны температуры в начале моделирования.
Плато на 1350 К
возникает из-за
испарения
тонкой пыли,
что снижает
непрозрачность.
(Ciesla F.J., Yang L. The
dynamics and ages of
refractory objects in
the Solar nebula // 41
LPSC, 2010. #1081).
КОММЕНТАРИЙ I
• Уже полстолетия продолжаются поиски
многоатомных молекул в молекулярных
комплексах. Найдены не только
фуллерены, но также и ряд более сложных
Cn Hn Nn, которые формируют объекты
земной биосферы. Молекулы, включающие
CHNOSP и входящие в состав
протопланетного облака (кроме областей
близких к Солнцу), сохраняли структуру.
КОММЕНТАРИЙ II
• Со времен Пастера известно о
хиральности аминокислот и сахаров в
земной биосфере. О ней писал
Вернадский, обращаясь к выдающимся
ученым своей поры, с 50-х годов начались
исследования хиральности земной
биосферы. Фактически со статьи (J. Baily et
al., l998) начались поиски хиральности в
звездных облаках.
В 2010 году завершилась большая работа
под руководством Douglas Whittet по
исследованию звездообразования в
гигантских молекулярных облаках. В статье
T. Fukue с 9-тью соавторами (Fukue T. et al.,
2010) было сообщено о хиральности,
измеренной в районе Трапеции туманности
Ориона. Наряду с обнаружением слабой
хиральности в углистых метеоритах мы
имеем нить (пока тонкую), каким образом
попали блоки будущей жизни на Землю.
В начале XX века В.И. Вернадский, А.Л.
Чижевский, М. Миланкович и др. показали, что
одних эндогенных факторов для объяснения
происходящих на Земле процессов
недостаточно. Наряду с ними следует также
учитывать влияние на нашу планету процессов в
Солнечной системе: колебания солнечной
активности, движение Земли и планет вокруг
Солнца и всей Солнечной системы в Галактике,
вращение Луны, падение на Землю
астероидных тел и др.
Земля, как открытая система,
рассматривается давно: потоки излучения
от Солнца и солнечный ветер, ее энергия,
поглощаемая приповерхностными
геосферами и биосферой, и энергия,
теряемая в виде ИК, падения крупных
космических тел, потоки метеоритного
вещества на Землю и диссипация водорода
и гелия в межзвездное пространство.
Взаимосвязь (?) процессов
Интенсивность вымирания
морских организмов
на временной шкале. Явно
выделяются 5 массовых
вымираний, называемых
Большая Пятерка (The Big
Five) по (Rohde & Muller, 2005).
Эволюция эндогенных
событий в мантии и
коре
Пики суммарной эндогенной активизации
для верхней мантии и коры в интервале
всего геологического времени. (Балашов,
2002)
Результаты оконного спектрального анализа обобщенного
(кора и верхняя мантия) ряда. Размер окна 3 млрд. лет.
Устойчивость «хребтов» указывает на то, что
соответствующие периодичности проявляются на всем
исследуемом времени.
Изменения биоразнообразия на временной шкале за
фанерозой (по работе Rohde & Muller, 2005). По
горизонтали отложено время в млн. лет (0 соответствует
настоящему времени), по вертикали – количество тысяч
родов. Зеленым показано количество «четко
определенных» родов, а серым количество всех известных
родов.
Желтым маркером показаны массовые вымирания,
называемые Большая Пятерка (The Big Five).
•440 млн. лет назад — Ордовикско-силурийское
вымирание — исчезло более 60 % видов морских
беспозвоночных;
•364 млн. лет назад — Девонское вымирание — численность
видов морских организмов сократилась на 50 %;
•251,4 млн. лет назад — «Великое» пермское вымирание,
самое массовое вымирание из всех, приведшее к
исчезновению более 95 % видов всех живых существ;
•199,6 млн. лет назад — Триасовое вымирание — в
результате которого вымерла, по меньшей мере, половина
известных сейчас видов, живших на Земле в то время;
•65,5 млн лет назад — Мел-палеогеновое вымирание —
последнее массовое вымирание, уничтожившее шестую часть
всех видов, в том числе и динозавров.
На рисунке (по сводным данным)
сплошной линией показан график
вымираний морских видов (в %),
точками – ударные кратеры на
поверхности Земли, звездочками
отмечены пять наибольших
вымираний. Причины этих пяти
катастроф широко обсуждаются и
до конца не ясны. Причиной
первой (около 65 млн. лет назад) предполагается удар астероида
(остаток – кратер Чиксулуб). Вторая (грубо от 199 до 214 млн. лет назад),
наиболее вероятно, вызвана массивными излияниями лавы в
центральной Атлантической провинции (раскрытие Атлантического
океана).
В третьем случае (около 251 млн. лет назад) многие исследователи
подозревают кометный или астероидный удар, хотя прямых
доказательств не было найдено. Другие полагают в качестве причины
мощный вулканизм (Сибирские Трапы), третьи – вулканизм,
спровоцированный ударом. Эта катастрофа была самой страшной в
истории биосферы Земли.
Скалограмма (MHAT-вейвлет) ряда интенсивности
вымираний морской биоты. Кембрийский взрыв
(500 – 540 млн лет назад)
Разномасштабные циклы
Вариации (периоды)
600 млн. лет
225−250 млн. лет
150-200 млн. лет
Причина
Земля
Галактика
Земля
50 млн. лет
Галактика
36 млн. лет
15-18 млн. лет
Земля
Галактика
93 000 лет
Орбитальный
41 000 лет
Орбитальный
25 750 лет
2 300лет
Орбитальный
Солнечный
210 лет
Солнечный
87 лет
22 года
18.6 лет
11 лет
Солнечный
Солнечный
Земной
Солнечный
1 год
Земной
1 день
Земной
Описание
Циклы Вильсона.
Галактический год.
Циклы Бертрана.
Период обращения спиральной
структуры.
Циклы Штилле.
Период обращения перемычки.
Цикл Миланковича. Колебания
эксцентриситета.
Цикл Миланковича.
Долгопериодическая нутация.
Цикл Миланковича. Прецессия.
Цикл Холлстатта.
Швейцарский цикл и цикл Де
Врайеса.
Цикл Глейшберга.
Цикл Хейла магнитного поля.
Нутация.
Солнечные пятна.
Один оборот Земли вокруг
Солнца.
Один оборот Земли вокруг своей
оси.
Изменение климата за Фанерозой (последние 540 млн. лет),
базирующееся на изменении соотношений изотопов кислорода
(Veizer J. et al. 2000).
Возможная причина некоторых циклов связана
с процессами галактической природы. Ю.И.
Стожков (Стожков, 2007) полагает, что
изменяющиеся со временем потоки
космических лучей в земную атмосферу через
процесс образования облачности и космическая
пыль, ответственная за присутствие большого
количества аэрозоля и попадающая в
атмосферу из космического пространства,
влияют на величину альбедо Земли на
временах порядка 102-103 лет. А изменения
величины альбедо определяют климат Земли.
Другой вариант объяснения наступлений
ледниковых периодов резким возрастанием
галактического излучения во время
прохождения Солнечной системой галактических
рукавов предложен в работе (Shaviv, 2005).
Попадая под ливень заряженных частиц,
атмосфера нашей планеты ионизировалась,
благодаря чему в ней формировались толстые
слои низких грозовых облаков. Облака эти
настолько сильно затрудняли проникновение к
поверхности планеты солнечного света, что
атмосфера охлаждалась, льды росли.
В недавнем обзоре (Coryn A.L. Bailer-Jones,
2009) было отмечено, что ни одна гипотеза пока не
подходит для объяснения массовых экстинкций
биоты и великих оледенений на Земле с
периодами больше 25-500 млн лет. Начиная с 1960
г., ряд известных геологов (W. Brian Harland, Joseph
Kirshvink – автор термина “Snowball Earth”, Paul F.
Hoffman и др.) разрабатывали теорию великих
оледенений. Но сами причины, вызывавшие
падение средних температур минимум на 15°С,
были не понятны.
Роль комет важна не только при формировании
Земли, но и на протяжении всей ее эволюции.
Схема механизма влияния космических
факторов на климат Земли
На предыдущем слайде было отмечено, что ливни комет могут
привнести в зодиакальное облако пыли на порядки больше
вещества, чем мы видим сегодня. Надо было найти реликты на
Земле. На рисунке приведены данные по углеродным изотопам
сибирских карбонатов Нижнего Кембрия в зависимости от
возраста пород (рисунок из работы Derry L.A. et al., 1994).
Мы предполагаем, что сильные вариации
12С/13C на промежутке Атдабан-Томмот
объясняются привносом кометного вещества в
результате кометных ливней. Хотя массовая
доля его незначительна – около одной
миллионной массы Земли, но составляет
порядка 10-100 гигатонн пыли, высыпавшейся
на всю поверхность Земли.
“Кембрийский взрыв”?
ЛИТЕРАТУРА
•Балашов Ю.А. Концепция времени в геологической истории Земли. //
«Геология и полезные ископаемые Кольского полуострова. Т. 3. Новые
подходы к изучению геологических образований. Институт геологии КНЦ,
Апатиты, 2002, с. 51-75.
•Витязев А.В., Печерникова Г.В., Сафронов В.С. Планеты земной группы.
М.: Наука, 1990. 294 с.
•Левин Б.Ю. Происхождение Земли и планет. М.: Наука, 1964. 116 с.
•Стожков Ю.И. Космические лучи и атмосферные процессы, причины
изменения климата // Труды X Конференции молодых ученых
"Современные проблемы в астрофизике и физике космической плазмы",
БШФФ-2007. Изд-во ИСЗФ СО РАН, Иркутск, 2007.
•Bailey J., Chrysostomou A., Hough J.H., Gledhill T.M., McCall A., Clark S.,
Menard F., Tamura M. Circular polarization in star-formation regions:
implications for biomolecular homochirality //Science. 1998, 281. P.672-674.
•Ciesla F.J., Yang L. The dynamics and ages of refractory objects in the Solar
nebula // 41 LPSC, 2010. #1081
•Coryn A.L. Bailer-Jones. The evidence for and against astronomical impacts on
climate change and mass extinctions: A review // International Journal of
Astrobiology. 2009. V. 8. P. 213-239.
• Derry L.A., Brasier M.D., Corfield R.M., Rozanov A.Yu., Zhuravlev A.Yu. Sr and
C isotopes in Lower Cambrian carbonates from the Siberian craton: a
paleoinvitremted record during "Cambrian explosion" // Earth. Planet. Sci.
Lett. 128 (1994), 671-681
• Fukue T., Tamura M., Kandori R., Kusakabe N., Hough J.H., Bailey J., Whittet
D.C.B., Lucas P.W., Nakajima Y. And Hashimoto J. Extended High Circular
Polarization in the Orion Massive Star Forming Region: Implications for the
Origin of Homochirality in the Solar System // Orig. Life Evol. Biosph. 2010
June; 40(3). P. 335-346.
• Johnson A.P., Cleaves H.J., Dworkin J.P., Glavin D.P., Lazcano A., Bada J.L.
(2008). "The Miller volcanic spark discharge xperiment". Science 322 (5900):
404.
• Rohde, R.A. & Muller, R.A. (2005). "Cycles in fossil diversity". Nature 434:
209-210.
• Shaviv, N. J. (2005), "On Climate Response to Changes in the Cosmic Ray
Flux and Radiative Budget", J. Geophys. Res.–Space Phys. 110 (A8): A08105
• Veizer J. et al. 2000. 87Sr/86Sr, d13C and d18O evolution of Phanerozoic
seawater. Chemical Geology 161, 59-88.
• Vityazev A.V. (1996). Formation of cometary subnuclei // Planet. Space Sci.
1996. Vol. 44, N 9. Р. 967-971.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
В.В. Адушкин, А.В. Витязев, Д.О. Глазачев и
Г.В. Печерникова
Институт динамики геосфер (ИДГ РАН)