Росли скальные образования. В некоторых местах они становились слишком высокими, тонкая кора не выдерживала их веса, и они проваливались в мантию. Там они частично плавились при отно­сительно невысоких давлениях и температурах, в результате более легкие породы, чем базальтовое основание, отделялись от базаль­та. Эти породы низкой плотности начинали «плавать» по океану, постепенно превращаясь в континенты. Первые свидетельства об океанах и возможных континентах были получены по цирконам из ДжекХиллс, и возраст их составляет 4,2 млрд лет, они возникли всего через 400 млн лет после формирования нашей планеты.

Скорость эрозии этих молодых континентов, вероятно, была очень высокой, может быть, в миллион раз выше современной из-за высоких температур и высокого парциального давления С02. Эро­зия силикатных пород оказалась весьма эффективной для удаления двуокиси углерода из атмосферы и перемещения ее в мантию. Каль­ций выделялся из Сасиликатов земной коры в результате эрозии и переносился в море. Благодаря высокому парциальному давлению С02 в море карбонаты осаждались и, следовательно, содержание С02 в атмосфере уменьшалось. В зонах субдукции (похожих на современ­ное тихоокеанское побережье Северной и Южной Америк) эти отло­жения опускались в мантию. Но позже двуокись углерода возвраща­лась в атмосферу при извержении вулканов. Континенты росли, и в какойто момент начались тектонические движения. Пусковым ме­ханизмом для них мог стать подъем горячих конвективных ячеек из мантии или приливные силы близкой Луны и раскол земной коры.

В последние годы было надежно доказано и измерено движение тектонических плит, которое происходит с характерной скоростью «сантиметры в год». Например, Атлантический океан расширяет­ся со скоростью от 2,2 см/год (Северная Атлантика) до 3,5 см/год (Южная Атлантика). На юговостоке Тихого океана платформа Наска удаляется от Тихоокеанской платформы с рекордной скоростью 15 см/год, образуя новое океанское дно из базальта. Наряду с расши­рением океанского дна происходят и другие движения. В Калифор­нии Тихоокеанская плита скользит вдоль края Североамериканской плиты со скоростью 5 см/год. В Индонезии Австралийская плита подныривает под Евразийскую плиту (около 6 см/год). Более легкие по составу, континенты, можно сказать, плавают в более плотных породах морского дна. Все это означает, что вещество морского дна гораздо моложе континентов.

В некоторых местах плиты сталкиваются. Эти области сейсми­чески активны. Если сталкиваются два континента, то они образуют высокие горы (Гималаи, Альпы). Там не наблюдается высокой вул­канической активности. Горы появлятся и в областях субдукции, где морское дно погружается под континентальную плиту. В этом случае прежнее морское дно частично плавится в мантии и обретает поло­жительную плавучесть; так постепенно образуются вулканические цепи, такие как Малые Антильские острова в Карибском море или Огненное кольцо, окружающее Тихий океан и включающее Анды, СьерраНеваду и Каскадные горы.

и циклической переработке земной коры. Описанные выше мето­ды радиохронологии в последнее время были усовершенствованы, и теперь с поразительной точностью можно датировать самые ран­ние процессы в эволюции Земли. Сейчас точность датировки гео­логических эпох составляет 1 млн лет и даже лучше на протяжении всей истории Земли. В табл. представлена геологическая шкала времени (заметим, что два или более периодов составляют эру, а две или более эры — эон).

Вспомним наше описание радиохронологического метода, ис­пользующего очень прочные кристаллы циркона. Са­мый старый на Земле кристалл циркона, возраст которого 4,2 млрд лет, был найден в области ДжекХиллс в Западной Австралии, но он был в породах, уже претерпевших метаморфозы. Циркон сфор­мировался еще до того, как эти породы частично расплавились и подверглись переработке. Древнейшие коренные породы возрас­том 3,9 млрд лет обнаружены в Западной Гренландии. А в Южной Африке и Западной Австралии есть коренные породы возрастом 3,5 млрд лет. Большая часть континентов значительно моложе мил­лиарда лет, а возраст глубоководного дна океанов нигде не превы­шает 250 млн лет. Все это означает, что если вы хотите исследовать Землю в эпоху ее молодости, то количество мест, откуда можно взять геологические образцы, весьма ограничено. Как уже говорилось, датирование важных событий прошлого, основанное на соотноше­ниях изотопов, дает нам очень надежную систему измерения. Ком­бинируя данные по метеоритам, астрономическим туманностям, динамическим исследованиям Земли и изотопным исследованиям земных минералов, мы получаем приведенную ниже картину.

Начиная с момента формирования протопланетного диска, при­мерно 4,567 млрд лет назад, тело Земли быстро растет. Вещество было уже горячим, его температура составляла 750 °С. Когда радиус Земли достиг 100 км, вещество в ее недрах начало расслаиваться. Железо и более тяжелые элементы утонули и образовали ядро, а кремний и более легкие элементы устроились ближе к поверхности. Земля собирала и газы, часть из которых сформировала протоатмосферу, возможно, состоящую из Н2, Н20, С02, СО и М2. Часть этой атмос­феры тут же улетучивалась, а часть была сорвана во время сильных столкновений. Но значительная часть газов проникла внутрь Земли, например в виде воды, связанной в гидратированных минералах. Энергия, выделявшаяся в процессе формирования, задерживалась водяным паром — очень эффективным парниковым газом. Поэтому поверхность молодой Земли была горячей, около 1700 °С, и вся по­крыта океаном магмы из расплавленных горных пород.

Земля остывала за счет инфракрасного теплового излучения. Примерно через 250 млн лет в некоторых местах поверхности, где температура опустилась до 550 °С, жидкий океан лавы начал твер­деть. Сформировалась тонкая твердая кора, которую время от вре­мени пробивали астероиды и кометы. Земля остывала. Когда тем­пература упала примерно до 250 °С, начался долгий дождь. Образо­вался первый океан, покрывший всю поверхность. Поскольку вода из атмосферы переместилась в океан, парниковый эффект ослаб и давление атмосферы существенно уменьшилось. Условия на Зем­ле сильно изменились. Давление воздуха снизилось раз в десять, и температура сильно упала. Оставшаяся у Земли атмосфера теперь в основном состояла из азота (Ы..) и двуокиси углерода (С02). Таким мы видим процесс формирования Земли.

Земля почти полностью сфор­мировалась всего через 50 млн лет после того, как ее исходное ве­щество (пыль) осело к экваториальной плоскости протопланетного диска. На этой стадии она уже собрала 95% своей массы, но редкие сильные столкновения еще происходили. В результате одного из та­ких столкновений, как мы полагаем, возникла Луна.

До полетов «Аполлонов» обсуждалось несколько теорий про­исхождения Луны. Еще в 1909 году американский астроном со сложной и неоднозначной биографией Томас Си (Тотпаз Л. 3. 8ее) предположил, что Луна была захвачена Землей. Другую теорию вы­двинул в 1878 году Джордж Дарвин, сын Чарлза Дарвина. Он счи­тал, что Луна оторвалась от расплавленной Земли в результате ее быстрого вращения. В 1892 году священник Осмонд Фишер пред­положил, что следы этого события сохранились в виде Тихого и Ат­лантического океанов. Но позже тщательные расчеты Ф. Р. Мультона и X. Джефриса показали, что с точки зрения физики эта теория неверна (хотя она сохранялась в учебниках до 1960х годов). Со­гласно третьей теории, оба тела — Земля и Луна — сформировались в протопланетном диске в одно и то же время практически в одном и том же месте. Эту теорию развил в 1943-1946 годах академик Отто Юльевич Шмидт, а затем разрабатывали Виктор Сергеевич Сафронов и Евгения Леонидовна Рускол, которая и сейчас продолжает эту работу в Институте физики Земли имени О. Ю. Шмидта.

Полеты «Аполлонов» в начале 1970х годов изменили взгляды на происхождение Луны, поскольку астронавты доставили образцы ее вещества. К всеобщему удивлению, породы из темных лунных морей оказались похожи на земные базальты, а из более светлых материковых областей — на земные анортозиты. Напомним, что анортозиты — это горные породы, преимущественно состоящие из одного из подвидов полевого шпата — плагиоклаза, наиболее ча­сто встречающегося в земной коре. Большинство других лунных минералов тоже оказались похожими на те, которые встречаются в земной коре. Средняя плотность Луны равна 3,3 г/см3, что совпа­дает с плотностью океанской коры Земли. Это указывает, что Луна не может иметь большое и плотное железоникелевое ядро, какое есть у Земли. Это подтверждается и отсутствием у Луны магнитного поля. В лучшем случае, железное ядро может составлять четверть массы Луны, тогда как в железном ядре Земли заключена половина массы планеты. Это указывает, что формирование Луны не могло происходить независимо от формирования Земли.

На этих фактах развилась новая теория, предполагающая, что Луна образовалась при почти касательном столкновении Протоземли с телом в десять раз менее массивным, размером с Марс (рис. 29.5). Столкновение было таким сильным, что оба тела расплавились, их ядра в конце концов слились, а выброшенное при ударе вещество частично упало обратно на Землю, а частично оказалось на орбите вокруг Земли и, собравшись вместе, образовало Луну. Совершенно очевидно, что это столкновение испарило любую атмосферу, кото­рая могла сформироваться до столкновения. Лунные образцы пока­зывают, что столкновение могло произойти 4,527 ± о, ою млрд лет назад, то есть через 40 млн лет после начала формирования Земли.

Происходили и другие мощные столкновения. Хотя древняя ат­мосфера, вероятно, сначала была довольно толстой, ее разрушали не­однократные удары и окончательно уничтожил «последний сорвав­ший атмосферу удар». При этом он, похоже, расплавил и часть Земли.

Время этого столкновения измеряется по отношению изотопов благо­родных газов, таких как 129Хе и 1!"Хе (изотоп 1а9Хе образуется при распа­де 1291, а,3°Хе стабилен). Этот удар случился 4,45 млрд лет назад, через 120 млн лет после того, как из осевшей к экваториальной плоскости протопланетного диска пыли начала формироваться Земля, и через 8о млн лет после удара, приведшего к образованию Луны.

Описанные выше столкновения должны были происходить с объектами, двигавшимися по орбитам, близким к орбите Земли. Но в следующие примерно 8оо млн лет во внутреннюю область Сол­нечной системы стало попадать огромное количество комет и асте­роидов, многие из которых сталкивались с Землей и Луной. Эту ин­тенсивную бомбардировку производили малые тела, которые слу­чайно сближались с планетамигигантами, и те своим притяжением изменяли орбиты малых тел, направляя примерно половину из них во внутреннюю область Солнечной системы, а вторую половину выбрасывая за ее пределы. Эта очистительная акция, в основном произведенная Юпитером, повысила интенсивность столкновений в древности, но зато снизила ее в последующие эпохи, обеспечив благоприятную эволюцию для Земли и жизни на ней.

Окаменевшие шат­ки рептилии трпасо-вогоперпдалпсгро —

Рис. Часть единого суперконтинента Пангея. Карта показывает совпадение однотипных ископаемых остатков на современных континентах

Вегенер не мог указать, что служит причиной движения континен­тов. Это и сдерживало признание его Теории. Даже в 1948 году извест­ный американский геолог утверждал, что «теория движения континен­тов — это фикция, это захватывающая идея, вводящая наше воображе­ние в заблуждение». Но вскоре после этого теория Вегенера получила мощную поддержку от результатов изучения двух предметов:

Магнитаых свойств коренных и осадочных морских пород (палеомагнетизм);

Топографии (деталей поверхности) морского дна.

Мы еще вернемся к современным взглядам на движения конти­нентов и их физическое значение, но сначала опишем, как сформи­ровались Солнечная система и Земля.

Происхождение Земли как части Солнечной системы: современный взгляд

Наше Солнце, планеты и малые тела Солнечной системы сфор­мировались в обширном газовом облаке. Та часть облака, где это произошло, была очень холодной: около 260 °С. С астрономиче­ской точки зрения, облако было плотным (около миллиона атомов в кубическом сантиметре), непрозрачным и выглядело совершенно черным. Такие облака существуют в космосе и сегодня. В основном это газовое облако состояло из водорода и гелия с примесью около 1% более тяжелых элементов. Некоторая часть вещества была в виде льда и минеральной пыли, например кристаллов оливина, графита, очень мелких алмазов и других минералов. Облако сжималось и при этом сплющивалось и ускоряло свое вращение, как балерина в пи­руэте, из-за сохранения углового момента. Постепенно сформировался протопланетный диск, температура и плотность которого возрастали в направлении центра. Это как раз то место, где образовалось Солнце. В экваториальной плоскости диск тоже стал плотным, и там начали формироваться планеты.

Вблизи Протосолнца протопланетный диск был горячее, чем во внешних областях. К тому времени, когда большая часть пыли осела к экваториальной плоскости диска, температура на расстоя­нии будущей орбиты Земли повысилась до 700 °С. Когда горячее вещество протопланетного диска стало остывать, многие минералы начали кристаллизироваться. В зависимости от начальных условий, таких как температура и скорость остывания, образовывались раз­личные типы кристаллов. Их до сих пор находят в метеоритах. Са­мое древнее вещество Солнечной системы обнаружено в углистых хондритах. Эти метеориты содержат очень древнее вещество двух типов: углеродные хондрулы — маленькие черные сфероидальные частицы; а второй тип — это кальциевоалюминиевые включения, которые бледнее и немного больше хондрул (вплоть до 1 мм).

Возрасты измеряют по изотопам различных элементов. Возраст метеоритов определяется по отношению изотопов и и РЬ, изотопов А] и Мц и изотопов КЬ и 8г. Соотношение изотопов А1/М§ дает отно­сительный возраст, говорящий об истории протопланетного облака. Например, по распаду короткоживущего изотопа 2ГА1 можно опре­делить, что разные хондрулы в метеорите образовались в одно и то же время, с точностью до 1 млн лет. Изотопы КЬ/8г также показы­вают относительный возраст молодой протопланетной туманности, но чаще их используют для исследования относительных возрас­тов индивидуальных метеоритов. Изотопы 11/РЬ дают абсолютный возраст, поскольку количество родительских и дочерних изотопов можно прямо измерить. Определив возрасты нескольких хондрул из метеорита, можно сказать, когда сформировался этот метеорит. Абсолютный возраст, полученный по углеродным хондрулам древ­них метеоритов, составляет 4»5б7 ± 0,001 млрд лет. Сейчас это наи­более точное значение возраста Солнечной системы.

Характерное время формирования планет было довольно корот­ким. Нужно помнить, что 50 млн лет — это всего лишь х% от возраста Солнечной системы. Как мы далее увидим, образование планетной системы было почти мгновенным, по крайней мере, в астрономиче­ском и геологическом смыслах. Хотя еще не все детали изучены, но считается, что в целом формирование планет происходило так.

Частицы пыли начали слипаться в экваториальной плоскости протопланетного аккреционного диска. Эти конгломераты в тече­ние нескольких тысяч лет выросли в большие рыхлые пылевые ко­мья размером до 1 км. Двигаясь по орбитам внутри протопланетного диска, они собирали все больше пыли и сталкивались с другими по­добными им комьями. Их гравитация усиливалась и делала их бо­лее компактными, освобождая таким образом пространство. Когда размер этих планетезималей достиг примерно 8оо км, их собствен­ное тяготение стало таким сильным, что они приняли сферическую форму. Это превращение не было внезапным, а происходило посте­пенно по мере роста тела. Примерно в это же время планета доста­точно увеличилась, чтобы свом тяготением начать собирать из окру­жающего пространства пыль и газ и от этого расти еще быстрее.

На расстоянии современной орбиты Юпитера температура про­топланетного диска настолько низкая, что лед остается замерзшим. Это означает, что там было больше твердого вещества для образо­вания планеты. Юпитер продолжал расти и достиг массы в 30 раз большей, чем у Земли. При этом он обрел новое качество: форми­рующаяся планета стала настолько массивной, что ее тяготение спо­собно было удерживать даже самые летучие элементы — водород и гелий. С ростом массы гигантская планета сгребает все вещество из окрестностей своей орбиты. Пыль, лед, камни и газ — все это уве­личивает ее массу, пока не очистится пространство вдоль ее орбиты. От начала слипания пылинок и до окончания роста планеты про­ходит около 30 млн лет. То же самое, но медленнее, происходило и при формировании трех других планетгигантов — Сатурна, Ура­на и Нептуна. А за орбитой Нептуна еще сохранилось оставшееся от образования планет вещество: пыль, астероиды, кометы и объекты пояса Койпера («плутоиды») размером до 100 км.

Пока планеты росли и формировались, температура в центре Протосолнца продолжала повышаться. Когда она достигла при­мерно 4 млн градусов, начались ядерные реакции, и родилось Солн­це. Определить точную дату этого события трудно. Возможно, оно произошло через несколько миллионов лет после оседания пыли к плоскости аккреционного диска. Мощное излучение Солнца, особенно сильное в ультрафиолетовом диапазоне, как у всех звезд типа Т Тельца, а также солнечный ветер, представляющий быстрый поток вылетающих из Солнца частиц, очистили от остатков газа Солнечную систему.

Движение звезд на небе и гор с континентами про­тиворечит нашей интуиции, поскольку мы привыкли относиться к ним как к точкам отсчета для всего, что движется быстрее, напри­мер, планеты, приливы и воздушные потоки. Огромные возрасты, полученные радиохронологическим методом, заставили поновому взглянуть на процессы, происходящие в Земле, для которых дли­на человеческой жизни — всего лишь миг. Соответствие береговых линий восточной части Южной Америки и западной части Африки озадачило географов сразу же после создания первых достаточно точных карт этих материков. Тогда это обычно объясняли тем, что Атлантический океан представляет собой широкий каньон и сред­няя часть единого континента туда провалилась. Французский гео­граф Антонио СнайдерПеллегрини в 1858 году предположил, что Южная Америка и Африка раскололись и разошлись на современ­ное расстояние. Его смелая теория в точности соответствовала би­блейскому контексту. На пятый день творения все континенты были единой сушей. На шестой день творения появились длинные раз­ломы. Извержение вулканических газов раздвинуло континенты. В это же время Земля сжалась, и моря залили континенты, вызвав гигантский потоп (рис. 29.2).

Рис. Антонио СнайдерПеллегрини (1802-1885) нарисовал первую карту, демонстрирующую движение континентов

Для геологов такое объяснение не имело никакого смысла. Че­рез пятьдесят лет, когда опять был поднят вопрос о движении кон­тинентов, подмоченная репутация Снайдера вызвала отрицатель­ную реакцию на новую теорию. В 1910 году американец Ф. Э. Тейлор предположил, что образование горных цепей обусловлено движе­ниями континентов. По его мнению, Гималаи образовались из-за того, что Евразийский континент двигался к югу и столкнулся с Ин­дийским субконтинентом.

Обычно отцом тектонических движений считается Альфред Вегенер (1880-1930). Немецкий ученый был поражен схожестью окаменелостей на обоих берегах Атлантики и в 1912 году предпо­ложил, что 200 млн лет назад, в мезозойскую эру, все континенты образовывали единый суперконтинент Пангею, окруженную океа­ном Панталасса. Суперконтинеит раскололся на части, и современные континенты начали расходиться. Свою идею Вегенер опубликовал в 1915 году в книге «Происхождение конти­нентов и океанов». В пользу этой теории он приводил несколько аргументов.

Земная кора бывает двух типов: более легкая образует кон­тиненты, а более плотная — дно океанов. Континенты плава­ют в океанской коре и даже скользят по ней, если возникает боковая сила.

Береговые линии Южной Америки и Африки совпадают. Если учитывать мелководный континентальный шельф, то это совпадение усиливается. В этом случае даже Северная Америка и Европа тоже совпадают. Если их совместить, то легко заметить, что и геологические структуры так точно совпадают, что совершенно очевидно, что континенты раскололись и разошлись.

Результат оказался поразительным: один грамм радия дает более чем в тысячу раз больше энергии, чем химическое сгорание одного грамма углерода. Эта идея рождала верное направление мысли, но определенный этим способом возраст вступал в проти­воречие с мнением лорда Кельвина. В 1904 году Резерфорд высту­пал с докладом в Королевском институте. В аудитории он заметил Кельвина:

«Я понял, что у меня проблемы с последней частью моего до­клада, посвященной возрасту Земли… К моему облегчению, Кель­вин часто дремал, но когда я подошел к важному месту, то увидел, что старый ворон сидит, открыв глаза, и смотрит на меня злобным взглядом! Вдруг я почувствовал вдохновение и сказал, что лорд Кельвин ограничил возраст Земли при том лишь условии, что ника­кие новые источники энергии не будут открыты. И его пророческие слова относились именно к тому, что мы сегодня обсуждаем, — к ра­дию! И вот старик уже приветливо улыбается мне».

Молодой физик утверждал, что Солнце может просуществовать значительно более 20 млн лет, возможно, даже миллиард лет и что Землю не ждет скорая смерть изза того, что, по мнению Кельвина, Солнце начнет тускнеть. На следующий день газетные заголовки кричали: «День Страшного суда откладывается!»

Оказалось, что радиоактивность может увести нас еще дальше вглубь времен. Рассказывают, что Резерфорд както шел по уни­верситету с камнем в руке. Он столкнулся с геологом и спросил его: «Адаме, сколько лет Земле?» Тот ответил, что, по измерениям раз­ными методами, около юо млн лет. К его удивлению, Резерфорд сказал: «Возраст этого камня 700 млн лет». Он только что опреде­лил возраст камня, используя скорость распада урана. В 1907 году Бертран Болтвуд измерил возраст различных горных пород и по­лучил значения от 400 до 2200 млн лет. Позже датировка геоло­гических пластов была усовершенствована, и ошибка уменьшилась до 1 млн лет. Мы знаем, что возраст Солнечной системы составля­ет 4,567 ± 0,001 млрд лет и что Земля примерно того же возраста. В табл. 29.1 приведены скорости полураспада некоторых радиоак­тивных изотопов, а во врезке 29.1 даны примеры радиоактивного датирования.

Как пример методов радиохронологии рассмотрим изо­топ калия с атомным весом 40 единиц (*°К). Этот изотоп распадается на 89% кальция и 11% аргона, вес каждого из которых тоже составляет 40. Один из этих двух элементов — аргон, инертный газ, который может сохраняться в горных породах. Но если порода расплавится, газ выходит наружу. Отношение изотопов аргон40 и калий40 указывает, сколь­ко времени горная порода находилась в твердом состоянии. Можно сказать, что эти часы начинают тикать с того момен­та, как порода последний раз застыла, ведь до этого аргон из нее свободно выходил, так что перед затвердеванием поро­ды его там практически не было. Со временем доля изотопа аргона возрастает, и через 1200 млн лет уже собирается 11% аргона относительно изотопа калия (это временя полурас­пада калия40). Измерив в образце отношение аргона40 и калия40, мы определим его возраст.

Есть еще один интересный пример. Рассмотрим кристал­лический минерал циркон из элемента цирконий (2г). Кри­сталл циркона чрезвычайно устойчив: он выживает в усло­виях выветривания и даже при частичном плавлении пород

В земной мантии. Самая распространенная форма циркона 2г8Юц. При кристаллизации обычно возникает небольшая примесь, в результате которой менее чем в % случаев ато­мы циркония замещаются атомами урана (118Ю4) или тория (Тп5Ю4). Это возможно потому, что ядра И и ТЬ по разме­ру такие же, как ядра 2г. С другой стороны, свинец (РЬ) не может входить в состав кристалла просто потому, что он слишком велик, поэтому в момент формирования в кри­сталле нет свинца, но вместе с большим количеством цир­кония есть небольшое количество урана и тория. С течением времени атомы И и ТЬ испытывают радиоактивный распад. Атомы,1351] распадаются на ао7РЬ с временем полураспада 703,8 млн лет, а распадается на ао6РЪ с временем полу­распада 4,468 млрд лет. Теперь мы можем оценить возраст кристалла циркона, просто подсчитав, сколько атомов ф^ратилось в 207РЬ и сколько — в ^РЬ. Если половина превратилась в ао6РЪ, то возраст кристалла равен вре­мени полураспада, в нашем случае 4,4^8 млрд лет. Возраст может быть определен и у других минералов, содержащих уран. На практике оценку возраста лучше делать построе

Для этого Кельвин использовал тео­рию теплопроводности Джозефа Фурье (сам Фурье фактически при­шел к такому же результату, но не осмелился опубликовать столь ра­дикальный для того времени вывод). У Кельвина получился возраст Земли 98 млн лет. Подозревая, что в расчетах могут быть ошибки, он заявил, что диапазон возраста Земли составляет от 20 до 400 млн лет. Если бы недра Земли ничем не подогревались, эта оценка была бы обоснованной.

Поскольку Солнце и Земля, скорее всего, формировались вместе, их возрасты должны быть сравнимыми. Но это совершенно разные тела, поэтому для определения их возрастов требуются совершен­но разные методы. В качестве первой оценки можно вычислить, что если бы Солнце состояло из углерода, который горит в кислороде, то при современной мощности излучения Солнца оно бы полностью сгорело всего лишь за ю ооо лет. Сегодня очевидно, что источни­ком энергии Солнца не могут быть химические реакции.

Лорд Кельвин рассмотрел возможность того, что источником солнечной энергии, которую мы получаем сейчас, служит тепло, выделившееся при сжатии вещества Солнца в период его формиро­вания, а также небольшое количество тепла, выделяющееся ныне при падении на Солнце метеоритов (их кинетическая энергия пре­образуется в тепло). По его оценкам, Солнце не могло за счет этого светить юо млн лет и, тем более, 500 млн лет. Он также оценил, что Солнце остынет примерно через миллион лет, что было весьма неприятно. Эти цифры дали и верхний предел для возраста Земли, совпадающий с независимыми оценками Кельвина.

Кельвин указывал, что его оценка в юо млн лет для Солнца про­тиворечит оценке Дарвина в 300 млн лет для Земли. Дарвин усту­пил и согласился, что подсчеты Кельвина могут быть верны. Одна­ко вскоре конфликт между их оценками углубился: оказалось, что Кельвин переоценил возрасты Земли и Солнца. Его новые вычис­ления дали 20 млн лет как для Солнца, так и для Земли. При этом предполагалось, что внутренних источников энергии нет, а Земля остыла из расплавленного состояния, когда у нее была максималь­ная температура. Время остывания до нынешнего состояния дало максимальное значение возраста.

Конфликт длительности остывания с длительностью осадконакопления и разрешение этого спора с помощью радиоактивности

Вначале последовательность геологических событий определя­лась по ископаемым остаткам растений и животных. Конкретный тип смеси окаменелостей в слое земли определяет его геологиче­скую эпоху. Границы между разными слоями довольно резкие. Ча­сто можно измерить различные отложения тем же способом, каким определяют возраст дерева, — по кольцам. Таким методом была из­мерена длительность каждой эпохи — по толщине осадочных слоев. Согласование этих слоев и их границ позволяет выстроить после­довательность геологических эпох. Можно измерить современную скорость отложения осадков на дне моря в сантиметрах за год. За­тем можно сложить толщину осадков всех известных геологических эпох и, разделив ее на толщину годичного отложения, и определить возраст осадочных пород Земли.

Одновременно с оценками Кельвина, профессор зоологии Ок­сфордского университета Эдвард Паултон, основываясь на совре­менной скорости отложения осадков, пришел к выводу, что после кембрийского периода прошло около 400 млн лет. А для начала кембрийского периода геолог Джон ГУдчайлд получил потрясаю­щую оценку в 700 млн лет. Очевидно, что Земля и Солнце должны быть старше. Так возникло противоречие между возрастом в десят­ки миллионов лет, о котором говоорили физики и биологи, и воз­растом в сотни миллионов лет, определенным геологами.

Начав от рождения Христа и используя жизнеопи­сания библейских персонажей, он двигался в глубь времени и при­шел к выводу, что Вселенная и Земля были сотворены за 4004 лет до Рождества Христова. Такие библейские определения возраста Зем­ли (использовавшиеся задолго до Ашшера) считались обоснован­ными вплоть до XIX века, пока геологи, палеонтологи, астрономы и физики не представили свидетельства более адекватной шкалы времени.

В 1779 году француз Жорж Луи Леклерк де Бюффон (1707-1788) подверг сомнению результаты Ашшера. Он утверждал, что найден­ные к тому времени окаменелости успели бы сформироваться только в том случае, если возраст Земли составляет не менее 75 ооо лет. Это радикальное предположение стало первым геологическим опреде­лением возраста Земли. При этом оно весьма неплохо совпадало с оценкой Исаака Ньютона, предположившего в своих «Началах» (1687), что возраст Земли должен составлять 50 ооо лет. Эту оценкуон получил, опираясь на время охлаждения железной сферы, раз­мер которой он экстраполировал к размеру Земли. Граф Бюффон провел подобные эксперименты со сферами различного размера.

Вскоре шотландский геолог Джеймс Хаттон (рис. 29 л) выдви­нул новую идею. Он предположил, что древние события можно по­нять, изучив современные процессы, такие как накопление песка на берегу или выбросы лавы и пепла при извержении вулканов: если их интенсивность не меняется со временем, их можно использовать дпя изучения геологических слоев и горных пород. Свои идеи Хат­тон опубликовал в 1788 году в книге «Теория Земли». Он утверж­дал, что геологические слои формируются в течение долгого време­ни, что противоречило господствовавшей тогда теории катастроф, согласно которой геологические структуры сформировались почти мгновенно в ходе библейского Всемирного потопа.

Рис. Джеймс Хаттон (1726-1797), основатель современной геологии: медленные процессы сформировали геологические структуры

Шотландец Чарлз Лайель (1797-1875) учился в Оксфорде. Его книга «Основы геологии» (в трех томах, изданных в 18301833 го­дах) получила такое признание, что теория катастроф начала терять популярность. Он подчеркивал, что действующие сейчас физические законы работали и в прошлом и что геологические процессы всегда происходили так же и с той же скоростью, что и сегодня. Теперьто мы знаем, что это не совсем так: некоторые процессы сильно меня­лись в прошлом.

Далее, под впечатлением работы Лайеля, Чарлз Дарвин обратил внимание на новый аспект в споре о возрасте, рассмотрев эволюцию от простейших организмов до человека. По его оценкам, геологи­ческие процессы должны были продолжаться 300 млн лет, и этого времени — как он полагал — достаточно и для эволюции жизни. Ир­ландский геохимик Джон Джоли в 1899 году получил для возраста Земли примерно такой же результат — 90 млн лет. Он основывался на вычислении времени, необходимого для того, чтобы океан стал со­леным, вбирая в себя всю соль из речной воды. Он не вполне справед­ливо предполагал, что ежегодный принос соли не меняется и что оке­ан не теряет соль. Итак, к началу XX столетия казалось, что геологи­ческий возраст Земли составляет 100 млн лет или немного больше.

Нам нелегко представить гигантские космические расстояния. Не менее сложно для нашего разума осмыслить и ту огромную длительность времени, которая потребовалась для рождения Земли (и, конечно, нашей Галактики). Нам трудно вообразить существование чегото более краткого, чем десятая доля секунды; а чтото более длитель­ное, чем возраст наших бабушек и дедушек, вообще выходит за рам­ки нормального мышления. Мы вынуждены использовать различ­ные косвенные методы, чтобы представить себе столь длительные отрезки времени, как миллионы и даже миллиарды лет.

С 1970х годов новые мощные методы и приборы для клеточной и молеку­лярной биологии произвели революцию в исследовании ДНК, функ­ций генов, структур белков, а также регулирования и координации различных биохимических реакций в клетке. Примеры последних достижений в молекулярной и клеточной биологии.

За последние пять десятилетий эти новые методы и исследо­вания показали нам сложность клетки и молекулярной биологии. Молекулярные взаимодействия и разные регуляторные реакции и саморегулируемые циклы внутри клетки оказались многослой­ными и хорошо настроенными для реакции на различные внешние и внутренние сигналы. Сложность этих межклеточных молекуляр­ных сетей сейчас может быть проанализирована с помощью ком­пьютерных вычислений, и таким образом мы постепенно начинаем понимать биохимический мир, заключенный в наших клетках, то есть — молекулярные основы жизни.

Один из очень эффективных методов молекулярной биологии — использование ферментов эндонуклеаз рестрик­ции, выделенных из бактерий и архей. Эти ферменты позво­ляют аккуратно разрезать ДНК на специфические кусочки. Техника клонирования позволила лигировать (вставлять) любой фрагмент ДНК в разные векторы для клонирования (плазмиды или вирусы), способные независимо амплифицироваться (копироваться) в другом хозяине, например бак­терии или культивированной клетке животного. Полимеразная цепная реакция (ПЦР), которую в 1983 году приду­мал Кэри Бэнкс Маллис, очень эффективно амплифицирует последовательности ДНК, используя заранее синтезирован­ные одноцепочечные комплементарные ей фрагменты, при­лепляющиеся к специфическим местам исходной ДНК при: быстрых колебаниях температуры.

Амплифицированные молекулы ДНК могут быть легко выделены и проанализированы для определения их нуклеотидной последовательности. Изолированные последова­тельности можно также подвергнуть экспрессии как ш ийгр*^, для получения белков с целью структурного или функцио­нального исследования, так и в живой клетке, гп Ыгю9 для ис­следования реальных функций белка, его местонахождения или взаимодействия внутри клетки. Наши возможности пе­ренести ген в интересующие нас организмы, такие как бакг ^ терии или растения, позволяют направленно модифшпфо* вать эти организмы для улучшения их генетических свойсщ^ Этот генноинженерный подход уже используется во мнс$$$^­областях биотехнологии и. видимо, получит в будущем еще более широкое развитие.

Эффективные методы измерения уровней экспрессии генов (например, при использовании проб гомологичных нуклеиновых кислот) позволяют исследовать экспрессию интересующих нас генов при различных состояниях клетки и выяснить, как разные гены регулируют развитие и диффе­ренциацию многоклеточных растений и животных. С помо­щью автоматизированных методов установления последо­вательности ДНК можно определить огромное количество геномных последовательностей. Уже сейчас определены сложные геномные последовательности многих прокариотических и эукариотических организмов.

Было обнаружено (см. таблицу ниже), что размеры гено­мов варьируют в очень широком диапазоне.

У самой маленькой самостоятельно размножающейся бактерии (Мусор1а8та §епи:а1шт) геном состоит из 580 ооо нуклеотидов и содержит около 470 генов. В геноме малень­кого животного, например нематоды около юохю0 нуклеотидов и около 20 ооо генов. У челове­ка 3400 х ю* нуклеотидов и 32 ооо генов; у полиплоидных растений, например пшеницы, 17 ооо х нуклеотидов и 6о ооо генов; а у амебы более 670 ооо нуклеотидов, что является самым большим геномом среди всех известных форм жизни. Генетические последовательности продемон­стрировали большие вариации в размерах и сложности ге­номов, а также позволили судить о схожести геномов род­ственных видов. Оказалось, что разница между человеком и шимпанзе составляет 1% в последовательности ДНК.

Создание банков данных о последовательностях очень большого количества генов позволяет проводить система­тические исследования экспрессионных профилей разных РНК или продуктов генов внутри клетки. Это же дает воз­можность изучать их молекулярные взаимодействия и регуляторные отношения. В системной биологии эти цели достигаются автоматизированным и компьютерным спо­собом. Миниатюрные молекулярные датчики (мнкрочипы с большим набором разнообразных ДНК) используются для одновременного тестирования многих тысяч клеточных ви­дов РНК. Этим методом в реальном времени можно анали­зировать изменения экспрессии РНК при разных внешних условиях (таких, например, как стресс или фактор роста) для выяснения влияния этих факторов на экспрессию гена. Подобным же образом можно провести анализ общих про­филей клеточного белка или метаболита в разных условиях, чтобы посмотреть, как клетки реагируют на эти условия.