Планеты и жизнь - Лев Мухин

Строение Земли — предмет исследования многих ученых, и мы не имеем возможности подробно рассмотреть здесь этот вопрос. Для наших целей важно одно: вулканы выбрасывают огромное количество газов, жидкого и твердого материала, и нам хотелось бы понять причины этого явления. Оговоримся сразу, что на сегодняшний день понять эти причины можно лишь в первом приближении. Как сказал Г. Макдоналд, не все оставшиеся пробелы в нашем познании относятся к Космосу. Причины и процессы образования магм (жидких расплавов мантии) раскрыты еще не до конца.

В самом общем виде можно представить себе следующую картину.

По-видимому, каждый вулкан связан с очагом магмы, находящимся на глубине порядка 60 километров.

Вообще говоря, мы должны считать мантию Земли твердой, нерасплавленной. Но верхняя мантия находится на самой границе температурной устойчивости. Если температура в верхней мантии повышается до точки плавления, развивается питающий очаг магмы. Это приводит к вулканическому извержению, если магма может излиться на поверхность Земли.

Повышение температуры отнюдь не единственная причина для плавления мантии. Локальное уменьшение давления также способно в принципе привести к появлению расплава. Видимо, не случайно некоторые вулканы располагаются в одну линию, что отражает их приуроченность к глубинным разломам. А эти разломы и есть зоны пониженного давления.

При любом извержении вулкан выбрасывает огромное количество газов. Каков же химический состав газовой фазы вулкана?

Основная составляющая — пары воды. На втором месте углекислота. Именно это обстоятельство привело ученых к мысли, что вулканы породили атмосферу и океан.

Действительно, средняя годовая производительность вулканов по воде — 100 миллионов тонн. Если мы умножим эту величину на время жизни Земли, то как раз получим массу всех океанов Земли.

Но здесь есть одно очень деликатное обстоятельство.

Геологи не знают, какая вода извергается вулканами.

Вода мантии Земли, и тогда эта идея правильна, или же вода самих океанов, которая в принципе может «подпитывать» очаги вулканов.

Поэтому, если говорить строго, сегодня мы не можем считать вулканизм единственным источником атмосферы и гидросферы. Тем не менее одно ясно. Вклад вулканов в образование атмосферы и Мирового океана велик.

Кроме воды и углекислоты, при извержении вулкан выбрасывает окись углерода, водород, метан, аммиак, азот, соляную и фтористоводородную кислоты, соединения серы и фосфора, металлы. Это обстоятельство и дает возможность предполагать, что вулканы являются огромными природными химическими реакторами.

Действительно, в жерле вулкана температура достигает тысячи — полутора тысяч градусов. И именно в этой высокотемпературной зоне проходят сотни химических реакций, многие из которых приводят к образованию предшественников органических молекул.

А если вулкан при этом находится под водой? Мало того, что число подводных вулканов существенно превышает число вулканов на суше (где их более 500), только под водой создаются наиболее благоприятные условия для синтеза и дальнейшего сохранения образовавшихся органических молекул.

Ведь в огне мало что может сохраниться. Необходимо как можно быстрее вывести продукты реакции из горячей зоны. В случае наземного извержения мощная струя газа рассеивает образовавшиеся органические молекулы на огромные пространства.

А под водой? Мощный слой воды толщиной нередко в несколько километров «поджимает» струю у жерла.

Концентрации продуктов резко увеличиваются. Сама струя становится меньше, а органические молекулы выносятся в «комфортные» условия, в воду, где и могут происходить дальнейшие реакции с их участием.

Если же вулканы в древности располагались в небольших внутренних морях или озерах, то совершенно ясно, что они могли их насытить органическими молекулами. И когда число этих молекул достигло некоторой критической концентрации, могли образовываться все более сложные молекулы, давшие наконец толчок для появления первых живых систем.

Не нужно забывать еще об одном проявлении вулканической деятельности. Речь идет о работе уже упоминавшихся гидротермальных систем, фумарол, гейзеров.

Их деятельность сравнима по производительности с деятельностью вулканов. Например, фумаролы Мутновского вулкана выбрасывают 200 килограммов водяного пара в секунду, а работают они непрерывно уже в течение тысяч лет Фумаролы, как мы уже говорили, извергают газы, необходимые для синтезов органических соединений: аммиак, метан, водород и ряд других.

Между Петропавловском-Камчатским и поселком Ключи есть вулкан Семячек. В кратере этого вулкана находится удивительно красивое, бирюзового цвета озеро На дне озера расположены фумаролы. Посмотрим, что могло бы дать такое озеро 4 миллиарда лет назад, если бы на его дне в течение десяти тысяч лет «работали» фумаролы и выделяли бы именно те газы, о которых мы уже упоминали.

Пусть объем озера — миллион кубических метров, а производительность фумарол такая же, как производительность фумарольных полей Мутновского вулкана.

(Я специально беру абсолютно реальные, ненадуманные цифры.) Простые расчеты показывают, что «всего» за десятки тысяч лет жизни такого озера в нем могли бы накопиться сотни тысяч тонн органических соединений Вот где мог вариться первичный бульон: в вулканических озерах и внутренних морях.

Палеогеологические данные неопровержимо говорят нам о том, что миллиарды лет назад вулканические процессы на поверхности Земли были выражены гораздо сильнее, чем сегодня. Почему? В частности, потому, что Луна тогда была гораздо ближе к Земле, чем сейчас.

Расчеты показывают, что Луна удаляется от Земли приблизительно на один сантиметр в год. Тогда, миллиарды лет назад, Луна, находясь вблизи Земли, вызывала огромные напряжения в ее коре за счет так называемых приливных сил.

С обычными приливами в океанах, также вызываемыми движением Луны, мы хорошо знакомы. Однако чем ближе планета и ее спутник, тем сильнее их взаимодействие Вполне возможно, что в те далекие даже по геологическим масштабам времена в земной коре могли образовываться большие трещины, которые способствовали еще более мощному проявлению вулканической деятельности.

То обстоятельство, что в ранние геологические эпохи вулканизм был сильнее, подтверждается наблюдениями в Западной Сибири и Южной Бразилии. В Западной Сибири огромные пространства покрыты лавами, как их называют геологи, траппами. Эти породы датируются временем в миллионы лет назад. Ничего подобного в наши дни наблюдать не удается. Некоторые геологи считают, что вообще вся земная кора — продукт деятельности вулканов.

Но как все-таки удалось экспериментально подтвердить предположение о том, что вулканы могут «генерировать» органику?

Здесь были сделаны две вещи.

Во-первых, мы «смоделировали» в лаборатории вулкан. Причем не просто вулкан, а целых два вулкана — наземный и подводный. Конечно, все полностью воссоздать не удалось. Но мы сделали самое главное: смоделировали состав газовой смеси и жерло вулкана с лавой. В качестве жерла нам служила толстостенная кварцевая трубка, заполненная вулканической лавой и помещенная в печку, которая нагревала эту трубку до тысячи с лишним градусов. А через трубку пропускали воду, метан и аммиак.

В случае нашего наземного лабораторного вулкана мы сразу анализировали продукты, выходящие из трубки, а в случае подводного направляли «извержение» в колбу с водой и потом уже анализировали эту воду.

Для анализа использовалась очень чувствительная аппаратура, которая могла обнаружить 0,00 000 000 001 грамма органических соединений. Такие приборы называются газовыми хроматографами и хроматомасс-спектрометрами.

В результате этих работ нам удалось доказать, что при вулканических извержениях должны образовываться и синильная кислота, и альдегиды, и аминокислоты.

Из синильной кислоты и альдегидов (вообще говоря, даже только из синильной кислоты) можно получить наиболее важные для биологии молекулы.

Но одно дело провести лабораторные опыты, а иное — попытаться обнаружить эти молекулы в районах действующего вулканизма. Именно для этой цели вместе со своим товарищем, заведующим лабораторией вулканохимии Института вулканологии В. Пономаревым я отправился на остров Атласова, самый северный остров Курильской гряды.

Остров этот необитаемый. Когда подплываешь к нему на корабле и еще не видишь берегов, кажется, что прямо из Охотского моря вырастает огромный ослепительно белый снежный конус. Это вулкан Алаид.

В 1972 году он взорвался боковым извержением, у подножия вулкана вырос новый конус, и огромный-поток лавы, напоминающий издали доисторическое чудовище, сполз в море. Спустя год из трещин на вершине конуса еще шел горячий газ. Именно этот газ мы и хотели проанализировать на месте.