Среди всех планет нашей Солнечной системы Земля отличается особенностями, наиболее благоприятными для развития жизни. Эти особенности определяют изменения ее поверхности или геологические процессы.
Размеры планеты — ее масса, достаточно велики, чтобы собственным тяготением удержать вокруг себя толстую атмосферу из легких газов, которые в другом случае улетели бы в межзвездное пространство. Расстояние Земли от Солнца достаточно близко, чтобы ее поверхность получала большое количество тепла и в то же время настолько велико, что солнечные лучи не перегревают планеты, давая возможность водяным парам конденсироваться в водяную оболочку — гидросферу. Более близкие к Солнцу планеты Меркурий и Венера перегреты, более далекие — заморожены.
После охлаждения Земли, как только на ней образовалась постоянная твердая кора и водяные пары выпали из атмосферы, создав Мировой океан, на нашей планете установились условия, благоприятные для формирования осадочных пород и развития жизни. Появление жизни на Земле не случайно — климатические условия и обилие воды создали среду, в которой могли возникать и быть устойчивыми сложнейшие молекулы типа белковых соединений, впоследствии давшие живые организмы.
Атмосфера Земли служит тепловой изоляцией, предохраняя поверхность планеты от резких охлаждений и перегревов, подобно толстой шубе, а также является надежной защитой против разрушительных излучений Солнца (ультрафиолетовых и рентгеновских лучей) и космоса.
До того времени, когда на Земле появилась твердая и устойчивая земная кора, поверхности Земли, в том смысле, как мы ее понимаем сейчас, не существовало. Под воздействием силы тяжести химические соединения и элементы различного удельного веса располагались концентрическими оболочками: более тяжелые — в центральных частях, легкие — в периферической области. Все это окутывалось обширной атмосферой из газов и паров легкоплавких элементов. Переходы между отдельными оболочками были незаметны — постоянно происходили сложные химические реакции, тепловые токи и перемещения. Вполне понятно, что в таких условиях не могло быть каких-либо устойчивых, долговременных образований, способных сохраниться до нашего времени.
Этот период истории Земли может быть сравнен с доисторическим периодом жизни человечества — не существовало никаких достоверных документов и записей, могущих служить надежным источником для исследователя.
Исследования этого периода выполняются методами физико-химии. Астрофизика, геофизика, геохимия — вот те науки, которые могут пролить свет на историю этого, наиболее древнего времени существования Земли. Геология не имеет на руках фактов, документов, чтобы своими методами осветить раннюю историю нашей планеты.
Дальнейшее охлаждение Земли, распределение составляющих ее химических элементов и прекращение бурных физико-хнмичееких реакций привели к образованию твердой, устойчивой земной коры. Едва только земная кора твердым панцирем навеки одела планету и образовала постоянную поверхность между газовой оболочкой и твердыми химическими веществами, как водяные пары покрыли кору водами Мирового океана.
Само собой разумеется, что мы не должны представлять себе земную кору каким-то внезапно возникшим и сразу ставшим устойчивым образованием. Это был очень длительный процесс возникновения отдельных затвердевших участков, которые становились все больше, местами неоднократно распадались или расплавлялись.
Даже после выпадения воды, безусловно, имели место случаи нарушения твердой земной оболочки в различных местах. Для нас важен момент окончательного становления земной поверхности — появление постоянной твердой поверхности планеты и образование океана. С этого момента и начинается геологическая история Земли, а многие миллионы лет спустя — и история жизни.
Момент, когда на земной поверхности появилось в результате очень длительных химических процессов живое вещество, мы можем считать начальным этапом эволюции — великой и непрерывной цепи развития живых существ, приведшей в конце концов к появлению мыслящего существа — человека.
Мы не можем точно датировать время появления жизни на Земле. Во всяком случае это произошло не менее 2 миллиардов лет назад.
За протекший до наших дней громадный промежуток времени поверхность Земли претерпевала бесконечные изменения. Колебательные движения земной коры то выдвигали новые материки, то погружали сушу на дно моря. На материках вздымались огромные горные цепи, увенчанные вечными снегами и ледниками. Вода, ветер и Солнце разрушали эти горы, выравнивая земную поверхность. Реки сносили в моря и материковые впадины огромные количества горных пород: глины, песка, извести. Новые движения земной коры создавали горные хребты, в конце концов тоже размывавшиеся и ложившиеся в размельченном состоянии в виде слоистых пород, осажденных в воде, или, как говорят геологи, осадочных горных пород.
Осадочные породы в отличие от изверженных всегда залегают слоями определенной толщины. Каждый слой соответствует какому-либо отреэку геологического времени, в течение которого он отлагался.
Таким образом, колоссальные массы осадочных пород, накопившиеся на Земле с древнейших времен, соответствуют как бы стопе листов гигантской книги, постепенно накладывавшихся один на другой. Каждый такой слой хранит в себе некоторые особенности, отличающие его от других подобных. По форме и распределению зерен отдельных минералов, по содержанию различных химических веществ, по сложению и окраске мы можем проследить весьма тонкие различия между породами. Эти различия являются отражением тех физико-географических условий, тех механических и химических процессов, которые имели место во время отложения данного слоя породы. Прослеживая эти особенности, мы можем составить представления о ходе геологических процессов в чрезвычайно древние периоды существования Земли.
Условия образования осадочных пород, отраженные в особенностях их строения и химического состава, и есть те письмена, на слоях-листах великой книги природы, по которым мы можем читать историю нашей планеты. Эта задача выполняется исторической геологией при помощи литологии — науки, специально занимающейся изучением осадочных пород.
Но история поверхности нашей планеты неотделима от истории развития жизни на Земле. Как только жизнь в своем развитии достигла того уровня, при котором вместо бесформенных комочков живого вещества возникли независимо действующие и сложные организмы, она повсеместно распространилась. Вся великая постепенная эволюция жизни теснейшим образом связана с эволюцией земной поверхности, с постоянными изменениями лика Земли.
Представим себе, что в силу каких-либо особенных условий земная кора, отвердев, застыла бы навсегда в виде сравнительно ровной поверхности. Тогда общее количество воды, имеющееся на поверхности, распределилось бы равномерно, покрыв всю Землю слоем в два с лишним километра и образовав единый Мировой океан без малейшего участка суши. В таких условиях никогда бы не было наземной жизни, не могли бы появиться дышащие воздухом животные и наземные растения. Вся эволюция жизни приняла бы существенно иной характер.
Но в истории Земли движения земной коры, поднимавшие материки и углублявшие моря, вместе с тем создавали большое разнообразие физико-географических условий. Высокие горы с вечными снегами дают воду даже пустыням, плоскогорья имеют сухой климат даже среди влажных климатических областей. Форма поверхности как материка, так и дна моря, или, как говорят ученые, рельеф земной поверхности, создает самые разнообразные условия для живых существ, обитающих в данной области. Но поверхность Земли, ее рельеф бесконечно изменялись в геологических процессах. Вместе с тем изменялись и физико-географические условия для живых существ.
Если бы мы могли записать изменения Земли на кинопленку и пустить ее с огромной скоростью, мы увидели бы, как пробегали, сменяясь, материки, моря, пустыни, горы, озера, болота, соленые лагуны и могучие реки. Эти великие перемены помогали жизни эволюционировать, развиваться, толкали ее на путь бесконечно долгих и непрерывных изменений.
Вот почему мы говорим, что история жизни неотделима от истории Земли.
Осадочные породы почти всегда сохраняют в себе остатки тех животных или растений, которые жили на Земле в то время, когда образовался данный слой или пласт породы. Следовательно, слои содержат в себе документы истории жизни — сохранившиеся отпечатки, окаменелые остатки, раковины или кости. Расшифровкой этих письмен путем изучения ископаемых органических остатков занимается другая наука — палеонтология.
Очень распространены представления о том, что остатки вымерших ископаемых животных и растений представляют большую редкость. Это утверждение, почему-то сохранившееся со времени первых шагов геологии, нужно считать неправильным. Знаменитые песчаники на берегах Северной Двины содержат целые скелеты громадных ящеров с очень толстыми костями; в известняках Подмосковья множество морских раковин, зубов древних акул и скоплений кораллов; крутые красивые скалы Крыма состоят из остатков мелких морских животных. Почти на каждом шагу, в каждом обрыве, состоящем из древних песчаников, глин, известняков, мы наталкиваемся на окаменелые остатки древней жизни. Современная наука отводит большую роль образованиям органического происхождения в составе осадочных пород земной коры. В народном хозяйстве скопления органических остатков минувших геологических эпох имеют гигантское значение. На обширной территории Советского Союза мы имеем миллиарды тонн каменного угля в Донбассе, Кузбассе, Подмосковье, на Урале, Сибири, Дальнем Востоке. Огромные количества нефти, газа, горючих сланцев, фосфоритов — также продукты превращения колоссальных скоплений органического вещества.
Значительную часть всех осадочных пород составляют такие породы, которые возникли в результате жизнедеятельности различных организмов. Целые горные хребты заполнены раковинными или коралловыми известняками, напластованиями известняков, мела, кремнистых н других сланцев нередко в несколько километров толщины, а зачастую и остатками скорлупок мельчайших морских животных.
Равным образом многие важнейшие в экономическом отношении месторождения марганцевых и железных руд возникли в результате деятельности бактерий в прошлые геологические эпохи.
Действительно, редко встречаются остатки наземных животных, но подчас и они образуют большие скопления. На территории Казахстана, Киргизии и Узбекистана встречаются огромные скопления костей вымерших исполинских ящеров-динозавров. Для примера, одно из них, расположенное в низовьях р. Чу, достигает 40 км в длину при ширине от 5 до 10 км. Здесь нагромождены миллионы тонн окаменелых костей.
В северных районах европейской части Союза среди триасовых пестроцветных пород находится тонкий прослой песчаника, содержащего множество костей древнейших земноводных — стегоцефалов. Площадь распространения этого пласта захватывает тысячи квадратных километров, и количество погребенных в нем костей неисчислимо.
Значение ископаемых органических остатков очень велико и не только для изучения истории самой жизни, но и для исследования развития нашей планеты в смене геологических эпох.
Сравнивая ископаемые остатки, встреченные в различных слоях, мы можем установить относительную древность тех или других отложений, выяснить их геологический возраст и восстановить последовательность найденных страниц летописи. С другой стороны, по облику животных и растений, встречаемых в осадочных породах, мы можем судить об образе их жизни и тем самым восстановить те физико-географические, зачастую и химические, условия, в которых происходило отложение данных пород.
Окаменелые кораллы говорят нам о бывших теплых, тропических морях; превращенные в камень стволы деревьев, сохранившие еще годовые слои, свидетельствуют о смене зим и лет, то есть об умеренном климате; отпечатки колючих растений, — о древних, исчезнувших степях и пустынях... Примеров, подобных этим, можно привести бесчисленное количество.
Такова в общих чертах сущность геологической летописи и общий характер документации истории поверхности Земли. Очевидно, что в идеальном случае непрерывной последовательности напластований осадочных пород в каких-либо областях земного шара мы имели бы полную книгу истории Земли. Все страницы этой книги были бы сложены в последовательном порядке и, так сказать, пронумерованы теми ископаемыми остатками, которые сохранились бы в пластах. Проследить историю Земли и жизни в этом случае было бы сравнительно нетрудным делом.
На самом деле такой геологической документации в действительности не существует и существовать не может. Мы говорили уже о беспрерывных изменениях, которым подвергалась поверхность Земли в течение невообразимо долгих промежутков геологического времени. В этих изменениях накапливавшиеся в морских впадинах слои, состоящие из продуктов размыва материков и гор, в результате движений земной коры смыкались в складки и, выдвигаясь вверх, сами становились горами. Другие области накопления осадочных пород погружались в глубокие зоны земной коры, где под воздействием высокой температуры и колоссального давления полностью изменяли свой прежний облик, перекристаллизовывались, метаморфизовались (метаморфоз по-гречески — превращение). Новые движения земной коры выдвигали их опять на поверхность, в то время как другие породы, отложившиеся на материках, погружались на морское дно. Выдвинутые наверх и образовавшие сушу или горные цепи породы энергично размывались, разрушались и входили в состав новых осадков более позднего времени. В образовавшиеся разломы и трещины земной коры внедрялись расплавленные глубинные породы, образуя большие массивы, жилы или пластообразные излияния, изменяя окружающие породы действием своей температуры и химических испарений.
Эти движения земной коры, или тектонические движения, изучаются особым отделом геологии, называемым геотектоникой. Тектонические движения отражают физико-химические реакции в глубинах земли и вечную перетасовку листов геологической летописи на земной поверхности.
Нельзя забывать, что все современные материалы, на которых мы изучаем геологическую летопись, составляют лишь 29% изучаемой поверхности. Остальные 71% скрыты под водами морей и океанов. Равным образом современные материки, в смысле своего геологического строения, представляют собой мозаику из разновременных и разнокачественных геологических отложений. В их состав входят обломки древних материков наиболее ранних эпох существования твердой земной коры, уплотненные, смытые в складки отложения древних морских впадин, пронизанные изверженными породами. Эти древние породы прикрыты более поздними отложениями, часть которых размыта и снесена в океан, а другая часть опущена во впадины и покрыта толщей новейших рыхлых отложений.
На геологических картах породы разных периодов истории Земли обозначаются различными красками. Какой пестрый и сложный узор представляют собой сочетания различных формаций горных пород! Такова эта великая книга в действительности.
Исполинские силы, изменяющие нашу Землю, разброшюровали книгу, уничтожили целые пачки ее листов, смяли и оборвали другие, спрятали под водой значительную часть.
В этом виде чтение нашей книги очень затруднено. Но могучий ум человека в своем неуклонном стремлении к познанию природы не останавливается перед, казалось бы, непосильной задачей, медленно, но верно продвигаясь вперед в восстановлении истории Земли и жизни.