Каковы же причины, вызывающие вулканические процессы? Когда начались эти процессы на Земле? И, наконец, как удалось доказать, что вулканы не только разрушают всё во время извержения, но и имеют прямое отношение к проблемам предбиологической химии, а значит, и к проблеме происхождения жизни?
Постараемся ответить на эти вопросы.
Радиус нашей планеты равен приблизительно 6400 километрам. Земля состоит из трёх главных частей: ядра радиусом примерно 3500 километров, мантии, толщина которой составляет около 2900 километров, и тонкой коры, её толщина изменяется от 55 километров на континентах до 3 километров на некоторых участках океанического дна.
Этот чрезвычайно тонкий (по сравнению с мантией) слой состоит главным образом из вулканических продуктов и продуктов глубинной магматической деятельности. Масштабы проявления вулканизма и его роль в образовании коры огромны. Так, в Южной Бразилии в меловом периоде излились базальтовые лавы объёмом в полмиллиона кубических километров.
Строение Земли — предмет исследования многих учёных, и мы не имеем возможности подробно рассмотреть здесь этот вопрос. Для наших целей важно одно: вулканы выбрасывают огромное количество газов, жидкого и твёрдого 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 ещё 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 твёрдой, 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 учёных 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 даёт 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 озёрах, то совершенно ясно, что они могли их насытить органическими молекулами. И когда число этих молекул достигло некоторой критической концентрации, могли образовываться всё более сложные молекулы, давшие наконец толчок для появления первых живых систем.
Не нужно забывать ещё об одном проявлении вулканической деятельности. Речь идёт 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 посёлком 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 объём озера — миллион кубических метров, а производительность фумарол такая же, как производительность фумарольных полей Мутновского вулкана. (Я специально беру абсолютно реальные, ненадуманные цифры.) Простые расчёты показывают, что «всего» за десятки тысяч лет жизни такого озера в нём могли бы накопиться сотни тысяч тонн органических соединений. Вот где мог вариться первичный бульон: в вулканических озёрах 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. Расчёты показывают, что Луна удаляется от Земли приблизительно на один сантиметр в год. Тогда, миллиарды лет назад, Луна, находясь вблизи Земли, вызывала огромные напряжения в её коре за счёт так называемых приливных сил.
С обычными приливами в океанах, также вызываемыми движением Луны, мы хорошо знакомы. Однако чем ближе планета и её спутник, тем сильнее их взаимодействие. Вполне возможно, что в те далёкие даже по геологическим масштабам времена в земной коре могли образовываться большие трещины, которые способствовали ещё 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 удаётся. Некоторые геологи считают, что вообще вся земная кора — продукт деятельности вулканов.