На суше и на море 1979(19)

ВУЛКАНЫ И ЖИЗНЬ

Вулкан грохотал, разойдясь во всю прыть.
А в туче пепла над ним
Когда-то впервые возникла нить,
Ведущая к мыслям моим.
Была эта нить сначала тонка,
Но жизнь началась с нее.
Была эта нить предтечей белка,
В ней было начало мое.

Есть три проблемы, где соприкасаются наука о вулканах — вулканология и наука о жизни — биология. Первая проблема — роль вулканических процессов в формировании среды обитания живых организмов — биосферы. Вторая — возникновение и первоначальная эволюция преджизни, то есть биологически важных соединений, из которых со временем могли образоваться первые живые организмы. Наконец, третья проблема — вулканы и живые организмы.

Именно благодаря вулканизму в течение геологической истории появились внешние оболочки Земли — кора, гидросфера и атмосфера, то есть среда, где обитают живые организмы. Есть основание полагать, что вулканические процессы имеют большое значение в образовании внешних оболочек не только Земли, но и других планет.

На Земле около 800 действующих вулканов. Их общая средняя «производительность» не менее 3 млрд. т извергаемого вещества в год. Вещество это извергается из недр планеты в расплавленном состоянии с температурой, обычно превышающей 1000°С, и представляет собой в основном так называемый пирокластический (в буквальном переводе с греческого «огненнообло-мочный») материал: вулканические пеп-лы, шлаки, «бомбы». Сравнительно небольшая часть извергаемого материала приходится на лавовые потоки и лавовые купола. На поверхности Земли вулканические продукты вступают в круговорот геологических процессов, претерпевают глубокие изменения и служат исходным материалом для образования различных горных пород. Большинство геологов убеждено в том, что вулканизм в геологическом прошлом был более интенсивным, чем сейчас. Но даже если исходить из того, что его интенсивность была в среднем равна современной и составляла 3 млрд. т извергаемого материала в год, то окажется, что в течение всей геологической истории Земли, насчитывающей 4,5 млрд. лет, из недр Земли на ее поверхность должно было быть вынесено 13,5 * 10 т вулканических продуктов. Эта цифра близка к массе земной коры всех континентов, вместе взятых. Если при этом учесть, что дно океанов сложено в основном вулканической породой — базальтом, а горы на дне океанов — это современные или древние вулканы, то можно прийти к такому выводу: в течение геологической истории Земли ее внешняя каменная оболочка — кора — постепенно сформировалась из вулканических продуктов. Но вулканы выносят на поверхность Земли не только раскаленный каменный силикатный материал, но и газы. Вулканический взрыв представляет собой мгновенное расширение магматического газа, вырвавшегося из земных недр, где он находился под большим давлением. Определив энергию взрыва, можно установить количество газа, высвобождающегося из магмы в процессе взрыва. Расчеты показывают, что в среднем оно составляет 3-4% от веса извергаемого раскаленного пирокластического материала. Магматический газ — это прежде всего водяной пар. Но он содержит все компоненты, составляющие гидросферу и атмосферу нашей планеты. В течение геологической истории Земли из недр поступило столько летучих компонентов, что их вполне хватило бы для того, чтобы постепенно сформировать гидросферу и атмосферу планеты. Вся геохимическая эволюция внешних оболочек Земли — литосферы, гидросферы и атмосферы, — как и возникновение жизни, есть в конечном счете преобразование вулканических продуктов. Особенно сложную эволюцию претерпели за время геологической истории вулканические газы — от содержащих углерод компонентов через различного рода углеродистые соединения до органической основы жизни и от вулканических паров через морскую воду до крови, циркулирующей в сосудах высокоорганизованных живых существ.

Многие научные исследования посвящены абиогенному синтезу предбиологических систем в лабораториях. В этих экспериментах ученые получали биологически важные соединения, пропуская через смесь водяного пара, водорода, аммиака и метана электрические разряды или прогоняя ту же смесь газов через раскаленный (с температурой 1000°С) песок. А что представляет собой пеплово-газовый вулканический столб во время извержения? В нем содержатся все необходимые для образования предбиологических систем газовые компоненты: водяной пар, водород, аммиак, углеводороды, окись и двуокись углерода. В эту смесь входят также соединения серы и галоидные соединения. Газ составляет несколько весовых процентов от взвешенных в нем пепловых частиц. Последние — это вулканическое стекло и кристаллики минералов. Так как они обычно мелки, их общая суммарная поверхность колоссальна. Так, например, у пешюв, извергнутых в 1975 — 1976 гг. вулканом Толбачик на Камчатке, она составила около 100 000 000 км . Такая поверхность может служить ареной для реакций между газовыми компонентами, а минеральные частицы — катализаторами этих реакций.

Взрывающаяся магма имеет температуру более 1000°С. Такая же температура у пепловых частиц в момент их образования. Однако из этой температурной зоны они удаляются со скоростью сотен метров в секунду. Так как пепловые частицы мелки, они очень быстро приобретают температуру окружающей среды. Поэтому сохраняются образовавшиеся на них биологически важные соединения.

Давление газа в момент взрыва обычно равно сотням атмосфер. В пеплово-газовом столбе оно быстро падает до атмосферного. Этот перепад давлений и служит причиной быстрого движения пепловых частиц и газа в пеплово-газовом столбе.

Взаимное трение и столкновение частиц пепла приводит к его электризации. В пеплово-газовой туче возникают электрические разряды, молнии. Длина их достигает нескольких километров.

При извержении вулкана Тятя на Курильских островах в 1973 г. общее число подобных разрядов измерялось миллионами и десятками миллионов. Объем газа и взвешенного в нем пеплового материала, оказавшегося в каналах молний во время извержений, составляет сотни миллионов кубических метров.

Возможно, немалую роль в синтезе сложных органических соединений в вулканическом процессе играют ударные волны. Пеплово-газовые тучи — это по существу многокилометровые мощные природные химические реакторы, в которых образуются сложные органические соединения, в том числе биологически важные.

Это — теоретический вывод. Изучение продуктов извержений вулканов Тятя и Толбачик дало возможность проверить его. Извержение Тяти началось 14 июля 1973 г. и продолжалось с почти неизменной интенсивностью две недели. Все это время над новым кратером на высоту в несколько километров поднимался пеплово-газовый столб. Основная масса изверженного материала — тонкий вулканический пепел. Он покрыл площадь около 20 000 км . Масса его составила приблизительно 200 млн. т.

Извержение Толбачика началось 6 июля 1975 г. и продолжалось почти полтора года. С июля по сентябрь 1975 г. последовательно образовалось несколько шлаковых конусов. Мощный пешю-шлако-газовый столб выбрасывал крупные бомбы на высоту до 2 — 2,5 км. Общее количество изверженного материала около 2 км . Во время извержений обоих вулканов было взято несколько сотен проб пешюв, шлаков и бомб. Некоторые пробы отбирали еще горячими. Анализы показали, что в них содержатся абиогенные органические соединения, в том числе аминокислоты, нуклеотиды и сложные углеводороды.

Образование в ходе вулканического процесса сложных органических соединений, в том числе аминокислот и азотсодержащей части нуклеотидов — важнейших составляющих живого вещества, означает, что само вулканическое извержение можно считать первым шагом от неживой материи к живой. Отсюда следует, что фундаментальная биологическая проблема возникновения жизни требует специальных биовулканологических исследований.

Возникновение предбиологических систем, биологически важных соединений и первые этапы их эволюции, оказывается, самым тесным образом связаны с механизмом вулканических извержений, с протекающими при этом физическими и химическими процессами. Для изучения процесса возникновения природных предбиологических систем нужно исследовать состав вулканических газов, содержащих исходные компоненты для синтеза биологически важных соединений, а также изучить азот-, кислород-, фосфор- и серосодержащие соединения, сорбционные и каталитические свойства силикатных вулканических продуктов — пеплов, шлаков, пемз, «бомб», лавы.

Большой интерес представляет изучение жизни микроорганизмов в экстремальных условиях на действующих вулканах, в горячих источниках и в сольфатарах. Среди таких организмов могут оказаться еще не известные науке, самые древние на Земле.

Микроорганизмы проделывают большую геохимическую работу, перенося и переоткладывая в районах активного вулканизма серу, железо, марганец и другие элементы. Взаимодействие живого вещества с вулканическими пеплами ведет к разложению силикатного вещества пеплов и к образованию почв.

Именно так они и возникли на Земле. Для областей современного вулканизма, например Камчатки и Курильских островов, немалое практическое значение имеют и такие проблемы, как вулканы и растительность, вулканы и рыбы, вулканы и птицы, вулканы и звери...

Наконец, нужно отметить и медицинские аспекты, которые касаются влияния вулканических процессов и продуктов на здоровье человека и окружающую его среду.

Итак, возникновение биовулканологии — новой ветви науки на грани биологии и вулканологии — теперь уже можно считать свершившимся фактом. Он свидетельствует о всевозрастающем интересе к фундаментальным проблемам возникновения и развития жизни.

Евгений Мархинин