Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Шотландец Чарлз Лайель (1797–1875) учился в Оксфорде. Его книга «Основы геологии» (в трех томах, изданных в 1830–1833 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. Теперь-то 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.

Третьим способом оценки возраста Земли стало физическое определение возраста. В 1862 году Уильям Томсон, известный также как лорд Кельвин, пересмотрел оценку графа Бюффона и вычислил, сколько времени потребуется земному шару, чтобы остыть от температуры 1000 °C до 15 °C. 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 10 000 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 100 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 100 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.

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 говорили физики и биологи, и возрастом в сотни миллионов лет, определенным геологами.

Все эти оценки возрастов были кардинально пересмотрены после создания методов радиохронологии. Эрнест Резерфорд (открывший атомное ядро, см. главу 16) и Фредерик Содди в 1902 году измерили, сколько тепла дает радиоактивное излучение, то есть сколько энергии выделяется из одного грамма радиоактивного вещества. 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 из-за 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 как-то шел по университету с камнем в руке. Он столкнулся с геологом и спросил его: «Адамс, сколько лет Земле?» Тот ответил, что, по измерениям разными методами, около 100 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.

Таблица 29.1. Изотопы, используемые при датировке минералов.

Как пример методов радиохронологии рассмотрим изотоп калия с атомным весом 40 единиц (4°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 аргон-40 и калий-40 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 калия-40). Измерив в образце отношение аргона-40 и калия-40, мы определим его возраст.

Есть еще один интересный пример. Рассмотрим кристаллический минерал циркон из элемента цирконий (Zr). Кристалл циркона чрезвычайно устойчив: он выживает в условиях выветривания и даже при частичном плавлении пород в земной мантии. Самая распространенная форма циркона ZrSi04. При кристаллизации обычно возникает небольшая примесь, в результате которой менее чем в 1 % случаев атомы циркония замещаются атомами урана (USiO4) или тория ThSiO4). Это возможно потому, что ядра U и Th по размеру такие же, как ядра Zr. С другой стороны, свинец (Pb) 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 U и Th испытывают радиоактивный распад. Атомы 235U распадаются на 207Pb с временем полураспада 703,8 млн лет, а 238U распадается на 206Pb с временем полураспада 4,468 млрд лет. Теперь мы можем оценить возраст кристалла циркона, просто подсчитав, сколько атомов 235U превратилось в 207Pb и сколько — в 206Pb. Если половина 238U превратилась в 206Pb, то возраст кристалла равен времени полураспада, в нашем случае 4,468 млрд лет. Возраст может быть определен и у других минералов, содержащих уран. На практике оценку возраста лучше делать построением изохрон, линий одного и того же возраста, вычислив Зависимость отношения 206Pb/238U к отношению 207Pb/235U. Чтобы быть уверенным, что внешнее загрязнение U и Pb не повлияло на результат.