Основным документом, при помощи которого исследуют историю Земли, служит горная порода.
Самые древние свидетельства, имеющиеся в нашем распоряжении, относятся к архейскому времени. Они-то и являются для историка Земли исходными, но очевидно, что хотя многие из древних пород (например, уранинит из Манитобы) образовались около 2 млрд. лет назад, их вовсе нельзя рассматривать как действительное начало геологической летописи. Восстанавливать это начало приходится косвенными способами.
Две коренные проблемы нуждаются в освещении: происхождение Земли и возникновение на ней жизни. Поколения учёных трудились над этими вопросами, но лишь советской науке, вооружённой методом диалектического материализма, оказалось под силу разгадать в общей форме обе мировые загадки.
Наиболее достоверную теорию происхождения планет солнечной системы разработал О. Ю. Шмидт. Теория исходит из факта вращения Галактики и наличия в её центральной плоскости тёмных облаков космической пыли и газа. Солнце, участвуя в галактическом вращении, захватило и увлекло за собой часть такого облака. Возможно также, что Солнце само возникло из подобного облака и захватило вещество из собственной материнской среды. Но в обоих случаях оно оказалось внутри обширного роя твёрдых частиц, двигавшихся вокруг него под влиянием притяжения по эллиптическим орбитам. Пылинки, твёрдые тельца, сталкиваясь в неупругих ударах, теряли часть своей кинетической энергии (она превращалась в теплоту, излучаемую в пространство), что привело сначала к уплотнению роя, а при достижении последним некоторой критической плотности — к образованию сгущений, которые, неоднократно дробясь и снова объединяясь, в конце концов сложились в планеты.
Вблизи Солнца захваченное облако быстро редело: одни его частицы падали на Солнце, другие оттеснялись лучевым давлением к внешней зоне системы; летучие компоненты твёрдых телец испарялись под действием солнечного нагрева. Оттого вблизи Солнца образовались плотные, но сравнительно небольшие планеты, а вдали от него, где такого обеднения исходного материала не было и сохранились газы в твёрдых частицах, возникли планеты большие, но гораздо менее плотные. Этим и объясняется характерное деление планет на внутренние (Меркурий, Венера,. Земля, Марс), обладающие малыми размерами, высокой плотностью, медленным вращением вокруг оси и ограниченным числом (или отсутствием) спутников, и внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), отличающиеся крупными размерами, малой плотностью, быстрым вращением на оси и большим числом спутников. На самой далёкой окраине облака, где материнский рой сходил на нет, из его остатков возник маленький Плутон (и, возможно, ещё несколько небольших планет, пока не открытых).
Частицы, захваченные Солнцем, могли первоначально двигаться в различных плоскостях, но всё же большинство орбит должно было совпадать с какой-то преобладающей плоскостью. В отношении преобладающей плоскости частицы могли сначала двигаться как в прямом, так и в обратном направлении, но, вследствие неравномерного распределения плотности роя, и здесь одно из направлений должно было стать господствующим. Наконец, эллиптические орбиты частиц могли вначале иметь различно ориентированные оси; однако, взаимодействуя при сближении, тельца взаимно возмущали свои орбиты, что и привело к равномерному распределению осей, т. е. придало орбитам круговую (или очень близкую к ней) форму. Так осреднением динамических и физических характеристик пылинок при слипании их в более крупные тела объясняет теория О. Ю. Шмидта тот факт, что все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении и имеют почти одинаковые круговые орбиты, лежащие почти в одной плоскости.
Ни одна из многочисленных прежних гипотез не могла объяснить, свойственное солнечной системе распределение момента количества движения: Солнце, обладающее 99% общей массы системы, содержит только 2% момента количества движения, тогда как планеты со своей ничтожной суммарной массой имеют вместе 98% момента количества движения. Момент количества движения есть произведение массы тела на его скорость и на его расстояние от центра вращения. В системе тел момент количества движения есть сумма моментов отдельных тел. Теория Шмидта полностью решает вопрос. Пылевая материя могла быть захвачена Солнцем как на близком, так и на далёком расстоянии. В последнем случае она будет обладать очень большим моментом количества движения. При сложении частиц в планеты этот момент сохраняется.
Наконец, теория впервые научно обосновывает закон планетных расстояний, установленный давно чисто эмпирически, но до последнего времени не поддававшийся истолкованию, и предвычисляет, что расстояния планет от Солнца (в астрономических единицах) должны быть такие: Меркурия 0,39, Венеры 0,67, Земли 1,04, Марса 1,49, Юпитера 5,20, Сатурна 10,76, Урана 18,32, Нептуна 27,88 и Плутона 39,44. Сравнение с действительными расстояниями обнаруживает прекрасное совпадение.
Образование планетных систем в недрах нашей и других галактик закономерно и неизбежно, так как облаков тёмной материи во вселенной много, и звёзды либо возникают из этих скоплений, либо встречаются с ними при своём движении. Мы не видим других планетных систем только потому, что современные астрономические средства наблюдения не позволяют этого.
Из теории О. Ю. Шмидта вытекает, что Земля возникла как холодное тело, так как частицы породившего её роя, вследствие равновесия между поглощением ими солнечного тепла и его обратным излучением в пространство, имели температуру около +4°. Нынешнее тепло внутри Земли — результат последующего разогрева под действием распада радиоактивных веществ. Земля создавалась путём беспорядочного накопления частиц самого различного удельного веса. По достижении планетой определённых размеров началась в вязкой среде гравитационная дифференциация: более плотные вещества очень медленно стали опускаться к центру Земли, более лёгкие всплывать кверху, увлекая с собой и геохимически связанные с ними некоторые тяжёлые минералы (в том числе радиоактивные, чем и объясняется современная концентрация последних в наружных слоях). Этот процесс вряд ли закончился, и дифференциация, сопровождаемая выделением не меньшего количества энергии, чем радиоактивный распад (порядка 6 Х 1027 эргов, или 1020 калорий в год), всё ещё играет роль мощного механизма вертикальных перемещений масс в земных недрах.
На определённом этапе (когда масса Земли стала значительной) образовалась атмосфера. Газы были и в захваченном Солнцем пылевом облаке, но всё же в основном первичная атмосфера образовалась в результате «выжимания» газов из недр планеты. Источник земной атмосферы — сама Земля. Древнейшая атмосфера отличалась от нынешней тем, что в ней отсутствовали свободный азот и кислород, но было много паров воды, аммиака и углекислого газа.
Возникновение источников внутренней энергии — радиоактивного распада и гравитационной дифференциации — положило начало тектонической деятельности Земли, — поднятиям и опусканиям обширных участков холодной земной поверхности и процессам вулканизма; появились изверженные породы. Во впадинах литосферы скопилась вода, — обозначилось разделение суши и моря. Под действием воды, воздуха и солнечной радиации начались процессы выветривания, переноса обломочного материала и образования первых осадочных пород.
Неизвестно, когда занялась над пустынной Землёй заря жизни, но произошло это наверное до архея. В самих архейских толщах достоверных остатков организмов нет, однако имеются известковые и углистые породы, возникновение которых чаще всего связано с деятельностью и гибелью животных и растений. Кроме того, организмы, найденные в протерозое, отличаются сложным устройством и обязательно должны были иметь предков, гораздо проще устроенных; если предки эти жили в архее, то жизнь должна была появиться ещё раньше.
Жизнь в тех формах, в каких мы её знаем, возможна лишь на планетах и притом в совершенно определённых условиях. Существование её где-нибудь на раскалённых телах (звёздах) или в межзвёздном пространстве невероятно: в первом случае мешают высокие температуры, во втором случае немыслим обмен веществ. Но и не на всех планетах имеется необходимая для жизни обстановка: одни из них, расположенные близко к звезде, слишком горячи, другие, лежащие далеко от звезды, слишком холодны; одни планеты потеряли атмосферу, у других она состоит из ядовитых газов. Единственно на твёрдой поверхности, в присутствии воды и воздуха благоприятного состава и при наличии надлежащего температурного режима, могут появиться первые комки протоплазмы. В солнечной системе жизнь имеется в расцвете на Земле, в стадии угасания на Марсе и в стадии зарождения на Венере. Несмотря на указанные ограничения условий для жизни, живое в мире не может быть исключительным явлением, свойственным только окрестностям нашего Солнца: даже если в каждой галактике есть хотя бы только одна планета, заселённая организмами, число таких очагов жизни в бесконечной Вселенной не поддаётся исчислению.
Живое вещество — особая стадия развития неорганической материи. Жизнь действительно возникла, а не существовала вечно, как это утверждают некоторые авторы. Идея о вечности жизни, т. е. об изначальном бытии (наряду с простой, неорганизованной материей) таких сложных образований, к каким относятся даже простейшие белковые молекулы, отрицает развитие материи, т. е. направлена вразрез с истиной, научно обоснованной и доказанной.
Открытие общих путей происхождения жизни на Земле принадлежит советскому учёному А. И. Опарину.
Теория А. И. Опарина опирается на факты широкого распространения во вселенной углерода (основного элемента, из которого построены органические вещества) и высокую способность атомов углерода соединяться друг с другом или с атомами других элементов. В разных видах и соединениях углерод обнаружен в звёздах, на планетах и в метеоритах, — в последних либо самородный (графит, алмаз), либо в форме карбидов (соединений с металлами) и углеводородов. Нет оснований отрицать присутствие углерода и в частицах пылевой материи, из которых образовалась Земля; в ныне существующих в Галактике газо-пылевых туманностях недавно установлено наличие водорода, метана, аммиака и воды (льда). Стало быть, углерод и его простейшие соединения в виде углеводородов вошли в состав нашей планеты в первые же дни её рождения.
История углерода на Земле — это сначала история бесчисленного количества химических реакций и дальнейшего взаимодействия углеводородов с парами воды и аммиаком. В результате возникали новые, более сложные вещества, построенные уже из углерода, кислорода, водорода и азота, способные к новым реакциям между собой и с окружающей средой в первичных морях и лагунах, куда они попали из атмосферы. В хаосе этих реакций наметился, в конце концов, путь образования и накопления всё более сложных высокомолекулярных соединений, в том числе и подобных белкам.
В смешанном растворе белковых веществ молекулы разных белков собираются обычно в небольшие агрегаты, имеющие вид капель, плавающих в воде, — явление это называется коацервацией. И если первичные, более простые органические соединения были равномерно рассеяны в воде и от последней не обособлены, то после возникновения белковоподобных соединений произошёл знаменательный скачок: началось обособление коацерватных капель, т. е. противопоставление белковоподобных соединений окружающей их среде. Коацерватная капля — это уже нечто индивидуальное, обладающее своей, хотя ещё и нестойкой, структурой; каждая легко притягивает частицы извне, поглощает их, вступает с ними в химические соединения, которые могут и остаться в капле, следовательно — повести её к росту и внутренней химической перестройке либо к распаду. Если синтез в капле при данных условиях внешней среды идёт быстрее распада — капля становится динамически устойчивой, если распад быстрее синтеза — она разрушается. В коацерватных каплях природа как бы делает первые опыты обмена веществ. Только динамически устойчивые капли (что зависело от их индивидуальных особенностей) могли длительно существовать, расти и «размножаться» делением, а такими могли стать лишь те немногие, качества которых непрерывно изменялись в совершенно определённую сторону, обеспечивающую постоянное самовосстановление всей капли в целом. Возникновение капли с внутренне организованной последовательностью химических реакций, т. е. капли динамически весьма устойчивой и способной к самовоспроизведению, и было тем новым скачком, в результате которого сложное, но неживое органическое образование стало живым существом. По мнению некоторых биологов, приобретение белковоподобными соединениями в ходе их развития основных признаков живого не нуждается в стадии комплексных «надмолекулярных» белковых систем (коацерватных капель): такие признаки неизбежно должны были со временем возникнуть при определённых условиях в самой молекуле первичного белка.
Комочки первозданной жизни не имели ещё клеточной структуры; прошли тысячелетия, прежде чем развились древнейшие одноклеточные организмы, предки многоклеточных. Прошли также тысячелетия, прежде чем изменился и способ питания первых организмов, которые сначала использовали для этой цели только органические вещества, но затем, в связи с уменьшением запасов этой пищи, были как бы поставлены перед выбором: либо погибнуть, либо приобрести умение питаться неорганическими соединениями. В дальнейшем в протоплазме одной группы организмов выработались пигменты, послужившие толчком к появлению простейших растений типа синезелёных водорослей, способных к ассимиляции CO2. Водоросли не только резко увеличили количество органического вещества в природе, но и освободили другие группы живых существ от необходимости эволюционировать в сторону автотрофности; эти группы, питавшиеся теперь водорослями, остались гетеротрофными и тем самым стали родоначальниками будущего мира животных.
Колыбелью жизни считают море. Это предположение, хотя и подвергалось сомнению, никогда не было опровергнуто убедительными доводами. Море — исключительно подходящая среда для развития организмов: вода как подвижная стихия обеспечивает приток пищи даже сидячим или пассивно плавающим организмам; море содержит в огромных количествах самые разнообразные вещества, необходимые организмам; наконец, значительная стабильность физических условий и химического состава морской воды делает обмен веществ между организмом и средой не случайным процессом, а регулярным и притом протекающим в постоянно благоприятных условиях. Однако речь идёт прежде всего о прибрежных частях моря, где взаимодействие литосферы, гидросферы и атмосферы, т. е. вся сумма географических условий, наиболее содействует поддержанию жизни.
Мы попытались нарисовать вероятную картину развития Земли и её ландшафтной оболочки за огромный период, предшествующий архею. За этот промежуток времени, охватывающий 3—4 млрд. лет, Земля прошла через следующие этапы:
1. Стадия первоначального сгустка материи в материнском пылевом облаке.
2. Стадия небольшой планеты (сравнимой по объёму с нынешним Меркурием), уже способной удерживать около себя постоянную газовую оболочку. Зачатки тектонической деятельности (источники энергии: распад радиоактивных веществ и, возможно, начало гравитационной дифференциации). Выделение с изверженными породами газов Н2O, CO2 и NH3 и включение их в состав первичной атмосферы.
3. Земля достигает современных размеров. Её внешняя каменная оболочка — вероятно, базальтового состава. Накопление неживого органического вещества и развитие его в сторону образования высокомолекулярных соединений.
4. Появление доклеточных форм жизни. Организмы только гетеротрофные.
5. Появление одноклеточных организмов и возникновение ветви автотрофных живых существ. Обогащение атмосферы свободным кислородом и азотом за счёт жизнедеятельности микроорганизмов.
Обратимся теперь к более поздним периодам жизни Земли. Несмотря на скудость материалов, мы всё же располагаем здесь многими вполне достоверными фактами, на основании которых удаётся вывести достаточно надёжные общие заключения. Развитие ландшафтной оболочки на протяжении геологического времени разбивают на несколько этапов: самые древние и плохо известные удобно объединить под собирательным названием «докембрийских»; за ними следуют этапы каледонский, герцинский (или варисцийский) и альпийский.