Первое оледенение Земли (750–635 млн лет назад)
Стоило появиться на Земле первым фотосинтезирующим организмам, как концентрация кислорода в атмосфере стала возрастать, а углекислого газа, наоборот, снижаться. Это предопределило дальнейшие изменения климата. Последующее уменьшение количества углекислого газа было также вызвано распадом первого суперконтинента Родинии: выходящие при этом наружу горные породы вступали в химические реакции со свободным углекислым газом воздуха и связывали его в химических соединениях.
Затем вступила в силу уже известная нам закономерность: чем меньше в воздухе углекислого газа, тем слабее парниковый эффект, а значит, тем холоднее климат. Остывание Земли вызвало появление гигантских ледников, которые, подобно зеркалам, отражали в космос падающие на планету лучи и тем самым способствовали еще большему похолоданию. Средняя температура на нашей планете снизилась до –40 °С, это значит, что в конце протерозоя на экваторе было так же холодно, как в нынешней Антарктиде. Около полюсов установилось –80 °С.
Страшные морозы сковали планету. Вода при таком холоде практически не испарялась, поэтому туч над Землей почти не бывало. Все обломки Родинии и Мировой океан 750–635 млн лет назад покрылись коркой льда, достигавшей 2 км. Сегодня об этом можно судить по следам древнейших ледников и их отложениям в самых разных, в том числе и тропических, районах Земли. Такие следы обнаружили в Центральной Африке, Австралии, на Урале, в горах Тянь-Шаня, в Беларуси, Норвегии, Гренландии и в Скалистых Горах Северной Америки.
Возраст некоторых названных выше геологических свидетельств оледенения определен достаточно точно — 716,5 млн лет назад. Он совпадает с предполагаемым временем распада Родинии.
Вся планета оказалась в ледяном плену, это вызвало массовую гибель живых существ. Тщательное изучение хронологической последовательности событий ставит науку еще перед одной загадкой: оказывается, сплошное вымирание случилось на 16 млн лет раньше, чем моря и суша покрылись льдами.
Существующее сегодня объяснение гласит, что причиной этому послужило слишком бурное размножение водорослей и недостаточное количество травоядных морских существ. Ничем не регулируемый рост водорослей привел к тому, что зеленый слой создал плотный покров на водах, который препятствовал доступу кислорода в их толщу. Из-за этого погибали аэробные жители океана и поэтому атмосфера больше уже не насыщалась углекислым газом. Если все было действительно так, то вывод парадоксален: жизнь на Земле уничтожила сама себя, попутно вызвав резкое изменение климата всей планеты. Даже если это предположение верно, оно не отменяет теорию связывания углекислого газа обнажающимися горными породами Родинии, которая раскалывалась на части, — так что на водоросли и в этом случае ложится только часть вины.
В конце протерозоя Земля пережила самое катастрофическое оледенение за всю свою историю.
Что же в конце концов спасло планету из ледяного плена? Покрытая толстой коркой льдов поверхность океана и суши не могла поглощать углекислый газ из воздуха, ни используя его в процессе фотосинтеза водорослей, ни связывая в химических реакциях. Тут и сыграли свою роль вулканы, которые продолжали собственную в буквальном смысле кипучую деятельность, даже когда планета была скована льдами. Миллионы холодных лет они не прекращали обогащать атмосферу углекислым газом и метаном.
Чтобы растопить льды на планете, которая тогда напоминала современную Антарктиду, могло потребоваться в 350 раз больше свободного углекислого газа в атмосфере, чем его содержит вдыхаемый нами воздух, — около 13% против нынешних 0,035%. Парниковый эффект, создаваемый таким огромным количеством углекислого газа, и привел, очевидно, к постепенному потеплению. Льды неуклонно таяли.
Парниковый эффект сделал свое дело по геологическим меркам очень быстро — средняя температура на планете увеличилась на 65–70 °С, достигнув 25–30 °С.
Ледяная катастрофа должна была убить на Земле все живое, но предполагается, что некоторые микроорганизмы уцелели. Возможно, в океане Мировия оставались небольшие полыньи, где открытая вода соприкасалась с атмосферой и солнечным светом. Другие микробы могли выжить в зонах наземных или подводных вулканов. Понесенные биосферой потери были огромны, однако жизнь не исчезла с лица нашей планеты полностью — стоило льдам отступить, как начался новый бурный всплеск ее развития.
Великие вымирания
Существуют и другие классификации эпох, хотя все они и похожи друг на друга
Важно другое. Из приведенных данных может сложиться впечатление, что жизнь на Земле развивалась поступательно
Но это совсем не так. В истории биосферы нашей планеты случались катастрофы, которые называют «великими или мировыми вымираниями».
Сейчас мы их перечислим в хронологическом порядке. Причины до конца не установлены, хотя и существует масса гипотез. Две основные – глобальные извержения вулканов и столкновения Земли с огромными астероидами.
Итак, все по порядку.
Ордовикско-силурийское вымирание. Оно происходило 450 – 443 миллиона лет назад, т.е. в начале Палеозойской эры. В те времена жизнь, пусть и в примитивных формах, существовала только в океанах. Вымирание, как предполагают ученые, происходило в два этапа. Первый из них (длительностью около 1,9 миллиона лет) был связан с оледенением, которое привело к резкому понижению температуры океанской воды. А второй – с потеплением, когда температура воды повысилась, и те организмы, которые приспособились к жизни в холодной воде, стали погибать. В ходе этого события исчезло от 72% до 86% видов и более 100 семейств морских беспозвоночных.
Девонское вымирание (372 миллиона лет назад, Палеозойская эра). Оно происходило в несколько этапов. Всего в ходе Девонского вымирания исчезло 19% всех семейств и 50% видов всех родов. В частности, почти полностью исчезли организмы, формировавшие коралловые рифы. Это повлекло за собой изменения глобальной экосистемы мирового океана. Эти события повлекли за собой кризис и на суше, где к тому времени уже появилась жизнь. Причиной Девонского вымирания считается периодическое повышение и понижения уровня мирового океана. Почему оно происходило и как влияло на условия существования тех или иных организмов – неизвестно.
«Великое Пермское вымирание» (253 – 251 миллиона лет назад, конец Палеозойской эры) – самое массовое вымирание в истории планеты. В результате его исчезло 57% видов всех семейств, 83% всех родов, более 90% морских видов. Примечательно, что по геологическим меркам, катастрофа произошла почти мгновенно – за менее чем за 200 тысяч лет. Пермское вымирание признается крупнейшей биосферной катастрофой в истории Земли, в результате которой все экологические связи были разрушены. На восстановление всего биоразнообразия наземных организмов потребовалось до 50 миллионов лет, а морских – до 100 миллионов. Причиной этого вымирания считаются массовые извержения вулканов в Сибири (там их тогда было много), выбросы огромного количества пепла и пыли в атмосферу Земли. Это, в свою очередь, повлекло за собой резкое уменьшение достигающей поверхности Земли солнечной радиации, падению температуры и другие последствия. Сейчас существует такой термин – «ядерная зима», которая неизбежно наступит после массового применения ядерного оружия. Вот такая «зима» и случилась в период Пермского вымирания безо всякого оружия.
Триасовое вымирание (208 – 200 миллионов лет назад, Мезозойская эра). В результате на Земле вымерло 23% всех семейств и 48% всех родов. Некоторые ученые считают, что этот катаклизм освободил экологическую нишу для динозавров. Сколько-нибудь внятных объяснений причин этого явления не существует. Более того, некоторые ученые считают, что никаких глобальных катастроф в это время не было, а вымирание происходило постепенно и было связано с естественными эволюционными процессами, когда одни виды уступали в конкурентной борьбе зарождавшемуся новому и сходили со сцены истории.
И, наконец, самое известное Мел-палеогеновое вымирание (66,5 миллионов лет назад, Кайнозойская эра). Это последнее массовое вымирание, уничтожившее 17 % всех семейств и 39-47 % всех родов, 68-75 % всех видов, в том числе и динозавров. Последнее делает его самым известным, хотя по последствиям оно стоит на последнем месте в «большой пятерке». Считается, что причиной этой катастрофы послужило столкновение Земли с огромным метеоритом размером порядка 10 километров. Его след – кратер Чиксулуб на полуострове Юкатан. Далее все пошло по уже описанной схеме. Выброс огромного количества пыли в атмосферу, глобальное похолодание, гибель тропических лесов, которые тогда покрывали практически всю территорию суши, сокращение кормовой базы для травоядных ящеров, их гибель, затем, из-за отсутствия кормовой базы для плотоядных динозавров – гибель последних. А вот мелкие млекопитающие выжили. Эволюционировали. И мы с вами получились в конце концов.
Первое оледенение Земли (750–635 млн лет назад)
Стоило появиться на Земле первым фотосинтезирующим организмам, как концентрация кислорода в атмосфере стала возрастать, а углекислого газа, наоборот, снижаться. Это предопределило дальнейшие изменения климата. Последующее уменьшение количества углекислого газа было также вызвано распадом первого суперконтинента Родинии: выходящие при этом наружу горные породы вступали в химические реакции со свободным углекислым газом воздуха и связывали его в химических соединениях.
Затем вступила в силу уже известная нам закономерность: чем меньше в воздухе углекислого газа, тем слабее парниковый эффект, а значит, тем холоднее климат. Остывание Земли вызвало появление гигантских ледников, которые, подобно зеркалам, отражали в космос падающие на планету лучи и тем самым способствовали еще большему похолоданию. Средняя температура на нашей планете снизилась до –40 °С, это значит, что в конце протерозоя на экваторе было так же холодно, как в нынешней Антарктиде. Около полюсов установилось –80 °С.
Страшные морозы сковали планету. Вода при таком холоде практически не испарялась, поэтому туч над Землей почти не бывало. Все обломки Родинии и Мировой океан 750–635 млн лет назад покрылись коркой льда, достигавшей 2 км. Сегодня об этом можно судить по следам древнейших ледников и их отложениям в самых разных, в том числе и тропических, районах Земли. Такие следы обнаружили в Центральной Африке, Австралии, на Урале, в горах Тянь-Шаня, в Беларуси, Норвегии, Гренландии и в Скалистых Горах Северной Америки.
Возраст некоторых названных выше геологических свидетельств оледенения определен достаточно точно — 716,5 млн лет назад. Он совпадает с предполагаемым временем распада Родинии.
Вся планета оказалась в ледяном плену, это вызвало массовую гибель живых существ. Тщательное изучение хронологической последовательности событий ставит науку еще перед одной загадкой: оказывается, сплошное вымирание случилось на 16 млн лет раньше, чем моря и суша покрылись льдами.
Существующее сегодня объяснение гласит, что причиной этому послужило слишком бурное размножение водорослей и недостаточное количество травоядных морских существ. Ничем не регулируемый рост водорослей привел к тому, что зеленый слой создал плотный покров на водах, который препятствовал доступу кислорода в их толщу. Из-за этого погибали аэробные жители океана и поэтому атмосфера больше уже не насыщалась углекислым газом. Если все было действительно так, то вывод парадоксален: жизнь на Земле уничтожила сама себя, попутно вызвав резкое изменение климата всей планеты. Даже если это предположение верно, оно не отменяет теорию связывания углекислого газа обнажающимися горными породами Родинии, которая раскалывалась на части, — так что на водоросли и в этом случае ложится только часть вины.
Такой пейзаж, возможно, был на Земле времен распада Родинии
В конце протерозоя Земля пережила самое катастрофическое оледенение за всю свою историю.
Что же в конце концов спасло планету из ледяного плена? Покрытая толстой коркой льдов поверхность океана и суши не могла поглощать углекислый газ из воздуха, ни используя его в процессе фотосинтеза водорослей, ни связывая в химических реакциях. Тут и сыграли свою роль вулканы, которые продолжали собственную в буквальном смысле кипучую деятельность, даже когда планета была скована льдами. Миллионы холодных лет они не прекращали обогащать атмосферу углекислым газом и метаном.
Чтобы растопить льды на планете, которая тогда напоминала современную Антарктиду, могло потребоваться в 350 раз больше свободного углекислого газа в атмосфере, чем его содержит вдыхаемый нами воздух, — около 13% против нынешних 0,035%. Парниковый эффект, создаваемый таким огромным количеством углекислого газа, и привел, очевидно, к постепенному потеплению. Льды неуклонно таяли.
Парниковый эффект сделал свое дело по геологическим меркам очень быстро — средняя температура на планете увеличилась на 65–70 °С, достигнув 25–30 °С.
Ледяная катастрофа должна была убить на Земле все живое, но предполагается, что некоторые микроорганизмы уцелели. Возможно, в океане Мировия оставались небольшие полыньи, где открытая вода соприкасалась с атмосферой и солнечным светом. Другие микробы могли выжить в зонах наземных или подводных вулканов. Понесенные биосферой потери были огромны, однако жизнь не исчезла с лица нашей планеты полностью — стоило льдам отступить, как начался новый бурный всплеск ее развития.
Поделиться ссылкой
Какой была фауна этого периода?
В протерозойскую эру начали появляться первые черви и кишечнополостные животные. Началом для зарождения многих видов стали комочки цитоплазмы, находящиеся в морях.
Кроме того, на Земле обитали животные с известковыми раковинами. Лучшее свидетельство этому факту – обнаруженные остатки древнего мрамора. Скорее всего, первыми известковыми существами были представители семейства жгутиковых. Впоследствии природа распорядилась из них создать сразу несколько видов растений и животных.
В протерозое также образовались многоклеточные организмы из одноклеточных. Например, археоциаты или губки.
Флора и фауна
Первые формы органической жизни начали появляться в прошлую эпоху, архаику. Однако именно благодаря атмосферной трансформации в протерозойской эре живые существа начали диверсифицироваться.
Уже из архаики начали появляться простейшие формы жизни, которые до сих пор известны: прокариотические организмы. Среди них сине-зеленые водоросли (цианобактерии) и сами бактерии.
Впоследствии стали появляться эукариотические организмы (с определенным ядром). Точно так же в этот период также появились зеленые водоросли (Clorophytas) и красные водоросли (Rodhophytas). Оба являются многоклеточными и фотосинтетическими, что способствовало выбросу кислорода в атмосферу..
Важно отметить, что все живые существа, которые возникли в эту эпоху, находились в водной среде, поскольку именно они предоставили им минимально необходимые условия для выживания.. Среди представителей фауны этого периода можно упомянуть организмы, которые сегодня считаются мало развитыми губками
Известно, что они существовали, потому что определенные химические тесты обнаружили определенную форму холестерина, которая вырабатывается только этими организмами.
Среди представителей фауны этого периода можно упомянуть организмы, которые сегодня считаются мало развитыми губками. Известно, что они существовали, потому что определенные химические тесты обнаружили определенную форму холестерина, которая вырабатывается только этими организмами..
Таким же образом, окаменелости животных, представляющих кишечнополостные, также были восстановлены с этого периода. Это большая группа, в которой преобладают медузы, кораллы, полипы и анемоны. Основной характеристикой их является радиальная симметрия
Эдиакара Фауна
В горах Эдиакара (Австралия) в 1946 году палеонтолог Реджинальд Спригг сделал одно из величайших открытий в палеонтологии. Он обнаружил сайт с ископаемыми записями первых известных живых существ.
Здесь были обнаружены окаменелости губок и анемонов, а также других видов, которые даже сегодня приводят в замешательство палеонтологов, поскольку некоторые классифицируют их как мягкие организмы (животного мира), а другие — как лишайники..
Среди характеристик этих существ можно упомянуть: отсутствие твердых частей, таких как раковина или некоторая костная структура, без кишечника или рта, в дополнение к форме червеобразного отростка без определенного образца симметрии..
Это открытие было очень важным, потому что найденные окаменелости не имеют сходства с теми, которые соответствуют более поздним эпохам. В фауне Эдиакары есть плоские организмы, которые могут иметь радиальную или спиральную симметрию.
Есть также несколько, которые имеют двустороннюю симметрию (та, которая изобилует сегодня), но они очень маленький процент по сравнению с остальными.
В конце периода эта фауна исчезла практически полностью. На сегодняшний день не найдено организмов, которые представляют эволюционную преемственность этих видов..
Архейская эра (эра древнейшей жизни: 3500 (3800-2600) млн лет назад)
Первые живые организмы на Земле появились по разным данным 3,8-3,2 млрд лет назад. Это были прокариотические гетеротрофные анаэробы
(доядерные, питающиеся готовыми органическими веществами, не нуждающиеся в кислороде). Они жили в первичном океане и питались растворенными в его воде органическими веществами, созданными абиогенно из неорганических веществ под действием энергии ультрафиолетовых лучей Солнца и грозовых разрядов.
Атмосфера Земли состояла преимущественно из CO 2 , CO, H 2 , N 2 , водяных паров, небольших количеств NH 3 , H 2 S, CH 4 и почти не содержала свободного кислорода O 2 . Отсутствие свободного кислорода обеспечило возможность накопления в океане абиогенно созданных органических веществ, в противном случае они сразу же расщеплялись бы кислородом.
Первые гетеротрофы осуществляли окисление органических веществ анаэробно — без участия кислорода путем брожения
. При брожении органические вещества расщепляются не полностью, и энергии образуется немного. По этой причине эволюция на ранних этапах развития жизни шла очень медленно.
С течением времени гетеротрофы сильно размножились и им стало не хватать абиогенно созданного органического вещества. Тогда возникли прокариотические автотрофные анаэробы
. Они могли синтезировать органические вещества из неорганических самостоятельно сначала посредством хемосинтеза, а затем — фотосинтеза.
Первым был фотосинтез анаэробный
, который не сопровождался выделением кислорода:
6CO 2 + 12H 2 S → C 6 H 12 O 6 + 12S + 6H 2 O
Затем появился фотосинтез аэробный:
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Аэробный фотосинтез был характерен для существ, похожих на современных цианобактерий.
Выделяющийся при фотосинтезе свободный кислород стал окислять растворенные в воде океана двухвалентное железо, соединения серы и марганца. Эти вещества превращались в нерастворимые формы и оседали на дне океана, где образовали залежи железных, серных и марганцевых руд, которые в настоящее время использует человек.
Окисление растворенных в океане веществ происходило в течение сотен миллионов лет, и только когда их запасы в океане были исчерпаны, кислород стал накапливаться в воде и диффундировать в атмосферу.
Необходимо отметить, что обязательным условием накопления в океане и атмосфере кислорода было погребение некоторой части синтезированного организмами органического вещества на дне океана. В противном случае, если бы вся органика расщеплялась с участием кислорода, его излишков не оставалось бы и кислород не смог бы накапливаться. Неразложившиеся тела организмов оседали на дне океана, где образовали залежи ископаемого топлива — нефти и газа.
Накопление в океане свободного кислорода сделало возможным появление автотрофных и гетеротрофных аэробов
. Это произошло когда концентрация O 2 в атмосфере достигла 1% от современного уровня (а он равен 21%).
При аэробном окислении (дыхании) органические вещества расщепляются до конечных продуктов — CO 2 и H 2 O и образуется в 18 раз больше энергии, чем при бескислородном окислении (брожении):
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O + 38АТФ
Поскольку при аэробных процессах стало выделяться намного больше энергии, эволюция организмов значительно ускорилась.
В результате симбиоза различных прокариотических клеток появились первые эукариоты
(ядерные).
В результате эволюции эукариот возник половой процесс
— обмен организмов генетическим материалом — ДНК. Благодаря половому процессу эволюция пошла еще быстрее, поскольку к мутационной изменчивости добавилась комбинативная.
Сначала эукариоты были одноклеточными, а затем появились первые многоклеточные
организмы. Переход к многоклеточности у растений, животных и грибов произошел независимо друг от друга.
Многоклеточные организмы получили ряд преимуществ по сравнению с одноклеточными:
- большую продолжительность онтогенеза, так как в ходе индивидуального развития организма происходит замещение одних клеток другими;
- многочисленное потомство, поскольку для размножения организма может выделить больше клеток;
- значительные размеры и разнообразное строение тела, что обеспечивает большую устойчивость к внешним факторам среды за счет стабильности внутренней среды организма.
Ученые не имеют единого мнения по вопросу, когда возникли половой процесс и многоклеточность — в архейскую или протерозойскую эру.
Пригодность для дыхания безжизненной атмосферы (2,4 млрд лет назад)
Древние вулканы изливали на поверхность Земли огромное количество расплавленного базальта, попутно выдыхая смешанные облака водяных паров с углекислым газом, сероводородом, аммиаком, хлором, метаном, оксидами серы, борной кислотой и солями аммония, образующихся при высоких температурах. Так как в водных растворах эти вещества создают кислотную среду, их называют кислыми дымами. Мы знаем о них и первичной атмосфере благодаря пузырькам газов, законсервированным в древнейших горных породах архея.
Атмосфера нашей планеты, состоявшая из смеси газов, покинувших земную мантию, была очень ядовита.
Развитие кислородной катастрофы
Температура воздуха у земной поверхности приближалась к 15 °С — не особо жарко, но и не так уж холодно. Из сконденсировавшегося водяного пара складывалась гидросфера планеты — запасы жидкой воды. В нее переходила часть атмосферных газов.
Однако был ли на древней Земле кислород? Малая часть его молекул могла теоретически стать продуктами разложения водяного пара под действием жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, но такого насыщенного паром кислорода много быть не могло: и молекулу воды расщепить трудно, и сам образующийся кислород поглощает ультрафиолет, гася таким образом химическую реакцию (классический случай автоингибирования).
До определенного времени в первичной атмосфере кислорода было совсем мало — намного меньше 0,001 его массовой доли в сравнении с нынешним уровнем. Почти каждая вновь образовывавшаяся молекула O2 тратилась на различные реакции окисления. Защиты от губительной солнечной радиации (в виде современной кислородной атмосферы и озонового слоя) еще не было, и это создавало тяжелейшие условия даже для жизни древних анаэробов. Перед началом протерозоя на Земле стало намного больше воды, а кислорода почти не прибавилось.
В какой-то момент грянула «кислородная катастрофа» — так называют событие, которое произошло 2,4 млрд лет назад и направило в новое русло ход земной истории. В то время кислород буквально заполнил собой атмосферу планеты. Разумеется, катастрофой это обернулось лишь для анаэробных археобактерий. Для всех же новых форм кислородной жизни (включая нас с вами) это событие оказалась величайшей удачей! Об изменениях в атмосфере мы знаем по тому, что характер минеральных отложений с какого-то момента резко преобразился.
Конденсация водяных паров вулканических газов
Наконец-то в воздухе появилось много свободного кислорода — менее чем за 200 млн лет его концентрация выросла в 15 раз, атмосфера стала не восстановительной, а окислительной.
Для того чтобы возникли анаэробные («кислорододышащие») формы жизни, необходимо было, чтобы концентрация кислорода в атмосфере составляла около 0,01 (1%) от современной — так называемая точка Пастера. В протерозое этот биологический рубеж был преодолен «с перевыполнением», что стало толчком к бурному развитию и совершенствованию разнообразных форм новой жизни.
Откуда же кислород возник в таком количестве? Вспомните про сине-зеленые водоросли, которые появились еще в архее. Миллионы лет они исправно выделяли кислород в качестве побочного продукта фотосинтеза. Однако он тут же уходил на окисление минералов и газов. В условиях восстановительной атмосферы кислород был настоящим дефицитом и мгновенно расходовался во множестве химических реакций. Когда же все, что можно было окислить, оказалось уже окисленным, кислород стал накапливаться в виде газа. Одновременно с этим падала концентрация углекислого газа в атмосфере, ведь он был так необходим сине-зеленым водорослям для фотосинтеза. Парниковый эффект благодаря этому стал уменьшаться и перед земной жизнью открылись новые заманчивые перспективы.
Сине-зеленые водоросли способствовали фотосинтезу
Появление в земной атмосфере доступного кислорода обернулось еще одним благом для будущих жителей планеты. Под воздействием электрических разрядов газообразный кислород распался на отдельные атомы, из которых потом сформировалось новое вещество — озон. Подобно кислороду он бесцветен, но имеет запах: когда после грозы вы чувствуете в воздухе особую свежесть, знайте, это озон. Собираясь в верхних слоях атмосферы (12–50 км), он образует слой (озоновый слой), который поглощает опасное ультрафиолетовое излучение космоса и защищает от него все живущее на планете. Не будь озонового слоя, жизнь никогда не смогла бы выйти из воды на сушу.
