Появление жизни на Земле
В некоторых из древнейших пород Земли (около 3,8 миллиардов лет) обнаруживаются признаки органических соединений – молекул, содержащих углерод, вероятно, произведенных живыми организмами. Более определенные свидетельства появляются в породах возрастом около 3,5 миллиардов лет.
С тех пор были найдены микроскопические отпечатки, которые некоторые ученые интерпретируют как остатки древних бактерий, похожих на цианобактерии (или сине-зеленые водоросли).
Кроме того, некоторые слоистые скальные образования, датируемые примерно тем же временем, считаются строматолитами, которые формируются в результате роста матоподобных колоний микроорганизмов, особенно цианобактерий. Эти слоистые структуры до сих пор образуются живыми организмами, например, в некоторых местах на западном побережье Австралии.
Первыми организмами могли быть прокариоты – одноклеточные организмы без ядра. Некоторые из них начали фотосинтезировать, используя солнечный свет в качестве источника энергии для получения углерода (необходимого для построения тел организмов) из углекислого газа в воздухе, выделяя при этом кислород.
Предполагается, что эти бактерии были очень похожи на цианобактерии, которые все еще распространены сегодня. Вполне вероятно, что цианобактерии не были единственным и, возможно, даже первым типом организмов в этот период. Хемоавтотрофы, вероятно, существовали в глубинах морей и даже в скалах. Некоторые из этих ранних организмов, возможно, были археями, а не настоящими бактериями.
В течение сотен миллионов лет кислород, выделяемый фотосинтезирующими организмами, быстро взаимодействовал с материалами в окружающей среде. Поэтому кислород не мог в значительной степени накапливаться в воздухе. Большая часть этого кислорода, вероятно, соединялась с железом, образуя ржавчину. Длительный временной период, или Эон, описанный выше – от примерно 4 миллиардов до 2,5 миллиардов лет назад – называется Архейским.
Кислород на Земле
Большинство исследователей разделяют мнение, что в Архейской атмосфере присутствовало крайне мало кислорода, вероятно, менее 1% от нынешнего уровня. Изменения начались в первой части следующего Эона, Протерозоя, примерно с 2,5 миллиардов до 541 миллиона лет назад. Большая часть веществ, способных взаимодействовать с кислородом (то есть окисляться), уже подверглась этому процессу.
Приблизительно 2,5-1,9 миллиарда лет назад на океаническом дне сформировались масштабные отложения, известные как полосчатые железистые образования. Данные отложения состоят из чередующихся тонких слоев богатых железом минералов и кремнеземных минералов, таких как кремнезем. Механизм их формирования до конца не установлен. Тем не менее, вероятно, это произошло в ответ на увеличение, а возможно, и колебания, концентрации свободного кислорода в атмосфере и океанах. Эти образования являются источником значительной части добываемой сегодня железной руды.
Примерно к 1,5 миллиардам лет назад концентрация кислорода могла достигать 10 % от текущего уровня. Одним из последствий этого явилось формирование так называемых “красных гряд”. Это участки, где содержащееся в почве железо окислилось, что придало им ржавый оттенок. Этот процесс особенно заметен в сухих, жарких климатических условиях, например, в современной австралийской глубинке, часто именуемой “красным центром”.
Более важным последствием повышения уровня кислорода стало коренное изменение земной жизни. Кислород является ядовитым для многих микроорганизмов (к примеру, столбнячная бактерия, которая процветает в бескислородной среде, например, в закрытых ранах). Большая часть этих микроорганизмов погибла, но некоторые смогли укрыться в глубоких морских водах или под землей.
Примерно в это же время появились более сложные одноклеточные организмы - эукариоты. Они обладают клеточным ядром и многими другими структурами, отсутствующими у прокариот. Позже произошла эволюция более сложных многоклеточных эукариот. Фактически, все животные, растения, грибы и протисты - это эукариоты.
Эукариотам требуется то, что отсутствует у прокариот, – кислород на уровне, превышающем 1% от современного. С накоплением достаточного количества кислорода, эукариотические клетки стали преобладать. На протяжении большей части остатков протерозоя вся жизнь на Земле состояла из одноклеточных организмов, включая как прокариот, так и эукариот.
Изменение климата Земли
К концу протерозоя произошли значительные климатические изменения. С эпохи Хадеана температура, судя по всему, была близка к сегодняшней. Однако примерно 750 миллионов лет назад климат резко похолодал. Обнаруженные горные породы этого периода указывают на присутствие ледников, и некоторые из них, вероятно, сформировались вблизи древнего экватора.
Многие ученые предполагают, что земля была покрыта льдом, даже на экваторе, в течение миллионов лет. Вероятно, это произошло по крайней мере дважды, предположительно, около 710 миллионов лет назад и 640 миллионов лет назад. (Некоторые данные указывают на обширное оледенение гораздо раньше, около 2,2 миллиардов лет назад). Другие исследователи сомневаются в такой степени оледенения, утверждая, что в тропиках присутствовала открытая вода и отдельные участки суши. В любом случае, климат, вероятно, был холоднее, чем когда-либо после.
Вот как это могло произойти. К этому времени суперконтинент Родиния начал распадаться, и многие его части, вероятно, располагались в тропиках. Углекислый газ растворялся в дожде, выпадающем на континент, и в воде, разбивающейся о берега, вызывая выветривание скал. Это приводило к вымыванию ионов кальция в море, где они, взаимодействуя с углекислым газом, формировали известняк.
Фотосинтезирующие организмы в океане продолжали поглощать углекислый газ из атмосферы, погребая его при своей гибели и оседании на дно. Сокращение количества парниковых газов, наряду с тем, что Солнце светило лишь на 94% своей нынешней яркости, привело к снижению температуры. Как только начали формироваться снег и лед, они стали отражать больше солнечного света обратно в космос. Эта порочная динамика является примером положительной обратной связи, при которой сам эффект вызывает усиление этого же эффекта, что могло понизить среднюю температуру в мире, возможно, до -50° C.
После, вероятно, миллионов лет в таком состоянии, продолжающаяся вулканическая деятельность продолжала выделять углекислый газ. Это привело к возобновлению роста содержания углекислого газа в воздухе, возможно, в сотни раз превышающего сегодняшнюю концентрацию. Температура достаточно возросла, чтобы часть льда начала таять, открывая более темные поверхности, способные поглощать больше солнечного света.
Затем, с помощью процесса потепления с положительной обратной связью, планета была подвергнута очень жаркому состоянию, и средняя температура Земли достигла, возможно, 38° C. Замерзание уменьшило количество доступной для удаления углекислого газа из воздуха жизни. Земля, возможно, прошла как минимум через два таких цикла замораживания-оттаивания в позднем протерозое.
Эти климатические потрясения, вероятно, сыграли свою роль в последующей перестройке биосферы — появлении многоклеточной жизни. Эволюция может протекать стремительно при резких изменениях окружающей среды. Обнаруженные окаменелости, датируемые 600 миллионами лет назад, представляют собой отпечатки мягкотелых животных. Некоторые из них, известные как эдиакарцы, имеют округлую, веерообразную или стеганую форму. Отношение эдиакарцев к более поздним животным остаётся неясным. Об этих организмах мало что известно, но к концу протерозоя произошел взрыв новых жизненных форм.
Образование и возраст Земли: Первый миллиард лет Земли
Образование и возраст Земли: Появление жизни на Земле
Образование и возраст Земли: Эры и периоды Земли
Земные циклы и Круговорот воды на Земле
Солнечная энергия и Магнитное поле Земли
Что ещё посмотреть: