Кратко об истории развития Земли. Жизнь и времена первых ледниковых периодов

Относительно спокойная область космоса, в которой мы находимся в Солнечной системе сегодня, не соответствует буйному, яростному прошлому и пугающему будущему. Для понимания масштабов изменений, которым подверглась наша планета за всю свою историю, нужно проанализировать огромные исторические эпохи, останавливаясь на важных этапах. В прошлой статье было рассказано об истории развития Земли, начиная с формирования нашей Солнечной системы. Продолжаем рассказывать дальше.

Жизнь и времена первых ледниковых периодов.

Жизнь сформировалась на планете Земля довольно быстро, всего лишь через 500 миллионов лет после того, как 4,56 млрд лет назад сформировалась наша планета. Около 2,4 млрд лет назад в атмосфере и океанах впервые в больших масштабах появился кислород, быстро вызвав массовое вымирание живых организмов и погрузив Землю в Гуронский ледниковый период.

В течение Гуронского ледникового периода, вызванного насыщением воздуха и воды кислородом, Земля становилась все холоднее и холоднее, несмотря на возрастание яркости Солнца. Кислород в атмосфере вытеснял метан и парниковый газ, задерживающие тепло Земли. Ледниковый период последовал за так называемой Кислородной катастрофой, в результате чего произошло массовое вымирание — первое из двадцати четырех массовых вымираний, которые произошли на нашей планете. Множество одноклеточных форм жизни были стерты с лица земли, а выжившие были заморожены наступающим со всех сторон холодом.

Геологические свидетельства этого ледникового периода присутствуют в горных породах, находящихся к северу от одноименного озера Гурон в южной части Канады. Эта часть Канады — кратон — старый участок земной коры, который не был затронут тектонической активностью за последний миллиард лет и сохранился до наших дней. Такие участки образуют щиты континентов Земли. Этот кратон был частью Кенорланда, суперконтинента, существовавшего вблизи экваториальных областей Земли. Другие кратоны Кенорланда, такие как Мичиган и Западная Австралия, по сути, также свидетельствуют о больших ледниковых отложениях этого периода.

Когда наша планета стала медленно замерзать, и лед слой за слоем откладывался на суше и на море, суперконтинент Кенорланд начал распадаться. В процессе этого распада возобновилась вулканическая активность. В отличие от предыдущего суперконтинента под названием Ваальбара, Кенорланд был огромен. В то время как Ваальбара раскололась только на два кратона в Африке и Австралии, Кенорленд имел кратоны в Канаде, США, Скандинавии, Гренландии и пустыне Калахари на юге Африки. Когда распадаются такие большие массивы земли, начинаются величайшие изменения глобального климата.

Во-первых, появляются все более увеличивающиеся трещины в морском дне. Это вызывает нагрев верхней части морского дна. Кора плавает на мантии, часто ее нижние части тонут в вязкой расплавленной породе. Поскольку теплая порода гораздо менее плотна, она поднимается в мантии, увеличивая высоту материков. Увеличение высоты континентов означало то, что воздух над ними становился холоднее. Кроме того, нагревание в океанах вызвало усиленное испарение, и, как следствие, затем увеличилось количество осадков. Это еще больше охладило планету. Поскольку планета покрывалась льдом, она становилась все более и более белой, ее отражательная способность увеличивалась. Солнечные лучи отражались более интенсивно, что также не способствовало удержанию тепла.

Такие события, которые усугубляют усиливающийся холод, называются петлями положительной обратной связи. 

В Гуронский Ледниковый период ледники и льды покрывали часть суши и океана почти до экватора. Это был самый продолжительный Ледниковый период в истории, продолжительностью почти 300 миллионов лет, от 2,4 до 2,1 млрд лет назад. Одной из главных причин сохранения этого ледникового периода, по-видимому, было некоторое затишье в вулканической деятельности, которое еще больше уменьшило содержание углекислого газа и метана в атмосфере, часть которых растворилась во льдах и океанах.

Ледниковый период заканчивается из-за отрицательной обратной связи. В период оледенения идет сильный снегопад, доля воды в ледяных и снежных шапках на поверхности суши увеличивается. Поэтому, уровень моря падает. Количество осадков тоже уменьшается, из-за того, что в атмосфере просто не хватает воды. Так как морской лед тает быстрее, чем большие ледяные щиты на суше, то, как только Земля перестала охлаждаться осадками, она стала нагреваться из-за воздействия Солнца. Даже небольшое таяние морского льда приводит к тому, что вода начнет поглощать солнечное тепло, вызывая цикл, который выделяет углекислый газ и вызывает большее таяние, тем самым очень быстро заканчивая оледенение. Вот почему все ледниковые периоды закончились намного быстрее, чем начались.

Вскоре после окончания Гуронского ледникового периода и распада Кенорланда в некоторых частях мирового океана один одноклеточный организм, скорее всего, бактерия, напал на другой, вероятно, архей — одноклеточный организм, не имеющий ядра и каких-либо мембранных органелл, который проглотил его и позволил ему выжить внутри себя. Оба этих организма нуждались друг в друге, чтобы выжить. Такое взаимно выгодное сотрудничество организмов, при котором один из организмов обитает внутри другого называется эндосимбиозом.

Эта маленькая клетка стала первой сложной одноклеточной жизнью с ядром, мембранами. На свет появилась митохондрия. Такие формы жизни известны как эукариоты, и именно такие клетки сегодня являются предками каждого живого организма. Произошло это примерно 2,1 млрд лет назад после почти 2,5 млрд лет элементарной, примитивной, совершенно простой одноклеточной жизни.

Тем временем части распавшегося Кенорланда дрейфовали по поверхности Земли, сталкиваясь с новыми кратонами и формируя новый массивный суперконтинент под названием Колумбия. Колумбия была даже больше, чем Кенорланд, и содержала кратоны, которые сегодня принадлежат Северной Америке, Скандинавии, Австралии, Индии и Южной Америке. Фактически западное побережье Индии было присоединено к восточному побережью Северной Америки, а западное побережье Канады было присоединено к южной Австралии. Скандинавия была присоединена к Бразилии, и все участки суши были плотно прижаты друг к другу. После того, как этот континент был полностью сформирован 1,8 млрд. лет назад, он начал увеличиваться в размерах из-за образования вулканических пород на его границах, когда разливающаяся магма стала охлаждаться и затвердевать.

Эта вулканическая активность спровоцировала еще больше рост внутреннего вулканизма и, естественно, начала разрушать суперконтинент. Колумбия начала распадаться 1,4 млрд. лет назад, на кратоны с частями современных Индии, Северной Америки, Китая, Африки, Скандинавии и Австралии. Эти кратоны независимо долго не просуществовали. Они очень быстро столкнулись друг с другом и с другими вновь образованными кратонами, образовав 1,3 млрд. лет назад следующий суперконтинент, Родиния.

Родиния почти полностью оказалась в южном полушарии и являлась очень важной частью биологической истории Земли. Суперконтинент видел эволюцию эукариот в многоклеточные организмы, видел образование озонового слоя в атмосфере. Его распад вызвал еще один ледниковый период, самый страшный из всех.

Когда Родиния начала распадаться появились гигантские трещины на морском дне. Произошло нагревание коры, повторяя тот же механизм, который вызвал увеличение осадков во время предыдущего ледникового периода. Это привело к еще большему похолоданию, что в свою очередь привело к очередному ледниковому периоду.

Но этот ледниковый период, произошедший во второй из трех периодов неопротерозойской эры, и названный криогенным ледниковым периодом, отличался от гуронского. На самом деле, такого ледникового периода больше никогда не было в истории Земли. Ледяные шапки и ледники простирались от полюсов до середины экватора, покрывая каждый сантиметр планеты, делая ее похожей на гигантский снежный ком. Кстати, этому явлению дали соответствующее название «Земля — снежный ком» («Земля — снежок»). Криогенный ледниковый период был вызван двумя оледенениями ледникового периода (Стурианским и Мариноанским), разделенными очень коротким теплым межледниковьем. Этот самый продолжительный ледниковый период на нашей планете длился 85 млн. лет, начавшись 720 млн. лет назад, и закончился 635 млн. лет назад.

Во время таяния этого льда — когда Родиния отделялась — произошла дальнейшая эволюции жизни. Фрагментация суши привела к увеличению вулканизма в морях, что, в свою очередь, вызвало приток питательных веществ в воду. В последние несколько миллионов лет докембрийского суперреона появилось первое «животное»: губка. Образовалось множество мелководных морей, и жизнь, наконец, выбралась из воды на сушу. Это совпало с окончательным распадом Родинии и ознаменовало переход по геологической шкале времени из докембрийского суперреона в фанерозойский эон.

С этого времени геологические данные о нашей планете становятся более подробными благодаря обилию окаменелостей. Фанерозойский эон, начавшийся 542 млн. лет назад, буквально переводится как «период четко определенной жизни». В то время как докембрийский суперэрон охватывал три больших эона и длился более четырех миллиардов лет, гораздо больше всего интересного произошло на Земле в фанерозойский эон. Произошли большие масштабные изменения на поверхности и в атмосфере нашей планеты, а также еще двадцать массовых вымираний.

С точки зрения жизни самое большое изменение на Земле произошло в раннем фанерозое, в кембрийском периоде. В течение 25 миллионов лет вся жизнь на Земле неожиданно преобразилась. Из сложной одноклеточной жизни появились предки многих животных. Грибы, водоросли, рифообразующие организмы — все это стало появляться в ископаемых окаменелостях. Наиболее распространены ископаемые окаменелости разнообразных членистоногих, которые ползали по морскому дну. Такое массовое разнообразие сложных организмов за столь короткий период времени без каких-либо их предшественников была даже отмечена Чарльзом Дарвином как веский аргумент против теории естественного отбора (выживание наиболее приспособленных). Этот всплеск разнообразия называется кембрийским взрывом .

Тем временем жизнь на суше боролась за выживание. Планктон уже появился, но сначала земля была колонизирована микробным ковром цианобактерий. Адаптация к жизни на суше требовала способности расти вопреки силе тяжести. Жизненным формам также необходимо было перестать полагаться на такую ​​среду, как вода, для транспортировки питательных веществ и яйцеклеток/сперматозоидов. Нехватка питательных веществ в воздухе означала, что выживать было труднее. Многоклеточные растения на суше развивались очень долго, несмотря на то, что в океанах разнообразная фауна процветала. Доминирующими формами жизни в кембрийский период были трилобиты, группа вымерших членистоногих. Они процветали почти 270 миллионов лет, что делает их самыми успешными из всех морских животных. Они пережили первые два массовых вымирания, а в общей сложности — восемь, прежде чем окончательно исчезли с лица Земли.

Когда эти морские насекомые ползали под водой, надземные кратоны снова были в движении. Они столкнулись друг с другом и образовали еще один суперконтинент под названием Паннотия. Но на этот раз строительные блоки суперконтинента по-настоящему не скрепились между собой. Панноция распалась менее чем через 60 миллионов лет после своего образования, что вновь вызвало тяжелые катаклизмы в отношении глобального климата и жизни. Во время кембрия произошли четыре быстрых последовательных всплеска массовых вымираний в течение 20 миллионов лет друг за другом, которые уничтожили почти 40% всей морской жизни, предвещая наступление нового периода.

Ордовикский период начался 485 млн лет назад и ознаменовал появление первых настоящих позвоночных — рыб. В океане обитало множество моллюсков и членистоногих, похожих на современных улиток, пауков и креветок, только гораздо меньших размеров. В медленно прогревающихся водах плавали морские звезды, губки, кораллы и другие фильтрующие воду организмы.

На суше медленно, но верно начали расти примитивные растения. Однако тут возникло осложнение. Почвы, как мы знаем, в ордовике не существовало. Почва представляет собой сочетание минералов и, в основном, разложившегося органического вещества. 465 млн лет назад, верхний слой поверхности Земли был бы просто голым камнем или песком, неспособным поддерживать жизнь. Но грибы, водоросли, мох и лишайники все равно начали расти на суше, будучи крошечными растениями, которые, пытаясь удержаться, пробивали себе путь в скалах и песке. Наиболее распространенными растениями были лишайники, которые встречаются на сухих пустынных землях даже сегодня. Когда начали появляться роющие землю животные, почва стала более плодородной. Эти животные были червями и клещами, рыхлящими землю.

Но деятельность этих крошечных червей и растений, которые начали буравить землю, имела неожиданные последствия. В какой-то момент верхний слой породы в нескольких местах был смыт в море, и все живое на нем погибло. Растения на суше были фотосинтезирующими, поэтому постоянное отмирание этих растений приводило к снижению уровня углекислого газа. Остатки мертвых организмов, попавших в воду, вызвали повышение уровня углерода в воде, что привело к снижению содержания кислорода.

Между тем кратоны, оставшиеся от Родинии и Паннотии, объединились, образуя более мелкие континенты. Южная Америка, Австралия, Антарктида, Индия и Африка слились воедино, образовав большой континент под названием Гондвана, названный так в честь жителей Гонда в центральной Индии. Гондвана неуклонно дрейфовал в направлении Южного полюса, в холодные районы планеты. Постепенное похолодание в сочетании с уменьшением содержания углекислого газа вызвал еще один ледниковый период.

Ледниковые периоды, как и массовые вымирания, приходили и уходили. Известно как минимум, про пять, возможно семь великих ледниковых периодов. Каждый ледниковый период почти всегда сопровождался массовым вымиранием. Наступление Андско-Сахарского оледенения начало цепочку событий, которые привели к так называемому Ордовикско-силурийскому вымиранию между 450 и 420 миллионами лет назад .

При вулканизме и изменении уровня Мирового океана в атмосферу выделяются много токсичных газов, что может вызвать аноксию (недостаток кислорода) в атмосфере и океанах. Помимо этого, снижение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли также отрицательно сказалось на привычных условиях жизни организмов той эпохи, так как они существовали в типичном парниковом климате. Это массовое вымирание убило более 40% жизни на суше и почти 85% жизни в воде. Считается, что из всех известных массовых вымираний на планете это событие стало третьим по процентному соотношению исчезнувших родов и вторым — по потерям в количестве погибших живых организмов, уступив лишь великому пермскому вымиранию.

В настоящее время ордовикско-силурийское вымирание и причины, вызвавшие его, интенсивно изучаются. Помимо гипотезы о массовом вымирании вследствие наступившего оледенения, изменения состава атмосферы, существует другая гипотеза, которая, как подозревают ученые, могла вызвать массовое вымирание: взрыв гамма-излучения.

Гамма-всплески — это очень мощные непредсказуемые выбросы энергии космических объектов, носящие взрывной характер в коротковолновой части электромагнитного спектра, наблюдаемые в далеких галактиках. Большинство наблюдаемых гамма-всплесков, представляют собой относительно узкие лучи мощного электромагнитного излучения, появляющегося во время вспышки сверхновой звезды, когда быстро вращающаяся массивная звезда сильно сжимается, превращаясь либо в нейтронную звезду, либо в черную дыру. Менее чем за две секунды гамма-всплеск может испустить столько энергии, сколько Солнце за десять миллиардов лет.

Воздействие одного гамма-всплеска на его прямом пути может полностью уничтожить нашу планету, разрушив ее.Гамма-луч, проходящий мимо Земли, может повредить атмосферу и лишить планету всего озона. Сегодня это может фактически уничтожить всю жизнь на Земле, что, вероятно, и могло произойти в период массового Ордовикско-силурийского вымирания, втором худшем массовом вымирании, которое когда-либо видел наш мир.

В следующей статье речь пойдет об эволюции растений, дальнейшей эволюции животных, первых горах на планете, следующем массовом вымирании, и формировании последнего большого суперконтинента.

По материалам: A Brief History of Earth: The Lives and Times of the First Ice Ages

---