Полная версия

Главная arrow Экология arrow Науки о Земле

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Формирование земной коры.

Образование атмосферы, гидросферы, и возникновение жизни

Земля состоит из ряда сфер или оболочек, разделы между которыми хорошо выявляются геофизическими, прежде всего сейсмическими, методами.

Наиболее четким в основании земной коры является раздел Мохо-ровичича («Мохо» или просто «М»), названный так в честь открывшего его в начале XX в. югославского геофизика и характеризующийся резким скачком скоростей продольных сейсмических волн от 7,8-7,9 до 8,2-8,3 км/с, свидетельствующим о появлении в разрезе оболочек Земли более плотного вещества иного состава, нежели то, которое находится выше. Поверхность «М» разделяет верхнюю мантию и земную кору, мощность которой меняется от 5-10 км в океанах, до 30-40 км на континентах, и 70-75 км в горных странах (Гималаи, Анды, Памир и др.). Выделяют два типа земной коры: материковую, или континентальную, и океаническую (рис. 6).

Обычно геологи имеют дело с самой верхней частью земной коры, в которой и сосредоточены все известные полезные ископаемые и которая доступна непосредственному наблюдению. Однако сейчас на дневную поверхность оказались выведены горные породы, формировавшиеся 2-3 млрд лет назад, но впоследствии испытавшие погружение на глубины в 10-20 км. Это кристаллические сланцы, гнейсы, различные граниты и другие породы, возраст которых определяется радиологическими методами, основанными на самопроизвольном распаде с постоянной скоростью радиоактивных минералов, входящих в состав многих горных пород.

Возникновение древней земной коры. Одни из наиболее древних горных пород по составу представляют собой базальтовые или кома-

осадки

Континентальная кора

+ + + + +

+ + + + '

+ + + + +

гранитно

метаморфический

слой

V

V

V

V

V

V

V

V

V

V

V

/

V

V

V

V

V

V

V

V

V

V

V

V/////////////// ///////////////У/л

гранулито-

базитовый слой

поверхность Мохо верхняя мантия

Океаническая кора

Т/вода

^-осадки

-подушечные базальты

I / ТI I Гм П I П I Г Г I [ "[ [ [-(-паРаллельные дайки

ГГГГГГГГГ г--кумуляты и габброиды

////////У///'/У////////////////^^уСн^ мантия

-поверхность Мохо

Рис. 6. Строение континентальной и океанической коры.

тиитовые (еще более обедненные 8Юг) лавы. С другой стороны, на континентах обнаружены так называемые «серые гнейсы» - древнейшие породы, обогащенные ЭЮз и АЬОз. Они скорее всего и являются реликтами древнейшей земной коры континентального типа с возрастом 4,0-3,5 млрд лет. Выводы о таком древнем происхождении первичной континентальной коры подтверждаются характером распределения ряда редкоземельных элементов в породах Канадского щита с возрастом 4,0 млрд лет, который свидетельствует о переработке еще более древней коры. Первичная природа «серых гнейсов», найденных на кристаллических щитах древних платформ - в Канаде, на Кольском полуострове, в Африке, Австралии, Восточной Сибири и других местах, вызывает споры. Не исключено, что эти породы могли образоваться разными способами. Важно лишь отметить, что процесс формирования земной коры приводил к накоплению ЭЮз и АЬОз и других химических элементов, характерных для верхней части коры.

Земная кора состоит из двух слоев (см. рис. 6): верхнего, содержащего граниты, гнейсы и другие кристаллические сланцы (т. е. в целом полевошпатового состава), и нижнего, состав которого предполагается близким к составу базальтов. В океанах присутствует только «базальтовый» слой, не считая осадков, а на континентах - оба слоя, в связи с чем земная кора на них более мощная. Это принципиальное различие в строении земной коры океанов и континентов уже существовало 3,5 млрд лет назад, а может быть, и несколько раньше. Важно подчеркнуть, что земная кора - это вполне самостоятельная геологическая система, возникшая в процессе дифференциации вещества Земли, и по составу она не имеет прямых аналогов среди разнообразных метеоритов.

Земная кора более 2,6 млрд лет назад отличалась по составу от современной. Вначале она была базальтовой или коматиитовой, и только потом она стала более «кислой», т. е. в ее составе стало больше оксида кремния. Из всех планет только кора Земли имеет в верху разреза гранитно-метаморфический слой в целом «гранитного» состава.

Образование атмосферы, гидросферы, и возникновение жизни. Ясных ответов на эти вопросы не существует, но очевидно, что наличию атмосферы, гидросферы и появлению жизни на Земле способствовало исключительно удачное расположение нашей планеты по отношению к Солнцу, т. е. не слишком далекое и не слишком близкое.

Атмосфера и гидросфера возникли практически одновременно и, по-видимому, не позднее чем 4,0-3,9 млрд лет назад, а скорее всего, даже раньше. Связано это было с формированием газовой оболочки в момент аккреции планетезималей, когда при их взаимном соударении не только возникало тепло, но и привносились газы. В результате их конденсации впоследствии и могла возникнуть вода. По современным представлениям, основная масса атмосферы и гидросферы образовалась в результате процесса дегазации мантии Земли в течение большей части истории планеты, т. е. от момента образования сферических оболочек где-то 4,2-4,0 млрд лет назад и, по крайней мере, до рубежа 0,6-0,5 млрд лет, когда объем воды был уже близким к современному. Исследования изотопов аргона и ксенона в базальтах срединноокеанических хребтов заставляют предполагать, что немалая часть газов выделилась на ранней стадии существования Земли как планеты. Выделение воды продолжалось и в более позднее время. Сегодня в недрах Земли еще содержится около 29 млрд км'1 воды, что намного больше количества воды, находящейся на Земле в Мировом океане, морях, реках, озерах, болотах, ледниках, в почве и в грунтовых водах. Здесь ее объем равен 1,45 млрд км3. Ежегодно и сейчас из недр на поверхность Земли выделяется около одного кубического километра воды. Существование воды в недрах Земли играет большую роль в генерации всех типов магм, так как вода понижает начальную температуру условий возникновения магм.

Биосфера - область на границе твёрдой, жидкой и газовой оболочек Земли, занятая живым веществом - совокупностью организмов. Биосфера возникла около 3,8-10 лет назад. Благодаря маломощной первичной атмосфере космическое излучение проникало на Землю. Под влиянием его облучения из вулканических дымов и газов Н2О, СО, С02, НБ, НС1, СН4, Б, Н2Б, Б2, ЫН3, Н3В03 и др. происходил абиогенный синтез сложных соединений углерода с симметричными молекулами, оптически неактивными. На этом фоне возник биогенный синтез асимметричных оптически активных молекул живого вещества. После возникновения в результате фотосинтеза азотнокислородной атмосферы над ней образовался озоновый экран. Вследствие этого космические лучи практически перестали проникать к поверхности Земли и абиогенный синтез органических соединений прекратился. Организмы не только изменили состав атмосферы, но прямо или косвенно участвуют в многочисленных геохимических процессах.

Предполагается, что химический состав первичной атмосферы имел восстановительный характер, в противоположность современному окислительному. В ранней атмосфере содержались азот, абиогенный кислород и водяной пар, но преобладал углекислый газ. В самые ранние этапы формирования Земли первичная атмосфера могла быть «сдута» с нее очень мощным солнечным ветром, так как активность Солнца в тот период была намного сильнее, чем в настоящее время. Сейчас в атмосфере Земли кислород составляет 21 %. Главный источник его поступления - это процесс фотосинтеза. Состав современной атмосферы отражен в табл. 22 (гл. 6, параграф 6.1). 1,2 млрд лет назад содержание кислорода было 0,001 % от современного. А в вендское время, около 600 млн лет назад, была, по-видимому, достигнута точка Пастера (0,01 % от количества кислорода в современную эпоху), что привело к биотическому «взрыву» - массовому появлению различных видов животных. В начале фанерозоя, т. е. около 0,57 млрд лет назад, количество кислорода составляло примерно 8-10 % от современного или меньше.

Примерно в это же время появляется озоновый экран (рис. 37). В дальнейшем содержание кислорода быстро увеличивалось, достигнув современного уровня уже в девонский период (0,41-0,36 млрд лет назад). Однако это увеличение было неравномерным и временами содержание кислорода вновь падало.

Гидросфера сыграла исключительную роль в эволюции жизни на Земле и предохранила ее от интенсивного парникового эффекта, существующего, например, в атмосфере Венеры. В водной среде происходило осаждение доломита СаМ^(СОз)2 и кальцита СаСОз, что уменьшало содержание в атмосфере ССЬ. Кроме того, гидросфера смягчала климат, делая его благоприятным для зарождения жизни. Атмосферу освободили от СО2 специализированные организмы, которые отлагали его либо в виде карбонатов в составе своей раковины, либо в виде ископаемых углей.

Время появления жизни. Геохронологическая и стратиграфическая шкалы. Первые достоверные следы жизни в виде окаменелых цианобактерий, относящихся к прокариотам, найдены в отложениях с возрастом 3,5-3,0 млрд лет. В отличие от косной материи органическая материя развилась на основе углерода, это единственный из химических элементов, который имеет подвижные точки локализации валентных связей на своей «поверхности». В результате были синтезированы белки, способные легко изменять свою физическую форму. Белки играют в организмах роль катализаторов, которые в биохимии называются ферментами. Белки состоят из 20 аминокислот. Важнейшим достижением жизни является «разработка» механизма передачи наследственности, одинакового для всех организмов.

Существует несколько гипотез происхождения жизни на Земле. Гипотеза химической эволюции предполагает протекание химических реакций в первичных примитивных атмосфере и гидросфере, приведших к возникновению химических систем, отвечающих по своим свойствам живой материи. Другая гипотеза отводит главную роль метеоритной бомбардировке и электрическим разрядам - молниям. Следующей гипотезой предполагается, что некоторые минералы могли адсорбировать на своей поверхности органические соединения, эволюция которых привела к появлению способности воспроизведения себе подобных. Еще одна гипотеза - панспермии - Сванте Аррениуса предполагает привнос жизни из Вселенной.

В недавно упавшем в Австралии метеорите «Мурчисон» были обнаружены как будто бы следы окаменевших цианобактерий. Если это так, то гипотеза панспермии находит подтверждение. Возможно, однако, что возникновение жизни на Земле обладало полигенностью, т.е. органические соединения возникали разными путями, хотя все процессы жизнедеятельности обеспечиваются при участии нуклеиновых кислот ДНК и РНК. В происхождении жизни главным вопросом является образование РНК. По сути, жизнь - это мир ДНК, обслуживаемый белками. ДНК является более сложной по организации формой первичной РНК.

В настоящее время открыто новое царство архебактерий, отличающееся от царства эубактерий молекулярными процессами, составом мембранных лепидов и другими свойствами. Именно архебактерии, существующие в «черных курильщиках» - выходах гидротерм на дне океанов, прекрасно себя чувствуют при / = +300 °С и давлении до 270 атмосфер (рис. 7). Некоторые архебактерии (анаэробы) погибают при ничтожном содержании кислорода. Может быть, именно такие архебактерии существовали в древнейшие времена, когда еще в атмосфере Земли не было кислорода и обстановка была восстановительной?

В течение почти 3 млрд лет, т. е. с 3,5 до 0,57 млрд лет, жизнь, если можно так выразиться, лишь «тлела», а настоящий биотический взрыв разнообразия видов произошел только в начале фанерозойского зона около 0,57 млрд лет назад, когда появилось большое количество групп беспозвоночных (рис. 8). Этому предшествовал также «внезапный» расцвет мягкотелых, медузоидных организмов в вендское время, около 0,6 млрд лет назад. Несмотря на бурное развитие органического мира в последние 0,5 млрд лет, были весьма многочисленные массовые вымирания организмов, но по крайней мере 4 раза имели место наиболее крупные: 1) 445^430 млн лет (ордовикско-силурийское); 2) 250-240 млн лет (пермско-триасовое); 3) 205-200 млн лет (триасово-юрское); 4) 65-60 млн лет (мел-палеогеновое).

Крупные двустворки

Рис. 7. Строение «черного курильщика» - современной «фабрики сульфидных руд» на дне океана.

Вымирание организмов, конечно, не было мгновенным процессом. Оно могло занимать 1-2 млн лет, но могло идти и быстрее. Причины вымираний представляют собой загадку, отражающуюся во многих гипотезах. Это и падение крупных метеоритов с последующей «ядер-ной зимой», временное увеличение радиоактивности, резкое изменение климата в связи с извержениями вулканов и др. Следует подчеркнуть, что периоды расцвета органического мира довольно хорошо коррелируются с интервалами увеличения содержания кислорода в атмосфере, тогда как уменьшение количества кислорода совпадает с массовыми вымираниями. На основании таких перерывов в развитии жизни разработана геохронологическая и стратиграфическая шкалы (табл. 1).

Растения Позвоночные Беспозвоночные

Рис. 8. Схема развития основных групп организмов и растений

в истории Земли.

Горизонтальная протяженность линзообразных фигур характеризует время появления и исчезновения растений и животных, а ее толщина соответствует времени увеличения или уменьшения их численности.

Геохронологическая и стратиграфическая шкалы

Период (система)

Эпоха

(отдел)

Продолжительность шкалы абсолютного времени, в млн лет

Индекс

и цвет

раскраски на геологической

карте

период

эпоха

ФАНЕРОЗОЙ(ский зон)

Кайнозойская эра -

Четвертичный

Голоценовая

1,7

  • ?

<3 - светло-желтый

Плейстоценовая

1,7

Начало четвертичного периода - 1,7 млн лет

Неогеновый

Плиоценовая

21

4

N - желтый

Миоценовая

17

Начало неогенового периода - 23 млн лет

Палеогеновый

Олигоценовая

41

12

? - оранже-вый

Эоценовая

18

Палеоценовая

11

Начало палеогенового периода - 64 млн лет

Мезозойская эра - М?

Меловой

Поздняя

70

33

К - зеленый

Ранняя

37

Начало мелового периода - 135 млн лет

Юрский

Поздняя

60

24

] - синий

Средняя

18

Ранняя

18

Начало юрского периода - 190 мин лет

Триасовый

Поздняя

40

24

Т - фиолето-вый

Средняя

10

Ранняя

6

Начало триасового периода - 230 млн лет

Палеозойская эра -

Пермский

Поздняя

55

18

Р - желто-коричневый

Ранняя

37

Начало пермского периода - 285 млн лет

Каменноуголь

ный

Поздняя

65

10

С - серый

Средняя

23

Ранняя

32

Начало каменноугольного периода - 350 млн лет

Девонский

Поздняя

55

20

О - коричне-вый

Средняя

15

Ранняя

20

Начало девонского периода — 405 млн лет

Период

(система)

Эпоха

(отдел)

Продолжительность шкалы абсолютного

времени, в млн лет

Индекс и цвет

раскраски на геологической

карте

период

эпоха

Силурийский

Поздняя

30

15

Б - оливко-вый

Ранняя

15

Начало силурийского периода - 435 млн лет

Ордовикский

Поздняя

45

12

О - серо-зеленый

Средняя

20

Ранняя

13

Начало ордовикского периода - 480 мін лет

Кембрийский

Поздняя

90

12

€ - сине-зеленый

Средняя

20

Ранняя

13

Начало кембрийского периода - 570 млн лет

ДОКЕМБРИЩский зон)

Подразделения докембрия

Поздний протерозой (РЫз) или рифей

(Я)

Протерозойская эра - РЯ

Ранний -

средний

протерозой

(РЯ|-2)

Терминальный рифей (ЯД или венд (V),

начало - 570 ± 20 млн лет

Поздний рифей (Я3),

начало 950 ± 50 млн лет

Средний рифей (Я2),

начало 1350 ± 50 млн лет

Ранний рифей (Я|),

начало 1650 ± 50 млн лет

Средний протерозой (РЯ2),

начало 1900 ± 100 млн лет

Ранний протерозой (РІС),

начало 2700 ± 100 млн лет

Архейская эра -АЯ

Поздний архей - АЯ2, начало 3300-3500 ± 150 млн лет

Ранний архей - АЯЬ начало 4600 ± 200 млн лет_

Примечание. Архейская группа стратонов окрашивается на геологических картах оттенками сиренево-розового цвета, а протерозойская - оттенками розового цвета.

Классификация современных животных и растений

В настоящее время принимается следующее соподчинение таксономических категорий:

Царство Тип (отдел)

Класс

Отряд (в ботанике порядок)

Семейство

Род

Вид А. Надцарство доядерных организмов (procaryota).

Царство - дробянки.

1. Подцарство бактерий (Bacteriobionta).

Отдел Bacteriomychota (Bacterid). Бактерии, актиномицеты, миксо-бактерии, спирохеты, микоплазмы, риккетсии и хламидии, возможно, вирусы.

2. Подцарство цианеи (Cyanobiontd).

Отдел Cyanomychota (Cyanophyta). Цианеи (сине-зелёные водоросли).

Б. Надцарство ядерных организмов (eucaryota). Сюда входят три царства - животные (Animalia), грибы (Mycetalid) и растения (Vegetabilia).

I. Царство животных (Animalia).

  • 1. Подцарство простейших (Protozoobionta, или Protozoa).
  • 2. Подцарство многоклеточных животных (Metazoobionta, или Metazoa). Выделяют около 16 типов.

Тип губки (Porifera, или Spongia).

Тип кишечнополостные (Coelenterata, или Cnidaria).

Тип гребневики (Ctenophora).

Тип плоские черви (Platyhelminthes).

Тип немертины (Nemertinea).

Тип первичнополостные черви (Aschelminthes, или Nemathelmi-nthes).

Тип кольчатые черви (Annelida).

Тип членистоногие (Arthropoda).

Тип онихофоры (Onychophora).

Тип моллюски (Mollusca).

Тип щупальцевые (Lophophorata, или Tentaculata).

Тип иглокожие (Echinodermata).

Тип погонофоры (Pogonophora).

Тип щетинкочелюстные (Chaetognatha).

Тип полухордовые (Hemichordata).

Тип хордовые (Chordata).

II. Царство грибов (Mycetalia, Fungi, или Mycota).

1. Подцарство миксомицетов (низшие грибы) (МухоЫоШа).

Отдел (тип) слизистые грибы, или миксомицеты {МухомуШа).

2. Подцарство грибов (высшие грибы) (МусоЫопШ).

Отдел мастигомицеты, или зооспоровые грибы (МаяПуотусо 1а). Отдел зигомицеты (Еу^отусоШ).

Отдел аскомицеты (А8сотусо1а).

Отдел базидиомицеты (ВазШюту со 1а).

Отдел несовершенные грибы (И ей (его ту со 1а).

III. Царство растений (Vegetabilia, или Р 1аМае).

Обычно подразделяются на 2 подцарства.

1. Подцарство низших растений (ТкаИоЫоЫа). В это подцарство входят только водоросли (без сине-зелёных).

Отдел криптофитовые водоросли {СгурЮркуПа).

Отдел эвгленовые водоросли {Euglenopkyta).

Отдел пиррофитовые водоросли {РуггоркуПа).

Отдел золотистые водоросли (Скгу$орпу1а).

Отдел бурые водоросли (РпаеоркуШ).

Отдел зелёные водоросли {Скюгоркуи1).

Отдел красные водоросли (Ююс1оркуШ).

2. Подцарство высших растений (.ЕтЬгуоЫоЫа, или ТеЬтоЫоМа). Отдел риниевидные, или псилофиты ('ЯкупюркуШ).

Отдел моховидные (В)уорку(а).

Отдел плауновидные (кусороскоркуЧа).

Отдел псилотовидные (РяПоЮркуПа).

Отдел хвощевидные {ЕциЕеШркуШ).

Отдел папоротниковидные (РЫуросИоркуШ).

Отдел голосеменные {Рторку1а, или Сутпоярегтае).

Отдел цветковые, или покрытосеменные (Magnoliopkyta, или А }щюнрегтае).

Эволюционное развитие организмов отражает также рис. 9.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>