Катастрофы в истории биосферы

   Оглавление:

Введение................................................................................................стр. 2

1. Появление жизни на Земле.............................................................стр. 3
2. Катастрофы в истории биосферы...................................................стр. 8
1. Судный день амфибий..........................................................стр. 8
2. В ледяном плену....................................................................стр. 11
3. Задохнувшиеся в кислороде.................................................стр.13

Заключение............................................................................................стр.15

Список литературы...............................................................................стр. 16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Введение

   Появление жизни на Земле - одна из самых больших  загадок, волнующих человечество на протяжении всей его истории. Свидетельства  этого процесса ученые ищут в древнейших горных породах. Последние годы принесли ряд крупных открытий, которые позволяют по-новому взглянуть на эволюцию нашей планеты. Предлагаем вниманию читателей гипотезу, которая описывает развитие биосферы исходя из анализа древнейших геологических отложений.

   Как появилась  биосфера и какие события произошли  на пути ее эволюции? Чтобы заглянуть в далекое прошлое, приходится расшифровывать геологическую историю Земли. Горные породы - это своеобразная "каменная летопись" планеты. В них сохранились окаменелые останки вымерших животных, растений, бактерий, по которым удается реконструировать историю жизни. По структуре горных пород можно восстановить физические и химические условия, в которых жизнь зародилась и развивалась. Сенсационным открытием последних лет стало обнаружение останков бактерий в метеоритах (углистых хондритах): это значит, что жизнь возникла не только на Земле.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Появление жизни на Земле

   Допланетное облако, из которого образовались Солнце и все планеты, на 99 процентов  состояло из водорода с примесью гелия, на остальные химические элементы оставалось совсем немного - 1-2 процента. Большая часть облака пошла на образование Солнца, а меньшая стала материалом для формирования планет. Когда Земля и другие планеты земной группы, образовавшиеся из пылевидных частиц, потеряли водородное покрывало? Многие ученые считают, что водород был унесен солнечным ветром еще до окончания образования планет. Однако анализ геологического строения Земли показал, что в первые 500-600 млн лет существования она была окружена водородной оболочкой, масса которой составляла примерно 0,5 процента от массы планеты.

   Земля возникла около 4,6 млрд лет назад, а  приблизительно 4,5 млрд лет назад  на ней уже повсеместно проявлялась  интенсивная вулканическая деятельность, поставлявшая на земную поверхность  базальтовую магму. При высоком давлении (около 10 тысяч атмосфер), создаваемом водородной атмосферой, базальты подвергались переплавлению, превращаясь в высокоплотные породы, а 4,4 млрд лет назад выплавились первые граниты.

   Среди измененных давлением базальтов  залегают и осадочные породы, образовавшиеся с участием бактерий. Отпечатки разнообразных микроорганизмов, обнаруженные на Алданском массиве в графитовых сланцах, не оставляют сомнений, что с самого начала земной истории развивалась бактериальная жизнь. Столь же рано жизнь возникла и за пределами Земли. Российские ученые С. И. Жмур, А. Ю. Розанов, В. М. Горленко обнаружили в метеоритах (углистых хондритах) окаменевшие останки бактерий, напоминающие по морфологии цианобактерии (синезеленые водоросли). Откуда прилетели эти метеориты? Для поддержания жизни бактериям необходима не только вода, но и углекислота, а это значит, что небесное тело было достаточно большим и тяжелым, чтобы удержать гидросферу и атмосферу. Оно не могло быть маленьким астероидом, а как минимум достигало размера Марса.

   Метеориты попадают к нам из пояса астероидов, где первоначально существовала планета, получившая название Фаэтон. О времени ее разрушения свидетельствует  Луна - 4 млрд лет назад на нее обрушился  шквал обломков взорвавшейся планеты, и образовались гигантские ударные кратеры диаметром до 1000 км. Такие же обломки летели к Земле, но они разрушались в окружавшей ее плотной атмосфере. Предположительно, Фаэтон погиб из-за того, что рассеялась его водородная атмосфера. Внешнее давление снизилось, и газы, сжатые в железо-силикатном ядре, буквально взорвали планету изнутри. По гипотезе академика А.Н. Заварицкого (1884-1952), разрушение Фаэтона проходило в несколько этапов. Сначала откололась базальтовая кора и обнажилась расплавленная мантия. Затем на остывшей поверхности полуразрушенного Фаэтона образовалась вторичная кора из углистых хондритов. Вот тогда и сложились условия, необходимые и достаточные для возникновения жизни.

   На  Земле "начало жизни" скрыто, а  в обломках Фаэтона сохранилась  вся "кухня" жизнеобразования. Что общего было на Земле и Фаэтоне в эпоху зарождения биологических структур? Во-первых, высокое давление водородной атмосферы и, во-вторых, активная вулканическая деятельность. Извержения вулканов поставляют газы, необходимые для синтеза углеродсодержащих соединений, создают контрастные колебания температуры. Сверхвысокое давление ускоряет химические реакции и определяет их направленность.

   На  примере Земли, Луны и погибшего  Фаэтона ясно, что планеты к  концу процесса своего формирования были разогреты до плавления их внешних зон. Излияния базальтовой магмы, захватывающие гигантские площади, сопровождались выделением огромных объемов вулканических газов (паров воды, угарного и углекислого газов, аммиака, метана, хлористого водорода и других).    [Журнал «Наука и жизнь»  №6, 2003 г. ] 
 
 

   Живые организмы появились на Земле  в архее в виде простейших прокариотных форм, представленных в основном бактериями. Начиная с того времени шло  непрерывное развитие биосферы и  совершенствование её фауны —  от бактерий к одно- и многоклеточным организмам, затем к позвоночным и эндотермным обитателям планеты. Развитие живых существ неоднократно прерывалось мощными внешними и внутренними воздействиями на Землю: падением крупных астероидов, метеоритов и комет, вспышками сверхновых звёзд, проявлением вулканизма и температурных аномалий.

   Астероидным катастрофам посвящено большое количество исследований. Наиболее полно эта проблема освещена в монографии И.А. Резанова „Жизнь и космические катастрофы“. Важное значение для идентификации падений крупных метеоритов имело установление факта привноса ими на Землю ряда химических элементов, в том числе иридия. В настоящее время аномалии иридия в геологическом разрезе используются для выявления метеоритных вторжений.

   Учёные  считают, что первая экологическая катастрофа произошла на заре зарождения прокариотной биосферы. Земля была подвергнута интенсивной метеоритной бомбардировке, в результате которой исчезла её первичная водородная атмосфера. Прокариоты, выжившие после этого события, вынуждены были в течение 1.5 млрд. лет адаптироваться к новой среде обитания, пока не научились осваивать энергию Солнца через процессы фотосинтеза.

   На  протяжении своей истории Земля  неоднократно подвергалась метеоритным  атакам. Подтверждением этого являются многочисленные кратеры на её поверхности. По данным В.И. Фельдмана, на современных континентах зафиксированы следы 135 кратеров от крупных метеоритов. Самый древний кратер Вредефорт на юге Африки имеет возраст около 2 млрд. лет.

   Наиболее  известный кратер под названием Попигайская котловина на севере Средне-Сибирского плоскогорья имеет диаметр 75 км и глубину около 10 км. Предполагается, что упавший метеорит был диаметром 0.8–1.5 км и падал со скоростью не менее 15–20 км/с. Метеорит заглубился в Землю на 2 км и взорвался. Энергия взрыва составила около 1.7×1023 Дж, что на три порядка выше энергии извержения вулкана Кракатау в 1883 г. По изотопным данным, Попигайский метеорит упал на Землю 35.7±0.2 млн. лет назад, то есть на рубеже эоцена и олигоцена. К этому времени приурочены значительные изменения в палеогеновой фауне нашей планеты.

   Механизм  вымирания живых организмов при  падении метеоритных тел был  описан М.И. Будыко, Г.С. Голицыным и Ю.А. Израэлем, высказавшими гипотезу об аэрозольных климатических изменениях, наблюдаемых при падении космических тел. По мнению учёных, падение метеоритов приводило к выбросу огромного количества пыли, снижающей прозрачность атмосферы и уменьшающей интенсивность солнечной радиации на Земле. В результате на какое-то время температура поверхности планеты понижалась на 5–10°С,  снижалась эффективность процессов фотосинтеза, что приводило к гибели отдельных видов организмов. Кроме того, при прохождении через атмосферу небесные тела разрушали озоновый слой, спасающий от проникновения жёсткого излучения на поверхность Земли.

   Другим  примером крупной космической катастрофы стало падение астероида массой около 15×1018 г диаметром примерно 10 км 66 млн. лет назад (на рубеже мела и палеогена). Существует версия, что  эта катастрофа могла быть связана с несинхронным падением нескольких космических тел или крупной кометы, взорвавшейся при подходе к Земле. В результате образовалось несколько кратеров: в районе Красного моря, на северо-востоке Донецкого кряжа, в Северной Африке, Беринговом море, на полуострове Юкатан. В отложениях того времени фиксируется повышенное содержание иридия. Анализ фактов позволяет считать, что это крупное космическое событие стало причиной экологической катастрофы, приведшей к массовому вымиранию биоты, в том числе динозавров. Данный экологический кризис был назван „великим вымиранием“, так как привёл к исчезновению в мезозойской биоте 18% семейств и более 45% видов живых организмов.

   Помимо  падения космических тел экологические  кризисы на Земле могут быть вызваны  солнечными вспышками, сопровождающимися выбросами радиоизлучения и огромного потока солнечных частиц. Процессы на Солнце имеют определённую периодичность. Установлены периоды с 11–, 22–, 80-90-летней повторяемостью. Существуют данные и о более длительных периодах повторяемости солнечных явлений. С вариациями потоков солнечной энергии связано изменение светимости Солнца и развитие оледенений на Земле. Они могут охватывать всю планету и продолжаться несколько миллионов лет. О существовании холодных эпох в далёком прошлом нашей планеты свидетельствуют находки тиллитов — глинистых толщ с многочисленными включениями скатанных обломков коренных пород.

   Самое раннее оледенение (Гуронское) было в  нижнем протерозое 2.5–2.2 млрд. лет назад, крупные оледенения происходили  также в ордовике (460–430 млн. лет назад) и на границе карбона и перми (310–260 млн. лет назад), а на поздних этапах развития планеты — в неогеновом и четвертичном периодах. В конце олигоцена в Антарктиде зародились гигантские ледяные шапки, сохранившиеся до настоящего времени. Чередование морен с флювиогляциальными образованиями свидетельствует о многократном наступлении ледников в неоген-четвертичное время, которые сменялись более тёплыми межледниковыми эпохами. С наступлением оледенения происходило уничтожение экосистем, гибель или миграция фауны. Однако в межледниковые эпохи биота быстро восстанавливалась и шло формирование новых экосистем.

[Резанов  И.А.  Жизнь и космические катастрофы. М.: Агар, 2003., стр. 259] 
 
 
 
 
 
 

2. Катастрофы  в истории биосферы

   Про гибель динозавров написано и рассказано столько, что в наши дни каждый школьник сможет выдать несколько занимательных версий  этого глобального катаклизма. Однако в истории Земли были и другие, более грандиозные катастрофы, истребившие многочисленные формы жизни. Сами динозавры были потомками рептилий, которые чудом выжили в результате глобального вымирания почти всего живого на земле в конце пермского периода – геологическую эпоху, названную в честь города Пермь, в окрестностях которого в XIX веке были обнаружены и впервые подробно изучены пласты, относящиеся к этой эпохе. Но тех, кто не смог пережить этот и другие подобные катаклизмы, было неизмеримо больше.

1. Судный день амфибий

   По  своим масштабам это катастрофа значительно превосходила ту, что стерла с лица Земли гигантских ящеров. Но о ней ученый мир узнал несколько позднее, она не была так популяризирована, как гибель динозавров, поэтому обыватель только сейчас начинает знакомиться с подробностями этого величайшего катаклизма в истории биосферы.

   Среди последних исследований стала работа российских и британских палеонтологов из университета Бристоля и Геологического  института Саратовского ГУ, которые обследовали несколько сот образцов, найденных в южно-уральском регионе. Их выводы помогут осознать масштабы катастрофы, полную картину которой только начинают составлять…

   После настоящей «вспышки» жизни в  каменноугольном периоде (360-285 миллионов лет назад), когда земная поверхность представляла собою кишащие жизнью, жаркие и влажные джунгли, в пермском периоде (285-248 миллионов лет назад) климат становится суше и напоминает субтропический: чередуются сезоны засухи и дождей. Однако сохранялись болота и озера, которые окружали густые леса хвойных, папоротников, плаунов и хвощей. В них по-прежнему господствовали земноводные, в том числе такие хищники, как двухметровый эриопс, и весьма необычные диплокол и диплоцераспис – саламандрообразные животные с огромными сплющенными головами. Для чего у них на теле были наросты, похожие на самолетное оперение, до сих пор не выяснено.

   Впрочем, загадкой остается и огромный «парус» диметродона – одной из первых рептилий, чьи останки были открыты в пермских отложениях Северной Америки.  Его кожистая пленка была растянута на длинных отростках, растущих прямо из позвоночника,  и действительно напоминает парус. Возможно, он помогал ему  регулировать температуру тела, работая как своеобразный улавливатель солнечного тепла.

   Рептилии  как класс появились еще в  конце каменноугольного периода. К  началу пермской катастрофы они прочно заняли  свою нишу рядом с земноводными и успели разделиться на несколько  групп. Среди них были мезозавры – первые вернувшиеся в воду пресмыкающиеся, текодонты– предки динозавров, и теплокровные «зверообразные»  цинодонты – предки млекопитающих.

   Около 250 миллионов лет назад вымерло 70 % наземных видов жизни – и  планета превратилась в гигантское кладбище, где себя хорошо чувствовали только огромные грибы, размножившиеся на останках растений и животных (такой вывод был сделан на основании находок  огромного количества спор и мицелий). Этот «золотой век» грибов, короткое пиршество на руинах погибшего мира, стал занавесом катастрофы. Последствия пермской катастрофы были столь плачевными, что даже через пятнадцать миллионов лет видовое разнообразие экосистем так и не восстановилось.

   Конечно, нет худа без добра. Благодаря  катаклизму, с лица земли исчезли  ужасные гигантские насекомые и земноводные, открыв дорогу предкам динозавров и млекопитающих. А в морях начали стремительно размножаться костные рыбы… Но какова же его причина? Первой версией была глобальная засуха, которая действительно могла погубить влаголюбивые леса и амфибий. На эту мысль наталкивают в значительные солевые отложения, обнаруженные в пермских горных породах. Однако во время пермской катастрофы еще в большей степени пострадала морская жизнь – 90% животных и растений, обитавших на мелководье. Вымерло почти все, что не спряталось в подводных пещерах или не опустилось на глубину. Полностью исчезли трилобиты, большая часть аммонитов и других моллюсков, многие виды рыб.

   Столь масштабный урон, нанесенный биосфере, вызывает не просто удивление и живой  интерес, но и понятную озабоченность со стороны ученых, занятых исследованием последствий той далекой трагедии – а вдруг она повторится? Предположений много: взрыв сверхновой звезды, который уничтожил все живое своим губительным излучением, недостаток кислорода в океане и атмосфере, массовое извержение на территории будущей Сибири…

   Самой популярной является традиционная в  таких случаях метеоритная гипотеза. Недавно профессор Асиш Басу (Asish R. Basu) из университета Рочестера (США) и  его коллеги сообщили о находке в образцах твердой породы Антарктики, относящейся к концу пермского периода, элементов, указывающих на присутствие остаточных частиц метеорита. Они считают, что диаметр упавшего тела мог достигать 10 километров. Энергия, выделившаяся в результате столкновения с ним, в миллион раз превышала энергию самого сильного из известных землетрясений. А одним из последствий стало усиление вулканической активности по всей планете.

   Похожей гипотезы придерживаются и коллеги профессора Кайхо Кунио (Kaiho Kunio) из университета Тохоку, которые считают, что 250 миллионов лет назад астероид или комета упала в океан. Этот вывод они сделали на основании залежей серы, обнаруженных у южного побережья Китая. Столкновение с космическим пришельцем запустило процессы массивного выброса серы в океан и атмосферу, падения уровня кислорода в атмосфере, выпадения кислотных дождей, которые не только способствовали массовому вымиранию живых организмов по всей планете, но и вызвали множество мутаций, которые в последствии послужили причиной появления новых видов животных и растений.

   Космическая гипотеза кажется наиболее вероятной, но пока ученые не пришли к единодушию относительно места и природы упавшего на землю тела, ее нельзя считать в должной мере обоснованной.

2. В ледяном плену

   Пермская  катастрофа была, наверное, самым мощным, но не первым великим испытанием, которое  пережила биосфера нашей планеты. Гораздо раньше ей пришлось столкнуться с чередой великих оледенений, случившихся в период между 750 и 440 миллионами лет назад. По своим масштабам они значительно превосходило последний ледниковый период, поскольку их следы обнаружены даже в экваториальных районах тогдашней суши – что показывают анализы остаточной намагниченности горных пород.

   Весьма  красноречиво о масштабе этих оледенений говорят и отложения, в частности  валунных, достигающих 800 метров! Это в несколько раз больше, чем аналогичные отложения последнего ледникового периода. Особенно жестокой была Варангская эпоха оледенения, начавшаяся 680 миллионов лет до нашей эры. Исследования карбонатных отложений показывают, что ей предшествовал период чудовищных температурных амплитуд – когда жара внезапно сменялась арктическим холодом. В конце-концов из этой эпической борьбе огня и льда победителем вышел последний. По мнению некоторых ученых, двухкилометровый слой льда покрыл почти всю планету.

   В океанах даже временно прекратилась биологическая активность – лед  перекрыл доступ солнечных лучей, без  которых невозможен фотосинтез. Последнее  из этих великих оледенений произошло  на рубеже ордовикского и силурийского периодов (440 миллионов лет назад). Живой мир теплых мелководных морей был снова застигнут врасплох великим глобальным похолоданием. Оно больно ударило по живым организмам, любящим нежиться в прогретой солнцем воде. Существовавшая на тот момент жизнь была бесхребетной и в переносном, и в прямом смысле. Бесчисленные черви, первые членистоногие, удивительные существа, которых до сих пор затрудняются классифицировать, – все, что размножилось в результате т.н. «кембрийского эволюционного взрыва» и существовало в практически тепличных условиях, столкнулось с суровым испытанием. Палеонтологи зафиксировали вымирание многих видов.

   Как результат, погибла почти вся  уникальная биосистема первобытного океана. Это был переломный этап в истории эволюции – она пошла другим путем. Толчок к развитию получили организмы, более других способные к ожесточенной борьбе за выживание. Спустя 50 миллионов лет жизнь снова развилась настолько, что смогла выйти на сушу. Возможно, если бы не это похолодание, она бы так и осталась бы в воде, и пошла бы по пути создания иных высших существ – например, разумных моллюсков… Каждое оледенение прекращалось столько внезапно, как и начиналось – разумеется, в масштабах геологического времени. И это вызывает ряд вопросов. Причем, если еще лет двадцать назад это была чисто научная любознательность, то сегодня тема древних оледенений изучается на фоне озабоченности нынешним состоянием земного климата. Что именно вызывало эти катаклизмы и, опять таки, не случиться ли подобное снова?

   Называют  несколько причин. Одна из них –  прохождение Земли сквозь огромные облака космической пыли, затруднившее доступ солнечного тепла. Однако эта  теория слишком гипотетична и  пока что не имеет никаких доказательств. Большее внимание привлекает актуальная теория «парникового эффекта», а именно: оледенение наступало тогда, когда в земной атмосфере резко снижалось количество «парниковых» газов – углекислого газа и метана. Первый поглощался стремительно размножавшимися водорослями, а второй окислялся выделяемым ими кислородом. Парниковый покров исчезал, атмосфера остывала быстрее, от резких перепадов температур возникали чудовищные циклоны.

   Соответственно, когда на планете усиливалась  вулканическая активность, и в  атмосферу выбрасывалось большое количество углекислоты, то «парниковый эффект» возвращался – создавая на планете более теплый и спокойный климат…

3. Задохнувшиеся в кислороде

      С изменением состава земной атмосферы  была связана еще одна веха развития земной биосферы, которую с одинаковым успехом можно назвать как эволюционным скачком, так и глобальной катастрофой –  с какой стороны посмотреть. Около 2,5 миллиардов лет назад в водах мирового океана расцвела первая примитивная жизнь. Основную группу тогдашних живых обитателей планеты представляли сине-зеленые водоросли (они существуют до сих пор, но уже не доминируют в природе). По мнению сотрудников американского Института геномных исследований (The Institute for Genomic Research), принимавших участие в расшифровке генетического кода этих бактерий, они были первыми фотосинтезирующими живыми организмами планеты. Примитивней них были только еще более древние микроорганизмы, которые просто поглощали различные неорганические вещества.

      Сине-зеленые  водоросли жили за счет фотосинтеза, однако помимо углекислого газа поглощали  не воду, а сероводород. «Отходами» такого производства, как нетрудно догадаться, являлась чистая сера. Но запасы сероводорода катастрофически уменьшались, поскольку выделяемая сера не возвращалась в круговорот, а вулканы не успевали поставлять жизненно необходимый бактериям газ. По мнению американского исследования Джеймса Кастинга (James F. Kasting), с подобным дефицитом «продовольствия» столкнулась другая группа бактерий, еще более древних, которая получала необходимый водород в чистом виде, пока он сохранялся в атмосфере Земли. При этом продуктом их синтеза был метан – отчего бактерии получили название метаногенов.

      Возможно, на этом бы земная жизнь и закончилась, если бы новая группа бактерий не приспособилась добывать водород из более доступного источника – воды, с  помощью все того же фотосинтеза. Благодаря практически неисчерпаемому источнику ресурсов, эти предки растений начали стремительно развиваться, вытесняя другие, «голодающие» виды, чей ареол стремительно сужался. А выделяемый при фотосинтезе  кислород, окисляя другие газы и соединения, оставил без питания примитивных анаэробов – и даже убивает некоторые их виды (облигатные анаэробы).

      Древние метаногены с исчезновением свободного водорода вообще вымерли, ряд же других «старожилов» планеты были вынуждены  схоронится у источников стремительно исчезающего пропитания – у жерл подводных вулканов и гейзеров, в насыщенном сероводородом морском иле, гнилых болотах. Но это были лишь жалкие остатки некогда пышной архаической жизни.

      На  первый взгляд - обычная борьба бактерий за выживание, которые даже не видна  невооруженным глазом. Однако в реальности это был колоссальный переворот, который одним открыл дорогу к развитию, а для одних стал катаклизмом, остановившим их развитие и отбросивший их в «подвал» эволюции. Это заставляет сделать ряд важных выводов. Во-первых, человек как один из видов земной жизни своей деятельностью загрязняет моря, уничтожает леса и изменяет состав атмосферы, что также может повлечь за собой еще одну грандиозную катастрофу.

      Во-вторых, жизнь может зародиться и развиваться  и в атмосфере, отличной от современной  земной. Поэтому при поиске ее на других планетах не следует сосредотачиваться  исключительно на «кислородных» мирах. И в-третьих, не исключено существование внеземной жизни, основанной на еще неизвестных нам химических процессах, которые могут быть опасны для земной биосферы. Можно только представить себе, что произойдет, если на Землю попадут микроорганизмы, живущие за счет синтеза из воды и свободного азота ядовитого для нас аммиака…

   [Журнал «Вокруг света», 2006 г.] 
    
    
    
    
   

      Заключение

      Биосфера  как саморазвивающаяся система  за многомиллиардную историю существования пережила огромное количество локальных и глобальных кризисов, всякий раз возрождаясь и продолжая своё развитие на новом эволюционном уровне. Человек как любой биологический вид — временный житель на Земле. Исследование биологов показывают, что заложенные в эволюцию животного мира механизмы постоянной смены видов обеспечивают существование в биосфере одного вида в среднем около 3.5 млн. лет. Поэтому современный человек — кроманьонец, появившийся 60–30 тыс. лет назад как биологический вид — находится на начальном этапе развития. Однако своей деятельностью за относительно короткий срок он противопоставил себя биосфере и создал условия для антропогенного кризиса.

      Нет оснований считать, что наступающий  экологический кризис приведёт к полной гибели биосферы. Проблемными остаются вопросы: выживет ли человек и сохранится ли цивилизация на Земле? Ответ на этот вызов может дать только человеческое общество. 
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
   

      Список  литературы:

   1. Журнал «Наука и жизнь»  №6, 2003 г.
   2. Резанов И.А.  Жизнь и космические катастрофы. М.: Агар, 2003.
   3. Журнал «Вокруг света», 2006 г.