Архейская эра что означает название
Хронология. 1. 2. Архейская эра
Хронология истории развития человечества. Книга 1. Рождение человечества.
Александр Сергеевич Суворов («Александр Суворый»)
Опыт реконструкции последовательности исторических событий во времени и пространстве в корреляции с солнечной активностью.
Рисунок из открытой сети Интернет.
Глава 2. Архейская эра.
Криптозойский эон. Архейская эра. Раннеархейский период.
4 600 000 000 до н.э.
Солнечная система. Вспышка активности Солнца. Земля. Начало периода «скрытой жизни». 4 600 000 000 до н.э.
Начало периода «зима-весна» Первого галактического года галактики «Млечный путь» (4 600 000 000 – 4 500 000 000 до н.э.). Солнечная система пересекала газопылевой спиральный рукав нашей галактики. Масса Солнца настолько возросла, что Солнце превратилось из тусклого красного или оранжевого карлика в горячую звезду спектрального класса G2. На Земле происходит крупномасштабная дифференциация вещества. Тяжелые элементы и их соединения, «тонущие» в толще Земли, образовали первичное ядро и мантию планеты, а «всплывшие» легкие элементы и их соединения образовали тонкую первичную кору, состоявшую как у всех планет земной группы, из вулканических базальтов, перекрытых сверху толщей отложений, родственных по составу каменным метеоритам. Начало так называемого «Криптозойского» эона или «времени скрытой жизни» (4 600 000 000 – 570 000 000 до н.э.). Начало Архейской эры (4 600 000 000 – 2 500 000 000 до н.э.) и Раннеархейского периода (4 600 000 000 – 3 400 000 000 до н.э.) геологической истории Земли.
Антарктида. 4 600 000 000 до н.э.
На территорию будущей Антарктиды упал один из самых древних из известных метеоритов.
Криптозойский эон. Архейская эра. Раннеархейский период.
4 500 000 000 до н.э.
Солнечная система. Земля. Вспышка вулканизма. Пиросфера. 4 500 000 000 до н.э.
Начало интенсивных проявлений вулканизма в низкоширотном поясе земного шара (6,5 баллов). Возникновение пиросферы, огненножидкой массы внутри Земли. Земля вся представляет собой кипящий вулканический котел. Поверхность Земли многократно меняется. Потоки жидкой лавы местами образуют целые моря, застывают и вновь расплавляются. Начало так называемого «лунного» (или «безжизненного») этапа развития Земли – от образования коры до возникновения гидросферы (4 500 000 000 – 4 000 000 000 до н.э.). Период «лето-осень» Первого галактического года нашей галактики «Млечный путь».
Криптозойский эон. Архейская эра. Раннеархейский период.
4 400 000 000 до н.э.
Солнечная система. Космос – Земля. Метеоритная бомбардировка. 4 400 000 000 до н.э.
Землю бомбардируют метеориты и иное вещество из космоса. Они оставляют после себя огромные круглые воронки, такие же, как кратеры и моря Луны. Период вращения (сутки) Земли около 10 часов. В скальной породе, которая в будущем будет обнаружена в восточной Австралии, зародился 200-микронный кристалл циркония. К моменту формирования кристалла поверхность Земли была уже достаточно холодной, чтобы иметь воду и водяные бассейны. Концентрация 😯 в оксиде циркония указывает на то, что скала, где зародился кристалл, взаимодействовала с водой. Это означает, что температура в этом месте Земли не превышает 100°C. Период «лето-осень» первого галактического года нашей галактики «Млечный путь».
Криптозойский эон. Архейская эра. Раннеархейский период.
4 300 000 000 до н.э.
Солнечная система. Земля. Метеоритная бомбардировка. Вспышка вулканизма. Начало «химической эры». 4 300 000 000 до н.э.
В результате интенсивной вулканической деятельности над Землей появились тяжелые густые облака из различных газов, водяных паров и пепла, почти не пропускавшие солнечных лучей. Земную поверхность начали сотрясать титанические ураганы, грозы и молнии. Начало разделения химических элементов в недрах Земли и начало так называемой «химической эры» в истории Земли (до появления животных с нервной системой). Период «зима-весна» Второго галактического года нашей галактики «Млечный путь». Активная бомбардировка Земли метеоритами закончилась вместе с окончанием очередной галактической зимы.
Криптозойский эон. Архейская эра. Раннеархейский период.
4 200 000 000 до н.э.
Солнечная система. Земля. Метеоритная бомбардировка. Интенсивный вулканизм. Образование гранитных пород. 4 200 000 000 до н.э.
Высокий уровень вулканизма на Земле (6 баллов). Начало образования древнейших кристаллических пород первичной коры. Под действием высоких температур и давлений базальты метаморфизировались, переплавлялись, обогащались кремнеземом и преобразовывались в гранитно-гнейсовые породы. Период «лето-осень» Второго галактического года нашей галактики «Млечный путь».
Криптозойский эон. Архейская эра. Раннеархейский период.
4 000 000 000 до н.э.
Солнечная система. Земля. Метеоритная бомбардировка. Интенсивный вулканизм. Первичная кора. Катархейский этап геологической эволюции. 4 000 000 000 до н.э.
Высокий уровень вулканизма на Земле (6 баллов). Наибольшие проявления тектонической и вулканической происходят в экваториальной области Земли. Образование древнейших каменных пород в виде застывших кристаллических горных пород первичной коры (3 960 000 000 до н.э.). Начало освобождения Земли от водородной атмосферы. В период 4 000 000 000 – 3 900 000 000 до н.э. большая часть водорода улетучилась в космос или вошла в состав земных горных пород. В результате снизилось давление в атмосфере, на поверхности и в недрах планеты. Уменьшилось действие парникового эффекта. Атмосфера Земли стала состоять из смеси газов: СО2, СО, N2, NН3, СН4, Н2О и других. Кислород в первичной атмосфере Земли практически отсутствует. Состав атмосферы в основном теперь формируется из газов, выделяющихся из мантии. Начало Катархейского этапа геологической эволюции Земли (4 000 000 000 – 3 500 000 000 до н.э.). Период «зима-весна» Третьего галактического года нашей галактики «Млечный путь».
Криптозойский эон. Архейская эра. Раннеархейский период.
3 900 000 000 до н.э.
Солнечная система. Земля. Интенсивный вулканизм. Возникновение литосферы. Раскаленный климат. Прекращение метеоритной бомбардировки. Отдаление Луны. 3 900 000 000 до н.э.
Высокий уровень вулканизма на Земле (6 баллов). Возникновение литосферы, каменной оболочки Земли. Климат Земли исключительно жаркий, раскаленный. Вещество планеты в глубину дифференцируется на оболочки и геологические процессы осуществляются при их взаимодействии. Вместе с окончанием галактического года закончился период интенсивной ударной бомбардировки Земли метеоритами: количество выпадавшего на ее поверхность космического вещества снизилось до 1 000 000 тонн в год. После бомбардировки Земли метеоритами и другим космическим осталось около 22 000 кратеров диаметром более 20 км и около 40 кратеров диаметром 1000 и более километров. Ландшафт Земли формируют кратеры, оставшиеся после падения метеоритов и вулканы. Луна постепенно удаляется от Земли. Действие приливных сил, разогревавших недра Земли и тормозивших её вращение, ослабевает. Земля остывает. При снижении температуры поверхности Земли ниже 150°С в результате конденсации водяных паров возникают первые открытые водоёмы – гидротермальные системы – естественные химические реакторы и будущие «инкубаторы» жизни (3 850 000 000 до н.э.). Период «зима-весна» Третьего галактического года нашей галактики «Млечный путь».
Криптозойский эон. Архейская эра. Раннеархейский период.
3 800 000 000 до н.э.
Солнечная система. Земля. Интенсивный вулканизм. Атмосфера Земли. Образование литосферы и континентальных плит. 3 800 000 000 до н.э.
Образование атмосферы Земли в результате вулканической деятельности. Литосфера Земли образуется гигантскими плитами, которые медленно плавают поверх мантии, погружаются под островными дугами, переплавляются в недрах Земли, а затем эта масса опять поднимается к поверхности, образуя участки будущей океанической коры. Температура земной коры опустилась до 364°С. Появление в трещинах и углублениях земной поверхности водяного конденсата, сначала в виде небольших лужиц, затем в виде более крупных водоёмов. Из недр Земли выделяются газы и водяные пары. Резкое увеличение в атмосфере количества углекислого газа, аммиака и метана. Период «лето-осень» Третьего галактического года нашей галактики «Млечный путь».
Криптозойский эон. Архейская эра. Раннеархейский период.
3 700 000 000 до н.э.
Солнечная система. Земля. Интенсивный вулканизм. Образование палеобассейна мирового океана. Зарождение континентов. 3 700 000 000 до н.э.
Верхний предел температур палеобассейна мирового океана на планете определяется существованием воды в жидком состоянии (не выше 100°С (местами – 120-150°С). Кора будущих континентов формируется под непосредственным влиянием восходящих потоков магмы из мантии, вокруг первоначально сформировавшихся, сложенных серыми гнейсами праконтинентальных ядер, ставших основными частями современных континентов. Период «лето-осень» Третьего галактического года нашей галактики «Млечный путь».
Криптозойский эон. Архейская эра. Раннеархейский период.
3 600 000 000 до н.э.
Солнечная система. Земля. Интенсивный вулканизм. Сплошная тонкая кора литосферы. Первые осадочные породы. Титанические ураганы и грозы. Мировой протоокеан. Образование гидросферы. 3 600 000 000 до н.э.
Высокий уровень вулканической деятельности на Земле (5 баллов). Земля покрылась сплошной тонкой корой, постоянно деформируемой различными процессами в мантии Земли. Под действием холода и жары, ветра и воды начали разрушаться скалы и отлагаться первые осадочные породы. На Земле участились ураганы и грозы невиданной силы. Сплошные ливни растворяли все растворимые соли, находившиеся на поверхности Земли, а также вымывали их из горных пород. Образовавшиеся растворы выносились в мировой протоокеан и накапливались там. Образование гидросферы, водной оболочки Земли. Температура воды протобассейнов не выше 100;С. Период «зима-весна» Четвертого галактического года нашей галактики «Млечный путь».
Криптозойский эон. Архейская эра. Раннеархейский период.
3 500 000 000 до н.э.
Солнечная система. Земля. Интенсивный вулканизм. Мировой соленый протоокеан. Изменение оси вращения Земли и возникновение климатических тепловых поясов. Подводные «черные курильщики». Зарождение живой материи. 3 500 000 000 до н.э.
Криптозойский эон. Архейская эра. Среднеархейский период.
3 400 000 000 до н.э.
Солнечная система. Земля. Спад вулканизма. Возникновение Мирового океана. Начало эры «химической жизни». Основной закон эволюции – воспроизведение жизни в процессе естественного отбора и случайных мутаций. Возникновение биосинтеза. Влияние солнечного излучения. 3 400 000 000 до н.э.
Криптозойский эон. Архейская эра. Среднеархейский период.
3 300 000 000 до н.э.
Солнечная система. Земля. Мировой океан. Возникновение сложных органических соединений. Возникновение генетического кода. Возникновение живых образований реагирующих на солнечное излучение и условия окружающей среды. Возникновени биосферы. Разделение растительного и животного миров. Начало круговорота веществ в окружающей среде. 3 300 000 000 до н.э.
В процессе химической эволюции в Мировом океане образовались уже довольно сложные органические соединения. Под воздействием солнечного излучения и вулканического тепла образуются примитивные белки, нуклеотидные цепочки и углеводы. Возникновение генетического кода. Возникновение физико-химических реакций белковых веществ на внешние воздействия окружающей среды. Образование нуклеиновых кислот, молекулы которых обладают способностью к самовоспроизведению (редупликации). Продукты частичного распада образований, непосредственно использующих солнечную энергию (фотосинтез), содержат некоторый запас свободной энергии, который реализуется с помощью уже имеющейся химии макромолекул. Возникновение живых образований, для которых продукты распада являются вторичным источником свободной энергии. Возникновение расслоения жизни на растительный и животный миры. Возникновение биосферы, совокупности живых существ и вырабатываемых ими химических соединений. Возникновение круговорота веществ в окружающей среде (природе). Период «лето-осень» Четвертого галактического года нашей галактики «Млечный путь».
Криптозойский эон. Архейская эра. Среднеархейский период.
3 200 000 000 до н.э.
Солнечная система. Земля. Интенсивный вулканизм. Вулканический парниковый эффект. Появление эобионтов. 3 200 000 000 до н.э.
Криптозойский эон. Архейская эра. Среднеархейский период.
3 100 000 000 до н.э.
Солнечная система. Земля. Интенсивный вулканизм. Появление первичных безъядерных живых организмов – прокариот. Второй этап эволюции жизни – движение, захват и построение организмов. Возникновение циклоза живой клетки. 3 100 000 000 до н.э.
Криптозойский эон. Архейская эра. Позднеархейский период.
3 000 000 000 до н.э.
Солнечная система. Земля. Интенсивный вулканизм. Возникновение горных осадочных пород. Формирование основных материковых платформ. Интенсивное горообразование. 3 000 000 000 до н.э.
Высокий уровень тектонической деятельности на Земле (6 баллов). Осадочные породы уплотняются, превращаясь в горные породы. Бесчисленные тектонические движения земной коры сжимают их в складки. Землю сотрясают колоссальные землетрясения и подвижки материковых щитов. Начало формирования фундамента Восточно-Европейской, Сибирской и других материковых платформ. Повсюду возникают и вновь разрушаются горы. Скорость перемещения плит в 30-40 раз превосходит современную, что спасло Землю от полного расплавления. В ходе эволюции некоторые организмы (растения) приобретают способность поглощать энергию солнечных лучей (фотосинтез) и с ее помощью расщеплять воду (пищу) на составляющие элементы. Период «лето-осень» Шестого галактического года нашей галактики «Млечный путь». Начало Позднеархейского периода (3 000 000 000 – 2 500 000 000 до н.э.) Архейской эры Криптозойского эона.
Криптозойский эон. Архейская эра. Позднеархейский период.
2 900 000 000 до н.э.
Солнечная система. Земля. Интенсивный вулканизм. Образование бактерий и водорослей. Начало фотосинтеза водорослей. Накопление кислорода в атмосфере. 2 900 000 000 до н.э.
Криптозойский эон. Архейская эра. Позднеархейский период.
2 800 000 000 до н.э.
Солнечная система. Земля. Интенсивный вулканизм. Суперконтинент Моногея. Образование гигантских залежей железнорудных формаций. Интенсивное распространение органического вещества. Возникновение ядерных организмов – эвкариот. Хромосомы и половой процесс размножения клеток. 2 800 000 000 до н.э.
Тектоническая активность охватила практически всю Землю (6,3 балла). Формирование древнейших пород земной коры и древних платформ Австралии, Антарктиды, Африки, Западной Африки, Гренландии, Восточной Европы (Русской платформы), Индии, Китая, Сибири, Северной и Южной Америки. Возникновение на экваторе суперконтинента Моногеи, омываемого Мировым океаном. Формирование гигантских залежей железнорудных формаций с участием железобактерий. Постепенный переход металлического железа первичных пород и большей части его окислов из мантии в растущее земное ядро. Начало быстрого роста общего количества органического вещества на Земле. Возникновение организмов (эвкариот), клетки которых содержат настоящее ядро. Ядро эвкариот отделено от цитоплазмы клетки ядерной оболочкой. Генетический материал клетки заключен в хромосомах. Клетки эвкариот уже имеют митохондрии, пластиды и другие органоиды. Возникновение полового процесса размножения клеток. Период «зима-весна» Седьмого галактического года нашей галактики «Млечный путь».
Южная Африка. Оттосдалин. Металлический шар с насечками. 2 800 000 000 до н.э.
Кто-то оставил в толще породы металлический шар с насечками, обнаруженный в 1982 году (Джимисон).
Архейская эра (Архей) – от 4,0 до 2,5 млрд. лет назад
Архейский эон, архей (др.-греч. ρχαος — древний) — один из четырёх эонов (отрезок времени геологической истории, в течение которого формировалась эонотема, объединяет несколько эр) истории Земли, охватывающий время от 4,0 до 2,5 млрд. лет назад. Термин «архей» предложил в 1872 году американский геолог Джеймс Дана. Архей разделён на четыре эры (от наиболее поздней до наиболее ранней):
В это время на Земле ещё не было кислородной атмосферы, но появились первые анаэробные организмы. В этот же период активно формируются многие ныне существующие залежи серы, графита, железа и никеля. Архей и последующий за ним Протерозой входят во временной период Докембрий.
Гидросфера и атмосфера: климат
В самом начале архейской эры воды на Земле было мало, вместо единого океана существовали лишь разрозненные мелководные бассейны. Температура воды достигала 70-90° C, что могло наблюдаться лишь в случае существования у Земли того времени плотной углекислотной атмосферы. Ведь из всех возможных газов только СО2 мог создать повышенное давление атмосферы (для архея — 8-10 бар).
Температура архейской атмосферы при парниковом эффекте достигала почти 120°С. Если бы при том же давлении атмосфера в архее состояла, например, только из азота, то приземные температуры были бы ещё выше и достигали 100°С, а температура при парниковом эффекте превышала бы 140° С.
Примерно 3,4 млрд. лет назад количество воды на Земле значительно увеличилось и возник Мировой океан, перекрывший гребни срединно-океанических хребтов. В результате заметно усилилась гидратация базальтовой океанической коры, а скорость роста парциального давления СО2 в позднеархейской атмосфере несколько снизилась. Наиболее радикальное падение давления СО2 произошло только на рубеже архея и протерозоя после выделения земного ядра и связанного с ним резкого уменьшения тектонической активности Земли.
Благодаря этому в раннем протерозое столь же резко сократились выплавки океанических базальтов. Базальтовый слой океанической коры стал заметно более тонким, чем он был в архее, и под ним впервые сформировался серпентинитовый слой — главный и постоянно обновляемый резервуар связанной воды на Земле.
Флора и фауна
В архейских отложениях отсутствует скелетная фауна, которая служит основой для построения стратиграфической шкалы фанерозоя, тем не менее разнообразных следов органической жизни здесь довольно много. К ним относятся продукты жизнедеятельности сине-зелёных водорослей — строматолиты, представляющие собой кораллоподобные осадочные образования (карбонатные, реже кремниевые), и продукты жизнедеятельности бактерий — онколиты.
Первые достоверные строматолиты были обнаружены лишь на рубеже 3,2 млрд. лет назад в Канаде, Австралии, Африке, на Урале и в Сибири. Хотя имеются свидетельства обнаружения остатков первых прокариот и строматолитов в отложениях возрастом 3,8-3,5 млрд. лет, в Австралии и Южной Африке.
Также в кремнистых породах раннего архея найдены своеобразные нитчатые водоросли, имеющие хорошую сохранность, при которой можно наблюдать детали клеточного строения организма. На многих стратиграфических уровнях встречаются мельчайшие округлые тельца (размером до 50 m) водорослевого происхождения, принимавшиеся ранее за споры. Они известны под названием “акритарх”, или “сфероморфид”.
Животный мир архея значительно беднее, чем растительный. Отдельные указания на нахождение в породах архея остатков животных относятся к объектам, которые, по- видимому, имеют неорганическое происхождение (Aticocania Walcott, Tefemar kites Dons, Eozoon Dawson, Brooksalla Bassler) или являются продуктами выщелачивания строматолитов (Carelozoon Metzger). Многие окаменелости архея до конца не расшифрованы (Udokania Leites) или не имеют точной привязки (Xenusion querswalde Pompecki).
Таким образом, в архейском зоне достоверно найдены прокариоты двух царств: бактерии, преимущественно хемосинтезирующие, анаэробные и фотосинтезирующие цианобионты, продуцирующие кислород. Не исключено, что в архее появились и первые эукариоты из царства грибов, морфологически сходные с дрожжевыми грибами.
Древнейшие бактериальные биоценозы, т.е. сообщества живых организмов, включавшие только продуцентов и деструкторов, были похожи на плёнки плесени (т.н. бактериальные маты), располагавшиеся на дне водоёмов или в их прибрежной зоне. Оазисами жизни часто служили и вулканические области, где на поверхность из литосферы поступали водород, сера и сероводород – основные доноры электронов.
На протяжении почти всей архейской эры живые организмы были одноклеточными, сильно зависимыми от природных факторов существами. И лишь на рубеже архея и протерозоя произошло два крупных эволюционных события: появились половой процесс и многоклеточность.
Гаплоидные организмы (бактерии и сине-зелёные водоросли) имеют один набор хромосом. Каждая новая мутация сразу же проявляется у них в фенотипе. Если мутация полезна, она сохраняется в процессе естественного отбора, если вредна, устраняется.
Гаплоидные организмы непрерывно приспосабливаются к среде, но принципиально новых признаков и свойств у них не возникает. Половой процесс резко повышает возможность приспособления к условиям среды, вследствие создания бесчисленных комбинаций в хромосомах. Диплоидность, возникшая одновременно с оформленным ядром, позволяет сохранить мутации и использовать их как резерв наследственной изменчивости для дальнейших эволюционных преобразований.
Архейская эра (4–2,5 млрд лет назад)
Самый древний этап жизни нашей планеты — архейская эра (от греческого «археос» — начало). Она началась около 4 млрд лет назад с бурлящих вулканов на раскаленной безжизненной Земле, на которую непрерывно падали метеориты из космоса, и продлилась примерно 1,5 млрд лет. К окончанию этого периода в морях нашей планеты уже появились первые живые существа. Именно с архейской эры начинается земная эволюция.
Вулканы и зарождение будущих континентов (4–3 млрд лет назад)
Когда в распоряжении науки появился радиоизотопный метод, стало возможным определять возраст геологических пород. Суть его в следующем. У большинства химических элементов есть изотопы — атомы с одинаковыми химическими свойствами, но отличающиеся числом нейтронов в ядре.
Изотопы, в отличие от обычных атомов, неустойчивы и рано или поздно распадаются на части. Никто не может предсказать, когда это произойдет, но статистически известно, за какой срок разрушается половина атомов в выбранном образце. Это время называется периодом полураспада, который для каждого из существующих изотопов известен с высокой точностью. Легко подсчитать, что после промежутка времени, равного двум периодам полураспада, останется 1/4 (1/2×1/2) атомов данного изотопа, а после n периодов полураспада останется 1/2n таких атомов.
Пока какой-либо материал еще формируется, он обменивается атомами (в том числе и изотопами) с окружающей средой, например когда животное питается (или формируется горная порода), оно получает помимо обычного углерода с атомной массой 12 (углерод-12) также изотоп с атомной массой 14 (углерод-14). При этом концентрация последнего в костях животного, окружающей среде, съедаемой пище и т. п. будет одинакова. После смерти животного (или после окончания формирования горной породы) обмен атомами с окружающей средой прекращается: новые уже не поступают в образец, а имеющиеся к моменту окончания формирования материала разрушаются в соответствии с периодами полураспада, известными для каждого вида изотопов. Так, в образце их становится все меньше.
Это означает, что, сравнив концентрацию изотопа данного вида в исследуемом материале и окружающей среде, можно подсчитать, как давно не поступают в него новые атомы изотопа, сколько времени (сколько периодов полураспада) прошло с момента его формирования (будь это останки живого организма или горная порода). В разных случаях удобно использовать подсчет по несхожим видам атомов — в основном применяют радиоуглеродный (основанный на уже рассмотренном нами соотношении углерод-14:углерод-12), калий-аргоновый и уран-свинцовый методы радиоизотопного анализа.
Изучив изотопный состав горных пород нашей планеты, можно с высокой точностью установить время их формирования. Такие исследования позволили разделить всю историю Земли на пять этапов — геологических эр. Каждую из них характеризуют определенные события, которые изменяли облик планеты и влияли на развитие биосферы.
Архейская эра — самый древний этап существования Земли. Физико-химические процессы в ее раскаленных недрах, которые сопровождала постоянная метеоритная бомбардировка, 4 млрд лет назад шли еще полным ходом. Однако тепловой поток уже не растекался в окружающем планету космосе, а задерживался формирующейся земной корой.
Наша планета разогревалась все больше и из-за этого снижалась ее плотность и должен был возрастать объем, чему препятствовала земная кора. Такие противоборствующие процессы проще понять, если представить себе туго накачанный мяч, жесткая оболочка которого сдерживает внутреннее давление.
Если оно станет слишком высоким, мяч может лопнуть — его оболочка порвется. Похожие процессы происходили с земной корой, которая 4–3,6 млрд лет назад начала давать трещины и медленно расползаться, выпуская на поверхность избыток расплавленного вещества недр. Конечно, прежде чем начать расходиться в разные стороны, земная кора и лежащий под ней верхний слой мантии должны были остыть и затвердеть, но еще глубже по-прежнему находилась расплавленная магма — она и стала подниматься на поверхность планеты по образовавшимся гранитным разломам.
В самом начале архея земная кора стала трескаться в разных местах. Многочисленные разломы расширялись. В неустойчивой еще земной коре стали появляться особо подвижные зоны — протогеосинклинали. Там и происходили самые бурные вулканические извержения, дававшие выход огромному количеству расплавленной базальтовой лавы. Архейская эра — время гигантских вулканов и мощнейших землетрясений, которые тревожили еще непрочную и тонкую оболочку планеты.
Обычно цепи вулканов находились в центре протогеосинклиналей. Первичная земная кора дробилась, между подвижными протогеосинклиналями возникали их противоположности — устойчивые плиты, которые называют протоплатформами. Водяные пары охлаждались высоко над землей, конденсировались в огромные облака и проливались дождем на разогретые скалы. Потоки воды собирались в глубоких расширяющихся трещинах земной коры — так появлялись обширные водные пространства.
Раскаленная лава мчалась вниз с огнедышащих гор, впадала в новообразованные моря и океаны — гигантские столбы водяного пара поднимались высоко в атмосферу. Грозно и неприветливо выглядела юная планета! Если бы 3–3,5 млрд лет назад на архейскую Землю ступил человек, он был бы поражен обилием гигантских вулканов, безбрежными океанами, в которых все время бушевали цунами (огромные волны, вызываемые подводными землетрясениями), и постоянными движениями земной коры.
Бурные геологические процессы архейской эры создали для будущего человечества неисчислимые запасы полезных ископаемых. Вулканы выплескивали на поверхность Земли магму, богатую металлами, — так появились месторождения медной и железной руды, обширные залежи гранитов. Вдоль образовавшихся глубоких разломов земной коры начиналось новое накопление осадочных горных пород.
На странной Земле архейского периода не было континентов, ведь ее кора еще находилась в постоянном движении. Только миллионы вулканов, изливая на поверхность невероятное количество лавы, медленно образовывали горы и каменные плоскогорья, а разломы, покрывавшие поверхность, создавали глубокие океанические впадины.
Уже в архейскую эру, как мы знаем, появились протоплатформы — островки устойчивости между постоянно колеблющимися протогеосинклиналями. Эти неподвижные плиты положили начало древнейшим ядрам континентов — щитам. Принято считать, что примерно 3,5 млрд лет назад в архее на Земле возник самый ранний из них — гигантский Ваальбара. Он просуществовал около 700 млн лет и раскололся на сегменты, которые стали отдельными участками тверди.
В эту бурную геологическую эру великих потрясений сформировалась некоторая доля современной континентальной коры. Пока нельзя сказать, какая именно: по разным методам измерения получается от 5 до 40%, что составляет различие в восемь раз. Вот как мало мы еще знаем о древнейшем периоде развития Земли!
Изменение климата — путь к возникновению жизни (4–3,6 млрд лет назад)
Молодая планета, сотрясаемая подземными толчками, озаряемая огнем вулканов и почти полностью лишенная атмосферного кислорода, вращалась вокруг собственной оси гораздо быстрее, чем сегодня. Сутки архейской эры (полный оборот Земли вокруг своей оси) составляли всего девять часов. Календарный год включал девятьсот таких коротких временных промежутков.
Луна находилась намного ближе к нашей планете, и ее воздействие на земные процессы было более существенным, чем сегодня. Пробиваясь сквозь густые облака, свет огромного спутника озарял безжизненную Землю. Гидросфера на земной поверхности в самом начале архея была представлена достаточно скромно: разрозненные мелкие водоемы покрывали впадины коры — они еще не успели слиться в единый океан. Температура воды в таких озерах достигала 70–90 °C, поэтому время для возникновения жизни пока не наступило.
Атмосфера архея была менее плотной, чем современная (этим и объясняется обилие метеоритов, достигавших земной поверхности). Кислород, как мы уже отметили, в воздухе почти не содержался, азот составлял намного меньшую часть, чем теперь (всего лишь 10–15%), большинство других газов быстро разлагалось под действием жесткой солнечной радиации. В атмосфере, которая тогда существовала, господствовал углекислый газ, и из-за этого создавался сильнейший парниковый эффект, температура могла достигать 120 °C и более.
Парниковым эффектом называется ситуация, когда солнечный луч, который проникает через атмосферу, отражается от поверхности планеты и уже не может уйти в космическое пространство, так как богатая углекислым газом воздушная оболочка не выпускает его наружу. Большая часть тепловой энергии, поступающей на Землю, остается в пределах атмосферы, постоянно нагревая и воздух, и земную поверхность. Однако к концу архейской эры содержание углекислого газа значительно снизилось.
Обильные ливни и конденсация водяных паров неуклонно увеличивали количество воды на Земле. Мелкие озера сливались в единый океан, поднимая его уровень и затопляя целые хребты молодых гор. Из гранитов, слагавших земную кору, вымывались оксид кремния, соли угольной кислоты, соединения железа, марганца и, конечно же, углекислый газ.
Как считают ученые, уровень солей в первичном океане был еще не очень высок — не более 2,5 %, в то время как в современных океанах достигает примерно 3,5 %.
Когда на нашей планете сформировались воздушная и водная оболочки, возникли и климатические пояса — солнечное тепло уже не одинаково нагревало все земные широты. Мы можем судить о существовании таких зон архейской эры по обнаруженным в Сибири, Северной Америке и Центральной Африке тиллитам — отложениям древних ледниковых пород. На основании этого открытия был сделан вывод о том, что в архейскую и последовавшую за ней протерозойскую эры уже происходили оледенения Земли. Когда же между периодами похолодания все таяло, появлялись озера ледникового происхождения.
В те далекие времена льды, вероятно, сковывали только горные хребты, которые высоко поднимались над поверхностью планеты. В других, равнинных зонах, скорее всего, оставался достаточно теплый климат.
При сохранении пока еще бескислородной атмосферы изменения климата, происходившие на Земле 4–3,6 млрд лет назад, подготовили условия, в которых смогли появиться сложные органические молекулы, а впоследствии — возникнуть первые примитивные формы жизни.
Загадка появления жизни на Земле (3,8–3,3 млрд лет назад)
Зарождение жизни, возникновение на Земле первых примитивных одноклеточных организмов было одним из важнейших событий архейской эры.
Сами одноклеточные существа, конечно, не могли сохраниться в окаменевшем виде, но обнаружены древнейшие (3,5–3,6 млрд лет назад) горные породы, химический состав которых свидетельствует о работе микроорганизмов. В этих породах содержится много графита, который получился в результате химических превращений тех веществ, из которых состояли первые на земле живые организмы. Принято считать, что в архейскую эру на Земле появились одноклеточные прокариоты — бактерии и сине-зеленые водоросли. Об этом мы можем судить, изучая многочисленные следы их жизнедеятельности, которые сохранились в отложениях древнейших пород.
В раннем архее условия на Земле очень отличались от современных: температура воздуха и земной поверхности достигала 95–140 °C, а кислорода не было. Попробуйте представить себе перегретую баню, из которой откачан воздух, а взамен него смесь ядовитых газов — место для жизни, что и говорить, не очень уютное. Очевидно, что привычные для нас формы жизни не могли появиться в подобной ситуации. Организмам, которые дышат кислородом, на такой планете явно делать нечего. Однако жизнь, несмотря на это, уже существовала, и она была тоже бескислородной! Бескислородные, или анаэробные (от греческих слов «ан» — отрицательная частица, «аер» — воздух и «биос» — жизнь), существа живут рядом с нами и по сей день.
Есть веские основания считать их самыми первыми обитателями Земли. В основном анаэробы составляют особую группу организмов, которая настолько не похожа на все прочие формы жизни, что выделена биологами в отдельное царство живых существ с говорящим названием архебактерии. С тех древних времен они не изменили своих свойств: большинство архебактерий и поныне анаэробы, многие из них способны находиться в таких экстремальных условиях, где иным формам жизни не место, например в горячих источниках.
Кроме открытых Пастером организмов, живущих в масле, к анаэробам относятся бактерии почвы, глубин океана, горячих источников.
Изучая осадочные породы архейской эры, исследователи обнаружили, что часть из них имеет органическое происхождение и содержит компоненты, которые неустойчивы в присутствии кислорода воздуха. Это и положило начало гипотезе о существовании анаэробов в архейскую эру. Таким образом, первые живые существа нашей планеты не нуждались в кислороде для дыхания. Выработанную в различных химических превращениях энергию они научились запасать в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая и сегодня является «молекулой-аккумулятором» энергии для всех живых существ (уже не только анаэробных. Эту книгу, например, вы сейчас читаете за счет запасов энергии, которая хранится в АТФ клеток глаз и мозга).
Размножаясь, первые анаэробы смогли достаточно быстро занять все пригодные для жизни на Земле того времени места обитания. Их дальнейший рост стал сдерживаться нехваткой пищи. Вероятно, именно в этот момент живым организмам пришлось переключиться на новый источник энергии — кислород, количество которого в атмосфере и водах все возрастало.
Как же произошло зарождение жизни — важнейшее событие в истории не только нашей планеты, но и всей Солнечной системы?
Наиболее убедительной гипотезой на данный момент является версия биохимической эволюции, предложенная еще в 1924 г. русским ученым, академиком Александром Ивановичем Опариным в книге «Происхождение жизни».
Ученый предложил объяснение того, как под воздействием химических и физических факторов первые одноклеточные формы жизни могли появиться из неживой материи. Как мы знаем, атмосфера архейской Земли была богата аммиаком, оксидами углерода и водяным паром. В более низких концентрациях в ней также присутствовали водород, азот и кислород. Таким образом, основные химические элементы, необходимые для сборки биологически активных молекул, к тому времени уже были доступны, а ультрафиолетовое излучение Солнца могло служить неисчерпаемым источником энергии для химических превращений. Энергия внутреннего тепла Земли (вулканических извержений), могучих грозовых разрядов и радиоактивного распада также, вероятно, участвовала в синтезе сложных молекул из более простых.
По мнению Опарина, биохимическая эволюция могла протекать в три этапа. На первом этапе происходил интенсивный синтез органических (то есть основанных на цепочках углерода) веществ из неорганических предшественников. Соли, растворенные в архейском океане, и атмосферные газы служили реагентами в гигантском химическом реакторе — литосфере древней Земли.
Часть органических молекул могла также возникать под действием грозовых разрядов, ультрафиолетовой радиации и тепла в атмосфере. В конечном итоге вся органика, синтезированная за миллионы лет, скапливалась в океане, ее концентрация в воде росла. Безжизненный океан стал «питательным бульоном», в котором могли появиться биологически активные молекулы белков (пептидов).
На втором этапе они появляются! Все те же источники энергии в виде ультрафиолета и электрических разрядов могли способствовать объединению коротких молекул (мономеров) в длинные цепочки-полимеры. Первичные органические молекулы объединялись, приобретали более сложную структуру и давали начало пробионтам — предкам живых организмов. В результате эволюции пробионты соединялись в коацерватные капли (или коацерваты — от латинского coacervātus — «собранный в кучу»), то есть в отдельно существующие структуры с высокой концентрацией сложных молекул. Коацерваты еще не были ни клетками, ни живыми существами вообще, но они уже поглощали нужные им вещества из окружающей их среды, взаимодействовали между собой, росли. От настоящих живых организмов их пока отличала неспособность размножаться.
На последнем третьем этапе эта способность у них появляется — различие между коацерватными каплями и клетками окончательно стирается. Капли конкурировали между собой за доступные питательные вещества и энергию — как и все живые организмы, они подвергались естественному отбору. Внутри капли, отделенной от окружающего мира слоем молекул, напоминавшим примитивную мембрану, происходили сложные химические процессы, характерные для метаболизма клеток. Вырастая до определенных размеров, капля делилась и давала начало дочерним образованиям, которые сохраняли ее свойства. Началось самовоспроизводство живых существ на Земле. Коацерватные капли стали первыми примитивными одноклеточными организмами.
Прямого экспериментального подтверждения гипотезы Опарина не существует, да и вряд ли оно появится — воспроизвести эволюционные процессы, на которые потребовались десятки миллионов лет, в лабораторных условиях непросто. Однако в 1953 г. два американских химика, Стэнли Миллер и Гарольд Юри, поставили красивый эксперимент, в ходе которого были добыты косвенные доказательства правоты Опарина. Идея ученых заключалась в том, чтобы воссоздать в лабораторной установке предполагаемые условия архейской Земли. Через смесь растворенных веществ и газов (аммиака, метана, водорода, монооксида углерода и водяных паров), характерных, как принято считать, для древних гидро- и атмосферы, пропускали электрические разряды («вспышки молнии»), подогревали ее («тепло вулканов») и облучали ультрафиолетом («солнечное излучение»).
Эксперимент был на редкость удачным, но и после него осталось немало загадок. Вот одна из них. Пусть получены и аминокислоты (составные части белков), и предшественники нуклеиновых кислот. Допустим, за миллионы лет (вместо недели) получились бы полноценные белки и нуклеиновые кислоты. В живой клетке нуклеиновые кислоты кодируют состав белка (последовательность сборки аминокислот), а белки помогают самовоспроизводству нуклеиновых кислот (репликации ДНК и транскрипции РНК). Однако как и те, и другие соединения смогли «договориться» о взаимной помощи? Этот важнейший для биологии вопрос пока остается без ответа.
Анализ результатов показал, что всего за неделю искусственного архея 10–15% углерода перешло в форму сложных органических молекул, среди них были 22 аминокислоты, сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот, то есть практически все, что потребовалось бы для «сборки» живой клетки. Хотя их самих, разумеется, получено не было.
Первые живые организмы (3,5–2,5 млрд лет назад)
В распоряжении современной науки, как мы уже подчеркивали, имеются не сами останки древних одноклеточных организмов, а продукты их деятельности в виде некоторых минералов. Это позволило сделать вывод о том, что в архейскую эру уже сформировались бактерии и сине-зеленые водоросли. Принято считать, что возникновение жизни на Земле вскоре привело к появлению трех царств живых существ: архебактерий, современных бактерий (эубактерий) и надцарства (включающего согласно классификации несколько царств) эукариот. К последним относятся те, чьи клетки имеют более сложную организацию, — они включают окруженное мембраной ядро, содержащее ДНК в виде хромосом.
В составе цитоплазмы эукариотических клеток есть высокоразвитые органеллы (митохондрии, хлоропласты, эндоплазматический ретикулум и др.), которых нет у бактерий. Эукариоты — это царства животных, растений и грибов (которых в архейскую эру еще не было) и одноклеточных простейших (которые уже могли существовать).
В ходе эволюции ни архебактерии (жители бескислородной среды того времени), ни эубактерии не дали начала новым формам жизни. Эта участь выпала только эукариотам — простейшим архейских морей.
В архейских отложениях в Австралии найдены строматолиты (от греческих слов «строма» — подстилка и «литос» — камень) — слоистые включения большой плотности в известняках и доломитах. Строматолиты принято считать результатом жизнедеятельности сине-зеленых водорослей.
Однажды появившись, сине-зеленые водоросли стали обогащать атмосферу кислородом.
В конце архея эволюция вплотную приступила к созданию важнейших для живых существ приспособлений полового процесса и многоклеточности. Разговор о них впереди.