3.4. История формирования земной поверхности. Геохронологическая шкала

Материал, изложенный в предыдущих разделах, позволяет кратко представить (описать) геологическую историю земной поверхности, её твёрдой части — коры, гидросферы и атмосферы, тем более, что особые подробности, относящиеся к древним временам, в данной книге не нужны, а заинтересованный читатель может обратиться к специальной или научно-популярной литературе, список которой (далеко не полный, разумеется) приведен в конце 1-го тома книги, в списке литературы к главам 2 и 3.

В основе наук, изучающих прошлое Земли, лежит очень большой и разносторонний научный материал:

Всё это создаёт достаточно прочный и надёжный фундамент для комплекса наук, изучающих прошлое Земли. Но, конечно, по мере движения вглубь времен, отстоящих от нас на сотни миллионов, миллиарды лет, следы прошлого тускнеют, становятся всё малочисленнее. Поэтому в истории Земли остается еще много неясных и спорных вопросов; в этой области науки еще не дописана последняя страница, как, впрочем, и в любой другой науке.

Историю развития земной поверхности от момента формирования Земли 4–5 миллиардов лет назад до современного состояния удобно проследить с помощью геохронологической шкалы, которой пользуются геологи, геофизики, биологи, географы. Согласно этой шкале геологическая история делится на эоны — самые крупные интервалы; эоны в свою очередь, делятся на эры, а эры — на периоды. Иногда периоды делят на более мелкие части, но такое деление не является общепризнанным.

На рис. 10 а–е (стр. 433–439) представлено несколько диаграмм, привязанных к геохронологической шкале. На них, в условной форме, показаны не только собственно геологические процессы, но и развитие атмосферы, гидросферы, жизни и некоторые другие явления, происходившие на поверхности Земли. Эта совокупность диаграмм может рассматриваться как краткая история развития земной поверхности. Шкала простирается назад на 4,6 млрд. лет — до момента, когда, по современным представлениям (вероятно, с точностью до 0,3–0,4 млрд. лет) из протопланетного облака сформировались планеты солнечной системы. Само Солнце образовалось из того же газопылевого облака и начало светить как звезда несколько раньше — 5 или 5,5 миллиардов лет назад.

На рис. 10 а представлено деление геологической истории на эоны и эры, указаны названия этапов, их общепринятое обозначение (латинскими буквами), время (в миллиардах лет), прошедшее от границ раздела этапов до сегодняшнего момента, продолжительность каждого этапа (в скобках). Так, например, эон архей (A) начался 3,5 миллиарда лет назад, продолжался 0,9 млрд. лет и сменился протерозоем (Pt) 2,6 млрд. лет назад; последний период фанерозоя — кайнозой (Kz) начался 0,067 млрд. (67 миллионов) лет назад и продолжается до настоящего времени и т д. Перечислим эоны, эры и периоды этой диаграммы, давая каждому из них краткую характеристику.

Катархей — самый древний эон, продолжавшийся 1,1 млрд. лет от возникновения Земли до 3,5 млрд. лет. От него почти не осталось следов и его (условно) считают догеологическим. Все же на основании общих соображений «как должно было быть» и по немногочисленным остаткам, уцелевшим от разрушительного влияния времени, кое-что об этом периоде известно. В самом его начале образовалась земная кора, но литосферных платформ еще не было, внутренняя часть планеты разогревалась. Была вулканическая деятельность, возможно, достаточно активная. На поверхность поступали первые изверженные породы, начала формироваться первичная, пока очень разряженная атмосфера, состоявшая из метана, окислов углерода, аммиака, сернистого газа и, конечно, водяного пара. Средняя температура на поверхности была положительной, но не слишком высокой, поэтому пары воды конденсировались, установился кругооборот воды: испарение — конденсация. Шли дожди, текли реки и начинали создаваться первые моря. Вода в них сразу становилась солёной; соли поступали при размыве первичных пород, за счёт растворения атмосферных газов и, главное, из-за установившегося кругооборота воды, поскольку, всегда испарялась более пресная вода, чем поступала с речным стоком. Происходила эрозия суши и возникали первые толщи осадочных пород. На юго-западе Гренландии найдены метаморфические минералы (бурый железняк), возникшие в результате переработки осадочных пород, возрастом 3,7 млрд. лет. Это означает, что первые осадочные слои формировались еще в катархее.

В морях осуществлялся небиологический синтез органических веществ, послуживших материалом при образовании первых живых клеток. Возможно, первые клетки возникли даже в конце катархея, но каких-либо определенных данных об этом нет.

Следующий эон — архей (от греческого слова archoios — древний) также продолжался около миллиарда лет. Считается [2.1], что к его началу (3,5 млрд. лет назад) гидросфера уже достигла 0,2 современного уровня по объему и площади на поверхности планеты. В архее, как и в предыдущем эоне, вулканическая деятельность и горообразование развивались вдоль геосинклиналей — разломов земной коры протяженностью в тысячи километров. Осадочные породы смешивались с кислой (т. е. богатой кремнезёмом) магмой и в результате их переработки формировались толщи гранитных пород. К концу архея, в кеноранскую тектоно-магматическую эпоху (2,7 млрд. лет, см. рис. 10 б) уже образовались ядра материковых платформ, движение которых в дальнейшем начало определять характер и локализацию тектоно-вулканических районов и гороформирующих процессов. Изверженные газы и породы продолжали пополнять океан и атмосферу, которая пока оставалась бескислородной. В начале архея (а возможно, и в конце катархея) в морской среде возникли первые простейшие живые клетки. В архее продолжалось медленное и скрытое, но очень важное в биологическом смысле их развитие.

Уже в архее, а может быть даже и с катархея, началось формирование и накопление залежей горных пород, обогащённых металлами (руды) и неметаллическими химическими элементами — полезных ископаемых.

Название следующего эона — протерозой, продолжавшегося 2 млрд. лет, происходит от греческих слов proteros — более ранний и zoe — жизнь. Этот эон делится на 3 эры: афебий (1 млрд. лет), рифей (1 млрд. лет; название происходит от латинского Riphaei — так называли античные геологи Уральские горы), венд (около 100 млн. лет). Не останавливаясь на каждой эре в отдельности, что, безусловно, интересно, но потребовало бы слишком много места, приведем только общую характеристику эона.

В этот продолжительный период развивались все те же процессы: рост и движение литосферных плит и материковых платформ, тектономагматическая активность, увеличение океана и атмосферы. Продолжалось развитие одноклеточных, а в осадочных породах середины рифея обнаружены многочисленные следы многоклеточных организмов или переходных форм к ним (строматолиты). К концу рифея биологическая масса растений и эффективность фотосинтеза увеличиваются настолько, что в атмосфере и океане остаётся заметное количество свободного кислорода. Это стимулировало развитие животных организмов. Но жизнь пока существует только в воде.

Протерозой оставил многочисленные следы горных пород — осадочных, изверженных, метаморфических. Шло разделение веществ и накопление полезных ископаемых, в которых присутствуют не очень многочисленные, но все же достаточные и явные отпечатки одноклеточных и многоклеточных растительных и животных организмов. Объём и поверхность океана в венде приблизились к современному состоянию, а содержание кислорода в атмосфере достигло точки Пастера — 1% от современного; начал формироваться и быстро нарастал озонный слой, но в конце протерозоя, в венде, 570 миллионов лет назад суша была так же безжизненна как все 4 миллиарда лет предыдущей истории.

Самый молодой эон, представленный на рис. 10 а, начался 570 миллионов лет назад и продолжается поныне. Его название — фанерозой означает эон «явной жизни» (от греческих слов phaneros — явный; zoe — жизнь). Этот наиболее близкий, наиболее изученный и важный для нас эон ниже будет рассмотрен отдельно и подробнее.

На поверхности Земли под слоем осадков сохранились первичные магматические породы, уцелевшие от выветривания и переработки; местами, хотя и редко, они выступают на поверхность. В процессе геологических изысканий и сопутствующих исследований было накоплено много образцов таких пород. Когда этот материал был изучен и достаточно точно (после открытия радиоизотопных методов) определено время формирования пород из расплавленного магматического вещества, выяснилось странное и до сих пор ещё не вполне понятное явление: моменты формирования (извержения) магматических пород распределены по шкале времени не равномерно, а сосредоточены в сравнительно коротких периодах продолжительностью 5–10 миллионов лет, разделённых длительными интервалами в сотни миллионов лет, когда извержения не происходили или, по крайней мере, происходили гораздо реже. Это привело к гипотезе о тектоно-магмагических эпохах в геологической истории Земли, когда периоды бурной вулканической активности сменялись продолжительными интервалами относительного покоя. В результате длительной и кропотливой работы удалось выделить но крайней мере 19 таких тектоно-магматических эпох [2.31; 2.32 и др.]. На рис. 10 б в условной форме изображен этот процесс [2.1]. Активные эпохи изображены в виде подъёмов; нанесены их названия (по местам обнаружения пород) и время (в млрд. лет). Мы живём в альпийскую эпоху, которая, по-видимому, завершается. Предполагается, что максимальная интенсивность вулканических процессов достигалась 1,4 млрд. лет назад (Готская, Карельская эпохи). Это (условно) отражено высотой соответствующих пиков активности.

Рис. 10 в, г отражают процесс формирования Мирового океана и атмосферы. Уже отмечалось, что источником воды и газов является верхняя мантия. При дегазации изверженных магматических пород в атмосферу в большом количестве выделяется водяной пар и в меньших количествах газы: углекислый газ CO2, окись углерода CO, метан CH4, аммиак NH3, сернистый газ H2S, некоторые другие. Вода конденсируется и выпадают осадки, образуя и пополняя Мировой океан, газы частично растворяются в океане, частично остаются в атмосфере.

График рис. 10 в, построенный О. Г. Сорохтиным [2.18], показывает нарастание массы океана от нуля до современной величины порядка 1,5 ⋅ 1018 тонн. В некоторых местах Земли, например в Гренландии, удаётся найти очень древние осадочные породы с возрастом 3,75 млрд. лет. Это говорит о том, что в те столь далекие от нас, древнейшие времена катархея уже существовал первичный океан, следовательно в первичной атмосфере были пары воды, которые , как и сейчас, конденсировались, выпадали осадки, текли первичные реки, вынося в океан разрушенные эрозией горные породы. Океан начал возникать через 200 — 400 миллионов лет после образования Земли и её твердой коры — в начале катархея. Масса гидросферы продолжала расти в архее, протерозое, фанерозое, все большая часть суши покрывалась водой. Этот процесс продолжается и сейчас, правда в замедленном темпе.

Вместе с расширением океана, росла и атмосфера (рис. 10 г). Первоначально и очень долго потом атмосфера была разряженной и бескислородной, она состояла из газов, выделявшихся вулканами — CO2, CO, NH3, CH4, H2S и, конечно, водяного пара H2O. Эти газы, особенно CO2, растворялись в воде; между гидросферой с растворенными газами и атмосферой поддерживалось динамическое равновесие. Такое состояние продолжалось несколько миллиардов лет, начиная с середины катархея, захватив весь архей и значительную часть протерозоя, включая первую половину рифея. Так продолжалось бы и сейчас, если бы возникшая на Земле жизнь не внесла свои коррективы, влияя на геологические процессы сначала медленно и незначительно, а затем все быстрее и в возрастающих объёмах. Жизнь, ее возникновение и развитие, представляет собой уникальное явление глобального, по мнению многих и космического масштаба. Эти вопросы, конечно, представляют для нас особый интерес и заслуживают подробного рассмотрения, чему и посвящена следующая глава. Здесь мы рассмотрим очень кратко проявления жизнедеятельности на ранних этапах геологического развития, в особенности в связи с формированием атмосферы.

Первоначально жизнь в виде простейших одноклеточных организмов зародилась в океане и её проявлением было образование осадочных пород, содержащих остатки отмерших клеток (карбонатные породы), и, главное, процесс фотосинтеза, который шел в верхних слоях воды с поглощением углекислоты из водного раствора и выделением кислорода. Свободный кислород, выделявшийся при фотосинтезе, из воды поступал в атмосферу. Первоначально кислорода было немного и основная его часть расходовалась на окисление газов (CO до CO2, NH4 до N2 с образованием воды и другие химические реакции в воде и атмосфере), а также на окисление горных пород. В атмосфере оставалось очень мало кислорода, но всё же на протяжении около одного миллиарда лет его количество возрастало и первичная, бескислородная атмосфера постепенно стала превращаться во вторичную, состоящую из азота и кислорода. Бескислородный характер первичной атмосферы надёжно установлен несколькими независимыми способами: по характеру и составу некоторых горных пород, образовавшихся в катархее и архее, содержащих соединения железа Fe, магния Mg, серы S, которые должны были окислиться, но не окислились, так как не было свободного кислорода, и даже прямым химическим анализом газовых пузырьков с архейской атмосферой, которые оказались «запечатанными» и сохранились внутри минералов, образовавшихся в те времена [2.33]. Установлено, что 1,2 млрд. лет назад, в эру среднего рифея была достигнута так называемая точка Юри, когда содержание O2 в атмосфере составляло 0,1% от современного, а 600 миллионов лет назад, в конце венда достигнута точка Пастера с содержанием O2, равным 1% от современного. Точка Пастера имеет важнейшее биологическое значение: при таком содержании кислорода перестраивается процесс фотосинтеза и образуются клетки, которые усваивают кислород путём прямого окисления при дыхании, вместо использовавшегося ранее процесса брожения. Такой переход дает огромный энергетический выигрыш, что, по-видимому, и послужило толчком к бурному развитию жизни во время фанерозоя. К тому же при достижении точки Пастера в атмосфере образовался достаточный озонный слой, который обеспечил защиту от ультрафиолетовой радиации, идущей сверху. Растения, а затем и животные смогли выйти на сушу, заселить её, что и произошло в фанерозое.

В начале мезозойской эры, 220 миллионов лет назад, содержание кислорода в атмосфере уже оставляло 10% от современного уровня и продолжало быстро увеличиваться. Диаграмму на рис. 10 г. следует рассматривать как иллюстрацию, в значительной мере условную. Хотя в ней справа помещена шкала, указывающая массу атмосферы (каждая единица от 1 до 5 соответствует 1015 тонн), ход линий 1 (общая масса атмосферы) и 2 (суммарная масса азота и кислорода), возможно, был и иным. Достаточно уверенно установленным можно считать:

Рис. 10 д представляет собой таблицу, на которой в очень крупном плане отражены важнейшие события в развитии жизни, привязанные по времени к геохронологической шкале. Необходимо признать, что в этих вопросах далеко не всё ясно. Прежде всего, неясным остается процесс возникновения самых первых живых клеток. Тем не менее, данные, приведенные в этой таблице, опираются на результаты многих исследований, причём в разных областях. Рассмотрим таблицу рис. 10 д, упоминая по ходу изложения о подкрепляющих ее научных данных.

Начальный период примерно до 3,5 млрд. лет считается подготовительным. В это время в возникшем уже океане и в первичной атмосфере происходил небиологический синтез многих простых органических веществ, молекулы которых входят как составные элементы в сложные белковые соединения и прежде всего в молекулу ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту), обеспечивающую хранение и передачу наследственной информации. Исходные реактивы для небиологического синтеза были в достаточном количестве: это различные вещества (соли, кислоты, вернее их ионы) и газы, растворённые в морской воде, а также упоминавшиеся уже газы CO2, CO, CH3, NH4 и др., составлявшие первичную атмосферу. Химическим реактором служила вся поверхность Земли, первичный океан и атмосфера. Источники энергии тоже были: грозовые электрические разряды, происходившие в первичной атмосфере с той же (а возможно, и гораздо большей) интенсивностью, как и сейчас, ультрафиолетовое излучение Солнца, проникавшее почти без помех до поверхности Земли, ядерные частицы, возникавшие при распаде радиоактивных веществ, подводные вулканы, создававшие местный нагрев, а иногда и ударные волны в толще океана. Наконец, было время — практически неограниченное; никто не требовал завершения экспериментов и создания опытного образца живой клетки к определённому сроку.

Располагая всем этим Природа занялась экспериментированием, насыщая океан органическими веществами — аминокислотами, сахарами и другими простейшими соединениями, из которых состоят сложные молекулы живых клеток.

Опыты по небиологическому синтезу органических соединений при помощи электрических разрядов в смеси подходящих газов, путём ультрафиолетового облучения и др. были проделаны и многократно перепроверены многими учеными в разных странах. В результате удалось доказать, что практически все необходимые соединения могли быть синтезированы таким образом. Был также обнаружен синтез органических веществ в районах подводных извержений. Таким образом, ученые экспериментально установили, что первичный океан мог естественным путем быть превращен в «бульон», насыщенный строительным материалом для создания живых клеток. Однако, следующий шаг на этом пути пока остаётся для науки неясным. Трудность не в том, что не хватало материала — его было в избытке; дело заключается в том, что живая клетка, даже самая простейшая, очень сложна. Она состоит из десятков, сотен тысяч, миллионов простых химических молекул, соединённых определённым образом, и вероятность того, что эти молекулы в результате случайных комбинаций соединятся вместе так, чтобы получилась живая клетка, крайне мала, просто ничтожна. Она, например, гораздо меньше, чем вероятность того, что мы, разобрав десяток часов, сложим детали в мешок и, встряхивая его, заставим часы вновь собраться, пойти и указывать время.

В этой ситуации вполне уместен поиск гипотез или хотя бы предположений, которые позволили бы преодолеть возникшие затруднения, не покидая научного, материалистического пути, не прибегая к помощи сверхъестественных чудес или фантастики (даже если она названа научной). Существует несколько предположений подобного рода.

Одно из них — гипотеза панспермии, согласно которой когда-то давно, в архейский или даже катархейский эон на Землю попала быть может всего одна живая клетка (например, спора растения), которая очутившись на Земле в подходящих для жизни условиях, «ожила», дала потомство и положила начало развитию земной жизни. Доказано, что некоторые споры и простейшие клетки могут, сохраняя жизнеспособность, длительное время выдерживать холод космического пространства, находясь в состоянии анабиоза, без притока энергии и без обмена веществом с окружающим пространством. Однако, на этом пути тоже есть ряд трудностей: неизвестно может ли сохраняться жизнеспособность в таких условиях очень долго, столько, сколько требуется для преодоления межзвёздных расстояний (например, миллионы лет); известные земные клетки не могут выдерживать радиацию, в том числе космические лучи, вероятность встречи с которыми в межзвездных блужданиях достаточно велика; наконец, гипотеза панспермии не дает окончательного решения вопроса о возникновении жизни, а переносит его в другую область. Ведь раз Вселенная не вечна и когда-то возникла в результате Большого взрыва (см. гл. 1), то где-то жизнь должна была зародиться первоначально.

Другая возможность состоит в том, что существуют какие-то промежуточные формы намного более простые, чем современные клетки, и все же способные к размножению (т. е. к передаче наследственной информации), обмену веществ с окружающей средой, синтезу белков и развитию. Пока такие формы не открыты; может быть их и нет сейчас на Земле, но раньше они существовали. Однако, надо иметь в виду, что имеются серьезные теоретические соображения, в силу которых любая система, способная к воспроизведению подобных себе систем (при наличии составляющих элементов и энергии), не может быть очень простой [2.34].

Наконец, малая, даже очень малая вероятность не означает невозможность какого-то редкого события. Вполне может быть, что в одной из сотен миллионов Галактик, на планете Земля, вращающейся вокруг одной из 100 миллиардов звезд Галактики, вполне рядовой звезды, типа желтого карлика — Солнца, на планете, оказавшейся в условиях, исключительно благоприятных для развития жизни, за длительное время — миллиарды лет, все же реализовалось крайне маловероятное событие — возникла живая клетка. Если это так, то на смену прежним, тоже вполне материалистическим, но ошибочным представлениям о множественности обитаемых миров, приходит представление об уникальности явления жизни в галактическом, а быть может и в межгалактическом масштабе. Некоторые серьезные ученые все больше склоняются к такой точке зрения (см. например, [1.33]). Необходимо только подчеркнуть, что сторонники этой точки зрения не утверждают уникальность жизни, а только допускают такую возможность. Окончательное слово о происхождении жизни должна сказать наука будущего; пока это слово ещё не сказано. Но коль скоро жизнь на Земле тем или иным способом всё же возникла, то дальнейшее её развитие, включая создание самых сложных организмов, оказывается более простым и понятным процессом, так сказать, «делом техники». Это позволяет нам снова обратиться к рис. 10 д.

Твёрдо установленные отпечатки одноклеточных живых организмов обнаружены в осадочных породах возрастом 3,1–3,4 млрд. лет в Южной Африке (Трансвааль), но следы жизни, окаменелости, предположительно связанные с деятельностью живых клеток, встречаются и раньше, например, в кварцитах Гренландии возрастом 3,8 млрд. лет. Возникнув в первичном океане, одноклеточные организмы очень медленно и очень долго развивались в течение архея и значительной части протерозоя — на протяжении 1,4–1,6 млрд. лет. Результаты этой длительной эволюции на первый взгляд выглядят очень скромно: организмы оставались одноклеточными и разнообразие их типов было невелико. Однако, в действительности за этот промежуток времени в биологических процессах на клеточном уровне произошли огромные, хотя и неявные изменения. Первые клетки — прокариоты — не имели ядра и оболочки, размножались простым делением, источником энергии, «пищей» им служили органические молекулы небиологического происхождения. Потом из них образовались клетки типа сине-зелёных водорослей, освоившие фотосинтез и производившие органические вещества (белки и др.) из воды и углекислого газа за счёт солнечной энергии, выделяя при этом свободный кислород. Эти клетки заложили начало флоры — растительного царства во всем его будущем великолепии и разнообразии. Очень долгое время живых клеток было мало и свободного кислорода, поступавшего в океан, а из него в атмосферу, тоже было очень мало. Он весь тут же расходовался на окисление газов и неорганического вещества. Именно с этого времени, с начала протерозоя, появляются породы, содержащие нерастворимые, выпадающие в океан окиси железа Fe(OH)3, FeO(OH), Fe2O3, образовавшиеся в результате окисления хорошо растворимой закиси железа FeO, окислы серы, уранит U3O8 и другие соединения с кислородом химических веществ, которые легко окисляются, но раньше просто не могли возникнуть из-за отсутствия свободного кислорода.

Параллельно с растительными клетками, и тоже очень медленно, развивалась другая ветвь микроорганизмов, которые фотосинтезом «не занимались», не создавали органического вещества из неорганического, а потребляли сначала органические молекулы, созданные природой небиологическим путём, а затем и остатки растений, а также сами живые растения. Эти клетки положили начало второму царству — животным организмам. Первые клетки этой группы жили при отсутствии кислорода и были вынуждены в своей жизнедеятельности использовать энергетически малоэффективные химические реакции типа гниения, брожения. Такие анаэробные бактерии существуют и сейчас; они живут и размножаются в бескислородной среде. Но с появлением в океане даже малого количества кислорода, в середине протерозоя, в раннем или среднем рифее, возникают аэробные бактерии, в которых процесс усвоения белков радикально изменён: вместо брожения (гниения) происходит прямое кислородное окисление и это оказалось энергетически гораздо эффективнее — в 20 и более раз.

В результате медленного и «скрытого» развития первичных живых клеток в течение 1,2–1,5 млрд. лет к середине рифея образовались два типа одноклеточных живых организмов — растительные и бактерии; оба типа существенно усовершенствовались: прокариоты превратились в эукариотов — клетки с ядром и мембранной оболочкой, было освоено половое размножение, усложнился и усовершенствовался генетический аппарат ДНК (см. гл. 4). Этими изменениями был заложен фундамент для дальнейших всё более быстрых шагов на пути биологического развития.

Во второй половине рифея появились многоклеточные организмы, как растительные, так и животные; параллельно в океане продолжали существовать и развиваться одноклеточные, причем общая биологическая масса одноклеточных была больше, чем масса многоклеточных, а биологическая производительность (т. е. производство органического вещества и, попутно кислорода) — значительно больше. Это объясняется тем, что одноклеточные организмы очень быстро размножаются — деление происходит через 1–3 суток.

Процесс формирования многоклеточных живых существ тоже был не быстрым. Ранее он казался достаточно ясным, но в самое последнее время появились вопросы, на которые наука пока не может дать чёткого ответа. Тем не менее, он оставил уже в венде множество материальных следов, различных промежуточных форм (строматолиты, онколиты и др.). К концу протерозоя, в верхнем рифее и венде, уже было много разнообразных многоклеточных живых существ: кишечно-полостные (особенно медузы), кольчатые черви, членистоногие и др. Все животные организмы в эти времена не имели скелета, раковин или панциря.

Таким образом, основные итоги развития жизни в течение 3 млрд. лет после её возникновения до начала фанерозоя (570 миллионов лет) состоят в следующем:

  1. Уже первичные одноклеточные организмы разделились на две группы — растения и животные.
  2. Растения освоили фотосинтез — производство органических веществ из неорганических, в первую очередь из воды H2O и углекислого газа CO2, за счёт солнечной энергии. При этом выделяется свободный кислород.
  3. Животные, питание которых осуществляется за счёт органических веществ, синтезированных растениями, как только в океане появился свободный кислород, при переработке пищи перешли от реакций брожения к значительно более эффективному поглощению кислорода и прямому окислению. В сущности это явилось началом кислородного дыхания, конечно, в очень примитивной форме.
  4. Как у растительных, так и у животных клеток был существенно усовершенствован генетический аппарат, ответственный за передачу наследственной информации — размножение. Усовершенствовались сами клетки и процессы, обеспечивающие жизнедеятельность. Клетки стали структурно сложнее, появилось ядро, наружная оболочка — мембрана. У растений хлорофилл — вещество, осуществляющее фотосинтез, первоначально рассеянный по всей клетке, сосредоточился в отдельных образованиях — хлоропластах.
  5. Появились многоклеточные организмы, как растительные, так и животные, у которых специализированные группы клеток выполняют разные функции, обеспечивая общую жизнедеятельность организма.

Правда, разнообразие в обоих живых царствах было пока невелико. Разумеется, весь этот процесс развития проходил под флагом изменчивости и естественного отбора — законам, которые Природе пришлось открыть намного раньше Дарвина, поскольку великий биолог ещё не родился, а ждать было некогда. Внешне результат развития за 3 млрд. лет выглядел скромно по сравнению с тем, что произошло дальше, в фанерозое за каких-нибудь 600 миллионов лет. Поверхность планеты по-прежнему была пустой и безжизненной. Однако, на самом деле к началу фанерозоя был пройден огромный путь, осуществилась скрытая подготовка к внезапному наступлению жизни «на всех фронтах». Поэтому все эоны до фанерозоя в совокупности иногда называют криптозоем — эрой скрытой жизни.

Иногда думают, что раньше на Земле был одинаковый или, по крайней мере, медленно и монотонно изменяющийся климат, на фоне которого спокойно и неторопливо разворачивалась пьеса под названием «развитие жизни на планете Земля». Однако, это не так. В истории Земли жаркие периоды сменялись устойчивыми и сильными похолоданиями; те и другие иногда длились десятки, даже сотни миллионов лет. В соответствии с этим расширялись или таяли огромные ледяные шапки в районах полюсов планеты, подобные тем, которые сейчас покрывают Антарктиду или Гренландию, понижался или , наоборот, повышался уровень Мирового океана, море наступало на материки, заливая обширные области (трансгрессия) или, наоборот, отступало, увеличивая поверхность суши (регрессия). Оледенения в отдельные периоды достигали субтропических областей. Несомненные геологические следы таких оледенений в виде так называемых тиллитов — особых конгломератов, состоящих из смеси отполированных льдами валунов с глинами и другими специфическими породами, — находятся в Африке, на юге Азии, в обеих частях Америки. С другой стороны и в полярных широтах находят следы буйной растительности, которая могла существовать только в жарком, субтропическом климате. На диаграмме рис. 10 е отражены эти процессы в условной форме, считая что повышение линии означает повышение, а спад соответствует понижению средней глобальной температуры. Абсолютные значения температуры неизвестны, однако по косвенным данным удаётся установить, что температура поверхности океана в тропической зоне хотя и понижалась иногда до +6 ∘C (сейчас она равна ∼ + 25∘C), но никогда не замерзала вся поверхность океана. Она оставалась холодной, но открытой. Это — очень важное обстоятельство.

Времена периодов похолодания по геологическим данным удаётся установить достаточно надёжно. На диаграмме видны длительное нижнепротерозойское (2,5–2,0 млрд. лет назад), нижнерифейское (1,7–1,5 млрд.), верхнерифейское (0,8 млрд.), вендское (0,6 млрд.) — совсем накануне фанерозоя, очень значительное пермское похолодание — уже в фанерозойские времена, 200–300 млн. лет назад. Были оледенения и позже, ближе к нашему времени; последнее из них — вюрмское окончилось всего 10000 лет назад, когда уже сформировался современный человек. Эти близкие к нам ледниковые периоды были сравнительно непродолжительными и временной масштаб рис. 10 e не позволяет их показать. Наука до сих пор не знает точных причин каждого похолодания, вообще причин глубоких климатических колебаний, но высказываются предположения о возможных факторах как космического, так и чисто земного характера. Перечислим эти предположения:

  1. Изменение солнечной радиации. В настоящее время поток солнечной радиации, приходящий на Землю, равен 1,98 кал/см2 (2,29 ⋅ 104 Дж/м2). Астрофизики считают, что Солнце относится к звёздам, излучение которых остается постоянным в течение очень длительного времени (до 10 миллиардов лет и более). Поэтому этот фактор должен быть отброшен.
  2. Изменения орбиты Земли или характера её вращения. Изменения орбиты в принципе возможны под влиянием других планет солнечной системы, однако, как показывают расчеты, они очень малы и не могут оказать существенного влияния на климат Земли. Изменения скорости вращения действительно происходят из-за гравитационного взаимодействия Земли и Луны (а также, в меньшей степени, Земли и Солнца) и связанных с этим сил приливного трения. В результате вращение Земли замедляется (время одного оборота вокруг оси уменьшается на 0,017 с за сто лет), а Луна удаляется от Земли. Например, в первой половине фанерозоя, 380 млн. лет назад продолжительность суток составляла 21,7 часа; в году было 400 дней. Но этот фактор действует всегда только в одну сторону и не может объяснить колебаний климата.
  3. Высказывалось также предположение, что солнечная система в своем галактическом движении иногда попадала в облака межзвёздной пыли, частично экранирующие Солнце и уменьшающие радиацию, которая достигает Земли. По ряду причин эта гипотеза считается маловероятной.
  4. Югославский учёный М. Миланкович считает [2.45], что причиной климатических изменений могут быть колебания земной оси (известные в теории вращающихся тел явления прецессии и нутации) и связанная с этим перемена положения экватора относительно плоскости вращения Земли вокруг Солнца. Эта хорошо обоснованная теория находит всё большее признание.

К факторам земного происхождения относятся:

  1. Изменение состава атмосферы, вернее, количества в ней водяного пара, и, особенно, углекислого газа, ответственных за парниковый эффект (уменьшающих количество тепла, излучаемого Землей в космос). Такие изменения могли происходить и, возможно, разнонаправленные, например, как следствие увеличения и ослабления вулканической активности. В настоящее время к естественным колебаниям содержания CO2 и H2O прибавляется потенциальная опасность увеличения CO2 и перегрева Земли в результате технической деятельности человечества.
  2. Изменение прозрачности атмосферы для солнечных лучей вследствие колебаний запылённости. Это могло происходить также вследствие вулканической деятельности (пылевые выбросы в верхние слои атмосферы) или особых катаклизмов, таких, как падение на Землю очень крупных метеоритов, размером до нескольких километров.
  3. Важную роль играет распределение земной поверхности между морем и сушей. Здесь дело в том, что часть солнечных лучей отражается от поверхности земли в космическое пространство и эта энергия, не поглощаясь земной поверхностью, естественно, теряется. Коэффициент отражения (альбедо) разный для разных видов поверхности: альбедо моря равно 0,03; альбедо суши в зависимости от характера почвы и, особенно, растительности колеблется в пределах от 0,2 (растительность) до 0,9 (снег). Считается, что среднее значение альбедо для сухопутной поверхности составляет 0,45. Таким образом, суша отражает солнечные лучи лучше, чем море, и в периоды подъема уровня океана (трансгрессии) Земля в целом получает больше тепла. Особое значение имеют полярные ледяные щиты и ледяные поля, плавающие в северных и южных морях. Поскольку лёд хорошо отражает солнечные лучи, уменьшая остающуюся радиацию, а при похолодании поверхность, занятая ледниками, возрастает, то возникает глобальный эффект положительной обратной связи: похолодание увеличивает ледяной покров, а это в свою очередь, уменьшает остающуюся радиацию и вызывает дополнительное понижение глобальной температуры. Известно, что системы с положительными обратными связями неустойчивы: даже на небольшие изменения условий они могут реагировать значительными, глубокими колебаниями. Если величина обратной связи не слишком велика, то такие колебания постепенно затухают, но всегда есть критический уровень, после которого процесс становится необратимым. На это обстоятельство обратил внимание известный русский ученый М.И. Будыко [2.36]. По его расчётам, если процесс оледенения зайдёт слишком далеко (до 30–40 градусов северной и южной широты), то процесс станет необратимым и вся Земля покроется ледяным покровом — уже навечно. После этого жизнь на нашей планете прекратится.

Всё же ещё раз надо подчеркнуть, что в вопросах теории климата пока остаётся много неясного, даже в главных моментах. За 4,5 млрд. лет существования Земли полное оледенение планеты почему-то так и не наступило. Неясно, какой из факторов, влияющих на климат, вызывает ледниковые периоды, возможно, что действует совокупность нескольких из них. В приложении 3 (стр. 503) изложены некоторые дополнительные соображения по данному вопросу.

Современное человечество плохо подготовлено к новым ледниковым периодам, даже если они не будут слишком глубокими и продолжительными. Возникнут проблемы питания, переселения людей в южные широты и другие, которые может решать только все человечество в целом и это ещё один довод в пользу объединения человечества в планетарном масштабе.

Чтобы покончить с этой темой, можно еще отметить, что отражательная способность земной поверхности является настолько мощным климатообразующим фактором, что высказывались идеи, пока на уровне гипотез, еще не проработанные с должной глубиной, о возможности для человечества уже сейчас или в близком будущем влиять на погоду и климат путем создания в больших зонах акватории Мирового океана тонких (молекулярных) слоёв некоторых веществ, которые, не нарушая жизнь в океане и газовый обмен между океаном и атмосферой, изменяли бы альбедо поверхности (при положительной обратной связи достаточно даже небольших изменений) и тем самым воздействовали на климат. Высказывалось также соображение о влиянии на альбедо ледников путем засева специальных (растительных) микроорганизмов, которые могли бы жить и размножаться в летний период и своим присутствием менять альбедо льдов. Правда, такие клетки пока ещё не существуют, но, может быть, их удастся вывести искусственным путём. Осуществление подобных проектов — задача будущего, посильная только объединенному человечеству.

Последнюю строку — рис. 10 ж на геохронологической таблице — следует рассматривать, как иллюстрацию, условно показывающую изменения вида поверхности Земли в течение её истории. Условность заключается, во-первых, в подборе цветов водной и сухопутной поверхности, которые для разных периодов символизируют происходившие изменения, и, во-вторых, в том, что современная конфигурация океана и суши возникла только в фанерозое за последние 600 миллионов лет. В прежние эпохи она была совсем иной, но какой точно, неизвестно. Левый из этих рисунков изображает Земной шар сразу после формирования планеты. Атмосферы, гидросферы, каких-либо поверхностных структур ещё нет. Следующие 3 рисунка показывают изменения, происходившие в начальные 2,5 млрд. лет — в середине катархея, архее и в начале протерозоя. На этих рисунках видно, как постепенно увеличивается поверхность океана, сначала чёрная, поскольку атмосферы ещё нет, а цвет океана — это отражение цвета неба, затем, по мере накопления атмосферы, приобретающая синие оттенки. Суша изображена оранжево-коричневыми тонами, т. к. растительности на ней нет. Пятый рисунок относится к границе между протерозоем и фанерозоем: океан стал светлее, цвет суши не изменился; она по-прежнему безжизненна. Очертания суши на этом рисунке отражают современные представления: в ту эпоху существовал единый праматерик Пангея, который затем в первой половине фанерозоя возникшим океаном Тетис разделился на две части: северную — Лавразию, давшую начало Европе, Азии, Северной Америке и южную — Гондвану, из которой затем при дальнейшем делении образовались Антарктида, Австралия, Африка, Индийская платформа («примкнувшая» в дальнейшем к Азии) и Южная Америка. На последнем рисунке в серии 10 ж изображена современная Земля в конце фанерозоя: современные очертания материков; океан имеет голубовато-зеленый цвет, суша, покрытая растительностью, стала зеленой.

На рис. 10 специально выдержан линейный масштаб по времени, позволяющий нагляднее представить относительную длительность геологических эонов и эр. Но в этом масштабе невозможно отразить события, развернувшиеся в последнем этапе — фанерозое. Этот ближайший к нам и продолжающийся сейчас эон занял всего 570 миллионов лет, между тем именно в нём развернулись наиболее важные для нас и наиболее изученные события. В связи с этим эон фанерозоя необходимо рассмотреть отдельно и подробнее. На рис. 11 изображена геохронологическая шкала фанерозоя.

PIC

  Рис. 11. Геохронологическое деление фанерозоя  

Фанерозой — эон явной жизни, назван так потому, что в толщах осадочных пород существует как бы резкая граница с возрастом 570 млн. лет. Слои, образовавшиеся до этого, были или, по крайней мере, исследователям, работавшим в 19 и начале 20 века казались безжизненными, а более поздние наполнены многочисленными отпечатками, а затем и остатками разнообразных живых организмов, растительных и животных. Появились целые слои горных пород (уголь, мел и др.) безусловно сложенные из остатков вымерших организмов. Не то, чтобы в предшествующие эпохи жизни не было, просто ее не умели обнаруживать, так как отпечатков сохранилось мало, одноклеточные и многоклеточные организмы не имели скелетов, панцирей, раковин и требовались более тонкие методы для обнаружения этих почти стертых временем следов. Зато с началом фанерозоя жизнь как бы вспыхнула — вдруг и повсеместно. На самом деле эта вспышка была подготовлена всем предыдущим развитием. Перечислим еще раз основные результаты этого скрытого развития:

Всё это позволило растениям, а вслед за ними и животным, выйти из воды и освоить сушу.

В геологическом плане, если не учитывать всё возрастающее влияние жизнедеятельности на геологические процессы, события в фанерозое развертывались примерно по прежнему сценарию. Уже в протерозое вулкано-тектонические процессы начали определяться движением литосферных плит; это продолжалось и в фанерозое.

В начале фанерозоя географическая конфигурация суши и океана ничем не походила на современную. Но в результате движения материковых платформ постепенно за 570 миллионов лет сформировалась нынешняя карта мира, включая и океаны: Тихий (остаток первоначального общемирового океана), Индийский, Атлантический и Северный Ледовитый океан. Возникли современные горные системы, и сформировалось большинство залежей полезных ископаемых, которые не успели разрушиться эрозией и дошли до нашего времени. Во всяком случае, энергетические материалы — каменный уголь, горючие сланцы, нефть и природные газы — сформировались из остатков животных, живших уже в фанерозое.

Три эры фанерозоя получили названия, связанные с развитием жизни: палеозой, продолжавшийся 340 млн. лет — эра древней жизни; мезозой (163 млн. лет) — эра средней жизни; кайнозой (67 млн. лет) — эра новой жизни. Названия периодов, на которые разбиты эти эры, связаны с осадочными породами, иногда биологического происхождения, наиболее характерными для данного времени, или с местностями, где эти породы были найдены впервые или же представлены особенно чётко. Для определения возраста этих пород наряду с методами радиоактивных изотопов используются многочисленные остатки живых организмов, характерных для соответствующей эпохи.

Эра древней жизни, палеозой — делится на 6 периодов: кембрий, ордовик, силур, девон, карбон, пермь продолжительностью 55–70 млн. лет; только силурский период был несколько короче — 35 млн. лет.

Эра средней жизни, мезозой делится на три периода — триас (35 млн. лет), юрский или юра (58 млн. лет) и меловой (мел, 70 млн. лет).

Последняя эра новой жизни, кайнозой делится на третичный (65 млн. лет) и четвертичный периоды. Четвертичный период начался всего 1,5 млн. лет назад и продолжается по настоящее время. На протяжении фанерозоя происходили неоднократные наступления (трансгрессия) моря, когда значительная часть суши покрывалась водой и отступления (регрессия), когда поверхность моря понижалась, освобождая участки суши. Эти явления в основном связаны с климатическими колебаниями; похолодания сопровождались формированием ледников, особенно в полярных областях, при этом уровень моря понижался; в периоды потеплений ледники таяли, и уровень моря повышался. В самом конце третичного периода, около 3,5 миллионов лет назад, сформировался и начал развиваться новый вид — человек. Основная часть истории человечества — это периоды дикости и варварства. Только последний этап — 8–10 тысяч лет, можно считать эпохой развития цивилизации. Мы живем в конце четвертичного периода, занимающего незначительную часть (около 2%) кайнозойской эры, которая сама составляет небольшую часть (1,5%) всей истории Земли. Таким образом, пока у человечества нет никаких оснований гордиться особым долголетием.

Основным содержанием эры фанерозоя является развитие жизни. Но здесь мы не будем останавливаться на безусловно интересных и поражающих воображение этапах этого процесса, поскольку ему посвящена вся следующая глава.