Жизнь нашей планеты, как и жизнь любого живого существа, а также работа любой машины – это процесс обмена энергией с окружающей средой. С этим процессом связан характер всех изменений Земли, её облик на всех этапах жизни и дальнейшая эволюция.
Генерация энергии Земли, влияющая на все внутренние процессы, происходила в разное время по-разному, об этом подробно в статье 2. Источником тепла служили:
- Разогрев от падений всевозможных астероидов и метеоритов.
- Распад радиоактивных элементов.
- Энергия приливов в верхних слоях Земли, а позже в гидросфере.
- Гравитационная энергия – тепло, выделяемое при разделении более тяжёлых и лёгких элементов в поле силы тяжести.
Потеря энергии происходила всегда примерно одним и тем же способом: энергия всех процессов внутри и на поверхности планеты рано или поздно переходит в тепло и рассеивается в космос посредством теплового излучения. Мерой генерации и потери энергии Землёй может служить тепловой поток, идущий из глубины через поверхность земли. В настоящее время он измеряется напрямую, в прошедшие эпохи реконструируется по косвенным признакам и с помощью расчётов.
Земля уникальна среди каменистых планет солнечной системы тем, что генерация энергии в ней происходит на протяжении всей её жизни, а не только в момент аккреции (рождения из протопланетной туманности, см. статью 1). Хотя, конечно, тут нет никакого вечного двигателя, и запас внутренней энергии Земли конечен и постепенно уменьшается.
Рассмотрим кратко три рубежа глобальной эволюции нашей планеты. Подробно в статье 2.
Исходник
После рождения Земли и набора ей основной части массы, а также появления (тем или иным способом) Луны на низкой околоземной орбите:
- Солнечная активность примерно 70% от современной.
- Земля однородная и скорее тёплая, чем горячая.
- Крайне высокая доля приливной энергии.
- Высокая доля радиогенной энергии за счёт большого количества короткоживущих изотопов.
- Почти полное отсутствие выделения гравитационной энергии – только упругое сжатие и разогрев внешней части земли за счёт падения астероидов.
Земля запасает энергию от ударов астероидов и приливную энергию. Луна тогда находилась очень близко и вызывала гигантские приливы в верхних слоях планеты. Высота каменного приливного горба могла достигать 2 километров! В какой-то момент на глубинах 200-700 км в экваториальной зоне, над которой вращается Луна и происходят максимальные приливы, скопилось достаточно тепла, чтобы вызвать частичное плавление пород и резко понизить вязкость этого глубинного пояса первичной астеносферы. Выше тепло успевало рассеяться в космос, а ниже не могло проникнуть из внешних слоёв Земли.
Единственный период, когда эволюция Земли определялась внешними источниками. Следов жизни нам не видно. Если что-то и было, то ничего не сохранилось.
4-2,5 млрд. лет – этап бурного выделения гравитационной энергии. Подробно в статье 2.
Теперь подробнее
4-3,5 млрд. лет – начало архея, появление первой астеносферы. Сильный разогрев и понижение вязкости, большое внутреннее трение, рассеивание приливной энергии, и, как следствие, резкое удаление луны, резкое падение доли приливного энерговыделения в общем балансе. Первая конвекция. Активные выплавки первой континентальной коры современного типа. Самые древние из сохранившихся геологических структур: первые небольшие «Зеленокаменные пояса» и «Гранитогнейсовые купола». Сильный рост выделения гравитационной энергии, с этого момента доля внешних источников исчезающе мала.
Где-то тут появляются первые следы простейшей жизни.
3,5-3 млрд. лет - архей – непрерывная дегазация планеты, рост содержания в верхних слоях Земли свободного кислорода, его присутствие резко облегчает плавление железа, дифференциация вещества облегчается и ускоряется – новый пик гравитационного энерговыделения. Широко развиваются гранитогнейсовые купола и зеленокаменные пояса между ними.
2,5 млрд. лет - архей\протерозой – самый высокий, но непродолжительный пик выделения гравитационной энергии, связанный с появлением у Земли массивного железного ядра. Железное ядро с твёрдой сердцевиной и расплавленным внешним слоем начинает генерировать стабильное мощное магнитное поле. Это видно по появлению горных пород с сильной однонаправленной намагниченностью от магнитного поля дипольного типа. Магнитное поле защитило землю от «Солнечного ветра» - мощного потока заряженных частиц, испускаемых Солнцем (по сути это поток губительной радиации). Так живые организмы получили возможность осваивать мелководную зону морей. Заодно зонтик магнитного поля защитил атмосферу от частичного «сдувания» её солнечным ветром.
2,5 млрд. лет – до настоящего времени - современный геодинамический режим.
Земля совершает работу в виде непрерывного разделения мантийного вещества и наращивания коры за счёт лёгких элементов мантии, а ядра – тяжёлых, в первую очередь железа. При этом Земля необратимо тратит запас внутренней энергии, рассеивая её в виде тепла в космическое пространство. Внешне этот процесс выражается в виде постоянно идущих циклов Вильсона (подробно в статье 5) и ритмичной смене конвективного режима земли с одноячейкового на двухячейковый.
Интересно сравнить мощность энерговыделения человечества и мощности Земли, измеряемую по современному тепловому потоку на поверхности. Чтоб достигнуть такой же мощности, как генерирует Земля, каждому человеку нужно включить что-то типа электрочайника. С учётом промышленного производства и транспорта мы генерируем заметно больше энергии.
Смена конвективного режима. Современная глобальная тектоника
Когда практически все блоки континентальной литосферы собираются над нисходящим мантийным потоком, они образуют единый суперматерик. Соответственно, на другой части планеты образуется сплошной суперокеан. Блоки сталкиваются, и от этого на едином континенте начинают повсеместно и близко по времени образовываться горные системы, как будто Гималаи растут везде и сразу. Так начинается глобальная эпоха складчатости. Первое такое событие было связано с образованием земного ядра. Тогда очень тяжёлые железистые расплавы из первичной астеносферы проваливались под своим весом к центру земли. Над районом этого глобального погружения вещества сложилась нисходящая струя. На противоположной стороне планеты получилась восходящая струя первой глобальной конвективной ячейки.
По всему единому континенту растут горы и резко усиливается эрозия - снос минеральных компонентов в океан, вода обогащается всеми необходимыми для жизни микроэлементами, прежде всего фосфором, а также кальцием, железом, марганцем и т.д. Почти исчезают обширные мелководные тёплые моря. Климат на континенте становится ультразасушливым, за исключением узкой прибрежной полосы. Что приводит к широчайшему развитию пустынных отложений. Нарушается всепланетная циркуляция океанских течений, что может привести к глобальным ледниковым периодам даже при расположении суперматерика в приэкваториальной зоне. При сценарии «Земля – снежок» (развитие отрицательных температур на всей площади земли) резко падает продуктивность биосферы, вплоть до исчезновения следов жизнедеятельности. Происходит полное замерзание поверхности мирового океана, образование покровных материковых ледников или безлёдных арктических пустынь из-за прекращения испарения воды с поверхности океана. Это практически блокирует эрозионные процессы, вынос и формирование осадочных пород на морском дне.
Про такие периоды в прошлом Земли интересно будет поговорить в плане влияния геологии и живых существ друг на друга. Об этом немного позже.
Суперматерик выступает хорошим теплоизолятором. Сквозь материковую кору тепловой поток в разы меньше, чем через океаническую. Под толстой корой суперматерика постепенно накапливается избыточное тепло. И нисходящий поток остывшего вещества в конвективной ячейке замедляется и постепенно останавливается. Под континентом зарождается новый восходящий поток.
Так как это всё очень небыстрые процессы, а тепло копится постоянно, под континентом накапливается огромный избыток тепловой энергии. Это выливается в катастрофические процессы рифтогенеза. В отличие от спокойных и ритмичных извержений трещинного типа СОХ (мы можем на них посмотреть своими глазами в Исландии) происходят катастрофы планетного масштаба, как, например, извержение Сибирских траппов, где менее чем за миллион лет были извержены в виде лавы миллионы кубических километров базальтов и сравнимые количества вулканического пепла, разнесённого по всей планете. Судя по всему, именно это послужило спусковым крючком самого страшного глобального вымирания на земле – Пермь-Триасового…
Во времена единых материков биосфера во многом консолидируется – в глобальной экосистеме сильно уменьшается видовое разнообразие, смена биомов по территории становится постепенной и привязанной только к климатической зональности. В целом, за счёт глобального опустынивания и горообразования площадь, пригодная для комфортного развития наземной биосферы, сокращается. Как ни странно, сокращается и видовое разнообразие морской живности, хоть единый океан и раскидывается на огромные площади. Ведь мелководные тёплые мора почти пропадают, а именно в них и сосредоточенно всё буйство морской жизни. В то же время биомасса на планете вряд ли уменьшается – ведь реки, а, главное, ветра из пустынь сносят в океан огромное количество пыли. Это, по сути, минеральные удобрения для фитопланктона. А он, в свою очередь, основа всей глобальной пищевой цепочки океана. Итак, видовое разнообразие и сложность экологической структур заметно падают, но количество живых существ на земле (по массе) сильно не меняется, возможно, даже растёт. Это интереснейший вопрос! Возможно ли, что с момента освоения фотосинтеза биомасса на Земле примерно постоянна!?
После такого яркого эпизода глобальный континент дробится на куски. По линиям разделов материковых плит закладываются новые океаны. Как мы уже обсуждали в статье 4, это процесс самоподдерживающийся. Как только рифтовая трещина (разлом, достигающий астеносферного слоя) появится, дальше океан вырастет сам по себе. Появившиеся отдельные материки разбегаются и позже могут сталкиваться, образуя локальные складчатые системы, подобные современному Альпийско-Гималайскому складчатому поясу.
В итоге на месте бывшей нисходящей ветви единой конвективной ячейки мы увидим поднимающуюся ветвь. Теперь на планете их две. От каждой поток вещества направляется вдоль поверхности земли в разные стороны более-менее симметрично. В какой-то момент эти потоки остывающего вещества встретятся и начнут погружаться. Так как всё это происходит на шаре, то район столкновения потоков на глобусе будет виден в форме кольца примерно экваториального размера. Что мы и наблюдаем в нынешнее время – это «Тихоокеанское огненное кольцо».
Наша планета не идеальная сфера в вакууме. Она почти, но не до конца, подобна сфере, и вакуум вокруг не полный. Так что реальные процессы далеко не строго симметричны и равномерны. В ход земной эволюции вмешивается бесчисленное количество различных факторов. В сумме они дают картинку, как в идеальной схеме, но не совсем. Отсюда и всё бесконечное разнообразие реализуемых локальных сценариев при очень простых единых закономерностях развития.
Благодаря вышеупомянутым обстоятельствам континенты не собираются в единое тонкое колечко над нисходящим конвективным потоком. Двухячейковая структура в итоге схлопывается – кольцо нисходящего потока локализуется и собирает над собой континентальные литосферные плиты. Цикл повторяется.
На данный момент весь массив собранных данных указывает на такую историю циклов:
3,8 млрд лет – первая из эпох складчатости, оставивших заметные нам следы. «Беломорская» или «Саамская» - связана с появлением астеносферы, прекращением приливной тектоники и началом тектоники, связанной с внутрипланетными источниками энергии.
2,7-2,6 млрд лет – первый известный суперконтинент – Моногея (Пангея-0). Тут видны следы первой глобальной эпохи складчатости (Кеноранская) По этому хорошо заметному в геологической летописи следу проводится граница между глобальными периодами в истории земли: Археем (от греч. ἀρχαῖος – изначальный, древний, нижнее из двух крупнейших стратиграфических подразделений докембрия и соответствующий ему древнейший период геологической истории Земли), следы жизни крайне скудны, породы этого возраста на земной поверхности представлены очень слабо и в сильно изменённом виде; и Протерозоем (от греч. πρότερος – более ранний и ζωή – жизнь, верхнее из двух крупнейших стратиграфических подразделений докембрия), следы примитивных живых существ фиксируются уверенно и повсеместно.
Скорее всего, Моногея реально первый суперконтинент, раньше просто не было достаточно материала континентальной коры, да и глобальная конвекция заработала буквально только что. Каких-то 100-200 миллионов лет назад. Это было следствием образования железного ядра, о чём говорили в начале статьи. По всем геологическим данным суша была совершенно безжизненна, а очень плотная атмосфера состояла в основном из углекислого газа. Кислород в атмосфере практически отсутствовал.
В это же время в морях вовсю была развита одноклеточная жизнь. Слизистые плёнки бактерий покрывали камни на морском мелководье, почти те же существа образовывали свободно плавающий в океанской толще планктон. Они плёнка за плёнкой, слой за слоем, создавали глобальные части тогдашнего рельефа в виде строматолитовых известковых рифов. Эти рифы складывались в мощные геологические пласты, погружались на глубину, претерпевали различные изменения в процессе метаморфизма и включались в состав материковой коры как обязательная составляющая фундамента континентальных плит. Рифостроители в огромных количествах связывали углекислоту из первичной атмосферы и в виде карбонатов выводили её из химического оборота веществ. Также углекислота расходовалась при фотосинтезе – бактерии синтезировали сахара (это и глюкоза для энергообмена, позже и целлюлоза для строительства организмов) В итоге их жизнедеятельности биогенный углерод захоранивался в виде углистых сланцев и тому подобных пород. В то же время они выделяли кислород.
Вообще кислород для живой клетки — это страшнейший яд! Только специальные защитные механизмы позволяют жизни существовать в кислородной среде. Появились они далеко не сразу! Для первых фотосинтезирующих существ кислород был опасным отходом.
Сначала это не было большой проблемой – в окружающей морской воде было растворено огромное количество неокисленных веществ, прежде всего железа, в виде отдельных ионов и различных сложных ионных комплексов. Всё это совершенно не стойко в кислородной среде. Окислы выпадают в нерастворимый осадок и оседают на дне. Это замечательно видно по огромным толщам весьма приметных пород - железистых кварцитов. Они имеют очень близкий возраст образования и развиты по всей планете на древних материковых плитах. Железная руда, добытая из этих слоёв - одна из главных основ нашей цивилизации.
Пока кислород уходил на окисление всего, что только возможно, проблем не было. Но вот в океане просто не осталось нужной химии, тогда свободный кислород стал насыщать воду и попадать в атмосферу. Это во много раз ускорило химическое выветривание на материках и вынос питательных веществ в океан. Что ещё больше ускорило рост фотосинтезирующих организмов, и так по кругу!
Кислород, попадая в атмосферу, стал образовывать озоновый слой, тем более мощный, чем больше кислорода становилось в атмосфере. Озон эффективно защищает поверхность земли от жёсткого ультрафиолета в спектре солнечного излучения. Соответственно, когда кислорода, а с ним и озона стало достаточно, одноклеточная жизнь смогла освоить приливно-отливную зону морей с очень высокой биопродуктивностью и стала потихоньку осваиваться на суше. И смогла ещё больше выделять кислород!!!
Это, конечно, хорошо для жизни, но только для той, которая может выдерживать кислородное окружение. Таких существ было крайне мало – по сути это были мусорщики на периферии успешных микробных сообществ. Но именно они смогли освоить опустевшую нишу. Примерно тогда же во всю проходило освоение бактериями процесса кислородного дыхания – этот процесс хоть и сложен, но даёт намного больше энергии живой клетке, чем было доступно ранее.
На планете около 2,4-2,2 млрд. лет назад назрела кислородная революция или даже катастрофа (по нынешним оценкам содержание кислорода в атмосфере достигло 2-10% от современного) – не быстрая, но по масштабам намного более страшная, чем все последующие вымирания, вместе взятые! За короткое по меркам земной истории время (считанные десятки миллионов лет) концентрация кислорода в атмосфере выросла примерно в тысячу раз и осталась на этом уровне; до прежних ничтожных величин она не опустилась больше никогда.
Очень вряд ли в этот момент надолго сократилось количество биомассы, но вот видовое содержание упало радикально. Ответной мерой у живых существ стало включение кислорода в цепочку реакций, разлагающих глюкозу. Таким образом они начали использовать кислород для получения энергии. Такой переход позволил им получить мощное эволюционное преимущество – кислородное дыхание обеспечивает значительно больше энергии для жизненных процессов, чем ранние биохимические схемы.
Однако это только начало кризиса.
В те времена Cолнце ещё не раскочегарилось по полной и грело процентов на 30 слабее. Земля не замерзала только за счёт того, что, подобно нынешней Венере, была окутана плотной атмосферой из газов с довольно сильным парниковым эффектом. Аммиак, метан и сероводород вообще не очень стойкие, те, что не распались сами, сожрали бактерии. Эти газы - очень удобное сырьё для хемосинтеза – основы докислородной жизни. Водород частью улетучивался в космос, частью поедался теми же бактериями. Земля стала отдавать в космос больше тепла, и на поверхности начался первый глобальный ледниковый период.
Получилось то, что теперь называют «Земля-снежок». Звучит забавно, но для жизни – страшнейшее время! События вполне явно читаются по следам в слоях горных пород, образованных в то время на всех континентах (2,3 млрд. лет назад).
Вот тут, почти наверняка, количество биомассы надолго сократилось. Почти полностью вымерли все фотосинтезирующие организмы. Из-за прекращения эрозионных процессов на континентах прекратился вынос питательных минеральных веществ с суши в океан. Быстро падает содержание кислорода в атмосфере и его концентрация в воде. В океанах за счёт вулканической активности растёт содержание неокисленных элементов: железа, серы и т.д., что благоприятно для хемосинтезирующих бактерий.
Жизнь в основном концентрировалась вокруг вулканических источников энергии – собственно, подводных вулканов и т.н. «Чёрных курильщиков» (гидротермальные постройки на дне океана, из жерла которых изливаются горячие водные растворы температурой 350–360 °C (гидротермы), содержащие взвешенные минеральные частицы в виде чёрной густой взвеси, преимущественно сульфиды металлов). По сравнению с тем, что давал фотосинтез, это слабые и локальные источники энергии и питательных веществ.
Если бы замерзание было немного сильнее и длилось подольше, вся эволюция жизни пошла бы совершенно иначе! Скорее всего, приоритет на планете получили бы существа, очень хорошо переносящие экстремальные условия: археи (от греч. ἀρχαῖος – изначальный, древний, архебактерии (Archaea), группа прокариот, выделяемая в отдельную систематическую категорию наравне с истинными бактериями (эубактериями) и ядерными организмами – эукариотами. Деление прокариот на архей и истинных бактерий проводится на основании значительных различий в структуре генома, свидетельствующих о раннем расхождении этих групп организмов в ходе эволюции). И вся дальнейшая эволюция строилась бы на этом фундаменте.
Как нас учит диалектика, каждое событие\процесс несёт в себе самом причины своего окончания. Период глобальной заморозки является этому яркой иллюстрацией. Когда мировой океан практически полностью замёрз, фотосинтез прекратился. Кислород потихоньку расходовался на окисление горных пород материков и газов, поступающих из вулканов. Вулканическая деятельность, понятно, не прекращалась и была намного интенсивнее современной. Всё этот привело к медленному, но постоянному росту содержания парниковых газов (в основном углекислого). Температура на планете потихоньку росла, и запустился механизм положительной обратной связи (это когда следствия процесса усиливают его ход). Температура росла, ледяной покров уменьшался, меньше отражал тепла в космос, Земля сильнее нагревалась, и ледяной покров уменьшался быстрее. И так по нарастающей. Такой же механизм, но с обратным знаком запускается и при начале ледниковых периодов. Получается, что начала и окончания ледниковых эпох – это почти мгновенные события по геологическим меркам.
В истории Земли была ещё одна глобальная ледяная эпоха. Про неё чуть ниже.
1,8 млрд лет – Второй по порядку суперконтинент Мегагея (Пангея-1). «Карельская» глобальная фаза складчатости.
В это время сложились крупные ядра современных материковых платформ – кратоны. Как видно по нумерации, сперва узнали про Мегагею, но позже был реконструирован её предшественник, старше почти на миллиард лет! И его назвали Пангея-0. Нулевая Пангея была меньше Первой, ведь материковой коры в то время успело образоваться совсем не много.
После образования Мегагеи Земля жила своей жизнью: суперконтинент раскололся, осколки катались по глобусу, горы вырастали и исчезали, океаны рождались и закрывались; в итоге всё снова пришло к одноячейковой схеме конвекции, рождению следующего суперматерика и новой глобальной эпохе горообразования. Но всё это слабо повлияло на биосферу!
Палеонтологи называют это время «скучным миллиардом»: следы жизни наблюдаются повсеместно в морских осадочных породах. В основном это очень простые одноклеточные организмы или остатки их колоний. Изредка попадаются остатки кого-то многоклеточного, скорее всего, водорослей. Не видно каких-то глобальных перерывов или резких изменений в летописи ископаемых. Хотя в последние годы активно появляются новые данные о биоте того времени. Похоже, там хватало разнообразия и многоклеточности, но вот следов сохранилось очень мало. Сейчас это одна из самых актуальных тем в палеонтологии.
1,1 млрд. лет назад – Родиния или Мезогея. «Гренвильская» глобальная фаза складчатости.
Как уже сказано выше, новый суперконтинент образовался своим чередом, и жил себе спокойно, пока не решил всё круто поменять и раскололся на части.
После этого (800 млн. лет. назад) сложилось вместе несколько разных факторов. По линиям расколов изливались огромные объёмы базальтовой лавы. Когда она застывала, свежий базальт сразу начинал сильно выветриваться, почвы, чтобы прикрыть породу от атмосферы, просто не было! При выветривании горных пород углекислый газ из воздуха вступает в реакцию и в конечном итоге входит в состав осадочных пород. При этом его концентрация в атмосфере падает.
Как уже было в прошлом, уменьшение количества парниковых газов приводит к остыванию поверхности земли. Если бы суша располагалась в полярных областях, то ледниковый покров прекратил бы выветривание базальтов, а вулканическая деятельность вернула углекислоту в атмосферу и ледники обрели бы некоторое равновесие – не пропали совсем, но и не расползлись по всей земле. В общем, что-то подобное мы наблюдаем сейчас.
Однако Родиния располагалась в экваториальных широтах, и поглощение углекислого газа продолжалось очень долго, несмотря на растущие полярные ледяные шапки. В какой-то момент заработал механизм обратной связи, как и в прошлый раз – чем больше вырастали ледники, тем больше тепла они отражали в космос, тем холоднее становилось на земле и тем сильнее ледники росли! Получилась новая «Земля-снежок». Эти события принято называть периодом Криогений.
Криогений был, как минимум, трёхстадиен – Земля замерзала, потом более-менее оттаивала, потом опять замерзала. Первый раз сохранился лишь тонкий поясок не замёрзшей поверхности у экватора. Во второй раз Земля замёрзла ненадолго, но практически полностью.
Мы уже знаем, что происходит дальше: вулканы насыщают атмосферу углекислым газом, но Земля оттаивает не сразу – лёд ведь продолжает отражать поток солнечного тепла. В итоге парниковый эффект становится очень большим. Когда всё же появляются участки без льда, они нагреваются очень сильно и запускают процесс оттайки с мощнейшей обратной связью, но уже с вектором на потепление.
Ледники исчезают всего за несколько тысяч лет, хотя до этого существовали 60 и 15 миллионов(!) лет. Стремительный уход ледников сопровождался мощным выносом минеральных веществ с материков в океаны. На всех материках распространились мелкие тёплые моря. Фотосинтезу теперь ничего не мешало. Всё это привело к нескольким последовательным эволюционным скачкам, которые закончились так называемым «Кембрийским взрывом жизни» - короткий промежуток времени (10-15 миллионов лет) когда появляются губки, гребневики, стрекающие кишечнополостные, всевозможные черви, членистоногие, моллюски, брахиоподы, иглокожие, полухордовые и хордовые.
До Криогения, больше 2 миллиардов лет, жизнь существовала почти исключительно в виде одноклеточных форм. Многоклеточными смогли стать разве что водоросли. А за последующие 100-150 млн лет появились все современные группы животных!
После Криогения животные потихоньку развивались и смогли стать многоклеточными, но сперва не сильно отличались от растений: неподвижно находились на одном месте и впитывали всем телом то, что несёт мимо вода.
Причиной для лавины бурных эволюционных изменений почти наверняка стало постоянное повышение содержания кислорода на Земле, это хорошо видно по анализу осадочных пород того времени. Когда кислорода много, все процессы в организме могут идти бодрее. Естественно, в какой-то момент этим воспользовались самые удачливые организмы. Они начали активно передвигаться, целенаправленно собирать пищу, а не только впитывать что придётся и сбегать из некомфортных мест, если прижмёт. Конечно эти суперы были не резвее нынешней сонной улитки, но на общем фоне это было буквально имбовое (от imbalanced англ. – несбалансированный, нарушающий баланс. В комп. играх персонаж, который за счёт каких-то необычных качеств настолько сильнее окружающих, что выбивается из обычного игрового процесса) усовершенствование!
Дальше всё шло очень быстро, ведь конкуренции в животном мире просто не было, среда, пригодная для жизни, была освоена очень слабо. Развитие понеслось по расширяющейся спирали – нарушенное экологическое равновесие – конкуренция за ресурсы – появление хищников – широкое развитие внешнего жёсткого скелета – гонка средств нападения и защиты… - и так по нарастающей. Старые сообщества мягкотелых и почти неподвижных существ были полностью заменены новыми активными и хорошо защищёнными. Помогло ещё то, что в морской воде произошло повышение содержания кальция почти в три раза, а это основной элемент для строительства карбонатных панцирей и ракушек. Пока не вполне ясно, что вызвало этот скачок.
Не только внешняя среда влияла на жизнь, но и жизнь активно меняла своё окружение! Например, появление в начале кембрия зоопланктона привело к активному осаждению на дно многочисленных остатков фитопланктона и мелкой минеральной пыли, ранее свободно взвешенных в толще воды. Это сильно повысило прозрачность морей и глубину, на которую смогли проникать солнечные лучи, а, значит, и фотосинтезирующие организмы. И в который раз усилило выделение кислорода.
Так в этом «Взрыве жизни» сложился современный тип биосферы.
Столь радикальные изменения в биосфере стали причиной выделения самого позднего крупного периода развития земли - Фанерозоя (др.-греч. φανερός «явный, открытый, видимый» и ζωή «жизнь») — четвёртый и нынешний геологический эон в истории Земли, начавшийся 538,8 ± 0,2 миллионов лет назад, время повсеместного и ярко выраженного в ископаемых остатках присутствия на планете развитой растительной и животной жизни).
0,26 млрд лет (260 миллионов лет назад) – Пангея, «Герцинская» глобальная фаза складчатости.
Понятно по отсутствию номера, что это первый реконструированный суперконтинент. В отличие от всех более ранних, в основе его реконструкции лежат не методы исторической геологии, хотя и они тоже. Его реконструкция началась с прямого сопоставления границ наших материков. (подробно в статье 3)
Собственно, с распада Пангеи началась история современных океанов. Они появились и разрослись по рифтовым разломам, расколовшим Пангею на нынешние материки. Разбегание материков и рост океанов между ними создали за 260 миллионов лет облик современной Земли.
Теперь поглядим не в прошлое, а в будущее!
По современным прикидкам, у нашей планеты хватит энергии ещё на один, под большим вопросом, на два таких глобальных цикла.
Следующий единый континент соберётся примерно через 250 млн лет. По нынешней терминологии это будет Пангея_-1. Реконструкции движения материков и образования будущей Пангеи легко найти в интернете. В деталях они, конечно, неточны, но, если смотреть в целом на планету – им вполне можно верить, как-то так это всё и будет.
Далеко не все процессы горообразования связаны с перестройкой конвекционного плана Земли и суперконтинентами! В прошлых статьях говорилось о горных системах над Активными Континентальными Окраинами и Островными Дугами, ведь это тоже цепочки гор, только на дне океана! Говорили о вулканических островах и горах, расположенных над горячими точками планеты (Плюм-тектоника). Часто бывают эпизоды столкновения континентальных плит, не такие уж глобальные. Они происходили не с единым массивом суперматерика, а с различными разрозненными блоками в разных комбинациях и в разное время, в большем или меньшем масштабе. Как мы говорили в статье 3, геологами к середине XX века было выделено гораздо больше глобальных эпох горообразования, чем пять упомянутых мной выше. Современный пример - Альпийская складчатость, проявленная только на юге Евразийского континента в виде Альпийско-Гималайского складчатого пояса, раскинувшегося там, где Евразия сталкивается с Африкой и Индостаном.
Наше познание мира не сводится к бесконечному уточнению прошлых событий.
В любой научной дисциплине с ростом общего знания растёт количество мелких направлений, углублённо рассматривающих всевозможные частные вопросы – это один из основных векторов развития научной мысли. Этот вектор позволяет нам всё более ясно увидеть картину известного мира и всё более полно использовать наши знания нам во благо. Это нужно и важно!
Однако движение вперёд, расширение рамок изведанного возможно только при обобщении всего, что есть в данной науке, и включении в неё смежных и не очень дисциплин. Это второй важнейший и необходимый вектор развития!
В геологии одной из таких обобщающих тем можно считать выявление связи геологических – внутрипланетных процессов - с тем, что находится вовне – на самых разных расстояниях.
Довольно подробно мы поговорили о влиянии жизни, которая существует лишь в тонком приповерхностном слое Земли, на глобальную эволюцию планеты. Мы увидели, что не только геологические процессы влияют на развитие и распространение жизни, но и наоборот!
Живые организмы могут влиять на климат всей планеты, а с климатом и на скорость разрушения горных систем и осадконакопления; менять состав атмосферы и океанской воды... Они могут создавать пласты горных пород, формирующие состав земной коры в целых регионах: известняки и мрамор, кремнистые породы, в том числе и яшмы, всевозможные углистые и им подобные сланцы, нефтеносные породы, и т.д. Более того, когда это всё опускается на глубину вместе с другими осадочными породами, они попадают в зону высоких температур и давлений, иногда они изменяются до неузнаваемости. Так, если взять крайние точки процесса, то вполне можно реконструировать, как слоёный пирог из осадков, образованных в морской бухте в конечном итоге, путём долгих и разнообразных преобразований, может превратиться в гранитный массив!
На эту тему есть очень глубокие научные и философские работы великого исследователя Земли Владимира Ивановича Вернадского. В одной из своих работ В.И. предлагал рассматривать континентальную земную кору как остатки прошлых биосфер. С поправкой на наши современные знания о тектонике плит и о процессе корообразования это утверждение и сейчас не теряет актуальности.
У Вернадского есть интересное обобщение. Суть его в том, что наиболее успешны на Земле те виды или сообщества видов, которые максимально способствуют переносу вещества по планете. Мы как вид полностью укладываемся в этот тренд.
Если посмотреть на историю развития Земли под углом зрения, заданным Вернадским, получится, что первую половину своей истории эволюция планеты шла на структурном плане, связанном с геодинамическими факторами. Во второй половине с осадконакоплением и перераспределением вещества по поверхности. А позже с влиянием жизни на облик планеты. Сейчас же мы, очевидно, входим в новый этап, когда на эволюцию облика планеты и на эволюцию энергетики её процессов влияет не просто живая масса, а разум человека.
Пока результаты этого вполне себе стихийны, мало чем отличаются от роста планктона в благоприятных условиях, но мы вполне в состоянии, а, значит, и должны бережно и осознанно преобразовывать Землю! Ибо не преобразовывать её мы не можем, в этом мы ничем не отличаемся от первых бактерий, живших 4 000 000 000 лет назад.
Увеличим угол обзора.
К этой же обобщающей теме можно отнести влияние Луны, астероидов, комет, межпланетной пыли и, конечно, Солнца. Начать рассматривать Землю как часть единой Солнечной системы. В этом вопросе много неизвестного, но принципиально всё понятно: гравитационные, химические взаимодействия, излучение солнца, солнечный ветер и так далее.
Есть и менее известные для нас и гораздо более масштабные взаимодействия!
Стараниями многих поколений учёных, среди которых были Галилей, Кант, династия Гершелей, множество других достойных исследователей, и, наконец, Эдвином Хабблом к началу 30-х годов прошлого века было доказано, что Солнце - рядовая звезда на периферии нашей галактики. Было посчитано, что полный оборот вокруг галактического центра (так называемый галактический год) Солнце проходит за 200-230 млн. лет. Сразу же геологи стали пытаться соотнести значимые события в истории земли с этим периодом. И, как ни странно, что-то стало вырисовываться. Например, многие крупные геологические периоды имеют длительность близкую или кратную как раз галактическом году. Вообще самые мощные эпизоды складчатости и горообразования, глобальные вымирания и т.д. – всё это часть общих циклов жизни планеты. И всё это имеет периодичность, близкую к 200 млн. лет.
Если поглядеть на цикличность развития морей на континентальных платформах, хорошо видно, что она совпадает с длиной галактического года.
Вообще глобальное развитие внутриконтинентальных тёплых мелководных морей происходило периодически. Они хорошо прослеживаются по характерным осадочным породам и находкам окаменелостей.
В таких морях весьма благоприятная среда для развития разнообразных форм жизни. По этому во времена развития континентальных морей видовое разнообразие колоссально увеличивалось, появлялись всё более узкоспециализированные организмы и всё боле сложные экосистемы разных уровней. Это очень хорошо фиксируется в летописи палеонтологических находок.
Получается, континенты были залиты морями глубиной 100-300 метров. Помочь в деле наступления морей может либо повсеместное прогибание континентальной коры, - правда, не очень понятно, как такое возможно. Либо, наоборот, поднятие уровня океана. Таяние всех ледников и половины нужной воды не даёт, значит, требуется что-то ещё.
Единственный разумный механизм образования таких морей - повышение уровня океанов при всепланетном увеличении средней мощности системы Срединно-Океанических Хребтов. Про них в статье 4. Такое увеличение может происходить при глобальном импульсе усиления тектонической активности всей земли сразу. В этом случае СОХ из узкого, относительно крутого хребта с небольшим объёмом вытесняемой воды, как в Атлантике или Ледовитом океане, превращается в очень пологое и обширное поднятие, как Восточно-Тихоокеанское. Такое рифтовое поднятие вытесняет воды в разы больше.
Ни одна современная модель, опираясь на известные процессы внутри Земли, не может внятно объяснить причину и механизм такого всепланетного события. Учитывая явное совпадение с галактическими циклами, вполне резонно предположить, что причина не внутренняя, а внешняя. Однако, что это может быть и как оно может повлиять на планету, пока совершенно не понятно.
Новые горизонты
Вся эта ситуация внешне очень схожа с тем, что происходило с геологической наукой в первой половине XX века – накоплен огромный массив данных по какой-то части изучаемого предмета. Тогда это были данные о устройстве материковой земной коры. Но полностью отсутствуют данные о другой части предмета и о механизмах, которые делают сам процесс возможным. Тогда это было устройство земной коры в океанах и глобальная тектоника литосферных плит.
Видя перед глазами только половину картинки, учёные никаким образом не могли составить цельное представление о устройстве нашей планеты и о её внутренней динамике. Им оставалось только пытаться уловить закономерности в известной им части и на их основе строить единую непротиворечивую модель. Рисовалось масса умозрительных картинок, сложных корреляций по разным графикам, смелых и красивых предположений, не имеющих подтверждения… Получалось, надо сказать, не очень. Сейчас эти модели, построенные без данных о геологии океанов, выглядят, чаще всего, странно, а то и нелепо. Конечно, на новом этапе, когда вторая часть картинки была открыта (дно океанов было достаточно исследовано), единая непротиворечивая теория с кучей проверок и подтверждений сложилась очень быстро.
Так и тут: мы явно видим какую-то взаимосвязь того, что нам сейчас очень хорошо известно – состав и устройство нашей планеты, с тем, что нам известно очень слабо - как физически Земля взаимодействует с Галактикой и как устроена эта космическая система. Понятно, что гравитация Галактики удерживает Солнечную систему на галактической орбите. Но для влияния на тектонику Земли этого категорически недостаточно. Должны быть ещё какие-то факторы.
В этой области мы на месте первопроходцев, как Дарвин на «Бигле» возле Галапагосов или Беллинсгаузен и Лазарев на своих шлюпах у Антарктиды. Тут у нас ранняя – описательная стадия научного познания, стадия сбора и накопления фактического материала. Дальше, когда данных станет больше, наступит интереснейший период споров, красивых обоснованных теорий и прорывных открытий на основе спланированных экспериментов!
Сколько бы мы не узнавали о Мире, нас всегда ждёт что-то большее, за рамками изведанного. По-моему, это замечательно!
Цикл статей
1 - «Кратко и просто про геологию от геолога. Строение Земли» (Как геологи свечку держали) Пешков С.В. Habr.com (https://dzen.ru/media/catx22/66ed693018d7ee7897b49623) 2022
2 - «Как появилась Луна и что из этого вышло» Пешков С.В. Habr.com (https://dzen.ru/media/catx22/66eee970e5af255ef46e6572) 2022
3 - «Каменные лбы геологов» Пешков С.В. Dzen.ru https://dzen.ru/media/catx22/6668459bf6305078679c0d31 2024
4 - «Земля - как вообще это работает» Пешков С.В. VK_CatScience https://dzen.ru/media/catx22/6671bdf58e821a6e3566c2bc 2024
5 - «Побочный эффект» Пешков С.В. https://dzen.ru/media/catx22/667d1128b1c13b13bb2b18b0 2024
Список источников
- «Земля. Введение в общую геологию». Дж. Ферхуген, Ф. Тернер, Л. Вейс, К. Вархафтиг, У. Файф. (Перевод с английского Ю. П. Алешко-Ожевского, Р. М. Минеевой, Г. Н. Мухитдинова, П. П. Смолина). «МИР», 1974
- «Общая и полевая геология». Одесский И. А. Недра, Ленинград, 1991
- Энциклопедия для детей. Том 4. «Геология» Аванта+, Москва, 1995
- «Океанический рифтогенез». Е.П. Дубинин С.А. Ушаков, Москва, ГЕОС, 2001
- «Геодинамика». Аплонов С.В. Издательство С.-Петербургского университета, 2001
- «Геотектоника с основами геодинамики». Издание 2, Ломизе М.Г., Хаин В.Е. КДУ, Москва, 2005
- «Кислородная революция и Земля-снежок». Сергей Ястребов, «Химия и жизнь» №9, 2016 (https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/433446/Kislorodnaya_revolyutsiya_i_Zemlya_snezhok?ysclid=m0m9dcu9if786250089)
Все иллюстрации в тексте из открытых источников и принадлежат авторам.
Автор: Сергей Пешков.