Геологическая эволюция

Геология древняя наука. Этой наукой пусть в примитивной форме занимались ещё первобытные люди в первую очередь при поиске полезных ископаемых. Не менее важным, независимо от возможности немедленного практического применения, является познание процессов, происходящих в Земле.

В горных породах записана вся история Земли, в них же находятся ключи к её прошлому. Их расшифровка не всегда является лёгким делом, и хотя многое уже известно, ещё больше только предстоит открыть.

Геологи разделили историю нашей Земли на определённые временные единицы и дали им названия. Эти имена обычно взяты из названия какой-либо конкретной географической местности, где породы, характерные для конкретного временного периода, особенно широко распространены. Все эти названия сведены в геохронологическую шкалу, в которой происходит подразделение на зоны, эры, периоды и эпохи.

На протяжении истории Земли различные виды и классы живых существ появлялись, расцветали на некоторое время и затем исчезали. Но иногда по непонятным причинам происходило полное и быстрое исчезновение целых отделов животного и растительного царства. Обычно после таких кризисов наступал быстрый расцвет новых видов. Лишь совсем недавно учёные-геологи начали исследовать эти массовые вымирания с точки зрения возможности периодических катастроф или драматические изменения климата всей Земли. Интерпретации этих явлений присутствуют в горных породах и составляют ту логическую основу, которая позволила первым исследователям Земли определить временные подразделения её истории. Границы между ними были проведены там, где резко менялся характер ископаемых остатков.

Исследования в области геологической эволюции

Первые дни

Все эти точки зрения имеют своих сторонников, но нет никаких определенных и однозначных данных, которые свидетельствовали бы в пользу какой-либо из них.

Метеориты и Земля

Метеориты – гораздо более обычное явление, чем, возможно, кажется. Большинство «падающих звёзд», прорезающих ночное небо в ясную погоду, представляет собой крошечные метеориты, нагретые дл температуры белого каления в результате трения о воздух, которые полностью сгорают в атмосфере, не д. долетая до поверхности Земли. Лишь немногие из них достигают поверхности. Каждый год на континенты падают десятки тысяч метеоритов, вероятно более 100000, и ещё большее количество падает в океаны. Большая часть их имеет очень маленькие размеры, и они никогда не распознаются как метеорные частицы. Те, которые были найдены и собраны, имеют размеры от горошины до более редких кусков величиной с футбольный мяч, а иногда и гораздо крупнее.

В былые времена метеоритам приписывались особые свойства, поскольку они падали с неба и, как считалось, могли быть посланы богами. Ближе к нашему времени учёные поняли, что метеориты несут ценную информацию о древнейшей истории Солнечной системы. Хотя существуют многие разновидности метеоритов, некоторые, по-видимому, существенно не изменились со времени их образования 4,5 миллиарда лет тому назад, то есть со времени образования Земли.

Наиболее древние метеориты называются хондритами. Они считаются обломками астероидов, пояс которых располагается между Марсом и Юпитером. Состоят они в основном из минералов, обычных для земных пород, но содержат также металлическое железо, которое на земной поверхности как природный материал встречается редко.

Поскольку Земля состоит из химически различающихся оболочек – таких как ядро, мантия и кора, - и поскольку мы можем собрать пробы для анализа только из самой верхней оболочки, определение общего химического состава нашей планеты казалось трудной задачей. Однако и хондриты можно проанализировать в лаборатории. Если они действительно представляют собой материал, который, накапливаясь, образовал Землю, тогда просто анализируя их, мы могли бы определить химический состав Земли в целом.

Каков возраст нашей планеты?

Выше уже было упомянуто, что возраст Земли несколько миллиардов лет. Это современное представление. Убеждение Джеймса Ашера, теолога, который на основании Библии вычислил, что Земля была сотворена в 4004 году до н.э., продержалось вплоть до девятнадцатого века. Некоторые и сегодня игнорируют неопровержимые научные доказательства и уверяют, что библейские легенды излагают истинную историю сотворения и дальнейшего развития Земли.

Ныне принятый наукой возраст Земли в 4,5 миллиарда лет был установлен только в середине 1950-х годов. Точное определение возраста Земли является весьма специфической научной задачей, но в сущности оно исходит из того факта, что естественно встречающиеся радиоактивные изотопы распадаются с постоянной скоростью. Если эта скорость для конкретного изотопа твёрдо установлена, то можно сосчитать количество продуктов его распада, которое накопилось в образце горной породы со времени его образования, на основании чего можно вычислить возраст породы.

Зарождение жизни

В самом начале

Философы и мыслители тысячи лет размышляют о том, как началась жизнь. Некоторые из них считают, что жизнь существует вечно, и не имела начала. Аристотель, оказывавший огромное влияние на развитие мысли в течение двух тысячелетий, считал, что некоторые формы жизни, а может быть и все, возникли самопроизвольно. Можно допустить, что в раннеархейское время многие органические соединения неизбежно должны были поступать на Землю вместе со всем другим падавшим на неё из космоса материалом и при падении рассеивались по всей поверхности Земли. Но жизнь не возникает в развитом виде из таких простых молекул, и ей в своём развитии предстояло сделать гигантский шаг от этих соединений до производства сложных полимеризованных макромолекул и химических систем, способных самовоспроизводиться, репродуцировать самих себя. В сущности, самыми первыми конкретным данными о возникновении жизни, древнейшими ископаемыми остатками являются крохотные сохранившиеся клетки, напоминающие современных бактерий. Эти объекты обнаружены в архейских осадках, имеющих возраст около 3,5 миллиарда лет.

Древнейшие ископаемые остатки

Породы, в которых они встречаются, представляют собой тонко-слоистые осадки, сложенные главным образом кремнем или кварцитом. Несмотря на свою простоту, эти ископаемые обнаруживают значительное разнообразие своей морфологии, что позволяет предположить, что образовались они задолго до отложения этого конкретного осадка.

В архее бактерии неоспоримо господствовали в океане. По существу от их первого появления и до конца архейской эры миллиард лет спустя никакие другие остатки живых существ до нас не дошли. Как известно, бактерии всё ещё сосуществуют снами, занимая всё вообразимые ниши на нынешней Земле.

Возможно, хотя и мало вероятно, что зёрна урана и пирита сохранились, избежав окисления, благодаря какому-то пока ещё неизвестному механизму. Но существует ещё по крайней мере два указания в протерозойских породах, которые также заставляют нас предположить, что земная атмосфера имела низкое содержание кислорода до эпохи, отстоящей от нас приблизительно на два миллиарда лет. Одно из них связано с добычей железа.

Большая часть мировых запасов железной руды заключена в месторождениях, известных под названием полосчатых железных руд, или сокращённо ПЖД. Месторождения полосчатых железных руд откладывались в воде, а геологические особенности большинства из них указывают на то, что они образовались в прибрежных водах морей, хотя и на различной глубине. Железо в этих осадках представлено окисленным (трёхвалентным) ионом Fe3+, осаждённым из толщи воды. Поскольку имеются данные о всё ещё низком содержании кислорода в атмосфере во время образования этих месторождений, был сделан вывод, что необходимый для этого процесса кислород поступал в результате фотосинтеза, осуществляемо водорослями, жившими на поверхности воды. Но тут возникает важный вопрос, касающийся состава атмосферы, а именно: как переносились эти огромные количества железа к местам их отложения. Низкое содержание кислорода в атмосфере делало возможным перенос весьма больших количеств железа в форме Fe2+.. Когда на пути его перемещения встречались поверхностные зоны морской воды, сравнительно обогащённые кислородом фотосинтезирующими водорослями, оно осаждалось из раствора в виде окиси железа. Тот факт, что большая часть известных полосчатых железосодержащих толщ приурочена к геологическому времени раньше 1,8 миллиарда лет до нашего времени, также говорит о том, что к тому моменту содержание кислорода в воздухе уже возросло до такого уровня, когда большие количества растворённого железа больше не могли переноситься поверхностными водами.

Третье указание на содержание кислорода в атмосфере также связано с окислением железа. В геологической летописи толщи и слои осадков, имеющих отчётливо красноватый цвет, обычно песчаников, встречаются довольно часто. Неудивительно, что геологи часто называют их красноватыми толщами. Их цвет обусловлен присутствием тонкозернистого окисленного железа в форме минерала гематита. Этот факт весомо указывает на решающую роль содержания кислорода в атмосфере в образовании красноцветных толщ.

Таким образом, даже несовершенные записи в геологической летописи протерозоя дают очень важные знания о путях развития земной атмосферы. Они показывают, что около двух миллиардов лет назад произошло отчётливое увеличение содержания кислорода в атмосфере.

И даже после этого времени дальнейшее развитие было чрезвычайно медленным вплоть до «Кембрийского взрыва». Почему же для развития на Земле сложных форм жизни потребовалось так много времени? Этот вопрос ставил в тупик даже Дарвина, хотя он не осознавал, насколько в действительности огромен был промежуток времени до кембрия. Он продолжает озадачивать учёных, которые изучают развитие жизни на Земле. Конечно, частично ответить на этот вопрос можно, если вспомнить неполноту ископаемых остатков для докембрийского времени. До самых 1950-х годов палеонтологами не было открыто ни одного неоспоримого доказательства существования жизни в докембрийское время, несмотря на все их энергичные попытки. Развитие жизни в самый её начальный период , несомненно, представляло собой очень медленный процесс, по сравнению с последующими темпами эволюции. Причина этого пока неизвестна, что добавляет эту загадку к числу многих тайн, делающих изучение истории Земли таким увлекательным делом.

Кембрийский взрыв

Следующим крупным подразделением геологического времени является палеозойская эра, которая началась кембрийским периодом около 540 миллионов лет назад. Остаётся некоторая неопределённость в отношении точного возраста границы между протерозоем и кембрием. Даже последние оценки её колеблются между 530 и 600 миллионами лет. Причины этой неопределённости лежат как в технических трудностях датировки пород, так и в поисках подходящих образцов, характеризующих эту границу (поскольку не се породы могут быть датированы). Принятое здесь значение в 540 миллионов лет основывается на тщательной ураново-свинцовой датировке кристаллов циркона, извлечённых из слоя вулканического пепла, найденного в осадках провинции Юннань, Китай. Точность определения возраста самого слоя пепла сомнений не вызывает. Палеонтологи на основании содержания в породах различных ископаемых остатков организмов сделали вывод, что осадки, залегающие непосредственно выше и ниже этого слоя пепла, отложились очень близко к началу кембрийского периода (кембрия) – первого периода палеозойской эры. Но независимо от точной даты с начала кембрия и ближе к нашему времени геологическая история Земли неразрывно связана с историей жизни на нашей планете, сага о которой рассказывается ископаемыми остатками, сохранившимися в породах.

Окаменелости, используемые геологами для прослеживания путей эволюции и реконструкции моделей климата Земли, дошли до нас в различных формах. Некоторые остались почти неизменными по сравнению с первоначальным состоянием, как, например, скелеты саблезубых тигров, открытые в смоляных карьерах около Ла-Бриа в районе Лос-Анджелеса, но большей частью они в разной степени изменены химическими реакциями при сохранении внешнего вида. Наиболее распространёнными окаменелостями являются твёрдые части животных, сложенные обычными минералами, - или зубы, состоящие из фосфатных минералов, и раковины, сложенные карбонатом кальция.

Химические реакции, которые резко изменяют минеральный и химический состав остатков – как твёрдых, так и мягких их частей, – обычно оставляют нетронутой морфологию и внутреннюю структуру растений или животных. В типичных случаях реакции происходят после погребения организма в осадках, когда циркулирующая в осадке вода, несущая растворённые в ней минералы, реагирует с первичным материалом погребённого организма, трансформируя его. Хорошим примером такой реакции является окаменевшее дерево, которое сохраняет тончайшие детали своего первоначального строения – годичные кольца и т.п., несмотря на тот факт, что целлюлоза и другие химические компоненты первоначального дерева полностью замещены кремнезёмом – той самой составной частью, которая слагает обычный минерал кварц. Как показывает само название. В данном случае древесина была превращена в камень.

Некоторые очень ценные ископаемые вообще являются остатками не организмов, а их следов – это борозды после проползших червей, царапины крабов, отпечатки следов динозавров.

И всё же в течение очень длительного промежутка геологической истории после первого появления жизни – более двух миллиардов – на Земле обитали только простейшие, одноклеточные организмы. Более сложные и подвижные животные оставили борозды и следы довольно часто встречаются в кембрийских и более молодых осадках, но – хотя их тщательно искали – редко встречаются в предыдущий период времени и вообще не найдены в породах старше одного миллиарда лет.

Самые первые организмы, имевшие минерализованные части тела и поэтому оставившие после себя традиционные окаменелости, появились в кембрийский период. Самая ранняя их группа, называемая Томмотианской фауной – по названию местности в России, знаменует собой начало кембрийского взрыва. В силу отсутствия лучшего понимания их истинной природы палеонтологи называют их «мелкими раковистыми ископаемыми». Они достигли почти повсеместного распространения – их находят в самых ранних кембрийских породах по всему миру.

Появление и распространение мелких раковистых окаменелостей Томмотианской фауны было всего лишь первым ударом пульса кембрийского взрыва. Они представляли собой большей частью очень небольшие плоские существа; почти все их разновидности ползали по морскому дну, оставляя за собой характерные следы в мягком иле. Эти следы нередко встречаются в виде отпечатков.

Палеозойская эра

Палеозойские породы широко распространены на всех континентах. По сравнению с предшествующим временем для этой части земной истории имеется значительно более полная запись обо всех событиях. Частично это обусловлено тем фактом, что большую часть палеозоя уровень моря был очень высок. Внутренние области континентов часто затоплялись мелководными морями, на дне которых слой за слоем накапливались осадки. Они служили местом погребения растений и животных, сохраняя информацию о климате и характере окружающей их среды. Например, в Северной Америке во время палеозоя большая часть территории периодически оказывалась подводой. Эти промежутки затопления отражались в характере палеозойских осадков, которые и сейчас ещё покрывают чуть ли не весь континент. Их сохранению способствовал тот факт, что ядро Северной Америки, фундамент, на котором откладывались осадки, представляет собой древний устойчивый щит архейских и протерозойских пород, спокойный в геологическом смысле и низко лежащий. Такие регионы сравнительно мало подвержены эрозии.

В озёрах, которыми изобиловала Пангея, было полно рыбы.

Кембрийский взрыв привёл к развитию океанской флоры и фауны. Это было только начало. Очень быстро, если судить по масштабам уже прошедшего времени, появились новые формы жизни. При этом некоторые старые формы приходили в упадок, а иногда совершенно внезапно вымирали. Конкретные причины этих быстрых изменений в деталях неизвестны, но большей частью эти вымирания были ответом на внешние стимулы. Если бы мир был совершенно устойчив, с неизменным климатом, с постоянной средой, постоянной плотностью населения и без дрейфа континентов, то многие из этих изменений, вероятно. Никогда бы не произошли. В крайнем случае, они происходили бы гораздо медленнее.

Трилобиты, эти характерные кембрийскик животные, являются поучительным примером вымирания видов и его возможных причин. Их история особенно хорошо документируется в Северной Америке, которая на протяжении почти всего кембрия находилась на экваторе и периодически затапливалась тёплыми мелкими морями. Было открыто много видов кембрийских трилобитов; по типам осадков, в которых они окаменели, оказалось возможным кое-что узнать об их образе жизни. В эту группу входили плавающие формы, обитатели дна, виды, жившие в тёплых мелководьях и в более глубоких и холодных водах. Большинство отдельных видов трилобитов сохранялись в каменной летописи в течение всего лишь нескольких миллионов лет или даже меньше, хотя в каждый момент времени одновременно существовало много различных видов. Регулярное исчезновение видов, живших до этого несколько миллионов лет, и появление новых видов являются частью «шумового фона» эволюции. Однако в течение трёх отдельных моментов времени ближе к концу кембрийского периода большое количество видов, которые, казалось бы, процветали, внезапно исчезло; это заняло всего несколько тысяч лет или, может быть, даже меньше. Одно из этих «массовых вымираний» трилобитов отмечает конец кембрийского периода. После каждого такого вымирания следовал период, называемый палеонтологами периодом адаптивной радиации, то есть быстрого распространения многих новых видов из одной или нескольких прародительских групп.

Что же послужило причиной этих внезапных событий? Вымирания животных и растений происходили неоднократно на протяжении всей истории жизни на Земле, из которых одни затрагивали только несколько видов, в то время как другие были, по-видимому, глобальными и катастрофическими.

В каменной летописи сохранилось довольно много данных, указывающих на то, что в самом конце палеозойской эры, в пермский период, уровень моря сильно опустился Имеются также указания на то, что в конце палеозоя и в начале мезозоя климат был крайне сухой, особенно во внутренних частях континента Пангея.

Какие особенности пород указывают на сухой и тёплый климат? Важной особенностью является обилие песчаников, в частности, песчаников, представляющих собой окаменелые песчаные дюны. В современном нам мире песчаные дюны характеризуют жаркие и сухие условия пустынь.

Среди геологов имеются разногласия относительно значения только что рассмотренных фактов для понимания глобального климата в палеозое. Пангея пересекалась экватором, и многие дюнные отложения возникали в условиях низких широт. Может быть, климат того времени не был столь уж тёплым, и их распространённость есть всего лишь результат географического расположения. Более ого, огромная континентальная масса Пангеи имела, как полагают, во внутренних частях сухой климат с сильными перепадами температур – жаркое лето и холодная зима, независимо от средних глобальных условий. Поэтому вопреки имеющимся данным, следует быть осторожным в их интерпретации.Не так-то просто реконструировать детали климата Земли четверть миллиарда лет назад со сколь-нибудь большой точностью.

Рифтовые бассейны были расположены в низкоширотных областях, и по мере того, как морская вода периодически затопляла их в ранние стадии их развития, а затем испарялась, формировались отложения солей.

Эти эвапоритовые отложения мезозоя оказались полезным средством при прослеживании этапов распада Пангеи. С помощью определения их возраста геологи смогли установить последовательность образования рифтов и тем самым хронологию распада Пангеи.

Важными обитателями воздушной среды в мезозое были насекомые, которые вышли на сцену ещё раньше - в палеозое. Появление цветковых растений явилось важным стимулом в эволюции насекомых. Насекомые находятся в сильной зависимости от растений. Цветы привлекали насекомых, а те, в свою очередь дали растениям то преимущество, что, перенося пыльцу с одного растения на другое, неминуемо оплодотворяли их.

Кайнозойская эра

Кайнозойская эра по стандартам предшествующих очень коротка. Тем не менее, поскольку она является последним взмахом косы геологического времени, мы много знаем о ней.

Одной из причин того, что мы так много знаем о кайнозое, является то, что океанические бассейны в своих отложениях содержат полную хронику её истории. Всё океанское дно старше 200 миллионов лет.

Одним из великих достижений наук о Земле в двадцатом веке явились организация и выполнение Проекта глубоководного бурения – огромного по масштабам научного предприятия, выполненного частью и для того, чтобы записать эту хронику. Сегодня, более четверти столетия спустя после его начала, этот проект получил другое название, и цели его ещё более расширились, чем в начале, но задачи его в главном остались те же – получить непрерывную серию образцов керна из океанского дна, которые помогут нам понять история Земли.

Одной из поистине удивительных особенностей кайнозоя является возможность – в силу столь обильной информации – проследить причинно-следственные связи с гораздо большей убедительностью, чем это было в отношении предыдущих эр.

Чтобы прийти к современному пониманию строения Земли и её истории, геологам пришлось побывать историками, детективами, исследователями-первопроходцами, инженерами, и, в первую очередь, пытливыми наблюдателями. А в наши дни им ещё приходится биологами, физиками, химиками и математиками, потому что изучение Земли охватывает все эти области знания.

В результате учёным-геологам удалось представить достаточно стройную картину геологического прошлого и составить геохронологическую шкалу, в которой отображены основные важные события истории Земли.

Кроме того, благодаря геологическим изучениям появились данные о существовании жизни, подтверждаемые ископаемыми остатками, найденными в различных слоях земной коры.

Итак, геологические исследования пытаются ответить на многие вопросы, касающиеся происхождения, эволюции и дальнейшего развития нашей планеты, скрывающей в своих недрах множество загадок и тайн.

Список использованной литературы

1. Макддугалл Дж. Д. Краткая истории планеты Земля: горы, животные, огонь и лёд/ Пер. с англ. В. Псарёва. – СПб.: Амфора, 2001. – 383 с.

2. Волков Ю.Т., Поликарпов В.С. Интегральная природа человека : Естественно-научный и гуманитарный аспекты: Учебное пособие. – Ростов–на–Дону : Изд-во Рост. ун-та, 1993. – 288 с.

3. Клечек Й. И Якеш П. «Вселенная и Земля», «Артия», Прага, 1986

4. Левитан Е.П. «Эволюционирующая Вселенная», «Просвещение», Москва, 1993

 

Комментарии
Отправить