Оледенения
Человечество существует во время ледникового периода. Мы это знаем благодаря тому, что на северном и южном полюсе есть полярные шапки, увеличивающиеся и уменьшающиеся в зависимости от сезона. Но как дела обстояли в прошлом? Единственная ли это ледниковая эпоха за всю историю земли? Если не единственная, то какая была первой, и какая была наиболее продолжительной? А насколько суровыми они были? На все эти вопросы мы ответим в данной статье, и расскажем, как жизнь подстраивалась и менялась под эти условия.
Отсутствие Катархейских оледенений
Катархейская эра — самая первая геологическая Эра в истории земли. В Катархее Земля сформировалась как космическое тело, а температура в начале Катархея доходила до 400 °C. В начале этой эры атмосфера кардинально отличалась от последующих этапов существования земли: до 60% атмосферной доли занимал углекислый газ, 5% водород, 2% гелий, а все остальное — метан, аммиак, аргон. Ближе к концу, из-за бурной тектонической активности, углекислый газ стал связываться с обнажившимися породами в минералы, гелий и водород из-за своей низкой атомной массы улетучились в космос, а концентрация аммиака постепенно снижалось. Земля остыла до средней температуры в 100 °C. Сутки на земле длились всего 6 часов. О каких-либо оледенениях в Катархее и речи быть не может.
Пейзаж адской Катархейское земли. Луна на первых порах была на 94% ближе к Земле! Но сразу после формирования она начала отдалятся со скоростью 20 км в год. Сегодня этот показатель равен 3.8 см в год
Оледенения Архея
После конца Катархейского эона, наступил Архейский Эон. Мезоархей 3,195 млрд лет назад… Земля в корне отличалась от себя сегодняшней. Сутки длились 9 часов 20 минуты, а Луна была ближе к земле на 23%, от этого видимый диск Луны с поверхности Земли казался на 40% больше. Луна казалась ярче всего лишь на 3%, дело в том, что светимость Солнца в Мезоархее была на 22% меньше.
Состав атмосферы архейской Земли значительно отличался, в ней было намного больше метана, до 0.03% (для сравнения, сегодня процентная доля метана в атмосфере варьируется от 0,00017% до 0.0002%). Сам по себе метан поглощает красный и отражает синий спектр, но под действием солнечного излучения он образует красновато-оранжевую дымку. Отчего небо было вовсе не голубовато-синим, а оранжевым. Трудно себе представить? За примерами придется покинуть пределы Земли, и отправиться в окрестности шестой планеты солнечной системы — Сатурна, а конкретнее, на его спутник — Титан. В атмосфере Титана доля метана составляет 4.9%, отчего его поверхность покрыта оранжевой дымкой, непроницаемой для видимого излучения. Если бы сейчас у солнца была такая же светимость, как во времена Мезорхея, то средняя температура на Земле упала бы до минусовой отметки.
Как же Земля не замерзла? А всё дело в метане, который является очень сильным парниковым газом, он в 29 раз сильнее углекислого газа. Отчего средняя температура в мезоархее была даже не ниже, а выше сегодняшней средней температуры + 23 °C. Такое количество метана показывает, что атмосфера молодой земли не содержала кислорода, и вообще каких либо окислителей. А раз уж нет кислорода, то и нет озонового слоя, который содержит в себе трехатомные молекулы кислорода. Озоновый слой защищает нас от ультрафиолетового излучения, без него на поверхность земли приходилось больше радиационного излучения испускаемого от солнца.
Красновато-оранжевая дымка. Кажется, будто бы это иллюстрация другой планеты
Такой тепличный климат спокойно поддерживал огромный океан, который населяло множество микроорганизмов: Архей и бактерий. Археи — отдельный домен живых организмов, и по совместительству отдельное царство живой природы. Они во многом схожи с бактериями, так как они не имеют ядра, и множества других органоидов, которые свойственны клеткам эукариот. Но, в отличии от бактерий, Археи в своей клеточной стенке содержат не муреин, а псевдомуреин. Днк полимераза (белок, нужный для создания белка) была сложнее чем у бактерий, к тому же, у лакиоархей были обнаружены настоящие ядрышки. Отличия можно перечислять долго, но это не отменяет того, что для обоих царств свободный кислород считался ядом (, а для некоторых современных представителей и по сей день), который приводил к гибели клетки. Из-за этого, они синтезировали органические вещества путем Аноксигенного фотосинтеза, который использовал сероводородную кислоту вместо воды, и не выделял кислорода. Единственными проявлениями живого, которых человек мог бы увидеть, оказавшись там, были бы строматолиты. Строматолиты — это такие минеральные наслоения, образованные колониями фотосинтезирующих бактерий разных видов.
Параллельно с боящимся кислорода микроорганизмами существовала особая группа бактерий, которые благодаря своему новшеству изменять планету Земля раз и навсегда! Этих революционеров называли — цианобактериями. Они сильно выделялись от прочей массы тем, что кислород им был не страшен, и даже больше, они использовали вид фотосинтеза, при котором кислород выделялся как побочный продукт, а источником энергии была легкодоступная вода.
Пока нет точных оценок, когда появились цианобактерии, но самая доверительная оценка охватывает время 3,22–2,79 млрд лет назад. Появления цианобактерий стало важнейшим событием за всю историю жизни, так как это первые и единственные организмы, которые смогли освоить кислородный фотосинтез.» Как единственные? Но есть же растения?» — может спросить любой, читающий эту статью. Дело в том, что пластиды у растений — это и есть самые настоящие цианобактерии, которые перешли к эндосимбиозу, став органеллами растений. Цианобактерий в архее было не слишком много, их кислородный фотосинтез был не таким эффективным, поэтому появившийся кислород пока не придал никаких перемен в жизнь других микробов, он существовал лишь в некоторых областях мелководья, а все верхние слоя океана были бескислородными. На первых местах всё ещё стояли анаэробные бактерии (не переносящих кислорода). Весь вырабатываемый кислород уходил на окисления всякой органики, и на другие вещества: Оксид железа двухвалентный, который при взаимодействии с кислородом, становился оксидом железа трехвалентного. Но некоторому кислороду все таки удавалось покидать океан, и произошел сбой в теплообмене. Он стал реагировать с метаном, которого к 2.95-ым миллиардам лет уменьшилось до 0.01%. И так, наступило первое в истории Понгольское оледенение, которое продлилось не слишком долго, а именно с 2950, по 2900 млрд лет. Хотя некоторые оценки утверждают про продолжительность в 120 млн лет. Однако, Пангольское оледенение не было таким масштабным, а имело лишь локальный характер.
Нити цианобактерий. А без них, не было бы и нас
Оледенения Протерозоя. Гуронское оледенение
После Пангольского Оледенения земля согрелась. Условия стали меняться: вулканические газы, взаимодействующие с кислородом, и мешающие ему проникнуть в атмосферу, стали заканчиваться. В их числе: сероводород, сернистый газ, метан и водород. Это произошло из-за изменения характера вулканизма, в процессе которого эти газы стали выходить в уменьшенных масштабах. А благодаря этим газам, доминировали анаэробные микроорганизмы, со своим бескислородным фотосинтезом.
И тут вступили в дело цианобактерии, фотосинтез которых стал доминирующим в среде. Кислорода стало выделяться много. После того, как все запасы сдерживающих веществ закончились, кислород наконец стал выходить в атмосферу в больших концентрациях. И там происходило самое интересное: кислород начал окислять всё, что видел, он стал реагировать с метаном — реакция горения. Метан, как и многие другие органические вещества, окисляется до углекислого газа и воды. Увеличение уровня кислорода пагубно сказалось и на анаэробных архей Метаногенов, побочным продуктом жизнедеятельности которых был метан, что ещё сильнее ухудшило ситуацию. Произошло так называемое кислородное вымирание. Некоторым бактериям, которым все-таки удалось использовать кислород (протеобактериям), пришлось создать ферменты, защищающие их от кислорода, помимо прочего, они были вынуждены сделать толще свою клеточную стенку. Такие бактерии встали на первый план, а анаэробные ушли на второй.
Ранее было сказано, что углекислый газ удерживает тепло в 29 раз хуже, чем метан. Так как углекислый газ, более слабый, заменил метан, то стоило ожидать, что это приведет к катастрофе планетарного уровня. Так и произошло, наступило самое длинное в истории Гуронское оледенение, длившиеся с 2.4 млрд лет, по 2.1 млрд лет назад (все 300 млн лет). Если бы человек смог построить машину времени, которая бы отправляла в рандомный отрезок времени, то с вероятностью в 6% человек бы оказался во время этого оледенения. Земля полностью покрылась толстым слоем льда, вплоть даже до материков, что мешало проходить солнечным лучам в океаны, а это пагубно сказалось на фотосинтезе. Он полностью не исчез, но сильно затруднился. Микробам было трудно существовать в подобных условиях. Все места в подводных жерлах вулканов были заняты. Энергии не хватало. Некоторые микробы стали поедать себе подобных, освоив гетеротрофный тип питания.
А чтобы твои гены не украли, нужно создать что-то, чтобы их не украли — так и появилось клеточное ядро, которое мало того что во много раз лучше кольцевой днк бактерий, так еще может хранить огромное количество генов. Помимо этого, Гуронское оледенение совпало с ростом активности Солнца, и если бы этот процесс произошел в другой отрезок времени, например в ледниковую эпоху, то наша Земля превратилась бы в подобие Венеры. Это оледенение не могло длится вечно: выделяемый углекислый газ из вулканов достиг такой концентрации, что он мог компенсировать отсутствия метана от 1.5 до 2%. К тому же, ранее упомянутая активность Солнца сыграла роль. И так, наша планета оттаяла.
«Земля снежок»
После Гуронского оледенения наступил так называемый «Скучный миллиард», на протяжении которого не происходило ничего такого важного и интересного. Толща воды изменилась: теперь кислородные зоны находились в толще воды, и лишь на мелководьях были бескислородные среды. Эволюция шла медленно, и движения материков тоже. Лишь к концу Скучного миллиарда, продлившегося с 1.85 по 0.85 миллиардов лет, одноклеточные эукариоты смогли организоваться в сложные, многоклеточные системы, которые были похоже на нити, или даже бусинки. Это вызвало огромный рост биоразнообразия эукариот, и так одноклеточные организмы наконец поделились на все известные нам царства: грибов, водорослей, и животных. Бактерии обитали преимущественно в теплых водах, а эукариоты в прохладных, так как в холодноватых водах кислорода всегда больше. Бактерии стали выделять специальные ядовитые вещества, чтобы не подпускать водоросли к себе. Где то к концу скучного миллиарда появилось самое древнее, на данный момент, животное (что возможно не совсем так) — Городиския, которая ввела неподвижный образ жизни, зарывшись в ил.
Странная и причудливая Городиския
Стертское Оледенение
Спустя некоторое время, после скучного миллиарда наступило новое, Стертское оледенение. Датировка сильно разнится, но самые крайние версии предсказывают время с 760, до 640 млн лет назад в криогенном периоде. Оно возникло из-за раскола древнего суперконтинента — Радиния, в процессе которого обнажились силикатные породы, которые связывали углекислый газ в минералы, и он начал массово выветриваться из атмосферы. По масштабу и условиям Стертское оледенение было суровее Гуронского, 70% всей поверхности планеты занимали километровые ледяные щиты. Эти льды срезали холмы и возвышения, придавая суше плоские пейзажи.
Благодаря этому оледенению, в похолодавших водах эукариоты смогли прорваться вперед, и вытеснить царство бактерий (на самом деле, это очень грубо сказано, ибо бактерии все таки доминируют над эукариотами). Иногда наступали непродолжительные временные отрезки, когда температура повышалась, и микробы наверстывали упущенное, но потом снова холодало и так по кругу. Такое оледенение продолжалось большую часть криогенного периода, и после окончания Стертского оледенения, в конце криогения наступило другое — Марьинское.
Марьинское Оледенение
Марьинское оледенение продолжалась недолго, с 650 по 632 млн лет — 18 млн лет. Это оледенение тоже имело всемирный характер, как и оба предыдущих. Это было последнее оледенение, которое целиком покрывало нашу планету толстым слоем льда, далее таких масштабных оледенений не будет. После Марьинского начался Эдиакарский период, в этот период появилась так называемая Эдиокарская биота. Организмы, составляющие это время отнесены отдельный тип «Вендобионты». Эдиакарскую биоту называют ещё «эдиокарским садом», так как в этой фауне не было хищников, вендибионты то и делали, что поедали бактериальные маты, медленно скользя по мелководью. Какие-то были просто блинчиками, а какие-то вели прикрепленный образ жизни.
Гаскирское Оледенение
В середине Эдиакарского периода 580 млн лет назад наступило Оледенение Гаскирса. Оно было менее масштабным и наименее продолжительным (340 тыс. лет) из всех позднепротерозойских оледенений.
Байконурское оледенение
Эдиакарский период закончился ещё одним Байконурским оледенением, которое считается последним в протерозойском эоне. Датировка показывает, что Байконурское оледенение длилось в период между 550 и 530 млн лет назад (20 млн лет). Его окончание ознаменовало начало нового Фанерозойского эона, нового этапа видимой жизни.
Вот они, Вендобионты
Оледенения Фанерозоя
Земная жизнь многократно усложнилась в своей организации, в сравнении с предыдущими эпохами. В кембрийском периоде общая кислотность океана снизилась, благодаря чему организмы стали образовывать скелеты, основанные на кальции и фосфатах. Появились первые родственники членистоногих, такие как аномалокарисы, поедающие своими придатками различных мягкотелых и пассивно плавающих медуз, а также его сородич Опабания. Помимо родственников членистоногих, были и сами членистоногие — Трилобиты, многочисленные донные организмы, с невероятно устроенными глазами, и весьма часто встречающиеся в отложениях. Также, были и наши далекие родственники — Хайкоуихтисы, от которых пошли и мы. После Протерозоя оледенения больше не несли такой планетарный характер.
Опабания атакует галлюцигению
Ордовикское Оледенение
Первое оледенение в Фанерозое наступило в конце Ордовикского периода и совпало с Ордовикским вымиранием. Причина этого оледенения, скорее всего, кроется за пределами Земли. 467–466 млн лет назад Землю бомбардировал метеоритный дождь, вызванный из-за крупнейшей катастрофы в солнечной системе за весь Фанерозойский Эон. В главном поясе астероидов, который находится между Марсом и Юпитером, карликовая планета — Эрос, которая по размерам была сравнима с Луной, врезалась в более мелкий объект — Ёстерплана — отчего оба тела раскололись на множество обломков, и некоторая их части направилась в сторону Земли, и начала падать на поверхность.
Такой метеоритный ливень продолжался 2 миллиона лет: все небо было ярким от тысячи падающих метеоритов. Даже сейчас треть всех падающих тел являются обломками того столкновения. Упавшие метеориты в Ордовике подняли слой космической пыли, которая поднималась в верхние слои атмосферы и задерживала солнечные лучи, не давая прогреться нижним слоям. Средняя температура в течение двух миллионов лет бомбардировки опустилась на 10 ℃. Космическая пыль находится в составе атмосферы и сегодня, но в те времена её было аномально много. Продлилось это оледенение с 460 по 440 млн лет назад
Девонское оледенение
Крупное оледенение случилось и в Девоне, которое как и прошлое совпало с вымиранием. В Девонском периоде Земля стала более похожа на себя нынешнюю, чем это было в предыдущих эрах. На протяжении всего Девонского периода растительный мир менялся и совершенствовался. Растения заселили практически все районы и уголки Земли: развитие проводящей, корневой и прочих систем позволило растениям вырваться вперед, как это в свое время было у эукариот. Они смогли перебраться из влажных болотистых мест на твердые и горные области. А как известно, чем больше дерево, то тем длиннее и глубже простираются корни. Из-за длинных корней, разрушился слой породы, и образовался глубокий слой почвы, а почвообразование — гарантирует выветривание важных химических элементов, так нужных растениям. Они стали выветриваться в реки, отчего начался бурный рост водорослей, а органический материал, образующийся на поверхности, разлагали бактерии, расходуя кислород. С таким массовым заселением растительности сильнее расходовался углекислый газ, что привело к ожидаемому похолоданию температуры на 5 ℃, что вызывало образование ледника. Вместе с тем, выветривание силикатов могло тоже сказаться на уменьшении углекислого газа. Это оледенение продлилось с позднего Девона по ранний Карбон.
Каламиты — многочисленные споровые растения девонского и каменноугольного периода
Каменноугольное оледенение
В середине Карбонского периода ледяной щит сошел на нет. Однако, счастье длилось не долго: в позднем Карбоне возникает другое оледенение, которое просуществовало до позднего Пермского периода, с 340 по 240 млн лет. Это оледенение более масштабное, чем предыдущее, так как ледяные щиты шли с юга по самый экватор. Причиной этого оледенения служил огромный рост концентрации атмосферного кислорода, и понижения концентрации углекислого газа до 0.4%. Другая причина еще состоит в объединении всех материков в Пангею, которая нарушила циркуляцию теплых течений между экватором и полярными областями. На южном полюсе сформировался ледник, который был сравним с Антарктидой. Холодные и теплые межледниковые периоды моментами сменяли друг друга. Уровень океана мог вообще опускаться и подниматься на 100 метров.
После роста концентрации углекислого газа в пермском периоде ледник оттаял, и в дальнейшем похолоданий не было до самого Кайнозоя. Парниковая эра продолжалась около 226 млн лет! Пусть в Мезозое не доказаны следы оледенений, но их существование тоже допускается. Однако, если они даже и были, то очень кратковременными и только в высоких широтах.
Кайнозойское Оледенение
В Палеоцене и Эоцене климат оставался теплым, даже больше, было известно несколько температурных максимумов, когда средняя температура спокойно доходила до 30 градусов по Цельсию. Это настолько высокая температура, что 53 миллионов лет назад Антарктида зеленела, а зимой температура на ней не опускалось ниже 10 градусов по Цельсию. Некоторые животные под натиском жары стали уходить в воду — так появились киты, сирены и тюлени. Но всё изменилось во второй половине Эоцена: были найдены свидетельства похолодания этого временного отрезка. Потом, в конце Олигоцена и в начале Миоцена произошло крупное потепление, и снова, сильное похолодание в конце Миоцена. 14 млн лет назад антарктический щит достиг уже континентальных размеров, сравнимо с сегодняшним.
На рубеже от 3.3 до 3.15 млн лет назад был ещё один период межледниковья, когда средняя температура повысилась. И возможно, антарктические щиты в это время полностью исчезли. Но этот период быстро сменился куда более сильным похолоданием в конце Плиоцена с 2.7 по 2.5 миллионов лет назад. Этот период наконец сформировал северную полярную шапку, чего за всю историю Земли происходило совсем не часто.
А самая последняя ледниковая эпоха началась где то в районе от 115 тысяч и закончилась 11 тыс лет назад, в четвертичном периоде. Уже тогда континенты находились на тех же местах, что и сейчас, и Земля была похожа на нынешнюю. Северный полюс покрывал своими ледяными щитами почти всю Северную Америку и Европу, а также немного Азии. В этот период произошло становления человека. Гейдельбергский человек еще около 1.8 млн лет назад покинул Африку и переселился в Евразию. Во время последнего ледникового периода гейдельбергские люди дали начало неандертальцам. А от Гейдельбергских людей в Монголии и Китае произошли денисовцы. Существовало несколько видов людей. Одни конкурировали между собой, а другие скрещивались между собой, обмениваясь своим геномом. Среди них остался только вид Человек Разумный, который дал начало всем нам. Кое-какие гены мы унаследовали от других видов. Сейчас идет период межледниковья, рано или поздно он сменится на новый ледниковый период.
«Последний ледниковый период»
Сжигание угля и прочих органических остатков живых организмов, кондиционеры и многое чего еще создают проблему глобально потепления. Если человек исчерпает все запасы: природного газа, угля и нефти, то следующий ледниковый этап отсрочится лишь на 100–200 лет, а по самым смелым оценкам и на целое тысячелетие — что ничтожно мало в рамках Земли. Вероятно, Кайнозойское оледенение станет последним оледенением в истории Земли вообще, так как постепенно будет расти светимость Солнца. Но, это уже совсем другая история.
Источники:
1 — https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/434655/Oledeneniya_Zemli
2 — http://evgengusev.narod.ru/antropogen/chuvardinsky-2017.html
3 — http://www.sivatherium.narod.ru/library/Climate/glava_12.htm
4 — https://elementy.ru/novosti_nauki/433543/Ordovikskoe_oledenenie_moglo_nachatsya_iz_za_anomalno_bolshogo_kolichestva_khondritnoy_pyli
5 — https://naukarus.com/afrikanskaya-lednikovaya-era-pozdnego-proterozoya
6 — https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/433446/Kislorodnaya_revolyutsiya_i_Zemlya_snezhok? from=rxblock
7 — https://elementy.ru/novosti_nauki/433878/Perenastroennye_molekulyarnye_chasy_pokazali_bolee_tochnoe_vremya_poyavleniya_kislorodnogo_fotosinteza
8 — https://elementy.ru/novosti_nauki/432202/Velikoe_kislorodnoe_sobytie_na_rubezhe_arkheya_i_proterozoya_ne_bylo_ni_velikim_ni_sobytiem? from=rxblock
9 — https://elementy.ru/novosti_nauki/433437/Verkhniy_sloy_okeana_v_pozdnem_arkhee_mestami_uzhe_byl_obogashchen_kislorodom
10 -https://elementy.ru/novosti_nauki/431692/Novaya_model_svyazala_obrazovanie_zemnoy_kory_vulkany_i_kislorod? from=rxblock
11 — https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/435255/Oledeneniya_v_istorii_Zemli_biosfera_i_nizkaya_svetimost_Solntsa
12 — https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2023.0638
13 -https://skepdic.ru/wp-content/uploads/2013/10/Rozhdenie_slozhnosti_Alexandr_Markov.pdf
14 — https://elementy.ru/novosti_nauki/434091/U_arkhey_obnaruzheny_yadryshki
15 — https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2009E%26PSL.284…599J/abstract
16 — https://enc-medica.ru/wp-content/uploads/Р.Докинз-Эгоистичный-ген.pdf
17 — https://elementy.ru/bookclub/book/1057/Istoriya_Zemli
