Термины и понятия радиоизотопный метод; геохронологическая шкала; эомы; эры; периоды; эпохи.
Методы изучения истории Земли. Историю Земли изучают с помощью комплекса разнообразных методов. Важнейшим в геологических и палеонтологических исследованиях является последовательное определение возраста слоёв земли от верхних к нижним (рис. 204). Самый распространённый метод, с помощью которого определяют возраст слоёв земли,— радиоизотопный — по периоду радиоактивного полураспада урана, превращающегося в свинец. Соотношение этих двух элементов в геологической породе и определяет её возраст. Точность метода высока — несколько миллионов лет, что даёт ошибку в доли процента. Возраст относительно молодых пород определяют по соотношению других радиоактивных элементов или по содержанию радиоактивного углерода 14С, который накапливается в органических остатках (костях и зубах позвоночных, панцирях моллюсков и других беспозвоночных).
Рис. 204. Залегание пластов почвы разного возраста (по оси ординат, млн лет).
Очень важными для восстановления истории Земли являются и биологические данные. О временах господства прокариотов и одноклеточных эукариотов рассказывают так называемые биогенные осадочные породы, состоящие из остатков животных и растительных организмов или продуктов их жизнедеятельности. По химическому составу их делят на карбонатные, кремнистые и фосфатные породы, а также угли. Более поздние отрезки истории Земли и жизни на ней исследуют по находкам окаменевших организмов или их твёрдых частей — фрагментов скелета, костей, даже отдельных зубов (рис. 205), дающих возможность восстановить внешний облик растения или животного, установить его систематическую принадлежность, определить возраст и период существования. (Как вы помните, это направление исследования называется биостратиграфией.)
Рис. 205. Ископаемые останки: а—в — отпечатки древних растений на камне; г — древние морские беспозвоночные плеченогие; д — ископаемый моллюск аммонит; е — окаменевший зуб мамонта.
Комбинация разнообразных методов в конечном счёте даёт возможность достаточно подробно восстановить события, протекавшие на Земле (табл. 18).
Таблица 18
Геологические и биологические события в истории Земли
Примечание. Розовым цветом заполнены периоды полного преобладания, светло-розовым — частичного, белым — отсутствие.
Абсолютный возраст Земли и всей Солнечной системы, определённый по соотношению изотопов, составляет около 4,6 млрд лет. Из них чуть более 1 млрд пришлось на время её безжизненного существования. Это подтверждается наличием в слоях Земли возрастом от 4,6 до 3,6 млрд лет исключительно магматических пород, доказывающих: в то время на планете шла активная вулканическая деятельность, а жизнь ещё не существовала (рис. 206). Атмосфера была полностью лишена кислорода и состояла из паров сероводорода, аммиака, угарного газа и воды. В ней постоянно происходили грозовые разряды. Интенсивное ультрафиолетовое излучение пронизывало не только газы, окружавшие Землю, но и верхние слои воды. Под влиянием этих факторов постоянно синтезировались органические соединения, которые, постепенно накопляясь, со временем образовали «первичный бульон».
Рис. 206. Вид земной поверхности в период формирования первичного бульона.
В слоях Земли возрастом порядка 3,5 млрд лет стали появляться древнейшие осадочные породы биологического происхождения (рис. 207). Особый интерес вызывают находки углеродистых минералов, соотношение изотопов 14С в которых дало основание предположить даже наличие примитивного фотосинтеза. Кроме того, в слоях осадочных пород того времени смогли обнаружить следы первых ископаемых микроорганизмов, которые в палеонтологии принято называть микроископаемыми (рис. 208). Они обнаружены в древних породах в настолько большом количестве, что появилась возможность в конкретном слое сантиметр за сантиметром отследить изменение их состава и таким образом установить, с какой скоростью шла эволюция. Считается, что именно в интервале от 3,9 до 3,6 млрд лет и происходила предбиологическая (химическая) эволюция, которая привела к появлению протобионтов. Из них со временем (3,5— 3 млрд лет назад) образовались первые анаэробные прокариотические организмы — архебионты, ставшие общими предками всех ныне живущих организмов.
Рис. 207. Плотные слоистые образования в толщах известняка являются следствием отложения цианобактерий и одноклеточных водорослей, которые жили на Земле более чем один миллиард лет назад.
Время следующего миллиарда (3—2 млрд лет назад) можно назвать периодом царствования прокариотов. В его первой половине на Земле обитали в основном гетеротрофные анаэробные бактерии, питавшиеся веществами из первичного бульона, затем возникли хемотрофы и фотосинтезирующие бактерии. Последние осуществляли фотосинтез, который не сопровождался выделением кислорода (вспомните: и сейчас есть множество видов бактерий, у которых фотосинтез идёт совершенно иным путём, чем у высших растений). Только в конце этого промежутка истории Земли появились цианобактерии (вспомните: их ещё называют синезелёными водорослями), у которых фотосинтез происходил так же, как у высших растений, с помощью хлорофилла и сопровождался выделением кислорода.
Резкое увеличение биомассы цианобактерий привело к изменению состава атмосферы, которая 2,2—2 млрд лет назад превратилась из восстановительной, содержавшей аммиак и сероводород, в кислородную окислительную. Это привело к массовой гибели анаэробных прокариотов.
Все приведённые рассуждения — не выдумки учёных, а результат скрупулёзного анализа фактического материала, находок ископаемых микроорганизмов и следов их жизнедеятельности в виде отложений, главным образом особых форм известняка, а также некоторых минералов, содержащих соединения железа.
На следующем этапе, продолжавшемся от 2 до 1 млрд лет назад, произошло резкое увеличение численности разнообразных аэробных прокариотов, во второй половине данного периода появились эукариоты и развилось половое размножение. Невольно возникает вопрос: что дало основание учёным считать, что эти новые одноклеточные организмы действительно были эукариотами — ведь у микроископаемых нельзя рассмотреть строение клетки, увидеть ядро или митохондрии? Оказывается, решить эту проблему совсем не сложно — к концу этого миллиарда лет микроископаемые так резко увеличились в размерах, что стали сопоставимы с современными одноклеточными эукариотами (вспомните: объёмы клеток прокариот и эукариот отличаются в тысячи раз).
Рис. 208. Форамени- феры — одна из групп одноклеточных организмов, имеющих твердый скелет.
Многоклеточные организмы — продукт последнего миллиарда лет развития Земли. За период с 1 до 0,5 млрд лет назад появились многоклеточные водоросли и зародились многие группы беспозвоночных, вторая половина стала периодом развития позвоночных и сосудистых растений.
Летопись истории жизни на Земле. История Земли — не только совокупность таких эпохальных геологических событий, как формирование земного ядра, образование литосферы, гидросферы и атмосферы, появление океанов и материков, но и более частные явления: изменения химического состава гидросферы и атмосферы, расположения материков и океанов, колебания температуры (потепления и похолодания). Каждое из таких событий приводило сначала к массовым вымираниям, а затем к появлению новых видов и групп организмов. По этим событиям была построена геохронологическая шкала Земли (табл. 19) — своеобразный календарь теологов и палеонтологов. В нём история жизни на Земле поделена на ряд промежутков времени от сотен тысяч до сотен миллионов лет, каждый из которых отражает какое-то геологическое или эволюционное событие.
Прежде всего, история жизни на Земле подразделяется на два очень больших, но не равных по протяжённости, промежутка времени — зона. Первый — Докембрий (его ещё называют первичным периодом) — охватывает огромный временной отрезок от 3,6 до 0,6 млрд лет. В это время на Земле жили, главным образом, одноклеточные организмы, лишь к концу появились водоросли и мягкотелые, лишённые какого- либо скелета многоклеточные животные (рис. 209), которые не оставили никаких следов в осадочных породах. Поэтому «первичный период» ещё называют временем скрытой жизни.
Таблица 19
Геохронологическая шкала
Гораздо больший интерес для исследования эволюции представляет Фанерозой (от греч. фаерос — явный и зое — живое существо) — время существования многоклеточных животных и растений. Начался он с появлением огромного количества разнообразных моллюсков и других морских беспозвоночных с твёрдым панцирем. Наличие многочисленных ископаемых остатков в датированных слоях позволило геологам разделить этот отрезок истории жизни на Земле на более мелкие промежутки времени — эры, границы между которыми проходят по крупнейшим эволюционным событиям — глобальным вымираниям, а также эры — на периоды, а периоды — на эпохи.
Рис. 209. Мягкотелые животные Докембрия, после которых не осталось почти никаких окаменелых остатков.
Палеозой (от греч. палаиос — древний и зое) и Мезозой (от греч. мезо — средний и зое ) — две первые эры Фанерозоя (рис. 210), которые ещё называют вторичным периодом, составили 340 и 170 млн лет соответственно. В этот исторический промежуток развития Земли произошла интенсивная эволюция многоклеточных животных. В результате появились представители всех современных типов и классов царств животных и растений. Причём эволюция во времени чётко шла от примитивных организмов к более сложным. Например, первые хордовые появились в самом начале Фанерозоя — Кембрии около 488 млн лет, бесчелюстные рыбообразные — в Ордовике 440 млн лет, челюстные рыбы и амфибии — в Девоне около 360 млн лет, рептилии — в Карбоне 300 млн лет, примитивные яйцекладущие млекопитающие — в Триасе 200 млн и птицы — в Юре 146 млн лет назад.
Такая же ситуация и с растениями. Первые сосудистые растения появились в Ордовике 440 млн лет назад, древовидные папоротники господствовали на Земле на границе Палеозоя и Мезозоя — около 220—200 млн лет назад, расцвет голосеменных пришёлся на Триасовый и Юрский периоды — 140—200 млн лет назад, а начало расцвета цветковых растений пришлось на Меловой период — около 65 млн лет назад.
Рис. 210. Позвоночные животные с твёрдым скелетом Фанерозоя (Мезозойский период).
Событием, сыгравшим ключевую роль в дальнейшей эволюции животных и растений, стал выход живых организмов на сушу. Впервые это произошло в Силуре (416 млн лет назад), когда первопоселенцами стали примитивные сосудистые растения и членистоногие (скорпионы и пауки), а затем в Девоне и Карбоне (360—300 млн лет назад), когда сушу заселили амфибии и рептилии.
Кайнозой (от греч. каинос — новый и зое). Последняя эра геологической истории Земли, время развития современной фауны и флоры. В эту эру максимальное развитие получили млекопитающие, птицы, костистые рыбы, насекомые и цветковые растения.
Древняя часть Кайнозоя, или третичный период, продолжалась от 66 до 3 млн лет назад. В это время образовались современные семейства и роды птиц и млекопитающих. Современный этап развития Земли — четвертичный период, который начался около 3 млн лет назад. Именно в это время образовалось большинство современных видов птиц и млекопитающих, появился вид Homo sapiens. Именно поэтому этот период ещё называют антропогеном (от греч. антропос — человек и генезис).
Таким образом, эволюция жизни на Земле проходит всё более быстрыми темпами. Для того, чтобы на Земле зародилась жизнь, понадобилось от 1 до 1,5 млрд лет, чтобы появились эукариоты и возник половой процесс — ещё около 1 млрд лет. На то, чтобы появились первые многоклеточные, ушло ещё около 800 млн лет. Позвоночные возникли через 600 млн, а млекопитающие — через 200 млн лет. Именно поэтому геохронологическую шкалу лучше представлять не в виде лестницы со ступеньками разной длины, а в виде раскручивающейся спирали (рис. 211).
Рис. 211. Геохронологическая шкала в виде спирали.
событиями делят на ряд временных отрезков разной продолжительности. При этом обычно выделяют два главных периода: время скрытой жизни, когда эволюционировали одноклеточные организмы, возникли лишённые скелета многоклеточные животные и водоросли; гораздо более короткий период эволюции высших растений и животных с твёрдым скелетом.
Проверьте себя
1. Каким образом с помощью радиоизотопных методов определяют возраст Земли или костных остатков? 2. Что такое микроископаемые?
3. Почему докембрийский эон называют временем скрытой жизни?
4. Какую эру считают периодом расцвета птиц и млекопитающих?
Как вы считаете?
1. Почему каждая новая эра развития жизни на Земле короче предыдущей? 2. Почему четвертичный период ещё называют антропогеном?