Протерозойская эра (2,7 – 0,57 млрд. лет)

Протерозойская эра (2,5 млрд — 540 млн лет назад)

Вслед за архейской наступила протерозойская эра (от греческих слов «протерос» — более ранний и «зоя» — жизнь). Ее считают самой длительной в истории Земли.

Примерно такой, безжизненной и холодной, выглядела наша планета в протерозойскую эру

На рубеже двух периодов облик планеты сильно изменился.

Огромные области суши уходили под воду океана, а из морей поднимались молодые горы. Хотя поверхность Земли никто не осваивал, в океане уже развивалась жизнь. Неизбежные при этом обломки горных пород, равно как и существование первых организмов, вели к образованию осадочных залеганий. Во времена протерозоя земная кора росла, а в ней ломались и заново формировались новые континентальные плиты.

Формирование земной коры древней планеты (2,5–1,5 млрд лет назад)

В начале протерозойской эры складывались ядра будущих континентов — древние платформы, или кратоны (от греческого «кратос» — сила, крепость). Самые первые части нынешней Евразии — Восточно-Европейская и Сибирская платформы родом именно из тех времен.

Вулканы продолжали извергаться так же бурно, как и в архейский период. На их активность влияли движения земной коры. Когда материки перемещаются, океаническая кора (та, которая находится под дном океана) «задвигается» под материковую и буквально выдавливает на поверхность магму из земных недр.

Судя по найденным на сегодняшней суше протерозойским отложениям явно морской природы, водная и земная стихии в те времена довольно часто менялись местами: из океанских глубин вздымались юные горы, а более старые скальные хребты уходили под воду.

Протерозойские отложения также показывают, что на Земле в то время уже существовали и пустыни, и ледники — климат был разнообразен.

В этот период появились отложения, ставшие в будущем полезными ископаемыми. Например, месторождения железных руд возникли в результате работы железобактерий (они были открыты в начале ХХ в. русским ученым Сергеем Николаевичем Виноградским). Так появились отложения железистых кварцитов (чередование слоев кварца и железосодержащего магнетита).

Одно из крупнейших таких месторождений — Курская магнитная аномалия в России. Колоссальные залежи железа в тех местах отклоняют стрелку компаса от ее обычного положения. Эти многокилометровые залежи руды появились 2,5 млрд лет назад на дне протерозойских морей.

Большие месторождения железных руд осадочного происхождения находятся в Украине (Кривой Рог), в Южной и в Северной Америке, Австралии, Африке. В Сибири есть также медные руды протерозоя. В конце той эры откладывались залежи урановой, медной, кобальтовой и оловянной руд.

Земная кора, толщина которой составляет многие километры, мялась, как бумага, под действием чудовищных внутренних сил планеты. На ее поверхности образовывались складки и впадины. В конце протерозойской эры из-за появления складок земной коры образовалось много новых горных хребтов. Это горообразование называют Байкальской складчатостью, так как именно тогда появилось знаменитое на весь мир озеро России. Термин «байкальская складчатость» был предложен в 1932 г. русским ученым Н. С. Шатским.

Движение материков в протерозое (сверху вниз: неопротерозой/криогений, поздний кембрий, ранний девон)

Другой важный геологический термин — геосинклиналь. Термин образован тремя греческими корнями «гео» — земля, «син» — вместе и «клино» — наклоняю. Это длинная и узкая складка земной коры, которая, в противоположность платформам, является подвижной зоной. Такие элементы неустойчивости земной коры сопровождаются прогибами, поэтому геосинклинали опускаются на морское дно. Постепенно эта складка заполняется осадочными породами или магмой вулканов, а потом движения земной коры снова вздымают бывшую складку вверх — и образуются новые горы.

Именно так возникли древнейшие горы Земли: Урал, Енисейский кряж, Восточный Саян, Прибайкалье, Скандинавские и Скалистые горы.

В районах геосинклиналей времен Байкальской складчатости формировались ядра горных массивов юга Сибирской платформы, плато Путорана на Таймыре, Тянь-Шань, некоторые хребты Кавказа и гор Малой Азии. Именно в протерозойскую эру был задан «генеральный план» развития земной коры, который и предопределил дальнейшую геологическую историю планеты.

Тогда же, 1150 млн лет назад, над древним океаном поднялся гигантский материк — Родиния. Многие ученые считают его первым континентом Земли. Полагают, что он возвышался примерно на 3000 м над уровнем моря и не имел до определенной поры отчетливо сформированных гор. Поднявшийся материк вытеснил колоссальные объемы воды, которые, в свою очередь, слились в единый гигантский океан — Мировию, огромный по площади, но значительно мельче нынешних.

Суперконтинент Родиния

Обратите внимание на то, что признанные всем миром названия «Родиния» и «Мировия» образованы от корней, заимствованных из русского языка. Настолько сильна была отечественная наука в самых разных областях знания!

Пригодность для дыхания безжизненной атмосферы (2,4 млрд лет назад)

Древние вулканы изливали на поверхность Земли огромное количество расплавленного базальта, попутно выдыхая смешанные облака водяных паров с углекислым газом, сероводородом, аммиаком, хлором, метаном, оксидами серы, борной кислотой и солями аммония, образующихся при высоких температурах. Так как в водных растворах эти вещества создают кислотную среду, их называют кислыми дымами. Мы знаем о них и первичной атмосфере благодаря пузырькам газов, законсервированным в древнейших горных породах архея.

Атмосфера нашей планеты, состоявшая из смеси газов, покинувших земную мантию, была очень ядовита.

Развитие кислородной катастрофы

Температура воздуха у земной поверхности приближалась к 15 °С — не особо жарко, но и не так уж холодно. Из сконденсировавшегося водяного пара складывалась гидросфера планеты — запасы жидкой воды. В нее переходила часть атмосферных газов.

Однако был ли на древней Земле кислород? Малая часть его молекул могла теоретически стать продуктами разложения водяного пара под действием жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, но такого насыщенного паром кислорода много быть не могло: и молекулу воды расщепить трудно, и сам образующийся кислород поглощает ультрафиолет, гася таким образом химическую реакцию (классический случай автоингибирования).

До определенного времени в первичной атмосфере кислорода было совсем мало — намного меньше 0,001 его массовой доли в сравнении с нынешним уровнем. Почти каждая вновь образовывавшаяся молекула O2 тратилась на различные реакции окисления. Защиты от губительной солнечной радиации (в виде современной кислородной атмосферы и озонового слоя) еще не было, и это создавало тяжелейшие условия даже для жизни древних анаэробов. Перед началом протерозоя на Земле стало намного больше воды, а кислорода почти не прибавилось.

В какой-то момент грянула «кислородная катастрофа» — так называют событие, которое произошло 2,4 млрд лет назад и направило в новое русло ход земной истории. В то время кислород буквально заполнил собой атмосферу планеты. Разумеется, катастрофой это обернулось лишь для анаэробных археобактерий. Для всех же новых форм кислородной жизни (включая нас с вами) это событие оказалась величайшей удачей! Об изменениях в атмосфере мы знаем по тому, что характер минеральных отложений с какого-то момента резко преобразился.

Конденсация водяных паров вулканических газов

Наконец-то в воздухе появилось много свободного кислорода — менее чем за 200 млн лет его концентрация выросла в 15 раз, атмосфера стала не восстановительной, а окислительной.

Для того чтобы возникли анаэробные («кислорододышащие») формы жизни, необходимо было, чтобы концентрация кислорода в атмосфере составляла около 0,01 (1%) от современной — так называемая точка Пастера. В протерозое этот биологический рубеж был преодолен «с перевыполнением», что стало толчком к бурному развитию и совершенствованию разнообразных форм новой жизни.

Представьте себе, что во времена архея железный гвоздь мог лежать на земле миллионы лет, не покрываясь ржавчиной!

Откуда же кислород возник в таком количестве? Вспомните про сине-зеленые водоросли, которые появились еще в архее. Миллионы лет они исправно выделяли кислород в качестве побочного продукта фотосинтеза. Однако он тут же уходил на окисление минералов и газов. В условиях восстановительной атмосферы кислород был настоящим дефицитом и мгновенно расходовался во множестве химических реакций. Когда же все, что можно было окислить, оказалось уже окисленным, кислород стал накапливаться в виде газа. Одновременно с этим падала концентрация углекислого газа в атмосфере, ведь он был так необходим сине-зеленым водорослям для фотосинтеза. Парниковый эффект благодаря этому стал уменьшаться и перед земной жизнью открылись новые заманчивые перспективы.

Сине-зеленые водоросли способствовали фотосинтезу

Появление в земной атмосфере доступного кислорода обернулось еще одним благом для будущих жителей планеты. Под воздействием электрических разрядов газообразный кислород распался на отдельные атомы, из которых потом сформировалось новое вещество — озон. Подобно кислороду он бесцветен, но имеет запах: когда после грозы вы чувствуете в воздухе особую свежесть, знайте, это озон. Собираясь в верхних слоях атмосферы (12–50 км), он образует слой (озоновый слой), который поглощает опасное ультрафиолетовое излучение космоса и защищает от него все живущее на планете. Не будь озонового слоя, жизнь никогда не смогла бы выйти из воды на сушу.

Озон поглощает лучи, верхние слои атмосферы нагреваются, и его температура растет с высотой. Это явление называют температурной инверсией. Она делает атмосферу устойчивой: не будь такого нагревания в верхних слоях атмосферы, теплый воздух из нижних постоянно поднимался бы, а холодный — опускался. Атмосферные газы постоянно бы перемешивались.

Наши предки — первые существа, дышавшие кислородом (2,6 млрд–650 млн лет назад)

Едва появившись, живые организмы стали вступать в сложные биологические отношения друг с другом. Не довольствуясь простым извлечением энергии и пищи из окружающей среды, они создавали пищевые цепи и вступали друг с другом в симбиоз. Все это закономерно привело к усложнению самих живых клеток. Раньше (в архее) существовали только одноклеточные прокариоты — те организмы, у которых клеточное ядро еще не сформировалось (от греческого «прокариот» — доядерный). Их строение значительно проще, а ДНК представлена не хромосомами, а одной-единственной кольцевой молекулой.

Так устроены и сине-зеленые водоросли, и бактерии, и другие обитатели Земли того времени. Преимуществом прокариот является их исключительная неприхотливость к условиям жизни. Они и сейчас селятся на подводных вулканах, в кислых или щелочных водоемах — была бы только влага.

Известное количество видов для эукариот и прокариот

В протерозойскую эру возникли первые эукариотические клетки (то есть такие, у которых есть ядро и ДНК, свернутая в хромосомах).

Появилось гораздо больше возможностей перемешивать гены — живые организмы стали быстро меняться, приспосабливаясь к внешней среде. Устойчивость и разнообразие жизни возрастали.

Полагают, что эукариоты появились в результате союза (симбиоза) нескольких разных прокариотических клеток. Имеющиеся в эукариотической клетке митохондрии («энергетические станции» живой клетки) и хлоропласты в клетках растений (где происходит фотосинтез) считаются потомками древних одноклеточных прокариот, которые проникли внутрь более сложных клеток и остались там жить в виде клеточных органелл.

Долгое время прокариоты и эукариоты мирно уживались рядом, но шаг за шагом более приспособленные эукариоты вытесняли древние доядерные организмы. Вместо примитивного почкования и деления клеток появлялись более совершенные механизмы размножения. Будущее принадлежало эукариотам!

Фагоцителла — возможный предок многоклеточных организмов

Рождение многоклеточных организмов (1100–900 млн лет назад)

Как мы уже знаем, первые живые существа Земли были одноклеточными, то есть все функции организма: питание, передвижение, связи с внешней средой и так далее — были соединены в одной-единственной клетке. Такие формы жизни процветают и по сей день, будучи наиболее просто устроенными. Однако эволюция биосферы в протерозое сделала следующий важнейший шаг — нашу планету стали заселять первые многоклеточные организмы.

Главное отличие многоклеточного существа от одноклеточного не только в количестве клеток, как следует из названия, но и в том, что между ними существует разделение труда — его называют дифференциацией клеток. Например, тело человека состоит из 1014 клеток. Они объединены в группы с похожими функциями — ткани. В самом деле, клетки костей не спутаешь с клетками крови, разные ткани составляют мышцы, кожный покров, органы многоклеточных существ. Однако все это произойдет гораздо позже.

Первым шагом на пути к многоклеточности было объединение отдельных клеток-организмов в колонии. Сегодня мы можем предполагать, что жизнь в них давала преимущества: например, сообщество клеток меньше страдало от пересыхания, чем одноклеточные организмы, либо оказывалось слишком крупным для одноклеточных хищников.

В первых колониях все клетки по-прежнему оставались недифференцированными — распределение функций между ними отсутствовало. Одно из таких колониальных многоклеточных широко распространено и в наши дни. В затхлых прудах можно найти маленькие (до 3 мм) зеленые шарики, которые состоят из сотен и даже тысяч совершенно одинаковых клеток-водорослей. Шарики могут передвигаться за счет биения «вёсел»-жгутиков, которые есть на поверхности каждой из составляющих их клеток. Эти странные колониальные многоклеточные существа называются вольвокс.

Конечно, вольвокс еще нельзя назвать настоящим многоклеточным организмом, поскольку его клетки не дифференцированы.

После объединения отдельных клеток в колонии эволюция должна была сделать следующий важнейший шаг — распределить между ними разные функции. Как же это могло произойти?

Еще в 1882 г. наш соотечественник биолог Илья Ильич Мечников занимался изучением губок, которые являются одним из самых примитивных типов многоклеточных животных.

Мечников предположил, что у них мог быть еще более просто устроенный предок — организм который представлял из себя мешок, состоящий всего из двух слоев клеток: внешнего и внутреннего. Клетки первого из них у такого существа предназначались для защиты от внешних факторов и передвижения (за счет подвижных жгутиков, похожих на жгутики вольвокса), а второго — для пищеварения (захватывая и переваривая мельчайшие частицы пищи). Это была уже колония клеток не одинаковых, а двух разных видов, связанных отношениями симбиоза. Мечников назвал это существо фагоцителлой.

Такое объяснение механизма возникновения первых многоклеточных форм жизни оказалось настолько убедительным, что впоследствии стали говорить о теории фагоцителлы. Позже был найден реально существующий организм, очень похожий на описанную Мечниковым фагоцителлу: это был трихоплакс — бесцветное существо длиной около 3 мм.

Строение трихоплакса

Как и гипотетическая фагоцителла, обнаруженный в природе трихоплакс состоит из двух слоев клеток.

Современная наука предполагает, что в протерозойском океане происходили похожие процессы самоорганизации жизни: от одноклеточных к колониям и далее к настоящим многоклеточным существам. Многоклеточность дала мощный толчок последующей эволюции живого мира. Уже на стадии самых простых многоклеточных организмов появляется половое размножение (в отличие от примитивного почкования). Это означает, что в процессе образования и слияния половых клеток (гамет) происходит интенсивный обмен и перераспределение генетического материала. Наконец-то жизнь смогла воспользоваться одним из самых главных своих приспособлений в борьбе за выживание — наследственной изменчивостью.

Изменчивость в свою очередь привела к всплеску разнообразных новых форм жизни. Ученые-палеонтологи обнаружили в протерозойских отложениях следы, оставленные множеством разных существ.

Конечно, они все еще были бесскелетными, поэтому не сохранялись в виде окаменелостей, но были найдены следы ползания, проедания грунта и вырытых норок.

Традиционно считается, что первые многоклеточные организмы появились на планете 1100–900 млн лет назад. Однако благодаря новейшим исследованиям ученые обнаружили в американском штате Мичиган следы многоклеточных водорослей длиной 10 мм, живших 1,9 млрд лет назад. В отложениях из Африки совсем недавно (в 2010 г.) нашли присутствие достаточно крупных (12 см) червеобразных существ, обитавших 2,1 млрд лет назад.

Первые многоклеточные жили в нижний слоях воды или на самом дне древнего океана. Это потребовало от них дальнейшего приспособления: разделения тела на разные части, которые использовались для прикрепления к камням, захвата пищи, плавания. Большое число многоклеточных организмов получило возможность питаться за счет фильтрации верхнего слоя ила, пропуская через себя воду с частицами пищи или с живыми одноклеточными. Именно таким способом питаются современные губки — одни из древнейших обитателей Земли.

Отпечаток древней харнии

Первое оледенение Земли (750–635 млн лет назад)

Стоило появиться на Земле первым фотосинтезирующим организмам, как концентрация кислорода в атмосфере стала возрастать, а углекислого газа, наоборот, снижаться. Это предопределило дальнейшие изменения климата. Последующее уменьшение количества углекислого газа было также вызвано распадом первого суперконтинента Родинии: выходящие при этом наружу горные породы вступали в химические реакции со свободным углекислым газом воздуха и связывали его в химических соединениях.

Затем вступила в силу уже известная нам закономерность: чем меньше в воздухе углекислого газа, тем слабее парниковый эффект, а значит, тем холоднее климат. Остывание Земли вызвало появление гигантских ледников, которые, подобно зеркалам, отражали в космос падающие на планету лучи и тем самым способствовали еще большему похолоданию. Средняя температура на нашей планете снизилась до –40 °С, это значит, что в конце протерозоя на экваторе было так же холодно, как в нынешней Антарктиде. Около полюсов установилось –80 °С.

Страшные морозы сковали планету. Вода при таком холоде практически не испарялась, поэтому туч над Землей почти не бывало. Все обломки Родинии и Мировой океан 750–635 млн лет назад покрылись коркой льда, достигавшей 2 км. Сегодня об этом можно судить по следам древнейших ледников и их отложениям в самых разных, в том числе и тропических, районах Земли. Такие следы обнаружили в Центральной Африке, Австралии, на Урале, в горах Тянь-Шаня, в Беларуси, Норвегии, Гренландии и в Скалистых Горах Северной Америки.

Возраст некоторых названных выше геологических свидетельств оледенения определен достаточно точно — 716,5 млн лет назад. Он совпадает с предполагаемым временем распада Родинии.

Вся планета оказалась в ледяном плену, это вызвало массовую гибель живых существ. Тщательное изучение хронологической последовательности событий ставит науку еще перед одной загадкой: оказывается, сплошное вымирание случилось на 16 млн лет раньше, чем моря и суша покрылись льдами.

Существующее сегодня объяснение гласит, что причиной этому послужило слишком бурное размножение водорослей и недостаточное количество травоядных морских существ. Ничем не регулируемый рост водорослей привел к тому, что зеленый слой создал плотный покров на водах, который препятствовал доступу кислорода в их толщу. Из-за этого погибали аэробные жители океана и поэтому атмосфера больше уже не насыщалась углекислым газом. Если все было действительно так, то вывод парадоксален: жизнь на Земле уничтожила сама себя, попутно вызвав резкое изменение климата всей планеты. Даже если это предположение верно, оно не отменяет теорию связывания углекислого газа обнажающимися горными породами Родинии, которая раскалывалась на части, — так что на водоросли и в этом случае ложится только часть вины.

Такой пейзаж, возможно, был на Земле времен распада Родинии

В конце протерозоя Земля пережила самое катастрофическое оледенение за всю свою историю.

Что же в конце концов спасло планету из ледяного плена? Покрытая толстой коркой льдов поверхность океана и суши не могла поглощать углекислый газ из воздуха, ни используя его в процессе фотосинтеза водорослей, ни связывая в химических реакциях. Тут и сыграли свою роль вулканы, которые продолжали собственную в буквальном смысле кипучую деятельность, даже когда планета была скована льдами. Миллионы холодных лет они не прекращали обогащать атмосферу углекислым газом и метаном.

Чтобы растопить льды на планете, которая тогда напоминала современную Антарктиду, могло потребоваться в 350 раз больше свободного углекислого газа в атмосфере, чем его содержит вдыхаемый нами воздух, — около 13% против нынешних 0,035%. Парниковый эффект, создаваемый таким огромным количеством углекислого газа, и привел, очевидно, к постепенному потеплению. Льды неуклонно таяли.

Описанная ситуация — замечательный пример того, что древняя Земля оказалась саморегулируемой системой: излишнее усиление одного из определяющих факторов приводит к таким последствиям, когда его действие уменьшается по принципу отрицательной обратной связи. Чтобы это было проще понять, представьте себе котелок с супом, который варится на костре. Если огонь разгорается очень сильно, то вода в емкости начинает кипеть слишком бурно и переливается через край. Тем самым она частично гасит костер, и кипение становится слабее.

Парниковый эффект сделал свое дело по геологическим меркам очень быстро — средняя температура на планете увеличилась на 65–70 °С, достигнув 25–30 °С.

Ледяная катастрофа должна была убить на Земле все живое, но предполагается, что некоторые микроорганизмы уцелели. Возможно, в океане Мировия оставались небольшие полыньи, где открытая вода соприкасалась с атмосферой и солнечным светом. Другие микробы могли выжить в зонах наземных или подводных вулканов. Понесенные биосферой потери были огромны, однако жизнь не исчезла с лица нашей планеты полностью — стоило льдам отступить, как начался новый бурный всплеск ее развития.