Целью нашего исследования является биогеологическая история Земли как модель развития жизни в Галактике и на планетах Солнечной системы.
За последние 20 лет в геологической науке произошел значительный информационный прорыв относительно этапов формирования и развития жизни на Земле. В этой статье авторы приводят собственную концепцию основных биогеологических этапов на основе проанализированной информации.
На сегодня одной из самых обсуждаемых теорий происхождения жизни на Земле является теория панспермии, то есть космического происхождения первичной живой материи. Об этом свидетельствует нахождение в метеоритах органических соединений, фоссилизированных примитивных организмов. Российские исследователи обнаружили в углистых хондритах (метеоритах) фоссилизированные цианобактерии и, возможно, несовершенные грибы, американские специалисты нашли следы бактерий в обломках пород с Марса, а группа ученых из Университета Кардиффа недавно идентифицировала в обломках метеорита, упавшего в конце 2012 года на территорию Шри-Ланки, фоссилизированные остатки диатомовых водорослей [2; 5].
Жизнь развивалась синхронно с геологическим развитием планеты. По некоторым предположениям в начале протерозоя существовал единый континент Мегагея, который был окружен единственным океаном.
Вопрос развития жизни, основных этапов литогенеза и глобальных экологических катастроф в истории планеты тесно связаны. Взяв за основу труды академика Н.Н. Страхова [4], в истории Земли можно выделить пять основных этапов литогенеза.
Начальный, или азойский, этап литогенеза – зона плавления верхней мантии поставляла на поверхность Земли расплавленную лаву и пепел, при дегазации которых испарения воды конденсировались и образовали первичный океан, а газы – первичную атмосферу, богатую Н2О, СО2, Н2.
Легкорастворимые летучие H2S, HCl, HF, В, Н2 задерживались в гидросфере, поэтому воды стали очень кислыми. О2 отсутствовал.
На этом этапе накапливались почти исключительно лава, пепел, частично терригенный материал, образовавшийся в результате химического и физического выветривания, из хемогенных осадков – свободный кремнезем, основные хлориды, Al, а также сульфиды железа и тяжелых металлов, фториды кальция, магния, железа, алюминия. Вследствие взаимодействия кислых вод с горными породами через некоторое время из морской воды исчезли свободные НСl, HF и осталась только Н2СО3.
С этого момента начался второй, или археозойский этап литогенеза. Атмосфера по-прежнему сохраняла свой древний тип: в ней было много СО2, СН4, NH3, следы О2 (от фотодиссоциации СО2 и Н2О). Вследствие выветривания континентов гидросфера постепенно обогащалась гидрокарбонатами кальция, магния, железа, марганца, вода стала хлоридно-карбонатной и осталась кислой из-за большого количества СО2. Зародилась жизнь в виде организмов-хемосинтетиков, еще не способных к фотосинтезу, поэтому они слабо влияли на геохимию гидросферы. Литогенез продолжал быть преимущественно вулканогенно-осадочным, но появились также собственно осадочные (хемогенные) породы, связанные с выветриванием литосферы: джеспилиты, богатые Fe2+, иногда и Мn2+, бокситы, первичные карбонатные породы, скорее всего доломиты.
Древнейшие одноклеточные организмы (цианобактерии) обнаружены в древних породах формации Варравуна (Австралия), имеющих возраст около 3,5 млрд лет, и отложениях Онфервахт (Южная Африка), возраст которых примерно 3,4 млрд лет, что дает основание рассматривать ранний докембрий как время существования особого мира, сформированного прокариотными (безъядерными) организмами – бактериями и цианобактериями.
Древнейшие прокариоты скорее всего были хемоавтотрофами. Они приспосабливались к какой-либо химической реакции, которая проходила при выделении энергии и без их участия, сама по себе, только медленно. В результате аноксигенного фотосинтеза они восстанавливали углекислый газ до метана, в результате в биосфере стали образовываться излишки метана и сульфатов. Появились симбиотические микробные сообщества, способные окислять метан с помощью сульфатов.
Позже (около 2,9 млрд лет назад) появились цианобактерии, которые имеют современный вид, содержащие хлорофилл и были способными к оксигенному фотосинтезу. Кроме того, цианобактерии (как и многие другие прокариоты) были способны фиксировать атмосферный азот.
Таким образом, можно предположить, что уже в середине архея жизнь на Земле была представлена разнообразными типами прокариот, которые начали влиять на ее геологическую историю. В восстановительной среде кислород, выделявшийся цианобактериями, сначала расходовался на окисление различных соединений и не накапливался в свободном состоянии в атмосфере. При этом аммиак NH3 окислялся до молекулярного азота N2, метан и оксид углерода – до СО2, сера и сероводород – до SО2.Состав атмосферы постепенно изменялся.
Третий, или протерозой-рифейский этап литогенеза начался с появления фотосинтеза, что коренным образом изменило всю обстановку осадочного процесса.
После появления цианобактерий господство прокариот продолжалось 1,5-2 млрд лет. Микроорганизмы становились все более многочисленными и разнообразными. Чем больше накапливалось кислорода в атмосфере, тем больше создавалось предпосылок для отмирания прокариот.
Так, на первоначальном этапе кислород, который содержался в атмосфере, под влиянием деятельности прокариот связывался в океанах. После того как эта реакция стала невозможной, начала образовываться кислородная атмосфера.
Ранняя жизнь имела сначала локальное распространение и могла существовать только в океане на небольших глубинах – примерно 10-50 м. Верхние слои воды (до 10 м вглубь) пронизывались губительными ультрафиолетовыми лучами, а на глубинах более 50 м для фотосинтеза не хватало света. Соли океана отличались повышенным содержанием магния по сравнению с содержанием кальция в соответствии с составом пород первичной земной коры. В связи с этим одной из главных осадочных пород архея является магнийсодержащий доломит. В океане не образовывались сульфатные осадки, потому что не было анионов окислительной серы. В древних породах много легко окисляемых, но полностью не окисленных веществ – графита, лазурита, пирита. В архее в результате деятельности анаэробных железобактерий сформировались значительные толщи магнетита, гематита – руд, содержащих недоокисленное двухвалентное железо. Вместе с тем установлено, что кислород в составе этих пород фотосинтетического происхождения.
Атмосфера в этот период быстро обогащалась кислородом, но все еще сохраняла значительные массы СО2, NH3, CH4. Окисление сульфидов в водоемах и H2S в вулканических эксгаляциях обогатило гидросферу сульфатами, воды океанов и морей стали хлоридно-карбонатно-сульфатными. В осадконакоплении впервые появились горные породы, обогащенные органическим веществом (шунгиты).
Переход восстановительной атмосферы в окислительную наметился в начале протерозоя, о чем свидетельствуют изменения химического состава пород. Железо начало оседать в полностью окисленной трехвалентной форме. Среди джеспилитов возникли разновидности, содержащие не только FeO, но и Fe2О3, причем последние локализуются в более отдаленных от берегов частях морей, которые получают мало органического вещества (поскольку жизнь пока развивалась в основном вблизи берега). Так сформировались гигантские месторождения железистых кварцитов Криворожского бассейна, Курской магнитной аномалии, у озера Верхнее в США и др.
В прибрежной зоне формируются первые оолитовые гидрогетит-шамозит-сидеритовые руды. Также впервые развивается двухзональное строение осадка с окислительной пленкой сверху и восстановительной снизу. Появились органогенные водорослевые известняки и доломиты, кремнистые породы (хемогенные, очень бедные железом яшмы), а также немалые месторождения фосфоритов. Из-за увеличения площади континентов (базой для которых были разросшиеся платформенные участки) постепенно четко вырисовался аридный тип литогенеза, который был представлен пока только фосфоритами, доломитовыми толщами, Cu-Pb-Zn–металлами и гипсами.
Продуктами выветривания на суше стали красноцветы, содержащие бурое окислительное железо. Исчез пирит, вместо него в океане начали появляться сульфаты, морская вода из хлоридной превратилась в хлоридно-карбонатно-сульфатную.
В истории возникновения атмосферного кислорода существенное значение имеют несколько его пороговых величин. На Земле до появления фотосинтеза кислород образовался в атмосфере вследствие фотодиссоциации молекул воды. Его содержание, по расчетам Г. Юри, не могло превышать 0,001 % от современного (точка Юри) и он автоматически держался на этом уровне. При таком содержании кислорода в атмосфере могла существовать только анаэробная жизнь. Для живых клеток появление молекулярного кислорода в результате фотосинтеза сделало возможным процесс дыхания, который является гораздо более эффективным путем высвобождения энергии, чем анаэробное брожение. С этих позиций важной является величина разности 0,01 % содержания кислорода от его современного уровня – так называемая точка Пастера. Существует целый ряд микроорганизмов, способных переключать свой энергетический обмен с дыхания на брожение и наоборот, при колебаний уровня содержания кислорода ниже или выше точки Пастера. Предполагалось, что в раннем и среднем протерозое подобное переключение долгое время служило регулятором содержания О2, поскольку в случае повышения концентрации кислород начинал интенсивно расходоваться на дыхание. Вместе с тем жизнь получила возможность распространиться почти до поверхности водоемов, так как ультрафиолетовые лучи сквозь слабый озоновый экран могли теперь проникать на глубину не более чем на 1 м.
Третье пороговое содержание кислорода (точка Беркнера-Маршалла) соответствует 10 % от современного. Оно определяет такую сформированность озонового экрана, при которой потоки жестких ультрафиолетовых солнечных лучей уже не достигали земной поверхности и не препятствовали развитию жизни.
Формирование окислительной атмосферы стало толчком бурного развития эукариотных организмов, энергетика которых базируется на процессе дыхания. Очевидно, что эукариотная форма жизни тесно связана с аэробной средой, подготовленной прокариотами. Первые аэробные организмы могли возникнуть довольно рано в составе цианобактериальных сообществ, которые, по предположениям палеонтологов, были своего рода «кислородными оазисами» в анаэробной среде.
Выделенный ранними фотосинтезирующими организмами кислород был токсичным и смертельно опасным для анаэробных форм жизни. После его накопления в воде и атмосфере анаэробные прокариотные сообщества вытеснились глубь на дно водоемов, то есть в локальные ниши с довольно низким содержанием О2.
Во второй половине протерозоя в морях появились разные группы одноклеточных водорослей и простейших. Эукариотный фитопланктон увеличил масштабы фотосинтеза. В свою очередь, цианобактерии также оставили в течение этого периода огромные залежи строматолитов, что свидетельствует об их высокой фотосинтетической активности. В конце протерозоя в морях образовалось много биологической продукции, на основе которой сформировались нефтегазоносные залежи.
Последний этап протерозоя, длившийся около 100 млн лет (венд), продемонстрировал взрыв многообразия многоклеточных. Отличительный признак всей вендской биоты – отсутствие скелета. Животные достигали уже больших размеров, некоторые до 1 метра, но имели желеобразные студенистые тела, которые оставили отпечатки на мягких грунтах. Хорошая и массовая сохранность таких отпечатков косвенно свидетельствует об отсутствии трупоедов и крупных хищников в вендских биоценозах.
Органическое вещество биогенного происхождения становится постоянным и обязательным компонентом осадочных пород со второй половины протерозоя.
Четвертый, или фанерозойский этап литогенеза охватывает период от начала кембрия и доныне. Главными решающими событиями, которые определили облик седиментации этого этапа, являются резкое разрастание платформ, а значит, континентальных участков, переход жизни из моря на сушу.
Переход на сушу биоса, сопровождавшийся удвоением массы последнего, привел к прогрессивному обогащению атмосферы и гидросферы свободным кислородом, резкому уменьшению содержания СО2. Воды океана, потеряв СО2, стали хлоридно-сульфатными и из кислых (из-за большого количества СО2) еще в конце предыдущего этапа превратились в щелочные.
Новая ступень в развитии органического мира – массовое появление у многоклеточных разнообразных внешних и внутренних скелетов. С этого времени датируется фанерозой – «эра явной жизни», поскольку сохранность скелетных останков в земных слоях позволяет подробнее воспроизводить ход биологической эволюции. В фанерозое резко увеличилось влияние живых организмов на геохимию океана, атмосферы, осадочных пород. Сама возможность появления скелетов была подготовлена развитием жизни. Вследствие фотосинтеза Мировой океан терял СО2 и обогащался кислородом, что изменило подвижность целого ряда ионов. В телах организмов в качестве скелетной основы стали откладываться SiО2, CaCО3, MgCО3, Р, Сu, V и другие минеральные компоненты. Наличие достаточного количества кислорода облегчило также синтез белка коллагена, необходимого для формирования органических скелетов.
Всасывая ряд веществ из водной среды и накапливая их в своих телах, организмы вследствие отмирания и захоронения на дне водоемов стали непосредственными создателями многих осадочных пород. Накопление карбонатов стало преимущественно биогенным, поскольку СаСО3 интенсивнее используется для образования скелетов, чем MgCО3. Очень многие виды организмов приобрели способность аккумулировать кальций из воды. В начале фанерозоя возникли значительные залежи фосфоритов, сформированных организмами с фосфатным скелетом. Химическое осаждение SiО2 также стало биогенным.
Все изменения атмосферы и гидросферы резко отразились на седиментации. Появилось много залежей каустобиолитов (уголь, горючие сланцы). Рудные накопления А12О3, Fe и Мn сместились с пелагических частей морей и стали прибрежными, так как высокий рН ограничил разнесение в море рудных растворов. Кремнистые породы, которые сформировались вдали от очагов вулканизма, стали биогенными (радиоляриевые, диатомовые), а вследствие полного или частичного растворения ракушек в результате диагенеза превратились в микрокристаллические опал-халцедоновые породы. Из-за снижения щелочного резерва морских вод доломиты почти перестали образовываться в морях гумидных зон и стали типичным образованием аридных зон, но и здесь постепенно количество их уменьшалось. В гумидных зонах в связи с бурным развитием организмов, выделявших СаО, хемогенное осаждение СаСО3 почти прекратилось. В тоже время увеличилось количество биоморфных, детритовых, шламовых и других органогенных накоплений, причем если в палеозое они возникали только на мелководье, то начиная с мезозоя, с появлением пелагических фораминифер, водорослей и птеропод, начали возникать в пелагиали океанов и крупных морей (глобигериновые, кокколитофоридные, птероподовые илы). В аридных зонах началось массовое осаждение не только доломита и гипсов, но и галита, калийных солей, особенно в краевых зонах платформ и внутриконтинентальных морях. Четко отделилось вокругочаговое вулканогенно-осадочное рудонакопление в виде Mn-Fe–руд, накопление Cu, Pb, Zn и других элементов.
Сейчас мы живем в пятый этап литогенеза – техногенный – в котором человек с соответствующими средствами производства является главной геологической силой и потребителем энергетических ресурсов планеты.
Техноген как современный этап геологической истории, характеризуется интенсивной деятельностью человека и усилением ее влияния на геологическую среду, начался в голоцене и будет продолжаться, пока существует человечество.
Техноген как стратиграфический этап характеризуется появлением минеральных и полимерных соединений, которые человек использует для хозяйственных нужд, в том числе при строительстве, разработке месторождений полезных ископаемых и т. п.
Конфликт между техносферным круговоротом вследствие техногенной цивилизации и биосферным круговоротом, в результате которого родился человек, является главной причиной глобального экологического кризиса. Эту мысль четко выразил В.А. Красилов [1]: «Общая причина социально-экологических проблем определяется несоответствием между техническими возможностями человека и крайне примитивной стратегией выживания, в которой рост превалирует над устойчивостью, а количество населения – за его качеством. На протяжении всего исторического времени эта стратегия приводила к истощению ресурсов, обострению конкуренции и конфликтности на индивидуальном и групповом уровнях, которые, в свою очередь, стимулировали увеличение количества и эксплуатации ресурсов как способа достижения преимущества над противником».
С дальнейшим развитием человечества техногенное воздействие на окружающую среду будет усиливаться вследствие увеличения численности населения, урбанизации и индустриализации. Человек все больше вмешивается в природные процессы, что не всегда положительно влияет на функционирование самого человечества. Следует иметь в виду, что скорость техногенных процессов на несколько порядков выше, чем природных. Развитие человеческой цивилизации достигло стадии, на которой возможно воспроизводить естественные геологические процессы и их масштабность. Некоторые из изобретенных технологий являются чрезвычайно мощными, а их использование может привести к глобальным изменениям в организации планеты.
На сегодня наиболее вероятными являются такие сценарии техногена [3]:
- усиление техногена, перенаселение планеты и жесткая борьба за ресурсы со всеми;
- путь цивилизованной колонизации космоса и освоения его ресурсов;
- способ регулирования населения Земли в соответствии с ресурсами биосферы.
Проанализировав основные этапы развития жизни на планете Земля и учитывая последние научно-технические разработки, следует заметить, что по схожим сценариям может развиваться жизнь на других планетах как Солнечной системы, так и Вселенной.
Список литературы:
- Красилов В.А. Охрана природы: принципы, проблемы, приоритеты. – М.: Изд-во Института охраны природы и заповедного дела, 1992. – 173 с.
- Розанов А.Ю. История становления скелетных фаун // Соросовский образовательный журнал. – 1996.– № 12. – С. 62-68
- Рудько Г.І., Адаменко О.М. Землелогія. Еколого-ресурсна безпека Землі / За ред. Г.І. Рудька. – К.: Вид-во «Академпрес», 2009. – 512 с.
- Страхов Н.М. Основы теории литогенеза. Том 1. Типы литогенеза и их размещение на поверхности Земли. – М.: Издательство АН СССР, 1960. – 212 с.
- N.C. Wickramasinghe et. al. Fossil diatoms in a new carbonaceous meteorite // Journal of Cosmology, 2013. – Vol. 21, №.37. – pp 9560-9571.[schema type=»book» name=»БИОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИСТОРИЯ ЗЕМЛИ: ОТ АРХЕЯ ДО ТЕХНОГЕНА» author=»Рудько Георгий Ильич, Бала Анна Ростиславовна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-31″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]