Розвиток органічного світу в археї та протерозої

На місці Сонячної системи мільярди років тому “плавала” хмара газів і космічного пилу. Поступово воно згущувалося, почали утворюватися планети. Історія Землі налічує щонайменше 4,6 мільярда років, наповнених дивовижними подіями.

Попри глибоке вивчення, вона досі зберігає загадки – наприклад, як на Землі виникла вода, коли зародилося життя, ніж планету «обдарували» метеорити і багато інших.

Всю цю величезну історію прийнято ділити на еони – геологічні відрізки. Еони діляться на ери, а ті на періоди. У періодах виділяють епохи, або відділи, що характеризуються певними відкладеннями. Ми зараз – вже 12 тисяч років – живемо в голоценовій епосі.

Криптозой (докембрій), який почався з появи землі і тривав до початку кембрію (541 мільйон років тому), за новою періодизацією називають супереоном. Він увібрав в себе три еони, або надери: катархей, архей і протерозой. У старій періодизації археї та протерози вважалися епохами.

• Перші 600 мільйонів років життя Землі відводиться на катархей – час бурхливого формування планети, її атмосфери і тверді, яку космос постійно бомбив метеоритами. Відкладень катархея поки не виявлено – вони загинули, опустившись в вируючу мантію. Життя на землі в катархеї не було. За деякими оцінками, він тривав до 1 млрд років.
• Близько 4 мільярдів років тому почався архей, який тривав 1,5 мільярда років. У ньому близько 3,8 мільярда років тому (але, можливо, і раніше) стартувала біологічна еволюція. Якщо взяти весь час біологічної еволюції за 100 відсотків, то майже 85 відсотків з них припаде на докембрій. Так, еволюція рухається повільно!
• Протерозой почався близько 2,5 мільярдів років тому і тривав майже 2 мільярди років – це найдовший Еон.

Палеонтологія вивчає історію живих організмів по викопних рештках і слідах життєдіяльності. Викопні залишки тим давніше, чим глибше вони розташовані в шарах Землі – втім, нерідко породи перемішуються і нижні виходять на поверхню, відкриваючи деякі таємниці.

Розвиток органічного світу в археї

• Клімат. Теплий і вологий клімат зберігався на всій Землі, атмосфера безкиснева. Відносно дрібні теплі водойми стали колискою життя.
• Рослина. За сотні мільйонів років світ «захопили» синьо-зелені водорості (спіруліна, анабена). Такі висновки палеонтологи зробили, виявивши строматоліти – скам’янілі продукти життєдіяльності ціанобактерій. Існували також одноклітинні водорості (хлорела, хламідомонада).
• Тварини та бактерії. Першими живими організмами були анаеробні гетеротрофи. Звичайно, це не тварини, а бактерії.
• Важливі ароморфози. Фотосинтез.

Розвиток органічного світу в протерозої

• Клімат. Йшло поступове накопичення кисню в атмосфері. До кінця еону кількість кисню досягла 1 відсотка – «точки Пастера», цього достатньо для появи аеробів. Виникло окисне фосфорилювання, більш вигідне, ніж гліколіз.
• Рослина. Поява еукаріотів з ядром. Це були автотрофи, одноклітинні рослини. Панування водоростей (в тому числі багатоклітинних). У бактерій і одноклітинних водоростей з’явилася можливість жити на суші. Завдяки їх діяльності почала формуватися ґрунт.
• Тварина. Кінець протерозою характеризується спалахом різноманітності тваринного світу. З’явилися Кишковопорожнинні, черви, губки, голкошкірі, членистоногі, молюски.
• Найважливіші ароморфози. Статевий процес, що з’явився 1,5-2 мільярди років тому. Багатоклітинність, що виникла 1,3-1,4 мільярда років тому. Поява еукаріотів 1,8-2 мільярди років тому. Виникнення аеробного дихання. Поява двосторонньої симетрії (у плоских черв’яків), м’язів, сегментації тіла (у кільчастих черв’яків). У протерозої відбулися й інші ароморфози, що дозволили процвітати багатьом багатоклітинним безхребетним тваринам.

§ 6. Закономірності поширення основних форм рельєфу на материках і в океанах

• Як формувався рельєф материків. Він формувався упродовж тривалого геологічного часу. В археї та протерозої почали утворюватися окремі дещо підвищені ділянки суходолу на стійких малорухомих осередках майбутніх материків, які називають платформами (з франц. – «плоска форма»).

Найбільшими докембрійськими платформами є Північноамериканська, Східноєвропейська, Сибірська, Китайська, Південноамериканська, Африканська, Аравійська, Індостанська, Австралійська та Антарктична.

Докембрійські платформи складаються з двох ярусів (мал. 11). Нижній називають фундаментом. Він утворений магматичними й метаморфічними гірськими породами. Верхній ярус платформи складається з осадових порід, що ніби чохол вкривають зверху фундамент, тому й називається він осадовим чохлом. Подекуди міцні породи фундаменту виходять з-під пухких порід чохла на поверхню. Такі ділянки називають щитами, а ділянки, вкриті чохлом, – плитами. (Не плутайте з літосферною плитою!).

Набагато точніше вчені відновили події, що відбувалися на Землі, зокрема на первинних материках, за останні 570 млн років. У цей час до докембрійських платформ поступово приєднувалися нові ділянки, що утворювалися в рухомих ділянках земної кори – областях складчастості. У цих областях переважно внаслідок зіткнення літосферних плит, осадові породи яких зминалися в складки, відбувалися горотворчі процеси. Близько 500 млн років тому були закладені й так звані молоді платформи. Вони відрізняються від давніх платформ більш молодим складчастим фундаментом, який «похований» під дуже потужним шаром осадових порід.

Стійкі платформи й рухомі області складчастостей є великими тектонічними структурами Землі, на яких сформувалися основні форми рельєфу – рівнини і гори.

Мал. 11. Будова платформи

MОЇ ДОСЛІДЖЕННЯ

Користуючись картою «Тектонічна карта світу» (див. форзац підручника) і таблицею (с. 22), визначте ті ділянки материків, які були охоплені горотворенням у палеозойську, мезозойську та кайнозойську ери, позначте їх на контурній карті. Спрогнозуйте, де можливе виникнення нових гір.

• Який існує зв’язок будови земної кори з рельєфом материків. На давніх і молодих платформах материків переважають рівнини та їхні частини – низовини, височини, плато, плоскогір’я. Так, на Східноєвропейській платформі утворилася Східноєвропейська рівнина, на Південноамериканській лежать Амазонська низовина та Бразильське плоскогір’я. Такі пари платформ і рівнин ви знайдете на кожному материку, що свідчить про певну закономірність у їхньому розташуванні.

В областях складчастостей простягаються гори різного віку. Там, де складки гірських порід добре проглядаються, існують молоді складчасті гори. Вони почали формуватися в останні 25 млн років, тобто в середині кайнозойської ери. Складчасті гори зазвичай високі. Вони цілими пасмами тягнуться, наприклад, уздовж узбережжя Тихого океану (Анди, Кордильєри) та півдня Євразії (Альпи, Карпати, Кавказькі гори, Гімалаї).

Поступово складчасті гори руйнуються і під час подальших рухів земної кори розбиваються на окремі брили. При цьому ділянки земної поверхні по розломах зміщуються вертикально. Дещо піднята ділянка утворює горст, а опущена – грабен (мал. 12). Такі процеси спричиняють формування складчасто-брилових гір. Наприклад, у палеозойську еру виникли Аппалачі, Уральські, Скандинавські гори. Нині це складчасто-брилові гори, бо утворилися вони давно й зазнали руйнувань з наступним підняттям і оновленням. Про давній вік цих гір свідчать їхні вершини, що переважно невисокі, часто згладжені, вирівняні чи заокруглені.

На материках бувають гори вулканічного походження, складені лавою і твердими продуктами виверження згаслих вулканів. Вулканічні гори також є молодими. Прикладом вулканічних гір є Вулканічний хребет Українських Карпат.

Мал. 12. Розріз грабена і горсту

Сучасний зовнішній вигляд гір залежить також і від новітніх тектонічних рухів, що відбувалися впродовж останніх двадцяти мільйонів років, і від дії зовнішніх чинників. Залежно від утворення та віку гір, а також гірських порід, з яких вони складені, материкові гори різняться своїм рельєфом. Так, високогірний тип рельєфу притаманний переважно молодим складчастим горам. Для нього характерні круті схили, гострі вершини, вкриті льодовиком, глибокі міжгірні улоговини. Середньогірний рельєф можуть мати як молоді, так і складчасто-брилові гори. Часто їхня незначна висота (до 2000 м) зумовлена складом гірських порід, які руйнуються водою, вітром. Їхні міжгірні западини неглибокі. Середньогірний рельєф відрізняє, наприклад, Українські Карпати від Південних Карпат. Низькогірний рельєф переважає у давніх складчасто-брилових горах. Його характерними рисами є переважно м’які обриси схилів і плоскі вершини. Таким є, наприклад, рельєф Уральських гір.

НОТАТКИ ДО ТЕМИ

Чому гори не ростуть безмежно. За підрахунками вчених, швидкість росту гір становить від 1 мм до 1 см на рік. Тому проходять десятки мільйонів років до того, як на материку сформуються гори. Проте якби гори весь час росли, то лише за 1 млн років вони досягли б позначки 10 км. Цього не відбувається, оскільки в горотворчий процес постійно втручаються зовнішні процеси, які намагаються згладити, вирівняти земну поверхню, зокрема діяльність води, вітру, коливання температури повітря.

• Які форми рельєфу приховані під товщею океанічної води. Рівнини і гори суходолу часто продовжуються на підводній окраїні материка. Так називається прибережна ділянка дна океану, що включає в себе материкову обмілину (шельф) і материковий схил. Підводна окраїна материка має материковий тип земної кори і простягається до глибини 3000-4000 м. Вона межує з ложем океану, що має океанічний тип земної кори (мал. 13). У межах океанічної земної кори також існують платформи, які називають океанічними. Це стійкі ділянки ложа океанів. У рельєфі їм відповідають глибоководні рівнини, серед яких є велетенські улоговини.

Часто підводну окраїну материка й ложе океану розділяє перехідна зона, розташована в місцях зіткнення літосферних плит. Вона відрізняється значною рухливістю та великою швидкістю вертикальних рухів. Ця зона має перехідний (від материкової до океанічної) тип земної кори і складний рельєф. До неї зазвичай входять улоговина окраїнного моря, підводний хребет і глибоководний жолоб. Підводні хребти часто такі потужні, що їхні вершини підносяться над поверхнею води у вигляді островів (Алеутські, Курильські, Японські тощо).

Гірські споруди утворюються і в місцях розходження літосферних плит. При цьому в земній корі виникають велетенські, завглибшки кілька кілометрів розколини дна – рифти. Через них з надр Землі піднімається речовина мантії, що нагромаджується і застигає. Так утворюються серединно-океанічні хребти.

За своїми масштабами серединно-океанічні хребти можна порівняти з наймогутнішими гірськими спорудами суходолу. Хребти пов’язані між собою в єдину гірську систему, яка тягнеться через усі океани приблизно на 70 тис. км і досягає подекуди завширшки понад 800 км. Окремі вершини підносяться над океанічним дном на кілька тисяч метрів.

Мал. 13. Рельеф Світового океану

Є два види серединно-океанічних хребтів: одні розходяться швидко, а інші – повільно. Хребти, що повільно розходяться, як-от Серединно-Атлантичний, формують нову океанічну кору зі швидкістю 2-5 см на рік. Їх розсікають глибокі розломи (рифтові долини) завширшки 10-20 км, що сходяться до центру. Хребти, що швидко розходяться, у тому числі Східно-Тихоокеанське підняття, розростаються зі швидкістю 10-20 см на рік, не утворюючи рифтових долин.

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 1

Аналіз тектонічної та фізичної карт світу: встановлення зв’язків між тектонічною будовою і формами рельєфу.

ПРОЧИТАЛИ – ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ!

• 1. Що таке платформа й область складчастості?
• 2. Які існують основні форми рельєфу на материках?

• 3. Чим розрізняються давні й молоді платформи?
• 4. Чим відрізняються рельєф материків і океанів?

• 5. Чому в основі кожного материка лежить платформа?
• 6. Чому гірські споруди в океанах мають велетенські розміри?

• 7. Користуючись картою «Тектонічна карта світу» та фізичною картою світу, назвіть гори на материках, які розташовані на межі літосферних плит і за їхніми межами, позначте їх на контурній карті штриховкою.
• 8. Позначте на контурній карті серединно-океанічні хребти.

Як змінилася атмосфера в археї та протерозої

Архей (з грецької (archios) – стародавній) – геологічний еон, який передує протерозою. Верхньою межею архею прийнято вважати час близько 2,5 млрд років тому (±100 млн), нижньою – 3,8–4 млрд років тому. Розпливчастість нижньої межі архею пояснюється 2-ма підходами щодо її визначення. За першим – вона відзначена появою найдавніших організмів, близько 3,8 млрд років тому. Згідно з другою – нижньою межею слід вважати остаточне формування земної кори та гідросфери у попередньому еоні – Катархеї, про який йшлося у випуску «Яким був догеологічний етап розвитку Землі». Загалом архей тривав приблизно 1,5 млрд років.

Архей, за сучасними уявленнями, поділяється на 4 періоди: еоархей, палеоархей, мезоархей та неоархей, які виділені лише хронологічно.

Еоархей – нижній період архейського еону, що охоплює часовий інтервал від 4-х до 3,6 мільярда років тому. Еоархей примітний тим, що є часом остаточного формування гідросфери та появою перших прокаріот, строматолітів і найдавніших гірських порід.

Наступний період після еоархею – палеоархей. Це час формування першого суперконтиненту в історії Землі – Ваальбари і єдиного Світового океану. До цього часу належать і перші віднайдені залишки живих організмів (бактерій) і слідів їхньої життєдіяльності. Палеоархей тривав 400 млн років.

По його завершенні розпочався мезоархей, що тривав з 3,2 до 2,8 млрд років тому. Цей період цікавий передусім розколом Ваальбари і широким поширенням прадавніх форм життя.

Останній період архейського еону – неоархей. Закінчився 2,5 млрд років тому. Це час формування основної маси континентальної земної кори і найстарших частин сучасних континентів.

За сучасними уявленнями, архей поділяється на 4 періоди: еоархей, палеоархей, мезоархей та неоархей, які виділені лише хронологічно

Для тектоніки архею характерне формування найдавніших ядер континентів (щитів). Їхні релікти поширені на всіх древніх платформах, окрім Китайсько-Корейської і Південно-Китайської. З формуванням континентальних ядер пов’язана кольська чи саамська (Балтійський щит), або трансваальська (Південна Африка) складчастість, яка проявилася на рубежі близько 3-х млрд років тому, і біломорська складчастість, відома також як кеноранська (Канадський щит) або родезійська (Південна Африка), близько 2,6 млрд років тому.

У догеологічний період на Землі не існувало великих континентальних утворень. Їхньому формуванню заважала потужна глобальна геологічна активність. Але, приблизно 3,6 млрд років тому все змінилося і перші великі ділянки суходолу Землі змогли об’єднатися у перший гіпотетичний суперконтинент Ваальбару. Це підтверджують як геохронологічні, так і палеомагнітні дослідження між двома архейскими кратонами або протоконтинентами: Кратоном Каапваль (ПАР) і Кратоном Пілбара (Західна Австралія). Переконливим свідченням є і збіг стратиграфічної послідовності зеленокам’яних і гнейсових поясів на обох кратонах.

Кратон – консолідовані ділянки земної кори, нездатні до перетворення альпінотипною складчастістю. Кратон Каапваль розташований у Південній Африці

Кратон – консолідовані ділянки земної кори, нездатні до перетворення альпінотипною складчастістю. Кратон Пілбара розташований в Австралії

Приблизно 2,8 млрд років тому перший в історії Землі суперконтинент почав поступово розколюватися.

Про це свідчать геохронологічні та палеомагнітні дослідження, які виявили циркулярний поперечний поділ кратонів Каапвааль і Пілбара близько 2,77 млрд років тому.

Загалом для архейського еону характерна бурхлива тектонічна активність, яка призводила до частих вулканічних вивержень і землетрусів і підтримувалася високими температурами внутрішніх шарів Землі, формуванням планетарного ядра та розпадом короткоживучих радіонуклідів.

Приблизно 3,8 млрд років тому на Землі сформувалися перші достовірно підтверджені метаморфічні та магматичні гірські породи: граніти, діорити й анортозити.

До речі, іноді вік саме цих найдавніших гірських порід приймають за нижню межу архею.

3 млрд років тому настав період активного формування континентальної земної кори. За період у 500 млн років сформувалося до 70% всієї її маси. Хоча більшість вчених все ж вважає, що загалом континентальна кора архейского часу становить до 40% від всієї сучасної континентальної кори.

Гідросфера й атмосфера

На зорі архейського еону води на Землі було надзвичайно мало, замість Світового океану спостерігалися лише розрізнені мілководні басейни. Температура води іноді сягала +90 °C, що було можливо лише за умови існування щільної вуглекислої атмосфери. Адже з усіх можливих газів лише вуглекислий міг створити підвищений атмосферний тиск. Розраховано, що для архею він становив 8–10 бар. Азоту в ранньоархейській атмосфері містилося порівняно мало (10–15% її обсягу), а кисень взагалі майже був відсутній. Вулканічна активність постачала і такі гази, як метан й аміак.

Температура архейської атмосфери завдяки парниковому ефекту досягала майже +120 °С.

Зображення демонструє ймовірний вигляд нашої планети в архейскому еоні (художнє представлення)

Приблизно 3,4 млрд років тому кількість води на Землі значно збільшилася і виник Світовий океан. У результаті помітно посилилася гідратація базальтової океанічної кори. Швидкість росту парціального тиску вуглекислого газу в пізньоархейській атмосфері дещо знизилася. Радикальне ж зменшення відбулося лише на рубежі архею і протерозою, після остаточного формування земного ядра і, як наслідок, різкого зниження тектонічної активності Землі. З цієї ж причини скоротилися й виливи океанічних базальтів у ранньому протерозої. Базальтовий шар океанічної кори став помітно тоншим порівняно з архейським, і під ним вперше сформувався габро-серпентинітовий шар – головний і постійно обновлюваний резервуар зв’язаної води на Землі.

Органічний світ

В архейських відкладах відсутня скелетна фауна, яка є основою побудови стратиграфічної шкали фанерозойського еону, проте інших слідів органічного життя тут чимало.

До них належать продукти життєдіяльності ціанобактерій – строматоліти, що являють собою коралоподібні, карбонатні, рідше кремнієві осадові формації, й онколіти – вапнякові або доломітові структури, схожі до строматолітів, але на відміну від них сферичної структури. Онколіти характерні для вапняків Товтр.

Найдавніші строматоліти, виявлені у Канаді, Австралії, Африці, на Уралі і в Сибіру датовані 3,2 млрд років тому. Варто наголосити на окремих свідченнях про знахідки залишків перших прокаріотів і строматолітів у відкладах віком 3,8–3,5 млрд років, в Австралії і Південній Африці.

Також в кременистих гірських породах раннього архею знайдені своєрідні нитчасті водорості. Вони добре збережені, тому можна розгледіти навіть деталі клітинної будови цих організмів. Дискусійними залишаються віднайдені округлі одноклітинні організми акрітархи на багатьох стратиграфічних рівнях пізнього архею, оскільки достовірно їхня поява підтверджена лише в ранньому протерозої.

Тваринний світ архею значно бідніший, ніж рослинний. Окремі свідчення про знаходження у породах архею залишків тварин стосуються об’єктів, які, найімовірніше, мають неорганічне походження або є продуктами вилуговування строматолітів. Багато скам’янілостей архею залишаються не до кінця розшифрованими і часто не мають точної прив’язки.

Отже, в архейському еоні достовірно відомі прокаріоти – бактерії, переважно хемосинтезуючі та ціанобіонти – анаеробні і фотосинтезуючі. Ймовірно, в археї з’явилися і перші еукаріоти, морфологічно подібні до сучасних дріжджових грибів.

Найдавніші бактеріальні біоценози, що включали лише продуцентів і редуцентів, були схожі на плівки цвілі (так звані бактеріальні мати), що вкривали днища водойм у прибережних зонах. Оазисами життя часто слугували і вулканічні області, де на поверхню з надр молодої літосфери надходили сірководень, водень і сірка.

Перші архейські організми

Найдавніші бактеріальні біоценози, що включали лише продуцентів і редуцентів, були схожі на плівки цвілі (так звані бактеріальні мати), що вкривали днища водойм у прибережних зонах

Протягом майже всього архейського еону живі організми були одноклітинними і повністю залежали від природних факторів. Лише на межі архею і протерозою відбулися дві масштабні еволюційні події: з’явилися багатоклітинні організми й амфіміксис. Гаплоїдні організми (ціанобактерії, наприклад) мають лише один набір хромосом. Кожна нова мутація відразу ж проявляється у їхньому фенотипі. Якщо мутація корисна, вона зберігається у процесі природного добору, якщо шкідлива, усувається. Гаплоїдні організми безперервно пристосовуються до середовища, але принципово нових ознак і властивостей у них не виникає. Статевий ж процес різко підвищує можливість пристосування до мінливих умов середовища, внаслідок створення численних комбінацій у хромосомах. Диплоїдність, що виникла одночасно зі становленням ядра, уможливлювала збереження мутацій і використання їх як резерву спадкової мінливості для подальших еволюційних перетворень.

Корисні копалини

В архейський еон сформувалося багато корисних копалин. Це, передусім, грандіозні родовища залізних руд (залізисті кварцити і джеспіліти), алюмінієвих (кіаніт і силліманіт) і марганцевих. З конгломератами архею пов’язані найбільші родовища золотих і уранових руд; з основними і ультраосновними гірськими породами – великі родовища мідних, нікелевих і кобальтових руд; з карбонатними – свинцево-цинкові родовища. Архейські пегматити є головним джерелом слюди (мусковіту), керамічної сировини і рідкісних металів.

Візуалізація статті нижче: