К 1. Глава 7 Протерозой

Протерозойская эра, известная также как протерозой, берёт своё название от древнегреческих слов ;;;;;;;; — «первый, старший» и ;;; — «жизнь». Это название прекрасно отражает суть процессов, происходивших в то время. В эпоху протерозоя Земля стала той планетой, которую мы знаем и любим. Именно в это время сформировались первые континенты, и произошли важнейшие эволюционные изменения, которые привели к появлению современной жизни во всём её многообразии. В протерозое возникли растения, грибы и животные. Различные источники дают разные даты её начала: большинство указывают на период от 2,6 до 2,3 миллиардов лет назад, а некоторые даже определяют возраст в 1,9 миллиарда лет. Окончание эры приходится на 540–570 миллионов лет до нашей эры. Протерозойская эра является самой продолжительной в истории Земли.
Формирование земной коры

 

В начале Протерозойской эры земная кора, словно лист бумаги, изгибалась под воздействием мощных внутренних сил планеты. Как свидетельствуют отложения, обнаруженные на поверхности, водная и земная стихии в те времена часто менялись местами. Из океанских глубин поднимались молодые горы, а более старые скальные хребты уходили под воду. На поверхности образовывались складки и впадины, а вулканы продолжали извергаться с той же силой, что и в архейский период. Так непросто формировались ядра будущих континентов — древние платформы, известные как кратоны (от греческого «кратос» — сила, крепость). Именно в протерозойскую эру был задан «генеральный план» развития земной коры, который определил дальнейшую геологическую историю планеты.

Чуть позже, около 1150 миллионов лет назад, над древним океаном поднялся гигантский материк — Родиния. Многие ученые считают его первым континентом Земли. Хотя установлено, что континентальная кора формировалась и до протерозоя, существование континентов в более древние времена остается лишь гипотезой. Предполагается, что материк Родиния возвышался примерно на 3000 метров над уровнем моря и не имел до определенного времени 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 океанов.

Примерно 800 миллионов лет назад Родиния начала разделяться под воздействием тектонических процессов, сопровождавшихся масштабными выбросами лавы. В результате суперконтинент разделился на несколько континентов поменьше, а суперокеан — на несколько океанов. Полученные материки не были стабильны. Они постоянно перемещались по бескрайним океаническим просторам, со временем, возможно, образовав новый суперконтинент. По крайней мере, есть уверенность, что к концу протерозоя основные континентальные массы были расположены вокруг южного полюса.
Гидросфера и атмосфера

К началу протерозоя количество воды в гидросфере Земли значительно возросло. Однако в атмосфере, несмотря на значительное снижение уровня углекислого газа, содержание кислорода оставалось низким — всего 1% от современного уровня. Это было связано с тем, что в мантии раннепротерозойского возраста всё ещё присутствовало железо, которое активно поглощало кислород. Окисленное железо, нерастворимое в воде, выпадало в осадок и накапливалось на дне протерозойских океанов. К концу раннего протерозоя атмосфера Земли в основном состояла из азота с небольшими добавками водяного пара, аргона и сотых долей процента диоксида углерода и кислорода. Защиты от губительной солнечной радиации, такой как современная кислородная атмосфера и озоновый слой, ещё не существовало, что создавало крайне сложные условия даже для древних бактерий.

И тут грянула «кислородная катастрофа» — так называют событие, которое произошло 2,4 млрд. лет назад, оно направило в новое русло весь ход земной истории. За неполные 200 миллионов лет содержание кислорода в атмосфере возросло в 15 раз, достигнув 15% от современного уровня, и кислород буквально заполнил атмосферу планеты. Но откуда же взялось такое количество кислорода? А всё дело в цианобактериях, которые и по сей день играют важную роль в экосистеме. На протяжении миллионов лет они выделяли кислород в качестве побочного продукта фотосинтеза. В условиях первичной атмосферы кислород был в дефиците и быстро расходовался во множестве химических реакций. Однако, когда все, что можно было окислить, было окислено, кислород начал накапливаться. Одновременно с этим падала концентрация углекислого газа в атмосфере, так как значительно уменьшилась вулканическая активность.

Появление доступного кислорода в земной атмосфере стало благом для будущих обитателей планеты. Под воздействием электрических разрядов газообразный кислород распадался на отдельные атомы, из которых затем формировалось новое вещество — озон. Подобно кислороду, озон бесцветен, но имеет характерный запах: когда после грозы вы чувствуете в воздухе особую свежесть, знайте, что это озон. Собираясь в верхних слоях атмосферы на высоте 12–50 километров, он образует слой, который поглощает опасное ультрафиолетовое излучение космоса и защищает всё живое на планете. Без озонового слоя жизнь никогда бы не смогла выйти из воды на сушу.
Климат

В раннем протерозое, вместе с изменением состава атмосферы, начал меняться и климат на Земле. Прежде всего, стал слабее парниковый эффект, что значительно охладило поверхность планеты. В то же время, светимость Солнца всё ещё была примерно на 10% ниже современной. В результате этих процессов около 2,5 миллиардов лет назад наступил первый в истории Земли ледниковый период. Это оледенение является догадкой учёных, а достоверных доказательств его существования до сих пор не найдено. Спустя 1700 миллионов лет наступил ещё один ледниковый период, известный как Гуронское оледенение. Многие учёные считают его самым масштабным в истории Земли. В это время льдом была покрыта почти вся планета. Доказательством этого служат многочисленные находки ледниковых отложений — тиллитов, которые были обнаружены во многих местах планеты. Основная причина второго ледникового периода была той же, что и первого: снижение концентрации углекислого газа в атмосфере. Но почему второй ледниковый период был гораздо более «мощным»?

Скорее всего этому способствовало расположение материков в непосредственной близости от экватора. Когда Земля охлаждается, реакция извлечения углекислого газа из атмосферы замедляется, что препятствует дальнейшему охлаждению. Однако расположение материков в тропических широтах не позволяло замедлить темпы удаления углекислого газа, в результате чего ледники продвинулись до экватора, а высокая отражательная способность льда способствовала дальнейшему охлаждению.

Гуронское оледенение закончилось примерно 635 миллионов лет назад, причём очень внезапно. За время, пока Земля была скована многометровым слоем льда, в её атмосфере, благодаря вулканическим взрывам, постепенно росло количество углекислого газа, поскольку механизм его удаления уже не работал. Достигнув определённого уровня, углекислый газ, как один из важнейших парниковых газов, способствовал разогреву атмосферы и дальнейшему освобождению ото льда всё больших площадей: сначала на экваторе, а затем и в более высоких широтах. Описанная ситуация — замечательный пример того, что Земля является саморегулируемой системой.

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

Теория Гуронского оледенения была создана для того, чтобы объяснить отложения ледниковых осадков в тропиках в период 850–630 миллионов лет назад, а также другие странные черты геологии того времени. Не все учёные, однако, принимают эту гипотезу, говоря о том, что столь грандиозное оледенение едва ли могло быть возможным, если учесть энергетический баланс и климатические модели глобальной циркуляции.
Органический мир.

Важнейшим этапом эволюции жизни на Земле стало возникновение фотосинтеза, который в свою очередь способствовал разделению органического мира на растительный и животный.
Фотосинтез — это процесс, в ходе которого организмы синтезируют органические вещества из неорганических, создавая свои собственные продукты питания. Первыми фотосинтезирующими организмами были прокариотические (доядерные) цианобактерии и синезеленые водоросли. Благодаря фотосинтезу они начали поглощать углекислый газ и производить кислород, что навсегда изменило состав атмосферы и гидросферы.

 

Самыми древними остатками форм жизни, которые производили кислород, являются строматолиты. Эти слоистые включения большой плотности в известняках и доломитах, как полагают ученые, являются результатом жизнедеятельности сине-зеленых водорослей. Классический строматолит представляет собой трехслойный комплекс из бактерий, сидящих на поверхности камня, и выглядит как склизкий камень. Современные строматолиты можно встретить у берегов Австралии, около Намибии и в Карибском море. Их питание осуществляется благодаря фотосинтезу, который превращает солнечный свет и воду в глюкозу. В процессе этого превращения высвобождается побочный продукт — кислород, а также нерастворимый осадок, оседающий вниз, что приводит к образованию слоистого камня, который продолжает расти.

Фотосинтез и накопление кислорода оказали решающее влияние на дальнейшую эволюцию живого, вызвав не только разделение на флору и фауну, но и еще один важный эффект. Молекулярный кислород является ядом для анаэробных организмов, а многие обитатели древней Земли были именно такими. Большинство ученых считают, что это событие стало первой глобальной экологической катастрофой, которая привела к вымиранию многих видов. Выжившие приспособились, выработав системы защиты от токсического действия кислорода, а некоторые научились использовать его для окисления органических веществ — клеточного дыхания. Это позволило им получить дополнительную энергию по сравнению с бескислородным обменом веществ. Организмы, дышащие кислородом, росли и размножались быстрее, а также могли усложнять свои структуры. Поэтому аэробы (существа, дышащие кислородом) получили конкурентное преимущество перед анаэробами. Именно от таких организмов произошло большинство современных видов.

Следующий важнейший этап эволюции — появление эукариотических одноклеточных организмов. Они содержат ядро, где хранятся гены, и органеллы, которые можно сравнить с органами. Авторы симбиотической гипотезы утверждают, что эукариотическая клетка возникла в результате союза (симбиоза) нескольких разных прокариотических клеток. Митохондрии — «энергетические станции» живой клетки — и хлоропласты в клетках растений, где происходит фотосинтез, проникли внутрь более сложных клеток и остались там жить в виде клеточных органелл. До сих пор неизвестно, как появились жгутики, но именно они обеспечивают движение бактерий. Исследователи уверены, что жгутики являются фундаментом для развития органов чувств: вкусовых волосков, нервных пучков и органов равновесия. В природе обнаружены и другие эндосимбионты. Например, у некоторых амеб нет собственных митохондрий, зато есть включенные внутрь и выполняющие их роль бактерии.

А теперь взгляните на себя в зеркало, всмотритесь в глаза: существо, с которым вы переглядываетесь, это сложнейший гибрид, возникший в незапамятные времена. Согласно мнению исследователей, все мы — эукариоты, которые стали результатом небывалого слияния между бактериями. Эта версия пока не находит строгого подтверждения, однако ясно одно: едва возникнув, жизнь стала поглощать соседей — и взаимодействовать с ними, рождая новую жизнь.

Долгое время прокариоты и эукариоты сосуществовали рядом, но постепенно более развитые эукариоты вытесняли древние доядерные организмы. Лидерство прокариот сменилось на доминирование эукариот, и будущее было за последними! Однако эволюция биосферы не стояла на месте. Следующий важнейший шаг — на нашей планете появились первые многоклеточные организмы. Главное отличие многоклеточного существа от одноклеточного заключается не только в количестве клеток, но и в разделении труда между ними, что называется дифференциацией клеток. Например, тело человека состоит из 1014 клеток, объединенных в группы с похожими функциями — ткани. Клетки костей не спутаешь с клетками крови, а разные ткани составляют мышцы, кожный покров и органы. Но все это произойдет гораздо позже.

Первым шагом на пути к многоклеточности стало объединение отдельных клеток в колонии. Сегодня мы можем предположить, что жизнь в таких сообществах давала преимущества: например, они меньше страдали от пересыхания, чем одноклеточные организмы, или оказывались слишком крупными для хищников. В первых колониях все клетки 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 жгутиков, которые есть на поверхности каждой из составляющих их клеток. Эти странные колониальные многоклеточные существа называются вольвокс.

После объединения отдельных клеток в колонии эволюция должна была сделать следующий важнейший шаг — распределить между ними разные функции. Как же это могло произойти?
Предположили, что у них мог быть очень просто устроенный предок — организм, который представлял собой мешок, состоящий всего из двух слоев клеток: внешнего и внутреннего. Клетки первого слоя предназначались для защиты от внешних факторов и передвижения, а второго — для пищеварения (захватывая и переваривая мельчайшие частицы пищи). Это была уже колония клеток не одинаковых, а двух разных видов, связанных отношениями симбиоза. Назвали 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 фагоцителлу: это был трихоплакс — бесцветное существо длиной около 3 мм. Как и гипотетическая фагоцителла, обнаруженный в природе трихоплакс состоит из двух слоев клеток.

Многоклеточность стала мощным стимулом для дальнейшей эволюции живого мира. Уже на ранней стадии многоклеточных организмов появилось половое размножение, в отличие от примитивного почкования. Это означало, что клетка не просто делилась на две части, а в процессе образования и слияния отцовской и материнской половых клеток (гамет) происходил интенсивный обмен и перераспределение генетического материала, создавая удивительное многообразие. Наконец-то жизнь получила одно из главных своих приспособлений в борьбе за выживание — наследственную изменчивость. Устойчивость и разнообразие жизни возрастали, что заметно ускорило скорость эволюции.

Однако, несмотря на важность фотосинтеза и многоклеточности, в протерозойскую эру особенно активно развивались одноклеточные организмы. Археи, бактерии и эукариоты продолжали увеличивать свое разнообразие, становясь все более сложными и лучше приспособленными к окружающей среде. Новейшими жителями океана стали жгутиковые — организмы, стоящие на границе между фауной и флорой. От них произошли водоросли, грибы и все группы животного мира. Появляются сине-зеленые, красные и зеленые водоросли. С середины периода начинают развиваться низшие грибы, становясь всё более разнообразными.
В заключение.
Таким образом, протерозойская эра истории нашей планеты была временем исключительного господства бактерий и водорослей. За этот период упомянутые группы организмов проделали огромную работу по переработке состава биосферы и атмосферы Земли. Именно события протерозойской эры стали основой для формирования огромного разнообразия всего, что мы имеем сейчас в окружающей нас действительности.