Лекция 11

ИСТОРИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ ЗЕМЛИ

Открытие радиоактивности позволило создать новый метод определения возраста планеты.

Свинцово-урановый метод - основан на том, что изотоп урана (U²³⁸) нестабилен и превращается в атом свинца. Свинец - устойчивый элемент, который не подвергается дальнейшим превращениям. Скорость ядерного распада постоянна и никакие внешние факторы (температура, давление) на нее не влияют.

Было установлено, что период полураспада изотопов урана составляет 4, 5 миллиарда лет. Анализ горных пород позволяет определить сколько в них присутствует свинца. Степень загрязнения урана свинцом позволяет определить время данной породы.

Также для определения возраста Земли используются калий-аргоновый и рубидий-стронциевый методы.

В 1907 г. были обнаружены граниты возрастом 1 млрд. лет. При дальнейших поисках их возраст увеличился до 1, 5 млрд. лет.

Один из минералов был найден в Австралии - 4, 2 млрд. лет. Сибирский метеорит - 4, 5 млрд. лет. Их возраст соответствует примерному возрасту Земли. Дальнейшие поиски более старых пород не увенчались успехом. Возраст всех изученных метеоритов 4, 5 - 4, 6 млрд. лет, возраст горных пород собранных на Луне - 4, 5 - 4, 6 млрд. лет. Это свидетельствует о том, что 4, 6 млрд лет являются примерным возрастом Земли и Солнечной системы.

Для изучения истории Земли используют 2 принципа:

1. Принцип Стено - закон напластования: если один слой (пласт) горной породы лежит на другом, то верхний слой образовался позднее, чем нижний.

2. Принцип Гексли - закон фаунистических и флорестических ассоциаций - слои, содежащие ископаемые остатки одних и тех же видов животных и растений образовались в одно и тоже время.

Первый принцип позволяет установить хронологический порядок образования горных пород в одном месте, 2 - позволяет синхронизовать пласты залегающие в разных местах.

Последовательное применению принципа Стено и Гексли позволило геологам в начале 19 века разделить все отложения на первичные, вторичные, третичные и четвертичные.

Это деление полностью соответствует эрам геохронологической шкалы.

Самыми крупными подразделениями является эоны. Их 2:

1. Криптозой (невидимый, скрытый эон)- здесь не были обнаружены останки живых организмов. Сюда входит 2 эры:

-архейская

-протерозойская (жизнь в виде бактерий и водорослей)

2. Фанерозой (видимый эон) - 540-600 млн. лет назад.

Эры: палеозойская, мезозойская, кайнозойская.

Каждая из эр делится на периоды:

Палеозойская - кембрий, ордовик, селур, девон, карбон, пермь.

Мезозойская - триас, юра, мел

Кайназовская - палеоген, неоген, антропоген

(Считалки, которые помогают лучше запомнить периоды):

Палеозойская: Каждый (кембрий) отдельный (ордовик) студент (селур) должен (девон) купить (карбон) поллитра (пермь).

Мезозойская: Ты (триас), Юрик (юра) мал (мел).

Кайназойская: Подожди (палеоген) немного (неоген) а-то (антропоген).

Факторы макроэволюционных преобразований:

4, 6 млрд. лет - возраст Земли.

Первые 600 млн. лет Земля представляла собой магматический океан глубиной до 500 км. Через 600 млн. лет планета начала остывать - отсюда начался старт эволюции. Первое остывание атмосферы и рассеивание водорода в космос привело к окислению атмосферы. В результате этого появилась жизнь. Живые организмы в связи с увеличением их биомассы стали воздействовать на окислительные процессы.

4 миллиарда лет назад появились первые осадочные породы. Древние осадочные породы – серия Исуа в Гренландии, в которых обнаруживаются результаты жизнедеятельности метанотрофов и серных бактерий. В атмосфере преобладают СО₂, СН₄, NH₃, а в воде Н₂S.

Моделью первых живых организмов, которые появились в архее являются прототипы чёрных курильщиков - это беспозвоночные вестиментиферы, обитали на большой глубине до нескольких километров, в том числе гидротермальных оазисах, в трещинах океанов, сквозь которые просачивались газы - там растворялось много Н₂S и сульфитов металлов цинка, никеля, меди, железа.

Вестилинтиферы имели размер до 2, 5 метра, диаметр 35-40 мм. Являются примером симбиоза беспозвоночных и серных бактерий. Все тело занимала трофосома (губчатый орган), в котором содержались серные бактерии (до 10 млн).

Появление кислорода

Около 2 млрд. лет назад обнаружилась точка Пастера - появление кислорода больше чем 1% - это кризисный период. Начала кризису послужил переход цианобактерий к кислородному фотосинтезу. Суть преобразований: в качестве донора электронов при фотосинтезе цианобактерии начинают использовать H₂O вместо Н₂S. Использование H₂O (неограниченный ресурс) открывало для цианобактерий эволюционно-экологические возможности. Процесс фотосинтеза, где побочным продуктом является кислород был крайне негативным, т.к. вместо S и сульфатов при фотосинтезе стал выделяться молекулярный кислород, который очень токсичен для атмосферы и плохо сочетается с жизнью. Это заставило цианобактерий и альфапротобактерий (пурпурных) выработать системы обезвреживания кислорода (у альфапротобактерий выработался процесс дыхания).

После появления фотосинтеза и аэробного дыхания О₂ стал накапливаться. 2 млрд. лет назад обнаружилась точка Пастера, 1, 6 млрд. лет назад появились эукариоты. На базе генетического аппарата архей возникли альфапротобактерии, обеспечивающие дыхание, и цианобактерии, обеспечивающие фотосинтез и пластиды (так появились животные и растительные клетки).

Протерозойская эра (750 млн. лет назад) - появились многоклеточные (не имели скелета, поэтому в наше время найти их останки невозможно).

Палеозойская – обнаруживаются морские членистоногие трилобиты (600 млн. лет назад) – имели хитиновые покровы.

Появление кислорода привело к образованию эукариот и к многоклеточности.

Формирование озонового слоя произошло в ордовике 500 млн. лет назад.

Озоновый слой нейтрализуeт губительное действие ультрафиолета. До этого все организмы развивались в узком диапазоне среды обитания (в воде глубиной 10–50 м), т.е. полноценная эволюция до ордовика не происходила. Образование О₃-ого слоя позволило организмам освоить все ниши от водных, до высокогорных вершин. Выход организмов на сушу (в ордовике) можно назвать этапом становления биосферы.

Климатические колебания.

Оледенение на земле началось 2, 2 млрд. лет назад. Вначале оледенение было слабое, 750 млн. лет назад оно увеличилось и имело катастрофическое влияние. В периоды оледенения все живое вымирало и требовалось время для восстановления жизни. Оледенение чередовалось с теплыми периодами. Самый теплый период - мезозой. Средняя температура воздуха на 20⁰ больше, чем сейчас. По всей земле располагались тропики. Оледенение вызывалось космическими и земными причинами.

Внешние причины - позиция земли на гелиоцентрической орбите и изменение интенсивности солнечного излучения.

Внутренний фактор - вулканическая деятельность. Вулканическая деятельность приводит к выбросу твердой серы в атмосферу, стратосферу и превращается в кислотные дожди, приводящие к деградации экосистем. На границах теплых и холодных эпох (кембрия и ордовика, в начале силура) зарегистрированы самые разкие изменения животного и растительного мира. На границе теплых и холодных эпох происходит вымирание видов и это тонко соотносится с количеством углерода в среде. Интенсивное вымирание происходило в верхнем ордовике на границе перми и триаса, на границе мела и палеогена.

Содержание серы в среде увеличивалось в тех же эрах.

Дрейф континентов.

В 1912 году Вегенер предложил теорию перемещения континентов. Отправной пункт - замеченное им сходство береговых линий континентов по разные стороны Атлантического океана. Вегенер показал полную идентичность позднепалезойских и раннемезозойских геоглогических разрезов Африки и Южной Америки, высокое сходство позднепалеозойской флоры и фауны всех разделенных материков. Предложил схему: в конце палеозоя (пермского периода) все материки были собраны в 1 протоконтинент – Пангея - состоял из 2 блоков - северный блок - Лавразия (Сев. Америка, Евразия без Индостана), южный блок - Гондвана (Юж. Америка, Африка, Индостан, Австралия, Антарктида). Лавразия и Гондвана были разделены морем Тэтис. Пангея была окружена одним океаном.

Гандвана разделилась на южно – американо-африканский континент и Австралию вместе с Антарктидой и Индостаном. В конце юры Лавразия раскололась на Северную Америку и Евразию, но Южная Америка и Африка вместе с Мадагаскаром еще были вместе.

Конец мела – начало палеогена -расположение материков начало приближаться к современному виду, возник Атлантический океан (пока не очень широкий) и из Африки в Южную Америку начали перебираться животные. Начинает намечаться разрыв между Австралией и Антарктидой – Мадагаскар отрывается от Африки, Индостан движется на север и сталкивается с Азией, закрывая море Тэтис - возникают Гималаи. Лавразия не делилась.

Дрейф континентов – факт, который подтверждён данными геологии. Это объясняет особенности расселения животных и растений, которые не объяснял Дарвин. Например, в Южной Америке, Австралии и Африке обитает один и тот же вид страусов, в то же время флора и фауна Северной и Южной Америки очень разная. Несмотря на территориальную близость этих континентов различия у них огромные. Если сравнить фауну Северной Америки и Европы, в Сев. Америке обнаружено 3 эндемичных семейства, в то время как в Сев. и Юж. Америке число эндемичных родов достигает до 80 %, отличается орнитофауной. Это можно объяснить тем, что на протяжении многих млн. лет Юж. Америка была изолирована от других континентов. Австралия не соединена с другими материками (содержит сумчатые и клоачные эндемичные виды).

Характеристика эр и периодов:

Палеозойская эра:

Кембрий - жизнь сосредоточилась в воде. Суша представляла собой пустыню. Растительный мир был представлен водорослями; животный – беспозвоночными: кораллы, членистоногие (трилобиты), моллюски, ракообразные, иглокожие. Некоторые достигали длины от 1 до 1, 5 м.

Селур – среди морских животных расцвета достигают трилобиты и ракоскорпионы - от них произошли первые наземные членистоногие. Имели разные размеры, самые крупные достигали в длину до 4 м. В конце селура – появление панцирных рыб (хордовые). Имели панцирь из костных пластин, не имели челюстей. К концу селура появляются низшие челюстные рыбы с хрящевым скелетом (близки к современным акулам).

Морские многоклеточные водоросли дали начало псилофитам – первым наземным растениям. У них имелись зачатки корней, стебель, сосудистые пучки для проведения питательных веществ, зачатки листьев.

От псилофитов произошли первые наземные растения.

В конце Селура появились первые наземные беспозвоночные - скорпионы.

Девон – развитие наземной растительности, появление споровых: хвощи, плауны, папоротники. В конце девона развились семенные папоротники – предки хвойных. На ряду с примитивными панцирными рыбами встречаются осетровые, двоякодышащие и кистеперые. Появление кистеперых рыб имеет большое значение для эволюции позвоночных. У них были развиты грудные и брюшные плавники, напоминавшие кисти позвоночных. Жили в мелких и пресноводных водоёмах, приспособились к хождению по дну с помощью грудных и брюшных плавников. Имели примитивные легкие (выросты кишечника в виде пары мешков), которые помогали им дышать воздухом и выползать на берег.

От древних кистеперых произошли первые наземные позвоночные – стегоцефалы (древние земноводные), они достигали длины от нескольких см до 4 м. Грудные и брюшные плавники кистеперых у стегоцефалов превратились в передние и задние конечности. Вначале конечности были несовершенными – ползали по суше и не могли далеко отходить от водоема. Личинки дышали жабрами (были похожи на головастиков). От стегоцефалов произошли пресмыкающиеся и современные земноводные.

Карбон – климат становится теплым и влажным. Рассвет наземной растительности. Здесь господствуют древовидные папоротники, древовидные плауны и древовидные хвощи. Появляются деревья близкие к хвойным-кордо и ты. Некоторые плауны - сигелярии достигают > 40 м в высоту. В каменноугольном периоде появляется множество стегоцефалов, а в лесах – насекомых. Гигантская стрекоза – 2 м в размахе крыльев - палиодигтиоптера. Огромное скопление растительности попадая в заболоченную почву образует каменный уголь.

Пермь – климат стал суше, происходят изменения в растительном и животном мире. Древовидные споровые вымирают, на смену приходят семенные. Господствуют хвойные и саговниковые.

Сухой климат вынудил стегоцефалов отойти от водного образа жизни и перейти к наземному - возникли первые пресмыкающиеся (яйца не высыхают – твердые оболочки, зародышевое развитие вне воды). Большинство других рептилий были травоядными, среди них встречались и хищники (зверозубая рептилия иностранцевия) по строению скелета и зубов (клыки резцы, коренные) были близки к млекопитающим. Зверозубые рептилии дали начало первым млекопитающим.

Мезозойская эра - длилась около 125 млн. лет и включала 3 периода: триас, юра, мел.

Триас – среди растений преобладают хвойные. Стегоцефалы постепенно вымирают. Появляются наземные и водные рептилии – динозавры.

Рыбоящеры – ихтиозавры, которые жили в море (12 м в длину, по форме тела и плавников напоминали рыб). В конце триаса от рептилий произошли первые млекопитающие - эритротерий.

Юра – преобладают голосеменные (особенно хвойные). В водах господствуют костистые рыбы, они вытесняют хрящевых. Господствующее положение занимают рептилии. Появились крупные наземные динозавры – бронтозавр, диплодок - длина 26 м, его назвали двудум (помимо маленького головного мозга был крупный нервный центр в крестце). В воздухе появились летающие ящеры (археоптерикс), размером с голубя, произошли от рептилии. Тело было покрыто перьями, длинный хвост имел 20 позвонков, челюсти снабжены зубами, 3 пальца с когтями. Полет был несовершенен. Крылья помогали перепрыгивать с ветки на ветку.

Мел – растительность приобретает современные черты, появляются покрытосеменные (цветковые растения). Из однодольных – пальмы и лилии. Двудольные – тополя, дубы, виноград. В морях жили простейшие, напоминающие амебу. Осадок ракушек образовывал мел. На суше пресноводные вымирают, оставшиеся походили на тритонов и саламандр. Господствуют пресмыкающиеся, затем уступают птицам и млекопитающим.

Кайназойская эра

Палеоген и неоген - в растительном мире господствуют покрытосеменные. Климат был теплый. Произрастали пальмы, бамбук и виноград. В конце палеогена наступило похолодание. В средней Европе господствовали сосна, ель, береза. Появились злаки и однолетние травы. Занимают огромное пространство Сибири, Монголии и Сев. Америки. Изменения происходят среди водных и наземных: преобладают брюхоногие и двустворчатые моллюски, вымирают пресмыкающиеся. Прогрессируют птицы и млекопитающие - имеют преимущества над рептилиями. У птиц и млекопитающих более совершенная ЦНС - головной мозг и органы чувств, скелет и мускулатура. Появление теплокровности. У птиц большое значение имеет приспособление к полёту и забота о потомстве. У млекопитающих - живорождение, выкармливание молоком матери. Среди млекопитающих появляются группы насекомоядных, грызунов, китов, хищных млекопитающих и приматов. Саблезубый тигр, огромный безрогий носорог (до 5 м), мастодонт (родственник слона).

Антропоген (1 млн. лет назад) – в Северном полушарии происходит похолодание. С Севера на Юг приходит ледник, происходит резкое изменение животного и растительного мира. Многие теплолюбивые животные из Европы и Центральной Азии отошли на Юг. Характерны: мамонт, большерогий олень, пещерный лев. В этот период формируется современный растительный и животный мир и господствующее место в природе начинает занимать человек.