Коли закінчився Протерозою

Протерозойська ера (2,5 млрд - 540 млн років тому)

Слідом за архейською настала протерозойська ера (від грецьких слів «протерос» — більш раннє і «зоя» — життя). Її вважають найдовшою в історії Землі.

Приблизно такою, неживою та холодною, виглядала наша планета в протерозойську еру

На рубежі двох періодів вигляд планети сильно змінився.

Величезні області суші йшли під воду океану, та якщо з морів піднімалися молоді гори. Хоча поверхню Землі ніхто не освоював, в океані вже розвивалося життя. Неминучі у своїй уламки гірських порід, як і існування перших організмів, вели до утворення осадових залягань. За часів протерозою земна кора росла, а в ній ламалися і формувалися нові континентальні плити.

Формування земної кори стародавньої планети (2,5-1,5 млрд років тому)

На початку протерозойської ери складалися ядра майбутніх континентів - давні платформи, або кратони (від грецького "кратос" - сила, фортеця). Найперші частини нинішньої Євразії — Східноєвропейська та Сибірська платформи родом саме з тих часів.

Вулкани продовжували вивергатися як бурхливо, як й у архейський період. На їхню активність впливали рухи земної кори. Коли материки переміщуються, океанічна кора (та, що знаходиться під дном океану) «засувається» під материкову і буквально видавлює на поверхню магму із земних надр.

Судячи з знайдених на сьогоднішній суші протерозойських відкладень явно морської природи, водна і земна стихії в ті часи досить часто мінялися місцями: з океанських глибин здіймалися юні гори, а старіші скельні хребти йшли під воду.

Протерозойські відкладення також показують, що на Землі на той час вже існували і пустелі, і льодовики — клімат різноманітний.

У цей період з'явилися відкладення, що стали в майбутньому корисними копалинами. Наприклад, родовища залізних руд виникли в результаті роботи залізобактерій (вони були відкриті на початку ХХ ст. російським вченим Сергієм Миколайовичем Виноградським). Так з'явилися відкладення залізистих кварцитів (чергування шарів кварцу та залізовмісного магнетиту).

Одне з найбільших таких родовищ Курська магнітна аномалія в Росії. Колосальні поклади заліза там відхиляють стрілку компаса від її нормального становища. Ці багатокілометрові поклади руди з'явилися 2,5 млрд. років тому на дні протерозойських морів.

Великі родовища залізних руд осадового походження знаходяться в Україні (Кривий Ріг), у Південній та Північній Америці, Австралії, Африці. У Сибіру є мідні руди протерозою. Наприкінці тієї ери відкладалися поклади уранової, мідної, кобальтової та олов'яної руд.

Земна кора, товщина якої становить багато кілометрів, м'ялася, як папір, під дією жахливих внутрішніх сил планети. На її поверхні утворювалися складки та западини. Наприкінці протерозойської ери через появу складок земної кори утворилося багато нових гірських хребтів. Це гороутворення називають Байкальською складчастістю, тому що саме тоді з'явилося знамените на весь світ озеро Росії. Термін «байкальська складчастість» було запропоновано 1932 р. російським ученим М. З. Шатским.

Рух материків у протерозої (згори донизу: неопротерозою/кріогеній, пізній кембрій, ранній девон)

Інший важливий геологічний термін – геосинкліналь.Термін утворений трьома грецьким корінням «гео» — земля, «син» — разом і «клино» — нахиляю. Це довга і вузька складка земної кори, яка, на противагу платформам, є рухомою зоною. Такі елементи нестійкості земної кори супроводжуються прогинами, тому геосинкліналі опускаються на морське дно. Поступово ця складка заповнюється осадовими породами або магмою вулканів, а потім рухи земної кори знову піднімають колишню складку вгору і утворюються нові гори.

Саме так виникли найдавніші гори Землі: Урал, Єнісейський кряж, Східний Саян, Прибайкалля, Скандинавські та Скелясті гори.

У районах геосинкліналей часів Байкальської складчастості формувалися ядра гірських масивів півдня Сибірської платформи, плато Путорана на Таймирі, Тянь-Шань, деякі хребти Кавказу та гір Малої Азії. Саме в протерозойську еру було поставлено «генеральний план» розвитку земної кори, який і визначив подальшу геологічну історію планети.

Тоді ж, 1150 млн. років тому, над древнім океаном піднявся гігантський материк — Батьківщина. Багато вчених вважають його першим континентом Землі. Вважають, що він височів приблизно на 3000 м над рівнем моря і не мав до певної пори чітко сформованих гір. Материк, що піднявся, витіснив колосальні об'єми води, які, у свою чергу, злилися в єдиний гігантський океан — Мировію, величезний за площею, але значно дрібніший за нинішні.

Зверніть увагу на те, що визнані всім світом назви «Батьківщина» та «Світу» утворені від коріння, запозиченого з російської мови. Настільки сильна була вітчизняна наука в різних галузях знання!

Придатність для дихання неживої атмосфери (2,4 млрд років тому)

Стародавні вулкани виливали на поверхню Землі величезну кількість розплавленого базальту, попутно видихаючи змішані хмари водяної пари з вуглекислим газом, сірководнем, аміаком, хлором, метаном, оксидами сірки, борною кислотою та солями амонію, що утворюються за високих температур. Так як у водних розчинах ці речовини утворюють кислотне середовище, їх називають кислими димами. Ми знаємо про них і первинну атмосферу завдяки бульбашкам газів, законсервованим у найдавніших гірських породах архею.

Атмосфера нашої планети, що складалася із суміші газів, що залишили земну мантію, була дуже отруйна.

Однак чи був на давній Землі кисень? Мала частина його молекул могла теоретично стати продуктами розкладання водяної пари під дією жорсткого ультрафіолетового випромінювання Сонця, але такого насиченого парою кисню багато бути не могло: і молекулу води розщепити важко, і сам кисень, що утворюється, поглинає ультрафіолет, гасячи таким чином хімічну реакцію (класичний випадок ).

До певного часу в первинній атмосфері кисню було зовсім мало - набагато менше 0,001 його масової частки порівняно з нинішнім рівнем. Майже кожна новостворена молекула O2 витрачалася різні реакції окислення. Захисту від згубної сонячної радіації (у вигляді сучасної кисневої атмосфери та озонового шару) ще не було, і це створювало найважчі умови навіть для життя стародавніх анаеробів.Перед початком протерозою на Землі стало набагато більше води, а кисню майже не побільшало.

У якийсь момент гримнула «киснева катастрофа» — так називають подію, яка сталася 2,4 млрд років тому і направила у нове русло перебіг земної історії. Тоді кисень буквально заповнив собою атмосферу планети. Зрозуміло, катастрофою це обернулося лише анаеробних археобактерій. Для всіх нових форм кисневого життя (включаючи нас з вами) ця подія виявилася найбільшою удачею! Про зміни в атмосфері ми знаємо, що характер мінеральних відкладень з якогось моменту різко перетворився.

Нарешті, у повітрі з'явилося багато вільного кисню — менш ніж за 200 млн років його концентрація зросла в 15 разів, атмосфера стала не відновлювальною, а окисною.

Для того щоб виникли анаеробні («кисневих») форми життя, необхідно було, щоб концентрація кисню в атмосфері становила близько 0,01 (1%) від сучасної — так звана точка Пастера. У протерозої цей біологічний рубіж було подолано «з перевиконанням», що стало поштовхом до бурхливого розвитку та вдосконалення різноманітних форм нового життя.

Уявіть собі, що за часів архею залізний цвях міг лежати на землі мільйони років, не покриваючись іржею!

Звідки ж кисень виник у такій кількості? Згадайте про синьо-зелені водорості, які з'явилися ще в археї. Мільйони років вони справно виділяли кисень як побічний продукт фотосинтезу. Однак він відразу йшов на окислення мінералів і газів. В умовах відновлювальної атмосфери кисень був справжнім дефіцитом і миттєво витрачався у багатьох хімічних реакціях.Коли все, що можна було окислити, виявилося вже окисленим, кисень став накопичуватися у вигляді газу. Одночасно з цим падала концентрація вуглекислого газу в атмосфері, адже він був такий необхідний синьо-зеленим водоростям для фотосинтезу. Парниковий ефект завдяки цьому став зменшуватись і перед земним життям відкрилися нові привабливі перспективи.

Поява в земній атмосфері доступного кисню стала ще одним благом для майбутніх жителів планети. Під впливом електричних розрядів газоподібний кисень розпався окремі атоми, у тому числі потім сформувалося нове речовина — озон. Подібно до кисню він безбарвний, але має запах: коли після грози ви відчуваєте у повітрі особливу свіжість, знайте, це озон. Збираючись у верхніх шарах атмосфери (12-50 км), він утворює шар (озоновий шар), який поглинає небезпечне ультрафіолетове випромінювання космосу і захищає від нього все, що живе на планеті. Якби не було озонового шару, життя ніколи не змогло б вийти з води на сушу.

Озон поглинає промені, верхні шари атмосфери нагріваються і його температура зростає з висотою. Це називають температурної інверсією. Вона робить атмосферу стійкою: якби не було такого нагрівання у верхніх шарах атмосфери, тепле повітря з нижніх постійно піднімалося б, а холодне — опускалося. Атмосферні гази завжди б перемішувалися.

Наші пращури - перші істоти, що дихали киснем (2,6 млрд-650 млн років тому)

Щойно з'явившись, живі організми почали вступати у складні біологічні відносини один з одним. Не задовольняючись простим вилученням енергії та їжі з навколишнього середовища, вони створювали харчові ланцюги та вступали один з одним у симбіоз. Усе це закономірно призвело до ускладнення живих клітин.Раніше (в археї) існували лише одноклітинні прокаріоти - ті організми, у яких клітинне ядро ще не сформувалося (від грецького "прокаріоту" - доядерний). Їхня будова значно простіше, а ДНК представлена не хромосомами, а однією-єдиною кільцевою молекулою.

Так улаштовані і синьо-зелені водорості, і бактерії, та інші мешканці Землі того часу. Перевагою прокаріотів є їх виняткова невибагливість до умов життя. Вони й зараз селяться на підводних вулканах, у кислих чи лужних водоймах — була б лише волога.

У протерозойську еру з'явилися перші еукаріотичні клітини (тобто такі, які мають ядро і ДНК, згорнуту в хромосомах). З'явилося набагато більше можливостей перемішувати гени - живі організми почали швидко змінюватися, пристосовуючись до зовнішнього середовища. Стійкість та різноманітність життя зростали.

Вважають, що еукаріоти з'явилися в результаті союзу (симбіозу) кількох різних клітин прокаріотів. Наявні в еукаріотичній клітині мітохондрії («енергетичні станції» живої клітини) і хлоропласти в клітинах рослин (де відбувається фотосинтез) вважаються нащадками древніх одноклітинних прокаріотів, які проникли всередину складніших клітин і залишилися там жити у вигляді клітинних органел.

Довгий час прокаріоти та еукаріоти мирно вживалися поруч, але крок за кроком більш пристосовані еукаріоти витісняли давні доядерні організми. Замість примітивного брунькування та поділу клітин з'являлися більш досконалі механізми розмноження. Майбутнє належало еукаріотів!

Народження багатоклітинних організмів (1100-900 млн років тому)

Як ми вже знаємо, перші живі істоти Землі були одноклітинними, тобто всі функції організму: харчування, пересування, зв'язки із зовнішнім середовищем і так далі були з'єднані в одній клітині. Такі форми життя процвітають і донині, будучи найпростіше влаштованими. Однак еволюція біосфери в протерозої зробила наступний найважливіший крок — нашу планету почали заселяти перші багатоклітинні організми.

Головна відмінність багатоклітинного істоти від одноклітинного у кількості клітин, як випливає з назви, а й у тому, що з-поміж них існує поділ праці — його називають диференціацією клітин. Наприклад, тіло людини складається з 1014 клітин. Вони об'єднані в групи зі схожими функціями тканини. Справді, клітини кісток не сплутаєш із клітинами крові, різні тканини складають м'язи, шкірний покрив, органи багатоклітинних істот. Однак усе це станеться набагато пізніше.

Першим кроком на шляху до багатоклітинності було поєднання окремих клітин-організмів у колонії. Сьогодні ми можемо припускати, що життя в них давало переваги: наприклад, співтовариство клітин менше страждало від пересихання, ніж одноклітинні організми, або виявлялося надто великим для одноклітинних хижаків.

У перших колоніях всі клітини, як і раніше, залишалися недиференційованими — розподіл функцій між ними був відсутній. Одне з таких багатоклітинних колоніальних широко поширене і в наші дні. У затхлих ставках можна знайти маленькі (до 3 мм) зелені кульки, які складаються із сотень і навіть тисяч абсолютно однакових клітин-водоростей. Кульки можуть пересуватися за рахунок биття «весел»-джгутиків, які є на поверхні кожної зі складових клітин.Ці дивні колоніальні багатоклітинні істоти називаються вольвокс.

Звичайно, вольвокс ще не можна назвати справжнім багатоклітинним організмом, оскільки його клітини не диференційовані.

Після об'єднання окремих клітин у колонії еволюція мала зробити наступний найважливіший крок — розподілити з-поміж них різні функції. Як це могло статися?

Ще в 1882 р. наш співвітчизник біолог Ілля Ілліч Мечников займався вивченням губок, які є одним із найпримітивніших типів багатоклітинних тварин.

Мечников припустив, що в них міг бути ще більш просто влаштований предок - організм, який представляв із себе мішок, що складається всього з двох шарів клітин: зовнішнього та внутрішнього. Клітини першого з них у такої істоти призначалися для захисту від зовнішніх факторів та пересування (за рахунок рухливих джгутиків, схожих на джгутики вольвоксу), а другого – для травлення (захоплюючи та перетравлюючи найдрібніші частинки їжі). Це була колонія клітин не однакових, а двох різних видів, пов'язаних відносинами симбіозу. Мечников назвав цю істоту фагоцителою.

Таке пояснення механізму виникнення перших багатоклітинних форм життя виявилося настільки переконливим, що згодом почали говорити про теорію фагоцителли. Пізніше було знайдено реальний організм, дуже схожий на описану Мечниковим фагоцителлу: це був трихоплакс - Безбарвна істота довжиною близько 3 мм.

Як і гіпотетична фагоцителла, виявлений у природі трихоплакс складається із двох шарів клітин.

Сучасна наука припускає, що в протерозойському океані відбувалися схожі процеси самоорганізації життя: від одноклітинних до колоній і далі до багатоклітинних істот.Багатоклітинність дала сильний поштовх подальшої еволюції живого світу. Вже на стадії найпростіших багатоклітинних організмів утворюється статеве розмноження (на відміну примітивного брунькування). Це означає, що в процесі утворення та злиття статевих клітин (гамет) відбувається інтенсивний обмін та перерозподіл генетичного матеріалу. Нарешті життя змогло скористатися одним із найголовніших своїх пристосувань у боротьбі за виживання — спадковою мінливістю.

Мінливість у свою чергу призвела до сплеску різноманітних нових форм життя. Вчені-палеонтологи виявили у протерозойських відкладеннях сліди, залишені безліччю різних істот.

Звичайно, вони все ще були безскелетними, тому не зберігалися у вигляді скам'янілостей, але знайшли сліди повзання, проїдання грунту і виритих норок.

Традиційно вважається, що перші багатоклітинні організми з'явилися на планеті 1100-900 млн. років тому. Однак завдяки новітнім дослідженням вчені виявили в американському штаті Мічиган сліди багатоклітинних водоростей довжиною 10 мм, що жили 1,9 млрд. років тому. У відкладах з Африки зовсім недавно (2010 р.) знайшли присутність досить великих (12 см) червоподібних істот, що мешкали 2,1 млрд років тому.

Перші багатоклітинні жили в нижньому шарі води або на самому дні древнього океану. Це вимагало від них подальшого пристосування: поділу тіла на різні частини, які використовувалися для прикріплення до каміння, захоплення їжі, плавання. Велика кількість багатоклітинних організмів отримала можливість харчуватися за рахунок фільтрації верхнього шару мулу, пропускаючи через себе воду з частинками їжі або живими одноклітинними. Саме в такий спосіб харчуються сучасні губки - одні з найдавніших мешканців Землі.

Перше заледеніння Землі (750-635 млн років тому)

Варто з'явитися на Землі першим фотосинтезуючим організмам, як концентрація кисню в атмосфері почала зростати, а вуглекислого газу, навпаки, знижуватися. Це зумовило подальші зміни клімату. Подальше зменшення кількості вуглекислого газу було також викликане розпадом першого суперконтиненту Батьківщини: гірські породи, що виходять при цьому назовні, вступали в хімічні реакції з вільним вуглекислим газом повітря і пов'язували його в хімічних сполуках.

Потім набула чинності вже відома нам закономірність: чим менше в повітрі вуглекислого газу, тим слабший парниковий ефект, а отже, тим холодніший клімат. Охолодження Землі викликало появу гігантських льодовиків, які, подібно до дзеркал, відбивали в космос падаючі на планету промені і тим самим сприяли ще більшому похолоданню. Середня температура на нашій планеті знизилася до -40 ° С, це означає, що в кінці протерозою на екваторі було так само холодно, як у нинішній Антарктиді. Біля полюсів встановилося -80 °С.

Страшні морози скували планету. Вода за такого холоду практично не випаровувалась, тому хмар над Землею майже не бувало. Всі уламки Батьківщини та Світовий океан 750-635 млн років тому покрилися кіркою льоду, що досягала 2 км. Сьогодні про це можна судити слідами найдавніших льодовиків та їх відкладенням у найрізноманітніших, у тому числі й тропічних, районах Землі. Такі сліди виявили у Центральній Африці, Австралії, на Уралі, у горах Тянь-Шаню, у Білорусі, Норвегії, Гренландії та у Скелястих Горах Північної Америки.

Вік деяких названих геологічних свідчень заледеніння визначений досить точно — 716,5 млн років тому. Він збігається з передбачуваним часом розпаду Батьківщини.

Вся планета опинилася в крижаному полоні, що викликало масову загибель живих істот. Ретельне вивчення хронологічної послідовності подій ставить науку ще перед однією загадкою: виявляється, суцільне вимирання сталося на 16 млн. років раніше, ніж моря та суша вкрилися льодами.

Існуюче сьогодні пояснення свідчить, що причиною цього стало надто бурхливе розмноження водоростей і недостатня кількість морських істот травоїдних. Зростання водоростей, що нічим не регулюється, призвело до того, що зелений шар створив щільний покрив на водах, який перешкоджав доступу кисню в їх товщу. Через це гинули аеробні жителі океану і тому атмосфера більше не насичувалась вуглекислим газом. Якщо все було справді так, то висновок парадоксальний: життя на Землі знищило саме себе, принагідно викликавши різку зміну клімату всієї планети. Навіть якщо це припущення вірне, воно не скасовує теорію зв'язування вуглекислого газу гірськими породами Батьківщини, що оголюються, яка розколювалася на частини, — так що на водорості і в цьому випадку лягає тільки частина провини.

Наприкінці протерозою Земля пережила катастрофічне заледеніння за всю свою історію.

Що ж нарешті врятувало планету з крижаного полону? Покрита товстою кіркою льодів поверхню океану та суші не могла поглинати вуглекислий газ із повітря, ні використовуючи його у процесі фотосинтезу водоростей, ні пов'язуючи у хімічних реакціях. Тут і відіграли свою роль вулкани, які продовжували свою в буквальному сенсі кипучу діяльність, навіть коли планета була скута крижинами. Мільйони холодних років вони не припиняли збагачувати атмосферу вуглекислим газом та метаном.

Щоб розтопити льоди на планеті, яка тоді нагадувала сучасну Антарктиду, могло знадобитися в 350 разів більше вільного вуглекислого газу в атмосфері, ніж його містить повітря, що вдихається нами, — близько 13% проти нинішніх 0,035%. Парниковий ефект, який створюється такою величезною кількістю вуглекислого газу, і привів, очевидно, до поступового потепління. Льоди неухильно танули.

Описана ситуація — чудовий приклад того, що давня Земля виявилася саморегульованою системою: надмірне посилення одного з визначальних факторів призводить до таких наслідків, коли його дія зменшується за принципом негативного зворотного зв'язку. Щоб це було простіше зрозуміти, уявіть собі казанок із супом, який вариться на багатті. Якщо вогонь розгоряється дуже сильно, вода в ємності починає кипіти занадто бурхливо і переливається через край. Тим самим вона частково гасить багаття, і кипіння стає слабшим.

Парниковий ефект зробив свою справу за геологічними мірками дуже швидко — середня температура на планеті збільшилася на 65–70 °С, досягнувши 25–30 °С.

Крижана катастрофа мала вбити Землі все живе, але передбачається, деякі мікроорганізми вціліли. Можливо, в океані Мировія залишалися невеликі ополонки, де відкрита вода стикалася з атмосферою та сонячним світлом. Інші мікроби могли вижити у зонах наземних чи підводних вулканів. Зазнані біосферою втрати були величезні, проте життя не зникло з нашої планети повністю — варто було льодам відступити, як почався новий бурхливий сплеск її розвитку.

Архейська та протерозойська ери

Саакян, М. А. Архейська та протерозойська ери / М. А. Саакян, О. В. Беляшова. - Текст: безпосередній // Юний вчений. - 2020. - № 11 (41). - С. 31-36.- URL: https://moluch.ru/young/archive/41/2227/ (дата звернення: 12.11.2024).

Історія Землі поділена на еони, епохи і періоди. Що ж собою представляють архейська і протерозойська ери?

Життя Землі зародилося близько 3,8 млрд. років тому вони. Розподіл історії Землі на ери та періоди допомагає нам зрозуміти особливості розвитку життя в різних проміжках часу. Вчені виділяють епохи, які діляться на періоди. У окремих відрізках часу відбуваються особливо значні події у формуванні життя на планеті.

Архейська;
протерозойська;
палеозойська;
мезозойська;
кайнозойська. Таблиця розвитку життя Землі:

Ера, період

Тривалість

Жива природа

Нежива природа, клімат

Архейська ера (давнє життя)

Поява синьо-зелених водоростей, фотосинтез. Гетеротрофи

Переважна більшість суші над океаном, мінімальна кількість кисню в атмосфері.

Протерозойська ера (раннє життя)

Поява черв'яків, молюсків, перших хордових, ґрунтоутворення.

Суша – кам'яна пустеля. Накопичення кисню у атмосфері.

Усього виділяють два еона-криптозою (приховане життя) та фанерозою (явне життя). Фанерозою включає три ери: палеозойську, мезозойську і кайнозойську. Криптозою-дві ери: архейську та протерозойську.

Архейська ера (від грецького «археос» - початок) - найдавніший етап життя на планеті. Ця ера почалася з розпечених вулканів 4 млрд. років тому, на Землю постійно падали метеорити. Планета лише почала формуватися, отже, ознак життя у ньому був. У повітрі містився хлор, водень, аміак, температура досягала 80°, рівень радіації перевищував межі, що допускаються, такі умови перешкоджали виникненню життя. Архей продовжився 1,5 млрд. років.Термін «архей» запропонував американський геолог Джеймс Дана у 1872 році. Саме після цього періоду зародились перші живі організми.

Еоархей був 4–3,6 млрд. років тому. У цей час формувалася земна кора, кратери вулканів. Тут з'явилися ціанобактерії.

Палеоархей становив 3,6–3,2 млрд років тому. У цьому вся періоді формувалися кратери вулканів, йшло освіту світового океану. Діючі вулкани були рельєфом поверхні.

Мезоархей був 3,2-2,8 років тому. Масштаби материка сягнули площі нинішнього Мадагаскару. Саме в цьому періоді відбувається охолодження планети та формується льодовикова освіта.

Неоархей був 2,8–2,5 млрд. років тому. З'являються перші багатоклітинні організми. Формується другий материк-ур та утворюються корисні копалини (золото, граніт, сірка).

На період еоархей припадає так зване "Пізнє важке бомбардування" - час формування кратерів на Місяці та Марсі.

В даний період на планеті існував тільки один вид рослин - одноклітинні нитчасті водорості (сфероморфід). Надалі водорості призвели до формування лишайників. В археї з'явилися одноклітинні без'ядерні організми, які називаються прокаріотами.

До основних подій завершального етапу цього еону (неоархею) слід віднести перетворення материка Ур на суперконтинент Кенорленд. Це сталося близько 2,7 млрд. років тому. Пізніше, близько 2,6 млрд. років тому, Кенорленд приєднався до суперконтиненту Арктида.

Без сумнівів, умови раннього архею відрізнялися від сучасних:

Температура досягала від 95 до 140 ° C і був відсутній кисень.

Безперечно, знайомі та звичні для нас форми життя не змогли б з'явитися в подібних ситуаціях, де замість повітря отруйні гази.

Незважаючи на це, життя вже існувало, і воно було безкисневим.

Безкисневі чи анаеробні (від грецьких слів «ан» — негативна частка, «аєр» — повітря та «біос» — життя) організми існують і донині.

Першим термін «анаеробний» став використовувати великий французький мікробіолог Луї Пастер. У 1861 р. він відкрив бактерії, які викликали бродіння (прокисання) олії. Вчений був вражений тим, що ці дивні організми вміли обходитися без кисню — необхідну для життя енергію вони отримували з таких хімічних реакцій, у яких він не бере участі. Для всіх анаеробів кисень — небезпечна отрута!

Мал. 2. Луї Пастер, 1822-1895 гг.

Є вагомі причини вважати, що вони були першими мешканцями Землі. Через відмінності безкисневих організмів від інших форм життя, біологи виділяють анаеробів в окреме царство-архебактерії.

Як же сталося зародження життя — найважливіша подія в історії не тільки нашої планети, а й Сонячної системи?

Найбільш переконливою гіпотезою на даний момент є версія біохімічної еволюції, запропонована ще 1924 року. російським ученим, академіком Олександром Івановичем Опаріним у книзі «Походження життя».

Мал. 3. Олександр Іванович Опарін, 1894-1980рр.

Вчений запропонував пояснення того, як під впливом хімічних та фізичних факторів перші одноклітинні форми життя могли з'явитися з неживої матерії. Як ми знаємо, атмосфера архейської Землі була багата на аміак, оксиди вуглецю і водяну пару. У нижчих концентраціях у ній були також водень, азот і кисень.Таким чином, основні хімічні елементи, необхідні для збирання біологічно активних молекул, на той час вже були доступні, а ультрафіолетове випромінювання Сонця могло бути невичерпним джерелом енергії для хімічних перетворень. Енергія внутрішнього тепла Землі (вулканічних вивержень), могутніх грозових розрядів та радіоактивного розпаду також, ймовірно, брала участь у синтезі складних молекул із більш простих.

На думку Опаріна, біохімічна еволюція могла протікати у три етапи. На першому етапі відбувався інтенсивний синтез органічних (тобто заснованих на ланцюжках вуглецю) речовин із неорганічних попередників. Солі, розчинені в архейському океані, та атмосферні гази служили реагентами у гігантському хімічному реакторі – літосфері древньої Землі.

Наступною геологічною ерою стала протерозойська (від грецьких слів «протерос» — більш раннє і «зоя» — життя). Її вважають найдовшою в історії Землі. (2,5 млрд - 540 млн років тому). Він тривав 2 млрд років і включав: палеопротерозою, мезопротерозою і неопротерозою. (Табл.2). На початку протерозойської ери складалися ядра майбутніх континентів - давні платформи, або кратони (від грецького "кратос" - сила, фортеця). Найперші частини нинішньої Євразії — Східноєвропейська та Сибірська платформи родом саме з тих часів.

Розподіл протерозою на окремі періоди не випадковий і базується на стратиграфічних дослідженнях. Так, палеопротерозою — час досягнення киснем «точки Пастера» — 1 % від його вмісту в сучасній нам атмосфері. Сталася ця подія 2 млрд. років тому і зветься кисневої катастрофи.Вчені вважають, що така концентрація кисню достатня у тому, щоб забезпечити стійку життєдіяльність одноклітинних аеробних організмів, т.к. е. організмів, які потребують вільному молекулярному кисні підтримки своєї життєдіяльності. На відміну від аеробних, анаеробні організми, розмаїття яких на той час було значно більшим, здебільшого вимерли. Їх молекулярний кисень був згубним.

Окрім кисневої катастрофи в епоху палеопротерозою настає перша стабілізація континентів.

Наступний за палеопротерозою мезопротерозою - час формування суперконтиненту.

Нарешті, останній із протерозойських періодів – неопротерозою характеризується розпадом першого суперконтиненту та масштабним заледенінням, що охопило практично всю поверхню суші. Крім того, саме до цього тимчасового інтервалу відносяться найдавніші копалини тварин, що пов'язано з формуванням у них твердого скелета.

У цей період з'явилися відкладення, що стали в майбутньому корисними копалинами.Наприклад, родовища залізних руд виникли в результаті роботи залізобактерій (вони були відкриті на початку ХХ ст. російським вченим Сергієм Миколайовичем Виноградським). Так з'явилися відкладення залізистих кварцитів (чергування шарів кварцу та залізовмісного магнетиту).

Одне з найбільших таких родовищ Курська магнітна аномалія в Росії. Колосальні поклади заліза там відхиляють стрілку компаса від її нормального становища. Ці багатокілометрові поклади руди з'явилися 2,5 млрд. років тому на дні протерозойських морів.

У ті часи велику територію Землі охоплювало море, тому вся флора і фауна безпосередньо залежала від води. На суші жили лише бактерії, оскільки вони вдало пережили процес акліматизації.

Протерозою - це ера водоростей та бактерій. Лише до кінця її виникли ранні представники багатоклітинних тварин - черв'яки, губки та археоціати. Це була також ера одноклітинних найпростіших тварин, поки слабко розкриваються під час досліджень. Але найголовнішими видимими проявами життя протерозої були водорості типу прісноводних. Водяні рослини створювали дуже своєрідні накопичення вапняку і навіть найдавніші рифи та банки. Дослідник далеко не завжди відрізнить невеликі водоростеві скупчення карбонатної породи від відкладень, що вміщають. Але повторюваність малюнка поверхні породи іноді нагадує, що знайдено залишки копалин найдавніших водоростей.

Мал. 5. Залишки копалин найдавніших водоростей

Температура повітря біля земної поверхні наближалася до 15 ° С - не особливо спекотно, але і не так вже й холодно. З водяної пари, що сконденсувалася, складалася гідросфера планети — запаси рідкої води. До неї переходила частина атмосферних газів.До певного часу в первинній атмосфері кисню було зовсім мало - набагато менше 0,001 його масової частки порівняно з нинішнім рівнем. Майже кожна новостворена молекула O2 витрачалася різні реакції окислення. Якоїсь миті вибухнула «киснева катастрофа» — так називають подію, яка сталася 2,4 млрд років тому і направила в нове русло хід земної історії. Тоді кисень буквально заповнив собою атмосферу планети. Зрозуміло, катастрофою це обернулося лише анаеробних археобактерій. Про зміни в атмосфері ми знаємо, що характер мінеральних відкладень з якогось моменту різко перетворився.

Щоб виникли анаеробні форми життя, необхідно було, щоб концентрація кисню в атмосфері становила близько 1 % від сучасної — так звана точка Пастера. У протерозої цей біологічний рубіж було подолано «з перевиконанням», що стало поштовхом до бурхливого розвитку та вдосконалення різноманітних форм нового життя.

Уявіть собі, що за часів архею залізний цвях міг лежати на землі мільйони років, не покриваючись іржею!

Звідки ж кисень виник у такій кількості? Згадайте про синьо-зелені водорості, які з'явилися ще в археї. Мільйони років вони справно виділяли кисень як побічний продукт фотосинтезу. Однак він відразу йшов на окислення мінералів і газів. В умовах відновлювальної атмосфери кисень був справжнім дефіцитом і миттєво витрачався у багатьох хімічних реакціях. Коли все, що можна було окислити, виявилося вже окисленим, кисень став накопичуватися у вигляді газу.Одночасно з цим падала концентрація вуглекислого газу в атмосфері, адже він був такий необхідний синьо-зеленим водоростям для фотосинтезу. Парниковий ефект завдяки цьому став зменшуватись і перед земним життям відкрилися нові привабливі перспективи.

Основна причина кріогенського льодовикового періоду була такою самою, як і причина настання першого льодовикового періоду: зниження концентрації в атмосфері діоксиду вуглецю або вуглекислого газу.

То чому ж верхньопротерозойський льодовиковий період був набагато «потужнішим»? Цьому сприяло розташування материків на час кріогенію в безпосередній близькості від екватора. Коли Земля охолоджується, через будь-які причини, реакція вилучення вуглекислого газу з атмосфери уповільнюється, тим самим перешкоджаючи подальшому охолодженню. Але розташування материків у тропічних широтах не дозволяло уповільнити темпи видалення вуглекислого газу, внаслідок чого льодовики просунулися до екватора, а висока відбивна здатність льоду сприяла подальшому охолодженню.

Кріогенський льодовиковий період закінчився приблизно 635 млн років тому, причому дуже раптово. За той час, поки Земля була скута багатометровим шаром льоду, в її атмосфері завдяки вулканічним вибухам поступово зростала кількість вуглекислого газу, адже механізм його видалення вже не працював.

Танення льодів, внаслідок якого у воду потрапило багато біогенів, а також практично повне зникнення металевого заліза з мантії, сприяло швидкому зростанню парціального тиску кисню: по-перше — відбулося вибухове зростання популяцій ціанобіонтів, а по-друге — перестав діяти механізм зв'язування атмосферного кисню. залізом.Настав сплеск біорізноманіття, на підставі чого раніше виділявся навіть особливий період протерозойської ери - венд.

Залишки тварин у відкладеннях протерозою дуже рідкісні, але немає сумніву в тому, що основи тваринного світу були закладені одночасно із виникненням світу бактерій та фотосинтезуючих рослин. Тварини представлені в протерозої дрібними формами, які не отримали масового розвитку і не брали участі у породоутворенні.

Таким чином, протерозойська ера історії нашої планети була переважно часом виняткового панування бактерій та водоростей у водних середовищах. За цей етап часу, який тривав, за даними абсолютної геохронології, близько 1200 млн. років, згадані групи організмів виконали величезну геологічну роботу з утворення низки типів осадових порід і руд, і навіть з переробки речовинного складу самої біосфери і атмосфери Землі. Протерозойська ера насправді послужила основою для формування всього того, що ми маємо зараз у навколишній дійсності.

https://obrazovaka.ru/istoriya/arheyskaya-era-periody.html
https://yandex.ru/turbo/sitekid.ru/s/planeta_zemlya/arhejskaya_era_425_mlrd_let_nazad.html
https://animals-world.ru/delenie-istorii-zemli-na-ery-i-periody/
https://nsportal.ru/shkola/biologiya/library/2020/03/26/arheyskaya-i-proterozoyskaya-ery
https://www.sites.google.com/a/tl-2.ru/bionicka2/8-klass-1/razvitie-zizni-na-zemle-v-arhejskuu-i-proterozojskuu-eru
https://sprint-olympic.ru/uroki/istorija/52817-arheiskaia-era-periody-osobennosti-klimat-kratko.html
https://yandex.ru/turbo/sitekid.ru/s/planeta_zemlya/proterozojskaya_era_25_mlrd__540_mln_let_nazad.html
https://yandex.ru/turbo/xn--e1adcaacuhnujm.xn--p1ai/s/proterozojskaya-era.html

Ранній та середній протерозой

Еукаріотичні клітини. Зображення перерізу тваринної клітини (ліворуч) та рослинної клітини (праворуч), що показує їхню узагальнену структуру. Еукаріоти - це організми, клітини яких організовані у складні структури мембранами та цитоскелетом. Поява еукаріотичної клітини стала важливою подією в еволюції життя. Еукаріотичні організми з'явилися приблизно від 2,1 до 1,6 мільярда років тому. CREDIT: Christian Jegou/Publiphoto / Science Source

7 фактів про наслідки наростання кількості вільного кисню в атмосфері, Гуронському заледеніння та появі еукаріотичної клітини.

Протерозойський еон — це найдовша епоха історія Землі. Він розпочався 2,5 мільярда років тому та закінчився 541 мільйон років тому. За цей час Земля перетворилася з безкисневої планети мікробів, прокаріотів на кисневу планету багатоклітинних організмів.

1. Велика киснева подія

У ранньому протерозої протягом кількох сотень мільйонів років відбувалося досить швидке наростання кількості вільного кисню в атмосфері та гідросфері. Причини цього склалися ще наприкінці архейської епохи. Приблизно 2,45 мільярда років тому почалася так звана велика киснева подія, коли рівень кисню зріс майже з 0 до приблизно 1% від нинішнього вмісту кисню.

Чому геологи вважають, що у цей період зріс вміст кисню? На це вказує цілий ряд ознак, наприклад, співвідношення ізотопів сірки в осадових породах.Очевидно, вулканічні гази, які у атмосферу, у разі, якщо у цій атмосфері немає кисню, беруть участь у певних фотохімічних реакціях, під час яких відбувається фракціонування ізотопів сірки і виходить змінений ізотопний склад. Але коли у атмосфері з'являється кисень, ці процеси припиняються. І на початку протерозою ці процеси якраз припинилися.

О. Марков. 2010. Народження складності. Еволюційна біологія сьогодні: несподівані відкриття та нові питання. М: Астрель: CORPUS.

2. Криза в мікробних спільнотах

Також існує низка мінералів в осадових породах, які можуть утворюватися лише в безкисневих умовах – у присутності кисню вони окислюються. І такі неокислені мінерали теж зустрічаються в породах на початок протерозою, та був вони більше утворюються.

У ті часи всі мікроби були пристосовані до життя в безкисневих умовах, а кисень - це сильний окислювач, це фактично сильна отрута, від якої потрібно захищатися якимось спеціальним чином. Зростання вмісту кисню в атмосфері мало викликати певну кризу в мікробних спільнотах, які тоді становили фактично єдину форму життя на Землі.

Є. Кунін. 2014. Логіка нагоди. Про природу та походження біологічної еволюції. М.: Центрполіграф.

3. Причини Гуронського заледеніння

У цей час відбувається перше велике зледеніння Землі — його називають Гуронським.

Причини наступу теплих чи холодних епох історія Землі, очевидно, були досить різноманітні. Але одна з важливих причин їхнього наступу — це кількість таких парникових газів в атмосфері, як CO2, метан, водяна пара.Проте розвиток життя впливає саме на вміст вуглекислого газу, а згодом метану.

Чому заледеніння відбувається в той момент, коли зростає вміст кисню? По-перше, щоб зростав вміст кисню, потрібно, щоб вуглець виводився з круговороту. Під час біогенного циклу вуглецю фотосинтезуючі організми вилучають із атмосфери вуглекислий газ, роблять із нього органіку. Потім гетеротрофні організми, які харчуються готовою органікою, окислюють цю органіку за допомогою кисню, що виділяється фотосинтетиками, і перетворюють її знову на CO2. Таким чином, фотосинтетики виділяють кисень та забирають вуглець з атмосфери, а гетеротрофні організми, навпаки, забирають кисень та виділяють вуглець.

Якщо активність фотосинтетиків не врівноважується повністю активністю гетеротрофів, тобто споживання органіки відстає від виробництва органіки, то ця зайва органіка зберігатиметься в земній корі. Це призводить до того, що вуглець поступово виводиться з атмосфери, вміст CO2 в атмосфері падає, парниковий ефект слабшає і стає холоднішим.

У момент швидкого зростання вмісту кисню відбувалося заледеніння. Крім того, кисень, що виділяється, міг окислювати метан, який, мабуть, тоді ще в значній кількості був присутній в атмосфері. А метан — це також дуже сильний парниковий газ.

До. Єськів. 2000. Історія Землі та життя на ній. М.: МИРОС - МАІК "Наука-Інтерперіодика".

4. Поява першої еукаріотичної клітини

До закінчення першого зледеніння і до закінчення періоду швидкого зростання кисню відбувається найважливіша подія в еволюції земного життя - з'являється перша клітина еукаріоти.

Досі на Землі жили лише прокаріоти — це бактерії, які не мають клітинного ядра та інших мембранних структур, органел. У клітці у них немає мітохондрій, пластид та будь-яких інших складнощів. Ще на зорі клітинного життя прокаріоти розділилися на дві великі групи: бактерії та археї (раніше їх називали архебактеріями).

Еукаріоти - це третя велика група живих організмів, яка з'являється вперше в ранньому протерозої, швидше за все, через зростання кисню. Еукаріоти - це організми, які мають ядро в клітині, мітохондрії, і пристосовані вони спочатку саме до кисневого середовища. Мітохондрії - це органели еукаріотичної клітини, які якраз потрібні для кисневого дихання, оскільки вони використовують кисень для окислення органіки та отримання енергії. Саме еукаріотична клітина стала основою розвитку всіх складних форм багатоклітинного життя на нашій планеті: тварин, рослин, грибів.

Прокаріоти кілька разів намагалися і продовжують намагатися іноді перейти до багатоклітинності, але ці спроби не заходять далеко з низки технічних причин. Наприклад, у багатоклітинному організмі різні клітини виконують різні функції, відповідно, у різних тканинах вони працюють різні гени. Геном еукаріотичного організму містить усі гени, необхідні для формування всіх тканин багатоклітинного організму, але в кожній тканині працює лише частина з них – та, яка потрібна. Щоб це працювало, потрібна дуже складна ефективна система регулювання роботи генів. А для цього дуже важливо мати клітинне ядро, в якому гени ізольовані від бурхливих біохімічних процесів, що відбуваються в цитоплазмі.Там можна розвинути ефективні системи регулювання роботи генів, чого у прокаріотів немає, оскільки вони мають простіші регуляторні системи.

5. Будова еукаріотичної клітини

Деякі дослідники вважають, що саме поява еукаріотичної клітини є найголовнішою подією в еволюції життя на Землі. І, можливо, воно відбулося лише один раз, оскільки всі сучасні еукаріоти, очевидно, походять від одного предка. Можливо, були інші спроби таких еволюційних дослідів, але вони не дожили до наших днів.

Еукаріотична клітина має химерну природу. Вона постала як закономірний результат еволюції докембрійських мікробних угруповань, які становили основну форму життя архейської ері і продовжували домінувати в протерозої. Якщо подивитися, з яких білків зроблена еукаріотична клітина, виходить дуже цікава річ. Центральна система еукаріотичної клітини, пов'язана з реплікацією ДНК, роботою з генетичною інформацією, синтезом білка, обслуговується білками, подібними до білків архей. А ось на периферії – обмін речовин, рецептори, взаємодія із зовнішнім середовищем, передача сигналів – домінують білки, схожі на білки бактерій. Тобто еукаріотична клітина має архейну серцевину та бактеріальну периферію. Інакше кажучи, у процесі еволюції відбулося певне злиття, комбінування геномів представників двох великих гілок прокаріотів.

М. Лейн. 2014. Сходи життя. Десять найбільших винаходів еволюції. М: АСТ: CORPUS.

6. Пристосування стародавніх бактерій до кисню

У ході кисневої кризи, коли стародавнім мікробам доводилося пристосовуватися до нової отрути, що з'явилася, — до вільного кисню, якісь археї, мабуть, активно запозичували чужі гени, у тому числі бактеріальні, і в результаті набули ряд бактеріальних властивостей. Вийшов якийсь химерний одноклітинний організм, здатний, наприклад, до заковтування інших прокаріотів. Можливо, вони перейшли до хижацтва, можливо, вони зливали з іншими клітинами з метою обміну генетичним матеріалом. Найімовірніше, цьому етапі формувалося статеве розмноження. Ще однією ключовою особливістю еукаріотів є справжнє статеве розмноження, пов'язане зі злиттям статевих клітин і з редукційним розподілом (мейозом).

Цей химерний організм у якийсь момент проковтнув бактерії, представників групи альфа-протеобактерій, які стали предками мітохондрій – органел для кисневого дихання. Тим самим цей організм, набувши такого симбіонту, захистився від токсичної дії кисню. Після цього кисень вже утилізувався цими симбіотичними мітохондріями. Вільноживучі предки мітохондрій навчилися боротися з киснем і винайшли систему кисневого дихання. Ймовірно, спочатку вони просто спалювали органіку, щоб знешкодити кисень, а потім навчилися отримувати з цього ще й користь у вигляді енергії.

7. Розвиток фауни одноклітинних еукаріотів в океані

У ході пристосування стародавніх організмів до кисню мікроби перетворилися на прото-еукаріотичну клітину з мітохондріями. Якоїсь миті в клітці з'явилося ядро. Існує теорія у тому, що ядро з'явилося результаті симбіозу з вірусами.Вченими були відкриті дуже великі віруси, які по ряду властивостей нагадують клітинне ядро, з чого можна дійти невтішного висновку, що, можливо, ядро клітини теж було придбано під час еволюції шляхом симбіозу.

На початку протерозою, два мільярди років тому, з'являється еукаріотична клітина. Перші еукаріоти були одноклітинними, гетеротрофами, тобто споживали готову органіку. Дещо пізніше якісь еукаріоти вступили в симбіоз з ціанобактеріями, проковтнули їх. Таким чином, ці ціанобактерії дали початок пластидам, що призвело до виникнення рослин.

Протягом середнього протерозою ми вже бачимо у викопному літописі залишки одноклітинних еукаріотів. Поступово з еукаріотичних одноклітинних водоростей розвивався фітопланктон. І в цей же час, мабуть, починають з'являтися перші багатоклітинні водорості.