Дискуссия по пленарному докладу Н.Л. Добрецова «О РАННИХ СТАДИЯХ ЭВОЛЮЦИИ БИОСФЕРЫ И ПРОБЛЕМАХ РАННИХ ОЛЕДЕНЕНИЙ»

Председательствующий Г.А. Заварзин

М.Я. Маров: Прежде всего, позвольте сделать один короткий комментарий. Вы упрекнули физиков и математиков, что не сосчитаны модели, связанные с реконструкцией диссипативного механизма. На самом деле, все это не так просто. Дело в том, что Вы, по-видимому, говорите о джинсовской диссипации, чисто тепловой — ее сосчитать легко. Но на начальных этапах эволюции мог существовать другой специфический род диссипации, когда при довольно высоких температурах быстро улетает водород и в потоке он увлекает за собой другие, более тяжелые элементы. Без такого механизма не удается, например, объяснить потерю древнего океана на Венере. Его предложил и обосновал известный американский планетолог Дональд Хантен (Donald М Hunten, University of Arizona, Lunar and Planetary Laboratory). Но я хочу сказать, что моделировать этот гидродинамический механизм диссипации довольно трудно — и сложно, таким образом, реконструировать историю потери летучих.

Н.Л.Д.: Я действительно посчитал только джинсовскую диссипацию — и то оказалось, что к рубежу 4.2 млрд. лет назад резко преобладали водород и метан. А если еще добавить -значит, водорода было еще больше. Для меня важна минимальная оценка.

М.Я. Маров: Хорошо, у меня есть другие вопросы. Вы говорите о сильно возросшей роли механизма субдукции на рубеже около 750 млн. лет назад. Как известно, различные модели по-разному датируют начало глобальной тектоники. Как Вы связываете возрастание роли субдукции с механизмом развития глобальной тектоники, на каком рубеже это происходило?

Н.Л.Д.: По вопросу, когда началась субдукция, когда началась тектоника плит, есть целый ряд независимых данных. Первое прямое доказательство существования океанической коры — это офиолиты. Океаническая кора, включая лайковые комплексы, пиллоу-лавы, осадки океанического типа, известна начиная с двух миллиардов лет или немного древнее. Второе — субдукция. Она должна быть равна или больше скорости спрединга. Сегодня скорость спрединга достигает 16 см в год, в зонах субдукции поглощение до 20 см в год. Обратное действие при завершении субдукции — извлекаются глубинные породы, в которых содержатся такие индикаторы высоких давлений, как алмаз, коэсит, специфические гранаты и так далее. Так вот, только после 750 млн. лет назад появились эти признаки — породы, извлеченные с глубин в 150-200 км, что косвенно говорит о скорости субдукции, близкой современной. Наиболее показательный такой пример с алмазосодержащими породами — это кокчетавские породы с возрастом около 540 млн. лет. Есть объекты в Мали (самые древние, 750 млн. лет, там нет алмазов, только коэсит), потом в Китае, Норвегии и другие.

М.Я. Маров: Соответственно, тогда же заработал активный карбонатно-силикатный цикл?

Н.Л.Д.: Конечно! Весь этот конвейер активно заработал.

М.Я. Маров: А когда Вы говорите о начале глобальной тектоники два миллиарда лет назад, это как раз то, что отвечает перестройке конвекции от сплошной к раздельной в нижней и верхней мантии?

Н.Л.Д.: В принципе, такая постановка вопроса правомочна. Но один из ведущих петрологов и геофизиков — Ш. Маруяма — немного иначе трактует, ближе к моей точке зрения. Субдукция, если она не очень интенсивная, складирует весь материал в зоне С, между глубинами 400 и 650 км, и там накапливается связанная вода. И объем воды в слое С больше, чем объем воды в Мировом океане! Сплошная субдукция, до границ ядра, сейчас невозможна, потому что слишком вязкая нижняя мантия. Но тяжелый материал проникает и тянет за собой воду и легкоплавкие материалы. Соответственно, вода совершенно меняет условия магматизма в нижней мантии, а опустившийся материал скапливается в слое D2 на границе нижней мантии и ядра и рождает суперплюм. Начиная с рубежа 750 млн. лет назад пошли суперплюмы, они заменили общемантийную конвекцию.

М.Я. Маров: Каков вклад антропогенного фактора в температурном тренде?

Н.Л.Д.: Я думаю, что антропогенный фактор больше работает как триггерный механизм, сегодня, по моим оценкам, он составляет менее 20 %. Но он чрезвычайно важен, так как работает, накладываясь на другие факторы, а там всюду нелинейный эффект.

Ю.В. Наточин: Что Вы имели в виду, когда говорили об осмотическом насосе?

Н.Л.Д.: Я имел в виду белковые помпы, в том числе накачивающие в клетку калий, который в большом количестве появился на поверхности Земли после 1.8 млрд. лет назад. Поэтому и животные появились, когда появился избыток калия, это одна из причин.

СВ. Шестаков: Николай Леонтьевич, когда Вы говорили о фотосинтезе, вы наверняка имели в виду оксигенный фотосинтез, связанный с деятельностью цианобактерий, продуцирующих кислород. Но ведь есть очень много форм фотосинтеза, не связанных с выделением кислорода — аноксигенный фотосинтез и не связанная с фотосинтезом фотореакция протеородопсина, например. С точки зрения биолога, цианобактерий — это вершина биохимической эволюции. В Ваших схемах речь всегда идет об оксигенном фотосинтезе?

Н.Л.Д.: Цианобактериальные колонки в архее неоднородны, внутри были оксигенные прослои, снаружи — аноксигенные. Я хотел бы подчеркнуть, что в докембрии накапливались огромные мощности строматолитов, если пересчитать на единицу времени, масса биосферы могла быть выше современной.

СВ. Шестаков: Вы говорили об оледенениях. Насколько глубоко они воздействовали?

Н.Л.Д.: Оледенение глубоко не проникает, внутреннее тепло Земли не меняется. Иногда отрицательная температура распространяется на несколько сотен метров. Контакт пород и льда в среднем от -5 до 0 °С. Но первое, что прекращается — выветривание и связывание СО₂, в карбонаты. Поэтому начинает работать обратная связь – СО₂, выбрасываемый вулканами, накапливается в атмосфере и лед начинает таять. По нашим расчетам, такая ситуация может существовать не более пяти миллионов лет. Но Маруяма предположил, что, поскольку не было субдукции, то и СО₂ почти не выделялся, темпы выделения СО₂, вулканами были на два порядка ниже -поэтому у него получилось 500 миллионов лет. Тут слишком большая неопределенность.

СВ. Шестаков: Но, тем не менее, во время сильных оледенений деятельность растений невозможна, цианобактерий — тоже…

Н.Л.Д.: Даже в сплошном леднике должны были оставаться оазисы — рефугии (например, около вулканов). Поэтому жизнь в отдельных оазисах могла сохраняться, в том числе и высокоорганизованная…

Г.А. Заварзин: Для гипотезы «Snowball Earth» хорошей моделью является современная Арктика, окраины Антарктиды, где развивается достаточно мощная подледная жизнь… Там много бактерий, не все фотосинтезирующие, в зависимости от толщины слоя… Так что вообще с гипотезой «Snowball Earth» нужно обращаться аккуратно… Для меня непонятно, почему синхронно существовали строматолиты и образовывались доломиты?

Н.Л.Д.: Расцвет доломитов был предопределен изменением состава Мирового океана. Нужно посчитать баланс, почему накапливался магний, каков был уровень карбонатной компенсации. Нужно смотреть весь баланс.

М.А. Федонкин: Это может быть связано с физиологией?

ГА. Заварзин: Доломит в основном не биогенный. Первичный доломит удается получить с алкалофильными сульфатредукторами, но это другая ситуация.

И.Л.Д.: Часть доломитов органогенная, они присутствуют в строматолитах.

Н.Г. Бочкарёв: Какова роль импактных событий в поздней эволюции Земли? Могло ли вращение мантии объясняться ударом крупного тела? Могло ли появление азиатских траппов объясняться импактами?

Н.Л.Д.: Конвекция мантии обусловлена тепловой, гравитационной неустойчивостью, тут метеоритов не требуется. Активная бомбардировка метеоритами до рубежа 4.2 млрд. лет подтверждается содержанием алмазов в цирконах, свидетельствующим об импактах. Потом массовых бомбардировок не было. Отдельные падения были, скажем, Попигайский кратер — скорее всего, это след удара кометы, так как в этом гигантском кратере метеоритного вещества не найдено. Трапповые поля не вызывались импактами, они объясняются моделью плюма.

В Н. Снытников: Николай Леонтьевич, не кажется ли Вам, что у нас пока нет объективных данных для того, чтобы определить время существования мира РНК? Он был заведомо раньше 4.56 млрд. лет назад, и, скорее всего, не на Земле?

Н.Л.Д.: Не знаю. Бомбардировки исключают наличие биосферы, могли быть только отдельные очаги жизни. Мне кажется, что биосфера возникла после массовой бомбардировки. Время для мира РНК остается между окончанием бомбардировок и первым появлением бактериальных матов. Этот интервал — 4.2-3.9 млрд. лет назад.

М.А. Федонкин: Относительно того, что водород и метан, вероятно, составляли основу древней атмосферы. Выясняется, что было около десятка источников водорода на ранней Земле. Второе. Сейчас как будто появляется все больше данных в пользу того, что металлическое (железно-никелевое) ядро на 95 % сформировалось очень рано, чуть ли не в первые сто миллионов лет после аккреции. Если так, то магнитное поле тоже существовало с этого времени?

Н.Л.Д.: Дополнительные источники водорода несущественны. Первичная атмосфера была захвачена еще из солнечной небулы, остальные источники не имели большого значения. Сильное магнитное поле появилось только тогда, когда появилось твердое внутреннее ядро, слабое поле было и до этого. Есть расчеты, что во внутреннем ядре 20 % углерода, значит, в растворенном ядре в основном должен быть не водород, а метан. Тогда этим будет определяться состав мантии.

М.А. Федонкин: Один объем никеля «вдыхает» 17 объемов водорода (в твердом виде). Но углерод в межатомное пространство металла так не войдет, как он мог попасть в ядро?

Н.Л.Д.: В алмазных наковальнях сейчас достигаются давления, близкие к давлению на внешней границе жидкого ядра. Растворимость водорода и метана в жидком железе оказалась сопоставимой.

ГА. Заварзин: Мы ушли в такие глубины… И все-таки, жизнь — это поверхностное явление, ее развитие идет в пределах географической оболочки…

Н.Л.Д.: Поверхностное и приповерхностное. Все-таки можно заключить, что более комфортные условия для первичной жизни были не прямо на поверхности, где масса всяких возмущающих факторов, а в каких-то пещерах, прослоях, кавернах на небольшой глубине от поверхности, где нет жесткого ультрафиолетового излучения, резких колебаний температуры, где создается некий термостат. В таких условиях и могли возникнуть первые очаги жизни.

Задавшись целью во что бы то ни стало похудеть к лету, Вы оббежали все магазины в городи и уже сбросили парочку ненавистных килограммов, но так и не смогли купить «Быстрые завтраки» Высоцкая Ю.А. — книгу, в которую вошли рецепты легких блюд из телепрограммы «Завтрак С Юлией Высоцкой». Заказать эту книгу, не отходя от своего компьютера, Вы сможете на сайте www.kniga.ru!

Крупнейшее расхождение датировок по молекулярным часам и по палеонтологическим данным касается последней цифры. Либо это 1.1 млрд. (по «молекулярным часам»), либо 550-450 млн. лет (по палеонтологическим данным). Возможные два сценария: либо растения, водоросли, вторичноротые и членистоногие появились вокруг Родинии (второго суперконтинента) около 1.1 млрд. лет назад и существовали до 950-750 млн. лет назад. А потом два гигантских оледенения 750 млн. и 650 млн. лет назад уничтожили все растения, водоросли и связанных с ними мелководных животных. Лишь немногие из них пережили это время в рефугиях, чтобы дать расцвет в венде и кембрии. Не исключено, что их глубоководные родственники вновь колонизировали мелководье. Либо, наконец, древние датировки для указанных групп растений и животных — ошибка метода молекулярных часов.

Кроме вышеупомянутого главного расхождения есть расхождения и в другие эпохи, причем они все связаны с крупными перестройками. В частности, меловой эпохе перестройки соответствует относительное удревнение по молекулярно-биологическим часам. Важнейший рубеж на границе мезозоя и палеозоя фиксируется аналогичными удревнениями. Это, в частности, можно объяснить тем, что скорость мутаций, которая принимается постоянной при определении по молекулярным часам, на самом деле в периоды крупных перестроек может быть быстрее. Отсюда возникает кажущееся удревнение.

В эпохи крупных оледенений (750-650 млн. лет назад) сформировался также механизм крупных мантийных плюмов, поднимающихся от ядра Земли (Добрецов и др., 2001а; Maruyama et al., 2007). Именно периодические плюмы и связанные с ними явления обусловили основную периодичность за последние 500 млн. лет, в частности, с ними коррелируются все крупные вымирания (рис. 8), в том числе крупнейшее на границе перми и триаса (событие 6 на рис. 2). Но и остальные вымирания обусловливают периодическое уменьшение биоразнообразия от прямой линии, соединяющей появление биоразнообразия животных около 800 млн. лет назад и современный уровень биоразнообразия (рис. 8).

Рис. 9. Эволюция жизни на Земле в течение 2.5 млрд. лет (-2.5-0) и ожидаемые изменения биосферы (0+1.5 млрд. лет) (Bounama et al., 2004, с изменениями).

На рис. 9 приведена схема (Bounama et al., 2004), представляющая экстраполяцию будущей эволюции и умирания (исчезновения) биосферы. Это связано с возрастанием солнечной светимости и постепенным превращением Солнца в красную звезду. Первые 4 млрд. лет шло остывание и снижение температуры поверхности до 40°С на рубеже архея-протерозоя. Снижение до 30-25 °С — вспышка и появление высших организмов. Похолодание около 650-750 млн. лет назад и потом потепление в мезозое (250-100 млн. лет назад) я добавил с учетом современных данных. Объем биологического вещества (если не учитывать симбиозы) примерно одинаков в прокариотах, эукариотах и высших многоклеточных организмах и достигал максимумов около 1800, 1200 и 500 млн. лет назад. Последовательное вымирание начнется через 500 млн. лет и связано с повышением температуры поверхности: при достижении примерно 30°С вымрут высшие организмы, выше 45 °С вымрут эукариоты и окончательно, через 1.6 млрд. лет, когда температура достигнет 70 °С и выше — с поверхности исчезнет вся жизнь. Это относительно оптимистический сценарий. Есть сценарий вымирания жизни через 250 млн. лет.

На рис. 9 добавлены возможные периодические колебания температуры и объема биосферы. Сами оценки объема биосферы (в гигатоннах) очень примерные (Bounama et al., 2004), но вариации объема биосферы подтверждаются колебаниями биогермных построек (строматолитов, коралловых рифов и т. д.) в разы и даже на порядок, и они коррелируются с изменениями температуры поверхности. На самом деле температурные колебания могли быть еще больше. Если посмотреть вековые колебания, то видно, что температура поверхности непрерывно «дрожит». Но дрожит в умеренных и высоких широтах. В тропиках она меняется мало. Тем не менее возможно расширение зон с высокими вариациями по температуре в периоды таких похолоданий, вплоть до 0°С на экваторе, если допустить, что покрывающие всю Землю оледенения действительно существовали. Но продолжается спор, поскольку геохимической информации, положенной в основу этого материала, недостаточно. Температура поверхности, в любом случае, последние 800 млн. лет и следующие 500 млн. лет испытывала и будет испытывать сильные колебания.

Таким образом, на раннем этапе эволюции биосферы главную роль играл процесс окисления атмосферы, который привел к преобладанию фотосинтеза на рубеже 2.7 млрд. лет назад и (вместе с охлаждением поверхности) — расцвету цианобактерий, развитие которых достигло максимума около 2 млрд. лет назад.

На более поздних этапах главное значение имело остывание поверхности, которое привело к крупнейшим оледенениям 750 и 640 млн. лет назад. Похолодания и оледенения привели к большой изменчивости условий для биосферы, что стимулировало, во-первых, половое размножение и образование только (или преимущественно) эндогамно-замкнутых видов (или к рубежу 1.5 млрд. лет назад, или 1-1.2, или 0.75 млрд. лет назад), и, во-вторых, — развитию разных форм минерального скелета, начиная с 550 млн. лет назад.

После формирования главных крупных таксонов в кембрии-ордовике (550-450 млн. лет назад), основное значение для видообразования и усложнения видов и их приспособляемости к внешним условиям явились периодические изменения климата и внешней среды, иллюстрируемые рис. 8, обусловленные, в том числе (или преимущественно?) периодическими мантийными крупными струями (суперплюмами). Примеры изменения биоразнообразия, обусловленные изменениями климата, хорошо изучены на Байкале (Грачев, 2002; Добрецов, 2003). Один из наиболее ярких примеров — крупнейшее вымирание на границе перми и триаса (рис. 8), вызванное Сибирским и Эмейшанским суперплюмами. Механизм этого вымирания (таяние ледников и кислотные дожди, вызванные выбросом огромного количества серы) обсуждался неоднократно (Добрецов, Чумаков, 2001; Добрецов, 2003; Isozaki, 2007).

В заключение вернемся к основным проблемам зарождения и эволюции биосферы. Где появилась жизнь — на Земле или в космосе? Есть доказательства, что правдоподобно внеземное происхождение жизни (панспермия), вытекающее из изучения марсианских метеоритов и космохимических моделей. Более вероятная альтернатива — зарождение жизни в гидротермальных струях типа современных черных или белых курильщиков.

Второе важнейшее событие — появление и развитие фотосинтеза. Бактерии изменяли мир, т. к. за счет фотосинтеза они способствовали окислению поверхности. Окисление на ранних этапах шло и без бактерий за счет диссипации водорода в космос. Водород единственный элемент, который Земля теряла всегда, а особенно на ранних стадиях, когда она была горячая. Зная примерную диссипацию сегодня и учитывая более высокую температуру в прошлом, можно рассчитывать диссипацию в архее и посчитать количество водорода. У меня получилось, что в архее, на рубеже 4 млрд. лет назад, атмосфера была водородно-метановая. Не было никакого свободного кислорода.

Ну, а третье важнейшее событие это появление половой репродукции и натуральной селекции. Это важнейший рубеж, который привел к появлению многоклеточных организмов, а затем к тому естественному отбору, который нам известен как дарвиновский отбор. Обычно проводится рубеж около 1.2 млрд. лет назад. Но есть и другие данные, что это рубеж может быть 1.5 млрд. лет назад, а по мнению академика А.Ю. Розанова — еще раньше.

Это один из важнейших вопросов, которые надо уточнить. Дело в том, что в ископаемых отпечатках мы не можем достоверно отличить колониальные организмы от многоклеточных. Поэтому здесь важнее уточнить изотопные смешения. Как только появились специализированные многоклеточные организмы, появились специфические белки. Вероятно, прав академик М.А. Федонкин (Fedonkin, 2003), что в это же время произошла и смена активных центров в белках. Сегодня это железо, никель, частично медь и цинк. А в прошлом должны были быть трехвалентные катионы — вольфрам, молибден, ванадий. Мы должны искать изотопные доказательства и найти существенное смешение именно изотопов молибдена, ванадия, вольфрама. Сегодня это уже возможно инструментально. Есть черные сланцы (продукты деятельности сначала бактерий, а потом и более сложных организмов), в них и надо искать этот рубеж. Наряду с тем, чтобы развивать бактериальную палеонтологию и другие методы и с их помощью реконструировать последовательность появления специфических белков, специфических тканей, нейронов, нервной системы и, наконец — сознания. Таковы возможные темы будущих исследований.

В заключение хочу поблагодарить академика А.Ю. Розанова за приглашение принять участие в совещании и многолетнее сотрудничество в программе «Происхождение и эволюция биосферы», а также моих коллег и неоднократных соавторов — академика Н.А. Колчано-ва и В.В. Суслова — за сотрудничество и плодотворные дискуссии, в том числе способствовавшие улучшению данной статьи.

Если Вы стали невольным участником преступления, то первое что Вам нужно сделать — это вбить в поиск Яндекса запрос: “ адвокат уголовные дела Уфа”. Не сомневаюсь, что в результатах поиска Вам не раз встретиться фамилия адвоката Панфилов В.В., стараниями которого было прекращено 17 уголовных дел за последние 2 года!

Следующий вопрос — была ли эволюция бактерий, как и когда возникли археи и эубактерии (Добрецов и др., 20016; Заварзин, 20036; Шестаков, 2003; Zavarzin, 2008).

В позднем архее и раннем протерозое (до 1.8 млрд. лет), безусловно, преобладали цианобактерии. Но они существуют и сейчас без заметных морфологических и биохимических изменений (Scrgeev et al., 2002). Максимальное развитие цианобактерий было около 2 млрд. лет назад (рис. 1, С), судя по широкому развитию в это время строматолитовых построек в карбонатных (преимущественно доломитовых) породах (окаменевшие цианобактериальные маты). Сначала преобладали анаэробные, а потом с 2.5 2.7 млрд. лет аэробные бактерии (граница архея-протерозоя), но зафиксированный массовый оксифотосинтез начался 2.7 млрд. лет назад (рис. 2, 6). Появился он, возможно, уже 3.5 млрд. лет назад (рис. 6). Железистые формации, образование магнетитовых осадков в океане — отражение этого процесса. На рис. 1, В я повторил оценки Г.А. Заварзина (2003а, б; Zavarzin, 2008).

Теперь обратимся к изменению климата и самым ярким его проявлениям — оледенениям. Как видно из рис. 6, самое раннее зафиксированное оледенение — на границе архея-протерозоя. Следует обратить внимание, что в это время произошла смена общемантийной конвекции на двухслойную (Добрецов и др., 2001а). Поэтому изменился режим обмена вещества. В частности, это объясняет, почему содержание железа в мантии до этого было постоянным (рис. 4) — вся мантия перемешивалась. Как только верхнемантийная конвекция обособилась, верхняя мантия стала истощаться, терять железо за счет дифференцированных серий, включая граниты (в т. ч. железистые граниты, характерные для раннепротерозойских серий). Одновременно двухслойная конвекция привела к остыванию поверхности и построению новой климатической системы. Но все же в раннем и среднем протерозое оледенения были редкими. Лишь на рубеже 700-750 млн. лет назад появились очень сильные и частые оледенения. Возможно, максимальным было ранневендское оледенение около 640 млн. лет назад (Добрецов, Чумаков, 2003). Для них как раз и применяют определение «snowball» -замерзшая Земля, похожая на снежный шар (Hoffman, Schrag, 2002; Maruyama, Liou, 2005). Первые гипотезы об этом родились из чисто геохимических данных, а далее главным доказательством того, что ледниковые отложения были вблизи экваториальных областей, служили уточненные палеомагнитные данные (но здесь еще много дискуссионного).

Диаграмма, приведенная на рис. 7 одно из объяснений важности рубежа 750 млн. лет назад. На ней обобщены данные по породам из зон субдукции, извлеченным с разных глубин в разное время (Maruyama, Liou, 2005). Красные точки это древние породы (древнее I млрд. лет), им соответствуют очень высокотемпературная граница и малые глубины. Давление здесь не превышает 10 кбар. Белые квадраты — это комплексы с возрастом от 1000 до 750 млн. лет. Зеленые точки включают более молодые породы (менее 750 млн. лет), извлеченные из глубин более 200 км, то есть соответствующих давлению 60-50 кбар. Они возникли в палеозое и мезозое, в частности, кокчетавские алмазеодержащие породы с возрастом 530-540 млн. лет (Dobretsov, Shatsky, 2004; и др.). Японские авторы (Maruyama, Liou, 2005; Maruyama et al., 2007) сдвигают эту границу — то 540, то 750-800 млн. лет. В любом случае, с 750 млн. лет назад началась интенсивная и ускоренная (в разы) субдукция, обусловившая и быстрое извлечение пород с больших глубин. И вместе с субдуцирующим материалом в мантию снова стала поступать вода. До этого высокотемпературными расплавами из мантии вся вода была извлечена. Усиление субдукции дало вспышку островодужного магматизма, массовое поступление СО, в атмосферу и ее окисление. И главное — разуплотнение обводненной мантии приподняло все континенты и островные дуги. Они стали более существенно выступать над уровнем океана, расширился шельф, появились крупные реки, крупные дельты и т. д. По данным Ш. Маруямы (Maruyama et al., 2007), все это произошло в интервале 650-750 млн. лет назад (рис. 7).

С оледенениями связан вопрос об эволюции скелетов. Впервые хитиновые (белковые) скелеты появились на границе протерозоя. Минеральные скелеты — фосфатные, карбонатные, силикатные, появились лишь через 1.5-2 млрд. лет. Почему? Это вопрос нерешенный, возможно, это результат частых неблагоприятных обстановок, связанных с оледенениями.

Рис. 7. Условия температуры и давления в разновозрастных метаморфических породах (а) и условия изменения динамики мантии и континента в интервале 650-750 млн. лет назад (б) (Maruyama. Liou. 2005, с изменениями). Взаимосвязанные события 1-8 — см. пояснения в тексте.

Рис. 8. Сценарий изменения биоразнообразия в фанерозое (Sep-koski. 1996) в сравнении с важнейшими импульсами мантийных плюмов (красные точки на шкале времени — Добрецов и др.. 20016).

Основанием для построения рис. 5 и 6 и других аналогичных диаграмм, служат не только геологические и палеонтологические данные, но и данные молекулярной биологии, так называемые «молекулярные часы», основанные на средне-постоянной скорости синонимичных или нейтральных мутаций (Kumar, Hedges, 1998; Cavalier-Smith, 2002; Колчанов и др., 2003). Приведем только важнейшие рубежи, установленные этим методом. Появление и дивергенция эука-риот-2.2-1.8 млрд. лет назад. Важно, что 1.8 млрд. лет (эта цифра везде повторяется) — это либо завершение этого процесса, либо его максимум. Наконец, для многоклеточных организмов две цифры. Одна — общий предок растений, животных и грибов появился 1.5-1.6 млрд. лет назад. Вторая-общий предок водорослей и наземных растений это 1 млрд. или 1.17 млрд. лет.

Изюминкой Вашего загородного дома непременно станет баня из липы, качественный сруб для строительство которой Вы сможете приобрести на сайте простосруб.рф.

Верхняя синяя кривая-это число возрастных определений гранитоидов и других пород континентальной коры, красная — мантийных пород. Кружками отмечены те рубежи, которые близки к отмеченным выше. Минимумы: 240 млн. лет, 645 млн. лет, 1.36 млрд. лет, 2.26 млрд. лет, 3.14 млрд. лет, 4 млрд. лет. Интервалы между древнейшими минимумами 900 млн. лет, между последними — 650-700 млн. лет, как и на рис. 1. Как видно, на рис. 1-3 есть расхождения, но многие рубежи совпадают (4.0; 3.1; 2.7; 2.3; 1.8; 0.65 или 0.75 млрд. лет).

Рис. 3. Кривые изотопных датировок коровых пород (синяя линия CR) и мантийных пород (красная линия. М). по оси ординат — число датировок для CR и М (Балашов. Глазнев. 2008). Кружками обведены наиболее значимые минимумы и максимумы, соответствующие границам на рис. 1. 2.

Важные рубежи, скажем, 2.7 или 1.8-1.9 млрд. лет на рис. 3 совпадают с максимумами. На самом деле, границу можно проводить либо по минимуму, либо по максимуму, поэтому и те, и другие границы реально существуют. Тем не менее, проблемы периодизации ранней истории Земли остаются дискуссионными, особенно событий догеологической истории (4.6-4.0 млрд. лет) и раннеархейских событий (4.0-3.1 млрд. лет). Часто используемые древнейшие цифры континентальной коры 4.1-4.3 млрд. лет — это возраст древнейших окатанных цирконов, найденных в конгломератах более молодых толщ в Австралии (Wilde et al., 2001). На самом деле, они не служат показателем настоящей континентальной коры. Дело в том, что эти цирконы содержат алмазы, скорее всего, импактного (ударно-метеоритного) происхождения. Цирконы, вмещающие алмаз, по изотопному составу кислорода, переменному Th/V отношению, некоторыми деталями внутренней структуры напоминают лунные цирконы импактного происхождения (Nemchin et al., 2006; Menneken et al., 2007). Из всех известных импактных кратеров алмазы в большом количестве есть только в Попигайском кратере (отдельные алмазы есть и в других кратерах) (Haggerty, 1999). То есть это были, скорее всего, импактные кратеры не меньше Попигайского, диаметром 100-200 км, а цирконы — скорее всего, ударного (импактного) происхождения.

Оценки мантийных событий на рис. 3 основываются на анализе базит-гипербазитовых серий и офиолитов. Начинаются они с серии Исуа в Гренландии с возрастом 3.8 3.9 млрд. лет и завершаются излияниями срединно-океанических базальтов (MORB). На рис. 4 приведены оценки температур лав (Исуа MORB) и температур источников мантийных плюмов. Правда, эти источники расположены непосредственно под литосферой, поэтому температура здесь примерно на 300 °С ниже той температуры, которая показана на рис. 1, А и которая является температурой на границе верхней и нижней мантии. Но тенденции примерно те же самые, хотя есть отличия. На рубеже 2.6 млрд. лет (рубеж архея и протерозоя) на рис. 1, А более интенсивно снижалась температура, а потом она перестала снижаться.

Рис. 4. Эволюция потенциальной мантийной температуры (plume sours) и температуры верхнемантийных плюмовых расплавов в сравнении с содержанием в них FeO. Серии Isua (Исуа. Гренландия): NP — район Северный блок, Пил-бара; HM, KI — протерозойские комплексы в Австралии; MORB — современные базальты срединно-океанических хребтов (Komija. 2007). Справа показана магнезиальность пород (Mg=85-90 %). Соответствующие содержания FeO в мантии 10 и 8 %.

А на рис. 4 температура подкорковых очагов варьировала на одном уровне, около 1500 °С, а потом, после 2500 млн. лет, систематически стала снижаться до 1300°С. Поведение FeO в мантии и температуры лав менялись синхронно. До рубежа архея-протерозоя концентрация железа в мантии варьировала незначительно, а после этого непрерывно снижалась. Магнезиальность (Mg на рис. 4 — отношение Mg к сумме Mg+Fe) росла от 85 до 90 %). Этот вывод несколько неожиданный. Можно ожидать, что железо (особенно в верхней мантии) в результате его истощения и за счет появления разнообразных дифференцированных серий, уходит из мантии, что объяснено ниже изменением конвекции в мантии.

Теперь перейдем к эволюции биосферы и ее корреляции с эволюцией геосферы. На рис. 1, С показаны главные рубежи и корреляция, а на рис. 5 — сценарий этой эволюции (Добрецов, 2005; Dobretsov et al., 2008).

Рис. 5. Сценарий главных стадий зарождения и эволюции жизни (Добрсцов, 2005; Dobretsov et al., 2008).

Рис. 6. Появление и развитие фотосинтеза и рост биоразнообразия в сравнении с важнейшими оледенениями в докембрии и изменением числа континентов (от 1 — Пангеи. до 6). Максимум железистых кварцитов (Заварзин, 2001, 20036), рост биоразнообразия эукариот (Fedonkin, 2003).

Выделены четыре стадии эволюции биосферы мир РНК, прокариотический мир, эукариоты, многоклеточные организмы с «дарвиновской эволюцией». Многие границы здесь надо, вероятно, удревнить, например, появление мира РНК (на рис. 1, С и 5 — 3.8 млрд. лет) — теперь, скорее, 4.0 или 4.1 млрд. лет (Розанов, 2003, 2006; Ferris, 2005). На этой первой, доклеточной стадии (т. е. в мире РНК) уже появились белки, так как клеточные протомембраны, в частности, их осмотические помпы, строились с участием белков. Синтез АТФ в клетках обеспечивается белковыми помпами — древнейшей натриевой и более поздней протонной. Для этих сложных белковых конструкций нужно время на их создание и эволюцию (Chetverin, 1999; Колчанов и др., 2003; см. доклад А.С. Спирина). Поэтому рубеж около 4 млрд. лет — важнейший, поскольку знаменует исчезновение доклеточной (Bernal, 1967) и появление белково-клеточной формы жизни. Возможно, удревнения заслуживают другие границы, как считает А.Ю. Розанов (2003; Rozanov, 2006). Например, прокариоты появились не 3.6, а 3.8 3.9 млрд. лет назад, эукариоты — не 1.7 млрд. лет назад, а раньше 1.8 млрд. лет назад. Один из вопросов, который далее будет обсуждаться, — где проводить границу появления животных — 1 млрд. или 750 млн., или 650 млн. лет назад.

Множество сайтов зазывают Вас заманчивыми предложениями вида “справка в гаи купить”, однако исполнить его под силу лишь опытным специалистам сайта www.pagedoctor.com, которые помогут Вам за 10 минут и без прохождения медкомиссий получить заветную справку.

О РАННИХ СТАДИЯХ ЭВОЛЮЦИИ ГЕОСФЕРЫ, БИОСФЕРЫ И ПРОБЛЕМАХ РАННИХ ОЛЕДЕНЕНИЙ

©2009 г. Н.Л.Добрецов

Объединенный институт геологии, геофизики и минералогии СО РАН

Ранние стадии эволюции геосферы и биосферы определяются тремя взаимосвязанными причинами: 1) непрерывное остывание поверхности и недр (мантии) Земли (снижение средней температуры мантии в 1.5-2 раза, поверхностной в 3-4 раза, среднего теплового потока на порядок, вязкости на 3 порядка); 2) непрерывное ступенчатое окисление поверхности, наиболее существенное в интервале 3.8-1.8 млрд. лет назад; 3) периодические и сопряженные колебания условий в геосфере и биосфере разного масштаба и природы. Важнейшими рубежами этой эволюции являются рубежи около 4 млрд. лет назад (рождение мощной, но неоднородной земной коры, начало жизни), около 3 млрд. лет назад (появление сильного магнитного поля, усиление фотосинтетической активности), около 1.8-1.9 млрд. лет назад (появление окисленной атмосферы, первого суперконтинента, возможно первых суперплюмов от ядра), около 0.75 млрд. лет назад (ускорение субдукции, «обводнение» верхней мантии, поднятие континентов с обширной сушей, шельфами, большими реками, первые крупные оледенения). Значение и корреляция событий самой ранней истории (до и около 4 млрд. лет назад), событий около 750 млн. лет назад -предмет острой дискуссии. В позднем архее и раннем протерозое (до 1.8 млрд. лет назад) в биосфере преобладали цианобактерий, динамика и максимумы развития которых фиксируются по широкому развитию строматолитовых построек в карбонатных породах (вначале преимущественно доломитовых). На рубеже 700-750 млн. лет назад появились сильные и частые оледенения как отражение остывания Земли. Возможно, максимальным было оледенение около 640 млн. лет назад, для которого дискутируется модель замерзшей Земли (snowball). С оледенениями также связан вопрос о появлении и эволюции скелетов в животном мире. Эти события коррелируются и объясняются крупными эндогенными изменениями. Одно из важнейших событий в эндогенной истории — старт около 750 млн. лет назад периодического проявления мантийных струй (суперплюмов), объясняющих дальнейшую периодизацию эволюции биосферы. В заключение приведена экстраполяция будущей эволюции и последовательного исчезновения сегментов биосферы по мере превращения Солнца в красную звезду и разогрева поверхности Земли.

В первой части статьи я остановлюсь на эволюции Земли и геосферы и важнейших событиях этой эволюции.

Начнем с диаграммы (рис. 1), отражающей три основных тенденции в эволюции геосферы и, соответственно, взаимосвязанной эволюции биосферы (Dobretsov et al., 2008). Первая — это непрерывное остывание недр (мантии) и поверхности Земли (Tajika, Matsui, 1992; Добрецов, 2003). Остывание мантии показано на этой диаграмме в виде снижения средней температуры (в 1.5-2 раза с 3 000 °С по 2 100 °С), среднего теплового потока (почти на порядок) и повышения вязкости (на 3 порядка). Вторая тенденция — это непрерывное окисление поверхности Земли, приводящее, в частности, к осаждению железистых кварцитов (т. е. магнетита), в интервале 3.2-1.8 млрд. лет, а затем, после 1.8 млрд. лет к появлению красноцветов и гематита (по Заварзину, 2003а). Третья тенденция — периодическое колебание всех параметров, включая температуру недр и поверхности, а также взаимосвязанных параметров (Добрецов и др., 2001а). На рис. 1 выделены зелеными и красными линиями главные интервалы в этой периодичности. Природа этой периодичности и границы тех периодов, которые можно наметить — это один из предметов дискуссии. Красное поле в интервале 4.6-3.8 млрд. лет иллюстрирует вывод, что начиная с 3.8 млрд. лет эволюция недр Земли была единой, несмотря на возможность разных начальных условий (Tajika, Matsui, 1992). Что касается взаимосвязанной эволюции биосферы и геосферы, то я об этом еще буду говорить не один раз. Но отражение взаимосвязанного ступенчатого развития — это ступенчатое окисление, показанное внизу на рис. 1. Возможные минимумы и максимумы окислительного потенциала допускает, в частности, А.Ю. Розанов (2003). Вероятно, намеченные границы надо будет продвигать в сторону некоторого удревнения (Rozanov, 2006).

Для сравнения приведем совершенно независимую оценку эволюции Земли (рис. 2), полученную под руководством японского исследователя Ш. Маруямы (Maruyama, Liou, 2005; Maruyama et al., 2007). Им выделены семь важнейших событий в эволюции биосферы и геосферы. Первое — рождение Земли (4.55 млрд. лет), второе (около 4 млрд. лет) — начало жизни, рождение континентальной коры, инициирование плейт-тектоники. Насчет континентальной коры и плейт-тектоники я сомневаюсь, а то, что рождение жизни произошло около этого рубежа — сейчас уже стало привычным допущением (Schidlowski, 1988; Zavarzin, 2008) и совпадает с нашей границей (рис. 1). Третье событие (около 2.7 или 3.0 млрд. лет) — появление сильного «магнитного динамо» (слабое магнитное поле было и до этого), связанное с появлением твердого внутреннего ядра, а также усиление фотосинтетической активности. Фотосинтез появился раньше, но в полную меру заработал около 2.7 млрд. лет назад. Причем японские авторы связывают это в том числе с резким усилением магнитного поля. Четвертое событие (около 1.9 млрд. лет) — появление первого суперконтинента, который был связан с карельской фазой складчатости и, возможно, в связи с появлением постперовскитовых фаз на границе жидкого ядра и нижней мантии и появлением обогащенного слоя, который потом стал рождать плюмы и суперплюмы. Это объяснение тоже пока неоднозначное, но то, что граница номер 4 — это время появления суперконтинента и целого ряда других магматических и тектонических событий, — с этим можно согласиться. Можно двигать ее ближе к 1.8 млрд. лет, но это уже в пределах точности измерений на этот период.

Пятый рубеж около 0.75 млрд. лет — очень важный рубеж, о котором я еще буду говорить. Существенно ускорилась субдукция и вода в виде водных минералов снова стала поступать в мантию, до этого мантия успела «высохнуть». В связи с усилением субдукции и разуплотнения обводненной мантии произошло поднятие континентов и появились обширная суша и шельф, большие реки и т. д. (см. ниже рис. 7). Одна из крупнейших перестроек в термальном режиме и, соответственно, условий на поверхности около 750 млн. лет назад прошла в литературе незамеченной. И по мнению Ш. Маруямы и др. (Maruyama et al., 2007), здесь еще огромное поле работы. Шестое событие на палеозойско-мезозойской границе (250 млн. лет назад) — массовое вымирание, связанное с действием суперплюма, породившего сибирские траппы, а также и эмейшаньские траппы в Китае и Вьетнаме и, наверное, еще много других крупных базальтовых излияний в древних океанах, реликты которых не сохранились. Седьмое событие (последние миллионы лет) — это появление человека и его взаимодействие с биосферой, следствием которого могли стать массовые вымирания в голоцене. Пунктиром на рис. 2 показаны еще промежуточные рубежи, о которых говорится в тексте. И тут тоже получились интервалы по 600-700 млн. лет, как на рис. 1.

Рис. 1. Эволюция мантии (А), геосферы (В) и биосферы (С) (Dobrctsov ct al., 2008).

А — Рассчитанные вариации средних значений температуры Т °С. теплового потока q и вязкости v (жирные линии по: Tajika, Matsui, 1992, вариации по: Добрецов и др., 2001а), сопоставимые с вариациями возраста гранитов и мантийных пород).

В — Важнейшие индикаторы эволюции геосферы (сверху вниз):

— гистограмма возраста гранитов и мантийных пород (Балашов, 1985; см. также рис. 3);

— вариации К.,0 Na,0 в гранитах и терригенных породах в сравнении с возрастом суперконтинентов Pangea I-IV (Добрецов и др., 2001; Condie, 2005);

— вариации изотопов Sr в карбонатных породах (Добрецов и др., 2001; Dobretsov et al., 2008);

— интервалы формирования железистых кварцитов, красноцветов, восстановленных и окисленных осадков (Заварзин, 2003а; Fallick et al., 2008);

С — стадии эволюции биосферы (Добрецов, 2005; Dobretsov et al., 2008) с учетом распределения цианобактерий (Заварзин, 2001; Sergeev et al., 2002). MBGB — современная биоразнообразная глобальная биосфера. Точками показан период расцвета Algae, точки со штрихами — период расцвета наземных растений. (Кривая эволюции атмосферного кислорода по: Розанов. 2003).

Рис. 2. Важнейшие события в истории Земли (Maruyama et al., 2007, с уточнениями): 1. Рождение Земли; 2. Рождение жизни, континентальной коры, возможное начало тектоники плит; 3. Рождение внутреннего ядра, усиление магнитного поля и выделения фотосинтетического кислорода в атмосфере; 4. Рождение первого достоверного суперконтинента, появление эукариот; 5. Начало возвращения морской воды в верхнюю мантию и результирующее появление обширных континентов выше уровня моря; 6. Pz/Mz массовое вымирание; 7. Появление человека и вымирания в голоцене.

Для сравнения с рис. 1 и 2 приведены диаграмма Ю. А. Балашова и В.А. Глазнсва (2008) с максимумами и минимумами изотопных возрастов (рис. 3). На рис. I она показана в упрощенном виде, в верхней части сектора В (эволюция геосферы).

Если Вы часто работаете с таблицами, то, скорее всего, уже знаете о пакете программ Office Web Apps, в число которых входит excel online, основными преимуществами которого является возможность запуска через окно браузера. Более полную информацию по данному продукту Вы сможете получить по адресу www.kontur365.ru.

Купить роскошную люстру, элегантный потолочный светильник или покоряющую своей строгостью настольную лампу проще простого! Все, что для этого нужно сделать, это вбить в поисковую строку Яндекса запрос: “евросвет интернет магазин”, который пренепременно приведет Вас на сайт интернет-магазина Lust-ra.ru.

О том, какая растительность была на острове Кавказ 20 млн. лет назад, можно судить по многочисленным остаткам углифицированной флоры караганского горизонта. К ископаемым такого рода относится и шишка сосны Pinus

Ископаемые-невидимки

Ископаемые растительные формы — не редкость. Но, тем не менее, для того, чтобы сохранились ветка, лист или плод нужны особые условия. Совсем другое дело — пыльца. Оболочку пыльцы составляют очень прочные вещества, благодаря чему она хорошо сохраняется в ископаемом виде. Чтобы ее рассмотреть потребуется микроскоп, ведь размеры пыльцы составляют всего 1,0-4.0 мкм. Пыльца каждого растения уникальна по своему строению. На основе изучения ее состава ученые с большой точностью воссоздают картину далекого прошлого. Особенно хороши эти методы для создания палеоклиматических реконструкций. Так, изучение ископаемой пыльцы, в кайнозойских осадочных породах Северо-Западного Кавказа, помогло в создании палеоклиматических карт для различных исторических моментов времени.

Ископаемая хвоя пихты из сарматских отложений р. Апчас

Сарматский век

Сарматский век (около 11 млн. лет назад) является одной из ярчайших страниц палеонтологической летописи Горячего Ключа. В отложениях этого возраста найдено огромное количество ископаемой флоры и фауны. Разнообразие фоссилий позволяет нам лучше представить далекое прошлое острова Кавказ, воссоздать его природу, а также реконструировать мир его подводных обитателей.

К середине неогена климат почти не изменился, растительное сообщество также не претерпело значительных изменений. Подтверждением этому служит ископаемая флора позднего миоцена. В сарматских отложениях Горячего Ключа встречаются углифицированные остатки широколиственных и хвойных деревьев, существовавших и в более раннее, караганское время. В серо-синих глинах сарматского яруса встречены отпечатки листьев вяза, ивы, каштана, тополя, хвоя пихты современного типа, и некоторая другая флора того времени.

Растительный мир конца неогена соответствовал теплому солнечному климату с мягкой, лишенной морозов зимой. Состав флоры был достаточно смешанным, здесь можно было встретить платаны с лаврами, пальмы и привычные сегодня дубы, каштаны да грабы. Углифицированные остатки деревьев и кустарников плиоценового возраста встречаются в обнажениях бортов реки Псекупс, прямо в самом центре Горячего Ключа. Они находятся в мелководных отложениях морского бассейна, среди богатой фауны двустворчатых и брюхоногих моллюсков.

В сарматских отложениях Горячего Ключа встречаются разнообразные остатки растительности. Они бывают унифицированными (ветка ивы справа) или в виде отпечатков в плотной породе (лист вяза, слева)

В плиоцене растительный мир Горячего Ключа окончательно сформировался как современный. С наступлением эпохи глобальных оледенений происходила неоднократная смена его состава. Ледниковые фазы определяли присутствие здесь более устойчивых к холодам растений: ели, пихты, некоторых широколиственных. Состав флоры межледниковых периодов, в большей степени, соответствовал современному, но с некоторым проникновением южных, более теплолюбивых форм.

В конце плиоцена лес Горячего Ключа принимает современный вид

История распространения флоры в целом, по всей евразийской территории, показывает четкую зависимость. В ее географическом распределении гораздо более важную роль играл климатический фактор, а не способность деревьев к естественному расселению. До определенного момента на эволюцию растительного мира действовали только геологические и климатические силы. Появление человека разумного к этим механизмам добавило мощное антропогенное влияние.

Лес

Лесом называют часть поверхности суши, покрытую древесными растениями. Первые на Земле леса появились в девоне (около 400 млн. лет назад) и состояли из лепидофитов, членистостебельных, папоротникообразных и голосеменных. С тех пор эволюция наземной жизни планеты неотъемлемо связана с лесом. Появление покрытосеменных в мезозое (около 140 млн. лет назад) изменяет состав лесов, все больше приближая его к современному виду. Во все исторические эпохи леса оказывали заметное влияние на формирование погоды, климат в целом, а также на процессы, происходящие на земной поверхности и под нею.