Происхождение Земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В одной галактике насчитывается около 100 млрд звезд, а всего в нашей Вселенной существует 100 млрд галактик. Если бы вам вздумалось отправиться в путешествие с Земли к самому краю Вселенной, то это заняло бы у вас больше 15 млрд лет при условии, что вы будете передвигаться со скоростью света - 300 000 км в секунду. Но откуда же появилась космическая материя? Как возникла Вселенная? История Земли насчитывает около 4,6 млрд лет. За это время на ней возникали и вымирали многие миллионы видов растений и животных; вырастали и обращались в прах высочайшие горные хребты; громадные материки то раскалывались на части и разбегались в разные стороны, то сталкивались друг с другом, образуя новые гигантские массивы суши. Откуда же мы все это знаем? Дело в том, что, несмотря на все катастрофы и катаклизмы, которыми столь богата история нашей планеты, на удивление многое из ее бурного прошлого запечатлевается в горных породах, существующих и поныне, в окаменелостях, которые в них находят, а также в организмах живых существ, обитающих на Земле в наши дни. Разумеется, эта летопись неполная. Нам попадаются лишь ее фрагменты, между ними зияют пустоты, из повествования выпадают целые главы, крайне важные для понимания того, что происходило на самом деле. И все-таки даже в столь урезанном виде история нашей Земли не уступит в увлекательности любому детективному роману.

Астрономы полагают, что наш мир возник в результате Большого Взрыва. Взорвавшись, гигантский огненный шар разметал по пространству материю и энергию, которые впоследствии сгустились, образовав миллиарды звезд, а те, в свою очередь, объединились в многочисленные галактики.

Теория большого взрыва

Теория, которой придерживается большинство современных ученых, утверждает, что Вселенная образовалась в результате так называемого Большого Взрыва. Невероятно горячий огненный шар, температура которого достигала миллиардов градусов, в какой-то момент взорвался и разбросал во всех направлениях потоки энергии и частиц материи, придав им колоссальное ускорение.

Любое вещество состоит из крохотных частиц - атомов. Атомы - это мельчайшие материальные частицы, способные принимать участие в химических реакциях. Однако они, в свою очередь, состоят из еще более мелких, элементарных, частиц. В мире существует множество разновидностей атомов, которые называются химическими элементами. Каждый химический элемент включает в себя атомы определенных размеров и веса и отличается от других химических элементов. Поэтому в ходе химических реакций каждый химический элемент ведет себя только ему одному присущим образом. Все сущее во Вселенной, от крупнейших галактик до мельчайших живых организмов, состоит из химических элементов.

После большого взрыва

Поскольку огненный шар, разлетевшийся на части в результате Большого Взрыва, имел колоссальную температуру, крохотные частицы материи обладали поначалу слишком большой энергией и не могли соединиться друг с другом, чтобы образовать атомы. Однако спустя примерно миллион лет температура Вселенной понизилась до 4000"С, и из элементарных частиц стали формироваться различные атомы. Сначала возникли самые легкие химические элементы - гелий и водород. Постепенно Вселенная охлаждалась все сильнее и образовывались более тяжелые элементы. Процесс образования новых атомов и элементов продолжается и по сей день в недрах таких звезд, как, к примеру, наше Солнце. Их температура необычайно высока.

Вселенная остывала. Новообразованные атомы собирались в гигантские облака пыли и газа. Частицы пыли сталкивались друг с другом, сливались в единое целое. Гравитационные силы притягивали маленькие объекты к более крупным. В результате во Вселенной со временем сформировались галактики, звезды, планеты.

Земля имеет расплавленное ядро, богатое железом и никелем. Земная кора состоит из более легких элементов и как бы плавает на поверхности частично расплавленных горных пород, образующих мантию Земли.

Расширяющаяся вселенная

Большой Взрыв оказался настолько мощным, что вся материя Вселенной с огромной скоростью разлетелась по космическому пространству. Более того, Вселенная продолжает расширяться и по сей день. Мы можем с уверенностью утверждать это потому, что отдаленные галактики все еще отодвигаются от нас, а расстояния между ними постоянно увеличиваются. Значит, когда-то галактики располагались гораздо ближе друг к Другу, чем в наши дни.

Никто точно не знает, как именно образовалась Солнечная система. Основная теория гласит, что Солнце и планеты сформировались из завихряющегося облака космического газа и пыли. Более плотные части этого облака с помощью гравитационных сил притягивали к себе извне все большее количество вещества. В итоге из него возникли Солнце и все его планеты.

Микроволны из прошлого

Исходя из предположения, что Вселенная сформировалась в результате "горячего" Большого Взрыва, то есть возникла из гигантского огненного шара, ученые попробовали подсчитать, до какой степени она должна была охладиться к настоящему времени. Они пришли к выводу, что температура межгалактического пространства должна составлять около -270°С. Температуру Вселенной ученые определяют и по интенсивности микроволнового (теплового) излучения, идущего из глубин космоса. Проведенные измерения подтвердили, что она в самом деле составляет примерно -270"С.

Каков возраст Вселенной

Чтобы узнать расстояние до той или иной галактики, астрономы определяют ее размеры, яркость и цвет излучаемого ею света. Если теория Большого Взрыва верна, то, значит, все существующие ныне галактики первоначально были стиснуты в один сверхплотный и горячий огненный шар. Вам достаточно поделить расстояние от одной галактики до другой на скорость, с какой они удаляются друг от друга, чтобы установить, как давно они составляли единое целое. Это и будет возрастом Вселенной. Разумеется, этот метод не позволяет получить точных данных, но все же он дает основания полагать, что возраст Вселенной -от 12 до 20 млрд лет.

Поток лавы вытекает из кратера вулкана Килауэа, расположенного на о-ве Гавайя. Когда лава выходит на поверхность Земли, она застывает, образуя новые горные породы.

Образование Солнечной системы

Галактики сформировались, по всей вероятности, спустя примерно 1 - 2 млрд лет после Большого Взрыва, а Солнечная система возникла приблизительно на 8 млрд лет позже. Ведь материя распределялась по пространству отнюдь не равномерно. Более плотные области, благодаря гравитационным силам, притягивали к себе все больше пыли и газа. Размеры этих областей стремительно увеличивались. Они превращались в гигантские завихряющиеся облака пыли и газа - так называемые туманности.

Одна такая туманность - а именно солнечная туманность - сгустившись, образовала наше Солнце. Из других частей облака возникли сгустки вещества, ставшие планетами, в том числе Землей. Они удерживались на своих околосолнечных орбитах мощным гравитационным полем Солнца. По мере того как гравитационные силы притягивали частицы солнечного вещества все ближе и ближе друг к другу, Солнце становилось все меньше и плотнее. При этом в солнечном ядре возникло чудовищное давление. Оно преобразовывалось в колоссальную тепловую энергию, а это, в свою очередь, ускоряло ход термоядерных реакций внутри Солнца. В (результате образовывались новые атомы и выделялось еще больше тепла.

Возникновение условий для жизни

Примерно те же процессы, хотя и в значительно меньших масштабах, происходили и на Земле. Земное ядро стремительно сжималось. Из-за ядерных реакций и распада радиоактивных элементов в недрах Земли выделялось так много тепла, что образующие ее горные породы расплавились. Более легкие вещества, богатые кремнием - похожим на стекло минералом, - отделились в земном ядре от более плотных железа и никеля и образовали первую земную кору. Спустя примерно миллиард лет, когда Земля существенно охладилась, земная кора затвердела и превратилась в прочную внешнюю оболочку нашей планеты, состоящую из твердых горных пород.

Остывая, Земля выбрасывала из своего ядра множество различных газов. Обычно это происходило при извержении вулканов. Легкие газы, такие, как водород или гелий, большей частью улетучивались в космическое пространство. Однако сила притяжения Земли была достаточно велика, чтобы удерживать у ее поверхности более тяжелые газы. Они-то и составили основу земной атмосферы. Часть водяных паров из атмосферы сконденсировалась, и на Земле возникли океаны. Теперь наша планета была полностью готова к тому, чтобы стать колыбелью жизни.

Рождение и гибель горных пород

Земная суша образуется твердыми горными породами, зачастую покрытыми слоем почвы и растительностью. Но откуда эти горные породы берутся? Новые горные породы формируются из вещества, рождающегося глубоко в недрах Земли. В нижних слоях земной коры температура намного выше, чем па поверхности, а составляющие их горные породы находятся под огромным давлением. Под воздействием жара и давления горные породы прогибаются и размягчаются, а то и вовсе плавятся. Как только в земной коре образуется слабое место, расплавленные горные породы - их называют магмой - прорываются на поверхность Земли. Магма вытекает из жерлов вулканов в виде лавы и распространяется на большой площади. Застывая, лава превращается в твердую горную породу.

Взрывы и огненные фонтаны

В одних случаях рождение горных пород сопровождается грандиозными катаклизмами, в других проходит тихо и незаметно. Существует множество разновидностей магмы, и из них образуются различные типы горных пород. К примеру, базальтовая магма очень текуча, легко выходит на поверхность, растекается широкими потоками и быстро застывает. Иногда она вырывается из жерла вулкана ярким "огненным фонтаном" - такое происходит, когда земная кора не выдерживает ее давления.

Другие виды магмы гораздо гуще: их густота, или консистенция, больше похожа на черную патоку. Содержащиеся в такой магме газы с большим трудом пробиваются на поверхность сквозь ее плотную массу. Вспомните, как легко пузырьки воздуха вырываются из кипящей воды и насколько медленнее это происходит, когда вы нагреваете что-нибудь более густое, к примеру кисель. Когда более плотная магма поднимается ближе к поверхности, давление на нее уменьшается. Растворенные в пей газы стремятся расшириться, но не могут. Когда же магма наконец вырывается наружу, газы расширяются столь стремительно, что происходит грандиозный взрыв. Лава, обломки горных пород и пепел разлетаются во все стороны, как снаряды, выпущенные из пушки. Подобное извержение случилось в 1902 г. на о-ве Мартиника в Карибском море. Катастрофическое извержение вулкана Моптапь-Пеле полностью разрушило порт Сеп-Пьер. Погибло около 30 000 человек.

Образование кристаллов

Горные породы, формирующиеся из остывающей лавы, называют вулканическими, или изверженными, горными породами. Пока лава остывает, минералы, содержащиеся в расплавленных породах, постепенно превращаются в твердые кристаллы. Если лава остывает быстро, кристаллы не успевают вырасти и остаются очень маленькими. Подобное происходит при образовании базальта. Иногда лава охлаждается столь быстро, что из нее получается гладкая стеклообразная порода, вообще не содержащая кристаллов, такая, как обсидиан (вулканическое стекло). Подобное, как правило, случается при подводном извержении или когда маленькие частицы лавы выбрасываются из жерла вулкана высоко в холодный воздух.

Эрозия и выветривание горных пород в каньонах Сидар-Брейкс, штат Юта, США. Эти каньоны образовались в результате эрозионного воздействия реки, проложившей свое русло через слои осадочных пород, "выдавленных" кверху движениями земной коры. Обнажившиеся горные склоны постепенно выветрились, и обломки пород образовали на них каменистые осыпи. Посреди этих осыпей торчат выступы все еще твердых скал, которые и образуют края каньонов.

Свидетельства минувшего

Размеры кристаллов, содержащихся в вулканических породах, позволяют нам судить, насколько быстро остывала лава и на каком расстоянии от поверхности Земли она залегала. Перед вами кусок гранита, как он выглядит в поляризованном свете под микроскопом. Различные кристаллы имеют на этом изображении различный цвет.

Гнейс - метаморфическая горная порода, образовавшаяся из осадочной породы под воздействием тепла и давления. Рисунок из разноцветных полос, которые вы видите на этом куске гнейса, позволяет определить направление, в котором земная кора, двигаясь, давила на слои горных пород. Так мы получаем представление о событиях, происходивших 3,5 млрд лет тому назад. земля ископаемый фауна горный

По складкам и разломам (разрывам) в горных породах мы можем судить, в каком направлении действовали колоссальные напряжения в земной коре в давно минувшие геологические эпохи. Эти складки возникли в результате горообразующих движений земной коры, начавшихся 26 млн лет назад. В этих местах чудовищные силы сдавили слои осадочных горных пород - и образовались складки.

Магма далеко не всегда достигает поверхности Земли. Она может задерживаться в нижних слоях земной коры и тогда остывает гораздо медленнее, образуя восхитительные крупные кристаллы. Именно так возникает гранит. Величина кристаллов в некоторых голышах позволяет установить, каким образом много миллионов лет назад сформировалась данная порода.

Худуз, провинция Альберта, Канада. Дожди и песчаные бури разрушают мягкие горные породы быстрее, чем твердые, и в результате возникают останцы (выступы) с причудливыми очертаниями.

Осадочные "бутерброды"

Не все горные породы похожи на вулканические, такие, как гранит или базальт. Многие из них состоят из множества слоев и похожи на огромную стопку бутербродов. Они образовались когда-то из разрушенных ветром, дождями и реками других горных пород, обломки которых смыло в озера или моря, и они осели на дне под толщей воды. Постепенно таких осадков скапливается огромное количество. Они нагромождаются друг на друга, образуя слои толщиной в сотни и даже тысячи метров. Вода озера или моря давит на эти отложения с колоссальной силой. Находящаяся внутри них вода выдавливается, и они спрессовываются в плотную массу. В то же время минеральные вещества, прежде растворенные в выдавливаемой воде, как бы цементируют всю эту массу, и в итоге из нее формируется новая горная порода, которую называют осадочной.

И вулканические, и осадочные породы могут под воздействием движений земной коры выталкиваться кверху, образуя новые горные системы. В образовании гор участвуют колоссальные силы. Под их воздействием горные породы либо очень сильно нагреваются, либо чудовищно сжимаются. При этом они преобразовываются - трансформируются: один минерал может превратиться в другой, кристаллы расплющиваются и принимают иное расположение. В результате па месте одной горной породы возникает другая. Горные породы, сформировавшиеся при трансформации других горных пород под воздействием вышеупомянутых сил, называются метаморфическими.

Ничто не вечно, даже горы

На первый взгляд ничего не может быть прочнее и долговечнее, чем огромная гора. Увы, это всего-навсего иллюзия. Если основываться на геологической шкале времени, где счет идет на миллионы и даже сотни миллионов лет, то горы оказываются столь же преходящим, как и все остальное, включая нас с вами.

Любая горная порода, как только начнет подвергаться воздействию атмосферы, моментально будет разрушаться. Если вы взглянете на свежий обломок скалы или расколотый голыш, то увидите, что вновь образовавшаяся поверхность породы зачастую совсем иного цвета, чем старая, долго пробывшая па воздухе. Это объясняется воздействием кислорода, содержащегося в атмосфере, а во многих случаях - и дождевой воды. Из-за них на поверхности горной породы происходят различные химические реакции, постепенно изменяющие ее свойства.

Со временем эти реакции приводят к высвобождению минералов, скрепляющих породу, и она начинает рассыпаться. В породе образуются крохотные трещинки, в которые проникает вода. Замерзая, эта вода расширяется и разрывает породу изнутри. Когда лед растает, такая порода попросту развалится на куски. Очень скоро отвалившиеся куски породы смоют дожди. Этот процесс называется эрозией.

Ледник Мюир на Аляске. Разрушительное воздействие ледника и камней, вмерзших в него снизу и с боков, постепенно вызывает эрозию стен и дна долины, по которой он движется. В результате на льду образуются длинные полосы обломков горных пород - так называемые морены. При слиянии двух соседних ледников соединяются и их морены.

Вода-разрушитель

Куски разрушенной породы в конечном итоге попадают в реки. Течение тащит их по речному руслу и стачивает ими породу, которая образует само русло, пока уцелевшие обломки не найдут наконец тихое пристанище на дне озера или моря. Замерзшая вода (лед) обладает еще большей разрушительной силой. Ледники и ледниковые покровы волокут за собой множество крупных и мелких обломков горных пород, вмерзших в их ледяные бока и брюха. Эти обломки проделывают глубокие борозды в породах, по которым движутся ледники. Ледник может переносить обломки скал, упавшие на него сверху, на многие сотни километров.

Скульптуры, созданные ветром

Ветер тоже разрушает горные породы. Особенно часто такое случается в пустынях, где ветер переносит миллионы мельчайших песчинок. Песчинки большей частью состоят из кварца, чрезвычайно прочного минерала. Вихрь песчинок ударяется о скалы, выбивая из них все новые и новые песчинки.

Часто ветер нагромождает песок в большие песчаные холмы, или дюны. Каждый порыв ветра наносит на дюны новый слой песчинок. Расположение склонов и крутизна этих песчаных холмов позволяют судить о направлении и силе ветра, их создавшего.

Ледники проделывают на своем пути глубокие U-образные долины. В Нантфранконе, Уэльс, ледники исчезли еще в доисторические времена, оставив после себя широкую долину, которая явно велика для небольшой речки, протекающей по ней ныне. Маленькое озеро на переднем плане перегорожено полосой особо прочной горной породы.

Эволюционное развитие организмов исследуется целым рядом наук, рассматривающих разные аспекты этой фундаментальной проблемы естествознания. Ископаемые остатки животных и растений существовавших на Земле в дрошедшие геологические эпохи, изучает палеонтология, которую и следует поставить на первое место среди наук, непосредственно связанных с исследованием эволюции органического мира. Изучая остатки древних форм и сопоставляя их с ныне живущими организмами, палентологи реконструируют облик, образ жизни и родственные связи вымерших животных и растений, определяют время их существования и на этой основе воссоздают филогенез -- историческую преемственность разных групп организмов, их эволюционную историю. Однако в решении этих сложных проблем палеонтология должна опираться на данные и выводы многих других наук, относящихся к кругу биологических, геологических и географических дисциплин (сама палеонтология, изучая ископаемые остатки организмов, находится как бы на стыке биологии и геологии). Для понимания условий жизни древних организмов, определения времени их существования и закономерностей перехода их остатков в ископаемое состояние палеонтология использует данные таких наук, как историческая геология, стратиграфия, палеогеография, палеоклиматология и др. С другой стороны, для анализа строения, физиологии, образа жизни и эволюции вымерших форм необходимо опираться на детальное знание соответствующих сторон организации и биологии ныне существующих организмов. Такое знание дают прежде всего работы в области сравнительной анатомии. Одной из основных задач сравнительной анатомии является установление гомологии органов и структур у разных видов. Под гомологией понимается сходство, основанное на родстве; наличие гомологичных органов доказывает прямые родственные связи обладающих ими организмов (как предков и потомков или как потомков общих предков). Гомологичные органы состоят из сходных элементов, развиваются из сходных эмбриональных зачатков и занимают сходное положение в организме. Развивающаяся ныне функциональная анатомия, а также сравнительная физиология дают возможность подойти к пониманию функционированля органов у вымерших животных. В анализе строения, жизнедеятельности и условий существования вымерших организмов ученые опираются на принцип актуализма, выдвинутый геологом Д. Геттоном и глубоко разработанный одним из крупнейших геологов XIX в. -- Ч. Лайелем. Согласно принципу актуализма, закономерности и взаимосвязи, наблюдаемые в явлениях и объектах неорганического и органического мира в дате время, действовали и в прошлом (а отсюда «настоящее есть ключ к познанию прошлого»). Конечно, этот принцип является допущением, но, вероятно, он верен в большинстве случаев (хотя всегда нужно принимать во внимание возможность какого-то своеобразия в протекании тех или иных процессов в прошлом по сравнению с современностью). Палеонтологическая летопись, представленная ископаемыми остатками вымерших организмов, имеет пробелы, иногда очень крупные, обусловленные специфичностью условий захоронения остатков организмов и крайней редкостью совпадения всех необходимых для этого факторов. Для воссоздания филогенеза организмов во всей полноте, для реконструкции многочисленных «недостающих звеньев» па родословном древе (графическом изображении филогенеза) чисто палеонтологические данные и методы оказываются во многих случаях недостаточными. Здесь приходит на помощь так называемый метод тройного параллелизма, введенный в науку известным немецким ученым Э. Геккелем и основанный на сопоставлении палеонтологических, сравнительно-анатомических и эмбриологических данных. Геккель исходил из сформулированного им «основного биогенетического закона», гласящего, что онтогенез (индивидуальное развитие организма) есть сжатое и сокращенное повторение филогенеза. Следовательно, изучение индивидуального развития современных организмов позволяет в какой-то мере судить о ходе эволюционных преобразований их далеких предков, в том числе и не сохранившихся в палеонтологической летописи. Позднее А. Н. Северцов в своей теории филэмбриогенезов показал, что соотношение онтогенеза и филогенеза гораздо сложнее, чем считал Э. Геккель. В действительности не филогенез творит индивидуальное развитие (новые эволюционные приобретения удлиняют онтогенез, прибавляя новые стадии), как полагал Геккель, а, наоборот, наследственные изменения хода онтогенеза приводят к эволюционным перестройкам («филогенез есть эволюция онтогенеза»). Лишь в некоторых частных случаях, когда эволюционная перестрой ка какого-либо органа происходит посредством изменения поздних стадий его индивидуального развития, т. е. новые признаки формируются в конце онтогенеза (такой способ эволюционной перестройки онтогенеза Северцов назвал анаболией), действительно наблюдается такое соотношение между онтогенезом и филогенезом, которое описывается биогенетическим законом Геккеля. Только в этих случаях можно привлекать эмбриологические данные для анализа филогенеза. Сам А. Н. Северцов дал интересные примеры реконструкции гипо тетических «недостающих звеньев» в филогенетическом древе. Изучение онтогенезов современных организмов имеет еще и другое, не менее важное для анализа хода филогенеза значение: оно позволяет выяснить, какие изменения онтогенеза, «творящие эволюцию», возможны, а какие -- нет, что дает ключ к пониманию конкретных эволюционных перестроек. Для понимания сущности эволюционного процесса, для причинного анализа хода филогенеза самое первостепенное значение имеют выводы эволюционистики -- науки, называемой также теорией эволюции или дарвинизмом, по имени великого создателя теории естественного отбора Ч. Дарвина. Эволюционистика, изучающая сущность, механизмы, общие закономерности и направления эволюционного процесса, является теоретической базой всей современной биологии. По сути дела, эволюция организмов представляет собой форму существования живой материи во времени, и все современные проявления жизни, на любом уровне организации живой материи, могут быть поняты лишь с учетом эволюционной предыстории. Тем в большей мере важны основные положения теории эволюции для изучения филогенеза организмов. Перечисленные науки отнюдь не исчерпывают перечень научных дисциплин, причастных к изучению и анализу развития жизни на Земле в прошедшие геологические эпохи. Для понимания видовой принадлежности ископаемых остатков и преобразований видов организмов во времени чрезвычайно важны выводы систематики; для анализа смены фаун и флор в геологическом прошлом -- данные биогеографии. Особое место занимают вопросы происхождения человека и эволюции его ближайших предков, имеющей некоторые специфические особенности по сравнению с эволюцией других высших животных, благодаря развитию трудовой деятельности и социальности.

Масштабы геологического времени

Изучая эволюцию организмов, необходимо иметь представление о ее ходе во времени, о продолжительности тех или иных ее этапов. Историческая последовательность образования осадочных пород, т. е. их относительный возраст, в данном районе устанавливается сравнительно просто: породы, возникшие позднее, отлагались поверх более ранних пластов. Соответствие относительного возраста пластов осадочных пород в разных регионах можно определить, сопоставляя сохранившиеся в них ископаемые организмы (палеонтологический метод, основы которого были заложены в конце XVIII -- начале XIX в. работами английского геолога У. Смита). Обычно среди ископаемых организмов, характерных для каждой эпохи, удается выделить несколько наиболее обычных, многочисленных и широко распространенных видов} такие виды получили название руководящих ископаемых. Как правило, абсолютный возраст осадочных пород, т. е. промежуток времени, прошедший со времени их образования, непосредственно установить нельзя. Информация для определения абсолютного возраста содержится в изверженных (вулканических) породах, которые возникают из остывающей магмы. Абсолютный возраст изверженных пород можно определить по содержанию в них радиоактивных элементов и продуктов их распада. Радиоактивный распад начинается в изверженных породах с момента их кристаллизации из расплавов магмы и продолжается с постоянной скоростью до тех пор, пока все запасы радиоактивных элементов не будут исчерпаны. Поэтому, определив содержание в горной породе того или иного радиоактивного элемента и продуктов его распада и зная скорость распада, можно достаточно точно (с воз можностью ошибки около 5%) вычислить абсолютный возраст данной породы. Для осадочных пород приходится принимать приблизительный возраст по отношению к абсолютному возрасту слоев вулканических пород. Длительное и кропотливое изучение относительного и абсолютного возраста горных пород в разных регионах земного шара, потре-бовавшее напряженной работы нескольких поколений геологов и палеонтологов, позволило наметить основные вехи геологической истории Земли. Границы между этими подразделениями соответствуют разного рода изменениям геологического и биологического (палеонтологического) характера. Это могут быть изменения режима осадконакопления в водоемах, приводящие к формированию иных типов осадочных пород, усиление вулканизма и горообразовательные процессы, вторжение моря (морская трансгрессия) благодаря опусканию значительных участков континентальной коры или повышению уровня океана, существенные изменения фауны и флоры. Поскольку подобные события происходили в истории Земли нерегулярно, продолжительность различных эпох, периодов и эр различна. Обращает на себя внимание огромная длительность древнейших геологических эр (археозойской и протерозойской), которые к тому же не разделены на меньшие временные промежутки (во всяком случае, нет еще общепринятого подрааделения). Это обусловлено в первую очередь самим фактором времени -- древностью отложений археозоя и протерозоя, подвергшихся за свою длительную историю значительному метаморфизму и разрушению, стершим существовавшие когда-то вехи развития Земли и жизни. Отложения археойской и протерозойской эр содержат чрезвычайно мало ископаемых остатков организмов; по этому признаку археозой и протерозой объединяют под названием «криптозой» (этап скрытой жизни) противопоставляя объединению трех последующих эр -- «фанерозой» (этап явной, наблюдаемой жизни). Возраст Земли определяется различными учеными по-разному, но можно указать на приближенную цифру 5 млрд. лет.

Отложения Криптозоя

Древнейшие остатки организмов были найдены в осадочных толщах Родезии, имеющих возраст 2,9--3,2 млрд. лет. Там обнаружены следы жизнедеятельности водорослей (вероятно, сине-зеленых), что убедительно свидетельствует, что около 3 млрд. лет назад на Земле уже существовали фотосинтезирующие организмы -- водоросли. Очевидно, появление жизни на Земле должно было произойти значительно раньше,-- может быть, 3,5-- 4 млрд. лет назад. Наиболее известна среднепротерозойская флора (нитчатые формы длиной до нескольких сотен микрометров и толщиной 0,6--16 мкм, имеющие различное строение, одноклеточные микроорганизмы(Рис.1), диаметром 1--16 мкм, также различного строения), остатки которой были обнаружены в Канаде --в кремнистых сланцах на северном берегу озера Верхнего. Возраст этих отложений составляет около 1,9 млрд. лет.

В осадочных породах, образовавшихся в промежутке времени между 2 и 1 млрд. лет назад, часто встречаются строматолиты, что говорит о широком распространении и активной фотосинтезирующей и рифостроительной деятельности сине-зеленых водорослей в этот период.

Следующий важнейший рубеж в эволюции жизни документируется рядом находок ископаемых остатков в отложениях, имеющих возраст 0,9--1,3 млрд. лет, среди которых найдены прекрасной сохранности остатки одноклеточных организмов размером 8--12 мкм, в которых удалось различить внутриклеточную структуру, похожую на ядро; обнаружены также стадии деления одного из видов этих одноклеточных организмов, напоминающие стадии митоза -- способа деления эукариотических (т. е. имеющих ядро) клеток.

Если интерпретация описанных ископаемых остатков правильна, это означает, что около 1,6--1,35 млрд. лет назад эволюция организмов прошла важнейший рубеж -- был достигнут уровень организации эукариот.

Первые следы жизнедеятельности червеобразных многоклеточных животных известны из позднерифейских отложений. В вендское время (650--570 млн. лет назад) существовали уже разнообразные животные, вероятно, принадлежавшие к различным типам. Немногочисленные отпечатки мягкотелых вендских животных известны из разных районов земного шара. Ряд интересных находок был сделан в позднепротерозойских отложениях на территории СССР.

Наиболее известна богатая позднепротерозойская ископаемая фауна, обнаруженная Р. Сприггом в 1947 г. в Центральной Австралии. Исследовавший эту уникальную фауну М. Глесснер считает, что она включает примерно три десятка видов очень разнообразных многоклеточных животных, относящихся к разным типам (Рис. 2). Большинство форм принадлежит, вероятно, к кишечно-полостным. Это медузоподобные организмы, вероятно «парившие» в толще воды, и прикрепленные к морскому дну полипоидные формы, одиночные или колониальные, напоминающие современных альционарий, или морские перья. Замечательно, что все они, как и другие животные эдиакарской фауны, лишены твердого скелета.

Кроме кишечно-полостных, в кварцитах Паунд, вмещающих эдиакарскую фауну, найдены останки червеобразных животных, причисляемых к плоским и кольчатым червям. Некоторые виды организмов интерпретируются как возможные предки членистоногих. Наконец, имеется целый ряд ископаемых остатков неизвестной таксономической принадлежности. Это указывает на огромное распространение фауны многоклеточных мягкотелых животных в вендское время,

Поскольку вендская фауна столь разнообразна и включает довольно высокоорганизованных животных, очевидно, что до ее возникновения эволюция продолжалась уже достаточно долго. Вероятно, многоклеточные животные появились значительно раньше -- где-то в промежутке 700--900 млн. лет назад.

Резкое увеличение богатства ископаемой фауны

Граница между протерозойской и палеозойской эрами (т. е. между криптозоем и фанерозоем) отмечается поразительным изменением в составе и богатстве ископаемой фауны. Внезапно (другого слова здесь, пожалуй, и не подберешь) после толщ верхнего протерозоя, почти лишенных следов жизни, в осадочных породах кембрия (первого периода палеозойской эры), начиная с самых нижних горизонтов, появляется огромное разнообразие и обилие остатков ископаемых организмов. Среди них остатки губок, плеченогих, моллюсков, представителей вымершего типа археоциат, членистоногих и других групп. К концу кембрия появляются почти все известные типы многоклеточных животных. Этот внезапный «взрыв формообразования» на границе протерозоя и палеозоя -- одно из самых загадочных, до сих пор полностью не разгаданных, событий в истории жизни на Земле. Благодаря этому начало кембрийского периода является столь заметной вехой, что нередко все предшествующее время в геологической истории (т. е. весь криптозой) именуют "докембрием.

Вероятно, обособление всех основных типов животных произошло в верхнем протерозое, в промежутке времени 600--800 млн. лет назад. Примитивные представители всех групп многоклеточных животных были небольшими лишенными скелета организмами. Продолжавшееся накопление кислорода в атмосфере и увеличение мощности озонового экрана к концу протерозоя позволили животным, как указано выше, увеличить размеры тела и приобрести скелет. Организмы получили возможность широко расселиться на малых глубинах различных водоемов, что повело к значительному повышению разнообразия форм жизни.

Жизнь в палеозойской эре.

Предисловие

Итак, на рубеже протерозоя и палеозоя произошел кажущийся или действительный взрыв формообразования, который привел к появлению в палеонтологической летописи кембрийского периода представителей почти всех известных типов организмов. Палеозойская эра продолжалась свыше 300 млн. лет. В течение этого времени на Земле произошли значительные изменения физико-географических условий: рельефа суши и морского дна, общего соотношения площади материков и океанов, положения континентов, климата и многих других факторов. Эти изменения неизбежно должны были сказываться на развитии жизни.

Арена жизни в Палеозое

На протяжении палеозоя море неоднократно наступало на континент, заливая опускавшиеся участки континентальных платформ (морские трансгрессии), и вновь отступало (морские регрессии). В первой половине палеозойской эры на Земле господствовал в целом теплый климат: средняя температура поверхности Земли была сравнительно высокой, а перепад температур между полюсами и экватором невелик. Теплый период в конце палеозоя (начиная со второй половины карбона) сменился холодным, с более низкой средней температурой и значительной разницей температур между полюсами и экватором. В позднем карбоне и ранней перми мощный ледниковый щит покрывал Антарктиду, Австралию, Индию, южные части Африки и Южной Америки -- это было время великого оледенения Гондваны. Северный полюс в палеозое находился и океане.

Жизнь в морях и пресных водоемах Палеозоя

Вероятно, в кембрийском периоде основные проявления жизни, как и в докембрии, были сосредоточены в морях. Однако организмы уже заселили все разнообразие доступных в море местообитаний, вплоть до прибрежного мелководья, и, возможно, проникли и в пресные водоемы.

Водная флора была представлена большим разнообразием водорослей, основные группы которых возникли еще в протерозое. Теплые моря кембрийского периода были обильно населены представителями различных групп животных. Наиболее богата была донная фауна неглубоких морей, прибрежных отмелей, заливов и лагун: на морском дне жили разнообразнейшие прикрепленные животные: губки, археоциаты, кишечнополостные (одиночные и колониальные представители различных групп полипов), стебельчатые иглокожие, плеченогие и др. Большинство из них питалось различными микроорганизмами (простейшие, одноклеточные водоросли и т. п.), которых они различными способами отцеживали из воды. Такое фильтрационное питание было широко распространено среди древних животных, сохранилось оно и у многих современных групп. Некоторые колониальные организмы, обладавшие известковым скелетом, возводили на дне моря рифы, подобно современным коралловым полипам.

Другие группы прикрепленных морских организмов, также переживших пышный расцвет в палеозойской эре, сохранялись до наших дней в лице немногочисленных видов. Таковы, например, стебельчатые иглокожие, представленные в палеозое семью классами, из которых до наших дней дожили лишь морские лилии. Сходная судьба была и у плеченогих-- своеобразных прикрепленных животных, снабженных двустворчатой раковиной (рис. 13) и внешне напоминающих двустворчатых моллюсков, но резко отличающихся от них внутренним строением. Замечательно, что с кембрийского периода до наших дней просуществовал род брахиопод лингула, который, судя по раковине, сохранил строение практически без изменений в течение свыше 500 млн. лет. Это один из наиболее ярких и удивительных примеров эволюционного консерватизма.

С морским дном были тесно связаны и многие другие группы животных. Некоторые приспособились к роющей жизни в толще донных осадков (различные черви, в том числе полухордовые; эти животные не имели твердого скелета и не сохранились в палеонтологической летописи палеозоя, но, несомненно, возникли еще в докембрии).

Среди водорослей и кораллов по морскому дну медленно ползали свободноживущие иглокожие (морские звезды, офиуры, голотурии и др.) и моллюски, основные группы которых известны начиная с кембрия. Свободноживущие иглокожие возникли, вероятно, от прикрепленных предков, унаследовав от них внешнюю радиальную симметрию тела. Организация же моллюсков сложилась в процессе приспособления к питанию различными донными обрастаниями и остатками погибших организмов, пищей обильной и легко доступной. Такой способ питания не требовал большой подвижности. А для защиты мягкого тела у моллюсков развилась прочная и тяжелая раковина, еще более ограничившая их подвижность. Но одна из групп моллюсков, вопреки общей эволюционной тенденции своего типа к развитию малоподвижных донных форм, уже в кембрии сумела перейти к освоению свободного плавания. Это были первые головоногие -- наутилоидеи, или кораблики, дожившие в лице единственного рода (Nautilus pompilius) до наших дней. Раковина корабликов преобразовалась в гидростатический аппарат, позволяющий этим моллюскам изменять свою плавучесть, поднимаясь или опускаясь в толще воды без мышечных усилий.

Среди палеозойских водных членистоногих были и хищники, из которых особенно выделяются эвриптериды, родственные современным скорпионам, но достигавшие длины около 2 м (Рис. 3). Это были самые крупные членистоногие, когда-либо существовавшие на Земле. Эвриптериды известны начиная с ордовика. Они достигли наибольшего расцвета в силуре и первой половине девона, но уже с середины девона число их видов начинает сокращаться. В ранней перми эти крупные хелицеровые исчезают. Возможно, судьба эвриптерид определилась тем, что примерно с середины девона в роли крупных водных хищников с ними начинают конкурировать различные группы хищных рыб.

Превосходство позвоночных рыб над членистоногими

Позвоночные рыбы оказались лучше приспособленными к быстрому плаванию в толще воды. Проблема локомоции у древних позвоночных была решена принципиально иначе, чем у членистоногих. У позвоночных развитие внутреннего: осевого скелета (хорды, а затем позвоночника) позволило использовать практически всю мускулатуру тела для создания силы поступательного движения посредством волнообразного изгибания тела и мощных ударом основного движителя--хвостового плавника. У членистоногих хитиновый наружный скелет не создавал таких предпосылок, а многочисленные членистые конечности были приспособлены в первую очередь для движения по дну, их использование для плавания менее эффективно.

После развития челюстей позвоночные получили преимущество перед крупными членистоногими и в приспособлении для нападения и защиты: внутренние челюсти позвоночных, расположенные в толще приводящих их в движение мышц, механически прочнее и надежнее, чем наружные хватательные приспособления и челюсти члопистоногих, возникшие из членистых конечностей. Благодаря этим преимуществам позвоночные заняли доминирующее положение среди активно плавающих (нектонных) животных с крупными размерами тела. Членистоногие оказались лучше приспособленными среди относительно мелких организмов; громадное большинство членистоногих имеет небольшие размеры. Зато в этой сфере членистоногие развили ни с чем не сравнимое разнообразие мелких форм, поражающее воображение количеством видов (в современной фауне - свыше 105 000 000 видов!). Позвоночные появляются в палеонтологической летописи начиная с нижнего ордовика.

Общие предки позвоночных и низших хордовых неизвестны; вероятно, эти животные еще не обладали твердым скелетом и имели мало шансов для успешной фоссилизации. О происхождении хордовых выдвигалось много различных гипотез. Непосредственные предки хордовых, вероятно, перешли к активному плаванию в толще воды. Приспособления к нектонному образу жизни создали предпосылки для дальнейшей прогрессивной эволюции этой группы. Активное плавание требовало усовершенствования нервной системы, рецепторов и локомоторной системы. С этим связано развитие мышц тела и возникновение уникального внутреннего скелета -- хорды. Кроме того, в хорде имеются сократимые волокна, подобные мышечным; их локальное сокращение повышает жесткость данного участка осевого-скелета и способствует быстрому выпрямлению соответствующего сегмента тела.

Древнейшие позвоночные были рыбообразными животными, лишенными челюстей, с телом, защищенным в той или иной степени панцирем. Их панцирь был образован крупными щитами и более мелкими щитками и пластинками, состоящими из трех слоев примитивных костных тканей (в том числе и дентина). Голову этих животных сверху и сбоку (а иногда и снизу) защищал сплошной головной щит с отверстиями для глаз, непарного органа обоняния и так называемого «теменного глаза» (светочувствительного дорсального придатка промежуточного мозга, игравшего у примитивных позвоночных важную роль в регуляции различных функций организма в соответствии с суточным и годовым циклами и с уровнем освещенности внешней среды). Задняя часть тела была покрыта небольшими щитками, не препятствовавшими изгибанию этого отдела туловища и работе хвостового плавника. Настоящих парных конечностей у панцирных бесчелюстных, видимо, еще не было, по по бокам тела позади головы имелась пара покрытых чешуями придатков или плавниковых складок.

Однако более прогрессивными группами позвоночных, оказались челюстноротые. Челюстноротые по явились в палеонтологической летописи в позднем силуре; в девоне существовали уже разнообразные группы всех классов рыб. Их общие предки пока остаются неизвестными. Основные эволюционные достижения челюстноротых, обеспечившие им преобладание над бесчелюстными, включают развитие челюстей, настоящих парных конечностей и усовер шенствование жаберного аппарата. У челюстноротых жаберные дуги расчленились на подвижные относительно друг друга отделы, так что каждая дуга могла складываться, как гармошка, и затем вновь расправляться с помощью сокращения специальных мышц. В результате возник эффективный всасывательно-нагнетательный жаберный насос, позволивший значительно усилить поток воды, омывающий жабры. Одновременно возникли предпосылки (преадаптации) для использования передних жаберных дуг при схватывании и удержании добычи, т. е. в роли челюстей. У бесчелюстных также возник насос для вентиляции жабр, но устроен он совершенно иначе (и работает менее эффективно), чем у челюстноротых. В такой конструкции нет преадаптаций для развития челюстей. Весьма вероятно, что их отсутствие сыграло немаловажную роль в вымирании остракодерм, оказавшихся неспособными выдержать «пресс» со стороны активных хищников-- челюстноротых. Современные бесчелюстные (круглоротые) насчитывают всего лишь около 50 видов против примерно 20 000 видов различных групп рыб.

Древнейшие представители всех групп рыб, обитавшие в морях и пресных водоемах раннего и среднего девона, были одеты более или менее сильно развитым костным панцирем, особенно мощным у так называемых панцирных рыб -- плакодерм. Панцирь плакодерм (Рис. 5) состоял из двух подвижно сочлененных друг с другом частей, одна из которых защищала голову, а другая -- переднюю часть туловища.

У плакодерм не было настоящих зубов; их заменяли острые бивнеобразные выступы челюстных костей. Среди плакодерм были мелкие придонные формы, примером которых может служить позднедевонская динихтис, у которой лишь одетая панцирем передняя часть тела имела длину до 3,2 м. Плакодермы вымерли в раннем карбоне, уступив место более прогрессивным группам рыб. Другой примитивной группой палеозойских рыб были акантодии. Тело акантодий покрывали многочисленные костные пластинки и крупные чешуи; имелись окостенения и во внутреннем скелете. Для акантодий характерно сохранение ряда очень примитивных особенностей. У них еще не установилось обычное для большинства позвоночных число пар конечностей; по бокам тела (рис. 6) тянулся ряд плавников (до 7 пар), возникших, вероятно, в результате дифференциации первоначально цельных плавниковых складок. В дальнейшем средние плавники в этом ряду, расположенные ближе к центру тяжести тела и поэтому малоэффективные и как рули глубины, и как стабилизаторы движения, подверглись редукции, так что сохранились лишь передняя и задняя пары. Акантодий обитали в пресных и морских водоемах с позднего силура до середины пермского периода, когда эта древняя группа подверглась вымиранию.

Появление всех подклассов костных рыб

В первой половине девона существовали уже и представители всех подклассов костных рыб: лучеперых, двоякодыщащих и кистеперых. Хоановьте рыбы (Два последних подкласса) вели в основном придонный, скрытный образ жизни, охотясь в гуще растительности. Кистеперые были хищниками, подстерегавшими добычу в укрытиях, а двоякодышащие приспособились к питанию малоподвижными животными с твердыми панцирями (моллюски, ракообразные). Хоановые рыбы, сформировались во внутриконтинентальных пресных водоемах, т.е. мелководных озерах, хорошо прогреваемых солнцем, обильно заросших водной растительностью и отчасти заболоченных. В воде таких озер из-за гниения растений нередко возникал дефицит кислорода. Это время и было «золотым веком» хоановых рыб, приобретших ряд важных приспособлений к жизни в таких водоемах. Важнейшим из них было развитие лeгкиx -- дополнительного органа дыхания, позволявшего использовать кислород воздуха при его недостатке в воде.

Заключение

В данной контрольной работе были рассмотрены основные теории происхождения Земли и сделаны следующие выводы:

Вселенная образовалась в результате Большого Взрыва.

История Земли насчитывает около 4,6 млрд лет. За это время на ней возникали и вымирали многие миллионы видов растений и животных; вырастали и обращались в прах высочайшие горные хребты; громадные материки то раскалывались на части и разбегались в разные стороны, то сталкивались друг с другом, образуя новые гигантские массивы суши.

Несмотря на все катастрофы и катаклизмы, история нашей планеты запечатлевается в горных породах, в окаменелостях, которые в них находят, а также в организмах живых существ, обитающих на Земле.

Развитие Земли возможно в двух направлениях. Если среднегодовая температура значительно понизится, то океан замерзнет и Земля покроется ледяной коркой. Если же температура повысится (а, скорее всего, именно к этому и приведет возрастающая светимость Солнца), то вода испарится, обнажив ровную поверхность планеты. Очевидно, ни в том, ни в другом случае жизнь человечества на Земле будет уже невозможна.

Размещено на Allbest.ru