Jocuri

Glazura pământului. Pământul este zăpadă moale. Supraviețuirea vieții în timpul epocilor glaciare

Începutul „Snowball Earth”

CaSiO 3 + CO 2 + H 2 O → Ca 2+ + SiO 2 + HCO 3 -

Când Pământul se răcește (datorită fluctuațiilor climatice naturale și a schimbărilor radiației solare), rata reacțiilor chimice scade și acest tip de intemperii încetinește. Ca urmare, din atmosferă se extrage mai puțin dioxid de carbon. Creșterea concentrației de dioxid de carbon, care este un gaz cu efect de seră, duce la efectul opus - Pământul se încălzește. Acest feedback negativ limitează puterea de răcire. În momentul criogeniei, toate continentele se aflau la tropice în apropierea ecuatorului, ceea ce a făcut acest proces de izolare mai puțin eficient, deoarece o rată ridicată a intemperiilor a persistat pe uscat chiar și în timpul răcirii Pământului. Acest lucru a permis ghețarilor să se îndepărteze departe de regiunile polare. Când ghețarul s-a deplasat suficient de aproape de ecuator, feedback-ul pozitiv printr-o creștere a reflectivității (albedo) a dus la o răcire suplimentară până când Pământul a fost complet înghețat.

În timpul erei glaciare

Temperatura globală a scăzut atât de scăzută încât a fost la fel de rece la ecuator ca în Antarctica modernă. Această temperatură scăzută a fost menținută de gheață, al cărei albedo ridicat a făcut ca cea mai mare parte a radiației solare primite să fie reflectată înapoi în spațiu. Acest efect a fost exacerbat de cantitatea mică de nori cauzată de înghețarea vaporilor de apă.

Sfârșitul erei glaciare

Se estimează că nivelul de dioxid de carbon necesar pentru dezghețarea Pământului este de 350 de ori nivelul actual, aproximativ 13% din atmosferă. Deoarece Pământul a fost aproape complet acoperit cu gheață, dioxidul de carbon nu a putut fi îndepărtat din atmosferă prin degradarea rocilor silicatice. De-a lungul a milioane de ani, s-au acumulat CO 2 și metan, în mare parte erupți de vulcani, suficient pentru efectul de seră care a topit gheața de la suprafață la tropice înainte de formarea unei centuri de apă și pământ fără gheață; această centură va fi mai întunecată decât gheața și, prin urmare, va absorbi mai multă energie solară, declanșând „feedback pozitiv”.

Pe continente, topirea ghețarilor va expune cantități mari de depozite glaciare, care vor începe să se erodeze și să se erodeze.

Ca urmare, precipitațiile, bogate în substanțe nutritive precum fosforul, împreună cu o abundență de CO 2, vor provoca o creștere explozivă a populațiilor de cianobacterii. Acest lucru va duce la o reoxigenare relativ rapidă a atmosferei, care poate fi asociată cu apariția biotei Ediacaran și ulterioară „explozie cambriană” - o concentrație ridicată de oxigen a permis dezvoltarea formelor multicelulare. Această buclă de feedback pozitiv a topit gheața într-un timp geologic scurt, poate mai puțin de 1000 de ani; acumularea de oxigen în atmosferă și scăderea conținutului de CO 2 au continuat timp de câteva milenii ulterioare.

Apa a dizolvat restul de CO 2 din atmosferă, formând acid carbonic, care a căzut sub formă de ploi acide. Aceasta, prin îmbunătățirea degradării rocilor de silicat și carbonat aflorate (inclusiv a depozitelor glaciare ușor degradate), a eliberat cantități mari de calciu, care, spălate în ocean, au format sedimente carbonatate cu textură clară. „Carbonați de încoronare” abiotici similari (eng. „Cap carbonat”), care poate fi găsit pe vârful de ales glaciar, a sugerat mai întâi ideea unui pământ de bulgări de zăpadă.

Poate că nivelul dioxidului de carbon a scăzut atât de mult încât Pământul a înghețat din nou; acest ciclu ar putea fi repetat până când deriva continentală a condus la deplasarea lor către latitudini mai polare.

Argumente în favoarea ipotezei

Depozite glaciare la latitudini mici

Rocile sedimentare depuse de ghețar au trăsături specifice pentru a le identifica. Cu mult înainte de apariția ipotezei Pământul bulgăre de zăpadă multe zăcăminte ale neoproterozoicului au fost identificate ca fiind glaciale. Cu toate acestea, multe dintre caracteristicile precipitațiilor asociate în mod obișnuit cu un ghețar pot avea alte origini. Dovezile includ:

bolovani neregulați (pietre care au căzut în sedimente), care pot fi cauzate de ghețari sau alte cauze;
stratificare (sedimentare anuală în lacurile periglaciare);
striație glaciară (formată atunci când resturile de rocă prinse de un ghețar zgârie roca subiacentă): o astfel de striație este uneori cauzată de fluxurile de noroi.

Paleomagnetismul

În timpul formării rocilor, domeniile magnetice din mineralele feromagnetice prezente în rocă se aliniază în conformitate cu liniile de forță ale câmpului magnetic al Pământului. Măsurarea exactă a acestei direcții vă permite să estimați latitudinea (dar nu longitudinea) în care s-a format roca. Datele paleomagnetice sugerează că multe dintre sedimentele glaciare neoproterozoice s-au format la 10 grade de ecuator. Datele paleomagnetice, împreună cu dovezile provenite de la precipitații (cum ar fi bolovani neregulați), sugerează că ghețarii au atins nivelul mării în latitudini tropicale. Nu este clar dacă acest lucru vorbește despre glaciația globală sau despre existența ghețarilor locali, posibil limitatori de terenuri.

Raportul izotopului de carbon: fără fotosinteză

Există doi izotopi de carbon stabili în apa de mare: carbon-12 (C-12) și rarul carbon-13 (C-13), care reprezintă aproximativ 1,109% din toți atomii de carbon. Bricheta C-12 este implicată în principal în procesele biochimice (fotosinteza, de exemplu). Astfel, fotosinteticele oceanice, atât protiste, cât și alge, sunt oarecum epuizate în C-13 în raport cu sursele primare vulcanice de carbon terestru. Prin urmare, într-un ocean cu viață fotosintetică, raportul C-12 / C-13 va fi mai mare în reziduurile organice și mai mic în apa din jur. Componenta organică a sedimentelor litificate rămâne puțin pentru totdeauna, dar este epuizată măsurabil în carbon-13. În timpul glaciației presupuse globale, variațiile concentrației C-13 au fost rapide și extreme față de variațiile normale observate. Acest lucru este în concordanță cu o răcire semnificativă care a ucis majoritatea sau aproape toate fotosinteticile din ocean. Problema principală asociată acestei idei este determinarea simultaneității variațiilor în raportul izotopilor de carbon, pentru care nu există o confirmare geocronologică.

Formațiuni feroase-siliciu

O piatră cu formațiuni de siliciu feruginos, veche de 2,1 miliarde de ani

Formațiile de siliciu feros sunt roci sedimentare formate din straturi de oxid de fier și silex sărac. În prezența oxigenului, fierul se ruginește și devine insolubil în apă. Formațiile de siliciu feruginoase sunt de obicei foarte vechi și depunerea lor este adesea asociată cu oxidarea atmosferei terestre în timpul paleoproterozoicului, când fierul dizolvat din ocean a intrat în contact cu oxigenul eliberat de fotosintetice și a precipitat ca oxid. Straturile au fost formate la interfața dintre atmosferele fără oxigen și cele care conțin oxigen. Deoarece atmosfera modernă este bogată în oxigen (aproximativ 21% în volum), este imposibil să acumulăm suficient oxid de fier pentru a depune o formațiune feruroasă silicioasă. Singurele formațiuni masive de siliciu feruginoase depuse după paleoproterozoic sunt asociate cu depozite glaciare criogene. Pentru ca astfel de roci bogate în fier să se formeze, este nevoie de un ocean fără oxigen, unde cantități mari de fier dizolvat (ca oxid de fier (II)) se pot acumula înainte ca oxidantul să-l precipite sub formă de oxid de fier (III). Pentru ca oceanul să devină anoxic, este necesar să restricționăm schimbul de gaze cu atmosfera de oxigen. Susținătorii ipotezei cred că reapariția formațiunilor fero-silicice este rezultatul nivelurilor limitate de oxigen din oceanul legat de gheață.

„Carbonat de încoronare”

Deasupra, depozitele glaciare neoproterozoice se transformă de obicei în calcare precipitate chimic și dolomiți cu o grosime de metri până la zeci de metri. Acești „carbonați de coroană” se găsesc uneori într-o secvență de sedimente lipsite de alți carbonați, sugerând că formarea lor este rezultatul unor schimbări profunde în chimia oceanelor.

Acești „carbonați de încoronare” au o compoziție chimică neobișnuită și o structură sedimentară ciudată, deseori interpretată ca depozite mari. Formarea unor astfel de roci sedimentare ar fi putut să aibă loc cu creșteri mari ale alcalinității, datorită ratelor ridicate de intemperii în timpul efectului de seră extrem după glaciația globală.

Supraviețuirea vieții în timpul epocilor glaciare

Glaciația grandioasă ar fi trebuit să suprime viața plantelor pe Pământ și, prin urmare, să conducă la o scădere semnificativă a concentrației sau chiar la dispariția completă a oxigenului, ceea ce a permis formarea rocilor bogate în fier neoxidate. Scepticii susțin că o astfel de glaciație ar fi trebuit să ducă la dispariția completă a vieții, ceea ce nu s-a întâmplat. Susținătorii ipotezei le răspund că viața ar putea supraviețui în următoarele moduri.

Oazele vieții anaerobe și anoxifile, alimentate de energia fluidelor din adâncuri, au supraviețuit în adâncurile oceanelor și ale scoarței - dar fotosinteza nu a fost posibilă acolo.
În oceanul deschis, departe de supercontinentul Rodinia sau fragmentele sale după dezintegrarea sa, ar putea rămâne mici zone de apă deschisă care au supraviețuit cu acces la lumină și dioxid de carbon pentru fotosintetice, care furnizau cantități mici de oxigen suficiente pentru a susține unele organisme oxifilice. Această opțiune este, de asemenea, posibilă dacă oceanul este complet înghețat, dar zone mici de gheață erau suficient de subțiri încât să permită trecerea luminii.
Pe nunatak-uri din tropice, unde în timpul zilei soarele tropical sau căldura vulcanică încălzeau rocile, protejate de vântul rece și formau corpuri temporare de apă topite care înghețau după apusul soarelui.
Ouăle, sporii și stadiile latente înghețate în gheață ar putea supraviețui celor mai severe faze ale glaciației.
Sub un strat de gheață, în ecosisteme chemolitotrofe, teoretic așteptat în paturile ghețarilor moderni, permafrostul alpin și arctic. Acest lucru este probabil mai ales în zonele de vulcanism sau activitate geotermală.
În bazinele de apă lichidă din interiorul și sub un strat de gheață, precum Lacul Vostok din Antarctica. Potrivit teoriei, aceste ecosisteme sunt similare cu comunitățile microbiene care trăiesc în lacurile înghețate permanent din văile uscate din Antarctica.

Cu toate acestea, paleontologul rus Mikhail Fedonkin a subliniat că datele moderne (atât paleontologice, cât și biologice moleculare) sugerează că majoritatea grupurilor de organisme eucariote au apărut înainte de glaciația neoproterozoică, consideră această dovadă împotriva „modelelor paleoclimatice extreme sub forma ipotezei Pământului Snowball”, fără a nega rolul răcirii în eucariotizarea biosferei.

Evoluția vieții

Critica ipotezei

Rezultatele simularii

Pe baza simulărilor climatice, Dick Peltier de la Universitatea din Toronto a concluzionat că mari zone oceanice ar fi trebuit să rămână lipsite de gheață, argumentând că versiunea „puternică” a ipotezei este neverosimilă din motive de echilibru energetic și modele de circulație globală.

Originea non-glaciară a diamictitelor

Diamictita rocii sedimentare, interpretată în mod obișnuit ca depunere glaciară, a fost interpretată și ca fluxuri de noroi (Eyles și Januszczak, 2004).

Ipoteza pantei mari

Una dintre ipotezele concurente care explică prezența gheții pe continentele ecuatoriale este înclinația ridicată a axei terestre, de aproximativ 60 °, care a plasat pământul pământului în „latitudini” înalte. O versiune mai slabă a ipotezei presupune doar migrația câmpului magnetic al Pământului către această înclinare, deoarece citirea datelor paleomagnetice, care vorbește despre glaciații cu latitudine mică, se bazează pe proximitatea polilor magnetici și geografici (există unele date care ne permit să gândim astfel). În oricare dintre aceste două situații, glaciația va fi limitată la o zonă relativ mică, așa cum este acum, și nu vor fi necesare schimbări radicale în climatul Pământului.

Deplasarea inerțială adevărată a polilor

O altă explicație alternativă a datelor obținute este conceptul de deplasare inerțială adevărată a polilor. Propus de Kirshvink și alții în iulie 1997, acest concept sugerează că masele terestre s-ar fi putut mișca mult mai repede decât se credea anterior sub influența legilor fizice care guvernează distribuția masei pe întreaga planetă. Dacă continentele sunt prea departe de ecuator, întreaga litosferă se poate mișca pentru a le readuce la viteze de sute de ori mai rapide decât mișcările tectonice normale. Ar trebui să arate ca și cum polul magnetic se mișca, în timp ce continentele se realineau în raport cu acesta. Această idee a fost contestată de Torsvik (1998), Meert (1999) și Torsvik și Rehnstorm (2001), care au arătat că oscilația polilor propusă de Kirshvink (1997) este insuficientă pentru a susține ipoteza. Astfel, deși mecanismul geofizic pentru adevărata mișcare a polilor este credibil, nu același lucru se poate spune despre ideea că un astfel de eveniment s-a întâmplat în Cambrian.

Dacă a avut loc o astfel de mișcare rapidă, aceasta trebuie să fie responsabilă de existența unor astfel de caracteristici ale glaciației în intervale de timp apropiate de locația ecuatorială a continentelor. Deplasarea inerțială adevărată a polilor a fost, de asemenea, asociată cu explozia cambriană, deoarece animalele au trebuit să se adapteze la schimbarea rapidă mediu inconjurator... Cu toate acestea, dovezile recente nu mai susțin existența unei mișcări atât de rapide în vremea cambriană.

Cauzele glaciației globale

Este incredibil faptul că doar un singur factor a declanșat glaciația globală. Dimpotrivă, mai mulți factori trebuie să fi coincis.

Compoziția atmosferei

Nivelurile scăzute de gaze cu efect de seră, cum ar fi dioxidul de carbon, metanul și vaporii de apă, sunt necesare pentru a începe glaciația globală.

Distribuția continentelor

Concentrația de continente în apropierea tropicelor este necesară pentru începutul glaciației globale. Cantitate mare precipitațiile la tropice duc la creșterea scurgerii râului, care stochează mai mulți carbonați, eliminând dioxidul de carbon din atmosferă. Continentele polare, datorită evaporării scăzute, sunt prea uscate pentru a depune atât de mult carbon. Creșterea treptată a proporției izotopului carbon-13 față de carbon-12 în sedimente înainte de glaciația varangiană indică faptul că acesta este un proces lent, gradual.

Istoria teoriei

1952: Australia

1998: Namibia

Interesul pentru ipoteza Snowball Earth a crescut semnificativ după ce Paul F. Hoffman, profesor de geologie la Universitatea Harvard și co-autorii săi, a publicat un articol în Science aplicând ideile lui Kirshvink la secvența sedimentelor neoproterozoice din Namibia.

2007: Oman: ciclicitate glaciar-interglaciară

Un grup de autori, bazat pe chimia rocilor sedimentare criogenice din Oman, a descris ciclurile hidrologice active și schimbările climatice care au scos Pământul dintr-o stare complet înghețată. Folosind raportul dintre cationii mobili și cei rămași în sol în timpul intemperiilor chimice (indicele de modificare chimică), au ajuns la concluzia că intensitatea intemperiilor chimice s-a modificat ciclic, crescând în timpul interglaciare și scăzând în timpul glaciațiilor reci și uscate.

Stadiul tehnicii (aprilie 2007)

În prezent, dezbaterea în jurul ipotezei continuă sub auspiciile Programului Internațional de Științe Geologice - Proiectul 512 „Epoca de gheață neoproterozoică”.

Alte glaciații prospective globale

Glaciația paleoproterozoică

Ipoteza Pământului Snowball a fost utilizată pentru a explica depozitele glaciare din supergrupul canadian Huron, deși dovezile paleomagnetice pentru ghețarii cu latitudine mică sunt controversate. Sedimentele glaciare ale formațiunii sud-africane MacGyenne sunt puțin mai tinere decât depozitele glaciare huroniene (vechi de aproximativ 2,25 miliarde de ani) și se formează în latitudini tropicale. S-a presupus că creșterea concentrației de oxigen liber în această parte a paleoproterozoicului a îndepărtat metanul din atmosferă, oxidându-l. Întrucât Soarele la vremea respectivă era mult mai slab decât este astăzi, metanul, ca gaz puternic cu efect de seră, ar putea menține suprafața Pământului de la îngheț. În absența efectului de seră metan, temperaturile au scăzut și ar putea apărea glaciația globală.

Glaciația carboniferă (presupuneri timpurii)

Note (editați)

Pentru o scurtă descriere simplificată, consultați cartea lui Tjeerd van Andel Noi viziuni pe o planetă veche: o istorie a schimbărilor globale(Cambridge University Press) (1985, a doua ediție 1994).
Hyde, W.T.; Crowley, T.J., Baum, S.K., Peltier, W.R. (2000). Simulări „neoproterozoice„ cu bulgări de zăpadă ”cu un model cuplat de climat / strat de gheață” (PDF). Natură 405 (6785): 425-9. DOI: 10.1038 / 35013005. PMID 10839531. Adus la 05.05.2007.
Hoffman, P.F. (1999). „Despărțirea Rodiniei, nașterea Gondwanei, adevărata rătăcire polară și pământul cu bulgări de zăpadă”. Journal of African Earth Sciences 28 (1): 17-33. Adus 29/04/2007.
TATA. Evans (2000). „Constrângeri stratigrafice, geocronologice și paleomagnetice asupra paradoxului climatic neoproterozoic.” American Journal of Science 300 (5): 347 – 433.
Tânăr, G.M. (01.02.1995). „Sunt depozitele glaciare neoproterozoice conservate la marginea Laurentiei legate de fragmentarea a două supercontinente? ". Geologie 23 (2): 153-156. Adus 27-04-2007.
D.H. Rothman; J.M. Hayes; RE. Convocare (2003). Dinamica ciclului carbonului neoproterozoic. PNAS 100 (14): 124 – 129.
Kirschvink Joseph Glaciația globală cu latitudine scăzută a proterozoicului târziu: pământul cu bulgări de zăpadă // Biosfera proterozoică: un studiu multidisciplinar / J. W. Schopf; C. Klein. - Cambridge University Press, 1992.
M.J. Kennedy (1996). "Stratigrafie, sedimentologie și geochimie izotopică a dolostonelor din tabăra australiană neoproterozoică postglaciară: deglaciație, excursii d13C și precipitații carbonatice." Journal of Sedimentary Research 66 (6): 1050 – 1064.
Spencer, A.M. (1971). Glaciația târzie pre-cambriană în Scoția. Mem. Geol. Soc. Lond. 6 .
P. F. Hoffman; D. P. Schrag (2002). „Ipoteza pământului cu bulgări de zăpadă: testarea limitelor schimbării globale”. Terra nova 14 : 129 – 155.
Fedonkin, M.A. (2006). „Două analele vieții: experiența comparației (paleobiologie și genomică despre etapele timpurii ale evoluției biosferei)”. Sâmbătă Art., Dedicat. La cea de-a 70-a aniversare a academicianului N. P. Yushkin: „Probleme de geologie și mineralogie”: 331-350.
Fedonkin, M.A. (2003). „Originea Metazoa în lumina înregistrărilor fosile proterozoice”. Cercetări paleontologice 7 (1).
Peltier W.R. Dinamica climei în timp profund: modelarea „bifurcației ghiocei” și evaluarea plauzibilității apariției acesteia // Proterozoicul extrem: geologie, geochimie și climă / Jenkins, GS, McMenamin, MAS, McKey, CP și Sohl, L. ( - Uniunea americană de geofizică, 2004. - P. 107-124.
Schrag, D. P.; Berner, R. A., Hoffman, P. F., Halverson, G. P. (2002). „La inițierea unui pământ cu bulgări de zăpadă”. Geochem. Geofizi. Geosyst 3 (10.1029). Adus 28/02/2007.
A. R. Alderman; C. E. Tilley (1960). Douglas Mawson, 1882-1958. Memorii biografice ale bursierilor Societății Regale 5 : 119 – 127.
W. B. Harland (1964). „Dovezi critice pentru o mare glaciație infra-cambriană”. Jurnalul Internațional de Științe ale Pământului 54 (1): 45 – 61.
M.I. Budyko (1969). „Efectul variației radiației solare asupra climatului Pământului”. Spune-ne 21 (5): 611 – 1969.
P. F. Hoffman, A. J. Kaufman; G. P. Halverson; D. P. Schrag (1998). „Un pământ de boli de zăpadă neoproterozoic”. Ştiinţă 281 : 1342 – 1346.
R. Rieu; P.A. Allen; M. Plotze; T. Pettke (2007). „Cicluri climatice în timpul unei„ epoci glaciare ”de„ ghiocel ”neoproterozoic. Geologie 35 (5): 299–302.
http://www.igcp512.com/
Williams G.E.; Schmidt P.W. (1997). Paleomagnetismul formațiunilor paleoproterozoice Gowganda și Lorrain, Ontario: paleolatitudine scăzută pentru glaciația uroniană. EPSL 153 (3): 157-169.
Robert E. Kopp, Joseph L. Kirschvink, Isaac A. Hilburn și Cody Z. Nash (2005). "Pământul cu bile de zăpadă paleoproterozoic: un dezastru climatic declanșat de evoluția." PNAS 102 (32): 11131-11136.
Evans, D. A., Beukes, N. J. și Kirschvink, J. L. (1997) Nature 386, 262-266.

Literatură

Arnaud, E. și Eyles, C.H. 2002. Eșecul de masă catastrofal al unei margini continentale influențate de glaciar neoproterozoic, Marea Brecie, Formația Port Askaig, Scoția. Sedimentary Geology 151: 313-333.
Arnaud, E. și Eyles, C. H. 2002. Influența glaciară asupra sedimentării neoproterozoice: Formația Smalfjord, nordul Norvegiei, Sedimentologie, 49: 765-788.
Eyles, N. și Januszczak, N. (2004). "Zipper-rift": un model tectonic pentru glaciațiile neoproterozoice în timpul destrămării Rodinia după 750 Ma. Recenzii științei pământului 65, 1-73.
Fedonkin, M.A. 2003. Originea Metazoa în lumina înregistrărilor fosile proterozoice. Cercetări paleontologice, 7: 9-41
Gabrielle Walker, 2003, Pământul bulgăre de zăpadă, Editura Bloomsbury, ISBN 0-7475-6433-7
Jenkins, Gregory, și colab., 2004, Proterozoicul extrem: geologie, geochimie și climă AGU Geophysical Monograph Series Volumul 146, ISBN 0-87590-411-4
Kaufman, A.J.; Knoll, A.H., Narbonne, G.M. (1997). Izotopi, epoci de gheață și istoria terminală a pământului proterozoic (National Acad Sciences).... Include date despre efectul glaciației globale asupra vieții.
Kirschvink, Joseph L., Robert L. Ripperdan și David A. Evans, „Dovezi pentru o reorganizare pe scară largă a maselor continentale din Cambria timpurie prin schimbul inerțial Adevărata rătăcire polară”. Ştiinţă 25 Iulie 1997: 541-545.
Roberts, J.D., 1971. Glaciația precambriană târzie: un efect anti-seră? Natura, 234, 216-217.
Roberts, J. D., 1976. Dolomiți precambrieni târzii, glaciația vendiană și sincronitatea glaciației vendiene, J. Geology, 84, 47-63.
Meert, J.G. și Torsvik, T.H. (2004) Constrângeri paleomagnetice asupra reconstrucțiilor continentale neoproterozoice „Snowball Earth”, AGU Monograph Extreme Climates.
Meert, J.G., 1999. O analiză paleomagnetică a veritabilului rătăcire polar cambrian, Planeta Pământului. Știință. Lett., 168, 131-144.
Sankaran, A.V., 2003. Neoproterozoic „pământ de bulgări de zăpadă” și controversa carbonatului „capac”. Știința actuală, vol. 84, nr. 7. (include mai multe referințe în interior, online la

La mijlocul secolului al XX-lea, geologii au început să găsească dovezi care să indice că în trecut planeta noastră ar fi putut experimenta o glaciație mondială. De-a lungul anilor, această teorie a găsit din ce în ce mai multe confirmări și este acum cunoscută sub denumirea de „Snowball Earth”. Potrivit principalelor sale dispoziții, în intervalul dintre 630 și 850 de milioane de ani în urmă, Pământul a fost pentru o vreme aproape complet acoperit cu gheață, care în acel moment chiar a ajuns la ecuator - acest lucru este dovedit de depozitele sedimentare și datele paleomagnetice. În total, geologii numără două vârfuri de glaciație, care au avut loc 710 și 640 de milioane și fiecare a durat 10 milioane de ani.

Declanșatorul glaciației a fost eliminarea CO2 din atmosferă, ceea ce a dus la o răcire și la începutul erei glaciare. Când gheața a ajuns la tropice, a fost lansat un mecanism de feedback: după cum știți, zăpada și gheața reflectă de la 55% la 80% din lumina soarelui incidentă, în timp ce pentru oceane această cifră este de 12%, iar pentru uscat de la 10% la 40 %. Cu cât o parte a suprafeței Pământului a fost acoperită cu gheață, cu atât mai multă lumină a fost reflectată în spațiu, ceea ce a sporit viteza de glaciație.

La fel ca multe alte concepte la scară largă de acest fel, „Snowball Earth” are criticii săi. În plus, teoria însăși există în două versiuni: puternică și slabă. Strong sugerează că gheața a acoperit complet întregul Pământ, inclusiv suprafața oceanelor, formând un strat gros de aproape un kilometru. Opțiunea slabă presupune că cel puțin în regiunea ecuatorului ar fi trebuit să existe zone de apă fără gheață - altfel cum a reușit atunci viața de pe planeta noastră să supraviețuiască acestui eveniment? Mai ales având în vedere faptul că nu există dovezi că un fel de dispariție în masă a speciilor a avut loc în această perioadă. În plus, se pune întrebarea cum a reușit atunci Pământul să iasă dintr-o epocă de gheață extremă cu o înghețare globală. Ca opțiune, s-a numit acumularea treptată de gaze cu efect de seră în atmosferă datorită activității vulcanice. Când cantitatea de CO2 din atmosferă a ajuns la 13%, acest lucru a dus la sfârșitul glaciației. Cu toate acestea, înregistrările geologice nu conțin dovezi că a existat atât de mult CO2 în atmosfera pământului în acel moment.

Și așa, un grup de oameni de știință din climatul Universității Columbia din epoca „Pământul Bule de Zăpadă”. S-au luat ca bază modelele climatice moderne, care au fost apoi adaptate la realitățile din acea perioadă, inclusiv faptul că Soarele era cu 6% mai slab decât este acum și toate pământurile la momentul începerii răcirii făceau parte a supercontinentului Rodinia. Conform rezultatelor simulării, chiar dacă temperatura medie a Pământului ar fi fost de 12 grade sub zero, aproximativ jumătate din suprafața apei ar rămâne lipsită de gheață - curenții precum curentul Golfului ar împiedica oceanele să înghețe complet. Deci, dacă acest model este corect, în loc de „Pământ - Bulă de zăpadă” am avut „Pământ - Bulă de zăpadă slabă”.

În prezent, grupul continuă să-și rafineze modelul, încercând să evalueze posibilul impact al altor factori asupra climei din epoca „Pământului cu Bule de Zăpadă” - de exemplu, faptul că la acea dată lungimea zilei era de 21,9 ore. Dacă concluziile obținute sunt corecte, atunci ele pot fi utile nu numai pentru geologi, ci și pentru astrobiologi, deoarece pot crește limitele zonei locuibile. Zona locuibilă este regiunea spațiului din jurul stelei unde poate exista apă lichidă la suprafața planetelor. De obicei, se calculează numai pe baza distanței planetei de stea. Cu toate acestea, așa cum arată modelul „Pământ - zăpadă slushy”, procesul de înghețare a planetei este foarte complex și depinde de mulți factori. Chiar dacă temperatura medie de pe planetă este mult sub cea înghețată, pot exista corpuri de apă deschise pe ea - cel puțin teoretic.

Proprietățile biologice ale oxigenului molecular (O 2) sunt cel puțin duble. Oxigenul este un agent oxidant puternic, cu ajutorul căruia puteți obține o mulțime de energie utilă și, în același timp, o otravă puternică care trece liber prin membrane celulareși distrugerea celulelor dacă este manipulată neglijent. Se spune uneori că oxigenul este o sabie cu două tăișuri ( Biologia actuală, 2009, 19, 14, R567 - R574). Toate organismele care se ocupă de oxigen trebuie să aibă, de asemenea, sisteme enzimatice speciale care să-i potolească efectele chimice. Cei care nu au astfel de sisteme enzimatice sunt sortiți să fie anaerobi stricți, supraviețuind doar într-un mediu fără oxigen. Pe Pământul modern, acestea sunt niște bacterii și arhee.

Aproape tot oxigenul de pe Pământ este de origine biogenă, adică este eliberat de ființele vii (desigur, acum vorbim despre oxigen liber și nu despre atomi de oxigen care alcătuiesc alte molecule). Sursa principală de O 2 este fotosinteza oxigenată; pur și simplu nu există alte reacții cunoscute capabile să o producă în cantități comparabile. Din cursul școlar de biologie, știm că fotosinteza este sinteza glucozei C 6 H 12 O 6 din dioxid de carbon CO 2 și apă H 2 O, care are loc cu ajutorul energiei luminoase. Principalul „actor” aici este dioxidul de carbon, care este recuperat de apă; oxigenul din această reacție nu este altceva decât un produs secundar, o deșeu. Este mai puțin cunoscut faptul că fotosinteza poate să nu producă oxigen dacă, în loc de apă, se folosește o altă substanță ca agent reducător, de exemplu, hidrogen sulfurat H 2 S, hidrogen liber H 2 sau unii compuși de fier; acest tip de fotosinteză se numește fără oxigen; există mai multe variante diferite ale acestuia.

Fotosinteza anoxică a apărut aproape sigur mult mai devreme decât oxigenul. Prin urmare, în primele miliarde de ani de viață (și cel mai probabil mai mult), deși fotosinteza a continuat, nu a provocat nicio saturație a atmosferei Pământului cu oxigen. Conținutul de oxigen din atmosferă în acel moment nu depășea 0,001% din cel modern - pur și simplu, asta înseamnă că nu era chiar acolo.

Totul s-a schimbat când au intrat în scenă alge albastre-verzi sau cianobacterii. Ulterior, aceste creaturi au devenit strămoșii plastidelor, organele fotosintetizante ale celulelor eucariote (amintim că organismele cu nuclee celulare sunt numite eucariote, spre deosebire de procariote, care au celule fără nucleu). Cianobacteriile sunt o ramură evolutivă foarte veche. După standardele istoriei pământești, acestea sunt surprinzător de neschimbate. De exemplu, algele albastre-verzi oscillatoria ( Oscilatorii) are rude fosile care au trăit în urmă cu 800 de milioane de ani și sunt practic indistincte de oscilatoarele moderne (Ecology of Cyanobacteria II. Lor Diversity in Space and Time, Springer, 2012, 15–36). Astfel, oscilatorul este un exemplu impresionant de fosilă vie. Dar primele cianobacterii au apărut mult mai devreme decât ea - acest lucru este confirmat de datele paleontologice.

La început, cianobacteriile nu erau numeroase, deoarece fotosinteza oxigenului pe care o stăpâneau nu oferea niciun avantaj serios în comparație cu anoxic, care era posedat de alte grupuri de microbi. Dar mediul chimic al acestor microbi s-a schimbat treptat. A venit momentul în care pur și simplu nu mai exista suficientă „materie primă” pentru fotosinteza fără oxigen. Și apoi a lovit ora cianobacteriilor.

Fotosinteza oxigenului are un mare avantaj - furnizarea complet nelimitată de agent reducător inițial (apă) și un mare dezavantaj - toxicitatea ridicată a produsului secundar (oxigen). În mod surprinzător, acest tip de schimb nu a fost „popular” la început. Dar, cu cea mai mică lipsă de substraturi, altele decât apa, proprietarii fotosintezei oxigenice ar trebui să câștige imediat un avantaj competitiv, ceea ce s-a întâmplat. După aceea, a început o eră de aproximativ un miliard de ani, timp în care apariția Pământului a fost determinată în primul rând de cianobacterii. Recent, s-a sugerat chiar că ar fi numit neoficial după ei „cianozoic” (M. Barbieri, Code Biology. A New Science of Life, Springer, 2015, 75-91).

Din cauza cianobacteriilor, revoluția oxigenului a început în urmă cu 2,4 miliarde de ani, este, de asemenea, catastrofa oxigenului sau Marele eveniment oxidativ ( Mare eveniment de oxidare, GOE). Strict vorbind, acest eveniment nu a fost nici instantaneu, nici absolut unic ( Natură, 2014, 506, 7488, 307-315). Scurte scurte de concentrație de oxigen, „oxigen suflă”, s-au mai întâmplat, acest lucru este înregistrat paleontologic. Cu toate acestea, ceva nou s-a întâmplat acum 2,4 miliarde de ani. Pentru o scurtă perioadă de timp după standardele istoriei Pământului (câteva zeci de milioane de ani), concentrația de oxigen din atmosferă a crescut de aproximativ o mie de ori și a rămas la acest nivel; nu a coborât niciodată la valorile sale nesemnificative de odinioară. Biosfera a devenit oxigenată ireversibil.

Pentru marea majoritate a procariotelor antice, acest nivel de oxigen era mortal. În mod surprinzător, primul rezultat al revoluției oxigenului a fost dispariția în masă. Supraviețuitorii au fost în principal cei care au reușit să creeze enzime care protejează de oxigen și, uneori, de asemenea, pereții celulari groși (inclusiv cianobacteriile în sine trebuiau să facă acest lucru). Există motive să credem că în primii 100-200 de milioane de ani ai „noii lumi a oxigenului” oxigenul era doar otravă pentru organismele vii și nimic mai mult. Dar apoi situația s-a schimbat. Răspunsul biotei la provocarea oxigenului a fost apariția bacteriilor, care a inclus oxigenul într-un lanț de reacții care descompun glucoza și, astfel, a început să-l folosească pentru energie.

S-a dovedit imediat că oxidarea oxigenului glucozei (respirației) este mult mai eficientă din punct de vedere energetic decât anoxica (fermentarea). Oferă de câteva ori mai multă energie liberă pe moleculă de glucoză decât orice versiune complicată în mod arbitrar a schimbului fără oxigen. În același timp, etapele inițiale de descompunere a glucozei în rândul utilizatorilor de respirație și fermentație au rămas comune: oxidarea oxigenului a servit doar ca suprastructură asupra mecanismului biochimic antic existent, care în sine nu avea nevoie de oxigen.

Grupul de microbi care au stăpânit producția riscantă dar eficientă de energie cu oxigen se numește proteobacterii. Conform teoriei acum general acceptate, din ele au luat naștere organele respiratorii ale celulelor eucariote - mitocondriile.

Conform datelor genetice, cea mai apropiată rudă modernă a mitocondriilor este alfa-proteobacteria elicoidală purpurie Rhodospirillum rubrum (Biologie moleculară și evoluție, 2004, 21, 9, 1643-1660). Rhodospirillum are respirație, fermentare și fotosinteză fără oxigen, în care se folosește hidrogen sulfurat în loc de apă și poate comuta între aceste trei tipuri de schimb, în funcție de condițiile externe. Fără îndoială, un astfel de simbiont - adică, în acest caz, un coabitant intern - a fost foarte util strămoșului eucariotelor.

Mai mult, mulți oameni de știință moderni consideră că simbioza arheilor antice cu proteobacteriile - strămoșii mitocondriilor - a fost impulsul însăși pentru formarea celulei eucariote (Evgeny Kunin. Logica cazului. M.: Tsentrpoligraf, 2014). Această ipoteză se numește „mitocondrială timpurie”. Ea sugerează că divizarea viitoarei celule eucariote în citoplasmă și nucleu a avut loc numai după introducerea simbiontului proteobacterian în ea. Scenariul „mitocondrial târziu” mai vechi, conform căruia proteobacteriile au fost pur și simplu înghițite de o celulă eucariotă gata făcută (auto-derivată dintr-o celulă arhaeală), pare acum mult mai puțin probabilă. De fapt, ambele celule - atât arhaeale, cât și proteobacteriene - au fost serios „reasamblate” în procesul de combinare, dând naștere unui fel de himeră cu proprietăți noi. Această himeră a devenit o celulă eucariotă; componentele moleculare de origine arhaeală și proteobacteriană sunt puternic amestecate în ea, împărțind funcțiile între ele (Paleontological Journal, 2005, 4, 3-18). Fără proteobacterii, eucariotele nu ar fi apărut. Aceasta înseamnă că apariția lor a fost o consecință directă a revoluției oxigenului.

În lumina celor de mai sus, cuvintele a doi mari oameni de știință moderni, un paleontolog și un geolog, aproape nu par a fi o exagerare: „Toată lumea este de acord că evoluția algelor albastru-verzui a fost cel mai semnificativ eveniment biologic de pe planeta noastră (chiar mai semnificativ decât dezvoltarea celulelor eucariote și apariția organismelor multicelulare) "(Peter Ward, Joe Kirshvink. O nouă istorie a originii vieții pe Pământ. St. Petersburg: Editura" Peter ", 2016). Într-adevăr, lumea familiară a animalelor și plantelor nu ar exista acum dacă nu ar fi fost cianobacteriile și criza cauzată de acestea.

Ereurile vieții

Întreaga istorie a Pământului este împărțită în patru intervale uriașe, numite eoni (aceasta este mai mare decât era). Numele eonilor sunt după cum urmează: katarhean sau viperă (acum 4,6-4,0 miliarde de ani), archaea (acum 4,0-2,5 miliarde de ani), Proterozoic (acum 2,5-0,54 miliarde de ani) și Fanerozoic (început cu 0,54 miliarde de ani în urmă și continuă acum). Această diviziune ne va ajuta în mod constant, este foarte convenabilă. Să facem o rezervare că, în aproape toate aceste cazuri, amintirea nu este limitele timpului, ci secvența epocilor și a evenimentelor conexe: acest lucru este mult mai important. O excepție poate fi făcută numai pentru două sau trei date fundamentale, cum ar fi vârsta Pământului.

Katarchei este așa-numita eră pre-geologică, din care nu au rămas roci „normale”, situate în straturi. Metodele geologice și paleontologice clasice bazate tocmai pe comparația straturilor succesive nu funcționează acolo. Obiectele rămase din catarchea sunt în mare parte boabe mici de zircon, tocmai în care s-a găsit recent carbon biogen. Se știe foarte puțin despre viața catarheeană (dacă există).

În Arhean, Pământul aparține procariotelor - bacterii și arhee (doar fără confuzie, coincidența rădăcinilor în numele erei geologice „arhee” și grupul de microbi „arhee” este de fapt accidentală). Limita dintre timpurile arhean și proterozoic cade aproximativ în momentul uneia dintre „respirațiile de oxigen” puternice care preced revoluția oxigenului. Revoluția oxigenului în sine a avut loc la începutul proterozoicului.

Proterozoicul este era oxigenului și a eucariotelor. Un paradox interesant este asociat cu datarea originii eucariotelor. Ideea este că eucariotele multicelulare mai mult sau mai puțin definibile apar în evidența fosilelor mult mai devreme decât cele unicelulare la fel de definibile. Alge filamentoase Grypania spiralis, care este de obicei considerat un eucariot, a apărut acum 2,1 miliarde de ani ( Revista Australasiană de Paleontologie, 2016, doi: 10.1080 / 03115518.2016.1127725). În mod corect, trebuie spus că principalul argument pentru natura eucariotă a gripei este dimensiunea sa mare - toate celelalte semne nu dau încredere că aceasta nu este o cianobacterie uriașă ( Paleontologie, 2015, 58, 1, 5-17). Faptul este că această descoperire nu este singura. Cel mai vechi eucariot cunoscut este acum considerat un organism asemănător ciupercilor. Diskagma buttonii Vechi de 2,2 miliarde de ani ( Cercetări precambriene, 2013, 235, 71-87). Și apoi există creaturi misterioase mari în formă de spirală - cel mai probabil alge, ale căror rămășițe au o vechime de cel puțin 2,1 miliarde de ani, precum cea a gripei ( Natură, 2010, 466, 7302, 100–104). Dar primele organisme unicelulare, identificate fără echivoc ca eucariote, au doar 1,6 miliarde de ani ( , 2006, 361, 1470, 1023-1038). Aceasta, desigur, nu înseamnă că eucariotele multicelulare au apărut cu adevărat înaintea celor unicelulare - această presupunere contrazice toate datele moleculare disponibile. Cele unicelulare sunt pur și simplu mai prost conservate și au mai puține semne prin care se poate determina organismul.

Cu toate acestea, concluzii foarte importante decurg din astfel de întâlniri. Amintiți-vă că data revoluției oxigenului este acum 2,4 miliarde de ani. Prin urmare, știm că la doar 200 de milioane de ani după aceasta, nu doar eucariote, ci eucariote multicelulare apar în înregistrarea fosilelor. Aceasta înseamnă că primele etape ale evoluției eucariotelor au fost trecute de standardele istoriei globale foarte repede. Desigur, a durat un timp de celule eucariote pentru a forma o simbioză cu strămoșii mitocondriilor, pentru a crea un nucleu și pentru a complica citoscheletul - sistemul intracelular al structurilor de susținere. Dar când aceste procese s-au încheiat, a fost posibil să se creeze primele organisme multicelulare aproape imediat. Acest lucru nu a necesitat nicio adaptare suplimentară la nivelul cuștii. Orice celulă eucariotă are deja un set complet de elemente moleculare necesare pentru a construi un corp multicelular din astfel de celule (cel puțin unul relativ simplu). Desigur, toate aceste elemente nu sunt mai puțin utile pentru viața unei singure celule, altfel pur și simplu nu ar fi apărut. Strămoșul comun al eucariotelor, fără îndoială, a fost unicelular și mulți dintre descendenții săi nu au avut niciodată nevoie de multicelularitate. Cunoaștem exemple de eucariote unicelulare moderne - amoeba, euglena, ciliate - datorită manualelor școlare, dar de fapt există multe altele.

Revoluția oxigenului a avut un alt efect important asupra compoziției atmosferei. Atmosfera arheană era bogată în azot (așa cum este acum), precum și dioxid de carbon și metan (mult mai mult decât acum). Dioxidul de carbon și metanul absorb foarte bine radiațiile infraroșii și, prin urmare, rețin căldura în atmosfera Pământului, împiedicându-l să intre în spațiu. Aceasta se numește efect de seră. Mai mult, se crede că efectul de seră din metan este de cel puțin 20-30 de ori mai puternic decât din dioxidul de carbon. Și în vremea arheană, în atmosfera Pământului era de aproximativ 1000 de ori mai mult metan decât este acum și acest lucru a oferit un climat destul de cald.

Aici intervine și astronomia. Conform teoriei general acceptate a evoluției stelare, luminozitatea Soarelui crește încet, dar continuu. În Arhean, era doar 70-80% din cel modern - este de înțeles de ce efectul de seră a fost important pentru menținerea planetei calde. Dar după revoluția oxigenului, atmosfera a devenit oxidantă și aproape tot metanul (CH 4) s-a transformat în dioxid de carbon (CO 2), care este mult mai puțin eficient ca un gaz cu efect de seră. Acest lucru a cauzat glaciația huroniană catastrofală, care a durat aproximativ 100 de milioane de ani și a acoperit în anumite puncte întregul Pământ: s-au găsit urme de ghețari pe suprafețe terestre care se aflau la doar câteva grade de latitudine de la ecuator ( , 2005, 102, 32, 11131-11136). Vârful glaciației Huronian a venit acum 2,3 miliarde de ani. Din fericire, glaciația nu a putut opri activitatea tectonică a mantalei pământului; vulcanii au continuat să emită dioxid de carbon în atmosferă și, în timp, s-a acumulat suficient pentru a restabili efectul de seră și a topi gheața.

Cu toate acestea, principalele teste climatice erau încă în față.

Sfârșitul miliardului plictisitor

Evenimentele turbulente de la începutul proterozoicului au fost urmate de așa-numitul „plictisitor miliard de ani” ( Plictisitor de miliarde). În acest moment, nu au existat glaciații, nu au existat modificări bruște în compoziția atmosferei, nu au existat răsturnări biosferice. Algele eucariote trăiau în oceane, eliberând treptat oxigen. Lumea lor era diversă și complexă în felul ei. De exemplu, din era „miliardului plictisitor” cunoscut alge multicelulare roșii și galbene-verzi, surprinzător de asemănătoare cu rudele lor moderne ( Tranzacțiile filozofice ale Societății Regale B, 2006, 361, 1470, 1023-1038). Ciupercile apar și în acest moment ( Paleobiologie, 2005, 31, 1, 165-182). Dar animalele multicelulare sunt absente în imensitatea „plictisitorului miliard de ani”. Să fim atenți: în acest moment, nimeni nu poate spune cu încredere deplină că nu existau animale multicelulare atunci, dar toate datele despre acest subiect sunt, în cel mai bun caz, foarte controversate ( Cercetări precambriene, 2013, 235, 71–87).

Ce se întâmplă aici? Gândul sugerează că multicelularitatea ca atare este mult mai compatibilă cu modul de viață al unei plante decât al unui animal. Orice celulă vegetală este închisă într-un perete celular rigid și nu există nicio îndoială că acest lucru facilitează foarte mult reglarea dispoziție reciprocă celulele dintr-un corp complex. Dimpotrivă, celulele animale nu au un perete celular, forma lor este instabilă și chiar se modifică constant în timpul actelor de fagocitoză, adică absorbția particulelor alimentare. Colectarea unui organism întreg din astfel de celule este o sarcină dificilă. Dacă nu ar apărea deloc animale multicelulare și reprezentanții plantelor sau ciupercilor au devenit biologi, ei, cel mai probabil, după studierea acestei probleme, ar ajunge la concluzia că combinația multicelularității cu absența unui perete celular este pur și simplu imposibilă. În orice caz, acest lucru explică de ce multicelularitatea a apărut de multe ori în diferite grupuri de alge, dar o singură dată - la animale.

Mai există și o altă idee. În 1959, zoologul canadian John Ralph Nursell a legat apariția bruscă (așa cum se credea atunci) a animalelor în dosarul fosil de o creștere a concentrației de oxigen din atmosferă ( Natură, 1959, 183, 4669, 1170-1172). Animalele, de regulă, au mobilitate activă, ceea ce necesită atât de multă energie încât nu pot face fără respirația de oxigen. Și ai nevoie de mult oxigen. Și în era „miliardului plictisitor”, conținutul de O 2 din atmosferă aproape sigur nu a atins 10% din nivelul actual - minimul considerat deseori necesar pentru susținerea vieții animale. Este adevărat, această cifră suspectă rotundă este cel mai probabil supraevaluată ( Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 2014, 111, 11, 4168-4172). Totuși, astfel de rezerve nu ne împiedică să admitem că vechea idee a lui Nersell cel puțin nu contrazice datele moderne: presupusul început al evoluției animalelor multicelulare este foarte aproximativ, dar coincide în timp cu o nouă creștere a concentrației de oxigen atmosferic. la sfârșitul Proterozoicului ( Revizuirea anuală a ecologiei, evoluției și sistematicii, 2015, 46, 215–235). Acest lucru pur și simplu nu putea să nu fie un factor care a facilitat apariția animalelor: la urma urmei, cu cât este mai mult oxigen, cu atât mai bine. Nu doar considerați că factorul de oxigen este strict singurul. Să ne amintim că, chiar și într-un moment în care a existat atât de mult oxigen cât era necesar, nu au fost observate încercări repetate de a crea multicelularitate de tip animal. Acest experiment a reușit natura o singură dată.

Era confortabilă a „plictisitorului miliard de ani” ar fi putut dura mult timp dacă geografia nu ar fi intervenit în biologie. Evenimentele dramatice, al căror erou era planeta însăși, au atras atenția oamenilor de știință timp de o jumătate de secol, dar cu doar 15 ani în urmă, informațiile despre ele au putut fi combinate într-o imagine mai mult sau mai puțin integrală. Să aruncăm o privire rapidă asupra acestei imagini, începând de la început, așa cum ar trebui.

În 1964, geologul englez Brian Harland a publicat un articol în care afirma că absolut pe toate continentele există urme ale glaciației antice care datează din același timp - Proterozoicul târziu. La începutul anilor '60, geologii au învățat să determine poziția trecută a continentelor folosind date despre magnetizarea rocilor. Harland a colectat aceste date și a văzut că nu există decât o singură modalitate de a le explica: presupunând că glaciația tardivă a proterozoicului acoperea toate latitudinile Pământului simultan, adică era planetară. Orice altă ipoteză părea și mai puțin plauzibilă (de exemplu, ar trebui să presupunem o mișcare incredibil de rapidă a polilor pentru ca toate terenurile să fie acoperite la rândul lor de capacul polar). După cum a spus Sherlock Holmes în căutarea lui Jonathan Small, „Aruncă imposibilul, ceea ce rămâne va fi răspunsul, oricât de incredibil pare.” Exact asta a făcut Harland. Articolul detaliat scris de el împreună cu un coautor nu pretinde a fi o senzație - pur și simplu stabilește cu adevărat faptele și concluziile ( American științific, 1964, 211, 2, 28-36). Și totuși ipoteza unei glaciații planetare a fost prea îndrăzneață pentru majoritatea oamenilor de știință.

Literal, în aceiași ani, celebrul geofizician, Leningrader Mihail Ivanovici Budyko a preluat teoria ghețarilor. El a atras atenția asupra faptului că glaciația se poate autodezvolta. Învelișul de gheață are o reflectivitate ridicată (albedo); prin urmare, cu cât suprafața totală a ghețarului este mai mare, cu atât este mai mare proporția de radiație solară reflectată înapoi în spațiu, eliminând căldura cu el. Și cu cât Pământul primește mai puțină căldură, cu atât devine mai rece și, în consecință, zona acoperirii cu gheață crește, crescând și mai mult albedo. Se pare că glaciația este un proces cu feedback pozitiv, adică este capabil să se întărească. Și în acest caz, trebuie să existe unele nivel critic glaciația, după care va crește până când valurile de gheață din Polul Nord și Sud se prăbușesc la ecuator, închizând complet planeta în învelișul de gheață și scăzându-i temperatura cu câteva zeci de grade. Budyko a arătat matematic că o astfel de dezvoltare a evenimentelor este posibilă ( Spune-ne, 1969, 21, 5, 611-619). Dar habar nu avea că s-a întâmplat de mai multe ori în istoria Pământului! Pentru că în acel moment Budyko și Harland nu se citiseră încă.

Snowball Earth

Acum, glaciația descoperită de Harland se numește de obicei era „Pământului cu bulgări de zăpadă” ( Pământul bulgăre de zăpadă). Aparent, a fost într-adevăr planetar. Și principalul său motiv este considerat a fi o slăbire accentuată a efectului de seră datorită unei scăderi a concentrației de dioxid de carbon (care a devenit principalul gaz cu efect de seră după ce oxigenul a „consumat” aproape tot metanul). Fotosinteza și respirația probabil că nu au nimic de-a face cu aceasta. Dacă biota Pământului a aranjat revoluția oxigenului pentru sine, acum a devenit o victimă a unui factor extern, complet non-biologic în natură.

Faptul este că cifra de afaceri a dioxidului de carbon este mult mai puțin dependentă de ființele vii decât cifra de afaceri a oxigenului. Principala sursă de CO 2 atmosferic de pe Pământ este încă erupțiile vulcanice, iar chiuveta principală este un proces numit intemperii chimice. Dioxidul de carbon interacționează cu rocile, distrugându-le și se transformă în carbonat (ioni HCO 3 - sau CO 3 2 -). Acestea din urmă se dizolvă bine în apă, dar nu mai intră în atmosferă. Iar rezultatul este o dependență extrem de simplă. Dacă intensitatea vulcanilor depășește intensitatea intemperiilor chimice, concentrația atmosferică de CO 2 crește. Dacă dimpotrivă, cade.

La sfârșitul „miliardului plictisitor”, acum 800 de milioane de ani, aproape tot pământul pământului făcea parte din singurul supercontinent numit Rodinia. Potrivit unui bine-cunoscut geolog, supercontinentele gigantice, ca marile imperii din istoria socială a Pământului, au fost întotdeauna instabile (VE Khain, MG Lomize. Geotectonica cu elementele de bază ale geodinamicii. M: Editura Universității de Stat din Moscova, 1995 ). Prin urmare, nu este surprinzător faptul că Rodinia a început să se despartă. La marginile defectelor, bazaltul erupt s-a solidificat, care a devenit imediat obiectul intemperiilor chimice. Nu exista sol atunci, iar produsele intemperiilor erau ușor transportate în ocean. Rodinia s-a împărțit în cele din urmă în șapte sau opt continente mici - cam de dimensiunea Australiei - care s-au despărțit. Consumul de CO 2 pentru degradarea bazaltului a dus la o scădere a nivelului său în atmosferă.

Vulcanismul, care a însoțit în mod inevitabil dezintegrarea supercontinentului, ar putea compensa acest lucru, dacă nu chiar o circumstanță accidentală. Datorită unor ciudățenii de derivă continentală, atât Rodinia, cât și fragmentele sale au fost situate la ecuator, într-o centură caldă, unde intemperiile chimice au decurs în mod rapid. Modelele matematice arată că din acest motiv, concentrația de CO 2 a scăzut sub pragul peste care începe glaciația ( Natură, 2004, 428, 6980, 303-306). Și când a început, era prea târziu pentru a încetini vremea.

Trebuie admis că poziția continentelor în Proterozoicul târziu a fost cât se poate de nefericită (din punctul de vedere al locuitorilor planetei). Deriva continentală este condusă de fluxurile de material din mantaua pământului, a căror dinamică este, de fapt, necunoscută. Știm însă că, în acest caz, aceste cursuri au adunat tot pământul pământului într-un singur continent, situat exact la ecuator și alungit în latitudine. Dacă s-ar afla la unul dintre poli sau s-ar extinde de la nord la sud, debutul glaciației ar fi închis o parte din roci de la intemperii și, prin urmare, ar fi oprit evacuarea dioxidului de carbon din atmosferă - atunci procesul ar fi putut încetini. Asistăm la o astfel de situație acum, când există straturi de gheață din Antarctica și Groenlanda ( American științific, 1999, 9, 38). Și la sfârșitul Proterozoicului, aproape toate suprafețele mari de pământ erau aproape de ecuator - și au fost expuse până în momentul în care straturile de gheață din nord și sud s-au închis. Pământul a devenit o minge de gheață.

De fapt, au existat cel puțin trei episoade din Snowball Earth. Prima dintre ele a fost legată de glaciația uroniană (care, după cum ne amintim, nu s-a datorat dioxidului de carbon, ci datorită metanului). Apoi, timp de mai bine de un miliard de ani, nu a existat deloc glaciație. Și apoi au urmat încă două glaciații planetare, separate printr-un interval mic, dintre care una a durat aproximativ 60 de milioane de ani, cealaltă - aproximativ 15 milioane de ani. Au fost descoperiți de Brian Harland. Perioada geologică care acoperă aceste glaciații se numește criogenie (face parte din proterozoic).

Se știe puțin despre natura vie a criogeniei. Clima de atunci pe întregul Pământ era, conform standardelor actuale, antarctice. Majoritatea oceanelor erau acoperite cu un strat de gheață lung de un kilometru, astfel încât rata de fotosinteză nu putea fi mare. Lumina, devenind în mod neașteptat o resursă valoroasă, a intrat în ocean doar în locuri, prin crăpături, deschideri sau mici pete de gheață subțire. Este surprinzător faptul că unele organisme multicelulare au reușit să supraviețuiască criogeniei fără a se schimba deloc, cum ar fi algele roșii. Chiar și acum sunt adaptate pentru a utiliza o lumină foarte slabă care pătrunde la o astfel de adâncime în care nu mai trăiesc alte creaturi fotosintetice (Yu. T. Dyakov. Introducere în algologie și micologie. M.: Editura Universității de Stat din Moscova, 2000). Nici planctonul unicelular nu a plecat nicăieri. Conținutul de oxigen din oceanul criogen a scăzut dramatic, astfel încât viața de la fundul său a fost cel mai probabil anaerobă, dar detaliile despre acest lucru ne sunt încă ascunse.

Finalele episoadelor din „Snowball Earth” sunt, de asemenea, dramatice în felul lor. În timpul glaciațiilor planetare, toate procesele asociate cu absorbția volumelor mari de dioxid de carbon au fost literalmente înghețate. Între timp, vulcanii (a căror muncă nu s-a oprit nimeni) au aruncat și au emis CO 2 în atmosferă, aducând treptat concentrația sa la valori enorme. La un moment dat, stratul de gheață nu mai putea rezista efectului de seră și apoi a început un proces asemănător unei avalanșe de încălzire a planetei. În literalmente câteva mii de ani - adică, geologic într-o clipă - toată gheața s-a topit, apa eliberată a inundat o parte semnificativă a pământului cu mări marginale puțin adânci și temperatura suprafața pământului, judecând după calcule, a sărit la 50 ° С ( Inginerie și Știință, 2005, 4, 10-20). Și abia după aceasta, Pământul a început o revenire treptată la starea „normală” non-glaciară. În timpul criogenezei, întregul ciclu a fost trecut cel puțin de două ori.

Cercetătorii din China și Statele Unite au analizat conținutul diferiților izotopi de magneziu din roci din sudul Chinei care datează de 635 de milioane de ani. Conținutul diferiților izotopi de magneziu a indicat faptul că aceste roci la momentul respectiv sufereau eroziuni severe sub influența acidului carbonic. Descoperirea confirmă ipoteza dezvoltată de mult timp că Pământul Globul de Zăpadă s-a topit când ploile acide au început să cadă peste el în masă. Corespondent publicat în Lucrările Academiei Naționale de Științe.

Oamenii de știință au examinat o bucată de piatră care făcea parte dintr-un vârf de munte în urmă cu 635 de milioane de ani. A ieșit deasupra ghețarului planetar care acoperea Pământul în acel moment și a fost expus contactului direct cu ploile care conțin acid carbonic. Acest lucru a schimbat raportul izotopilor de magneziu din ghețar. După cum observă cercetătorii, descoperirea lor arată că concentrația uriașă de dioxid de carbon din aer a condus la decongelarea Pământului. Dacă a fost suficient pentru dușurile cu acid carbonic, atunci efectul de seră a atins un nivel de neimaginat conform standardelor actuale.

În plus, noua lucrare indică sursa „capacului” carbonatic - un strat de depozite de carbonat care acoperă straturile de glaciație globală. Acidul carbonic a fost un mediu chimic coroziv prin care s-au format carbonați din roci. Odată cu topirea apei, acestea s-au revărsat în oceane, unde au devenit baza pentru o creștere bruscă a conținutului de compuși de calciu. Un exces din această substanță a jucat un rol important în formarea faunei cambriene. Creaturile multicelulare de atunci foloseau adesea calciu pentru a „construi” defecte dure externe.

Clima planetei noastre este guvernată pe termen lung de ciclul carbonului. Dacă este prea cald pe el, dioxidul de carbon din aer este absorbit activ de roci. Cu un conținut scăzut de dioxid de carbon în aer, efectul de seră slăbește - și Pământul se răcește din nou. Dacă se răcește, viteza reacțiilor chimice încetinește și dioxidul de carbon este mai puțin absorbit de roci, acumulându-se în atmosferă. De aici vine încălzire globală, iar clima revine încă la normal. Cu 650 de milioane de ani în urmă, acest termostat natural a eșuat din motive care nu sunt încă clare.

Odată ce a existat atât de puțin dioxid de carbon încât s-a stabilit o glaciație globală pe planetă: toată apa și pământul au fost acoperite cu gheață, chiar și la ecuator. Această stare din geologie este denumită pământ cu bulgări de zăpadă. Conform logicii ciclului carbonului, erupțiile vulcanice care completează dioxidul de carbon atmosferic, în timp, ar fi trebuit să-și ridice concentrația la valori enorme, deoarece rocile și apa de mare de sub gheață nu ar putea lega gazul de seră cheie. De-a lungul timpului, cota sa în aer a crescut atât de mult, încât efectul de seră a stăpânit răcirea Pământului datorită reflectării luminii solare de către gheață.

Ipoteza a avut un defect grav: a fost foarte dificil să o testăm. În teorie, o concentrație ridicată de dioxid de carbon în aer ar trebui să ducă la formarea spontană a acidului carbonic și la precipitarea acestuia cu apă sub formă de ploi acide. Cu toate acestea, mai devreme toate încercările de a găsi urme chimice directe ale unor astfel de ploi nu au avut succes. Faptul este că au mers când planeta a fost complet acoperită de gheață și a fost foarte greu să ajungi la stânci.

7.10.11 Unii cercetători cred că de două sau trei ori în istoria planetei noastre a existat o perioadă, denumită în mod convențional „pământ-bulgăre de zăpadă”, când gheața a acoperit aproape complet suprafața Pământului. Ultima dată s-a întâmplat acest lucru cu aproximativ 635 de milioane de ani în urmă. Apoi, din mai multe motive, s-a produs efectul de seră, iar planeta s-a dezghețat.

Cu toate acestea, o echipă internațională de oameni de știință a pus sub semnul întrebării creșterea concentrațiilor de dioxid de carbon atmosferic la acea vreme. Conform noilor date, efectul de seră nu a fost suficient de puternic pentru a topi gheața groasă. În consecință, Pământul nu s-a transformat într-un mare bulgăre de zăpadă.

Principalele dovezi în favoarea ipotezei sunt depozitele glaciare, care au fost acum 635 milioane de ani în ecuator. Deasupra lor se află un strat de „carbonați de capac”, despre care se crede că s-au format atunci când ghețarii s-au topit sau la scurt timp după aceea, adică când a existat o abundență de dioxid de carbon în atmosferă.

Se crede că perioada „Snowball Earth” s-a încheiat când a crescut nivelul de dioxid de carbon din atmosferă. Activitatea vulcanică ar fi putut fi cauza. Factorii care, în condiții normale, elimină dioxidul de carbon din atmosferă au fost blocați de gheață. În plus, vremea rece a împiedicat rocile degradate să absoarbă dioxidul de carbon pentru a forma bicarbonați. Toate acestea au dus la acumularea de gaze cu efect de seră în atmosferă.

Cercetătorii au decis să afle cât de mult dioxid de carbon era în atmosferă în acel moment. Pentru a face acest lucru, au analizat compoziția chimică a rocilor braziliene din acea vreme și materia organică fosilizată din interiorul lor. Specialiștii au fost interesați de raportul izotopilor.

Ambele rase și materie organică(în principal alge) extrag carbonul din dioxidul de carbon dizolvat în ocean. O scădere a concentrației de gaze duce la faptul că algele încep să se sprijine pe izotopul mai greu. Pe de altă parte, raportul izotopilor de carbon din rocile carbonatice nu se modifică indiferent de concentrația de dioxid de carbon.

Comparația indicatorilor de piatră și organice a arătat că concentrația de dioxid de carbon în atmosferă a fost mult mai mică decât estimările anterioare. S-a spus că ar fi de 90 de mii de părți pe milion, iar noua analiză susține că a fost mai mică de 3.200 de părți pe milion. Este posibil ca concentrația să se apropie de astăzi (aproximativ 400 ppm).

Depozite glaciare roșii-brune, bogate în fier, în Munții Ogilvy (teritoriul Yukon, Canada). S-au format acum 716,2 milioane de ani, când planeta ar fi putut fi aproape complet acoperită de gheață. (Fotografie de Francis Macdonald.)

„Și întrucât nu a existat o concentrație ridicată de dioxid de carbon în atmosferă, înseamnă că nu ar putea exista pământul Snowball, altfel Pământul ar fi fost înghețat până în prezent”, rezumă autorul studiului Magali Ader de la Institutul Geofizic din Paris ( Franţa).

Totuși, ea avertizează că rămân multe ambiguități. Este posibil, de exemplu, ca rocile să nu fi fost datate corect. Există, de asemenea, posibilitatea ca efectul de seră să fi fost cauzat nu de dioxid de carbon, ci de metan ...