Oglaševanje na portalu

Zaledenitev zemlje. Zemlja je močan sneg. Preživetje življenja v ledeni dobi

Začetek "Zemlje snežne kepe"

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

Ko se Zemlja ohladi (zaradi naravnih podnebnih nihanj in sprememb sončnega sevanja), se hitrost kemičnih reakcij zmanjša in tovrstno vremensko vplivanje se upočasni. Posledično se iz ozračja izloči manj ogljikovega dioksida. Povečanje koncentracije ogljikovega dioksida, ki je toplogredni plin, vodi do nasprotnega učinka - Zemlja se segreva. Ta negativna povratna informacija omejuje moč hlajenja. V času kriogeneze so bile vse celine v tropih v bližini ekvatorja, zaradi česar je bil ta postopek zadrževanja manj učinkovit, saj je visoka stopnja vremenskih vplivov na kopnem obstajala tudi med ohladitvijo Zemlje. To je ledenikom omogočilo, da so se oddaljili od polarnih območij. Ko se je ledenik približal ekvatorju, so pozitivne povratne informacije s povečanjem odbojnosti (albedo) vodile v nadaljnje ohlajanje, dokler se Zemlja ni popolnoma ohladila.

V ledeni dobi

Globalna temperatura je padla tako nizko, da je bilo na ekvatorju tako hladno kot na sodobni Antarktiki. To nizko temperaturo je vzdrževal led, katerega visok albedo je povzročil, da se je večina prihajajočega sončnega sevanja odbijala nazaj v vesolje. Ta učinek je še poslabšal majhna količina oblakov, ki je nastala zaradi zmrzovanja vodne pare.

Konec ledene dobe

Ocenjuje se, da je raven ogljikovega dioksida za odmrzovanje Zemlje 350 -krat večja od trenutne ravni, kar je približno 13% atmosfere. Ker je bila Zemlja skoraj v celoti pokrita z ledom, ogljikovega dioksida ni bilo mogoče odstraniti iz atmosfere zaradi preperevanja silikatnih kamnin. V milijonih let sta se kopičila CO 2 in metan, ki sta jih večinoma izbruhnila vulkana, kar zadostuje za učinek tople grede, ki je stopil površinski led v tropih pred nastankom pasu vode in kopnega brez ledu; ta pas bo temnejši od ledu, zato bo absorbiral več sončne energije in sprožil "pozitivne povratne informacije".

Na celinah bodo taljeni ledeniki izpostavili velike količine ledeniških usedlin, ki bodo začele erodirati in erodirati.

Zaradi tega bodo padavine, bogate s hranili, kot je fosfor, skupaj z obilico CO 2 povzročile eksplozivno rast populacije cianobakterij. To bo pripeljalo do razmeroma hitre reoksigenacije ozračja, kar je lahko povezano s pojavom ediakarske biote in posledično "kambrijsko eksplozijo" - visoka koncentracija kisika je omogočila razvoj večceličnih oblik. Ta pozitivna povratna zanka je stopila led v geološko kratkem času, morda manj kot 1000 letih; kopičenje kisika v ozračju in upadanje vsebnosti CO 2 se je nadaljevalo še nekaj naslednjih tisočletij.

Voda je iz atmosfere raztopila preostali CO 2 in tvorila ogljikovo kislino, ki se je oborila v obliki kislega dežja. To je s povečanjem preperevanja izraščenih silikatnih in karbonatnih kamnin (vključno z zlahka preperelimi ledeniškimi usedlinami) sprostilo velike količine kalcija, ki je ob izpiranju v ocean tvoril jasno teksturirane karbonatne usedline. Podobni abiotski "kronirani karbonati" (eng. "Pokrovni karbonati"), ki ga najdemo na vrhu ledeniških alej, je najprej predlagala idejo o snežni kepi.

Morda se je raven ogljikovega dioksida tako znižala, da je Zemlja spet zmrznila; ta cikel bi lahko ponavljali, dokler ne bi celinski premik pripeljal do njihovega premika na bolj polarne zemljepisne širine.

Argumenti v prid hipotezi

Ledeniške usedline na nizkih zemljepisnih širinah

Sedimentne kamnine, ki jih je odložil ledenik, imajo posebne lastnosti da jih prepoznamo. Že dolgo preden se je pojavila hipoteza Snežna kepaštevilna nahajališča neoproterozoika so bila identificirana kot ledeniška. Vendar pa imajo lahko številne padavine, ki so običajno povezane z ledenikom, drugo poreklo. Dokazi vključujejo:

  • neredni balvani (kamni, ki so padli v sediment), ki so lahko posledica ledenikov ali drugih vzrokov;
  • plastenje (letna sedimentacija v periglacialnih jezerih);
  • ledeniška progastost (nastane, ko ostanki kamnine, ki jih ujame ledenik, opraskajo spodnjo skalo): takšno striženje včasih povzročijo tokovi blata.

Paleomagnetizem

Med nastajanjem kamnin se magnetne domene v feromagnetnih mineralih, ki so prisotne v kamnini, uravnavajo v skladu s silovitimi linijami zemeljskega magnetnega polja. Natančno merjenje te smeri vam omogoča, da ocenite zemljepisno širino (vendar ne dolžine), kjer je kamnina nastala. Paleomagnetni podatki kažejo, da je veliko neoproterozojskih ledeniških sedimentov nastalo v 10 stopinjah od ekvatorja. Paleomagnetni podatki skupaj z dokazi o padavinah (na primer nestanovitni balvani) kažejo, da so ledeniki dosegli morsko gladino v tropskih zemljepisnih širinah. Ni jasno, ali to govori o globalnem poledenitvi ali obstoju lokalnih, po možnosti omejenih s kopnim ledenikov.

Razmerje ogljikovih izotopov: brez fotosinteze

V morski vodi sta dva stabilna izotopa ogljika: ogljik-12 (C-12) in redek ogljik-13 (C-13), ki predstavlja približno 1,109% vseh atomov ogljika. Vžigalnik C-12 je v glavnem vključen v biokemijske procese (na primer fotosintezo). Tako je oceanska fotosintetika, tako protisti kot alge, nekoliko osiromašena v C-13 glede na primarne vulkanske vire kopenskega ogljika. Zato bo v oceanu s fotosintetičnim življenjem razmerje C-12 / C-13 višje v organskih ostankih in nižje v okoliški vodi. Organska komponenta litificiranih sedimentov ostaja malo za vedno, vendar je merljivo osiromašena z ogljikom-13. Med domnevno globalno poledenitvijo so bile spremembe koncentracije C-13 hitre in ekstremne glede na opažene normalne spremembe. To je skladno z občutnim ohladitvijo, ki je ubila večino ali skoraj vso fotosintetiko v oceanu. Glavno vprašanje, povezano s to idejo, je določiti sočasnost variacij v razmerju ogljikovih izotopov, za kar ni geokronološke potrditve.

Železo-silicijeve tvorbe

Kamen z železo-silicijevimi tvorbami, star 2,1 milijarde let

Železo-silicijeve tvorbe-sedimentna kamnina, sestavljena iz plasti železovega oksida in kremena, ki ne vsebuje železa. V prisotnosti kisika železo zarjavi in ​​postane netopno v vodi. Železo-silicijeve tvorbe so običajno zelo stare in njihovo odlaganje je pogosto povezano z oksidacijo zemeljske atmosfere v času paleoproterozoika, ko je raztopljeno železo v oceanu prišlo v stik s kisikom, ki ga sprošča fotosinteza in se obori kot oksid. Plasti so nastale na vmesniku med atmosferami brez kisika in kisikom. Ker je sodobno ozračje bogato s kisikom (približno 21 vol.%), Je nemogoče zbrati dovolj železovega oksida za odlaganje silicijeve železne tvorbe. Edine velike železo-silicijeve tvorbe, naložene po paleoproterozoiku, so povezane s kriogenimi ledeniškimi usedlinami. Za nastanek takšnih kamnin, bogatih z železom, je potreben ocean brez kisika, kjer se lahko naberejo velike količine raztopljenega železa (kot železov (II) oksid), preden ga oksidant obori kot železov (III) oksid. Da bi ocean postal anoksičen, je treba omejiti izmenjavo plinov s kisikovo atmosfero. Zagovorniki hipoteze menijo, da je ponovna pojavitev železo-silicijevih tvorb posledica omejenih ravni kisika v ledu vezanem oceanu.

"Kronanje karbonatov"

Zgoraj se neoproterozojske ledeniške usedline običajno preoblikujejo v kemično oborjene apnence in dolomite debeline od metrov do deset metrov. Te "kronske karbonate" včasih najdemo v zaporedju sedimentov, ki nimajo drugih karbonatov, kar kaže na to, da je njihova tvorba posledica globokih sprememb v kemiji oceanov.

Ti "kronski karbonati" imajo nenavadno kemično sestavo in čudno sedimentno strukturo, ki se pogosto razlaga kot velika nahajališča. Do nastanka takšnih sedimentnih kamnin bi lahko prišlo z velikim povečanjem alkalnosti zaradi visokih stopenj vremenskih vplivov med ekstremnim učinkom tople grede po globalni poledenitvi.

Preživetje življenja v ledeni dobi

Grandiozna poledenitev bi morala zatreti rastlinsko življenje na Zemlji in je zato povzročila znatno zmanjšanje koncentracije ali celo popolno izginotje kisika, kar je omogočilo nastanek neoksidiranih kamnin, bogatih z železom. Skeptiki trdijo, da bi takšno poledenitev moralo voditi do popolnega izginotja življenja, kar pa se ni zgodilo. Podporniki te hipoteze jim odgovarjajo, da bi življenje lahko preživelo na naslednje načine.

  • Oaze anaerobnega in anoksifilnega življenja, ki jih poganja energija globokomorskih tekočin, so preživele v globinah oceanov in skorje - vendar fotosinteza tam ni bila mogoča.
  • Na odprtem oceanu, daleč od superceline Rodinia ali njenih drobcev po njenem razpadu, bi lahko ostala majhna območja odprte vode, ki so preživela z dostopom do svetlobe in ogljikovega dioksida za fotosintetiko, ki je zagotovila majhne količine kisika, ki je zadostoval za podporo nekaterih oksifilnih organizmov. Ta možnost je možna tudi, če je ocean popolnoma zmrznjen, vendar so bila majhna območja ledu dovolj tanka, da prepuščajo svetlobo.
  • Na nunatakih v tropih, kjer so podnevi tropsko sonce ali vulkanska vročina segrevali skale, zaščitene pred mrzlim vetrom, in oblikovali začasna talljena vodna telesa, ki so po sončnem zahodu zmrznila.
  • Jajca, spore in mirujoče faze, zamrznjene v led, bi lahko preživele najtežje faze poledenitve.
  • Pod plastjo ledu, v kemolitotrofnih ekosistemih, teoretično pričakovano v posteljah sodobnih ledenikov, alpske in arktične večne zmrzali. To je še posebej verjetno na območjih vulkanizma ali geotermalne dejavnosti.
  • V bazenih tekoče vode znotraj in pod plastjo ledu, kot je jezero Vostok na Antarktiki. Po teoriji so ti ekosistemi podobni mikrobnim skupnostim, ki živijo v trajno zamrznjenih jezerih antarktičnih suhih dolin.

Ruski paleontolog Mihail Fedonkin pa opozarja, da sodobni podatki (tako paleontološki kot molekularno -biološki) kažejo, da se je večina skupin evkariontskih organizmov pojavila pred neoproterozojsko poledenitvijo, meni, da so ti dokazi proti "ekstremnim paleoklimatskim modelom v obliki hipoteze o snežni kepi", ne da bi zanikali vlogo hlajenja pri evkariotizaciji biosfere.

Evolucija življenja

Kritika hipoteze

Rezultati simulacije

Na podlagi simulacij podnebja je Dick Peltier z Univerze v Torontu zaključil, da bi velika oceanska območja morala ostati brez ledu, pri čemer je trdil, da je "močna" različica hipoteze zaradi energetske bilance in modelov globalnega kroženja neverjetna.

Neledeniški izvor diamictitov

Diamictit sedimentnih kamnin, ki se običajno razlaga kot odlaganje ledenikov, je bil interpretiran tudi kot blatni tok (Eyles in Januszczak, 2004).

Hipoteza visokega naklona

Ena od konkurenčnih hipotez, ki pojasnjuje prisotnost ledu na ekvatorialnih celinah, je velik naklon zemeljske osi, okoli 60 °, zaradi česar je zemeljsko zemljišče postavljeno v visoke "zemljepisne širine". Šibkejša različica hipoteze predvideva le selitev Zemljinega magnetnega polja do tega nagiba, saj branje paleomagnetnih podatkov, ki govorijo o poledeninah na nizki zemljepisni širini, temelji na bližini magnetnega in geografskega pola (obstaja nekaj podatki, ki nam omogočajo tako razmišljanje). V obeh situacijah bo poledenitev omejena na relativno majhno območje, kot je zdaj, in radikalne spremembe podnebja na Zemlji ne bodo potrebne.

Inercialni pravi premik polov

Druga alternativna razlaga pridobljenih podatkov je koncept inercialnega pravega premika polov. Kirshvink in drugi so julija 1997 predlagali ta koncept, ki nakazuje, da so se kopenske mase lahko gibale veliko hitreje, kot so mislili pod vplivom fizikalnih zakonov, ki urejajo porazdelitev mase po planetu kot celoti. Če so celine predaleč od ekvatorja, se lahko celotna litosfera premakne, da jih vrne s hitrostmi, ki so stokrat hitrejše od običajnih tektonskih gibanj. Videti bi moralo, kot da bi se magnetni pol premikal, v resnici pa so se celine glede nanj poravnale. To idejo so izpodbijali Torsvik (1998), Meert (1999) ter Torsvik in Rehnstorm (2001), ki so pokazali, da nihanje polov, ki jih je predlagal Kirshvink (1997), ne zadošča za podporo te teze. Torej, čeprav je geofizikalni mehanizem za pravo gibanje polov verodostojen, ne moremo reči za idejo, da se je tak dogodek zgodil v kambriji.

Če je prišlo do tako hitrega premika, mora biti odgovoren za obstoj takih značilnosti poledenitve v časovnih intervalih blizu ekvatorialne lege celin. Pravi inercialni premik polov je bil povezan tudi s kambrijsko eksplozijo, saj so se živali morale prilagoditi hitro spreminjajočim se okolja... Vendar nedavni dokazi ne podpirajo več obstoja tako hitrega gibanja v kambrijskem času.

Vzroki globalnega poledenitve

Neverjetno je, da je le en dejavnik začel globalno poledenitev. Nasprotno, moralo je sovpadati več dejavnikov.

Sestava atmosfere

Za začetek globalnega poledenitve so potrebne nizke ravni toplogrednih plinov, kot so ogljikov dioksid, metan in vodna para.

Porazdelitev celin

Koncentracija celin v bližini tropov je potrebna za začetek globalnega poledenitve. Velika količina padavine v tropih vodijo do povečanega odtekanja reke, ki shranjuje več karbonatov in odstranjuje ogljikov dioksid iz ozračja. Polarne celine so zaradi nizkega izhlapevanja presuhe za toliko odlaganja ogljika. Postopno povečevanje deleža izotopa ogljika-13 glede na ogljik-12 v sedimentih pred varaško poledenitvijo kaže, da je to počasen, postopen proces.

Zgodovina teorije

1952: Avstralija

1998: Namibija

Zanimanje za hipotezo o snežni kepi se je močno povečalo, potem ko je Paul F. Hoffman, profesor geologije na univerzi Harvard in njegovi soavtorji, objavil članek v Science, ki je Kirshvinkove ideje uporabil za zaporedje neoproterozojskih sedimentov v Namibiji.

2007: Oman: ledeniško-ledeniška cikličnost

Skupina avtorjev je na podlagi kemije kriogenih sedimentnih kamnin v Omanu opisala aktivne hidrološke cikle in spremembe podnebja, ki so Zemljo spravile iz popolnoma ledenega stanja. Z uporabo razmerja med mobilnimi kationi in tistimi, ki so ostali v tleh med kemičnim preperevanjem (indeks kemijske spremembe), so ugotovili, da se je intenzivnost kemičnega preperevanja ciklično spreminjala, med ledeniki se je povečevala in med hladnimi in suhimi poledenki padala.

Najnovejše stanje (april 2007)

Trenutno se razprava o hipotezi nadaljuje pod okriljem mednarodnega programa geoznanosti - projekta 512 "Neoproterozoična ledena doba".

Druge možne globalne poledenitve

Paleoproterozojsko poledenitev

Hipoteza Zemlje snežne kepe je bila uporabljena za razlago ledeniških nahajališč v kanadski supergrupi Huron, čeprav so paleomagnetni dokazi za ledenike z nizko širino sporni. Ledeniški sedimenti južnoafriške formacije MacGyenne so nekoliko mlajši od ledeniških lestvic Huronia (stari približno 2,25 milijarde let) in so nastali v tropskih zemljepisnih širinah. Predvidevalo se je, da je povečanje koncentracije prostega kisika v tem delu paleoproterozoika odstranilo metan iz ozračja in ga oksidiralo. Ker je bilo Sonce takrat precej šibkejše kot je danes, je bil metan kot močan toplogredni plin, ki je lahko preprečil zmrzovanje zemeljske površine. Ker ni učinka tople grede na metan, so se temperature znižale in lahko pride do globalne poledenitve.

Poledenitev iz ogljika (zgodnje domneve)

Opombe (uredi)

  1. Za kratek, poenostavljen opis si oglejte knjigo Tjeerda van Andela Novi pogledi na stari planet: zgodovina globalnih sprememb(Cambridge University Press) (1985, druga izdaja 1994).
  2. Hyde, W.T.; Crowley, T.J., Baum, S.K., Peltier, W.R. (2000). "Neoproterozojske" snežne kepe "simulacije Zemlje" s sklopljenim modelom podnebje / ledena plošča "(PDF). Narava 405 (6785): 425-9. DOI: 10.1038 / 35013005. PMID 10839531. Pridobljeno dne 05.05.2007.
  3. Hoffman, P. F. (1999). "Razpad Rodinije, rojstvo Gondvane, pravo polarno potepanje in snežna kepa Zemlja." Journal of African Earth Sciences 28 (1): 17–33. Pridobljeno 29. 4. 2007.
  4. D.A.D. Evans (2000). "Stratigrafske, geokronološke in paleomagnetne omejitve za neoproterozojski podnebni paradoks." American Journal of Science 300 (5): 347 – 433.
  5. Young, G.M. (1995-02-01). »Ali so neoproterozojske ledeniške obloge ohranjene na robovih Laurentije, povezane z razdrobljenostjo dveh superkontinentov? ". Geologija 23 (2): 153-156. Pridobljeno 27. 4. 2007.
  6. D.H. Rothman; J.M. Hayes; R.E. Povabilo (2003). Dinamika neoproterozojskega ogljikovega cikla. PNAS 100 (14): 124 – 129.
  7. Kirschvink Joseph Pozno proterozojsko globalno poledenitev z nizkimi zemljepisnimi širinami: Zemlja snežne kepe // The Proterozoic Biosphere: A Multidisciplinary Study / J. W. Schopf; C. Klein. - Cambridge University Press, 1992.
  8. M.J. Kennedy (1996). "Stratigrafija, sedimentologija in izotopska geokemija avstralskih neoproterozojskih postglacialnih tabornih dolostonov: deglaciacija, izleti d13C in karbonatne padavine." Časopis za sedimentne raziskave 66 (6): 1050 – 1064.
  9. Spencer, A.M. (1971). Pozno predkambrijsko poledenitev na Škotskem. Mem. Geol. Soc. Lond. 6 .
  10. P. F. Hoffman; D. P. Schrag (2002). "Hipoteza Zemljine snežne kepe: preizkušanje meja globalnih sprememb." Terra Nova 14 : 129 – 155.
  11. Fedonkin, M.A. (2006). "Dve življenjski anali: izkušnja primerjave (paleobiologija in genomika o zgodnjih fazah razvoja biosfere)" Sat. Čl., Namensko. K 70. obletnici akademika N. P. Yushkina: "Problemi geologije in mineralogije": 331-350.
  12. Fedonkin, M.A. (2003). "Izvor Metazoe v luči proterozojskega fosilnega zapisa." Paleontološke raziskave 7 (1).
  13. Peltier W.R. Podnebna dinamika v globokem času: modeliranje "bifurkacije snežne kepe" in ocena verjetnosti njenega pojava // Ekstremni proterozoik: geologija, geokemija in podnebje / Jenkins, GS, McMenamin, MAS, McKey, CP, & Sohl, L. ( - Ameriška geofizikalna zveza, 2004. - str. 107-124.
  14. Schrag, D. P.; Berner, R. A., Hoffman, P. F., Halverson, G. P. (2002). "Ob začetku snežne kepe Zemlja". Geochem. Geophys. Geosyst 3 (10.1029). Pridobljeno 28. 2. 2007.
  15. A. R. Alderman; C. E. Tilley (1960). Douglas Mawson, 1882-1958. Biografski spomini sodelavcev Kraljeve družbe 5 : 119 – 127.
  16. W. B. Harland (1964). "Kritični dokazi za veliko infrakambrijsko poledenitev." Mednarodni vestnik znanosti o Zemlji 54 (1): 45 – 61.
  17. M.I. Budyko (1969). "Vpliv variacije sončnega sevanja na podnebje Zemlje". Povej nam 21 (5): 611 – 1969.
  18. P. F. Hoffman, A. J. Kaufman; G. P. Halverson; D. P. Schrag (1998). "Zemlja iz neoproterozojske snežne kepe". Znanost 281 : 1342 – 1346.
  19. R. Rieu; P.A. Allen; M. Plotze; T. Pettke (2007). "Klimatski cikli v neoproterozojski" snežni kepi "ledeniški dobi". Geologija 35 (5): 299–302.
  20. http://www.igcp512.com/
  21. Williams G.E .; Schmidt P.W. (1997). Paleomagnetizem paleoproterozojske tvorbe Gowganda in Lorrain, Ontario: nizka paleo širina za Huronsko poledenitev. EPSL 153 (3): 157-169.
  22. Robert E. Kopp, Joseph L. Kirschvink, Isaac A. Hilburn in Cody Z. Nash (2005). "Zemlja iz paleoproterozojske snežne kepe: podnebna katastrofa, ki jo je sprožil razvoj." PNAS 102 (32): 11131-11136.
  23. Evans, D. A., Beukes, N. J. & Kirschvink, J. L. (1997) Nature 386, 262-266.

Literatura

  • Arnaud, E. in Eyles, C.H. 2002. Katastrofalna masovna odpoved neoproterozojske celinsko obrobja, na katero vpliva ledenik, Velika Breča, formacija Port Askaig, Škotska. Sedimentna geologija 151: 313-333.
  • Arnaud, E. in Eyles, C. H. 2002. Vpliv ledenikov na neoproterozojsko sedimentacijo: formacija Smalfjord, severna Norveška, Sedimentology, 49: 765-788.
  • Eyles, N. in Januszczak, N. (2004). "Zipper-rift": tektonski model za neoproterozojske poledenitve med razpadom Rodinije po 750 Ma. Earth Science Reviews 65, 1-73.
  • Fedonkin, M.A. 2003. Nastanek Metazoe v luči proterozojskega fosilnega zapisa. Paleontološke raziskave, 7: 9-41
  • Gabrielle Walker, 2003, Snežna kepa, Bloomsbury Publishing, ISBN 0-7475-6433-7
  • Jenkins, Gregory, et al, 2004, Ekstremni proterozoik: geologija, geokemija in podnebje AGU Geofizikalna monografska serija letnik 146, ISBN 0-87590-411-4
  • Kaufman, A. J.; Knoll, A.H., Narbonne, G.M. (1997). Izotopi, ledene dobe in končna proterozojska zgodovina zemlje (National Acad Sciences).... Vključuje podatke o vplivu globalne poledenitve na življenje.
  • Kirschvink, Joseph L., Robert L. Ripperdan in David A. Evans, "Dokazi za obsežno reorganizacijo zgodnjih kambrijskih celinskih mas z inercialno izmenjavo True Polar Wander." Znanost 25 Julij 1997: 541-545.
  • Roberts, J. D., 1971. Pozno predkambrijsko poledenitev: učinek proti toplenju? Narava, 234, 216-217.
  • Roberts, J. D., 1976. Pozni predkambrijski dolomiti, vendska poledenitev in sinhronost vendskega poledenitve, J. Geology, 84, 47-63.
  • Meert, J.G. in Torsvik, T.H. (2004) Paleomagnetne omejitve za celinske rekonstrukcije neoproterozojske ‘snežne kepe’, monografija AGU Extreme Climates.
  • Meert, J. G. 1999. Paleomagnetna analiza kambrijskega pravega polarnega potepa, Zemljin planet. Sci. Lett., 168, 131-144.
  • Sankaran, A.V., 2003. Spor o neoproterozojski "snežni kepi" in karbonatni "kapici". Trenutna znanost, letn. 84, ne. 7. (vključuje več referenc znotraj, na spletu na

Že sredi 20. stoletja so geologi začeli odkrivati ​​dokaze, ki kažejo, da bi v preteklosti naš planet lahko doživel poledenitev po vsem svetu. Z leti je ta teorija našla vse več potrditev in je zdaj znana kot "Zemlja snežne kepe". Po njegovih glavnih določbah je bila Zemlja v obdobju med 630 in 850 milijoni let nekaj časa skoraj v celoti pokrita z ledom, ki je takrat dosegel celo ekvator - o tem pričajo sedimentne usedline in paleomagnetni podatki. Geologi skupaj štejejo dva vrha poledenitve, ki sta se zgodila 710 in 640 milijonov, od katerih je vsak trajal 10 milijonov let.

Sprožilec poledenitve je bil odvzem CO2 iz ozračja, kar je povzročilo ohladitev in začetek ledene dobe. Ko je led dosegel trope, se je sprožil povratni mehanizem: kot veste, sneg in led odsevata od 55% do 80% padajoče sončne svetlobe, medtem ko je za oceane ta številka 12%, za kopno pa od 10% do 40 %. Večji del zemeljske površine je bil pokrit z ledom, več svetlobe se je odbilo v vesolje, kar je ustrezno povečalo hitrost poledenitve.

Tako kot mnogi drugi tovrstni obsežni koncepti ima tudi "Zemlja snežne kepe" svoje kritike. Poleg tega teorija sama obstaja v dveh različicah: močni in šibki. Močno kaže, da je led popolnoma pokril celotno Zemljo, vključno s površino oceanov, pri čemer je tvoril plast debeline skoraj kilometer. Šibka možnost temelji na dejstvu, da bi vsaj na območju ekvatorja moralo biti območje vode brez ledu - kako je potem življenje na našem planetu uspelo preživeti ta dogodek? Še posebej ob upoštevanju dejstva, da ni dokazov, da bi v tem obdobju prišlo do neke vrste množičnega izumrtja vrst. Poleg tega se postavlja vprašanje, kako je potem Zemlji uspelo z globalno zamrznitvijo izstopiti iz tako ekstremne ledene dobe. Kot možnost smo imenovali postopno kopičenje toplogrednih plinov v ozračju zaradi vulkanske aktivnosti. Ko je količina CO2 v ozračju dosegla 13%, je to vodilo do konca poledenitve. Geološki zapisi pa ne vsebujejo dokazov, da je bilo takrat v zemeljski atmosferi toliko CO2.

Tako je skupina znanstvenikov s podnebja univerze Columbia iz obdobja "Zemlje snežne kepe". Za osnovo so bili vzeti sodobni podnebni modeli, ki so jih nato prilagodili realnosti tistega obdobja, vključno z dejstvom, da je bilo Sonce takrat 6% šibkejše kot je zdaj, vsa kopna v času ohlajanja pa so bila del superceline Rodinia. Glede na rezultate simulacije, tudi če bi bila povprečna temperatura Zemlje 12 stopinj pod ničlo, bi približno polovica vodne površine ostala brez ledu - tokovi, kot je zalivski tok, bi preprečili, da bi oceani popolnoma zmrznili. Torej, če je ta model pravilen, smo imeli namesto "Zemlja - snežna kepa" "Zemlja - slepa snežna kepa".

Skupina trenutno nadaljuje izpopolnjevanje svojega modela in poskuša oceniti možen vpliv drugih dejavnikov na podnebje obdobja "Zemlje snežne kepe" - na primer dejstvo, da je bil takrat dolžina dneva 21,9 ure. Če so pridobljeni zaključki pravilni, so lahko koristni ne le za geologe, ampak tudi za astrobiologe, saj lahko povečajo meje bivalne cone. Bivalno območje je območje prostora okoli zvezde, kjer lahko na površini planetov obstaja tekoča voda. Običajno se izračuna le na podlagi razdalje planeta do zvezde. Vendar, kot kaže model "Zemlja - močan sneg", je proces zamrzovanja planeta zelo zapleten in je odvisen od številnih dejavnikov. Tudi če je povprečna temperatura na planetu precej pod lediščem, lahko na njem še vedno obstajajo odprta vodna telesa - vsaj v teoriji.

Biološke lastnosti molekularnega kisika (O 2) so vsaj dvojne. Kisik je močno oksidacijsko sredstvo, s pomočjo katerega lahko dobite veliko koristne energije, hkrati pa močan strup, ki prosto prehaja skozi celične membrane in uničevanje celic, če z njimi ravnate neprevidno. Včasih se reče, da je kisik dvorezen meč ( Trenutna biologija, 2009, 19, 14, R567 - R574). Vsi organizmi, ki se ukvarjajo s kisikom, morajo imeti tudi posebne encimske sisteme, ki blažijo njegove kemične učinke. Tisti, ki nimajo takšnih encimskih sistemov, so obsojeni na stroge anaerobe, ki preživijo le v okolju brez kisika. Na sodobni Zemlji so to nekatere bakterije in arheje.

Skoraj ves kisik na Zemlji je biogenega izvora, torej ga sproščajo živa bitja (seveda zdaj govorimo o prostem kisiku in ne o kisikovih atomih, ki sestavljajo druge molekule). Glavni vir O 2 je kisikova fotosinteza; preprosto ni drugih znanih reakcij, ki bi ga lahko proizvedle v primerljivih količinah. Iz šolskega tečaja biologije vemo, da je fotosinteza sinteza glukoze C 6 H 12 O 6 iz ogljikovega dioksida CO 2 in vode H 2 O, do katere pride s pomočjo svetlobne energije. Glavni "akter" tukaj je ogljikov dioksid, ki ga izloča voda; kisik v tej reakciji ni nič drugega kot stranski produkt, odpadki. Manj znano je, da fotosinteza morda ne proizvaja kisika, če se namesto vode kot redukcijsko sredstvo uporabi kakšna druga snov, na primer vodikov sulfid H 2 S, prosti vodik H 2 ali nekaj železovih spojin; ta vrsta fotosinteze se imenuje brez kisika; obstaja več različnih variant.

Anoksična fotosinteza se je skoraj zagotovo pojavila veliko prej kot kisik. Zato v prvih milijardah let življenja (in najverjetneje daljše), čeprav se je fotosinteza nadaljevala, ni povzročila nasičenja Zemljine atmosfere s kisikom. Vsebnost kisika v ozračju takrat ni bila večja od 0,001% sodobne - preprosto povedano, to pomeni, da je v resnici ni bilo.

Vse se je spremenilo, ko so na sceno stopile modrozelene alge ali cianobakterije. Kasneje so ta bitja postala predniki plastid, fotosintetizirajočih organelov evkariontskih celic (spomnite se, da se organizmi s celičnimi jedri imenujejo evkarioti, v nasprotju s prokarioti, ki imajo celice brez jedra). Cianobakterije so zelo starodavna evolucijska veja. Po merilih zemeljske zgodovine so presenetljivo nespremenjeni. Na primer, oscilatorija modro-zelenih alg ( Oscilatorija) ima fosilne sorodnike, ki so živeli pred 800 milijoni let in se praktično ne razlikujejo od sodobnih oscilatorjev (Ekologija cianobakterij II. Njihova raznolikost v prostoru in času, Springer, 2012, 15–36). Tako je oscilator impresiven primer živega fosila. Toda prve cianobakterije so se pojavile veliko prej od nje - to potrjujejo paleontološki podatki.

Sprva cianobakterij ni bilo veliko, ker fotosinteza kisika, ki so jo obvladali, ni dala resnih prednosti pred anoksičnimi, ki so jih imele druge skupine mikrobov. Toda kemično okolje teh mikrobov se je postopoma spreminjalo. Prišel je trenutek, ko preprosto ni bilo več dovolj "surovin" za fotosintezo brez kisika. In potem je udarila ura cianobakterij.

Fotosinteza kisika ima eno veliko prednost - popolnoma neomejeno dobavo začetnega redukcijskega sredstva (vode) in eno veliko pomanjkljivost - visoko strupenost stranskega produkta (kisik). Ni presenetljivo, da ta vrsta izmenjave sprva ni bila "priljubljena". Toda ob najmanjšem pomanjkanju substratov, razen vode, bi morali lastniki kisikove fotosinteze takoj pridobiti konkurenčno prednost, kar se je tudi zgodilo. Po tem se je začelo obdobje približno milijarde let, v katerem so videz Zemlje določale predvsem cianobakterije. V zadnjem času se celo predlaga, da bi jih po uradnem imenu poimenovali "cianozoik" (M. Barbieri, Code Biology. A New Science of Life, Springer, 2015, 75–91).

Zaradi cianobakterij se je revolucija kisika začela pred 2,4 milijarde let, je tudi kisikova katastrofa ali veliki oksidativni dogodek ( Velik oksidacijski dogodek, GOE). Strogo gledano, ta dogodek ni bil niti trenuten niti popolnoma edinstven ( Narava, 2014, 506, 7488, 307-315). Kratki izbruhi koncentracije kisika, "kisikovi udarci", so se zgodili že prej, to je paleontološko zapisano. Pa vendar se je pred 2,4 milijarde let zgodilo nekaj novega. Za merila zemeljske zgodovine (nekaj deset milijonov let) se je za kratek čas koncentracija kisika v ozračju povečala za približno tisočkrat in ostala na tej ravni; nikoli ni padla na svoje nekdanje nepomembne vrednosti. Biosfera je nepovratno nasičena s kisikom.

Za veliko večino starodavnih prokariotov je bila ta raven kisika smrtonosna. Ni presenetljivo, da je bil prvi rezultat revolucije s kisikom množično izumrtje. Preživeli so predvsem tisti, ki jim je uspelo ustvariti encime, ki ščitijo pred kisikom, včasih pa tudi debele celične stene (vključno s cianobakterijami samimi). Obstaja razlog za domnevo, da je bil kisik v prvih 100-200 milijonih letih "novega sveta kisika" le strup za žive organizme in nič več. Potem pa so se razmere spremenile. Odziv biote na izziv kisika je bil pojav bakterij, ki so vključile kisik v verigo reakcij, ki razgrajujejo glukozo, in jo tako začele uporabljati za energijo.

Takoj se je izkazalo, da je oksidacija glukoze s kisikom (dihanje) energetsko veliko učinkovitejša od anoksične (fermentacija). Na molekulo glukoze daje nekajkrat več proste energije kot katera koli poljubno zapletena različica izmenjave brez kisika. Hkrati so začetne stopnje razgradnje glukoze med uporabniki dihanja in fermentacije ostale običajne: oksidacija kisika je služila le kot nadgradnja nad že obstoječim starodavnim biokemijskim mehanizmom, ki sam po sebi ni potreboval kisika.

Skupina mikrobov, ki so obvladali tvegano, a učinkovito proizvodnjo energije s kisikom, se imenuje proteobakterija. Po zdaj splošno sprejeti teoriji so iz njih izvirali dihalni organeli evkariontskih celic - mitohondriji.

Po genetskih podatkih je najbližji sodobni sorodnik mitohondrijev vijolična spiralna alfa-proteobakterija Rhodospirillum rubrum (Molekularna biologija in evolucija, 2004, 21, 9, 1643-1660). Rhodospirillum ima dihanje, fermentacijo in fotosintezo brez kisika, pri kateri se namesto vode uporablja vodikov sulfid in lahko preklaplja med temi tremi vrstami izmenjave, odvisno od zunanjih pogojev. Nedvomno je bil tak simbiont - to je v tem primeru notranji sobivalec - zelo koristen predniku evkariontov.

Poleg tega mnogi sodobni znanstveniki verjamejo, da je bila simbioza starodavnih arhej s proteobakterijami - predniki mitohondrijev - spodbuda za nastanek evkariontske celice (Evgeny Kunin. Logika primera. M.: Tsentrpoligraf, 2014). Ta hipoteza se imenuje "zgodnja mitohondrijska". Predlaga, da se je delitev bodoče evkariontske celice na citoplazmo in jedro zgodila šele po vnosu vanjo proteobakterijskega simbionta. Starejši scenarij "pozne mitohondrije", po katerem je proteobakterije preprosto pogoltnila že pripravljena evkariontska celica (ki je nastala sama iz arhealne celice), je zdaj videti precej manj verjeten. Pravzaprav so bile tako arhealne kot proteobakterijske celice v procesu združevanja resno "ponovno sestavljene", kar je povzročilo nekakšno himero z novimi lastnostmi. Ta himera je postala evkariontska celica; molekularne komponente arhealnega in proteobakterijskega izvora so v njem močno mešane in si funkcije delijo (Paleontološki vestnik, 2005, 4, 3–18). Brez proteobakterij evkarioti ne bi nastali. To pomeni, da je bil njihov videz neposredna posledica revolucije kisika.

Glede na zgoraj navedeno besede dveh sodobnih velikih znanstvenikov, paleontologa in geologa, skoraj ne izgledajo kot pretiravanje: "Vsi se strinjajo, da je bil razvoj modro-zelenih alg najpomembnejši biološki dogodek na našem planetu (celo pomembnejši od razvoja evkariontskih celic in nastanka večceličnih organizmov) "(Peter Ward, Joe Kirshvink. Nova zgodovina nastanka življenja na Zemlji. Sankt Peterburg: Založba" Peter ", 2016). Dejansko znani svet živali in rastlin zdaj ne bi obstajal, če ne bi bilo cianobakterij in njihove krize.

Življenjska obdobja

Celotna zgodovina Zemlje je razdeljena na štiri velike intervale, imenovane eone (to je višje od obdobja). Imena eonov so naslednja: katarchean ali viper (pred 4,6–4,0 milijarde let), arheje (pred 4,0–2,5 milijarde let), proterozoik (pred 2,5–0,54 milijard let) in fanerozoik (začelo se je pred 0,54 milijarde let in se nadaljuje zdaj). Ta delitev nam bo nenehno pomagala, res je priročno. Ugotovimo si, da v skoraj vseh takih primerih spominjanje ni časovne meje, ampak zaporedje obdobij in z njimi povezanih dogodkov: to je veliko pomembnejše. Izjema je lahko le za dva ali tri temeljne datume, kot je starost Zemlje.

Katarchei je tako imenovana predgeološka doba, iz katere niso ostale "normalne" kamnine, ki se nahajajo v plasteh. Klasične geološke in paleontološke metode, ki temeljijo natančno na primerjavi zaporednih plasti, tam ne delujejo. Predmeti, ki so ostali iz katarheje, so večinoma majhna zrna cirkona, prav tista, v katerih so pred kratkim našli domnevno biogeni ogljik. O katarhejskem življenju je zelo malo znanega (če sploh).

V arhejščini Zemlja pripada prokariotom - bakterijam in arhejam (samo brez zmede, sovpadanje korenin v imenu geološke dobe "archaea" in skupine mikrobov "archaea" je pravzaprav naključno). Meja med arhejsko in proterozojsko dobo pade približno v času enega od močnih "vdihov kisika" pred revolucijo kisika. Sama kisikova revolucija se je zgodila na začetku proterozoika.

Proterozoik je doba kisika in evkariontov. Zanimiv paradoks je povezan z datiranjem izvora evkariontov. Bistvo je v tem, da se bolj ali manj zanesljivo določljivi večcelični evkarionti pojavijo v fosilnem zapisu veliko prej kot enako zanesljivo določljivi enocelični. Nitaste alge Grypania spiralis, ki se običajno šteje za evkariota, se je pojavil pred 2,1 milijarde let ( Avstralski časopis za paleontologijo, 2016, doi: 10.1080 / 03115518.2016.1127725). Po pravici povedano je treba povedati, da je glavni argument evkariontske narave gripe njena velika velikost - vsi drugi znaki ne dajejo zaupanja, da to ni velikanska cianobakterija ( Paleontologija, 2015, 58, 1, 5–17). Dejstvo pa je, da ta najdba ni edina. Najstarejši znani evkariot danes velja za gobast organizem. Diskagma buttonii Stara 2,2 milijarde let ( Predkambrijske raziskave, 2013, 235, 71–87). In potem obstajajo skrivnostna velika bitja v obliki spirale - najverjetneje alge, katerih ostanki so stari vsaj 2,1 milijarde let, tako kot gripa ( Narava, 2010, 466, 7302, 100–104). Toda prvi enocelični organizmi, nedvoumno označeni kot evkarionti, so stari le 1,6 milijarde let ( , 2006, 361, 1470, 1023-1038). To seveda ne pomeni, da so se večcelični evkarionti res pojavili pred enoceličnimi - ta predpostavka je v nasprotju z vsemi razpoložljivimi molekularnimi podatki. Enocelične so preprosto slabše ohranjene in imajo manj znakov, po katerih je mogoče določiti organizem.

Kljub temu iz takšnih zmenkov sledijo zelo pomembni zaključki. Spomnite se, da je datum kisikove revolucije pred 2,4 milijarde let. Zato vemo, da se le 200 milijonov let po njem v fosilnem zapisu ne pojavijo le evkarionti, ampak tudi večcelični evkarionti. To pomeni, da so prve stopnje evolucije evkariontov zelo hitro minile po standardih svetovne zgodovine. Seveda je trajalo nekaj časa, da je evkariontska celica ustvarila simbiozo s predniki mitohondrijev, ustvarila jedro in zapletla citoskelet - znotrajcelični sistem podpornih struktur. Ko pa so se ti procesi končali, je bilo mogoče skoraj takoj ustvariti prve večcelične organizme. To ni zahtevalo dodatnih prilagoditev na ravni kletke. Vsaka evkariontska celica že ima celoten sklop molekularnih elementov, ki so potrebni za izgradnjo večceličnega telesa (vsaj relativno preprostega) iz takšnih celic. Seveda vsi ti elementi niso nič manj uporabni za življenje ene same celice, sicer preprosto ne bi nastali. Skupni prednik evkariontov je bil brez dvoma enocelični in mnogi njegovi potomci nikoli niso potrebovali večceličnosti. Poznamo primere sodobnih enoceličnih evkariontov - amebe, euglene, cilijatov - zahvaljujoč šolskim učbenikom, v resnici pa jih je veliko več.

Revolucija kisika je imela še en pomemben vpliv na sestavo ozračja. Arhejsko ozračje je bilo bogato z dušikom (kot je zdaj), pa tudi z ogljikovim dioksidom in metanom (veliko več kot zdaj). Ogljikov dioksid in metan zelo dobro absorbirajo infrardeče sevanje in s tem zadržujejo toploto v zemeljski atmosferi, kar preprečuje njen odhod v vesolje. Temu pravimo učinek tople grede. Poleg tega velja, da je učinek tople grede zaradi metana vsaj 20-30-krat močnejši kot pri ogljikovem dioksidu. V arhejskih časih je bilo v zemeljski atmosferi približno 1000 -krat več metana kot zdaj, kar je zagotovilo precej toplo podnebje.

Tu posega tudi astronomija. V skladu s splošno sprejeto teorijo evolucije zvezd se svetilnost Sonca počasi, a vztrajno povečuje. V arhejskem je bilo le 70–80% sodobnega - razumljivo je, zakaj je bil učinek tople grede pomemben za ohranjanje toplote planeta. Toda po kisikovi revoluciji je ozračje oksidiralo in skoraj ves metan (CH 4) se je spremenil v ogljikov dioksid (CO 2), ki je veliko manj učinkovit kot toplogredni plin. To je povzročilo katastrofalno huronsko poledenitev, ki je trajala približno 100 milijonov let in je na nekaterih mestih zajela celotno Zemljo: sledi ledenikov so našli na kopenskih površinah, ki so bile takrat le nekaj stopinj zemljepisne širine od ekvatorja ( , 2005, 102, 32, 11131-11136). Vrh huronske poledenitve je prišel pred 2,3 milijarde let. Na srečo poledenitev ni mogla ustaviti tektonske aktivnosti zemeljskega plašča; vulkani so še naprej oddajali ogljikov dioksid v ozračje, sčasoma pa se ga je nabralo dovolj, da je obnovil učinek tople grede in stopil led.

Vendar so bili glavni podnebni preizkusi šele pred nami.

Konec dolgočasne milijarde

Burnim dogodkom na začetku proterozoika je sledilo tako imenovano "dolgočasno milijardo let" ( Dolgčasna milijarda). V tem času ni bilo poledenitev, nenadnih sprememb v sestavi ozračja, biosfernih pretresov. Eukariontske alge so živele v oceanih in postopoma sproščale kisik. Njihov svet je bil po svoje raznolik in zapleten. Na primer, iz obdobja "dolgočasne milijarde" znanih večceličnih rdečih in rumeno-zelenih alg, presenetljivo podobnih njihovim sodobnim sorodnikom ( Filozofski posli kraljeve družbe B, 2006, 361, 1470, 1023–1038). V tem času se pojavijo tudi gobe ( Paleobiologija, 2005, 31, 1, 165-182). Toda večcelične živali so odsotne v prostranosti "dolgočasne milijarde let". Bodimo previdni: trenutno nihče ne more s popolnim zaupanjem reči, da takrat ni bilo večceličnih živali, vendar so vsi podatki o tej temi v najboljšem primeru zelo sporni ( Predkambrijske raziskave, 2013, 235, 71–87).

Kaj je tukaj? Misel sama po sebi nakazuje, da je večceličnost kot taka veliko bolj združljiva z življenjskim slogom rastline kot živali. Vsaka rastlinska celica je zaprta v trdno celično steno in ni dvoma, da to močno olajša regulacijo medsebojno razpolaganje celice v kompleksnem telesu. Nasprotno, živalskim celicam primanjkuje celične stene, njihova oblika je nestabilna in se celo med fagocitozo, torej absorpcijo delcev hrane, nenehno spreminja. Zbrati cel organizem iz takšnih celic je težka naloga. Če se sploh ne bi pojavile večcelične živali in bi predstavniki rastlin ali gliv postali biologi, bi najverjetneje po preučitvi tega problema prišli do zaključka, da je kombinacija večceličnosti z odsotnostjo celične stene preprosto nemogoča. Vsekakor to pojasnjuje, zakaj se je večceličnost pojavila večkrat v različnih skupinah alg, le enkrat - pri živalih.

Obstaja tudi druga ideja. Leta 1959 je kanadski zoolog John Ralph Nursell povezal nenaden (kot je takrat veljalo) pojav živali v fosilnem zapisu s povečanjem koncentracije kisika v ozračju ( Narava, 1959, 183, 4669, 1170-1172). Živali imajo praviloma aktivno gibljivost, ki zahteva toliko energije, da ne morejo brez dihanja s kisikom. In potrebujete veliko kisika. In v dobi "dolgočasne milijarde" vsebnost O 2 v ozračju skoraj zagotovo ni dosegla 10% sedanje ravni - minimalne vrednosti, ki se pogosto šteje za potrebno za podporo življenja živali. Res je, ta sumljivo okrogla številka je najverjetneje precenjena ( Zbornik Nacionalne akademije znanosti ZDA, 2014, 111, 11, 4168–4172). Takšni pridržki pa nam ne preprečujejo, da bi priznali, da Nersellova stara ideja vsaj ni v nasprotju s sodobnimi podatki: domnevni začetek evolucije večceličnih živali je zelo približen, vendar časovno sovpada z novim povečanjem koncentracije atmosferskega kisika na koncu proterozoika ( Letni pregled ekologije, evolucije in sistematike, 2015, 46, 215–235). Preprosto ni mogel biti dejavnik, ki je olajšal videz živali: navsezadnje, več kisika, tem bolje. Ne samo, da je faktor kisika izključno edini. Spomnimo se, da tudi v času, ko je bilo kisika toliko, kot je bilo potrebno, niso opazili večkratnih poskusov ustvarjanja večceličnosti živalskega tipa. Ta poskus je naravi uspel le enkrat.

Prijetno obdobje "dolgočasnih milijard let" bi lahko trajalo dolgo, če geografija ne bi posegla v biologijo. Dramatični dogodki, katerih junak je bil sam planet, so pol stoletja pritegnili pozornost znanstvenikov, a šele pred 15 leti so lahko podatke o njih združili v bolj ali manj celostno sliko. Na hitro poglejmo to sliko, začenši od začetka, kot bi morala biti.

Leta 1964 je angleški geolog Brian Harland objavil članek, v katerem je izjavil, da absolutno na vseh celinah obstajajo sledi starodavnega poledenitve iz istega časa - poznega proterozoika. Ravno v zgodnjih 60. letih so se geologi naučili določiti pretekli položaj celin z uporabo podatkov o magnetizaciji kamnin. Harland je zbral te podatke in videl, da obstaja le en način za razlago: ob predpostavki, da je poznoproterozojska poledenitev zajela vse zemljepisne širine naenkrat, torej da je planetarna. Vsaka druga hipoteza je bila videti še manj verjetna (na primer bi morali domnevati neverjetno hitro premikanje polov, tako da bi bila vsa dežela pokriti s polarno kapo). Kot je dejal Sherlock Holmes med iskanjem Jonathana Smalla: "Odvrzi nemogoče, odgovor bo ostal, ne glede na to, kako neverjetno se zdi." Točno to je naredil Harland. Podroben članek, ki ga je napisal skupaj s soavtorjem, se ne pretvarja, da je kakršen koli občutek - preprosto pošteno podaja dejstva in zaključke ( Znanstveno -ameriški, 1964, 211, 2, 28–36). Pa vendar je bila hipoteza o planetarni poledenitvi za večino znanstvenikov preveč drzna.

Dobesedno v istih letih je slavni geofizik Leningrader Mihail Ivanovič Budyko prevzel teorijo poledenitve. Opozoril je na dejstvo, da se lahko poledenitev samo razvija. Ledena odeja ima visoko odbojnost (albedo); zato je večja celotna površina ledenika večji delež sončnega sevanja, ki se odbija nazaj v vesolje in s tem odvzema toploto. Manj toplote, ki jo Zemlja prejme, postaja hladnejša in zaradi tega površina ledene odeje raste, kar še poveča albedo. Izkazalo se je, da je poledenitev proces s pozitivnimi povratnimi informacijami, se pravi, da se lahko okrepi. In v tem primeru jih mora biti nekaj kritični ravni poledenitev, po kateri bo rasla, dokler se na ekvatorju ne zrušijo ledeni valovi s severnega in južnega pola, ki planet popolnoma zaprejo v ledeno odejo in znižajo njegovo temperaturo za nekaj deset stopinj. Budyko je matematično pokazal, da je tak razvoj dogodkov mogoč ( Povej nam, 1969, 21, 5, 611-619). Ni pa vedel, da se je to v zgodovini Zemlje večkrat zgodilo! Ker se takrat Budyko in Harland še nista brala.

Snežna kepa Zemlja

Zdaj se poledenitev, ki jo je odkril Harland, običajno imenuje obdobje "Zemlje snežne kepe" ( Snežna kepa). Očitno je bilo res planetarno. In njegov glavni razlog velja za močno oslabitev učinka tople grede zaradi padca koncentracije ogljikovega dioksida (ki je postal glavni toplogredni plin, potem ko je kisik »pojedel« skoraj ves metan). Fotosinteza in dihanje verjetno nimata nič s tem. Če je biota Zemlje uredila revolucijo kisika zase, je zdaj postala žrtev zunanjega dejavnika, ki je popolnoma nebiološke narave.

Dejstvo je, da je promet ogljikovega dioksida veliko manj odvisen od živih bitij kot promet kisika. Glavni vir atmosferskega CO 2 na Zemlji so še vedno vulkanski izbruhi, glavni ponor pa je proces, imenovan kemično preperevanje. Ogljikov dioksid medsebojno deluje s kamninami, jih uničuje in se sam spremeni v karbonate (ione HCO 3 - ali CO 3 2−). Slednji se v vodi dobro raztopijo, vendar ne vstopajo več v ozračje. In rezultat je izjemno preprosta odvisnost. Če intenzivnost vulkanov preseže intenzivnost kemičnega preperevanja, se atmosferska koncentracija CO 2 poveča. Če nasprotno, pade.

Na koncu "dolgočasne milijarde", pred 800 milijoni let, je bila skoraj vsa zemeljska zemlja del edine superceline, imenovane Rodinia. Po mnenju enega znanega geologa so bili velikanski superkontinenti, tako kot veliki imperiji v družbeni zgodovini Zemlje, vedno nestabilni (VE Khain, MG Lomize. Geotektonika z osnovami geodinamike. M: Založba Moskovske državne univerze, 1995 ). Zato ni presenetljivo, da se je Rodinia začela razhajati. Na robovih prelomov se je izbruhnil bazalt, ki se je strnil, kar je takoj postalo predmet kemičnega preperevanja. Tla takrat še ni bilo, produkti vremenskih vplivov pa so se zlahka prenesli v ocean. Rodinia se je sčasoma razdelila na sedem ali osem majhnih - približno velikosti Avstralije - celin, ki so se ločile. Poraba CO 2 za preperevanje bazalta je povzročila padec njegove ravni v ozračju.

Vulkanizem, ki je neizogibno spremljal razpad superkontinenta, bi to lahko nadomestil, če ne eno naključno okoliščino. Zaradi nekaterih potez kontinentalnega odnašanja sta bila Rodinia in njeni drobci locirani na ekvatorju, v toplem pasu, kjer je kemično preperevanje potekalo še posebej hitro. Matematični modeli kažejo, da je zaradi tega koncentracija CO 2 padla pod prag, čez katerega se začne poledenitev ( Narava, 2004, 428, 6980, 303-306). In ko se je začelo, je bilo prepozno, da bi upočasnili vremenske razmere.

Treba je priznati, da je bil položaj celin v poznem proterozoiku čim bolj nesrečen (z vidika prebivalcev planeta). Celinski premik poganjajo tokovi materialov v zemeljskem plašču, katerih dinamika pravzaprav ni znana. Vemo pa, da so v tem primeru ti potoki zbrali vso zemeljsko zemljo v eno samo celino, ki se nahaja točno na ekvatorju in podolgovata v zemljepisni širini. Če bi bil na enem od polov ali bi bil razširjen od severa proti jugu, bi začetek poledenitve del kamnin zaprl pred vremenskimi vplivi in ​​s tem ustavil pobeg ogljikovega dioksida iz ozračja - potem bi se proces lahko upočasnil. Priča smo prav takšni situaciji, ko so ledene plošče Antarktike in Grenlandije ( Znanstveno -ameriški, 1999, 9, 38). In na koncu proterozoika so bila skoraj vsa velika območja kopnega blizu ekvatorja - in so bila izpostavljena do trenutka, ko sta se severna in južna ledena plošča zaprla. Zemlja je postala ledena krogla.

Pravzaprav so bile vsaj tri epizode snežne kepe. Prva med njimi je bila povezana s Huronsko poledenitvijo (ki, kot se spomnimo, ni bila posledica ogljikovega dioksida, ampak zaradi metana). Potem več kot milijardo let poledenitve sploh ni bilo. Nato sta sledili še dve planetarni poledenitvi, ločeni z majhnim intervalom, od katerih je eden trajal približno 60 milijonov let, drugi - približno 15 milijonov let. Odkril jih je Brian Harland. Geološko obdobje, ki pokriva te poledenitve, se imenuje kriogenija (je del proterozoika).

O živi naravi kriogenije je malo znanega. Podnebje na celotni Zemlji je bilo po današnjih merilih antarktično. Večina oceanov je bila pokrita s kilometrsko plastjo ledu, zato stopnja fotosinteze ne bi mogla biti visoka. Svetloba, ki je nenadoma postala najdragocenejši vir, je v ocean vstopila le ponekod, skozi razpoke, odprtine ali majhne zaplate tankega ledu. Presenetljivo je, da je nekaterim večceličnim organizmom uspelo preživeti kriogenijo, ne da bi se sploh spremenili, na primer rdeče alge. Še zdaj so prilagojeni uporabi zelo šibke svetlobe, ki prodira do takšne globine, kjer ne živijo več nobena druga fotosintetična bitja (Yu. T. Dyakov. Uvod v algologijo in mikologijo. M.: Založba Moskovske državne univerze, 2000). Tudi enocelični plankton ni šel nikamor. Vsebnost kisika v kriogenem oceanu se je dramatično znižala, zato je bilo življenje na njegovem dnu najverjetneje večinoma anaerobno, a podrobnosti o tem so nam še vedno skrite.

Tudi zaključki epizod "Zemlje snežne kepe" so na svoj način dramatični. Med planetarnimi poledenitvami so bili vsi procesi, povezani z absorpcijo velikih količin ogljikovega dioksida, dobesedno zamrznjeni. Medtem so vulkani (katerih delo ni nihče ustavil) metali in oddajali CO 2 v ozračje, s čimer so njegovo koncentracijo postopoma dosegli ogromne vrednosti. V nekem trenutku se ledena plošča ni mogla več upreti učinku tople grede, nato pa se je začel plazovit proces ogrevanja planeta. V dobesedno nekaj tisoč letih - torej geološko v hipu - se je ves led stopil, sproščena voda je poplavila velik del kopnega s plitvim obrobnim morjem, temperatura pa zemeljsko površino po izračunih skočil na 50 ° C ( Inženiring in znanost, 2005, 4, 10–20). In šele po tem se je Zemlja začela postopno vračati v "normalno" neledeniško stanje. Med kriogenezo je bil ta celoten cikel opravljen vsaj dvakrat.

Raziskovalci iz Kitajske in Združenih držav so analizirali vsebnost različnih izotopov magnezija v kamninah iz južne Kitajske, starih 635 milijonov let. Vsebnost različnih izotopov magnezija je kazala, da so bile te kamnine takrat pod vplivom ogljikove kisline pod hudo erozijo. Odkritje potrjuje dolgo razvito hipotezo, da se je snežna krogla stopila, ko je nanjo začelo množično padati kislo deževje. Ustrezno objavljeno v Zbornik Nacionalne akademije znanosti.

Znanstveniki so pregledali kos kamnine, ki je bil del gorskega vrha pred 635 milijoni let. Štrlel je nad planetarnim ledenikom, ki je takrat pokrival Zemljo, in bil izpostavljen neposrednemu stiku z dežjem, ki vsebuje ogljikovo kislino. To je spremenilo razmerje izotopov magnezija v ledeniku. Kot ugotavljajo raziskovalci, njihova ugotovitev kaže, da je velika količina ogljikovega dioksida v zraku povzročila odmrzovanje Zemlje. Če bi bilo dovolj za tuširanje z ogljikovo kislino, je učinek tople grede dosegel raven, ki je po današnjih standardih nepredstavljiva.

Poleg tega novo delo kaže na vir karbonatne »kapice« - plasti karbonatnih usedlin, ki prekrivajo plasti globalnega poledenitve. Ogljikova kislina je bila jedki kemični medij, skozi katerega so iz kamnin nastali karbonati. S talilno vodo so pritekli v oceane, kjer so postali osnova za močno povečanje vsebnosti kalcijevih spojin. Presežek te snovi je imel veliko vlogo pri nastanku kambrijske favne. Takratna večcelična bitja so pogosto uporabljala kalcij za "izgradnjo" zunanjih trdih napak.

Na podnebje našega planeta dolgoročno vpliva ogljikov cikel. Če je na njem prevroče, kamnine ogljikov dioksid iz zraka aktivno absorbirajo. Z nizko vsebnostjo ogljikovega dioksida v zraku učinek tople grede oslabi - Zemlja se spet ohladi. Če se ohladi, se hitrost kemičnih reakcij upočasni in ogljikov dioksid manj absorbirajo kamnine, ki se kopičijo v ozračju. Iz tega izhaja globalno segrevanje, podnebje pa se še vedno normalizira. Pred 650 milijoni let je ta naravni termostat odpovedal zaradi še nejasnih razlogov.

Nekoč je bilo ogljikovega dioksida tako malo, da je na planetu nastala globalna poledenitev: vsa voda in kopno sta bila pokrita z ledom, tudi na ekvatorju. To stanje v geologiji imenujemo snežna kepa. V skladu z logiko ogljikovega kroga bi morali vulkanski izbruhi, ki obnavljajo atmosferski ogljikov dioksid, sčasoma dvigniti njegovo koncentracijo na ogromne vrednosti, ker skale in morska voda izpod ledu ne bi mogli vezati ključnih toplogrednih plinov. Sčasoma se je njegov delež v zraku tako povečal, da je učinek tople grede premagal ohlajanje Zemlje zaradi odboja sončne svetlobe v ledu.

Hipoteza je imela resno napako: preizkusiti jo je bilo zelo težko. Teoretično bi morala visoka koncentracija ogljikovega dioksida v zraku povzročiti spontano tvorbo ogljikove kisline in njeno obarjanje z vodo v obliki kislega dežja. Vendar so bili prej vsi poskusi odkrivanja neposrednih kemičnih sledi takšnega dežja neuspešni. Dejstvo je, da so hodili, ko je bil planet popolnoma pokrit z ledom in je bilo zelo težko priti do skal.

7.10.11 Nekateri raziskovalci menijo, da je dvakrat ali trikrat v zgodovini našega planeta prišlo obdobje, ki je bilo običajno označeno kot "Zemlja-snežna kepa", ko je led skoraj v celoti pokrival površino Zemlje. Nazadnje se je to zgodilo pred približno 635 milijoni let. Nato se je iz več razlogov zgodil učinek tople grede in planet se je odmrznil.

Vendar je mednarodna skupina znanstvenikov podvomila o povečanju koncentracije ogljikovega dioksida v atmosferi v tistem času. Po novih podatkih učinek tople grede ni bil dovolj močan, da bi stopil debel led. Posledično se Zemlja ni spremenila v veliko snežno kepo.

Glavni dokaz v prid hipotezi so ledeniške usedline, ki so bile pred 635 milijoni let v ekvatorju. Nad njimi je plast "pokrovnih karbonatov", za katere se domneva, da so nastali, ko so se ledeniki stopili ali kmalu zatem, torej ko je bilo v ozračju veliko ogljikovega dioksida.

Menijo, da se je obdobje "Zemlje snežne kepe" končalo, ko se je raven ogljikovega dioksida v ozračju povečala. Vzrok bi lahko bila vulkanska dejavnost. Dejavnike, ki v normalnih pogojih odstranijo ogljikov dioksid iz ozračja, je led blokiral. Poleg tega je hladno vreme preprečilo, da bi preperele skale absorbirale ogljikov dioksid v tvorbo bikarbonatov. Vse to je privedlo do kopičenja toplogrednih plinov v ozračju.

Raziskovalci so se odločili ugotoviti, koliko ogljikovega dioksida je bilo takrat v ozračju. V ta namen so analizirali kemično sestavo brazilskih kamnin tistega časa in fosilizirane organske snovi v njih. Strokovnjake je zanimalo razmerje izotopov.

Obe pasmi in organska snov(predvsem alge) izvlečejo ogljik iz ogljikovega dioksida, raztopljenega v oceanu. Zmanjšanje koncentracije plina vodi v dejstvo, da se alge začnejo naslanjati na težji izotop. Po drugi strani pa se razmerje ogljikovih izotopov v karbonatnih kamninah ne spreminja ne glede na koncentracijo ogljikovega dioksida.

Primerjava kazalnikov kamna in organskih snovi je pokazala, da je bila koncentracija ogljikovega dioksida v ozračju precej nižja od prejšnjih ocen. Šlo naj bi za 90 tisoč delov na milijon, nova analiza pa trdi, da je manj kot 3200 delov na milijon. Možno je, da se je koncentracija približala današnji (približno 400 ppm).

Rdeče rjave, z železom bogate ledeniške usedline v gorah Ogilvy (Yukon Territory, Kanada). Nastali so pred 716,2 milijona let, ko je bil planet morda skoraj v celoti pokrit z ledom. (Fotografija Francis Macdonald.)

"In ker v ozračju ni bilo visoke koncentracije ogljikovega dioksida, to pomeni, da Zemlje snežne kepe ne bi moglo biti, sicer bi bila Zemlja do danes zamrznjena," povzema avtorica študije Magali Ader z Geofizikalnega inštituta v Parizu ( Francija).

Ona pa opozarja, da ostaja veliko nejasnosti. Možno je, na primer, da kamnine niso bile pravilno datirane. Obstaja tudi možnost, da učinka tople grede ni povzročil ogljikov dioksid, ampak metan ...