ЧАСТИНА 1. ЕВОЛЮЦІЙНА ІСТОРІЯ ЛІСУ

ЛЕКЦІЯ 2
 Догеологічне минуле Землі, виникнення біосфери

План:

     1.     Догеологічне минуле нашої планети.

     2.     Головний внутрішній рушійний механізм розвитку нашої планети.

     3.     Виникнення первинної літосфери, атмосфери та гідросфери.

     4.     Виникнення  найважливіших умов зародження життя на Землі.

     5.     Теорія зародження живих організмів.

     6.     Виникнення біосфери.

Всі живі організми та їх системи можуть існувати лише у певному геофізичному та  хімічному середовищі, яке характеризується присутністю певної множини доступних і нешкідливих для їх життєдіяльності природних ресурсів: хімічних елементів та сполук, теплової та світлової енергії, гравітаційного поля тощо. Системи живих організмів різного ступеня сформованості є і в приземній атмосфері і в акваторіях, у пустелях, у степах і в лісових угрупованнях. Проте ліси — це дуже складні біогеографічні системи, існування яких зумовлено не лише наявністю певних абіотичних чинників, але й живих організмів різного рівня еволюційної організації, в тому числі і найвищого. Ці живі організми у наслідок власної життєдіяльності, взаємодіючи з компонентами літосфери, гідросфери та атмосфери утворюють необхідну життя лісу структурну частину біосфери — ґрунтовий покрив з необхідним запасами вологи та поживних речовин. Зрозуміло, що формування усієї множини біотичних та абіотичних компонентів, що представлені в лісі і без яких він не може існувати, пройшло тривалий шлях геологічного та еволюційного розвитку від найпростіших утворень часу зародження життя до найскладніших, які зараз представлені у біосфері.

Зародження життя тісно пов’язане з догеологічним минулим нашої планети. Згідно космогонічної теорії, що виникла у 18 столітті на основі гіпотез Еммануїла Канта (1755) та П’єра Сімона Лапласа (1796), всі тіла сонячної системи утворились з газово-пилевої хмари, яка повільно оберталася у просторі Галактики. Внаслідок обертового руху відбувалося поступове упорядкування руху частинок. У центрі сконцентрувались важкі елементи і розпочались ядерні реакції. Так виникло Сонце. На більш далеких від центру орбітах концентрувались більш легкі елементи. Вони зіштовхувалися між собою, осідали на більш великих тілах. І в такий спосіб виникли планети.

Наша планета унікальний витвір природи у всесвіті. За сучасними уявами Земля (разом з атмо- і гідросферою) складається (у масових відсотках) із заліза —34,63 %, кисню —29,53 %, кремнію —15,20 %, магнію —12,70 %, нікелю —2,39 %, сірки —1,93 %, кальцію —1,13, алюмінію —1,09, натрію —0,57, хрому —0,26, марганцю —0,22 %, кобальту —0,13 %, фосфору —0,10 %, калію —0,07 % і інших елементів.

Земна куля, діаметр якої становить приблизно 12,7 тис. км, постійно обертається навколо своєї осі, довкола сонця і навколо спільного центру тяжіння системи Земля—Місяць. Цей обертовий рух нашої планети зумовив не тільки формування її кулеподібної форми, але і є важливою рушійною силою всіх геофізичних процесів, що на ній відбуваються, зокрема – причиною існування гравітаційного поля Землі, що утримує всі її структурні оболонки. Гравітаційне поле планети зумовлює доцентрову орієнтацію розподілу земних мас, їх щільність, виникнення сил зчеплення і тяжіння.

Як припускають, початково Земля була холодною планетою. Її зовнішня оболонка — первісна атмосфера була водневою і метановою. Тут не тільки не було життя, але і потенційно планета не могла бути батьківщиною життя. Жорстка космічна сонячна радіація вільно проникала на Землю. Умови, необхідні для зародження життя і біосфери, виникли значно пізніше в процесі подальшого розвитку планери.

Близько 4,6 млрд. років тому, коли маса планети досягла приблизно сучасної величини, гравітаційне стискання речовини і її радіоактивний розпад зумовили її саморозігрівання. У наслідок цього температура всередині Землі стала підвищуватися і почалося плавлення металів. Воно відбувалося головним чином на великих глибинах, оскільки у центрі планети речовина була сильна стиснута, а з зовні охолоджувалася за рахунок випромінювання. Отже, в середині планети утворилася розплавлена маса, з якої силікатні матеріали, як більш легкі, переміщалися у відцентровому напрямку і застигали, даючи початок земній корі. У зоні плавлення залишалися метали, тому, що їхня густина була вища, чим у недиференційованої глибинної речовини. Вони поступово „опускалися” до центру планети.

Під дією гравітаційного поля у центрі планети виникає колосальний тиск, величина якого сягає більше 1 млн. атмосфер. При такому тиску електронні оболонки атомів руйнуються і тому ядра атомів є ніби розчинені у загальній масі електронів. За такої умови речовина переходить у супертвердий стан і тому не може бути названа іменем якогось хімічного елементу чи сполуки, які є у земній корі. Густина цієї речовини більша ніж 11,5 г/см2, або на 50 % більша від густини заліза (7,87г/см2).

Такий геофізичний процес призвів до формування у центрі планети металевого ядра. За фізичними властивостями його речовина є якби універсальним металом і тому за умови обертового руху є постійним джерелом колосальних магнітних сил.

Магнітне поле Землі простягається у навколоземний простір на віддаль біля трьох земних радіусів. Взаємодіючи зі сонячним вітром геомагнітне поле створює магнітосферу нашої планети, яка захищає все живе на Землі від згубного впливу електрично зарядженої сонячної плазми.

Утворення магнітосфери та ізоляція земної природи від плазми сонячної корони було першою і найважливішою умовою зародження життя на Землі та розвитку біосфери.

Отже, за рахунок обертового руху планети та зростання сили тяжіння у напрямку від периферії до центру утворились її певні сферичні структурні оболонки. У центрі Земної кулі з цієї супертвердої і важкої  речовини сформувалось ядро, діаметр якого складає приблизно 7 тис. км. Довкола ядра розташована мантія, товщина якої приблизно 2,5 тис. км. Це рідка, або напіврідка субстанція, яку називають магмою. Зовнішній шар кулі, товщиною всього 5 – 40 км, є твердим утворенням. Це земна кора. Її можна образно порівняти хіба що зі шкарлупою яйця, адже її товщина складає всього 0.1- 0,5 % від радіуса Землі. Фактично земна кора якби плаває на поверхні магми, а тому на планеті мають місце її деформації і рухи.

Материкова земна кора представляє з себе послідовне нашарування осадових гірських порід різного віку. Нижні горизонти таких нашарувань звичайно є найстаршими. Часто вони можуть бути метаморфізованими, тобто такими, які пройшли певну термічну обробку у земних надрах. Вік гірських порід визначають застосовуючи спеціальні методи. Цим займається наука геохронологія. Вона визначає час утворення гірських порід, з яких складаються земні верстви. Розрізняють геохронологію відносну і абсолютну.

Відносний вік гірських порід визначають стратиграфічними та палеонтологічними методами. Стратиграфічні методи базуються на відносній послідовності утворення і залягання шарів земної кори. Палеонтологічні методи беруть до уваги викопні рештки організмів і послідовність їх еволюції.

Абсолютна геохронологія встановлюється радіологічними методами. Радіологія – наука про радіоактивне випромінювання. Радіологія користується для визначення абсолютного віку ізотопним методом, який полягає у визначенні співвідношення у мінералі первинних радіоактивних ізотопів і продуктів їх розпаду. Як відомо швидкість розпаду радіоактивних ізотопів є постійною. Отже, порівнюючи залишкову радіоактивність з природною, можна встановити час, протягом якого відбулася часткова втрата радіоактивності. Існує уран-торій-свинцевий, калій-аргоновий, радіовуглецевий та інші методи визначення абсолютного віку. Як відомо період напіврозпаду у цих ізотопів різний: торій -232 = 13,9 міль&##1103;рда років; уран -233 = 162 тисячі років; калій -40 = 1,31 мільярда років; вуглець -14 = 5570 років. Отже, визначаючи остаточну радіоактивність геологічних порід за цими елементами можна стверджувати, що радіоактивний розпад певних елементів тривав протягом певного періоду часу, а саме визначення його тривалості застосовуючи різні методи можна здійснити з різною точністю. Так наприклад, орієнтуючись на вміст радіоактивних ізотопів вуглецю можна досліджувати геохімічні та геофізичні  події, що мали місце на Землі протягом кількох десятків тисяч років, враховуючи вміст урану —  протягом кількох сотень тисяч років, калію — мільйони, а торію — мільярди років.

Великою кількістю радіологічних досліджень доведено, що вік найстарших гірських порід земної кори за торієм -232 є не більшим ніж 3.5 мільярда років. Тому, прийнято вважати, що вік найстарших гірських порід земної кори не перевищує 3,5 млрд. років, а вік нашої планети - приблизно 5 млрд. років.

Диференціація земної речовини і виділення ядра — це перший самий могутній на Землі процес і головний внутрішній рушійний механізм розвитку нашої планети (другий за значимістю це розвиток біосфери). Він протікає в мантії: речовина, полегшена видаленням металів, піднімається до земної кори, а більш важка опускається. Так у мантії виникають конвекційні потоки речовини. У верхній мантії вони замикаються. Тут на глибинах від 100 до 350 км, особливо в межах 100—150 км, поєднання температури і тиску таке, що речовина знаходиться в розм'якшеному чи розплавленому стані. Цей шар плавлення і підвищеної активності речовини називається астеносферою. Саме тут зароджуються тектонічні рухи земної кори. В астеносфері знаходяться вулканічні вогнища і центри глубокофокусних землетрусів.

У складі сучасної мантії близько 8% приходиться на залізо, але і цієї кількості його цілком достатньо для продовження диференціації речовини і забезпечення тектонічної активності нашої планети принаймні на 1,5—2,0 млрд. років.

Догеологічний етап розвитку Землі [1] продовжувався близько 1 млрд. років. Він охоплює період від часу утворення нашої планети як фізичного космічного тіла до часу виникнення на її поверхні життя.

На ранній стадії розвитку планети на її поверхні, що остигала, з застиглої магми сформувалася тонка базальтова кора. Її рельєф формувався вулканічними процесами (вулканічні підняття до 60 км у поперечнику, лійки вибуху, лавові потоки). Базальти це міцні магматичні гірські породи темно-сірого майже чорного кольору. Залягають вони на різній глибині від денної поверхні. У прогинах земної кори, під гірськими масивами та на дні океанів вони утворюють шари різної товщини на глибині 3, 5 і навіть 9 тисяч метрів.

В окремих місцях, де є розломи земної кори, базальти піднімаються до денної поверхні. На Україні вони поширені у Вулканічному хребті Українських Карпат, на Волинській та Південно-Подільській височині, у південно-західній частині Донбасу, в Приазов’ї, в Криму.  Локально вони є підстилаючою грунтотворчою гірською породою, хімічний склад і водонепроникність шарів якої у значній мірі визначають гідрологічний режим та геохімічні умови ґрунтоутворення. Стійкість до фізичного та хімічного вивітрювання силікатних хімічних сполук базальтів, відсутність доступних карбонатів та значний вміст заліза зумовлює формування бідних, часто з підвищеним вмістом відновного заліза грунтів.

Конвекційні потоки речовини у мантії породжують вертикальні та горизонтальні рухи земної кори, зокрема горизонтальні астеносферні течії. Їх швидкість досягає декількох десятків сантиметрів у рік. Ці течії призвели до розколу земної кори на окремі брили і постійно забезпечують їх повільне горизонтальне переміщення. Цей процес відомий як дрейф материків. Він відбувається і зараз. У наслідок вертикальних рухів земної поверхні окремі її ділянки піднімаються, інші навпаки опускаються. При чому напрямки цих рухів не є постійними, вони періодично змінюються. У масштабі міліонів років вони викликали затоплення морем величезних територій і навпаки — виникнення та ріст гірських масивів. У наслідок такого піднімання земної кори ростуть молоді гори, наприклад структури альпійської гірської системи, до якої належать і Крим, і  Карпати. Геофізичними дослідженнями встановлено, що зараз поверхня Карпат піднімається зі швидкістю 0,1 — 10 мм за рік.

У наслідок почергового опускання піднімання поверхні низовин відбувалося періодичне їх затоплення та осушення, що локально зумовлювало різні напрямки формування рослинного та тваринного світу.

Одночасно з формуванням земної кори розвивалася і атмосфера. Оскільки в протопланетній хмарі був водень і гелій, вони і склали першу атмосферу. Гіпотетично вважається, що первісна атмосфера планети не була породжена Землею, а тільки утримувалася нею.

Коли почався розігрів планети, внутрішня плавка і дегазація мантії, Земля створила власну атмосферу, у якій переважав вуглекислий газ, що надходив при виверженнях вулканів. Водень і гелій, оскільки є легкими елементами, були розсіяні у первісній атмосфері. Вільного кисню в атмосфері не було. Дегазація мантії доставила на земну поверхню також водяну пару.

Початково температура на поверхні базальтової кори земної кулі була вище 100° С, вода знаходилася тільки в пароподібному стані в атмосфері. Водойм, а отже і ерозії не було. Фізичне вивітрювання протікало інтенсивно, але перенос матеріалу здійснювався тільки вітром і на невеликі відстані.

Праатмосфера нашої планети постійно зазнавала дії ультрафіолетового проміння сонця. В наслідок цього вуглекислий газ і вода розщеплювалися, а звільнені молекули кисню витрачалися на окислювання мінералів земної кори.

Після того, як поверхня Землі остигла до температури нижче 100° С і вода перейшла в рідку фазу розпочалася геологічна історія Землі. Під прикриттям щільної атмосфери і при помірному нагріванні Землі Сонцем водяна пара конденсувалася, насичувала пори земної кори.

З одній сторони Землі відбувалося поступове опускання важких металів і відповідно прогинання її твердої поверхні у напрямку до ядра. Такі западини у земній корі поступово заповнювалися водою. Там утворився Великий океан.

 На протилежній стороні планети піднялися більш легкі силікатні породи, що утворили випуклість земної кори, або материк.

Так виникла земна суша і гідросфера — води на поверхні суші і океани.

Отже, виникнення та існування гідросфери і атмосфери поверх земної кори також забезпечене дією сил гравітації, що утримують їх на поверхні планети.

З утворенням гідросфери виник кругообіг води, а на материках з'явилися текучі води і стала розвиватися ерозія. Вода підсилила процеси вивітрювання гірських порід, додавши до фізичного і хімічне вивітрювання. Базальтова кора уже у геологічний час стала диференціюватися на материкову і океанічну.

Зумовлені особливостями руху речовини у магмі рухи земної кори формують її структури. Там, де конвекційні потоки речовини магми мають доцентровий напрямок утворюються геосинкліналі, тобто прогини земної кори, а там де відцентровий напрямок — серединні океанічні хребти і рифтові «зони». Рифти це вузькі і дуже глибокі розломи земної кори в океані. Вони виконують якби функцію „світового смітника”. Тут накопичуються донні відклади світового океану, які поступово цими тріщинами опускаються до магми, де плавляться і знову включаються у конвекційні процеси.

Обертовий рух Землі є причиною пульсаційних рухів земної кори і гідросфери. Тому земна кора і гідросфера є рухомими системами. В результаті взаємодії двох сил — притягання Землі до Місяця і відцентрової внаслідок обертання Місяця навколо Землі виникають добові вертикальні рухи земної кори а також припливи і відпливи води в океанах і морях. Подібно такі рухи відбуваються за рахунок обертання нашої планети разом з Місяцем довкола сонця. Спеціальними високоточними вимірюваннями встановлено, що такі плавні рухи земної кори, що відбуваються двічі протягом доби, досягають амплітуди декількох десятків сантиметрів. Амплітуда руху води в океані більша — від 1 до 2 м. Ці пульсаційні процеси були також необхідною умовою добової зміни клімато-гідрологічних умов, необхідної для виникнення життя та подальшої його еволюції.

Обертовий рух планети та нахил її осі до площини навколосонячної орбіти забезпечив ритмічний добовий тепловий режим на її поверхні (денний і нічний), що виявився особливо сприятливим для існування білків, еволюції та поширення органічного світу, а отже для утворення біосфери. Періодичне поступання до поверхні Землі світла є головним синхронізатором біологічних ритмів фотосинтезу, поділу клітин, росту, дихання та інших.

Таким чином, близько 4,0—4,5 млрд. років тому на Землі склалися умови для зародження життя. Головні з них:

1) захист від жорсткої радіації Сонця;

2) наявність атмо- і гідросфери;

3) достатня хімічна різноманітність земної кори.

Живі організми виникли на Землі на певному етапі розвитку природи земної поверхні. Очевидно, це стало можливим у той період, коли сформувалися досить потужна атмосфера і гідросфера, що обумовили виникнення парникового ефекту і в наслідок цього виникнення режиму  відносно високих і стійких температур на земній поверхні. Простіші форми життя виникли, очевидно, на дні плитких водойм, більш як 3 млрд. років тому. Дно дрібних водойм є придатним місцем для цього, оскільки шар води товщиною від декількох метрів до декількох десятків метрів, з однієї сторони добре пропускає світло, а з іншого боку - затримує жорстке сонячне й космічне випромінювання, згубне для живих організмів. До того же берегова зона водойм - це контакт трьох середовищ: води, літосфери і атмосферного повітря. У зоні контакту спостерігаються активні процеси хімічної взаємодії речовин і тому можливе утворення органічної речовини небіологічного походження.

Гіпотетично вважається, що живі організми утворилися шляхом тривалої еволюції неорганічної речовини. Повністю процес виникнення організмів невідомий. Проте окремі можливі його етапи мають експериментальне доведення. Так наприклад, моделюючи умови, подібні до передбачуваної обстановки на ранніх етапах розвитку земної поверхні, вдалося в лабораторних умовах отримати з неорганічної речовини різноманітні органічні сполуки: амінокислоти, цукру й ін. Тому, виходячи з уяви, що на етапі догеологічного розвитку планети атмосфера Землі містила метан, аміак, оксид вуглецю, пари води, сірководень, можна вважати, що під впливом ультрафіолетових променів і електричних розрядів з цих неорганічних сполук могли утворитися органічні сполуки, взаємодія між якими могла привести до синтезу ще більш складних речовин. Окремі згустки новоутворених сполук (краплі) поступово стали усе більше відмежовуватися від зовнішнього середовища, придбали здатність вибіркового поглинання речовин з навколишнього середовища і самовідтворення. Такі системи вже можна назвати живими організмами.

З виникнення живих організмів почалася біологічна еволюція і виникла біосфера — світ живих організмів, або сфера життя на поверхні планети у розумінні відомого французького природознавця і еволюціоніста Жана Батиста Ламарка (1809). Розуміння біосфери як природно-історичного комплексу розширив у своїх працях російський природознавець і основоположник сучасного ґрунтознавства В.В.Докучаєв ( 1900, 1948). Проте найбільш повне комплексне визначення біосфери дав відомий український вчений академік АН СРСР В.І.Вернадський (1926). Поряд з живими організмами до складу біосфери як єдиної системи він включив і середовище існування живого — атмосферу, гідросферу та літосферу (земну кору).

Таким чином, біосферою називається оболонка Землі, склад, структура і енергетика якої в істотних рисах зумовлені минулою і сучасною діяльністю живих організмів. Тобто, це є жива і нежива речовина в біосфері охоплена матеріально-енергетичною єдністю.

У біосфері живі організми зумовлюють її організованість. Забезпечуючи складні перетворення речовини та енергії вони виконують планетарно важливі геохімічні функції.

Верхня і нижня межа поширення сучасної біосфери визначається поширенням живих організмів або заляганням слідів їх життєдіяльності в атмосфері, гідросфері, земній корі. Живі організми у вигляді спор рослин проникають в атмосферу до висоти 22 км. Це і є верхня межа біосфери. Життя поширене у майже всьому об’ємі гідросфери. Воно проникає і в глибокі шари земної кори. Проте нижня межа біосфери в межах материків дискусійна. На думку В.І.Вернадського гранітні шари материкової земної кори виникли за участю живих організмів. Тому їх слід відносити до „колишньої біосфери”.

Звичайно, просторові межі біосфери починаючи від зародження життя постійно розширювалися, тобто живі організми еволюціонізуючи і пристосовуючись до навколишнього абіотичного середовища поступово займали раніше недоступні частини географічного простору, розширяли і розширяють біосферу.

Контрольні запитання:

  1.   Якими були основні етапи виникнення нашої планети ?

     2.     Що є головним внутрішнім рушійним механізм розвитку нашої планети ?

     3.     Як сформувалася і якою була первинна літосфера, атмосфера та гідросфера?

     4.     Що таке догеологічний етап розвитку Землі.

     5.     Що було першою і найважливішою умовою зародження життя на Землі та розвитку біосфери ?

     6.     Що таке магнітосфера і яке значення вона має для існування біосфери і, зокрема, лісу ?

     7.     Якими методами визначають вік гірських порід ? В чому їх суть ?

     8.     Коли склалися умови для зародження життя ? В чому вони полягали ?

     9.     Коли і де зародилося життя на Землі ?

 10.     Коли розпочалося формування біосфери?

[1] Догеологічний етап розвитку Землі — період від виникнення планети до зародження життя на її поверхні.