Катархей и архей. Особенности геологического развития Земли в эти эпохи.

Катархей приходится архею своеобразным предком. Он представляет собой отрезок геологического времени эона. Именно после него архей начал свое «правление». Верхняя часть внутренностей Земли расплавилась, естественно произошел перегрев. Впоследствии этого в геосфере возник магматический океан, и вся поверхность нашей планетой погрузилась в данный расплав. Кстати та же участь ожидала и литосферу. Это можно объяснить тем, что в эру катархеи отсутствовала геологическая летопись. Именно катархейский период является самым древним. Согласно результатам исследований он начал свое существование 4,57 млрд. лет назад и длился на протяжении 770 миллионов лет. В древней литературе историки и шаманы описывали процессы, которые по их данным происходили в то время. Так вот в первые годы жизни на Земле начала активно развиваться вулканическая деятельность, а по истечении некоторого времени и гидротермальная. По поводу этого ученые расходятся во мнениях. В принципе, последние исследования показали, что живые существа начала свое зарождение из гидротермальных источников. Однако другие данные опровергают эту мысль. В катархейскую эру на Земле были лишь те ландшафты, на которых царила холодная и суровая пустыня, небо при этом было черным, поскольку атмосфера была очень разреженной, и это влекло за собой последствия. Если температура низкая, то значит, что Солнце грело слабо – в 4 раза хуже, нежели сейчас. К тому же диск спутника нашей планеты был намного больше, чем сегодня. Расстояние от него до Земли составляло 17 тысяч километров.
Рельеф по виду не очень впечатлял, он был похож не на Землю, а на Луну, которую изрядно «побили» метеориты. Но, тем не менее, участки поверхности нашей планеты в то время не были острыми, поскольку интенсивные приливные землетрясения сглаживали рельеф. Поверхность Земли в катархейскую эру имела серый окрас и покрывалась огромным слоем реголита. В те времена не было вулканов, которые извергали лаву на поверхность недавно зародившейся планеты. Кроме этого отсутствовали водяные пары и газовые фонтаны. Возможно, вы удивитесь, но плотной атмосферы и гидросферы тогда еще не было в помине. Хотя нужно заметить, что водяные пары все-таки существовали, но длительность их жизни составляла всего доли секунды, поскольку пористый реголит их поглощал. Эти пары образовывались впоследствии планетезималей. Также источником их были и осколки Протолуны.
Когда Земля была молодой, длительность суток составляла всего 6 часов, что было равно периоду вращения Луны вокруг нашей планеты.

Архейская эра в геологии - самый древний, самый ранний период истории земной коры.
Нижнесилурийские и кембрийские отложения, заключающие богатую флору и фауну и составляющие основание всех осадочных образований земной коры, подстилаются мощной толщей глинистых и кристаллических сланцев, известняков, гнейсов и т. п. пород, частью вовсе лишенных органических остатков, частью крайне ими бедных.
В Америке, где впервые эта группа геологических памятников подверглась тщательному изучению, ее разбили на две подгруппы, на две системы, принятые и для всей Европы; но в последнее время в Америке стали склоняться к делению архейской группы на три системы.
Нижняя часть архейских, т. е. самых древних отложений, состоящая из гнейсов, гранулитов, гранитов, слюдяных сланцев, известняков и конгломератов, характеризуется сильным господством гнейсов, почти полным отсутствием следов органической жизни и носит название лаврентьевской системы (от р. св. Лаврентия), также системы первобытных, или первозданных, сланцев. Верхняя группа сложена преимущественно слюдяными и глинистыми сланцами, известняками, содержит больше остатков органической жизни, хотя также еще очень бедна ими, и называется системой первобытных, или первозданных, гнейсов, системой Гуронской (по Гуронскому оз.). Лаврентьевские гнейсы и сопровождающие их породы, по представлению многих геологов, являются первичной твердой корой земного шара, первой твердой оболочкой охлаждающегося огненно-жидкого земного шара. Предполагая, что вся вообще архейская группа лишена следов органической жизни, ее назвали азойской, т. е. лишенной органической жизни; после того как стали известны остатки животного и растительного царств в азойских отложениях, их правильнее (вместе с некоторыми геологами) стали называть агнотозойскими, т. е. такими, в которых органическая жизнь мало известна (частью даже вовсе неизвестна), но в которых она бесспорно существовала, так как следующие за ними кембрийские и силурийские отложения содержат уже сравнительно высоко организованную фауну, бесспорно имевшую многих предшественников. Неизмеримая древность архейских отложений, глубокая гидрохимическая и динамическая метаморфизация во многих случаях совершенно уничтожили или по крайней мере сильно замаскировали остатки органической жизни, сделали архейские породы "азойскими". Общая мощность архейских отложений превышает 3000 метров, древность не поддается определению числом столетий и тысячелетий, а определяется геологическими периодами.
В архейскую эру начали впервые обрисовываться материки и зародилась органическая жизнь. В лаврентьевских отложениях единственными ее следами является громадная корненожка (Eozoon Canadense), которая многими учеными рассматривается как родоначальник органической жизни, между тем как многие геологи отрицают вполне органическое происхождение Eozoon и видят в нем лишь минеральное конкрециозное образование.
Графит, очень распространенный в Лаврентьевских горных породах, свидетельствует в пользу существования растительных организмов. В гуронских породах, кроме углистых веществ (см. Шунгит), найдены остатки червей, иглокожих, водорослей.
Вулканическая деятельность, отличавшаяся в этот отдаленный период истории земной коры особой интенсивностью и массовым характером, доставила на земную поверхность громадные массы гранитов, диабазов, габбро и сиенитов. Золото, серебро, медные и железные руды, драгоценные камни (изумруды, турмалины, хризобериллы и т. п.) очень распространены в архейских породах.
В России в этом отношении выделяется Урал, играющий по своим минеральным богатствам первенствующую роль во всей Европе. Остатки архейской эры в виде различных архейских пород покрывают значительные площади Америки, Азии, Европы (Скандинавия, Богемия, Бавария, Саксония, Шотландия, Альпы и т. д.).
В России архейские отложения, в особенности лаврентьевские, пользуются значительным развитием в Олонецкой и Архангельской губ., также в Тиманском кряже на Урале, в Днепровской кристаллической полосе (Волынск., Подольск., Екатеринославская, Воронежская губ. и т. д.), а также в некоторых частях Сибири (Подкаменная Тунгуска, Саянский и Яблоновый хребты, Байкал)

24 прокариотные организмы. Появление в палеонтологической летописи Земли. Включение в биогеохимические циклы планеты

рокариотная биосфера. Главные изменения в геохимии планеты сводятся к формированию системы биогеохимических циклов, катализируемых бактериями. Циклы неполностью замкнуты и ведут к накоплению остаточных продуктов, которые обусловливают биогеохимическую сукцессию как центральное явление, определяющее судьбу биосферы. Конечным результатом служит создание оксической атмосферы с замыканием цикла фотосинтеза дыханием. Деструкция мортмассы ведет к накоплению СО2 в местах деструкции, что ускоряет углекислотное выветривание и, следовательно, связывание СО2 горными породами в маршруте "изверженные породы —-—»• глины + карбонаты". Удаление СО2 из атмосферы снижает парниковый эффект. Образование тонкодисперсных пород приводит к захоронению Сорг, который эквивалентен остаточному О2 атмосферы. Отсюда маршрут "выветривание —»• —»• седиментогенез" с захоронением керогена ответственен за образование кислородной атмосферы и оксических субаэральных условий, а маршрут "выветривание —•• карбонаты" - за создание нейтральной среды. Выветривание идет в субаэральных условиях на платформах, и геологическая летопись сводится к самоуничтожению следов процессов. Центральная роль процессов выветривания - седиментогенеза в преобразовании геосферы приводит к тому, что глубокий океан играет роль преимущественно физического резервуара растворенных веществ, поскольку цикл Сорг в нем замкнут. Отдельно следует рассматривать гидротермальные процессы на дне океана как источник газов и преобразования базальтов, включая их карбонатизацию. Седиментогенез локализован преимущественно в относительно мелководных водоемах. Поэтому необходимо признать гетерогенность географической оболочки Земли с областями интенсивных процессов преобразования на крупных геохимических барьерах и отказаться от попыток распространения данных по одному тафоценозу на всю планету.

Биотические процессы определяют цикл органического углерода. Ключевой реакцией служит образование биомассы при фотосинтезе, пропорциональное освещаемой дневной поверхности. Реакция ассимиляции с самого начала осуществлялась по рибулозобисфосфатному пути, как об этом можно судить по изотопному составу керогена древних пород с обогащением легким изотопом углерода близким 25 х 10~3. Какова была освещенная поверхность, пригодная для цианобак-терий? По-видимому, она не сильно отличалась от суммы площадей воды и суши, занятых фитопланктоном и растениями в настоящее время. Цианобактериальный мат относится к биоценозам организмов с коротким жизненным циклом, быстро набирающим максимальную плотность до полного самозатенения, т.е. около 500-1000 мг хлорофилла/м2. Отсюда можно заключить, что ассимиляция С-СО2 составляла величину п х х 102 млрд. т С/год, где п составляет 1-2. При использовании современных значений для стока С-СО2 в ~ 145 кг/1кг хлорофилла проективного покрытия растительного покрова необходимо сделать поправки на стадии стока углерода соответственно времени пребывания, где стадиям соответствуют:

Gross Primary Production (GPP) - всяассимилированнаяуглекислота;

Netto Primary Production (NPP) - углерод первичного продуцента за год (фотоассимиляция минус дыхание растения, в том числе ночью, предполагается GPP = 2NPP);

Netto Ecosystem Production (NEP) - экосистем-ная продукция соответствует NPP минус дыхание органотрофов в экосистеме в течение года;

Netto Biome Production (NBP) - накопление углерода в ландшафте в течение десятилетий с образованием устойчивого органического вещества гумуса с временем пребывания ~ 1000 лет.

Для наших целей необходимо ввести понятие нетто-геосферной продукции Netto Geospheric Production (NGP), соответствующее захороненному углероду керогена и каустобиолитов с временем пребывания более 108 лет (геологический рецикл).

В избранном нами масштабе времени все остальные величины, кроме NGP, представляют малые величины динамических резервуаров с наиболее крупной величиной - устойчивым углеродом гумуса, куда входит и растворенное органическое вещество океана. Считается, что для водных экосистем logNGP = klogGPP и количество углерода, переходящего в устойчивую форму в осадках, пропорционально первичной продукции (Tyson, 1995), поскольку для водорослей с коротким жизненным циклом GPP ~ NPP. Из цикла выводится только устойчивый углерод, и таким образом скорость седиментации тонкодисперсных осадков глин контролирует создание кислородной атмосферы (см. рис. 1).

Ключевым этапом для начала образования ке-рогена в осадках фанерозоя служит переход из оксической в аноксическую зону с резким уменьшением скорости деструкции. Эта концепция явно непригодна для ранних этапов эволюции геосферно-биосферной системы, поскольку в атмосфере не было О2. Кислородная обстановка тогда создавалась в экосистемах на короткое дневное время, и в плотных скоплениях водорослей она могла достигать 100% вблизи пузырьков газа. Соответственно бактерии в непосредственной близости от цианобактерий должны были обладать окситолерантностью, хотя бы к стрессовым воздействиям кислорода, а возможно, и быть "half time" аэробами. Круглосуточный аэробиоз вряд ли имел место, а при стоке кислорода в океан создавались условия для микроаэрофилов, каковы многие водные микроорганизмы.

Ассимиляция СО2 происходит в молярном отношении СО2:Сорг:О2 = 1:1:1 по реакции СО2 + + Н2О = [СН2О] + О2. Реакция ассимиляции уравновешивается дыханием, осуществляющим обратную реакцию.

С циклом углерода связаны циклы азота и фосфора в отношении, определяемом их включением в биомассу. Для микробов отношение C:N:P = = 106:16:1.

В современных условиях лимитирующим биогеном чаще всего служит связанный азот. В про-кариотной атмосфере это было не так, поскольку многие прокариоты способны к ассимиляции N2, особенно в аноксических условиях. Ассимиляция N2 ведет к существенным дополнительным энергетическим затратам, но она не была безусловным ограничением. Таким образом, накопление связанного азота наряду с созданием кислородной атмосферы было необходимым предварительным условием для возможности появления эукариот-протист с фотосинтезом и дыханием как единственными путями метаболизма.

25.прокариотные биогеоценотические сообщества. Их роль в стабилизации состояния планеты.