ДОКЛАД

Тема : «КАТАРХЕЙСКАЯ ЭРА»

Каждого из нас порой волнуют такие вопросы, на которые сложно найти ответы. К ним относится понимание смысла своего существования, устройство мира и многое другое. Развитие жизни на Земле. Эры, которые нам известны, очень сильно отличаются между собой. На сегодняшнем уроке мы подробно расскажем, как зарождалась жизнь на Земле и как именно проходила ее эволюция.

Начало образования ЗЕМЛИ. Молодая Земля – Протоземля.

Катархейская эра — это древнейший период в истории Земли, который длился от 4,6 до 4 миллиардов лет назад, продолжительностью 600 миллионов лет. Во время этой эры произошло формирование Земли как планеты.  

Земля окутана ядовитой для живых существ атмосферой, лишена кислорода; гремят вулканические извержения, сверкают молнии. Вся атмосфера пронизана сильнейшим ультрафиолетовым излучением. Светимость Солнца ниже на 25-30°. Растительного и животного мира в катархейскую эру не существовало.

Выделение тепловой энергии после многочисленных столкновений формирующейся планеты с крупными астероидами и в процессе радиоактивного распада короткоживущих изотопов позволяло поддерживать на поверхности слой расплавленной магмы, которая при высоком давлении и температуре разделялась на силикатный и железный расплавы.

В Катархейский эон высокая температура поверхности и атмосферы поддерживалась за счёт радиоактивного распада радионуклидов, таких как калий-40, а также из-за высокой концентрации парниковых газов в атмосфере. При столкновении особо крупные астероиды могли вызывать образование океанов магмы глубиной до 400 км, что позволяло накапливаться железным расплавам на дне магматического слоя и опускаться внутрь планеты, наращивая ядро.

На поверхности Земли в катархейское время существовали крупные магматические плато, которые образовывались в процессе деятельности мантийных плюмов. Излияния лавы постоянно наращивали верхний слой формирующейся коры, а уже сравнительно остывшие и твёрдые элементы постоянно расплавлялись и перемешивались в процессе ударов астероидов.

Большую роль в дальнейшем образовании планеты сыграло появление ЛУНЫ. Гипотеза предполагает, и это хорошо согласуется с возрастом Луны, что спутник нашей планеты возник в результате столкновения по касательной Земли и планетой Тейей, из-за чего огромное количество вещества было выброшено в открытый космос и постепенно превратилось в Луну. В результате такого крупного столкновения, во-первых, изменился наклон земной оси (до 23°), во-вторых, произошло массовое плавление мантии с образованием магматического океана с глубиной до 700 км.

В начале катархея Луна находилась на расстоянии около 17 тысяч километров от Земли. Радиус её был в 300 раз больше современной Луны. Сутки в то время длились 6 часов и приблизительно равнялись периоду обращения Луны, который очень быстро возрастал ввиду приливного взаимодействия в системе Земля-Луна, тем самым замедляя вращение Земли.

Расстояние Земля-Луна быстро увеличивалось (поначалу со скоростью около 10 км/год). К концу катархея скорость удаления Луны от Земли снизилась до 4 см/год, а расстояние между ними в это время составляло около 150 тысяч километров.

Образование океанов и атмосферы.

Вода — космически распространённое соединение. В составе газопылевой туманности, из которой формировались Солнце и планетная система, воды было больше, чем пыли. Когда окружающий Протосолнце остаточный диск сплющился, стал разреженным, и спиральные волны плотности, которые легко наблюдать при образовании уходящей в сток водой воронки, замкнулись и превратились в десять протопланетных колец, воды в них, естественно, было очень много. Она присутствовала в четырёх формах: пар, снег (водяная пыль), лёд (в составе «дальних» ледяных планетезималей) и в связанном виде — в хондритах. Катышки космической пыли в процессе роста захватывают молекулы всех газов (кроме водорода). Так что, содержание воды в первичном твёрдом веществе Солнечной системы может доходить до 22% массы.

К концу катархея Земля оставалась адом — горячим, душным и мрачным. Солнце, в то время на треть менее яркое, не пробивало облака тяжёлых газов и вулканического пепла, не участвуя в обогреве поверхности.

Исходя из прочих вводных можно ожидать, что температура воды в тот момент составляла 230 градусов, а давление 40 атмосфер.

Протоземля представляла собой покрытый тонкой корой океан жидкого камня, окружающий всё ещё холодное ядро, сложенное насыщенными газами, водой и хондритами (каменные метеориты). В таком виде оно, естественно, долго не продержалось.

Металлы ещё тонули, а лёгкие вещества древнего ядра, уступая им место, всплывали в веществе мантии. Причём, запасы эти пополняются за счёт радиогенного механизма. Продуктом распада нестабильных изотопов, помимо тепла, является ещё и водород, соединяющийся в мантии с кислородом.

Под действием архимедовой силы вода, как и прочие газы, входящие в состав вулканических выбросов, всплывает, скапливаясь под твёрдой и непроницаемой корой. Оттуда она выходит наружу при извержениях. Как только атмосфера перестала срываться взрывами, Земля окуталась быстро уплотняющейся газовой оболочкой. Сначала, очень горячей, но уже в середине эона пар начал проливаться дождями.

Молодая Земля оставалась очень сухой планетой. Воды, наполнявшей кратеры (при этом, воды кипящей!!!) было в то время в 700 раз меньше, чем в наши дни. Но для возникновения жизни такого количества оказалось достаточно. Вода на планете, — находящаяся на грани кипения, ядовитая от запредельных концентраций кислот (серной в первую очередь) и солей, — уже наполняла кратерные моря.

В свою очередь, океаны, не считая океанов подлёдных, нуждаются в атмосфере, давление которой удерживает воду от закипания. 

Хондриты воды, в которых с лихвой хватило бы на планету-океан, ускоряясь взаимным притяжением, сталкивались с возрастающей силой, нагревались, плавились и теряли газы.

Земля завершила переход от наличия горячей расплавленной поверхности и атмосферы, полной диоксида углерода, к современному состоянию. Условно датировать этот переход можно примерно 4 миллиардами лет назад. Действие тектоники литосферных плит и океанов поглотило большое количество углекислого газа, устранив тем самым парниковый эффект, и привело к гораздо более прохладной температуре поверхности и формированию твёрдых пород и, возможно, даже жизни.

Под влиянием физических явлений из окутавшей Землю смеси паров сероводорода, аммиака, угарного газа начинают синтезироваться первые органические соединения, возникают свойства, характерные для жизни.  

Протобионты (непаразитические) или нанобактерии – гипотетические  не-существа, располагающиеся на грани живой и мёртвой материей.

Вопреки расхожим представлениям возникновение жизни не являлось событием одномоментным: что-то вдруг где-то и как-то зародилось, а потом уже размножилось. На самом деле, граница между живым и не живым преодолевалась постепенно, не в одном месте, а в масштабах всех крошечных земных «океанов», процесс занял не менее 100 миллионов лет.

Возникновение жизни связано и с двумя принципиально важными событиями: появлением автокаталитической молекулы, способной к самовоспроизводству, и появлением первого организма, ещё не синтезирующего, но уже представляющего данную молекулу с некими минимальными обвесами.

Очевидно, эти события не могли произойти одновременно, и одно из них должно было являться эволюционным следствием другого.

Автокаталитическими свойствами обладает РНК. Возможность самозарождения РНК в наполненной космически распространёнными реагентами пробирке была экспериментально доказана в 1975 году. Более поздние эксперименты показали, что синтетический вирус размножается в той же пробирке, — то есть вне живого организма, — хоть и на три-четыре порядка медленнее паразитических вирусов. И даже эволюционирует, приспосабливаясь к особенностям питательной среды и парируя искусственно вводимые агрессивные факторы. То есть, синтетическая РНК, изначально обладая изменчивостью (в виде неизбежных косяков при самосборке), со временем, приобретала ещё и наследственность.

РНК является мощным катализатором синтеза не только самой себя, но ещё и неопределённо длинного списка других органических молекул.

Развивались и бактерии. И не просто развивались, а осуществляли хемосинтез в составе сообществ — миниэкосистем, в которых сотрудничало, подкармливая друг друга отходами собственной химии, множество видов микроорганизмов.

Первые фотосинтезирующие микроорганизмы – останки  цианобактерий - были обнаружены в древних отложениях Австралии. О былом господстве анаэробов и цианобактерий свидетельствуют строматолиты - рифоподобные образования, представляющие следы сообществ микроорганизмов. В результате жизнедеятельности фотосинтезирующих цианобактерий в океане, а затем и в атмосфере - появился кислород. После того как фотосинтезирующие цианобактерии создали из углекислого газа запас богатой энергией органики и обогатили атмосферу кислородом, возникли бактерии-аэробы, способные существовать только в присутствии кислорода. Формируется озоновый слой.

Уже в конце катархея коацерватный мир исчез. Вместе с «первичным бульоном». Вода в кратерных озёрах молодой Земли, до этого момента даже непрозрачная из-за высокой концентрации абиогенной органики, достигла кристальной чистоты. Появившиеся бактерии доели бульон и задумались, что им делать дальше.

Катархейская эра завершилась началом следующего периода – Архейской эры.