Твёрдое вещество может быть кристаллическим, а может и аморфным, медленно меняющим свою форму под влиянием некоторого постоянного давления. Вещество мантии также аморфно, но, кроме того, разбито трещинами и неодинаково нагрето. Будем считать, что в жидкой оболочке ядра мантия теряет тяжелые атомы железа, никеля и им подобных элементов, которые оседают на твёрдое ядро. При их падении выделяется тепловая энергия. Облегчённые и разогретые слои мантии поднимаются вверх, уступая место более тяжёлым и холодным. Итак, движение мантии можно представить как движение очень вязкой жидкости под действием локального нагрева снизу. Это конвективное движение, обычное для более тёплых слоёв жидкости и газа, можно пронаблюдать в туристическом котелке, где кипятят воду, содержащую мелкие взвешенные частицы. Они поднимаются вверх от центра вместе со струями горячей тёплой воды, движутся к стенкам, где вода охлаждается, становится тяжелее, опускается и течёт к центру, замещая поднимающуюся тёплую воду. Нагревая воду на костре или конфорке газовой плиты, можно добиться того, что столб поднимающейся воды будет один (см. схему). Назовём весь объём воды, вовлечённый в движение этой единственной восходящёй струёй, конвективной ячейкой. В 70-е годы акад. Сорохтин разработал гипотезу, согласно которой на Земле с периодом около 200 млн. лет происходит смена циркуляции мантийного вещества - переход с двух конвективных ячеек к одной и обратно. Когда конвективная ячейка является единственной, вынос тепла задерживается и в разогретых недрах формируется вторая ячейка (не всегда она направлена в противоположную сторону). С появлением второй ячейки мантия быстро остывает и возвращается к движению в одной ячейке. В фазе с двумя конвективными ячейками на поверхности Земли идёт процесс горообразования, материки, под которыми возник столб восходящего горячего мантийного вещества (плюм), раскалываются и между ними возникает новый океан. В некоторых случаях в зоне рифта на поверхность изливаются миллионы кубических километров лавы, формируя характерные ландшафты. Если ячейка одна, то материки собираются у столба погружающегося вещества, в зоне субдукции, так же, как предметы, плавающие в ванне, собираются у воронки слива. Тектоническая активность подавлена, горы разрушаются, выветриваются, материковые породы выносятся в океан и формируют обширные мелководные моря. Это чередование периодов горообразования и тектонического покоя было известно геологам и раньше, их известно около 20. Ныне мы должны жить над мантией, циркулирующей в двух конвективных ячейках, в период горообразования, который называется альпийским, а предыдущий – герцинским. Однако простые конвективные модели, вроде модели Сорохтина, ныне должны быть серьёзно модифицированы. Методы сейсмического зондирования стали настолько совершенными, что позволяют создать карту глубинных потоков разогретого вещества, и она оказывается гораздо более сложной, чем это представлялось 30 лет назад. В первую очередь, это касактся включения в геодинамическую картину плюмов - локальных восходящих потоков, расположенных в стороне от осей спрединга. Выход плюма к поверхности часто называют "горячей точкой". Классический пример плюма - "горячая точка", формирующая Гавайские острова. Следует заметить также, что усложнилась и поверхностная мозаика континентальных плит. Если в 70-х годах геофизики оперировали 6 основными плитами, то теперь их около 80.

Классическая термодинамика: понятие энтропии и второе начало термодинамики

Термодинамика – судя по названию – должна изучать потоки тепла. Первым важным шагом на этом пути было исследование цикла Карно. Сади Карно опубликовал научный труд, в котором он анализировал работу идеальной тепловой машины. Допустим, перед нами цилиндр с поршнем, наполненный холодным газом. Если газ нагреть, то он, расширяясь, будет толкать поршень. Чтобы машина могла работать непрерывно, необходимо вернуть поршень назад и повторить цикл.

Для этого необходимо либо выбросить горячий газ и впустить в цилиндр новый, холодный (как это делается в двигателе внутреннего сгорания), либо охладить прежний объём газа. В любом случае нас ожидает пренеприятнейшая процедура – механик тратит дорогое топливо, чтобы нагреть газ, но часть полученного тепла он вынужден выбросить в окружающую среду, чтобы машина смогла совершить следующий цикл. Таким образом, никакая тепловая машина не может обладать стопроцентным КПД (коэффициент полезного действия). Всю работу можно перевести в тепло, но не всё тепло – в работу. Реальный переход в современных тепловых машинах составляет 20-30%. Термодинамика как наука оформилась позже, в 50 – 60-е годы XIX в., в трудах Клаузиуса, У. Томсона, Максвелла, Джоуля. Наиболее важным её понятием стала энтропия, разработанная Клаузиусом в 1865 г. и обозначаемая буквой S (ΔS=ΔQ/T, где ΔQ – тепло, переданное одним телом другому телу, а T – температура). С помощью энтропии можно было вычислять направление потоков тепла. Оно определяется фундаментальным принципом – вторым началом термодинамики, которое записывается так: ΔS ≥ 0, что означает – энтропия не может уменьшаться. В частности, приняв этот постулат, можно доказать, что тепло никогда не перейдёт от менее нагретого тела к более нагретому – при этом уменьшилась бы энтропия. Закономерен вопрос – если есть второе начало термодинамики, то должно быть и первое?

Первым началом является закон сохранения энергии. Энтропия как мера хаоса В конце XIX в. Людвиг Больцман расширил границы термодинамики, введя новое определение энтропии: S = k ln W, где W – термодинамическая вероятность, k – постоянная Больцмана. Теперь второе начало из постулата превратилось в теорему, доказуемую методами теории вероятности. Теперь энтропию можно представлять как меру хаоса, беспорядка, а второе начало термодинамики следует читать так: беспорядок (неупорядоченность) со временем способен только возрастать, упорядоченность никогда не создаётся самопроизвольно.

Возникновение и эволюцию жизни на Земле всегда рассматривают как становление более сложного из более простого, а фундаментальный закон природы – второе начало термодинамики – запрещает подобные процессы. Долгое время физики и биологи старались не замечать этого противоречия.

В конце 40-х годов Э. Шрёдингер издал маленькую популярную книжку "Что такое жизнь с точки зрения физика", где попытался разрешить этот парадокс. В конечном счёте Шрёдингер приходит к выводу, что живые организмы извлекают из окружающей среды отрицательную энтропию. Как? – посредством питания. С этим тезисом не согласится ни один физиолог.

Термодинамика открытых систем

Второе начало термодинамики, безусловно, является абсолютным законом природы. Но в логических построениях физиков от Карно до Шрёдингера есть брешь. Существует особый класс термодинамических систем – открытые системы – в которых возникают локальные условия для появления упорядоченности. Открытые системы ещё называют потоковыми – в них действительно существует поток как некоторая математическая абстракция, но ничто не мешает нам представить её в виде вещественного потока некоторой материи или энергии. Представим себе классический резервуар, в который нечто вливается и из которого нечто выливается. Если энтропия того, что выливается больше, чем энтропия на входе, то что творится с энтропией резервуара? Она может понижаться, но так, чтобы её дефицит внутри покрывался приростом снаружи, на выходе. Второе начало термодинамики приводит к выравниванию температур и запрещает ситуацию, в которой два равномерно нагретых тела поделили бы тепло так, что одному достался бы жар, а другому – холод. Однако холодильник на кухне работает, нагревает решётку сзади и охлаждает камеру внутри! За счёт чего? Термодинамически рассуждая, за счёт разупорядочения потока, точнее – тока электрического, превращения направленного движения электронов (упорядоченность) в хаотическое движение молекул нагретого газа (беспорядок). Грубо говоря, в выделенном месте можно создать умеренный порядок, если в другом сотворить большой беспорядок. Потоковые системы такого рода обычно называют диссипативными (лат. dissipatio - рассеяние) - в них происходит разупорядочивание энергетических процессов. Для них характерны большие различия начального и конечного состояний потока, это сильно неравновесные системы. Внутри потоковой системы упорядоченность может возникать самопроизвольно. Представьте себе подушечку для иголок и обрывки ниток, оставшихся в ушках иголок. Они расположены хаотически. Мысленно подуйте на подушечку – и нитки расположатся упорядоченно, вдоль потока. Разумеется, термодинамика открытых систем работает не с подушечками, а с условиями минимизации некоторых математических функций. А много ли порядка надо для возникновения жизни? Фон Нейман рассчитал, что система, способная создавать своё подобие, проще говоря – размножаться, должна содержать не менее 10 000 элементов. И всё. Отдельные горячие головы предложили даже четвёртое начало термодинамики – "в сложной потоковой системе за достаточно большое время должна появиться жизнь". Разумеется, это уже не закон природы а декларация желаемого. Однако если в этой фразе слово "должна" заменить на "может", она будет выглядеть вполне пристойно. Обратим внимание на то, что здесь не оговаривается химизм субстрата жизни. Есть позиция, остроумно названная "водно-углеродным шовинизмом", т. е. утверждение, что живое существует только в виде углеродных соединений и только при наличии воды. Термодинамика этот тезис игнорирует.

Возникновение жизни на Земле: образование мономеров полимерных соединений

Известно, что наше тело состоит из жиров, белков и углеводов. Проще всего устроены углеводы. Из мономерных углеводов собираются полимеры вроде крахмала. Эти конструкции также очень просты. Жиры представляют из себя эфиры глицерина и жирных кислот. Они потенциально более разнообразны, чем сахара, но не полимеризуются. Белки являются полимерами аминокислот. В настоящее время земная жизнь создает для своих нужд около 20 аминокислот, хотя их может бы быть гораздо больше. Нуклеиновые кислоты образованы азотистыми основаниями - пиринами и пиримидинами, связанными с пятиатомными сахарами - рибозой или дезоксирибозой, а также остатками фосфорной кислоты. Это наиболее сложные молекулы, существующие в природе. Кирпичики жизни – моносахариды, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, азотистые основания, имеющиеся в современной биосфере, имеют только биогенное происхождение. Это объясняется двумя причинами – практически любая органика разлагается микроорганизмами до углекислого газа и воды, а кроме того, в кислородной атмосфере они термодинамически неустойчивы. В 50-е годы американцы Юри и Миллер провели очень важный эксперимент. В сосуде, содержавшем воду и смесь метана, аммиака, углекислоты и водяных паров, имитирующую исходную земную атмосферу, постоянно пропускали электрическую искру – она имитировала грозовой разряд и служила источником ультрафиолета. В результате через некоторое время в воде обнаруживались все кирпичики жизни – сахара, аминокислоты, жирные кислоты и азотистые основания, а кроме того – ряд других органических соединений, например, пиррольные кольца, являющиеся основой активного центра хлорофилла. Позже подобные вещества были найдены в космической пыли и в метеоритах. Работа Миллера вызвала шквал исследований. "Кирпичики жизни" - мономерные органические соединения – удавалось получить при моделировании самых разных параметров первичного океана и атмосферы, задавая исходные температуры порядка и 200° С в "сухой фазе" и минус 50 - 60° на поверхности льда, варьируя парциальное давление и ионизацию газов первичной атмосферы, в присутствии глин или соединений серы, причём они легко полимеризовались с образованием соединений с атомной массой до тысячи и выше. Таким образом, можно считать доказанным, что в горячем, щелочном первичном океане кирпичиков жизни было достаточно. Однако груда кирпичей – это ещё не Собор Парижской Богоматери. Как произошла сборка живого организма?

Геологические процессы в архее и протерозое

Архейская группа и эра, так называются древнейшие слои земной коры, они сложены из гнейсов и кристаллических сланцев, и так как не содержат в себе окаменелостей животных, то называются также азойскими. А. группа делится на 2 системы: нижняя, следов, более древняя, лаврентьевская или система первобытного гнейса, и верхняя - гуронская или система первобытного сланца. Оби вместе составляют пласт толщиной в 100 т. фут. и, по-видимому, образуют замкнутую оболочку вокруг всего земного шара. Книзу архейские образования очень богаты алиазами, золотом, платиной, серебром, медью, железом и др. металлами.- А. эрой назыв. период времени, потребовавшийся для отложения слоев А. группы.

Архейская эра, начавшаяся 3,5 млрд. лет тому назад, сопровождалась небывалой силы тектоническими процессами. Выплавлялись первые граниты и появились первые островки суши, впоследствии давшие начало материкам. Выветривание их поверхности дало первые осадочные породы. Около 3 млрд. лет назад сформировалось земное ядро и ход конвективных процессов в мантии обрёл современную форму. Океан был горячим – 40 - 50° С, атмосфера – бескислородной, восстановительной. Следующая эра – протерозойская – началась 1,8 млрд. лет назад. Легкая тонкая кора архейской эры в процессе переплавок породила стабильные материковые платформы - нечто тектонически неизменное.

На краях платформ происходит коробление коры, прогибы, разломы, проявляется вулканизм - здесь наблюдается то, что издавна называется геосинклинальной зоной, но сами плиты практически неизменны. Завершение формирования платформ приблизительно соответствует границе архея и протерозоя. Для геолога протерозой – это ранняя эпоха формирования осадочных пород на обширных пространствах материков.

Главным образом это были абиогенные карбонаты – доломиты и известняки. Для протерозоя характерны активные процессы осадкообразования. В протерозое появляются сине-зеленые водоросли, простейшие организмы, возникают многоклеточные организмы.

Развитие жизни в архее и протерозое

Жизнь в это время была представлена сообществами, где ведущую роль в звене продуцентов играли цианобактерии (сине-зелёные водоросли), а их мёртвые клетки разлагали многочисленные и разнообразные бактерии «микрофлоры рассеивания». Эти сообщества оставили после себя ископаемые строматолиты. Значительная часть бактерий свиты рассеивания сама была способна к производству органики, получая энергию от химических соединений, порождённых активным вулканизмом. Они тоже оставили доказательства своего существования. Так, бактерии, окисляющие сероводород до серы, создали нынешние залежи самородной серы. Два с лишним миллиарда лет, от раннего архея до позднего протерозоя жизнь темпы биологической эволюции были очень медленными. Ускорение биологической эволюции дали многоклеточные эукариоты, появившиеся, возможно, в позднем архее. Однако протерозойский спурт мог быть обеспечен только появлением достаточного количества кислорода в атмосфере. Теперь обладатели митохондрий, разлагая тот же субстрат, что и раньше, могли получать раз в пять больше энергии. В позднем протерозое была пройдена «точка Пастёра» - такая концентрация кислорода в окружающей среде, выше которой кислородное дыхание становится энергетически выгодным. Появившиеся около миллиарда лет назад многоклеточные красные и зелёные водоросли способствовали переходу атмосферы из восстановительной в окислительную. Бактерии по-прежнему являются ведущей силой в геологических процессах. Теперь железобактерии создают запасы железных руд. Если в прежние времена ржавое железо должно было бы на воздухе превращаться в зелёную закись, то теперь растворимые закисные формы железа энергетически выгоднее переводить в нерастворимый Fe2O3. Этот процесс может происходить как абиогенно, так и в результате деятельности железобактерий. Возможно, важнейшие запасы железных руд Курской магнитной аномалии, Криворожского бассейна и др. сделали те же микроорганизмы, которые и сейчас поселяются на внутренней поверхности железного бака с водой. Переводя железо в нерастворимую форму, железобактерии откладывают его в виде чехлика на наружной поверхности клеток. Потом они отмирают, а эти пустотелые колбаски из ржавчины будут миллиард лет ждать металлургов. В море накапливаются соли серной кислоты - сульфаты. Их окисленная сера - тоже продукт деятельности бактерий.В позднем протерозое (речь идёт о двух последних его периодах – рифее и венде) существовали красные и зелёные водоросли современных отрядов и классов. Тогда же возникли многоклеточные животные практически всех известных нам типов. Как и от кого – пока неизвестно, точнее, неизвестна та группа простейших, которая могла породить многоклеточных животных. Ближайшими нашими родственниками являются истинные грибы – мухоморы, дрожжи, плесени. Губки (паразоа), которые в учебниках зоологии рассматриваются как первые многоклеточные организмы – это параллельная веточка многоклеточных животных, возникшая до разделения предков грибов и собственно многоклеточных животных – метазоа.

Кембрийский парадокс и жизнь в палеозое

Вдруг ленивый шаг биологической эволюции сменяется на бешеный галоп. Это происходит в следующую геологическую эру - палеозойскую. Здесь наблюдается так называемый кембрийский взрыв. 570 млн. лет назад, сразу, с четверга на пятницу, со свистом и грохотом, животные начали строить панцири, раковины, зубы, хитиновый наружный скелет – всё то, что сохраняется, где углерод медленно заменяется кремнием, и создаёт окаменелости. Прежнюю убогую картину с маловыразительными сульфатами, строматолитами и самородной серой, ржавыми слепками бактериальной клетки сменяют отпечатки целых животных – членистоногих, моллюсков, губок, кораллов, иглокожих.

Кембрий – первый период палеозойской эры. Когда биолог говорит слово «докембрийский», он подразумевает при этом пустоту и неизвестность. Есть ещё два термина – криптозой - эра скрытой жизни, то же, что и докембрий, и фанерозой – эра явной жизни. Кембрийский парадокс содержит две загадки. Первая – почему это произошло? И почему именно 570 млн. лет назад? Вторая – где предковые формы? В кембрии присутствуют основные типы животных, но откуда они взялись? Биологи любят рисовать филогенетические деревья, отражающие историю животных. Если взять такое дерево, отрезать нижнюю половину, останется то, что содержит фанерозой. Вот вершки, но где корешки? Во второй половине ХХ века была открыта докембрийская фауна, которую называют эдиакарской или вендской. Она представлена желетелыми организмами, совершенно непохожими на всё то, что есть в кембрийских отложениях. Появляется третья загадка – наряду с вершками без корешков появились корешки без вершков, кембрийские вершки и вендские корешки несовместимы… Чем питались животные кембрия? Большинство из них были фильтраторами, т. е. отцеживали микроскопический планктон. Это губки и археоциаты, некоторые кишечнополостные, внешне похожие на двустворчатых моллюсков брахиоподы (плеченогие), многие кольчатые черви и раки, а также первые представители хордовых. Нынешние коралловые полипы живут за счёт симбитических одноклеточных водорослей, обитающих в тканях полипов. Вероятно, так же было и в кембрии. Мелкие водоросли, постоянно поселяющиеся на твёрдом субстрате - безусловно, существовали и в кембрии. Ими питаются соскребатели - улитки из класса брюхоногох, первые представители которых тоже известны из кембрия. Имевшиеся тогда крупные многоклеточные водоросли - красные и зелёные - имеют сравнительно близких ныне живущих родственников, которых и сейчас мало кто способен съесть. Их мёртвые тела покрываются шубой бактерий и становятся достаточно привлекательной пищей для детритофагов (мертвоедов). Эти звенья пищевой цепи - самые многочисленные и разнообразные - занимали трилобиты. И, наконец, появляются хищники - крупные членистоногие, родственные им аналомокарисы и головоногие моллюски. Следующий период палеозоя – ордовикский – характерен увеличением разнообразия жизни. Количество ископаемых видов и родов увеличивается на порядок. Появились бурые водоросли – те самые, которые создают подводные леса в прибрежной части современных морей, известные потребителю в виде морской капусты. От трилобитов отщепляется веточка, развившаяся в подтип хелицеровые (ныне полнее всего представленная паукообразными). Их наиболее древние представители - ордовикские ракоскорпионы - мало отличаются от современных скорпионов. Они первыми вышли на сушу. В кембрийские и ордовикские времена жизнь существовала в основном в море, высшие формы жизни – исключительно в море. Следующий период – силурийский – характеризуется выходом на сушу многоклеточных растений и животных - прежде всего паукообразных и многоножек. Покинуть водную среду они смогли только после накопления в атмосфере достаточного количества кислорода, и, как следствие, появления озонового экрана, защитившего поверхность планеты от «кварцевания» жёстким ультрафиолетом солнечного излучения. Сколько-нибудь знакомых нам сосудистых растений нет. В прибрежной зоне, в местах с высокой влажностью селятся псилофиты (правильнее - риниофиты) - сосудистые растения без листьев и корней, ползучий стебель, от которого вверх на несколько десятков сантиметров поднимаются редко ветвящиеся зелёные палочки. Их отдалённые потомки дожили до наших дней (3 вида). Собственно рыб нет («панцирные рыбы» силура – не рыбы, а нечто чуть повыше ланцетника) животных ещё нет, континенты заселены паукообразными, насекомыми, многоножками. В следующем, девонском периоде в океане появляются рыбы – хрящевые и костные, а в самом конце девона примитивные костные выходят на сушу и превращаются в земноводных. Природа изобретает листья - источник питания для новых животных. Листья легче всего разрушаются с образованием гумуса (перегноя). Так растения превращают грунт в почву и в этом им помогают беспозвоночные. Под слоем листового опада благоденствуют новые формы членистоногих. Помимо почвенных клещей - представителей класса паукообразные - возникают неведомо от кого произошедшие трахейнодышащие: несколько классов многоножек и первый класс насекомых - скрыточелюстные. Все они - почвенные животные, питающиеся мёртвой растительностью, детритофаги или хищники, пожирающие детритофагов.

На суше появляются леса. Листья дают тень. Чтобы избежать затенения, нужно подняться выше конкурентов.

Четыре новых отдела (= типа) истинных сосудистых растений появились в девоне - плауны, хвощи, папоротники и голосеменные - и каждая новая ветвь дала древовидные формы.

Каменноугольный период (карбон). Леса были не только папаротниковыми, но также хвощевыми и плауновыми, а кроме того, семенные папортники в карбоне дали начало другим классам голосеменных - дожившим до нас хвойным, гинкговым и саговниковым (цикадопситам). Старые стволы падали в болото и там превращались в уголь. Появляются первые крылатые насекомые. В течение каменноугольного периода возникают, вероятно, все основные отряды насекомых. И вдруг вода в этом мире исчезает. Заканчивается тектонический период с одной конвективной ячейкой. Материки сползаются в один суперконтинент – Пангею, на котором воцаряется суперконтинентальный климат.

Начало этого процесса положено в следующий и последний период палеозоя – пермский. Будущие хозяева суши – пресмыкающиеся и голосеменные - быстро развиваются. Самые примитивные представители рептилий появляются в позднем карбоне, в перми пресмыкающиеся достигают значительного разнообразия. Появляется новый класс голосеменных - беннетитовые, от которых произошли современные хвойниковые (гентовые).

Мезозой

Окончательно Пангея оформляется к рубежу новой геологической эры – мезозойской, начавшейся около 235 млн. лет назад. Та делится на три периода – триасовый, юрский и меловой. В мезозое происходит распад Пангеи на два суперматерика – северную Лаврвзию и южную Гондвану. В ходе дальнейших тектонических процессов Гондвана раскалывается на Южную Америку, Африку, Антарктиду и Австралию, а также более мелкие обломки. Лавразия распадётся на два материка – Евразию и Северную Америку. К концу мезозоя основные современные материковые плиты были полностью разделены. В среднем мезозое почти на всей суше господствует теплый влажный климат. В массовом сознании это «эра динозавров». Отчасти так оно и есть. Важнейшие отряды насекомых - бабочки, двукрылые (мухи и комары), перепончатокрылые (муравьи, пчёлы, осы) – тоже уроженцы мезозоя (точнее, первые достоверные находки их останков датируются мезозоем). Появляются новые классы и типы водорослей, которые в настоящее время являются основными продуцентами Мирового океана – как у берегов (бурые водорсли), так и в толще воды. Одноклеточные диатомовые водоросли заключены в двустворчатый кремнезёмный панцирь. Другие одноклеточные водоросли – кокколитофориды, достигшие в позднем мезозое величайшего расцвета, имеют панцирь, состоящий из известковых чешуек. С того времени и по сей час на дне океана формируются толщи кремнезёмных осадков и толщи карбонатных осадков. Первый период мезозоя – триасовый. Грандиозная засуха пермотриаса – 20 млн. лет засухи – приводит к грандиозному вымиранию пышной фауны и флоры позднего палеозоя. Раннемезозойские пейзажи обычно изображаются бурой каменистой пустыней. Масштабы вымирания не повторились никогда. Но вот что удивительно - исчезли не только влаголюбивые амфибии, но и огромное количество морских таксонов. В позднем палеозое, вероятно, под влиянием развития подвижных хищников - рыб и головоногих моллюсков - начинается растянутое во времени вымирание слабозащищённых малоподвижных беспозвоночных. Опустевшую сушу постепенно колонизируют существа сухого мира - голосеменные растения (в том числе и хвойные, достигшие в эту эпоху значительного разнообразия), пресмыкающиеся и первые млекопитающие. Прогресс пресмыкающихся связан с решением двух физиологических задач – становлением настоящего лёгочного дыхания и возникновением амниоти-ческого яйца. Чтобы грудная клетка совершала дыхательные движения, необходимы, во- первых, подвижные рёбра, посредством суставов прикрепляющиеся к позвонкам; во-вторых – специализированные мышцы, поднимающие и опускающие рёбра и в-третьих – нервный центр в продолговатом мозгу, который регулирует частоту дыхательных движений. Весь этот комплекс появляется только у пресмыкающихся, что позволяет им иметь сухие, не теряющие влагу покровы. Амниотическое яйцо – это яйцо, в котором развиваются внезародышевые оболочки – амнион. Представьте себе головастика, заключённого в пузырёк с жидкостью. Стенки пузырька и есть амнион, выделяющий амниотическую жидкость. Когда «головастик» разовьётся и покинет яйцо, внезародышевые оболочки отмирают. Потомки рептилий - млекопитающие и птицы - сохранили амниотическое яйцо. Млекопитающие старше птиц на 70 млн. лет. Они очень рано отделились от рептилий – ещё в триасе, поэтому несут на себе следы недоделок. В частности, у них сохранились кожные железы – сальные, потовые, млечные. Динозавры появляются в следующем, юрском периоде. Именно в юре происходят самые крупные тектонические процессы мезозоя – наиболее интенсивный раскол континентальных плит, формирование водоёмов. На суше господствуют голосеменные, образующие беннетитово-цикадофитовые леса в тропиках, гинкговые и кордаитово-хвойные - в умеренной зоне. В это время на суше возникают самые гигантские формы животных, и это исключительно рептилии. Млекопитающие мезозоя – мелкие и редкие крысовидные существа. Меловой период, как упоминалось выше – это время растительной революции, полной смены ведущих групп продуцентов как на море, так и на суше и перевода в подводные известняки огромного количества атмосферной углекислоты. Завершается раскол Гондваны и Лавразии, формирования Атлантического и Индийского океанов. Меловой период для геолога – это действительно время отложения мощных меловых толщ, до сотни и более метров.

Мел состоит из останков одноклеточных водорослей кокколитофорид, точнее – их панцирей, состоящих из известковых чешуек - кокколитов. Кокколитофориды, расцвет которых пришёлся на поздний мезозой, связали и отложили на морском дне огромное количество углекислоты, изъятой в конечном счёте из атмосферы. Это привело к некоторому понижению средней температуры земной атмосферы, и, безусловно, снизило продуктивность сухопутных растений (меньше углекислого газа – пропорционально меньше скорость фотосинтеза).Ещё одна особенность мелового периода – становление покрытосеменных (цветковых) растений. Появились они в раннем мелу, вероятно на территории нынешней Юго-Восточной Азии. Это были невысокие деревья или кустарники. Как ни странно, древнейшая ныне живущая ветвь покрытосеменных растений - это порядок нимфейные (с близкими к нему лотосовыми и раффлезиевыми), пресноводные растения с плавающими листьями, "водяные лилии".

В среднем мелу, вероятнее всего, после разрушения некоего изолирующего барьера, в течение нескольких миллионов лет они распространились практически всесветно и дали мощную вспышку формообразования, а в позднем мелу стали господствующей группой наземных растений, сформировав целостные сообщества, состоящие из многих ярусов.

В это время растительность приобрела вид, близкий к современному - существовали платаны, дубы, лавры, появляются первые травянистые растения – лютиковые, однодольные.

Астероидная гипотеза вымирания мезозойской фауны. Кайнозой

Самым наглядным проявлением новой эпохи является полное вымирание крупных рептилий нескольких отрядов около 60 млн. лет тому назад. Вместе с ними исчезли господствующие отряды головоногих моллюсков. Современная наука не может указать причину полного вымирания столь массовой и разнообразной группы за очень короткий срок. Существуют десятки гипотез их вымирания. Одна из самых известных гипотез – метеоритная. Отец и сын Альварес (США) обратили внимание на иридиевую аномалию. Иридий – очень редкий металл платиновой группы. Существует, однако, очень тонкий слой осадочных пород, обогащённых иридием, причём этот феномен распространён всесветно. Их возраст оценивается приблизительно в 60 млн. лет. В железных метеоритах иридия сравнительно много. Альваресы предположили, что на Землю в это время упал крупный метеорит или мелкий астероид, который от удара полностью испарился. Смешавшись с атмосферными газами, мелкие частички иридия медленно и равномерно выпадали на поверхность Земли, формируя иридиевую аномалию. В месте удара сформировалась огромная яма, которая превратилась в современный Мексиканский залив – это действительно засыпанный осадками кратер ударного происхождения. Более того, поскольку метеорит врезался в Землю не «в лоб», а по касательной, двигаясь с юга, крупные обломки и осколки должны были лететь на север. Некоторые из них вроде бы найдены. Таким образом, за последние 40 лет «метеоритная гипотеза» получила серьёзные доказательства. Можно ожидать, что в результате подобной катастрофы в атмосферу было выброшено такое количество пыли, что средняя температура атмосферы на год или годы снизилась на десяток градусов. Предполагается, что именно это и погубило динозавров (почему-то именно их, но не черепах, крокодилов, гаттерий и прочих рептилий). Однако палеонтологи категорически против такой трактовки – меловая фауна вымерла не мгновенно, её угасание было растянуто на несколько миллионов лет. Вероятно, падение метеорита было одним из факторов, ускорившим процесс, но не единственным и вряд ли ведущим. Кайнозой раньше дробился на два периода - третичный и четвертичный, последний начинается около миллиона лет назад. Тёплый третичный период делился на палеогеновую (отделы: палеоцен, эоцен, олигоцен) и неогеновую (отделы: миоцен, плиоцен) системы. Четвертичный период (отделы: плейстоцен, голоцен) и есть то, что в просторечии называют ледниковый период.

Палеогеновая система (период). На суше наблюдается бурное формообразование млекопитающих. В начале палеогена на всей планете тепло и сыро, даже в высоких широтах растут вечнозелёные леса. Обратим внимание на этот факт - лес, "сырой лес", не любит гигантов. Близкие виды и подвиды животных представлены более мелкими лесными формами, чем те, что живут на открытых ландшафтах саванн и степей. Млекопитающие раннего палеозоя в среднем были не крупнее собаки. Континенты продолжают дрейфовать, Атлантический океан расширяется. Общий рельеф сглаживается, море наступает, суша сокращается – происходит то, что называется обширной трансгрессией океана. Палеогеновая трансгрессия была одной из самых крупных за всю историю Земли.

Неогеновая система (период) характерна мощными горообразовательными процессами. В позднем палеогене и в течение большей части неогена происходит некоторое иссушение климата и на огромных пространствах леса заменяются новым типом растительного сообщества – степями и саваннами. Появляются новые формы растений, прежде всего травянистых и животных, обитающих в степях, – копытных, хоботных, мозоленогих, страусов. В этом мире опять появляются гиганты. Крупнейшее сухопутное млекопитающее индрикотерий имело высоту в холке до 5 м. и весило около 15 т. В саванне и лесосаванне формируются люди. Медленное похолодание климата наблюдается в течение всего неогена. 20 млн.лет назад образовались первые ледники Антарктиды. Но около 5 млн. лет темпы похолодания убыстряются.

Гомо хабилис и Гомо эректус

Первые представители рода Люди (Хомо) появляются около 2,5 млн.лет назад. Будем считать, что человек в узком, родовом смысле этого слова – существо, способное интеллектуально и физически создавать орудия труда, его мозг и рука достаточно развиты для выполнения этой задачи. Первый мастер, Хомо хабилис – "человек умелый" имел объём мозговой коробки около 650 см3, около 160 см. роста. Первые человеческие орудия – это галька, оббитая с одной стороны. Галечниковая индустрия называется ещё олдовайской. Хорошо сохранившиеся останки человека умелого первоначально были найдены там же, где жили австралопитеки, на территории нынешних Кении и Танзании, однако существуют свидетельства их обитания значительно севернее и западнее, возле озера Чад. Австралопитеки вымирают около миллиона лет назад. К этому времени появляется ещё один представитель рода Хомо – Хомо эректус, человек выпрямленный, прежде называвшийся питекантропом. Появляется первая загадка – где? Всё, что мы знаем о его предке, указывает на Восточную Африку. Однако самые древние находки эректусов – их возраст 1,8 млн. лет – сделаны как в Африке, так и в Пакистане. В 1997 г. в Пакистане же были найдены галечниковые орудия с возрастом, превышающим 2 млн. лет. Возможно ли, что Хомо хабилис расселился до этих пределов? Костные останки изготовителей древейших азиатских орудий не найдены.

Первая загадка антропогенеза В Азии встречаются каменные орудия - более десяти находок - возраст которых превышает возраст девнейших останков Гомо эректус. Кто их изготовил?Мигрировал ли Гомо хабилис в Азию? Эректус уже бесспорный путешественник. Он расселился по всей тропической Африке и Азии, от Ближнего Востока до Китая. Отдельные находки часто получали названия по месту их обнаружениея - явантроп (человек с о. Ява), синантроп (китайский человек). Чтобы описать их морфологию, достаточно уловить общую тенденцию. Люди – в пределах семейства – в ходе эволюции становятся крупней и выше. Средний рост питекантропа около 170 см. Объём мозговой коробки черепа увеличивается, за полтора миллиона лет своего существования объём мозга эректусов вырос с 800 до 1100 см3. Сам по себе объём мозга не так уж много значит. Важнее уже развитие его специфических отделов, в частности, лобных, которые управляют социальным поведением и речевых. Лоб питекантропа ещё сильно скошен, лобные доли малы. Речевые центры у современного человека расположены в левой височной доле (зона Брока и зона Вернике). О степени их развития можно судить по слепкам внутренней части височной кости. В процессе эволюции эректусов соответствующие отделы височной доли растут. Увеличивается подбородочный выступ. "Обезьянья челюсть", челюсть без подбородка, свидетельствует о неразвитой речи. Подбородочный выступ – место прикрепления мышц, управляющих языком, толстым, крупным человеческим языком (сравните его с плоским языком собаки или кошки). У эректуса подбородочного выступа ещё нет, но внутренний объём нижней челюсти увеличен. Общей эволюционной тенденцией является "разоружение" черепа – его кости становятся менее толстыми, сглаживается костный гребень на темени (вспомните аналогичный гребень на шлёмах римских легионеров), уменьшаются размеры надглазничных выступов. Другой тенденцией является уменьшение клыков и жевательной поверхности коренных зубов. Однако уменьшение клыков должно компенсироваться развитием иного оружия. 1,5 млн. лет назад в Африке появляется новая технология обработки камня – ашельская. Грубо говоря, это отбивание от каменного ядрища тонких пластин. Олдовайские галечниковые орудия невелики, обычно не более 10 см. Ашельская технология позволяет работать с иным сырьём - более крупными камнями, вести их двустороннюю обработку и создавать не только скребки, но и массивные рубила. Новая каменная индустрия даёт возможность изготовлять орудия для обработки дерева, заострять палки и получать копья и палки-копалки. И, наконец, около 800 000 тыс. лет назад человек начинает пользоваться огнём.

Кроманьонец и неандерталец

В 70-е годы никто не мог сказать, когда и где возникли кроманьонцы. 40 тысяч лет тому назад их стоянки появились на Ближнем Востоке. В течение нескольких тысяч лет одна ветвь кроманьонцев расселилась по всей Европе, другая – по большей части Азии и вышла в Австралию. Размер мозга кроманьонцев около 1400 см3. У кроманьонцев лучше развиты лобные доли. Именно этот отдел мозга управляет социальным поведением человека. У кроманьонцев в физиологическом субстрате – лобных долях - были надёжней закреплены более совершенные и более альтруис-тические формы взаимодействия внутри родо-племенных социальных группировок, способность к дисциплине, самоограничению и самопожертво-ванию, то, что позднее назовут честью, совестью, доблестью. Европейские кроманьонцы ледникового периода значительно отличались от современных людей. Они были значительно крупнее – широкоплечие, со сравнительно узким тазом, высокие – свыше 180 см. роста, с несколько большим объёмом черепа – более 1400 см3. Согласно современным данным – пока ещё достаточно спорным – они существовали более 100 тыс. лет назад в Северной Африке. Долгое время численность кроманьонцев была низкой. Согласно некоторым расчётам, им пришлось оказаться на грани полного вымирания (у эволюционистов это называется "пройти сквозь бутылочное горлышко"). Численность кроманьонцев тогда не превышала 10 тысяч человек. С прохождением через бутылочное горлышко связан феномен "митохондриальной Евы". ???Геном митохондрий более изменчив, чем геном ядра, и, поскольку он мал и исследовать его довольно легко, он изучен у многих человеческих популяций. Оказалось, что геном человеческих митохондрий так беден заменами, что "молекулярные часы" показывают время его возникновения всего 200 тыс. лет. Поскольку митохондрии животных наследуются только по материнской линии (в сперматозоидах их нет), постольку родилась идея "митохондриальной Евы" - всё человечество суть потомки одной единственной женщины, жившей 200 тыс. лет тому назад. Разумеется, это не более чем математический фокус, но довольно показательный – наш вид или подвид исключительно молод. Шаткость нынешних представлений о раннем, "доближневосточном" периоде истории кроманьонцев заключается в том, что они в основном покоятся на гипотезах сравнительной генетики. Для их подтверждения нужны надёжно датированные костные останки и предметы материальной культуры. Пока нет костных останков кроманьонцев старше 100 тыс. лет. Та же генетика отрицает происхождение кроманьонцев от неандертальцев. Анализ ДНК, извлечённой из костных остатков неандертальцев, показал её большие различия с геномом современного человека. Получается, что эти линии разошлись около 500 тыс. лет назад.

Вторая загадка антропогенеза Когда появился и от кого произошёл человек современного типа? Костные остатки переходной формы пока не найдены. Генетические данные противоречивы: неандертальский и кроманьонский стволы разделились 300 лет назад, кроманьонцы возникли 200 тыс. лет назад. Итак, кроманьонцы после 70 (?) тыс. лет прозябания в Африке вышли на иные континенты и взрывообразно расширяют область своего обитания. Пока они ещё носители мустьерской культуры, но вскоре появляются каменные орудия ориньякской культуры – более сложные. Около 20 тыс. лет человек вооружился луком и стрелами.Позже появляется культура мезолита, для которой характерно использование многочисленных мелких отщепов камня - микролитов. Люди ориньякской культуры рисовали на сте-нах пещер, вырезали из камня и кости фигурки людей и животных, рас-крашивали своё тело и украшали одежду.

Неолитическая революция

Неолити́ческая револю́ция — переход человеческих общин от примитивной экономики охотников и собирателей к сельскому хозяйству, основанному на земледелии и/или животноводстве. По данным археологии, одомашнивание животных и растений происходило в разное время независимо в 7 — 8 регионах. Самым ранним центром неолитической революции считается Ближний восток, где одомашнивание началось не позднее, чем 10 тыс. лет назад. В центральных областях Мир-Системы превращение или замещение охотничье-собирательских обществ аграрными датируется широким временным диапазоном от Х до III тысячелетия до н. э., в большинстве периферийных областей переход к производящему хозяйству завершился значительно позднее. Понятие «неолитическая революция» было впервые предложено Гордоном Чайлдом в середине ХХ века. Кроме появления производящего хозяйства оно включает в себя ряд последствий, важных для всего образа жизни человека эпохи неолита. Маленькие мобильные группы охотников и собирателей, господствовавшие в предшествующей эпохе мезолита, осели в городах и поселках возле своих полей, радикально изменяя окружающую среду путем культивирования (в том числе ирригации) и хранения собранного урожая в специально возведенных зданиях и сооружениях. Повышение производительности труда вело к увеличению численности населения, созданию сравнительно больших вооруженных отрядов, охраняющих территорию, разделению труда, оживлению товарообмена, появлению права собственности, централизованной администрации, политических структур, идеологии и новых систем знания, которые позволяли передавать его из поколения в поколение не только устно, но и письменно. Появление письменности — атрибут окончания доисторического периода, который обычно совпадает с окончанием неолита и вообще каменного века.Соотношение технологических характеристик неолита с появлением производящего хозяйства и последовательность этих событий у разных культур остаются предметом обсуждения и, по-видимому, различаются, а не являются только лишь следствием действия неких универсальных законов развития человеческого общества. Первые попытки культивирования некоторых растений были предприняты около 10 тыс. лет назад. В это время в Меланезии начали разводить таро. Но гораздо более успешными и важными по своим последствиям для истории человечества оказались ячмень и пшеница, окультуренные в эту же эпоху в районе плодородного полумесяца на Ближнем Востоке. В эту же эпоху и в этом же регионе — в горах Загроса — были одомашнены козы и овцы. Несколько позже, около 9 тыс. лет назад в юго-восточной Азии был одомашнен рис. Существует несколько конкурирующих (но не взаимоисключающих) теорий о причинах появления земледелия. Наиболее распространенными считаются следующие.

1. Теория «оазисов», приверженцем которой был сам Гордон Чайлд[12]. Она привязывает экономические перемены к изменениям климата в конце ледникового периода, которые сопровождались засухой и миграциями людей и животных в оазисы, где и происходило одомашнивание как животных, так и растений. Эта теория в настоящее время не получает подтверждения, так как ледниковый период закончился раньше и предполагаемые климатические изменения относятся к другой эпохе.

2. Теория «холмистых склонов». Предполагает, что одомашнивание началось на холмистых склонах гор Тавра в Турции и Загроса в Иране, где климат не был засушливым, и сохранилось разнообразие диких животных и растений, среди которых некоторые были одомашнены.

3. «Демографическая теория» была предложена Карлом Зауэром и допускает, что увеличение численности населения было не следствием, а причиной перехода к земледелию, так как для того, чтобы кормить больше детей, местных ресурсов диких растений не хватало, и тогда их стали культивировать.

Страницы: 1, 2, 3, 4