Природничі науки.
Минуле, сучасне та можливе майбутнє людства і біосфери
Розділ ІІІ. Виникнення та розвиток життя на Землі
Блок D. Перетворення Землі життям

D3. Життя змінює планету

Опорний конспект

.

Завдання D3-

D3-1. Літопис Землі
D3-2.

Додаток D3-3.

Додаток D3-4.

Додаток D3-5.

Завдання D3-

Завдання D3-

Задача D3. 

Головні поняття D31.

D3-1. Літопис Землі

D3-1.1. Геохронологічна шкала

Для опису історії Землі необхідно мати шкалу, що дозволяє описувати відповідні проміжки часу. Для цього земну історію, яку можна описувати за послідовністю осадових порід, розділяють на проміжки часу. Сучасний варіантів такого поділу (який є результатом роботи багатьох поколінь геологів та палеонтологів) показаний на рисунках D3-1.1 (більш детально) і D3-1.2 (у скороченому вигляді). Цей поділ має назву геохронологічної шкали.

Рис. D3-1.1. Геохронологічна шкала. Розгорнутий варіант. Перші чотири стовпчика задають відносне датування (які проміжки часу в історії Землі раніші, а які — пізніше), а останній стовбчик містить абсолютну шкалу — сучасні оценки часу, що відділяє нас від межі цих підрозділів    

Рис. D3-1.2. Геохронологічна шкала. Скорочений варіант  

Одним з перших почав роботу з побудови геохронологічної шкали датский астроном, геолог и епископ XVII ст. Нільс Стенсен, відомий під латинізованим ім'ям Стенон.

Як будують геохронологічну шкалу?

Стенон сформулював шість принципів стратиграфії — науки про визначення віку гірських порід. Як ви можете впевнитись, ці принципи цілком відповідають здоровому глузду:
— шари Землі — результат осадження у воді;
— шар, що містить уламки іншого шару, утворився після нього;
— будь-який шар відклався пізніше шару, на якому залягає, і раніше того, який його перекриває;
— шар, що містить морські раковини або морську сіль, утворився в морі; якщо він містить рослини, він походить від річкового паводку або припливу води;
— шар повинен мати певну необмежену протяжність і бути таким, щоб його можна було простежувати впоперек будь-якої долини;
— шар відкладається спочатку горизонтально; якщо він нахилений, то він зазнав перевороту; якщо інший шар залягає на похилих шарах, то переворот стався раніше відкладення цього iншого шару.

Якщо ви вважаєте, що ці принципи є чимось таким, що саме по собі є зрозумілим, ви помиляєтеся. Для багатьох поколінь вчених було дивно розглядати земну товщу як результат тривалої історії. Треба було зрозуміти, що відміни між шарами гірських порід, які можна побачити, наприклад, на крутому обриві, є наслідком змін умов відкладення донних осадів протягом тривалого часу (рис. D3-1.3).

Рис. D3-1.3. Як ви вважаєте, на якій фотографії морські відкладення, а на якій — озерні? Чому?    

В геології тривалий час боролися два різних підходи. Фундатор палеонтології, науки про вимерлі організми, авторитетний французький вчений Жорж Кюв'є був прихильником катастрофізму. Згідно з його поглядами, такі геологічні утворення, як, наприклад, на D3-1.3, могли виникнути лише внаслідок якихось надзвичайних подій, як-от Великий потоп, що описано у Біблії.

Протилежну точку зору, яка мала тривалу історію, сформулював англійський геолог Чарльз Лайель. Принцип актуалізму, за Лайелем, полягає у тому, що в земній історії діяли ті ж сили, які ми бачимо й сьогодні. Сучасне — ключ до минулого.

Як ви думаєте, хто з цих двох великих вчених виявився правим D3-1.4?

Рис. D3-1.4. Хто був правий — барон Кюв’є (1769-1832) або сер Лайель (1797–1875)? Літопис Землі зберігає сліди величних катастроф або тривалої дії чинників, які ми можемо спостерігати щодня?      

В цілому правим виявився Лайель, але у деяких випадках — і Кюв’є. Переважно історію Землі формували ті ж сили, що ми бачимо й зараз, але іноді відбувалися й катастрофи. Згадайте хоча б історію формування Луни! На щастя, зіткнення з великими космічними тілами є рідкісним явищем, і сьогодня просто не існує іншої планети, яка, как Тея, могла б зіткнутися з Землею. Невеликі метеорити падають на Землю регулярно, а падіння досить великих є рідкісним явищем.

D3-1.2. Відносне датування

Принципи Стенона допомагають визначити, який геологічний шар є старшим, який — молодшим. Але суттєва проблема полягає в тому, що в жодному місці на Землі нема безперервної послідовності шарів, що відкладалися б протягом її історії.

Кожна ділянка Землі має свою історію; в цій історії зазвичай чергуються часи, коли ця ділянка була залита водою, і на ній відкладалися осадові породи. Зрозуміло, склад цих порід відповідає середовищу, яке склалося на той час. За тими рештками організмів, що попадали в осадові породи, ми можемо зрозуміти, яке життя існувало на досліджуваній ділянці або поруч з нею. Йшов час; ділянка, що нас цікавить, могла піднятися вище рівня води. Внаслідок цього відкладення осадових порід переривалося, а породи, що утворилися раніше, починали руйнуватися.

Як встановити повну послідовність геологічних шарів, що відкладалися у різні часи, якщо у будь-якому місці можна знайти лише її фрагменти?

Порівнювати ці фрагменти, встановлюючі, які шари є молодшими, які — старшими! Тут у нагоді стає принцип Гакслі, який доповнив принципи Стенона: породи, що містять залишки одних і тих же викопних організмів, формувалися в один і той же час. Цей принцип додав відомий англійський біолог-еволюціоніст Томас Гакслі (рис. D3-1.5).

Рис. D3-1.5. Принципи, за якими встановлюють послідовність геологічних шарів та будують геохронологічну шкалу, названо на честь Нільса Стенона (Стенсен,  1638-1686) і Томаса Гакслі (1825-1895)        

Показаний на рис. D3-1.6 приклад застосування принципів Стенона і Гакслі є дуже спрощеним. Насправді, геологи та палеонтологи мають справу з тисячами послідовностей, кожна з яких складається переважно з пробілів. У багатьох шарах знайти рештки викопних організмів та визначити їх — важка задача. Користуючись геохронологічною шкалою, ми використовуємо результати зусиль багатьох вчених, праця яких була необхідною для її побудови!

Рис. D3-1.6. Приклад застосування принципів Стенона і Гакслі. Ми бачимо дві умовні послідовності шарів, кожна з яких є неповною. Порівнюючи їх, ми можемо узнати їх порядок, умовно показаний лініями всередині рисунку      

D3-1.3. Абсолютне датування

Принципи Стенона і Гакслі дозволяють визначити, які шари у земній корі утворювалися раніше, які — пізніше. Але як визначити, коли це відбувалося?

Протягом тривалого часу вчені не мали надійної відповіді на це питання. Обговорювалися, наприклад, випадки, коли можна було виміряти товщину шару осадів, яка відкладалася у певній водоймі зі сталими умовами, оцінити, скільки осадів могли відкладатися за рік, та спробувати розрахувати сумарну тривалість утворення відкладень. Ці оцінки були дуже приблизними, але дозволили впевнитися, що історія Землі сягає не менш, ніж сотні мільйонів років. “Прорив” відбувся, коли для визначення віку гірських порід застосували радіоізотопне датування.  

Радіоізотопне датування засноване на тому, що швидкість радіоактивного розпаду елементів є сталою. Вона не залежить ні від тиску, ні від температури. Відступ від цієї сталості означав би те, що радіоізотопні датування стали б неправильними. Але слід врахувати, що вік більшості зразків визначається за допомогою різних методів, в тому числі, і заснованих на абсолютно інших принципах. У більшості випадків різні методи надійно підтверджують один одного. Це дозволяє визначати вік гірських порід та копалин, що в них містяться, з високою надійністю.

Уран-238 (238U) має період напіврозпаду 4,47 млрд. років. В результаті ряду ядерних реакцій Уран перетворюється на Плюмбум. Слід порівняти вміст Урану і Плюмбуму в пробі, і на підставі цих даних можна буде визначити вік породи. Орієнтовно можна вважати, що кожні 100 мільйонів років розпадається 1,5% 238U. Уран-Плюмбумовий метод використовується для найдовших проміжків часу.

Карбон-14 (14С) утворюється з 14N при опроміненні атмосфери космічними променями. Радіоактивний Карбон споживається рослинами у вигляді вуглекислоти і передається по харчових ланцюгах. У тканинах рослин, тканинах тварин, деревині тощо відношення 14С/12С буде таким самим, як в атмосфері. В похованій органіці відбувається зменшення вмісту 14С в результаті його розпаду. Його період напіврозпаду 5 730 років; завдяки високій точності вимірювання можна вимірювати вік предметів, які налічують понад 8 періодів напіврозпаду (до 50 000 років). Зіставлення карбонових датувань з іншими (наприклад, дендрохронологічними, заснованими на характерному співвідношенні ширини річних кілець дерев) показало, що відношення 14С до 12С в атмосфері залишається відносно постійним.

Результатом розпаду 40K є 40Ar. Аргон утримується всередині різноманітних порід, але виходить з них при нагріванні. Коли відбувається виверження вулкана, весь Аргон з лави випаровується. Лава застигає, 40K розпадається, а 40Ar накопичується в зразку. Період напіврозпаду 40K складає 1,248 мільярдів років. За співвідношенням цих елементів можна зрозуміти, коли порода зазнала нагрівання. Однак якщо мова йде, наприклад, про рубило прадавньої людини, яке лежало і нагрівалося у ватрі, датування за калій-аргоновим методом дасть занижене значення віку. Річ у тім, що під час нагрівання рубила частина Аргону, що містилася в ньому, могла бути втраченою. Якщо ж зерна граніту певного віку містяться в осадовій породи, можна стверджувати, що вік осадової породи не менше, ніж цих зерен.

Ніякий метод не дає абсолютно точне датування; при деяких умовах (як ми показали на прикладі калій-аргонового методу) вимірювання віку може відбуватися зі значною похибкою. Саме тому надійними вважають такі визначення віку геологічних і палеонтологічних знахідок, яке підтверджено кількома незалежними методами радіоізотопного датування.

Останній стовпчик на рис. D3-1.1 і D3-1.2 — наслідок такого датування, що було виконане на безлічі зразків і продемонструвало результати, які добре узгоджуються один з одним.

D3-1. Сухий залишок

D3-1. Проблеми для обговорення та завдання

D3-1.1. Поясніть процитоване твердження, про те, що відносне датування точніше за абсолютне. У чому причина цього?

“У науково-популярних статтях з археології, геології, палеонтології, еволюційної біології та інших дисциплін, так чи інакше пов'язаних з реконструкціями подій далекого минулого, раз у раз зустрічаються абсолютні датування: щось сталося 10 тисяч років тому, щось 10 мільйонів, а щось — 4 мільярди років тому. <...> Більшості геологів і палеонтологів, як не дивно, абсолютні датування не дуже-то і потрібні. У серйозних наукових статтях з палеонтології точні дати в тисячах і мільйонах років зустрічаються на порядок (а то і на два) рідше, ніж в популярних переказах. <...> Як же пояснити таку дивну зневагу до абсолютних датувань у фахівців, для яких геологічний час і хронологія подій далекого минулого — безпосередні об'єкти вивчення? Вся справа в тому, що відносне датування в геології має набагато давнішу історію, і, головне, воно набагато надійніше і точніше абсолютного” О.В.Марков.

Керівні копалини