THE CONCEPT OF EVOLUTION OF LIFE IN THE EARTH-MOON SYSTEM

Представление об эволюции живого на Земле строятся в основном по данным палеонтологии, но о причинах эволюции до сего времени не сложилось единого мнения

Так, Земля и Луна представляются системой из двух планет. Их взаимовлияние в настоящее время незначительно, но на ранних этапах развития оно было очень сильным

Для характеристики физических свойств планеты применяется понятие механической добротности. Механическая добротность характеризует степень приближения реального вещества к идеально упругому телу: чем выше добротность планеты, тем оно ближе по своим деформационным свойствам к идеально упругим телам, и, наоборот, чем ниже добротность, тем среда более приближается к эффективно-жидким (пластичным) средам, характеризуемым понятием – приливный фактор. Уменьшение вязкости вещества ведет к снижению его фактора добротности.

От момента образования Земли система обладала высокой механической добротностью: начиная от момента образования (4,6 млрд. лет назад) и до появления геологических процессов (4 млрд. лет назад), значение приливного фактора добротности Земли равнялся 1500

Рисунок 1 - Временная зависимость фактора добротности Земли от времени

DOI:10.60797/jbg.2024.24.1.1

С наступлением фанерозоя начало подниматься давление земной атмосферы за счёт усиленной генерации кислорода до максимального значения около 200 млн. лет назад (см. рис. 1). К этому времени наступает наиболее тёплый период мезозоя со средней приземной температурой около +16,2 °С.  Широкое распространением цветковых растений соответствует этому периоду, после чего давление земной атмосферы вновь стало снижаться. Соответственно произошло снижение средней поверхностной температуры Земли с +16,2 °С в мезозое до +14,8 °С в настоящее время.

Внешними условиями приливного резонанса стала температура, а механическая добротность при этом представляется как реакция на температуру поверхности планеты

Рисунок 2 - Эволюция температурного режима земной атмосферы

DOI:10.60797/jbg.2024.24.1.2

Для определения значения фактора добротности в фанерозое и протерозое используются палеонтологические данные, позволяющим найти число дней в году или угловую скорость собственного вращения Земли для этих эпох.

Низкие значения приливного фактора добротности в фанерозое – примерно 12 – объясняются появлением в эту геологическую эпоху мелководных эпиконтинентальных морей, покрывающих сейчас на шельфах около 30% континентальной поверхности. В мелководных морях происходит рассеивание энергии приливов, так как на приливное взаимодействие планет с наибольшей силой влияют слои с наименьшими значениями фактора добротности.

Приливные волны перемещаются по земной поверхности вместе с видимым движением Луны потому, что угловая скорость вращения сегодняшней Земли, совершающей один оборот вокруг своей оси за 24 часа, что превышает орбитальную угловую скорость движения Луны, один оборот которой происходит за 27,32 суток = 655,7 ч.

Приливные взаимодействия между Луной и Землей малы, но накапливаясь в течение длительного времени, приводят к торможению вращения Земли и к ускорению орбитального движения Луны и к ее удалению от Земли.

Луна активизировала тектоническое развитие Земли в архее, увеличила скорость вращения и определила наклон оси вращения Земли.

Вещество Земли обладает свойствами вязкой жидкости, приливные волны сильно не уменьшаются после прохождения точек взаимодействия с Луной.

Притяжения обоих приливных вздутий Земли создают пару сил, действующих как на Землю, так и на Луну. При этом влияние ближнего, обращенного к Луне вздутия несколько сильнее, чем дальнего.

Суммарный момент количества движения системы Земля-Луна не изменяется за счет приливного взаимодействия, хотя взаимодействия приводят к передаче энергии от одной планеты к другой, а энергия вращательного движения в системе не сохраняется постоянной, переходя в тепло и рассеиваясь в космическом пространстве. Вращательная энергия Земли передается Луне, что приводит к замедлению осевого вращения Земли и удалением Луны от Земли.

Таким образом, если Луна при своем образовании обладала собственным вращением с угловой скоростью, не равной скорости его обращения вокруг Земли, то на Луну будет действовать пара приливных сил, тормозящих ее осевое вращение. В результате Луна переходит на синхронное вращение, при котором ее угловые скорости осевого и орбитального вращения уравниваются и Луна поворачивается к Земле одной и той же стороной – один оборот вокруг своей оси Луна совершает за время ее полного оборота вокруг Земли. Условием резонанса и повышения механической добротности стало синхронное вращение Луны вокруг Земли и Луны вокруг оси.

Другой вариант синхронизма, когда число периодов вращения Земли кратно длительности лунного месяца. В силу того, что длительность лунного месяца меняется в процессе удаления Луны от Земли, условия резонанса периодически повторяются. Этот период составляет примерно 180 млн. лет (цикл Бертрана). Интервал между резонансами определяется скоростью удаления Луны от Земли. При этом за счет замедления вращения нашей планеты один день на Земле увеличивается примерно на 1,8 миллисекунды каждые 100 лет. Необходимо 3,3 миллиона лет, чтобы продлить день на одну минуту. А чтобы добавить лишний час к нашему дню — понадобилось два миллиона столетий.

Возможными условиями возникновения резонансов в системе Земля-Луна могут быть такие условия, как синхронное вращение Луны вокруг Земли и Земли вокруг оси, Земли вокруг Солнца и Луны вокруг Земли и др. Такие резонансы периодически возникают в силу постоянного изменения параметров движения одного из элементов системы – Луны. Во время своего формирования Луна была гораздо ближе к Земле — на расстоянии всего около 22500 километров. В настоящее время расстояние до Луны составляет 384 000 километров

Рисунок 3 - Эволюция расстояния между Луной и Землей

DOI:10.60797/jbg.2024.24.1.3

Луна удаляется от Земли со скоростью примерно 3.78 сантиметра в год

[12]

.

Рисунок 4 - Скорость удаления Луны от Земли

DOI:10.60797/jbg.2024.24.1.4

Изменяется длительность суток и, соответственно, число дней в году

[12]

.

Рисунок 5 - Изменение числа дней в году в связи с эволюцией расстояния между Землёй и Луной

DOI:10.60797/jbg.2024.24.1.5

4.1. Синхронизация периода лунного вращения и периода вращения Земли вокруг своей оси (животный цикл)

Длительность лунного месяца, в настоящий момент составляет 27,321661 суток. При этом число лунных месяцев должно быть: 365,256336/27,321661 = 13,368745.

Рассмотрим резонансные ситуации, когда лунный месяц был кратным целому числу дней (земных суток) и год был кратным целому числу месяцев

Чтобы упростить расчеты, вводим допущение, что орбита Луны не эллиптическая, а круговая (усредненная). Для примера рассмотрим два момента времени и рассчитаем параметры орбиты на сегодняшний день и 500 млн. лет назад.

Радиус орбиты:

r1 = 3,84 108 м на сегодняшний день,

r2 = 3,5 108 м в пошлом (500 млн. лет назад) при среднем удалении 3,8 см в год.

Соответственно, скорость движения Луны по орбите V зависит от радиуса орбиты в соответствии с выражением:

(1)

где:

M – масса земли,

r – радиус орбиты,

γ – постоянная тяготения 6,67 10-11

Получим 1,068 км/с при радиусе 3,5 108 м 500 млн. лет назад при нынешней 1,023 км/с при радиусе 3,84 108 м.

Определим длину окружности:

d1 = 2πr1 = 24,1274 108 м 

d2 = 2πr2 = 21,98 108 м 

Тогда время оборота:

(2)

Переводим в число суток

В сутках 86400 сек. Тс1 = 27,32522 суток при 24 часах.

В сутках 73800 сек. Тс2 = 27,90102 суток при 20,5 часах.

500 млн. лет назад в сутках было 73800 сек. и сутки составляли 20,5 часа при нынешних 86400 сек. при сутках в 24 часа.

Строим зависимость числа дней месяца от радиуса вращения Луны (во времени) (см. рис. 6, фиолетовый).

Рисунок 6 - Зависимость числа дней месяца от радиуса вращения Луны

DOI:10.60797/jbg.2024.24.1.7

Определим точки резонанса – кратности периодов вращения. Подставим выражение (2) в (1).

Тогда  зависит только от времени оборота Луны вокруг Земли и приращение радиуса орбиты, на которое должна сместиться Луна, чтобы ее радиус был кратен радиусу орбиты Земли.

Первая точка, когда месяц делился без остатка на число дней, равных 27, отстоит от нынешнего времени на 65,5 млн. лет. Этому времени соответствует «меловая» (мел-палеогеновая) катастрофа, когда погибло 2/3 всех видов (50-70%), 1/2 родов и 1/6 семейств, включая динозавров.  Считается, что причиной катастрофы стало падение крупных астероидов.

Вторая точка, когда месяц делился без остатка на число дней, равных 25, отстоит от нынешнего времени на 251 млн. лет. Этому времени соответствует «пермская» (пермско-триасская) катастрофа, когда исчезло 95% всех живых существ. Только морская фауна потеряла 40-50% семейств и около 70% родов. Самую масштабную катастрофу связывают с ледниковым периодом между триасом и пермью, последовавшим вулканизмом и глобальным потеплением, но и с падением астероида.

Третья точка, когда месяц делился без остатка на число дней, равных 26, отстоит от нынешнего времени на 439 млн. лет. Этому времени соответствует «ордовикская» (ордовикско-силурийская) катастрофа, когда исчезло 25% семейств морских животных и 60% морской флоры, что составляет 86% биологических видов – животных и растений. Всего зафиксировано 10 биологических катастроф, большинство из которых неузнаваемо изменивших облик биосферы всей планеты, либо отдельных материков. При этом в фанерозое – триасовая (200 млн. лет) и девонская (360 млн. лет) биокатастрофы, не носят общепланетарный характер: триасовская не проявилась в Африке, девонская была только в Гондване.

За глобальным вымиранием следует довольно длительный (от 1-2 до 5-6 млн. лет) период низкого видового разнообразия, когда вымирание доживающих групп из одной или нескольких популяций организма или организмов (таксонов) уравновешивается появлением новых.

Можно отметить одинаковую длительность между ордовикской (439 млн. лет), пермской (251 млн. лет) и меловой (65.5 млн. лет) биокатастрофами: 190 и 180 миллионов лет.

Зафиксировав основные катастрофические моменты, рассмотрим механизм резонансных (кризисных) явлений. Как и в технике резонансным явлениям сопутствует высокая добротность системы и высокая чувствительность к изменению внешних условий. В нашем случае изменение внешних условий привязано, как правило, к падению астероида, когда гибнут наиболее приспособленные и чувствительные к изменениям животные и растений. Остаются нечувствительные – из них формируются новые виды.

Условия резонанса системе при изменении орбиты Луны происходят с периодом примерно 180 млн. лет (цикл Бертрана).

Под добротностью в системе планет понимаем степень отзывчивости колебательной системы на изменение внешних условий и уровень интенсивности отклика на эти изменения. При этом чем меньше добротность, тем меньше катаклизмы.

Добротность биологических видов, таксонов представляется как совокупность живых организмов (особей), составляющих собой группу из одной или нескольких популяций организмов.

Для пояснения – основные таксоны в биологии – это вид — низшая таксономическая категория, и род — основная надвидовая таксономическая категория, объединяющая филогенетически близкородственные виды. Наиболее чувствительные таксоны исчезают в момент внешнего воздействия, когда изменяются условия существования.

В итоге, Луна, ускорив эволюционное развитие Земли, косвенно способствовала появлению на поверхности Земли высокоорганизованной жизни.

Нужно отметить, что в процессе эволюции рост числа таксонов характеризуется гиперболической функцией во времени (рис. 7). Гиперболический рост биоразнообразия в фанерозое свидетельствует о том, какую роль в макроэволюции могут играть не только конкурентные, но и «кооперативные» взаимоотношения между эволюционирующими кладами.  Рост таксономического богатства сообществ может способствовать как снижению вероятности вымирания таксонов, входящих в эти сообщества, так и повышению вероятности появления новых таксонов.  Тем не менее, как видно из рисунка 7 гиперболический характер роста биоразнообразия, не изменяет периодичность кризисов

Рисунок 7 - Динамика числа родов в фанерозое

Примечание: био́та — исторически сложившаяся совокупность видов живых организмов, объединенных общей областью обитания

DOI:10.60797/jbg.2024.24.1.9

Рассмотренные закономерности позволяют заглянуть в далекие времена и уточнить моменты качественного изменения биологической жизни на Земле.

Неопротерозойская эпоха во многом определила облик живой планеты. Началась она около миллиарда лет назад, а закончилась 540-542 миллиона лет назад событиями Кембрийского взрыва.

Рисунок 8 - Морские ландшафты неопротерозоя

DOI:10.60797/jbg.2024.24.1.10

Неопротерозойская эра состоит по современной шкале из трёх периодов: тонийского, криогенового и эдиакарского. И в каждом из этих периодов происходило вымирание.

Тонийский период (1000–720 миллионов лет назад) стал периодом «выделения» животных из общей массы, временем возникновения и бесследного вымирания многоклеточных биот.

750 миллионов лет назад в тонийских морях обитали губки – дотканевые животные, являющиеся предками современных типов. Otavia antiqua – существа, напоминающего мелкую (до 5 мм) губку.

Рисунок 9 - Древнейшее из известных животных – губка отавия

DOI:10.60797/jbg.2024.24.1.11

Губка — закономерный и необходимый этап на пути к настоящему многоклеточному животному, когда существа, не имеющие внутренней организации, превращаются в ткани. Губки не могут представляться как дотканевые – без постоянной внутренней организации – животные. Это древнейшие животные. На современных губок некоторые из этих существ начали походить по мере перехода от кочевого образа жизни к оседлому. Кооперация позволяла не прочёсывать дно в поисках пищи, а добывать её процеживанием воды, течение которой создавали специально обученные клетки движениями жгутиков.

Но и губки, и многоклеточные водоросли, а также многие другие живые организмы не смогли существовать в следующем периоде – криогеоновом.

Период криогений длился с 720 до 635 млн. лет назад. Уже около 680 миллионов лет назад температура стала расти, а ещё через 10 миллионов лет океан, в основном, освободился от ледяного панциря. Однако, 645 миллионов лет назад началось очередное оледенение. Оледенение быстротечное, так как лёд стал таять уже к началу эдиакария 635 миллионов лет назад. Температура упала на 50-60 градусов. Судя по соотношению тяжёлого и лёгкого углерода, именно в этот момент признаки жизни на Земле практически исчезли. Если бы не вулканизм, проснувшийся из-за продолжающегося движения микро-континентов, то жизнь на планете могла бы практически замереть.

Тем не менее это не помешало растениям выйти на сушу (грибы и водоросли вышли раньше). Все современные животные ведут своё происхождение именно из криогения.

Жизнь в криогении сосредоточилась в тех местах, где ещё было относительно тепло и был доступен солнечный свет и/или другие источники питания. Снова оживились археи и бактерии, не использующие кислород в своём метаболизме.

Возникли красные и зелёные водоросли, инфузории, амёбы, планктон, питавшийся одноклеточными водорослями и бактериями. Но в целом от жизни того времени очень мало что сохранилось. Фауна неопротерозоя в своем большинстве не считается началом современных животных.

Период эдиакарий длился с 635 до 541 млн. лет назад, во время которого в океанах Земли стали заводиться заметные животные. Размеры живых существ доходили уже до метра, у них возникли разные типы симметрии, и разные формы – дисков, стеганых одеял, мешков, колец. Основу биоценозов составляли бактериальные сообщества, располагающиеся на дне водоёмов или в их прибрежной зоне. которые служили едой для более сложных существ. С сообществами конкурировали водорослевые луга. Были и животные, например – моллюск Кимберелла, покрытый плотной раковиной, длиной до 15 см, или Клаудина – сегментированное животное (длиной до 15 см, родственное червям и выглядящее как стопка конусов, вставленных острыми концами друг в друга). Обычно животные паслись на поверхности бактериальных зон, всасывая либо соскрёбывая питательные вещества всей нижней поверхностью тела. По окончании периода появились первые хищники.

Бесскелетные многоклеточные червеобразные животные появились в эдиакарии. Когда произошло вымирание, длительность суток была 21,9±0,4 часов, в году было 400±7 дней и 13,1 месяцев.

4.2. Синхронизация периода вращения Земли вокруг Солнца и периода вращения Луны вокруг Земли (растительный цикл)

В силу того, что период вращения земли вокруг солнца постоянный, число месяцев в году будет зависеть только от длительности лунного месяца.

Разделим временной интервал числа дней в году – 365,256336 на число месяцев в году.

Получим для 12 месяцев – 30,438 дней, для 13 месяцев – 28,096 дней, для 14 месяцев – 26,09 дней, для 15 месяцев – 24,35 дня, для 16 месяцев – 22,828 дней, для 17 месяцев – 21,484 дня, для 18 месяцев – 20,291 день, для 19 месяцев – 19,223 дня, для 20 месяцев – 18,262 дня и т.д.

Сопоставим число дней отметке на временной оси (см. рис. 6, синий) и определим длительность солнечного периода.

В соответствии с расчетами длительность солнечного периода составит примерно 320 млн. лет – где-то между циклами Бертрана и циклами Вильсона

Древнейшими, появившимися ещё 1,6 миллиарда лет назад в мезопротерозое, многоклеточными организмами на Земле стали красные водоросли. На дне морей колыхались их багровые стебли.

Рисунок 10 - Древнейшие растения

DOI:10.60797/jbg.2024.24.1.13

Красные же водоросли, процветают и сейчас. Они же впервые получили половое размножение.

В мезопртерозоя от 1,2 до 1 миллиарда лет назад произошли изменения и в развитии жизни на Земле. До этого периода эукариоты (бактерии, у которых есть ядро или несколько ядер), не имели функции полового размножения. Ископаемые остатки бактериальных сообществ – строматолиты, которые образуются на дне неглубоких водоемов ассоциировались с остатками многоклеточных зукариот – губками, кораллами или мхами.

Резкий спад разнообразия строматолитов после 1 млрд. лет назад объясняется деятельностью ранних животных, которые выедали бактериальные образования, тем самым нарушая экологическое состояние системы, приводящее к разрушению строматолитовых построек

Протерозойский спад строматолитов – эта биологическая катастрофа связана с началом длительной африканской ледниковой эры в позднем протерозое, начавшемся 850 миллионов лет назад.

Начало криогенного периода иногда привязывают к этой дате (850 млн. лет), хотя чаще криогений определяется периодом (~720 – ~ 635 млн. лет назад). Эти разночтения можно объяснить различиями в периодах солнечного и лунного циклов.

Эволюция видов животных и растений на Земле претерпела ряд кризисов, в результате которых погибали наиболее приспособленные к сформировавшихся к тому времени внешним условиям их существования. Рассмотрена гипотеза, подкрепленная расчетами, которые показали, что кризис возникает в моменты времени, когда периоды движения Земли и Луны синхронизуются. Это состояние очень чувствительно к внешним воздействиям, поэтому падение астероида, вулканическая деятельность и др. в момент синхронизации провоцируют биологический кризис.  Таким образом, из-за изменения периода своего вращения Луна периодически «включает» механизм эволюции. 

Определены периоды, связанные с моментами синхронизации во времени периодов солнечного года и числа месяцев в году – 320 млн. лет, а также - лунного периода с периодом вращения Земли – 180 млн. лет.

Выявлены закономерности, позволяющие уточнить датировку резких изменений на планете не только в фанерозое, но и в протерозое, где недостаточно физических данных, необходимых для точной датировки.