Devonas–Karbonas: ankstyvieji miškai ir amfibijų iškilimas

Девонас–Карбонос: ранните гори и възходът на земноводните

Появата на гори, кислородни скокове и еволюцията на гръбначните – крайници и бели дробове, предназначени за живот на сушата

Светът в обкръжението на промени

Късният палеозой беше белязан от значителни промени в биосферата и климата на Земята. Девон (419–359 млн. г. пр.н.е.), наричан още „Векът на рибите“, беше време на изобилие от челюстни риби и рифове в океаните, а сушата беше бързо покорявана от растения, развиващи се от малки, прости форми до високи дървета. След това, през Карбон (359–299 млн. г. пр.н.е.), богати на въглища гори и изобилие от кислород започнаха да характеризират планетата, а на сушата се появиха не само растения, но и ранни амфибии и гигантски членестоноги. Тези промени положиха основите на съвременните сухоземни екосистеми и показват как биологичните иновации и обратната връзка с околната среда могат радикално да променят повърхността на Земята.

2. Девонска среда: растенията завладяват сушата

2.1 Ранни съдови растения и първи гори

В ранния Девон сушата беше колонизирана от малки съдови растения (напр. rhiniophytes, zosterophylls). През средния–късния Девон се развиха по-едри и сложни растения като Archaeopteris, считан за едно от първите истински „дървета“. Archaeopteris имаше дървесни стъбла и широки листоподобни образувания. В късния Девон тези дървета вече формираха първични истински гори, които понякога достигаха над 10 м височина, силно влияеха на стабилността на почвата, въглеродния цикъл и климата [1], [2].

2.2 Формиране на почвата и промени в атмосферата

С навлизането на корени на растения и натрупването на органични отлагания започна да се образува истинска почва (палеосоли), която ускори разлагането на силикатните скали, намали нивото на CO2 в атмосферата и натрупа органичен въглерод. Този ръст в продуктивността на сушата вероятно доведе до намаляване на CO2 в атмосферата и стимулира охлаждането на планетата. В същото време увеличената фотосинтеза постепенно повиши нивото на кислород. Въпреки че това не беше толкова драстично, колкото скокът на кислорода през Карбона, промените през Девонския период отвориха пътя за по-късните кислородни скокове.

2.3 Морски изчезвания и геоложки кризи

Девонът е известен и с няколко импулса на изчезване, включително Къснодевонското изчезване (~372–359 млн. г. пр.н.е.). Разпространението на сухоземни растения, промени в океанската химия и климатични колебания може да са стимулирали или засилили тези събития на изчезване. Засегнати бяха коралите, формиращи рифове, и някои групи риби, променяйки морските екосистеми, но оставяйки еволюционни ниши за други видове.

3. Първите тетраподи: рибите стъпват на сушата

3.1 От перки към крайници

В късния Девон някои линии на месоядни лопатоперки риби (Sarcopterygii) развиха по-здрави, развити гръдни и тазови перки с масивни вътрешни кости. Известни междинни фосилни образци като Eusthenopteron, Tiktaalik, Acanthostega показват как от структурата на перките са се развили крайници, завършващи с пръсти, в плитки или блатисти води. Тези про-тетраподи са могли да живеят в плитки води или делтови среди, съчетавайки плуване във вода с първоначални етапи на движение по сушата.

3.2 Защо да се пробиват към сушата?

Хипотезите защо рибите се превърнаха в тетраподи включват:

  • Бягство от хищници / нови ниши: Плитки води или временни локви принуждаваха към адаптация.
  • Хранителни ресурси: Нови източници на храна от сухоземната растителност и членестоногите.
  • Липса на кислород: Топлите девонски води може да са били хипоксични, затова повърхностното или частичното дишане на въздух даваше предимство.

В края на Девон истинските „земноводни“ тетраподи вече имаха четири поддържащи крайника и бели дробове за дишане на въздух, въпреки че много от тях все още зависеха от водата за размножаване.

4. Началото на Карбона: епохата на горите и въглищата

4.1 Карбонски климат и въглищни дъждовни гори

Карбонският период (359–299 млн. г. пр.н.е.) често се разделя на Мисисипски (ранен Карбон) и Пенсилвански (късен Карбон) подпериоди. По това време:

  • Гигантски ликоподи и папратови гори: Lepidodendron, Sigillaria (клубенокраки), тръстикови растения (Calamites), семенни папрати и ранни иглолистни процъфтяваха в влажните екваториални низини.
  • Образуване на въглища: Дебели слоеве натрупана растителна материя в кислородно-дефицитни блата се превърнаха в големи въглищни пластове (оттук и името „Карбон“).
  • Увеличение на кислорода: Широката дейност по заравяне на органични вещества вероятно е повишила концентрацията на O2 в атмосферата до ~30–35 % (значително повече от сегашните 21 %), позволявайки образуването на гигантски членестоноги (напр. метрови стоножки) [3], [4].

4.2 Тетраподна радиация: възходът на земноводните

При наличието на обилни блатисти низини и излишък на кислород, ранните сухоземни гръбначни (амфибии) се разпространяват широко:

  • Темноспондилите, антракозаврите и други групи, наподобяващи амфибии, се диверсифицират в полуводни местообитания.
  • Крайните части са приспособени за ходене по твърда повърхност, но за размножаване все още е необходима вода, затова те остават свързани с влажни местообитания.
  • Някои линии, които по-късно еволюират в амниоти (влечуги, бозайници), в края на карбона придобиват по-съвършени размножителни стратегии (амнионно яйце), още повече утвърждавайки приспособяването към изцяло сухоземен живот.

4.3 Гигантски членестоноги и кислород

Излишъкът на кислород през карбона е свързан с гигантски насекоми и други членестоноги, напр. Meganeura (насекомо с форма на водно конче, с размах на крилата ~65–70 см) или гигантския Arthropleura стоножка. Високата частична налягане на O2 им осигурява по-ефективно дишане чрез трахеи. Това приключва, когато климатът по-късно започва да се променя и нивото на O2 намалява.

5. Геоложки и палеоклиматични промени

5.1 Конфигурации на континентите (формиране на Пангея)

По време на карбона Гондвана (южен суперконтинент) се движи на север, сливайки се с Лаурусия, и в края на късния палеозой започва да формира Пангея. Тази колизия издига огромни планински вериги (напр. Апалачо-Вариска орогенеза). Променящата се последователност на разположението на континентите влияе на климата, насочвайки океанските течения и атмосферната циркулация.

5.2 Заледявания и промени в морското равнище

Заледяванията в късния палеозой започват в южна Гондвана (късен карбон – ранен перм, „Каруу“ заледяване). Големи ледени щитове в южното полукълбо предизвикват циклични промени в морското равнище, влияещи на крайбрежните въглищно-блатни местообитания. Взаимодействието между заледявания, разрастване на гори и плочна тектонка показва как сложни връзки управляват Земната система.

6. Фосилни данни за сложността на сухоземните екосистеми

6.1 Растителни фосилии и въглищни макерали

Карбоновите въглищни пластове обилно съхраняват растителни останки. Отпечатъци на дървесни стволове (Lepidodendron, Sigillaria) или големи листа (семенни папрати) свидетелстват за многослойни гори. Микроскопичните органични останки във въглищата (macerals) показват как плътната биомаса, при липса на кислород, се превръща в дебели въглища – които по-късно стават „гориво“ на индустриалните революции.

6.2 Скелети на ранните амфибии

Обилно запазените скелети на ранните амфибии (темноспондили и др.) показват хибриди на приспособяване към вода и суша: здрави крайници, но често със старинни зъби или други черти, свързващи риби и по-късно развили се сухоземни белези. Някои палеонтолози наричат тези междинни форми „основни амфибии“, свързващи девонските тетраподи с първите карбонови коронни земноводни [5], [6].

6.3 Гигантски насекоми и фосили на членестоноги

Ярки находки на криле на насекоми, екзоскелети на членестоноги или следи потвърждават гигантските сухоземни членестоноги в тези блатисти гори. Излишъкът на кислород им позволи по-голям размер на тялото. Тези фосили директно разкриват екологичните взаимодействия в карбона, където членестоногите бяха важни тревопасни, разлагатели или по-малки хищници на гръбначни.

7. Към късния карбон

7.1 Климатични промени, намаляване на кислорода?

Към края на карбона, с усилване на заледяванията в южна Гондвана, се променяше циркулацията на океаните. Променливият климат може да е намалил разпространението на крайбрежните блата, в крайна сметка отслабвайки големия обем погребване на органични вещества, довел до кислородния пик. С настъпването на перма (~299–252 млн. г. пр.н.е.) земната система се пренареди отново, в някои екваториални зони сушата се задълбочи, а големите членестоноги намаляха.

7.2 Основи на амниотите

В късния карбон някои тетраподи развиха амниотично яйце, освобождаващо ги от водната среда за размножаване. Тази новост (водеща до влечуги, бозайници, птици) отбелязва следващата голяма стъпка към доминирането на гръбначните по суша. Синапсиди (линията на бозайниците) и сауропсиди (линията на влечугите) започнаха да се различават, като с времето изместиха по-старите групи земноводни в много ниши.

8. Значение и наследство

  1. Наземни екосистеми: В края на карбона земните площи вече бяха гъсто покрити с растения, членестоноги и различни групи земноводни. Това е първото истинско „сухоземно“ развитие, създаващо основата за бъдещите наземни биосфери.
  2. Кислород и обратна връзка с климата: Огромното погребване на органични вещества в блатата повишаваше нивото на O2 в атмосферата и регулираше климата. Така се показва прякото влияние на биологичните процеси (гори, фотосинтеза) върху планетарната атмосфера.
  3. Етап на еволюция на гръбначните: От прехода на девонските риби-тетраподи до зората на карбоновите земноводни и амниотни – този период е основа за по-нататъшната еволюция на динозаврите, бозайниците и в крайна сметка на нас самите.
  4. Икономически ресурси: Карбоновите въглищни находища – досега важен енергиен източник, парадоксално причиняват настоящите антропогенни емисии на CO2. Разбирането на формирането на тези находища подпомага геоложките изследвания, реконструкциите на палеоклимата и управлението на ресурсите.

9. Връзки с настоящите екосистеми и уроци от екзопланетите

9.1 Древната Земя като аналог на екзопланета

Анализът на прехода Девон–Карбон може да помогне на астробиологията да разбере как на планетата може да възникне широко разпространен фотосинтетичен живот, голяма биомаса и променлив състав на атмосферата. „Излишък на O2“ – такова явление би могло да се наблюдава чрез спектрални сигнали, ако на някоя екзопланета е имало подобен мащабен бум на гори или водорасли.

9.2 Значение за настоящето

Настоящите дискусии за въглеродния цикъл и климатичните промени напомнят процесите от Карбона – тогава огромно натрупване на въглерод (въглища), а сега бързо освобождаване на въглерод. Разбирането как древната Земя е поддържала или е променяла климатичните състояния, като е погребвала въглерод в големи количества или е преживявала ледникови периоди, може да помогне на съвременните климатични модели и търсенето на решения.

10. Заключение

Периодът от Девон до Карбон е решаващ в историята на Земята, трансформирайки сухоземните среди на нашата планета от рядко обрасли площи до гъсти, блатисти гори, създали атмосфера, богата на кислород. По същото време гръбначните преодоляват бариерата вода–суша, отваряйки пътя към амфибиите и по-късно към влечугите и бозайниците. Богатите промени в геосферата и биосферата – разрастването на растенията, колебанията в кислорода, големите членестоноги, разпространението на амфибиите – показват как животът и околната среда могат да се преплетат по удивителен начин през десетки милиони години.

Последователните палеонтологични открития, новите методи в геохимията и усъвършенстваното моделиране на древни среди позволяват по-дълбоко разбиране на тези далечни трансформации. Днес гледаме към ранните „зелени“ епохи на Земята, свързващи водния свят на Девон с въглищните блата на Карбон, завършвайки картината на планета, пълна със сложни сухоземни екосистеми. Така се откриват важни общи уроци за това как глобалните промени в околната среда и еволюционните иновации могат да определят съдбата на живота през епохите, а може би и извън Земята.

Nuorodos ir daugiau skaitymo

  1. Algeo, T. J., & Scheckler, S. E. (1998). „Наземно-морски телесвързвания през Девон: връзки между еволюцията на сухоземните растения, процесите на валиране и морските анаоксични събития.“ Philosophical Transactions of the Royal Society B, 353, 113–130.
  2. Clack, J. A. (2012). Gaining Ground: The Origin and Evolution of Tetrapods, 2nd ed. Indiana University Press.
  3. Scott, A. C., & Glasspool, I. J. (2006). „Диверсификацията на палеозойските пожари и колебанията в концентрацията на атмосферния кислород.“ Proceedings of the National Academy of Sciences, 103, 10861–10865.
  4. Gensel, P. G., & Edwards, D. (2001). Plants Invade the Land: Evolutionary & Environmental Perspectives. Columbia University Press.
  5. Carroll, R. L. (2009). The Rise of Amphibians: 365 Million Years of Evolution. Johns Hopkins University Press.
  6. Rowe, T., et al. (2021). „Сложното разнообразие на ранните тетраподи.“ Trends in Ecology & Evolution, 36, 251–263.
Върнете се в блога