Новая история происхождения жизни на Земле

Картины событий прошлого планеты иногда самым удачным образом отражены, как ни странно, в научной фантастике. Ниже приводится лучшее, на наш взгляд, описание самого знаменитого массового вымирания — мел-палеогенового. Нам очень нравится этот замечательный отрывок из книги Уильяма Гибсона и Брюса Стерлинга «Машина различий»:

Всем известно, что те «новые, странные и неожиданные существа» были новыми группами млекопитающих, населяющих Землю и по сей день. Почему существует такая глубокая уверенность в том, что именно астероид стал причиной мел-палеогенового массового вымирания? Это факт обсуждается приблизительно с 1990 года, через 10 лет после того, как исследовательская группа Альвареса из Беркли опубликовала свой сенсационный материал, совершенно изменивший не только наше понимание сути массовых вымираний, но и вообще представления о геологических процессах в целом.

Изучение массовых вымираний тесно переплетается с идеями, лежавшими в основе геологии в момент ее зарождения как современного научного направления, то есть в первые 60 лет XIX века. Десятилетиями ученые обсуждали базовые принципы, которые позволили бы объяснить, каким образом возникли все эти геологические формации, породы и отложения, а также растения и животные Земли. Основная борьба развернулась между представителями униформизма, повторявшими как мантру утверждение, что настоящее есть ключ к тайнам прошлого, и группой ученых, продвигавших принцип катастрофизма. Идеологом катастрофизма можно считать Жоржа Кювье, который первым осознал реальность вымираний как таковых. Позднее катастрофизм поддержали и другие исследователи, в том числе широко известный Альсид д’Орбиньи, чьей заслугой является разработка и модернизация геологической хронологии. Однако, несмотря на их исключительный вклад в науку, и Кювье, и д’Орбиньи пытались объяснить очевидные факты массовых вымираний сверхъестественными причинами. Оба верили, что некая высшая сила посылает на планету потопы, стирает с лица земли большую часть живых организмов, а затем вновь населяет сушу и океан новыми существами.

Новые поколения геологов то возвращались к идеям униформизма и катастрофизма, то вновь отвергали их. Униформизм в какой-то момент победил, поскольку в описываемых образцах пород, количество которых постоянно увеличивалось, никто не находил подтверждения ни одному событию мирового потопа, не говоря уж о целой серии последовательных потопов, которые могли бы стать причиной массовых вымираний. Самые крупные из них, известные как «Большая пятерка», это ордовикское, девонское, пермское, триасовое и мел-палеогеновое вымирания. К XX веку катастрофизм больше не находил поддержки среди ученых, за исключением тех, кто писал книги, тешащие представления человечества о прошлом, как о временах куда более захватывающих, чем постепенное скучное послойное накопление геологических летописей. Впрочем, и последователи униформизма (в том числе Дарвин) кое в чем чувствовали себя не очень уверенно — в объяснениях массовых вымираний.

Геологическая наука пришла к заключению, что массовые вымирания проходили очень медленно, а с учетом длительности протекания этих событий даже наблюдаемые изменения климата и колебания уровня Мирового океана могут стать объяснением причин вымираний. Таких мыслей придерживались все геологи во второй половине XX века.

Впрочем, раздавались и голоса протеста, хотя и совсем немного. Одним из самых заметных был голос Отто Шиндевольфа, профессора палеонтологии из Тюбингенского университета на юге Германии. Шиндевольф возражал против теории медленного и последовательного протекания массовых вымираний. Напротив, после кропотливой исследовательской работы с образцами пород и наблюдений за изменениями в них Шиндевольф пришел к выводу, что, возможно, причинами вымираний являлись намного более быстрые и катастрофичные события. Он предположил, что известные массовые вымирания могли быть вызваны, в том числе, воздействием космических лучей. От него же пошло название нового направления исследований — неокатастрофизм, под которым Шиндевольф подразумевал диаметрально противоположные униформизму научные подходы изучения прошлого.

Коллеги Шиндевольфа остались глухи к его голосу. Медленное изменение климата и медленные колебания уровней океана были «фактами» и предполагаемыми причинами пяти «великих массовых вымираний». Начиная с 1950-х годов, в течение 30 лет, геология бездействовала, пребывая в удобной для себя уверенности, что все можно объяснить земными (то есть медленными) причинами. Таково было положение вещей в геологической науке со времен работ Шиндевольфа (1950-е годы) и до 1980-х годов. Но внезапно все изменилось. Шестого июня 1980 года, в день 36-летия высадки союзников в Нормандии, работа Альвареса, посвященная падению астероида как причине мел-палеогенового вымирания, стала настоящим вторжением на территорию закостенелого униформизма и, в частности, на позиции общепринятых тогда точек зрения на причины массовых вымираний[208]. Это был удар, развязавший научную войну, которая так или иначе продолжается по сей день.

Космическое воздействие и массовые вымирания

Наличие на каждых планете и спутнике с твердой поверхностью многочисленных кратеров, оставленных падением небесных тел, дает убедительное представление о важности и частотности таких происшествий, по крайней мере, на ранних этапах существования Солнечной системы. Вероятно, столкновение с космическими объектами является проблемой любой планетарной системы, по-видимому, такие события — самые частые из всех планетарных катастроф. Они могут полностью изменить биологическую историю любой планеты, уничтожив господствующие группы организмов и таким образом освободив путь либо для совершенно новых форм, либо для тех, которые до катастрофы играли незначительную роль в экосистемах. Поэтому работа Альвареса 1980 года привела к пересмотру сразу многих научных положений.

Существуют две основные линии доказательств того, что мел-палеогеновое вымирание стало результатом столкновения Земли с большим небесным объектом: обнаружение в пограничных слоях соответствующих периодов, во-первых, повышенного содержания иридия и, во-вторых, большого количества «ударного кварца». К 1997 году высокие концентрации иридия были зафиксированы по всему миру более чем в 50 местах, где исследовались границы между меловым и палеогеновым периодами. Иридий рассматривается как индикатор столкновений Земли с космическими телами, поскольку этот элемент крайне редко встречается на поверхности нашей планеты, но при этом в значительных объемах содержится в большинстве астероидов и комет. В свою очередь, частицы ударного кварца считаются индикаторами космических столкновений, потому что многочисленные тонкие пластины-ламели, обнаруженные в кварце на мел-палеогеновых границах, могут быть образованы только при очень большом давлении, например, таком, которое возникает, если большой астероид на огромной скорости сталкивается с кварцсодержащими породами. Никакие «домашние» земные явления не способны сформировать подобные преобразования кварца.

Помимо свидетельств, связанных с иридием и ударным кварцем, в границах мела и палеогена также имеются следы крупных пожаров, которые могли возникнуть сразу после падения астероида[209]. По всему миру в глинах мел-палеогена обнаружены мельчайшие частицы того типа сажи, который образуется при сгорании растительности, а количество этих остатков сажи говорит о глобальных масштабах лесных пожаров и горения травы.

Первоначально данные были противоречивы, однако минералогические, химические и палеонтологические исследования, проведенные в 1980-х годах, убедили большинство специалистов в том, что 65 млн лет назад на Землю упал большой (диаметром примерно 10–15 км) астероид (или комета). В тот же период более половины всех земных видов, обитавших на планете, внезапно вымерло, и это последнее явление обозначается как граница между меловым и палеогеновым периодами. Открытие большого ударного кратера, возраст которого соответствует времени предполагаемого падения (кратер Чуксулуб на полуострове Юкатан в Мексике) устранило почти все сомнения, которые еще оставались относительно теории столкновения.

Технически причиной вымирания, по мнению Альвареса и его коллег, стало затемнение, которое длилось много месяцев после падения астероида. Затемнение возникло из-за того, что при ударе в атмосферу поднялось множество частиц метеоритных и земных пород, и продолжалось это явление довольно долго, что привело к гибели большей части растительной жизни на планете, включая планктон. Исчезновение растений повлекло гибель прочих групп организмов в пищевой цепи.

Несколькими научными группами были построены модели, позволяющие оценить масштабы биологической катастрофы, вызванной резким изменением состояния атмосферы. Очевидно, что произошел также мощный выброс серы в воздух. Небольшое количество серы участвовало при этом в образовании серной кислоты, которая обрушилась на Землю кислотным дождем, что также могло стать непосредственной причиной гибели флоры и фауны, но более вероятным фактором представляется связанное с этим похолодание. Однако более опасным для биосферы могло стать сокращение уровня солнечной энергии (до 20 %), вызванное поглощением лучей атмосферной пылью. Такого затемнения вполне хватило, чтобы на десятилетие установились морозные или близкие к ним температуры, и это в мире, который непосредственно перед столкновением был в основном тропическим. Совершенно внезапно на Землю пришла очень долгая зима. Все это подтверждает первоначальную гипотезу Альвареса о том, что главной причиной вымирания послужило именно затемнение.

Итак, после столкновения с астероидом (около 10 км в диаметре) в атмосферу Земли поднялась пыль — много пыли[210], что привело к долговременному глобальному затемнению, а следствием этого стало изменение мирового климата. Понятно, что затемнение блокировало фотосинтез, к тому же сильно похолодало. Но существовал еще один угрожающий фактор, на который сначала не обратили внимания: огромные концентрации пыли в атмосфере сильнейшим образом повлияли на круговорот воды. Уровень мировых осадков снизился на 90 %, и такое положение дел сохранялось несколько месяцев, а еще полгода после этого уровень осадков составлял всего 50 % от нормы. Иными словами, на планете было темно, холодно и сухо — идеальные условия для массового вымирания, особенно для растений и животных, которые питаются растениями.

Наконец, помимо прочего, было учтено, что через несколько часов после столкновения на поверхность планеты с большой скоростью начали падать куски породы, которые побывали в ближайшем космосе, куда их забросило ударной волной, вернулись на Землю очень горячими и подожгли растительность. Последовал самый страшный за всю историю планеты глобальный пожар, который даже один, без других разрушительных явлений, мог уничтожить всех сухопутных динозавров.

Летопись мел-палеогенового вымирания

Известно, что во время мел-палеогенового вымирания погибло около 75 % всех видов. На суше исчезли динозавры и распространились млекопитающие. В морях, если рассматривать потери мелового периода, исчезли аммониты, а в палеогене господствующее положение заняли улитки и двустворчатые. Впрочем, с развитием технологий и методов датировки становится все очевиднее, что мел-палеогеновая граница намного сложнее, чем предполагалось первоначально. Сейчас мы знаем, что было как минимум две волны вымирания меньших масштабов, которые предшествовали собственно великому мел-палеогеновому массовому вымиранию. Исследования нескольких последних лет продемонстрировали, что свою — всегда заметную — роль в вымираниях и на этот раз сыграли излияния базальта.

Окаменелостей динозавров не так уж и много на самом деле. Поэтому так сложно представить себе по-настоящему реальную картину их вымирания. Палеонтологическая летопись полна микроскопическими окаменелостями, их изучение внесло неоценимый вклад в доказательство теории столкновения Земли с астероидом (или кометой) как причины внезапного вымирания. Однако хотелось бы знать и о судьбе более крупных окаменелостей сухопутных и морских обитателей, а большинство изученных относятся к головоногим аммонитам, описанным в предыдущей главе.

Местом, где удобнее всего исследовать последних аммонитов, обитавших у экватора в позднем меловом периоде, является толстый слой соответствующих пород в Бискайском заливе — большая область отложений, протянувшаяся с юго-запада Франции к северо-востоку Испании. А лучше всего в этом регионе изучать скалистый берег возле старой баскской деревушки Сумая[211]. Там, подобно книжным страницам, открываются сотни метров породы возрастом от 72 до 50 млн лет. Границы периодов, отражающие массовое вымирание, открыты взору и очевидны, в том числе благодаря изменениям в литологии и цвете пород.

Возраст старейших отложений вдоль побережья, где находится Сумая, — около 71 млн лет. Породы состоят из отдельных слоев, от 15 до 30 см, каждый слой — парный, представляет собой сочетание более толстой известняковой части и тонкой глинистой прослойки с незначительным содержанием известняка. Тысячи и тысячи таких парных слоев когда-то отвердели и создали береговую линию. По типам породы и по ископаемым мы можем определить, что эти слои сформировались на относительно большой глубине моря, вероятно, в самом глубоком месте континентального шельфа, а может, даже на самом его краю, где-то между 200 и 400 м под водой.

Слои располагаются перпендикулярно основной линии берега и имеют сильный уклон к северу. С юга на север породы «молодеют». Очень крутой уклон пород и высокий прилив делают визиты к большей части данных отложений весьма затруднительными.

В начале пути по этой местности, непосредственно на пляже (и в самом начале истории этих пород), откуда начинается крутой — и единственный — подъем на скалы, окаменелости можно увидеть повсюду. Большинство из них — большие двустворчатые-иноцерамы, о которых мы писали в предыдущей главе, но также много аммонитов, морских ежей, имеющих форму сердца. Костей позвоночных не видно, нет и зубов акул, и, конечно, никаких динозавров, а ведь возраст этих морских отложений совпадает с возрастом тех образованных на суше пород, в которых окаменелости динозавров встречаются во множестве.

Больше всего вызывают удивление иноцерамы. Они достигают 60 см в диаметре и выглядят как плоские гигантские тарелки, располагаются рядом со своими более мелкими сородичами других видов. На сотни метров местных слоев их останки являются самыми многочисленными. Окаменелости легко можно найти в верхних и нижних границах слоев, особенно в верхних. Возле Сумаи есть где поохотиться за окаменелостями, они в огромных количествах находятся в слоях разных возрастов. Неожиданно исчезают большие двустворчатые — примерно в сотне метров ниже того уровня породы, где хорошо заметно вымирание аммонитов. Сами аммониты и морские ежи продолжают попадаться в изобилии дальше в верхних слоях, а затем совершенно внезапно тоже исчезают.

Работа на побережье Бискайского залива, поддерживаемая исследованиями других отложений мелового периода, позволяет установить, что двустворчатые-иноцерамиды вымирали постепенно в течение приблизительно 2 млн лет перед внезапным исчезновением аммонитов. Статистические методы, разработанные Чарльзом Маршаллом из Калифорнийского университета в Беркли, помогли самому Маршаллу и Питеру Уорду, одному из авторов этих строк, выяснить, что, по крайней мере, в данном регионе непосредственно перед падением астероида обитали 22 вида аммонитов, что подтверждается составом пород: иридий, ударный кварц, тектиты (маленькие стеклянные шарики метеоритного происхождения).

Любопытным фактом в истории вымирания иноцерамов является не то, что они погибли до аммонитов, а то, что их вымирание произошло в другое время и в другом месте. Например, последние иноцерамы в породах мелового периода в Антарктике не моложе 72 млн лет, то есть там они вымерли на 7 млн лет раньше аммонитов. Теперь мы знаем, что среди этих двустворчатых, обитавших когда-то по всему миру, вымирание видов происходило волнообразно, начиная с регионов Антарктиды и постепенно распространяясь к Северному полушарию. Такое вымирание было похоже на болезнь, медленно продвигавшуюся к северу и убивающую виды двустворчатых один за другим. Но это была не болезнь, это были холод и кислород.

В конце мелового периода в верхних южных широтах стала проявляться термохалинная циркуляция кислородного типа, и за 2 млн лет холодная, насыщенная кислородом вода со дна океана распространилась по всем морям, в направлении с юга на север. Это явление явилось фатальным для иноцерамов, и их исчезновение стало историческим событием, поскольку они процветали в течение 160 млн лет, но были приспособлены к обитанию совсем в других океанах — с низким содержанием кислорода и теплым морским дном. Холод и кислород их убили.

Просто столкновение?

Давайте подведем небольшой итог того, что нам известно о причинах мел-палеогенового массового вымирания. Произошло столкновение Земли с космическим объектом, это было одиночное событие, случилось вскоре (через 1–3 млн лет) после двух быстрых изменений уровня Мирового океана, в период между которыми значительно изменился и химический состав океана[212]. В результате столкновения на полуострове Юкатан возник большой (около 300 км в диаметре) кратер, названный Чуксулуб. Хотя все еще нет единого мнения относительно реального первоначального размера кратера, никто не сомневается, что это именно кратер. Геологические и географические особенности территории в месте столкновения могли усилить гибельные последствия, возникшие от удара. Это тем более вероятно, потому что серные испарения в том регионе и сера, содержавшаяся в самом космическом теле, могли увеличить масштаб катастрофы. По-видимому, падение астероида в неглубокое море, располагавшееся на экваториальных широтах, имело невероятно разрушительные последствия: изменения состава атмосферы на всей планете, падение температуры, кислотные дожди и пожары по всему миру. Многие (но не все) ученые также согласны с тем, что большие, грубые по фактуре отложения, состоящие из обломков пород, расположенные во многих местах вдоль восточного побережья Мексики, были сформированы ударными волнами от столкновения. Долгая зима, последовавшая за столкновением и вызванная затемнением в результате стремительного наполнения атмосферы пылью, послужила основным фактором гибели живых организмов.

Модель атмосферных изменений, последовавших за падением астероида, также учитывает, что пыль, в больших концентрациях поднявшаяся в атмосферу, вызвала затемнение, а это привело к тому, что уровень света резко снизился, поэтому ослабился или вовсе прекратился процесс фотосинтеза. Большая концентрация пыли в атмосфере также повлияла на круговорот воды на Земле. Согласно климатологическим исследованиям, после столкновений планеты с большими небесными объектами средний общемировой показатель осадков снижается более чем на 90 % и на несколько месяцев остается в таком состоянии, а потом в течение полугода не превышает 50 % от нормы. Последствия всех этих явления для биосферы хорошо известны[213].

А что же базальт?

Выше мел-палеогеновое вымирание представлено как комплекс последствий одного события. На Землю что-то упало, и это падение привело к изменениям в окружающей среде, достаточным, чтобы уничтожить более половины всех видов. Все просто, но есть один момент, который не дает покоя. Земля столкнулась с астероидом в период своей невиданной вулканической активности, сопровождавшейся излиянием базальта. Это событие произошло в области, которая теперь называется «Деканские траппы». Из недр Земли на поверхность вышли многочисленные тонны базальта. Примерно 84 млн лет назад массы расплавленной породы отделились от мантии и стали подниматься сквозь земную кору, этот процесс занял около 20 млн лет. Это движение внутри планеты попутно вызвало ряд истинных перемещений полюсов (реакция вращающейся планеты на смещение веса в областях, близких к ее поверхности). Быстрые перемещения в масштабе планеты могли привести к нарушению баланса в некоторых экосистемах. Например, большая часть западной Канады и Аляска, по-видимому, до периода 84 млн лет назад находились на тех же широтах, что и Мексика, но в конце мезозоя оказались довольно далеко оттуда.

Самым важным последствием излияний базальта, как уже было несколько раз показано нами в данной книге, являлось насыщение атмосферы углекислым и другими парниковыми газами. Земля быстро потеплела на полюсах, в высоких широтах и, хотя и не так быстро, — на экваторе. Эти условия послужили причиной так называемого парникового вымирания: большое излияние базальта вызывает сильное потепление в высоких широтах, что приводит к значительному уменьшению концентрации кислорода в океане, к поверхности океана начинают подниматься насыщенные сероводородом и потому токсичные глубинные воды — живые организмы погибают, что и произошло в девоне, перми и позднем триасе. Маленький гнусный секрет геологов заключается в том, что мы очень долго не хотели раскрывать истинных причин тех массовых вымираний. Кому охота признавать, что биологическая катастрофа произошла из-за вонючего сероводорода, тогда как есть красивый кратер от упавшего астероида?

Наука тем не менее все расставляет по своим местам, если предмет изучения достаточно интересный. Поэтому стоит вспомнить еще несколько интересных вопросов относительно того, почему динозавры (да и не только они) вымерли 65 млн лет назад. Например, почему воздействие Деканских траппов[214] на биосферу тех времен не так очевидно, как в случаях с другими излияниями базальта, принесшими столько разрушений и погубившими столько видов?

На самом деле Деканские траппы произвели огромные разрушения. Возможно, самым ярким доказательством этому является, простите за нескромность, результат нашей работы в Антарктике. В 2012 году один из наших студентов, Том Тобин, показал, что действительно имело место потепление океана приблизительно за сотню тысяч лет до столкновения с астероидом, и вымирание видов вследствие этого действительно произошло. Глобальное потепление как один из конечных результатов излияния базальта заметнее проявляется в высоких широтах планеты. Тропики уже достаточно жаркие, какими им и полагается быть. В нашем современном мире мы наблюдаем как раз такую картину — Арктика и Антарктика подвергаются потеплению в большей степени, а вместе с тем и более заметному разрушению экосистем.

Все верно, в нас врезался большой астероид, и это привело к мел-палеогеновому вымиранию. Однако до этого события в течение сотен тысяч лет мир становился теплее из-за излияния базальта. Мы можем закончить эту главу избитой «боксерской» метафорой: нокаут по определению — это один мощный удар, но очень редко один первый удар, не важно, насколько он силен, приводит к нокауту, сначала может состояться несколько раундов, с выпадами и ударами по корпусу. Деканские траппы «измотали» биосферу, астероид нанес решающий удар.