Новая история происхождения жизни на Земле

До недавнего времени история развития жизни располагала довольно мудреной шкалой времени и измерялась не годами, а относительным положением осадочных пород, расположенных в земной коре. В этой главе мы рассмотрим геологическую временную шкалу — инструмент, который используют для изучения относительной последовательности периодов истории происхождения жизни на Земле.

Геологическая, или геохронологическая, шкала — шаткое древнее сооружение, созданное на основе разных правил и течений европейского формализма в XIX веке. Более поздние поколения геологов не любят это приевшееся нагромождение условностей, объединенное в шкалу, которое, однако, все еще востребовано среди быстро стареющих представителей прежних геологических школ. И даже сегодня любое изменение в этой шкале должно быть одобрено разнообразными комитетами[13], все временные объединения должны быть связаны с типическим сегментом — существующим материалом осадочных пород, который был выбран в качестве лучшего представителя соответствующего временного интервала. Предполагается, что типический сегмент не закрыт другими породами и не поврежден тектоническими изменениями, тепловым воздействием и «структурными» включениями (инородные включения, складки породы и прочие замысловатые странности того, что когда-то было полностью горизонтальным осадочным слоем). Сегмент отложений не должен быть перевернутым с ног на голову (что случается намного чаще, чем можно было бы предположить), должен иметь множественные фоссилии (и большие, и микроскопические), а также должен иметь слои, ископаемые отпечатки или минеральные включения, которые могут быть датированы в «абсолютных» цифрах (то есть в годах) посредством комбинации радиометрического метода, магнитостратиграфии и какого-либо изотопного метода определения возраста (например, углеродного или стронций-изотопного стратиграфического метода).

Существующая шкала сложна и часто бесполезна, то есть когда мы говорим, что какая-то окаменелость относится к юрскому периоду, то имеется в виду, что эта порода — того же возраста, что и определенный юрский типический сегмент, который находится в Юрских горах Европы. Но это и есть то, с чем нам, историкам развития жизни и планеты, приходится работать, когда нужно определить возраст породы по отпечаткам на ней, а также передать наши знания об этом возрасте всем остальным. Есть способы датировки более современные, чем определение возраста событий и животных по их относительному положению в слоях залегания[14], включая определение реального возраста ископаемого изотопными методами (например, хорошо известный метод «углерод-14» или другие радиометрические способы с использованием известных периодов распада элементов, содержащихся в породе). Но на самом деле ископаемых окаменелостей в слоях пород очень мало или они не поддаются «абсолютной» датировке. Чаще всего в наличии есть только сама окаменелость, и все.

Геохронологическая шкала остается не только единственным инструментом датировки всех пород на Земле, причем с учетом их возраста, а не структурных качеств, но и средством датирования событий в истории развития жизни. Геохронологическая шкала является тщательно разработанной в XIX веке системой, но ее сложные названия, неравные и на первый взгляд непохожие друг на друга временные интервалы чаще мешают, чем помогают работать. Тут дело не в принципах, на которых она была основана, а в бюрократической формализации, придавшей ей современный вид. Только в последнее десятилетие были предложены варианты новых «периодов». Формулирование этих двух периодов и их использование являются центральным звеном нашего нового понимания истории развития жизни: криогений (800–600 млн лет назад) и следующий сразу за ним эдиакарий (610–542 млн лет назад).

Как появилась шкала образца 2015 года?

Первая половина XVIII века ознаменовалась зарождением геологии как научного направления, а также были сделаны первые шаги к созданию геохронологической шкалы, которая приобрела свой современный вид уже позднее. В течение этого времени были обозначены различные эры, эпохи и периоды, которые пришли на смену старой системе[15]. До 1800 года считалось, что каждая порода на Земле относится к своему специфическому времени. Магматические и метаморфические породы, сердцевина любой горы и вулкана, представлялись самыми древними земными породами. Осадочные породы как результаты череды мировых наводнений считались более молодыми. Этот принцип, названный нептунизмом, развился наконец до состояния, когда стали считать, что различные осадочные породы имеют различный возраст. Виды белого мела, которые можно найти повсюду вплоть до северных пределов Европы, а также в Азии, относились к одному возрасту, отличному от песчаников и тем более — от глинистых сланцев. Но в 1805 году было сделано открытие, которое изменило все: английский геолог Уильям Смит[16] впервые указал на то, что существует некая последовательность ископаемых окаменелостей, но не по их литологической структуре, а по положению в самих породах. Он доказал, что различные породы могут относиться к различным временным периодам, но одна и та же последовательность типов окаменелостей может быть обнаружена в различных, и притом далеких друг от друга, регионах.

Результатом работы Уильяма Смита стал принцип фауновой последовательности, который дал возможность создать геохронологическую шкалу в ее современном виде[17]. Ключом к этому созданию стала жизнь, жизнь, сохраненная в окаменелостях, а относительная разница в содержании окаменелостей позволила разграничить последовательности пород, находящихся на поверхности Земли. В самый крупный подраздел вошли более древние породы без ископаемых окаменелостей — породы, которые находились под теми, в которых окаменелости встречались. Самый древний слой, который содержал ископаемые окаменелости, был назван кембрием, или кембрийским периодом, в честь уэльского племени, и, таким образом, все породы, которые были старше этого периода, получили название докембрийских. Породы, содержащие ископаемые останки, включая кембрий и после него, получили название «фанерозой», или «фанерозойский эон». Протерозой — эон, который последним предшествовал появлению большого количества живых организмов, — пришел на смену архею, а перед ним — катархею.

Очень быстро получили свои названия также эры и периоды фанерозоя. За несколько десятилетий добросовестного научного поиска, анализа и учета ископаемых останков (были сведены вместе и сопоставлены первые и последние по времени образования ископаемые образцы в напластованиях) стало понятно, что фанерозой можно разделить на три крупных временных отрезка — по признаку накопленных ископаемых. Самый древний был назван палеозоем (греч. «древняя жизнь»), средний — мезозоем, а последний — кайнозоем.

Многие наименования геологических периодов, которые мы используем и по сей день, существовали еще до появления названий эр и эонов. Вот они (в порядке уменьшения геологического возраста): кембрий, ордовик, силур, девон, каменноугольный (это европейское название, в североамериканской геологической науке принято подразделять этот период еще на миссисипский и пенсильванский) и пермский периоды образуют палеозой; триас, юра и мел образуют мезозой; палеоген и неоген (раньше назывались третичный период), а также четвертичный период образуют кайнозой.

Геологическая временная шкала — современный формат (дополненная по «Новой геологической временной шкале» Феликса Градштейна — Felix M. Gradstein et al. «A New Geologic Time Scale, with Special Reference to Precambrian and Neogene,» Episode 27, no. 2, 2004: 83–100).

К 1850 году все периоды оказались на своих местах, и новые подразделения вводились очень редко, хотя многие геологи XIX века и предпринимали амбициозные попытки обозначить целый новый период, что в те времена означало не более чем просто смену старых наименований. Только одна такая попытка по-настоящему удалась, и принадлежала она английскому ученому Чарльзу Лэпворту[18], который выделил ордовикский период, доказав, что некоторые верхние слои кембрия и нижние слои силура заслуживают объединения в отдельный слой и период. Лэпворт смог убедить в своей правоте коллег-ученых, и в 1879 году появился новый период. К тому времени двое первооткрывателей геологических названий: Адам Седжвик (кембрий) и Родерик Мерчисон (силур и пермь) умерли, и Лэпворт занял освободившийся трон. Все они были весьма тщеславны и яростно сражались за «свои» периоды.

Самым большим изменением геохронологической шкалы, которое повлияло на понимание истории развития жизни, было добавление криогения[19] и эдиакария[20] в протерозойский эон — период, когда жизнь готовилась к мощному скачку в развитии животного мира. Однако задолго до быстрого развития эволюции не только многоклеточных животных, но и жизни как таковой. Земля должна была стать планетой, способной поддерживать существование жизни.