М.В. Диденко, методист Палеонтологического институтаРАН
Современнаяпалеонтология – во многом наука прогностическая, а некоторые ее модели имеютприкладное значение. Анализ изменений экосистем в геологическом прошломпозволяет без постановки опасных экспериментов над реальными экосистемамиполучить сведения об их реакции на воздействия разного рода. ВПалеонтологическом институте РАН и Палеонтологическом музее им. Ю.А. Орловапроводится большая работа по ознакомлению учителей и школьников с самыми новымидостижениями в изучении эволюции биосферы, основанными на палеонтологическомматериале. Мы полагаем, что эти сведения будут способствовать повышению уровнябиологического и экологического образования, воспитанию подрастающего поколения,бережно относящегося к окружающему миру.
Ранняя эволюция биосферы
Перваячасть моего выступления основана на материалах лекций М.А. Федонкина, члена-корреспондентаРАН, заведующего Лабораторией докембрийских организмов Палеонтологическогоинститута РАН. Его основные научные интересы связаны с ранней эволюцией биосферы,происхождением многоклеточных животных и стратиграфией докембрия.
Происхождениеи ранняя история жизни – одна из глубочайших тайн Природы, волнующая поколенияученых. Глубокий интерес к этой теме вполне объясним: многое в сверхсложноммире живого стало бы понятнее, если бы мы знали, когда, где и почемусформировались те или иные типы физиологии жизненных форм и экосистем.
Исследованиеранней истории биосферы – важнейшая задача, требующая мультидисциплинарногоподхода. По данным журнала Nature, проблема древней биосферы входит в первуюдесятку важнейших тем современного естествознания. Сведения о ранней историиЗемли имеют не только фундаментальное, но и практическое значение: древниетолщи, накопившиеся в архее и протерозое, содержат гигантские объемы многихвидов стратегического сырья, в том числе более 70% мировых запасов железных руд,63% марганца, 93% кобальта, 66% урана, а также медь, золото, фосфориты, углеводороды.Все больше данных свидетельствуют о том, что в накоплении докембрийских осадочныхруд и углеводородов важную роль играли живые орга-низмы.
Истокиосновных биохимических механизмов находятся в далеком прошлом Земли, в архее ираннем протерозое, отделенных от нас миллиардами лет. На протяжении большейчасти истории нашей планеты доминирующие условия среды существенно отличалисьот нынешних, поэтому существенно иными могли быть биогеохимические связи идоминирующие типы физиологии. Тем не менее многие типы биохимических реакцийпротекают ныне в тех же физико-химических условиях, что и в архее, нореализуются они глубоко в недрах земли или внутри самих организмов – подальшеот кислорода.
Ванализ состояний докембрийской биосферы все в большей степени вовлекаютсяданные по изотопам углерода, серы и других элементов, активно вовлекаемых вбиологический круговорот. Для реконструкции истории докембрийской биосферы всешире используют данные о биоминералах, биомаркерах, специфических типахотложений (так называемых вымерших типов осадков) и других побочных продуктахфункционирования древних экосистем. Интерпретация этих химических, минералогическихи седиментологических сигналов довольно надежна, потому что ныне живущиебактерии функционируют так же, как и жившие миллиарды лет назад, хотя и в иныхмасштабах.
Этиисследования упрощаются отчасти и тем, что на протяжении большей частидокембрия отсутст-вовали высшие организмы – эукариоты, которые, благодаря ихколоссальному разнообразию и активной преобразующей деятельности, как быстирают и маскируют картину бактериального мира в фанерозое.
Возрастнашей планеты оценивается в 4, 5 млрд лет. Первые сотни миллионов лет еегеологической истории были отмечены интенсивной бомбардировкой поверхностиметеоритами и астероидами. (Следы этой бомбардировки хорошо сохранились наповерхности тех планет, где процессы эрозии не очень интенсивны.) Значительнаячасть древних континентов была сосредоточена в экваториальной зоне, позже онидовольно прихотливо двигались в разных направлениях, пока не образовали одинсуперконтинент – Родиния (или Палеопангея). В конце протерозоя Родиния началастремительно распадаться.
Хотяприсутствие жидкой воды в раннем архее (около 3, 8 млрд лет назад)зафиксировано несколькими независимыми методами, информация о начальных этапахформирования гидросферы очень скудна. Полагают, что первичный океан былотносительно мелководным и занимал значительно большую площадь на Земле, чем внастоящее время. Объем вод мирового океана, по-видимому, возрастал напротяжении архея и протерозоя за счет дегазации недр и притока льда из космоса(метеориты и кометы). Воды раннего океана, насыщенные сульфидами металлов, былимутными; фотическая зона – весьма узкая; скорость накопления осадков – быланевысока.
СветимостьСолнца около 4 млрд лет назад была на 25–30% ниже современной. Несмотря на это,биосфера оставалась теплой на протяжении архея и большей части протерозоя.Температура вод океана долгое время оставалась высокой (30–50 °С в архее), чтопрепятствовало формированию полярных шапок льда. Этот парадокс объясняютвысоким содержанием парниковых газов в атмосфере древней Земли. В дальнейшембиосфера медленно остывала.
Первоедействительно крупное оледенение зафиксировано только 2 млрд лет назад. Следыего в виде тиллитов (ледниковых отложений) остались в Северной Америке, ЗападнойАвстралии, Южной Африке, Индии и Финляндии. Затем был большой перерыв длинойболее 1 млрд лет, и около 800 млн лет назад начиналась череда ледниковыхпериодов вплоть до конца протерозоя.
Однойиз причин постепенного остывания биосферы была деятельность фотосинтезирующихбактерий, в особенности цианобактерий, которые формировали карбонатныепостройки типа строматолитов. Эти организмы, как и их нынешние потомки, изымалиуглекислоту из атмосферы и, связывая ее с магнием и кальцием, образовывалиорганогенные доломиты и известняки. С возникновением стабильных участковконтинентальной коры эти карбонаты стали накапливаться на древних платформах иизвлекаться из активного круговорота углерода в биосфере.
Напротяжении протерозоя накопились многокилометровые толщи строматолитовыхкарбонатов, ко-торые, судя по современным строматолитам, формируются оченьмедленно. Этот процесс, а также захоронение неокисленного органическоговещест-ва в осадке и были основными механизмами ослабления парникового эффекта,обусловленного присутствием углекислого газа в атмосфере протерозойской Земли.Самыми ранними свидетельствами этой важнейшей функции цианобактерий являютсяотложения, образовавшиеся около 3, 4 млрд лет назад.
Биогенноеснижение концентрации углекислого газа и рост концентрации кислорода резкоусилились с появлением крупных блоков континентальной коры около 2, 5 млрд летназад. Этому способствовало два обстоятельства: возникновение обширныхместообитаний в пределах фотической зоны и апвеллинг (подъем холодных вод сбольшой глубины) как явление глобального масштаба. Однако этот процесс не былравномерным: первоначально значительное количество кислорода уходило наокисление металлов. Выведение огромных масс биогенного углерода избиологического круговорота путем его захоронения в осадках также вело к ростуконцентрации кислорода в атмосфере и уменьшению концентрации углекислого газа.
Воксигенации атмосферы планеты принимали участие не только цианобактерии, но иво всевозрастающей степени эукариоты – зеленые, красные и бурые водоросли. Именноэти группы первичных продуцентов, демонстрирующих рост обилия и разнообразия впозднем рифее, снизили парниковый эффект атмосферы (что актуально и длясовременной биосферы) и вызвали череду похолоданий и ледниковых периодов вконце протерозоя.
Анализсоотношений разных изотопов углерода из толщ протерозоя вносит количественнуюхарактеристику в эту довольно сложную картину биосферных событий позднегопротерозоя. Так, карбонаты и органическое вещество в породах с возрастом 850млн лет и моложе имеют необычайно высокие отношения 13С: 12C, которых не наблюдалось ни в предшествующей, ни в последующей истории планеты. Размах инаправление этого изотопного сдвига означает абсолютное увеличение скоростизахоро-нения органического углерода, и значит – резкий рост биопродуктивностиокеана в период, непосредственно предшествующий череде длительных и обширныхоледенений.
Винтервале от 750 до 580 млн лет назад зафиксировано четыре длительныхледниковых периода, но, возможно, их число было большим. Масштабность этихсобытий потрясает. Льды достигали уровня моря даже на континентах вблизиэкватора. Об этом свидетельствуют палеогеографические реконструкции, основанныена анализе остаточной намагниченности горных пород. Изотопная летопись углеродаиз карбонатных отложений, накопившихся в периоды оледенений, демонстрируетнегативные аномалии чудовищной амплитуды. Подобного не наблюдалось ни в течениепредшествующих 1, 2 млрд лет, ни в ходе всей последующей геологической истории.
Сейчас,когда гипотеза об оледеневшей Земле обрела черты научной сенсации, интенсивнообсуждается поведение различных параметров биосферы. Полагают, что каждое изоледенений могло длиться от 4 до 30 млн лет. В эти периоды лед толщиной почти 2 км сплошным слоем покрывал континенты и Мировой океан. Биологическая продуктивность (отфотосинтезирующего планктона и далее – по пищевой цепи) в поверхностных водахокеана резко сокращалась на миллионы лет – обширные льды блокировали солнечныйсвет. Оледенения заканчивались катастрофически быстро, когда благодаряназемному вулканизму в атмосфере накапливались большие количества углекислогогаза, более чем в 300 раз превышающее его современный уровень.
Этасмелая гипотеза позволяет объяснить ранее непонятные явления, например такое, какприрода доломитов, обычно перекрывающих ледниковые отложения. Доломиты –СаМg(СОЗ)2 – характерны для тепловодных карбонатных бассейнов низких широт, ипоявление их на короткое время сразу по окончании оледенения вызывало многоспоров. Полагают следующее: как только концентрация углекислого газа ватмосфере достигала критического уровня, холодная биосфера довольно быстрона-гревалась. Океан освобождался ото льда и поглощал гигантские объемыуглекислого газа из атмосферы.
Врамках этой гипотезы находит объяснение и очень позднее появление полосчатыхжелезных руд, которые характерны для гораздо более древних эпох позднего археяи раннего протерозоя (максимум их накопления был около 2, 5 млрд лет назад).Покрытый льдом океан быстро становился бескислородным и потому обогащалсяжелезом за счет подводных гидротермальных источников. Освобождение океана отольда и приток кислорода в связи с возрастающей активностью фотосинтезирующихорганизмов привели к окислению и осаждению железа.
Причиныстоль глубокого и длительного похолодания на планете не вполне ясны. Предложенонесколько гипотез, самая распространенная из которых связывает похолодание соснижением парникового эффекта атмосферы: фотосинтезирующие организмы поглотилигигантский объем углекислого газа, а захоронение биогенного углерода наобширных и стабильных континентах надолго выводило его из круговорота.
Недавнопредложена гипотеза о том, что в период оледенений в позднем протерозое наклоноси вращения Земли к плоскости ее орбиты вокруг Солнца был не менее 54° (противнынешних 23, 5°) и потому экваториальные районы были самыми холодными, аполярные области оставались более теплыми. Эта гипотеза требует объяснениямеханизма столь быстрых и периодических изменений наклона оси. Как видим, спорыидут о масштабности оледенений. А в том, что в интервале 750–545 млн лет назадбыло несколько ледниковых периодов, сомнений нет.
Прикладнойаспект этой модели очень важен: ледниковые периоды позднего протерозоя являютсяиндикаторами захоронения огромных масс углерода во временных окрестностях этихсобытий. Действительно, для позднего рифея и венда характерны значительныенакопления нефти. Ведущие нефтяные компании проявляют повышенное внимание кнефтесодержащим породам верхнего протерозоя Сибири, Китая, Омана, Намибии, Ботсваны,Южной Африки и Южной Австралии.
Новыминструментом в исследовании биологических событий протерозоя стали остаткиорганических соединений, специфичных для тех или иных групп органического мира,– биомаркеры, упомянутые выше. Одной из наиболее важных групп биомаркеровявляются стераны, получающиеся из стеролов – естественных продуктов эукариот.Стераны широко распространены в нефти и битумах венда и нижнего кембрия. Составэтих биомаркеров отличается от веществ той же группы более поздних периодов иуже используется для реконструкции истории органического мира, распознавания идатирования нефтеносных материнских пород. Эти биомаркеры доказывают не толькобиогенную природу вендской нефти, но и определенно свидетельствуют о ведущейроли эукариот в продукции исходного органического вещества. Биомаркерыстановятся инструментом палеонтологии и стратиграфии докембрия, несмотря натехнические и методологические сложности их исследования.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта bio.1september.ru