Успехи в изучении геофизической истории Земли и успехи палеонтологии в описании биологической истории Земли позволили установить определенную закономерность: границы между эрами и периодами, намеченные палеонтологами по чисто биологическим признакам (вымираниям или кризисам), во многих случаях совпали с датировкой установленных геофизиками крупных катастроф (катаклизмов) на Земле.
В настоящее время выделяют шесть наиболее массовых вымираний (кризисов) за последние 600 млн лет (Benton, 1995). Эти кризисы определили границы геологических периодов и эр: первый из них произошел на границе самого раннего и самого протяженного периода Докембрия (в нем иногда различают Архей, ранний и поздний Протерозой) и Кембрия (около 600 млн лет тому назад), второй – в конце Ордвикского периода (440 млн лет), третий – в конце Девонского периода (370 млн лет), четвертый – на границе Пермь-Триас (245 млн лет), пятое вымирание обозначило границу Триас-Юра (около 200 млн лет) и, наконец, последнее глобальное вымирание произошло на границе Мелового и Третичного периодов (граница K/T, 65 млн лет). В ходе каждого из них за короткий в геологических масштабах период времени вымирало 50–80 % всех существовавших в предшествовавший период видов. Приведем некоторые конкретные детали, установленные для этих вымираний.
Рис. 6
Рис. 6. Хронология некоторых событий в истории Земли.
1 – Возникновение Солнца и планет, в том числе пра-Земли. 2 – Столкновение пра-Земли с другой планетой. Формирование нынешней Земли и образование Луны. 3 – Мощные метеоритные ливни. Глобальное плавление коры (последняя стерилизация Земли). 4 – Самые ранние осадочные породы. Первые следы жизнедеятельности. 5 – Самые ранние обнаруженные отпечатки клеток и строматолиты. 6 – Первые зарегистрированные (оставившие следы на Земле) столкновения с астероидами (импакты). 7, 8– Столкновения с крупными астероидами. Зарегистрированы по присутствию в осадочных слоях иридия и других компонентов, характерных для импакта. 9 – Нарастание содержания свободного кислорода в атмосфере. 10 – Глобальное оледенение. 11 – Ранние многоклеточные (кишечнополостные). 12 – Ранние билатеральные организмы. 13 – Глобальное оледенение. Позднепротерозойский кризис. 14 – Кембрийский эволюционный “взрыв”. 15 – Появление рыб. 16 – Позднеордвикский кризис. 17 – Первые наземные растения. 18 – Первые земноводные животные. 19 – Позднедевонский кризис. 20 – Столкновение с крупным астероидом, множественные истечения лавы. Позднепермский кризис. 21 – Почти одновременное появление динозавров и млекопитающих. 22 – Позднетриасский кризис. 23 – Появление плацентарных млекопитающих. 24 – Падение крупного астероида (размер 10–15 км) в Атлантическом океане в районе п-ва Юкатан, Мексика. Обнаруженный ударный кратер имеет диаметр более 180 км. Множественные истечения лавы. Кризис “на границе K/T”. Вымирание динозавров. 25 – Появление отряда плацентарных млекопитающих – приматов (обезьян). 26 – Падение крупного метеорита в Антарктиде, оставившего кратер диаметром 500 км. Импакт повлиял на океанические течения и, возможно, вызвал глобальное похолодание. 27 – Появление высших (человекообразных) обезьян. 28 – Отделение в Африке от предшественников нынешних шимпанзе линии прямоходящих гоминид (гоминин). 29 – Появление в Африке рода Homo (людей). 30 – Появление в Африке вида Homo sapiens (современных людей).
6.1.1. Позднепротерозойский кризис
Как уже отмечалось ранее, при биологических синтезах (в первую очередь при фотосинтезе) с небольшим, но достоверно регистрируемым предпочтением используется изотоп 12С, возможно, благодаря более легкому его проникновению через клеточную мембрану внутрь клетки. Анализ осадочных карбонатных пород, соответствующих периоду около 600 млн лет тому назад в конце Протерозоя (на границе Докембрия и Кембрия), показал, что в них понижено содержание изотопа 12С, что свидетельствует об угасании биологических процессов (Knoll and Walter, 1992). Этот вывод подтвержден палеонтологами, которые установили исчезновение многих форм живых организмов, существовавших ранее. Причиной массовых вымираний на этот раз явилось глобальное оледенение, которое было последним в серии оледенений, охвативших период около 200 млн лет. (800–590 млн лет тому назад). Сами оледенения продолжались по нескольку миллионов лет, согласно некоторым оценкам – по 10–12 млн лет (Hoffman et al., 1998; Bodiselitsch et al., 2005). Их причины остаются до конца не выясненными, но достаточно обоснованные версии уже существуют. Инициировать процессы, которые приводили к оледенению, могло обнажение ранее скрытых минералов, вызванное континентальными подвижками или сильным выветриванием. Обнажившиеся породы активно связывали двуокись углерода (CO2) с образованием карбонатов, в результате чего содержание CO2 в атмосфере резко упало. Однако в отсутствие метана, не совместного со свободным кислородом, двуокись углерода была (и остается поныне) главным компонентом атмосферы, создающим парниковый эффект. В ее отсутствие значительная часть попавшего на Землю Солнечного излучения возвращалась в космос. От этого климат стал холоднее. Наступление снегового покрова увеличило отражательную способность Земли и привело к еще большему похолоданию и т. д. Считается, что если оледенение достигло широты 30°, то процесс становится необратимым и вся Земля одевается ледяным панцирем. Именно так происходило несколько раз на протяжении указанного периода. Многие исследователи полагают, что само по себе снижение парникового эффекта не было способно заставить льды продвинуться в столь низкие широты. Сопутствующим фактором было снижение хотя бы на 6–8% процентов потока Солнечной энергии, достигавшей Земли (Donnadieu et al., 2004).
Очевидно, Землю того периода можно сравнить со спутником Юпитера Титаном, поверхность которого покрыта льдом, но в глубинах океана не исключена жизнь, которая поддерживается, а возможно, процветает за счет донных извержений и термальных источников, обеспечивающих обогрев и поступление необходимых для клеточного метаболизма веществ.
Моделирование условий, при которых происходил выход из состояния глобального оледенения, показало, что только восстановления светимости Солнца до нормы недостаточно для таяния льдов.
Без случайных происшествий, приносящих много тепла, таких как мощный метеоритный ливень или многократное увеличение вулканической активности (а подтверждений таких событий в тот период не получено), выход из глобального оледенения становится возможным после накопления в атмосфере значительного количества CO2. Чтобы этот процесс начался и стал необратимым, необходимо достижение содержания CO2, превышающего современный уровень в 300–500 раз (Hoffman et al., 1998; Pierrehumbert, 2004). Важным обстоятельством было отсутствие связывания CO2 минералами на покрытой льдом Земле. С другой стороны, продолжалось освобождение газов, в том числе CO2, из земных недр. В атмосферу скапливавшиеся подо льдом газы попадали при разломах льда, вызванных землетрясениями и падениями метеоритов, а также в местах подтапливания льда вулканами и гейзерами. Однако это был весьма медленный процесс. В количестве, необходимом для создания достаточно сильного парникового эффекта, при котором началось бы необратимое таяние льда, двуокись углерода могла быть накоплена за миллионы лет, чем объясняется столь большая длительность глобальных оледенений. В связи с этим встал вопрос, как такие оледенения могли пережить нуждающиеся в Солнечном свете фотосинтезирующие бактерии и водоросли, а также появившиеся к тому времени простейшие многоклеточные организмы, не способные к фотосинтезу, но нуждавшиеся в кислороде. Некоторые авторы полагали, что сохранение этих форм, пусть и с большими потерями, свидетельствует о том, что оледенение Земли никогда не было полным (Hyde et al., 2000). Однако оппоненты (Hoffman et al., 1998; Schrag et al., 2001) утверждают, что это предположение некорректно, т. к. при толщине льда в районе экватора 10 м (как теперь в Арктике) сквозь него проникало достаточно света для поддержания жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов (McKay, 2000), а производимый ими кислород позволил пережить глобальные оледенения и не способным к фотосинтезу многоклеточным, в том числе ранним животным. Отмечено, что так же, как в современной Арктике, на льду могли быть проталины, где не только сохранялись, но и развивались сообщества фотосинтезирующих и кислород-зависимых организмов (Vincent et al., 2000).
