Новейшие открытия в российской палеонтологии

М.В. Диденко, методист Палеонтологического института РАН

Современная палеонтология – во многом наука прогностическая, а некоторые ее модели имеют прикладное значение. Анализ изменений экосистем в геологическом прошлом позволяет без постановки опасных экспериментов над реальными экосистемами получить сведения об их реакции на воздействия разного рода. В Палеонтологическом институте РАН и Палеонтологическом музее им. Ю.А. Орлова проводится большая работа по ознакомлению учителей и школьников с самыми новыми достижениями в изучении эволюции биосферы, основанными на палеонтологическом материале. Мы полагаем, что эти сведения будут способствовать повышению уровня биологического и экологического образования, воспитанию подрастающего поколения, бережно относящегося к окружающему миру.

Ранняя эволюция биосферы

Первая часть моего выступления основана на материалах лекций М.А. Федонкина, члена-корреспондента РАН, заведующего Лабораторией докембрийских организмов Палеонтологического института РАН. Его основные научные интересы связаны с ранней эволюцией биосферы, происхождением многоклеточных животных и стратиграфией докембрия.

Происхождение и ранняя история жизни – одна из глубочайших тайн Природы, волнующая поколения ученых. Глубокий интерес к этой теме вполне объясним: многое в сверхсложном мире живого стало бы понятнее, если бы мы знали, когда, где и почему сформировались те или иные типы физиологии жизненных форм и экосистем.

Исследование ранней истории биосферы – важнейшая задача, требующая мультидисциплинарного подхода. По данным журнала Nature, проблема древней биосферы входит в первую десятку важнейших тем современного естествознания. Сведения о ранней истории Земли имеют не только фундаментальное, но и практическое значение: древние толщи, накопившиеся в архее и протерозое, содержат гигантские объемы многих видов 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 осадочных руд и углеводородов важную роль играли живые орга-низмы.

Истоки основных биохимических механизмов находятся в далеком прошлом Земли, в архее и раннем протерозое, отделенных от нас миллиардами лет. На протяжении большей части истории нашей планеты доминирующие условия среды существенно отличались от нынешних, поэтому существенно иными могли быть биогеохимические связи и доминирующие типы физиологии. Тем не менее многие типы биохимических реакций протекают ныне в тех же физико-химических условиях, что и в архее, но реализуются они глубоко в недрах земли или внутри самих организмов – подальше от кислорода.

В анализ состояний докембрийской биосферы все в большей степени вовлекаются данные по изотопам углерода, серы и других элементов, активно вовлекаемых в биологический круговорот. Для реконструкции истории докембрийской биосферы все шире используют данные о биоминералах, биомаркерах, специфических типах отложений (так называемых вымерших типов осадков) и других побочных продуктах функционирования древних экосистем. Интерпретация этих химических, минералогических и седиментологических сигналов довольно надежна, потому что ныне живущие бактерии функционируют так же, как и жившие миллиарды лет назад, хотя и в иных масштабах.

Эти исследования упрощаются отчасти и тем, что на протяжении большей части докембрия отсутст-вовали высшие организмы – эукариоты, которые, благодаря их колоссальному разнообразию и активной преобразующей деятельности, как бы стирают и маскируют картину бактериального мира в фанерозое.

Возраст нашей планеты оценивается в 4, 5 млрд лет. Первые сотни миллионов лет ее геологической истории были отмечены интенсивной бомбардировкой поверхности метеоритами и астероидами. (Следы этой бомбардировки хорошо сохранились на поверхности тех планет, где процессы эрозии не очень интенсивны.) Значительная часть древних континентов была сосредоточена в экваториальной зоне, позже они довольно прихотливо двигались в разных направлениях, пока не образовали один суперконтинент – Родиния (или Палеопангея). В конце протерозоя Родиния начала стремительно распадаться.

Хотя присутствие жидкой воды в раннем архее (около 3, 8 млрд лет назад) зафиксировано несколькими независимыми методами, информация о начальных этапах формирования гидросферы очень скудна. Полагают, что первичный океан был относительно мелководным и занимал значительно большую площадь на Земле, чем в настоящее время. Объем вод мирового океана, по-видимому, возрастал на протяжении архея и протерозоя за счет дегазации недр и притока льда из космоса (метеориты и кометы). Воды раннего океана, насыщенные сульфидами металлов, были мутными; фотическая зона – весьма узкая; скорость накопления осадков – была невысока.

Светимость Солнца 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), что препятствовало формированию полярных шапок льда. Этот парадокс объясняют высоким содержанием парниковых газов в атмосфере древней Земли. В дальнейшем биосфера медленно остывала.

Первое действительно крупное оледенение зафиксировано только 2 млрд лет назад. Следы его в виде тиллитов (ледниковых отложений) остались в Северной Америке, Западной Австралии, Южной Африке, Индии и Финляндии. Затем был большой перерыв длиной более 1 млрд лет, и около 800 млн лет назад начиналась череда ледниковых периодов вплоть до конца протерозоя.

Одной из причин постепенного остывания биосферы была деятельность фотосинтезирующих бактерий, в особенности цианобактерий, которые формировали карбонатные постройки типа строматолитов. Эти организмы, как и их нынешние потомки, изымали углекислоту из атмосферы и, связывая ее с магнием и кальцием, образовывали органогенные доломиты и известняки. С возникновением стабильных участков континентальной коры эти карбонаты стали накапливаться на древних платформах и извлекаться из активного круговорота углерода в биосфере.

На протяжении протерозоя накопились многокилометровые толщи строматолитовых карбонатов, ко-торые, судя по современным строматолитам, формируются очень медленно. Этот процесс, а также захоронение неокисленного органического вещест-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 являются отложения, образовавшиеся около 3, 4 млрд лет назад.

Биогенное снижение концентрации углекислого газа и рост концентрации кислорода резко усилились с появлением крупных блоков континентальной коры около 2, 5 млрд лет назад. Этому способствовало два обстоятельства: возникновение обширных местообитаний в пределах фотической зоны и апвеллинг (подъем холодных вод с большой глубины) как явление глобального масштаба. Однако этот процесс не был равномерным: первоначально значительное количество кислорода уходило на окисление металлов. Выведение огромных масс биогенного углерода из биологического круговорота путем его захоронения в осадках также вело к росту концентрации кислорода в атмосфере и уменьшению концентрации углекислого газа.

В оксигенации атмосферы планеты принимали участие не только цианобактерии, но и во всевозрастающей степени эукариоты – зеленые, красные и бурые водоросли. Именно эти группы первичных продуцентов, демонстрирующих рост обилия и разнообразия в позднем рифее, снизили парниковый эффект атмосферы (что актуально и для современной биосферы) и вызвали череду похолоданий и ледниковых периодов в конце протерозоя.

Анализ соотношений разных изотопов углерода из толщ протерозоя вносит количественную характеристику в эту довольно сложную картину биосферных событий позднего протерозоя. Так, карбонаты и органическое вещество в породах с возрастом 850 млн лет и моложе имеют необычайно высокие отношения 13С : 12C, которых не наблюдалось ни в предшествующей, ни в последующей истории планеты. Размах и направление этого изотопного сдвига означает абсолютное увеличение скорости захоро-нения органического углерода, и значит – резкий рост биопродуктивности океана в период, непосредственно предшествующий череде длительных и обширных оледенений.

В интервале от 750 до 580 млн лет назад зафиксировано четыре длительных ледниковых периода, но, возможно, их число было большим. Масштабность этих событий потрясает. Льды достигали уровня моря даже на континентах вблизи экватора. Об этом свидетельствуют палеогеографические реконструкции, основанные на анализе остаточной намагниченности горных пород. Изотопная летопись углерода из карбонатных отложений, накопившихся в периоды оледенений, демонстрирует негативные аномалии чудовищной амплитуды. Подобного не наблюдалось ни в течение предшествующих 1, 2 млрд лет, ни в ходе всей последующей геологической истории.

Сейчас, когда гипотеза об оледеневшей Земле обрела черты научной сенсации, интенсивно обсуждается поведение различных параметров биосферы. Полагают, что каждое из оледенений 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 (от фотосинтезирующего планктона и далее – по пищевой цепи) в поверхностных водах океана резко сокращалась на миллионы лет – обширные льды блокировали солнечный свет. Оледенения заканчивались катастрофически быстро, когда благодаря наземному вулканизму в атмосфере накапливались большие количества углекислого газа, более чем в 300 раз превышающее его современный уровень.

Эта смелая гипотеза позволяет объяснить ранее непонятные явления, например такое, как природа доломитов, обычно перекрывающих ледниковые отложения. Доломиты – СаМg(СОЗ)2 – характерны для тепловодных карбонатных бассейнов низких широт, и появление их на короткое время сразу по окончании оледенения вызывало много споров. Полагают следующее: как только концентрация углекислого газа в атмосфере достигала критического уровня, холодная биосфера довольно быстро на-гревалась. Океан освобождался ото льда и поглощал гигантские объемы углекислого газа из атмосферы.

В рамках этой гипотезы находит объяснение и очень позднее появление полосчатых железных руд, которые характерны для гораздо более древних эпох позднего архея и раннего протерозоя (максимум их накопления был около 2, 5 млрд лет назад). Покрытый льдом океан быстро становился бескислородным и потому обогащался железом за счет подводных гидротермальных источников. Освобождение океана ото льда и приток кислорода в связи с возрастающей активностью фотосинтезирующих организмов привели к окислению и осаждению железа.

Причины столь глубокого и длительного похолодания на планете не вполне ясны. Предложено несколько гипотез, самая распространенная из которых связывает похолодание со снижением парникового эффекта атмосферы: фотосинтезирующие организмы поглотили гигантский объем углекислого газа, а захоронение биогенного углерода на обширных и стабильных континентах надолго выводило его из круговорота.

Недавно предложена гипотеза о том, что в период оледенений в позднем протерозое наклон оси вращения Земли к плоскости ее орбиты вокруг Солнца был не менее 54° (против нынешних 23, 5°) и потому экваториальные районы были самыми холодными, а полярные области оставались более теплыми. Эта гипотеза требует объяснения механизма столь быстрых и периодических изменений наклона оси. Как видим, споры идут о масштабности оледенений. А в том, что в интервале 750–545 млн лет назад было несколько ледниковых периодов, сомнений нет.

Прикладной аспект этой модели очень важен: ледниковые периоды позднего протерозоя являются индикаторами захоронения огромных масс углерода во временных окрестностях этих событий. Действительно, для позднего рифея и венда характерны значительные накопления нефти. Ведущие нефтяные компании проявляют повышенное внимание к нефтесодержащим породам верхнего протерозоя Сибири, Китая, Омана, Намибии, Ботсваны, Южной Африки и Южной Австралии.

Новым инструментом в исследовании биологических событий протерозоя стали остатки органических соединений, специфичных для тех или иных групп органического мира, – биомаркеры, упомянутые выше. Одной из наиболее важных групп биомаркеров являются стераны, получающиеся из стеролов – естественных продуктов эукариот. Стераны широко распространены в нефти и битумах венда и нижнего кембрия. Состав этих биомаркеров отличается от веществ той же группы более поздних периодов и уже используется для реконструкции истории органического мира, распознавания и датирования нефтеносных материнских пород. Эти биомаркеры доказывают не только биогенную природу вендской нефти, но и определенно свидетельствуют о ведущей роли эукариот в продукции исходного органического вещества. Биомаркеры становятся инструментом палеонтологии и стратиграфии докембрия, несмотря на технические и методологические сложности их исследования.