Новая теория биологических катастроф прошлого

 


Это развитие, — говорит он, — в чем-то напоминает пунктирную линию эволюции жизни. Точно так же, как в ходе эволюции длительные периоды постепенного накопления незаметных, мелких изменений уже существующих видов сменяются короткими интервалами взрывоподобного появления множества совершенно новых видов, так и в науке постепенное развитие существующих теорий время от времени прерывается внезапным появлением совершенно новых, революционных гипотез и теорий.

Эти свои размышления Питер Уорд предпосылает изложению одной такой революционной теории — предлагаемому им оригинальному объяснению так называемых биологических катастроф. Спор о причинах этих катастроф, или, как их еще называют, "массовых истреблений биологических видов", идет в науке уже несколько десятилетий, и Уорд совершенно прав: причудливые зигзаги этого спора действительно напоминают пунктирный путь постепенной эволюции, прерываемой появлением новых видов — в данном случае, новых теорий.

Массовые истребления происходили в истории Земли не однажды. Сегодня наука насчитывает пять крупнейших таких катастроф, во время которых погибала значительная часть тогдашних живых существ, в океанах или на суше (в конце Ордовикского геологического периода, 443 миллиона лет назад; в конце Девонского — 374 миллиона лет назад; в конце Пермского — 251 миллион лет назад; в конце Триасового — 201 миллион лет назад; и в конце Мелового — 65 миллионов лет назад), что же касается менее значительных, то их насчитывается с добрый десяток. Возможно, располагай наука средствами более глубокого проникновения в прошлое, ей удалось бы нащупать и другие катастрофы, но и того, что уже известно, вполне достаточно, чтобы понять, что перед нами некая закономерность, у которой должны быть какие-то причины или даже одна, общая причина. Об этой-то причине и идет в науке затяжной спор, в который сейчас включился Уорд.

Долгое время такой общей причиной считались вулканические извержения. Действительно, даже извержения отдельных мощных вулканов, вроде Кракатау, вызывают, как мы знаем, серьезные атмосферные и климатические последствия, продолжающиеся порой несколько лет, и легко представить себе, какими катастрофическими могли быть последствия одновременного извержения тысяч вулканов, сопровождавшие столкновения континентальных плит и процессы горообразования в прошлом. Как показало изучение древних лавовых полей в различных местах земного шара (например, в Сибири или на Деканском плоскогорье в Индии), в истории Земли не раз случались такие длительные периоды вулканизма, продолжавшиеся порой тысячелетиями. Каждый такой период сопровождался непрерывным и чудовищным выбросом пыли и газов, который нарушал экологическое равновесие планеты и приводил к гибели многих видов живых существ.

Эта вулканическая гипотеза так непринужденно объясняла биологические катастрофы прошлого, что долгое время считалась единственно возможной. Первая брешь в ней была пробита лишь в 1980 году, когда американские ученые, отец и сын Альваресы, выдвинули предположение, что причиной, по крайней мере, одной из катастроф — знаменитого истребления динозавров — было не извержение вулканов, а столкновение Земли с крупным метеоритом или даже астероидом. Обнаружение кратера подходящих размеров и давности (Чикску-луб на мексиканском полуострове Юкатан) упрочило положение метеоритной гипотезы, и она стала считаться наиболее возможной причиной гибели динозавров. Хотя отдельные исследователи до сих пор продолжают отстаивать роль вулканизма и в этой "катастрофе динозавров", но даже они стараются теперь каким-то образом совместить это с метеоритным ударом. Утверждается, например, что хотя удар был, но ему предшествовал длительный период вулканизма, который расшатал экологическое равновесие планеты и практически привел ее на край катастрофы (такой период вулканизма в эту эпоху действительно был), так что последующий удар метеорита сыграл лишь роль "последней соломинки", окончательно и быстро обрушившей это равновесие.

Появление и упрочение метеоритной гипотезы Альваресов породило соблазн объяснить подобными столкновениями и другие крупные биологические катастрофы. Иными словами объявить удары метеоритов новой общей причиной всех биологических катастроф в истории Земли (эту мысль впервые высказал в 1991 году палеонтолог Дэвид Рауп в своей книге "Истребления: незадачливые гены или незадачливая судьба?"). В самом деле — столкновения нашей планеты с метеоритами не только не исключены, но, как мы хорошо знаем, происходят непрерывно, а за прошедшие 600 миллионов лет наверняка могли быть и отдельные столкновения с достаточно крупными небесными обломками, и каждое такое столкновение неминуемо должно было привести к очередному массовому истреблению земной жизни.

Эти соображения побудили ученых к интенсивным поискам следов таких столкновений. Поиски облегчались тем, что характер искомых следов был известен заранее. Это были, разумеется, богатые иридием, заносимым метеоритами, слои соответствующей давности, а также некоторые другие последствия космического удара. Мощное столкновение с метеоритом должно было резко изменить структуру земных скал, оставив в них характерные "ударные конусы", а быстрое последующее остывание скальных пород приводило бы к образованию множества округлых стеклоподобных микроглобул.

В кварцевых породах под воздействием ударных волн должны были возникнуть вкрапления так называемого "потрясенного кварца" и спекшиеся зерна железа и никеля. А специфическим последствием космического столкновения стало бы появление полых углеродных шариков-"фуллеренов", содержаших газы типа аргона, гелия и неона в том соотношении, в каком они встречаются в метеоритах и космической пыли. И, разумеется, важным свидетельством в пользу гипотезы столкновения был бы кратер подходящих размеров и возраста.

Вооруженные всеми этими приметами специалисты составили нечто вроде таблицы всех обнаруженных ими в последние годы следов космических ударов, начиная с отметки "минус 600 миллионов лет". Пометив на той же таблице известные науке периоды древнего вулканизма, они получили возможность более надежно судить, чему следует скорее приписать ту или иную биологическую катастрофу прошлого — вулканам или метеоритам. Такое сопоставление привело многих ученых к выводу, что большинство, если не все катастрофы древности были вызваны космическими столкновениями.

Так, в отложениях эпохи Девонского периода был найден тонкий слой иридия. Следы иридия были обнаружены также в отложениях Триасового периода, и особенно много свидетельств в пользу метеоритного удара было найдено для "Великого Пермского побоища" — катастрофы конца Пермского периода, когда погибло более 80% всех обитателей земных океанов. В отложениях того времени были обнаружены не только слои иридия, но и фуллерены, и "потрясенный кварц" с микроглобулами, и все прочие следы метеоритного удара. А главное — засыпанный землей древний кратер в районе Беду на северо-западе Австралии; его размеры — 200 километров в поперечнике — превосходят даже размеры юкатанского "кратера динозавров" а возраст (220-250 миллионов лет) хорошо согласуется со временем Пермской катастрофы.

С учетом того, что самое "недавнее" массовое истребление (гибель динозавров в конце Мелового периода) уже ранее было надежно отождествлено с метеоритным ударом, единственной не связанной с метеоритами катастрофой оставалась самая древняя, Ордовикская. Но для нее было предложено отдельное объяснение: мощный поток убийственной радиации от вспыхнувшей вблизи Солнечной системы сверхновой звезды.

Итогом всех этих исследовательских усилий оказалась единая и связная "космическая" теория земных биологических катастроф, сменившая прежнюю вулканическую "парадигму". Но в точном соответствии с размышлениями Уорда, и эта новая "общая модель" недолго оставалась на монопольном положении. Опубликованные в самые последние годы результаты новых, более детальных исследований поставили под сомнение всеобщность метеоритной модели и выдвинули на роль очередной "матери всех катастроф" совершенно иную, прежде никем вообще не рассматривавшуюся причину. Как уже сказано, эта новая теория была выдвинута самим Уордом.

Питер Уорд — известный американский биолог, профессор университета штата Вашингтон, руководитель отдела изучения биологических катастроф. В последние годы он вместе с другими коллегами разработал новую, более точную методику изучения слоев в древних отложениях времен "катастрофы динозавров". В слоях до и после этой катастрофы были обильно представлены окаменелые останки древних организмов; слои времен катастрофы бьши такими останками, естественно, беднее, потому что живых существ стало значительно меньше.

Однако исследователи заметили, что такое исчезновение останков в древних слоях происходит неравномерно: останки мельчайших микроорганизмов исчезают разом, как будто катастрофа срезала их одним махом, но чем больше по размерам представители того или иного биологического вида, тем как будто бы постепенней происходило их исчезновение. Детально изучив это странное несоответствие, ученые пришли к выводу, что оно является результатом некой систематической погрешности: большие размером останки попросту реже встречаются. Была выведена формула, позволявшая учесть эту погрешность, и тогда оказалось, что даже самые крупные моллюски того периода, аммониты, исчезли столь же быстро ("внезапно", в геологических масштабах времени), как и многие прочие, более мелкие виды. Удар метеорита действительно вызвал "мгновенную" катастрофу.

Этот вывод подтвердили и другие исследования Уорда, в которых изучалось соотношение изотопов углерода в древних слоях той же эпохи. Как известно, растения потребляют углекислый газ из атмосферы и путем фотосинтеза превращают его в углерод (который они используют для построения новых клеток и накопления энергии) и кислород (который они "выдыхают" обратно в атмосферу). При этом растения, как оказывается, предпочитают тот углекислый газ, в котором имеется изотоп углерода с массой 12 единиц; в результате такого предпочтения этот изотоп уходит из атмосферы, и его там становится меньше. В то же время изотоп с массой 13 в атмосфере сохраняется. Поэтому отношение количества атмосферного С-13 к количеству атмосферного С-12 позволяет судить, с какой интенсивностью в тот или иной период поглощался углерод С-12, то есть много или мало было на Земле в это время растений, водорослей или микробов, живших за счет фотосинтеза. Как только это отношение резко падает (то есть С-12 перестает поглощаться), можно говорить об исчезновении фотосинтезирующих видов (а также, видимо, и более крупных существ, которые этими видами питаются).

В случае Мелового периода график, показывающий, как менялось это отношение до и после катастрофы динозавров, действительно имеет четкий и крутой спад на отметке 65,5 миллиона лет, и этот спад сохраняется затем весьма длительное время (порядка десятков тысяч лет). Но вот в случае катастроф Пермского и Триасового периодов Уорд и его коллеги обнаружили совершенно иную картину. На протяжении доброй сотни тысяч лет концентрация С-12 то резко падает, то резко растет, как будто земная растительность и микробная жизнь то исчезали, то восстанавливались вновь, и так несколько раз. Никакой единичный метеорит или астероид, понятно, не мог вызвать такие изменения; их могло бы вызвать только систематическое падение на Землю многих метеоритов один за другим, с интервалом в тысячи лет. Но геология не дает никаких свидетельств в пользу такого маловероятного события в соответствующие эпохи.

Более того — исследования последних лет поставили под сомнение и те прежние находки (фуллерены, "потрясенный кварц"), которые как будто говорили о метеоритном характере Триасовой и Пермской катастроф. Геологи разошлись во мнении относительно природы "кратера Беду", и многие теперь считают, что это не кратер, а просто особая геологическая формация. А слои иридия Пермского периода хоть и говорят об ударе метеорита, но такого небольшого, что это никак не может объяснить масштабы тогдашней катастрофы.

Но если не вулканизм и не те метеориты — что же тогда?! Новое объяснение, предложенное Уордом, основано на изучении других, ранее не входивших в научный оборот следов биологических катастроф — биомаркеров. Так называются специфические, особенно устойчивые органические молекулы, которые оставляют на месте своей гибели некоторые микроорганизмы. Биомаркеры позволяют судить о наличии или отсутствии микробной жизни, даже если эта жизнь не оставила окаменелых останков.

Так вот для слоев всех катастроф, кроме последней ("катастрофы динозавров") оказались характерны биомаркеры, оставляемые фотосинтетическими сульфидными бактериями, которые обнаруживаются сегодня в лишенных кислорода (аноксических) глубинах застойных озер и Черного моря. Эти бактерии извлекают энергию путем окисления сероводорода — очень ядовитого газа, убийственного для других форм жизни.

Обилие таких бактерий в морских отложениях на скалах времен Триасовой и Пермской катастроф говорит о том, что в океанах тогда было очень мало кислорода. В сегодняшних океанах кислород наличествует примерно в одинаковой концентрации во всех слоях, до самого дна: он проникает в воду из атмосферы и перемешивается подводными течениями. Только в особых условиях — как, например, в Черном море, кислород проникает лишь на определенную глубину, а дальше начинается аноксический слой, насыщенный сероводородом. Сульфидные бактерии живут как раз на границе раздела кислородного и аноксического слоев, потому что им нужен, с одной стороны, сероводород, приходящий снизу, а с другой — солнечный свет, приходящий сверху и необходимый для фотосинтеза.

Расчеты Ли Кампа из Пенсильванского университета показали, что при уменьшении концентрации кислорода в океанах сульфидные бактерии начинают усиленно размножаться и производить все больше сероводорода. Уровень слоев, насыщенных этим газом, постепенно повышается, приближаясь к поверхности, и при какой-то критической концентрации газа он вообще всплывает на поверхность и выделяется в атмосферу огромными ядовитыми пузырями.

Данные, полученные Уордом при исследовании биомаркеров конца Пермского периода, говорят о том, что концентрация сероводорода достигла тогда как раз этой критической величины. Вырвавшиеся в атмосферу огромные количества этого ядовитого газа и были, видимо, главной причиной массовой гибели растительных и животных видов, как в океанах, так и на суше. Заметим, что в вулканической теории массовое истребление тоже объясняется обильным выделением газа, только углекислого, выброшенного при извержениях вулканов. Однако повышение концентрации углекислого газа и вызванное им потепление не могли бы уничтожить растения — они, напротив, должны были бы еще больше расцвести. Новая теория это затруднение снимает, потому что сероводород одинаково смертелен и для животных, и для растений.

Но, оказывается, сероводород не был единственным виновником Пермской катастрофы. Как показали расчеты Александра Павлова из Ари-зонского университета (это тот самый Павлов, о котором журнал упоминал в рассказе о Земле как "снежном коме" (см. "3-С", № 10/2005.)), при очень большом содержании сероводорода в атмосфере происходит разрушение озонового слоя, защищающего жизнь на Земле от убийственного воздействия ультрафиолетового излучения Солнца. Видимо, в Пермский период именно это и произошло, потому что найденные недавно в Гренландии окаменевшие споры тех времен отличаются уродствами, характерными как раз для растений, слишком долго подвергавших воздействию ультрафиолета.

Возможно, говорит Уорд, свою роль сыграл и вулканизм, сопровождавший ряд крупных и мелких катастроф, известных науке. Массовое выделение метана и углекислого газа при извержениях вулканов вело, как только что сказано, к потеплению, а ядовитость сероводорода возрастает с повышением температуры. Но главная роль потепления состояла, по-видимому, в том, что оно, как всегда, затрудняло поглощение кислорода водой, а это вело к тому, что кислорода в океанах становилось все меньше, и слои сероводорода поднимались все выше к поверхности, пока, наконец, не вырвались наружу.

Гипотеза Кампа — Уорда о решающей роли сероводородной "отрыжки" океанов как общей причине многих биологических катастроф древности уже подтверждена данными по биомаркерам Палеоценской эпохи (54 миллиона лет назад), когда произошло довольно значительное истребление целого ряда животных. Те же биомаркеры свидетельствуют, что аналогичная цепь событий — вызванное вулканизмом потепление, исчезновение кислорода в океанах, подъем сероводородных слоев и выход ядовитого сероводорода в атмосферу с последующим разрушением озонового слоя — могла иметь место также в конце Триасового, середине Мелового и конце Девонского периодов. Иными словами, эта цепь событий была повторяющейся, общей причиной если не всех до единой, то очень многих биологических катастроф. Всякий раз возрождение жизни начиналось только с окончанием глобального потепления (в данном случае — с окончанием длительного периода вулканизма); когда температура снижалась, кислород начинал больше растворяться в воде, и сероводородные слои опускались в глубину океанов.

Это наводит на грустные размышления: ведь сегодня мы опять говорим о надвигающемся глобальном потеплении, только на этот раз — рукотворном...

Источник: "Знание - Сила"