Лекция 1.2. Космические и геофизические факторы эволюции жизни.

Все обсуждаемые далее «внешние» причины деградации также можно считать естественными, термодинамически предопределенными с соответствующими вероятностями.

Около 20 лет назад известный палеобиолог из Чикагского университета Дж. Джоном Сепкоски-младший (J. John Sepkoski Jr.) составил очень подробный каталог морских ископаемых организмов с датировками и подсчетом их численности во времени. Он показал, что их численность колеблется с периодом около 26 млн. лет. Ричард Мюллер (Richard Muller) и Роберт Роде (Robert Rohde) опубликовали в журнале Nature статью, в которой на основе тех же данных показали, что цикл 62 млн. лет проявляется несравненно более четко, они также отметили признаки наличия циклов с периодичностью около 140 млн. лет. На рисунке из этой работы приведена кривая зависимости количества морских ископаемых животных от времени.

Причины такой динамики развития биологической материи пока однозначно не выяснены. Любое структурирование в природе идет через цепочку кризисов и катастроф. Можно сказать, что, с одной стороны, моменты катастроф - это моменты обновления биологических структур, освобождения от элементов, термодинамический цикл которых закончен, и включение соревнования сохранившихся элементов за адаптацию к новым условиям. Расчистка места для новой жизни. Но, с другой стороны, нужно еще раз обратить внимание на то, что основной запас генного материала был сгенерирован в предыдущие 3,5 миллиарда лет. В обсуждаемый период шла его трансформация за счет отбора организмов как «машин выживания» генов. Не происходит ли в этом процессе обеднения генного состава как основы эволюции живой материи?

В большинстве работ как причина рассматриваемых катастроф указываются космические факторы, в частности, метеоритные или астероидные бомбардировки. Вторая чаще всего фигурирующая причина - высокая тектоническая, то есть вулканическая активность Земли. Еще одна возможная причина этого явления - эволюция внутренних параметров экосистемы Земли. Эти параметры по пока неизвестным нам механизмам связаны с активностью процессов в недрах Солнца, которые влияют также на его светимость. Периодичность изменения температурных условий на Земле может регламентироваться колебательным процессом интенсивности ядерных реакций в недрах Солнца (гипотеза Фаулера, высказанная им в конце 1972 г. и развитая потом Эзером и Камероном). По их расчетам, средняя температура поверхности Земли в разных фазах колебательного процесса Солнечной активности может отличаться на 10 - 15 градусов. Длительность периода колебаний совпадает с длительностью и частотой ледниковых периодов - около 200-300 миллионов лет. Оледенение этого типа всегда было глобальным, а это говорит о том, что его причиной может быть только внешнее воздействие, какой-то космический фактор. Есть предположение, что мы живем в короткий, длительностью около 15 000 лет, межледниковый период. Последний аналогичный период по геофизическим данным был около 100 000 лет назад, при этом его начало и конец формировались очень быстро, в течение нескольких лет. Возможно, этого типа катаклизмы имеют другой механизм формирования.

Обсудим результаты исследований механизмов катастроф по наиболее вероятным сценариям. В связи с тем, что такого рода катастрофы, вероятно, тесно связаны с тектонической активностью Земли, интересно посмотреть наличие корреляций с ее геофизической историей.

Цифры, полученные в результате первых определений абсолютного возраста пород, позволили английскому геологу А. Холмсу в 1938 предложить первую геохронологическую шкалу фанерозоя. Эта шкала неоднократно уточнялась и перерабатывалась. В табл. 1 она воспроизводится на основании новейших данных (Г. Д. Афанасьев, 1968).

Табл. 1. - Геохронологическая шкала фанерозоя

*По разным данным, от 600 тыс. до 3,5 млн. лет.

Геолог П.Олсен (Р.Olsen; Обсерватория по изучению Земли им.Ламонта и Доэрти при Колумбийском университете, Палисейдс, штат Нью- Йорк, США указывает на собранные в последние годы многочисленные и надежные данные, которые четко датируют три самых крупных эпизода гибели животного и растительного мира: на границе мелового и третичного периодов (65 млн лет назад), триас-юрская трагедия (200 млн лет назад) и пермско-триасовая катастрофа (251 млн лет назад). Эти события совпадают по времени с тремя крупнейшими излияниями вулканических базальтов: именно тогда возникли знаменитые деканские траппы (базальтовые "лестницы" на п-ове Индостан), Центрально-Атлантическая магматическая провинция на северо-востоке Южной Америки и сибирские траппы. А глубоководный "вселенский замор", случившийся 55 млн лет назад и определивший поворотный пункт в развитии млекопитающих, которые "одержали верх" над пресмыкающимися, совпадает с эпохой, когда геологические катаклизмы привели к отрыву Гренландии от Европы. Интерес специалистов привлекла и недавняя работа геолога С.Хесселбо (S.Hesselbo; Оксфордский университет): он получил доказательства, что около 183 млн лет назад в океан и земную атмосферу внезапно поступили гигантские массы метана. Скорее всего, ранее метан находился в виде ледяных газогидратов под поверхностью морского дна. Когда же температура и глубина океана изменились, газ вырвался наружу, внеся свой вклад в изменение природной среды всего за 1 млн лет. Аналогичные массовые выбросы метана обнаруживали и другие специалисты, относя их к трем периодам - границе между палеоценом и эоценом (55 млн лет назад), сеноманско-туронскому времени (90 млн лет назад) и к 120 млн лет назад, когда отмечены массовые излияния базальтов на морском дне. Американский геолог Грегори Рискин из Северо-западного университета штата Иллинойс опубликовал в журнале «Nature» расчеты сценария Пермской катастрофы, в основе которого был взят удар небольшого метеорита, вызвавший выброс массы метана с последующим воспламенением, в результате чего взорвалась гигантская метановая бомба с мощностью, эквивалентной 105 мегатонн тротила. Гипотеза подтверждается геофизическими данными о резком скачке концентрации СО2 в атмосфере Земли именно в этот период.

По последним оценкам, мировые запасы гидрата метана составляют примерно 8,5х1016 кубических метров, то есть, по крайней мере, вдвое больше совокупных запасов нефти и газа. Но он трудно досягаем, так как находится в замороженном виде при высоком давлении и низкой температуре, при этом кристаллическая структура метана окружена молекулами воды, выполняющей функцию закрепителя. Основные запасы находятся на дне Мирового океана. Так что потенциальная опасность «метановой катастрофы» с повестки дня не снимается.

183 миллиона лет назад, в эпоху юры (в геологии его относят к тоарскому ярусу), по данным палеоокеанографа Х.Дженкинса (Н.Jenkyns; Оксфордский университет, Великобритания) придонные морские воды повсеместно почти полностью лишились растворенного в них кислорода [Geology. 2000. V.28. N8. P.675 (США)]. Об этом свидетельствуют двухметровые слои богатых органикой темных осадочных пород, встречаемые во многих местах, но особенно заметные в Антарктиде. Аноксия (отсутствие кислорода) действительно могла привести к массовому замору тех разнообразных существ, чьи останки и обнаружены в породах тоарского яруса. По уточненным данным геохронолога Й.Пальфи (J.Palfy; Венгерский музей естественной истории, Будапешт) и палеонтолога П.Смит (Р.Smith; Университет Британской Колумбии, Ванкувер, Канада) время этих событий отстоит от нас на 183.6 млн. лет (±1 млн.). В это время на Земле отмечено бурное усиление вулканической активности. По всему суперконтиненту Пангеи (а он включал тогда Южную Африку и Антарктиду, еще не отделившихся друг от друга) внезапно пробудились десятки вулканов, датирование этих событий геофизическими методами произведено достаточно точно. Сценарий событий здесь мог быть примерно таким. Выброшенные вулканами миллионы кубических километров темной базальтовой лавы (ее застывшие поля и сегодня можно видеть на каменистых плоскогорьях Карру в Южной Африке) наполнили атмосферу парниковыми газами.Знакомства для взрослых Химический состав вод Мирового океана с попаданием в них гигантского количества вулканического пепла тоже изменился. Аналогичный эффект в Мировом океане мог дать массовый выброс метана. Так или иначе, но стабильность системы океан-атмосфера была нарушена. Приспособиться к жизни в новых условиях смогли лишь немногие организмы.

Можно констатировать, что при высокой тектонической активности возникают катастрофические воздействия трех основных типов: непосредственное разрушительное воздействие в месте катаклизма; выброс парниковых газов - СО2, SO2 и других; выброс пепла, который потоками разогретого воздуха может быть поднят а стратосферу и экранировать излучение Солнца. Во втором случае возникает «парниковый эффект», повышение температуры поверхности Земли, атмосферы и вод Мирового океана. В третьем случае - явление «ядерной зимы». Подробнее механизмы дальнейших процессов и некоторые возникающие эффекты рассмотрим ниже, в последующих главах.

Как показывают данные геофизических исследований, в период между 750 и 440 миллионами лет назад на Земле была эпоха великих оледенений, по своим масштабам значительно превосходивших последний ледниковый период. Валунные отложения этого периода достигают мощности 800 метров, оледенение достигало экваториальных областей. Наблюдались колоссальные температурные перепады, а в период около 680 миллионов лет назад, в Варангскую эпоху, сплошной двухкилометровый слой льда покрывал почти всю поверхность планеты. Около 440 миллионов лет назад, на рубеже ордовикского и силурийского периодов, произошла радикальная смена состава биоты, за 50 миллионов лет появилось и развилось множество новых видов. В масштабах геологического времени похолодания и потепления происходили за очень короткий период, например, основные температурные трансформации Пермской катастрофы произошли всего за 50 тысяч лет. Причиной катастрофы на границе мелового и третичного периодов (примерно 65-66 млн. лет назад) большинство палеонтологов считают падение метеорита в Мексике, на полуострове Юкотан, вызвавшее возникновение «ядерной зимы».