Эхо древних катастроф

Эхо древних катастроф

Долгое время глобальные катастрофы, которые могли влиять на эволюцию земной жизни, мало интересовали ученых. Геологам и палеонтологам важнее было понять поступательное и непрерывное изменение видов. Лишь относительно недавно, в середине прошлого столетия, когда установили, что массовые вымирания совпадают по времени с катастрофическими событиями, такими как вспышки вулканизма и падение метеоритов, их стали изучать целенаправленно.

Впервые о катастрофах, которые случались на Земле в прошлом, заговорил в начале XIX века французский естествоиспытатель Жорж Кювье. Талантливый палеонтолог понимал, что животные прошлых эпох совершенно не были похожи на нынешних, что, к примеру, кости ихтиозавров и плезиозавров находятся в определенных слоях Альп и искать их в более поздних отложениях бесполезно. А кости ламантинов и тюленей, наоборот, не стоит искать рядом с остатками ихтиозавров. Как опытный сравнительный анатом, изучивший обширные коллекции мумий животных и их каменных барельефов, вывезенных солдатами Наполеона из Египта, он видел, что за 2000—3000 лет виды животных не меняются. Чтобы в истории Земли длительностью, как тогда считали, не более 100 000 лет происходили частые смены видов животного мира, нужны какие-то губительные кратковременные события.

Самое массовое за всю историю Земли вымирание живых существ произошло 251 миллион лет назад, в конце палеозойской эры. Свыше 90% морских и 70% наземных видов навсегда исчезли с лица Земли — остались лишь самые мелкие и просто устроенные. В Мировом океане прекратилось образование рифов, до того распространенных по всем морям, а на суше — накопление угля, так как исчезли покрывавшие ее пышные леса из древовидных плаунов, папоротников и разно образных древних голосеменных. Ученые ищут причины этого вымирания как в состоянии самой биосферы, так и вне ее. Среди внешних причин вымирания сегодня чаще всего называют катастрофу, вызванную мощными вулканическими излияниями на территории Восточной и отчасти Западной Сибири. Это было кратковременное по геологическому масштабу событие, сильно повлиявшее на биосферу. Его следы запечатлены в виде обширнейшей толщи базальтов, мощностью несколько километров, называемых Сибирскими траппами.

Они образовались за кратчайший по геологическим меркам промежуток времени — примерно 160 000 лет, а может быть, не более 8000 лет. Базальтовые лавы покрыли максимум 7 миллионов квадратных километров суши. Из недр исторглось от 2 до 3 миллионов кубических километров вулканических материалов, в том числе миллионы гигатонн двуокиси углерода. Содержание последней в атмосфере того времени повысилось в 7—10 раз. (К примеру, если человечество в течение текущего столетия сожжет все ископаемое топливо, концентрация углекислого газа в атмосфере поднимется в 2—3 раза.) Более того, разогрев атмосферы за счет парниковых газов и своеобразных солнечных батарей в виде туч, состоявших из крупных частиц вулканического пепла и паривших над всей планетой, привел к прогреву верхних слоев океана и высвобождению миллиардов тонн метана, до той поры скованного ледяными кристаллами на шельфе. Этот газ — один из действенных парниковых факторов, к тому же он быстро окисляется, забирая кислород из атмосферы. Общий эффект от атмосферных изменений был усилен своеобразной палеогеографией планеты. В те времена все материки соединились в единый суперконтинент — Пангею, простиравшуюся от полюса до полюса. (Сибирская платформа находилась в его северо-восточной части.) Над центральной, удаленной от побережья, обширной областью суперконтинета почти не проливались дожди, она была сухой и практически безжизненной. Наземные животные сосредоточились по окраинам Пангеи, окаймленным горными грядами, и постепенно перемещались на ее южное, антарктическое побережье, где было не слишком жарко. Падение содержания в атмосфере кислорода сделало жизнь в горах невозможной, и обитаемыми остались лишь небольшие низменные участки.

В такой обстановке в самых невыгодных условиях оказались большинство рептилий и рыб, а также известковые водоросли, кораллы, губки. Первые пострадали из-за недостатка кислорода и отравления углекислым газом, вторых сгубило подкисление морских вод, вызванное растворением в них избытка углекислого газа. Уцелели некоторые наземные амфибии, а также рептилии, например, протерозухии — предки динозавров, цинодонты — зверообразные ящеры, предки млекопитающих, и листрозавры — их отдаленные родственники. Это были животные небольшого размера, которым на поддержание активности требовалось меньше энергетических затрат, а значит, они потребляли меньше кислорода. У листрозавров были приспособления, позволявшие, наоборот, поглощать больше воздуха, а следовательно, и кислорода, — увеличенные грудная клетка и отделы черепа, связанные с дыханием. Среди морских животных катастрофу пережили также самые мелкие фораминиферы, брахиоподы, двустворки, так как им требовалось меньше пищи и кислорода. Их крупные сородичи исчезли. Наземная флора пострадала не меньше, чем фауна, — содержащие хлор выделения вулканов разрушали озоновый слой, жесткое ультрафиолетовое излучение калечило еще не проросшие споры, сернокислые дожди выжигали листву, а последние соки из отмирающих деревьев высасывали расплодившиеся грибы. Былой уровень биоразнообразия на Земле восстановился только 60 миллионов лет спустя, к середине юрского периода.

Космический фактор

Во многих местах Земли, где древнее морское дно выходит на поверхность, можно увидеть тонкий глинистый слой, сформированный 65 миллионов лет назад. Именно по нему геологи проводят границу мезозойской и кайнозойской эр. Примечательный пример такой границы обнаружили недавно в юго-восточной Испании, вблизи местечка Каравака-де-ла-Крус — тонкий, в несколько миллиметров слой рыжеватой глины среди многометровых толщ белых мергелей. Ниже этого слоя встречаются остатки разно образных животных, населявших моря мезозойской эры: кости морских ящеров, раковины аммонитов и мельчайших планктонных существ — фораминифер и кокколитофорид, из которых образовались известковые илы, со временем превратившиеся в известковые породы — мергели. Здесь же встречаются окаменевшие панцири крошечных рачков, которые проглатывали глинистые частицы, спрессовывали их в комки — пеллеты — и в таком более «весомом» виде отправляли на дно, создавая массу осадочного материала. И «вдруг» все эти животные исчезли, и потому полностью прекратилось образование известковых осадков, темпы же накопления глинистых частиц упали в сотни раз — об этом свидетельствует малая мощность пограничного слоя. Несколько тысяч лет море оставалось почти необитаемым, потом жизнь взяла свое, и геологическая летопись запечатлела ее восстановление, начавшееся с безудержного размножения немногочисленных и мелких уцелевших видов фораминифер. Раковинки их потомков и образовали новые слои белого мергеля.

Какие же события произошли 65 миллионов лет назад, что разделили геологические эпохи и стали причиной столь глобальных изменений? В поисках ответа на этот вопрос ученые обратились к космическим факторам. В середине XX века астрофизики открыли явление рождения сверхновых звезд, связанное с огромными выбросами энергии, и у палеонтологов возникло предположение, что эта внезапно высвобожденная энергия, достигая Земли, могла срывать ее магнитосферу, защищавшую планету от жесткого излучения, и тем самым обрекать ее обитателей на гибель. Однако обосновать эту гипотезу, изучая геологическую летопись, не удалось.

К тому же вскоре родилась другая идея о космической катастрофе, которая быстро завоевала популярность. Американский геофизик Уолтер Алварес обнаружил вблизи итальянского городка Губбио в тоненьком слое глины, обозначающем границу мезозойской и кайнозойской эр, необычно большое содержание иридия, в сотни раз превышающее среднюю концентрацию его в обычных горных породах. Отец Уолтера, физик-атомщик Луис Алварес, помог найти объяснение этому явлению. Оказалось, что осколки метеоритов, упавших на Землю, также содержат много иридия и других металлов платиновой группы. Значит, эти элементы могли попасть в глинистый слой в результате удара космического тела. Алваресы заинтересовались совпадением времени предполагаемого падения метеорита и гибели динозавров и связали эти два события в единую гипотезу «астероидной зимы» по аналогии с «ядерной зимой»: если в Землю на скорости 20 километров в секунду врезался астероид свыше 10 километров в поперечнике, то произошел чудовищный выброс энергии, в 10 000 раз превышающий все нынешние ядерные запасы землян. Часть мезозойских обитателей сразу погибла от ударной и тепловой волн, остальные вымерли от последствий падения — взлетевшая в атмосферу пыль отражала солнечные лучи. Началось похолодание, и растительность, оставленная без света и тепла, стала гибнуть. Затем последовало массовое вымирание лишенных пищи животных.

После появления небольшой заметки Алваресов в 1980 году в журнале Science количество научных статей, посвященных глобальным катастрофам, выросло в сотни раз. В первую очередь искали доказательства правоты физиков, затронувших интересы палеонтологии. И нашли немало: практически во всех разрезах, где граничный слой возрастом 65 миллионов лет достаточно хорошо выражен, отмечена иридиевая аномалия, а также кристаллы кварца с шоковой структурой — мелкими параллельными трещинками, возникающими при очень большом давлении, тектиты (охлажденные капли расплава, образовавшегося при ударе крупного метеорита о горные породы), прослои сажи. Обнаружили и кратер Чиксулуб в Мексике, время появления которого примерно совпадает с данным рубежом.

Средиземноморское наводнение

Жорж Кювье первопричиной глобальных вымираний считал морские потопы, но эта гипотеза современными геологами не подтвердилась. Чтобы затопить всю сушу, кроме высоких гор, и уничтожить большую часть наземных обитателей, необходимы по крайней мере два условия: повышение уровня Мирового океана на сотни метров и быстротечность события. В наше время, когда средняя высота континентов над уровнем моря составляет 670 метров, надо чтобы объем Мирового океана увеличился почти в два раза. Такое событие никогда в земной истории не случалось и ввиду отсутствия подобных запасов свободной воды вряд ли возможно в будущем. Два основных явления регулируют уровень Мирового океана — изменение площади материковых ледников и срединноокеанических хребтов (высоких горных цепей, расположенных в центральных частях всех океанов). Разрастание ледников, вбирающих в себя огромные массы воды, и сжимание срединно-океанических хребтов приводят к тому, что океаны и моря отступают, осушая громадные территории шельфа. Обратные процессы — таяние ледников и разрастание сети подводных гор, выталкивающих водные массы из чаши океана, способствуют повышению уровня Мирового океана. Совпадение этих двух факторов может вызвать очень существенный подъем моря, как это случилось в середине мелового периода, примерно 90 миллионов лет назад. По последним оценкам, тогда уровень Мирового океана поднялся на 250 метров, затопив обширные участки суши.

Локальные наводнения, то есть быстрые затопления суши, происходили в прошлом неоднократно, но на очень ограниченном пространстве — всю планету они никогда не охватывали и большого урона обитателям суши не наносили. Самое крупное достоверно подтвержденное наводнение случилось всего 6 миллионов лет назад на территории Средиземноморья. К тому времени из-за изоляции от Индийского и Атлантического океанов Средиземное море пересохло, превратившись в обширную котловину, глубиной местами почти 5 километров относительно уровня Мирового океана. Дно ее постепенно заполнилось трехкилометровым слоем гипса и соли, образованным в процессе испарения морской воды, а в теплых рассолах неглубоких озер, сохранившихся в некоторых местах, могли выжить только особые бактерии — галоархеи. Этот этап в истории региона называют Мессинским кризисом — по названию провинции на Сицилии, где издревле добывали соль. Геологи очень точно установили время, когда Мессинский кризис подошел к концу — это произошло 5,33 миллиона лет назад, когда воды Атлантического океана начали проникать по тектоническим трещинам через западный борт котловины. В какой-то момент вода проточила в породах довольно широкое русло — нынешний Гибралтарский пролив — и хлынула водопадом в сухую, засоленную низменность. Наполнение Средиземного моря происходило очень быстро — всего 15 000—20 000 лет, в течение которых в нем поселились обычные морские сообщества. Гипотезу о катастрофически быстром наводнении в котловине Средиземного моря одним из первых высказал советский геолог Иван Чумаков, работавший на строительстве Асуанской плотины в Египте в 1970-х годах и обнаруживший по данным бурения древнее русло Нила, заполненное морскими осадками. Мессинское наводнение значительно повлияло на климат в своем регионе, но к существенным перестройкам в биосфере не привело.

В неокатастрофизме — так называется обновленная теория Кювье — очень много предположений, не имеющих пока фактических доказательств. Если существование эпох мощного вулканизма не подлежит сомнению, ведь они оставили однозначные следы в земной коре, то доказать падение астероида и особенно точное время этого падения нелегко. Кроме того, в обоих случаях чрезвычайно сложно установить, как именно последствия катастрофы привели к вымиранию видов. Нет пока объяснения и тому, что некоторые крупные катастрофы (например, базальтовые излияния на территории Южной Америки и Африки 130 миллионов лет назад) не привели к массовой гибели живых организмов. Не для всех крупных вымираний в истории Земли (их насчитывается шесть) удалось отыскать катастрофические причины — вулканические, космические или какие-то другие. Из-за недостатка фактов еще трудно судить, насколько сильно влияние катастроф на эволюцию жизни, однако ученые, даже те, кто поддерживает неокатастрофизм, согласны в одном: и самая разрушительная из древних катастроф не смогла уничтожить земную жизнь полностью. Всегда оставался кто-нибудь, кто давал начало новым обитателям планеты.

ВОСТОЧНАЯ СИБИРЬ, 251 МИЛЛИОН ЛЕТ НАЗАД

Гигантский поток мантийного вещества поднялся из недр в северо-восточной части Пангеи — там, где располагалась Сибирь, и расплавил каменную оболочку. Извержения базальтовой лавы и пепла продолжались несколько тысяч лет и совпали с самым массовым вымиранием животных за всю историю планеты. Именно застывшие пласты базальтов образуют характерный ступенчатый ландшафт многих возвышенностей Восточной Сибири, таких как плато Путорана.

СЕВЕРНАЯ АМЕРИКА, 65,5 МИЛЛИОНА ЛЕТ НАЗАД

Кратер и особые горные породы, найденные в районе полуострова Юкатан, на территории современной Мексики, свидетельствуют о том, что там упал астероид. Его падение вызвало катастрофические последствия: взрывная волна выжгла почти все живое в округе, а чудовищное цунами опустошило берега. Волна вынесла на побережье морских обитателей, таких как спрятанные в спиральную раковину моллюски-аммониты и морские ящеры — мозазавры. Их останки оказались за километры от воды и послужили пищей для редких выживших обитателей суши. При ударе о землю астероид испарился и выбил из кратера смесь пыли, пепла, едкого пара, которая, поднявшись в атмосферу, отравила ее и затмила Солнце. Резкое похолодание и кислотные дожди длились, вероятно, несколько лет. Это событие сопровождалось вымиранием 35% видов морских обитателей, а также всех крупных рептилий: морских ящеров, динозавров и птерозавров.

ЗАПАДНАЯ ЕВРОПА, 5,33 МИЛЛИОНА ЛЕТ НАЗАД

В то время как в Восточной Африке предки австралопитеков осваивали саванну, Средиземное море испытало сильнейший экологический кризис. Растущие горные цепи перекрыли ему сообщение с Индийским и Атлантическим океанами, из-за недостатка воды море постепенно пересохло. Огромная котловина глубиной местами до 5 километров сотни тысяч лет оставалась почти безводной. Кризис закончился внезапно прорывом атлантических вод через Гибралтарский пролив.