Текст книги "Новая история происхождения жизни на Земле"

Автор книги: Джозеф Киршвинк

Соавторы: Питер Уорд
сообщить о нарушении

Текущая страница: 20 (всего у книги 31 страниц)

Триасово-юрское вымирание

Определение уровня кислорода в окружающей среде триасового периода является довольно новым открытием. Еще несколько лет назад минимальные показатели содержания кислорода на планете за последние 300 млн лет приписывались границе перми и триаса – 252 млн лет назад. Однако теперь исследователи склонны смещать эти данные в сторону границы между триасом и юрой – 200 млн лет назад. Таким образом, триас не был временем роста уровня кислорода, а, наоборот, в позднем триасе уровень кислорода был вдвое ниже современного – около 10 % Времена позднего триаса совпадают с периодом значительного сокращения численности большинства сухопутных позвоночных, если не считать первых динозавров.

Причины этого массового вымирания, как и любого другого, по-прежнему точно не известны. Всем очевидно, что триасово-юрское вымирание, как и пермское, было очень быстрым и сопровождалось ужасной жарой, а также в это время произошло мощнейшее излияние базальта, по масштабам уступающее только сибирским траппам позднего пермского периода. Два массовых вымирания подряд с интервалом всего в 50 млн лет (!), и оба сопровождались излиянием базальта, которое всегда влечет за собой увеличение количества углекислоты в океане и в воздухе, в разы превышающее исходные показатели. Некоторые данные указывают, что на своем пике содержание CO₂ в атмосфере составляло 2000–3000 ppm. Сравните с современным (2014 год) состоянием – 400 ppm. А ведь концентрация углекислоты во время излияния базальтов не просто возросла – она резко подскочила!

Уничтожение растительной жизни создало разрыв в круговороте углерода и изменило соотношение углерода-12 и углерода-13. Данное соотношение, которое уже не раз упоминалось в этой книге, по-видимому, можно считать признаком массовых вымираний. Однако данный случай – на границе триаса и юры – был обнаружен не ранее 2001 года, когда Питер Уорд и его коллеги опубликовали результаты своего исследования, проведенного на морском побережье одного из островов Хайда-Гуаи, в местности древних лесов, низких температур и большой влажности[187]187
  P. Ward et al., «Sudden Productivity Collapse Associated with the Triassic-Jurassic Boundary Mass Extinction,» Science 292 (2001): 115–19; P. Ward et al., «Isotopic Evidence Bearing on Late Triassie Extinction Events, Queen Charlotte Islands, British Columbia, and Implications for the Duration and Cause of the Triassic-Jurassic Mass Extinction,» Earth and Planetary Science Letters 224, nos. 3–4: 589–600. Более поздняя работа об исследованиях в Неваде и на островах Хайда-Гуаи также хорошо раскрывает представления об изотопной аномалии. K. H. Williford et al., «An Extended Stable Organic Carbon Isotope Record Across the Triassic-Jurassic Boundary in the Queen Charlotte Islands, British Columbia, Canada,» Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 244, nos. 1–4 (2006): 290–96.


[Закрыть]. Как и во время девонского и пермского парниковых вымираний, соотношение изотопов сместилось от C₁₃ к C₁₂, что объясняется изменениями в количестве, видовом составе и истории захоронения останков разнообразных организмов на планете.

Такой сигнал показывает, что, вероятно, в девоне и перми вымирания произошли не из-за столкновения Земли с небесным телом. Выводы о том, что и триасово-юрское вымирание – из того же ряда парниковых, не согласуются, однако, с находками, которые были сделаны уже после того, как стало известно о фактах соотношения изотопов углерода. Пол Олсен из Колумбийского университета и его коллеги сообщили, к большой радости журналистов, что в действительности триасово-юрское массовое вымирание было вызвано столкновением нашей планеты с большим небесным телом. Была в этом какая-то красивая симметрия: эра динозавров как будто началась с падением астероида, а затем, спустя 135 млн лет, окончилась также из-за падения астероида. Так, по крайней мере, может показаться. Ольсен обнаружил доказательства своей теории столкновения в районе Ньюарка в штате Нью-Джерси – в том самом месте, где можно встретить больше всего следов жизнедеятельности динозавров позднего триаса и раннего юрского периодов. Журналистов почему-то всегда особенно интересуют случаи объединения этих двух компонентов: динозавров и массовых смертей.

Олсен с коллегами обнаружили в Нью-Джерси иридиевую аномалию в континентальных отложениях на границе триаса и юры. Такая же аномалия заставила Альвареса и его группу (в 1980-е годы) допустить возможность столкновения Земли с астероидом в конце мелового периода. Иридий стал стандартным показателем случаев столкновения планеты с небесными телами. Тем не менее обсуждаемые нами исследования различны по результатам. Группа Альвареса прослеживала физические и геохимические свидетельства массовой гибели мелких обитателей океана во времена, совпадающие со столкновением, а в статье Олсена о событиях в триасе говорится о физических и геохимических данных совершенно противоположного свойства: Олсен и его коллеги обнаружили, что в исследуемых ими отложениях отражается, скорее, бурное развитие численности и разнообразия животных в период, совпадающий со столкновением!

Группа Олсена изучала образцы, собранные из отложений на суше (точнее, в ручьях и мелких озерах на суше), и окаменелости были не останками животных, а следами их жизнедеятельности. И все же, несмотря на различия своих исследований и тех, что проводил Альварес, Олсен и его коллеги пришли к тому же заключению: 200 млн лет назад, на границе триаса и юры, Земля столкнулась с большим астероидом, и, как во времена мел-палеогенового вымирания, досталось и динозаврам. Но аргументом Олсена, в частности, было и то, что столкновение привело к гибели конкурентов динозавров, тем самым простимулировав увеличение размеров и разнообразия последних. В отличие от команды Луанн Беккер, которая проводила свои изыскания о пермском вымирании в глубокой тайне, Ольсен позвал всех желающих посмотреть на его находки, и многие специалисты в области массовых вымираний в самом деле поехали смотреть.

Образцы Олсена действительно содержали иридий, многие лабораторные проверки это подтвердили, чего не скажешь о работах Беккер. Но иридий сам по себе не может обеспечить палеонтологическим исследованиям публикацию в одном из самых уважаемых научных журналов – Science Олсен и его коллеги обеспечили в своей работе с образцами из Нью-Джерси совершенно иное направление доказательств. В многочисленных образцах того же периода, что и породы с иридием, команда Олсена отметила хорошо просматриваемые отличия в отпечатках следов жизнедеятельности животных. Прекрасно сохранившиеся трехпалые следы, известные в Нью-Джерси уже более двух веков, показывают рост численности, размеров и разнообразия форм.

Ожидалось, что следы, найденные в отложениях, образованных после триасово-юрского вымирания, покажут меньшую численность животных, меньшее разнообразие видов и меньшие размеры, поскольку один урок мел-палеогенового вымирания, вызванного падением астероида, мы хорошо усвоили – астероид привел к массовой гибели именно крупных существ. Во время мел-палеогенового вымирания погибли не только крупнейшие из известных динозавров, но и многие другие, размерами не крупнее тех, следы которых обнаруживаются в позднем триасе и раннем юрском периоде. В общем, если бы триасово-юрское вымирание было вызвано падением астероида, то после него существовало бы намного меньше видов, и они были бы гораздо меньшего размера. Но следы животных в отложениях на границе триаса и юры показывают обратное: и самих следов больше, и формы разнообразнее, и размеры намного крупнее, чем самые крупные из всех следов собственно триасового периода. Именно эти обстоятельства, а не иридий, убедили редакторов, что данное исследование достойно публикации в Science.

Работу Олсена и его коллег[188]188
  P. E. Olsen et al., «Ascent of Dinosaurs Linked to an Iridium Anomaly at the Triassic-Jurassic Boundary,» Science 296, no. 5571 (2002): 1305–07.


[Закрыть] со всей тщательностью проанализировали два эксперта в области последствий столкновений Земли с небесными объектами – Фрэнк Кайт из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Дэвид Кринг из Университета Аризоны. Оба были убеждены, что наличие иридия свидетельствует о факте столкновения в тот момент геологического времени, и оба указали, что количество иридия, обнаруженное командой Олсена в разных местах, существенно меньше, чем в любой из областей, известных отложениями мел-палеогенового вымирания. Итак, что-то действительно упало на Землю, но настолько небольшое, что не могло привести к масштабному вымиранию. Поэтому, хотя возможность столкновения Земли с небесным телом в конце триаса оказалась более вероятной, чем в конце перми, по-прежнему сложно поверить, что триасово-юрское вымирание было вызвано именно столкновением, как, например, в случае мел-палеогенового вымирания.

В Квебеке действительно есть большой кратер. Он один из самых больших хорошо различимых даже из космоса кратеров на планете, его название – Маникуаган, его диаметр – около 100 км (Чуксулуб, например, 180–200 км в диаметре).

Долгое время считалось, что Маникуаган появился 210 млн лет назад, то есть во время триасово-юрского вымирания, и может быть следом от астероида. Однако более точный анализ позволил определить, что Маникуаган старше – около 214 млн лет. Радиоактивный метод показал, что триасовый период закончился около 201 млн лет назад, то есть он моложе Маникуагана.

Наши собственные исследования на островах Хайда-Гуаи были сосредоточены в первую очередь на триасово-юрском вымирании, но мы также хотели найти доказательства вымирания более раннего периода в породах, которые относили к возрасту около 214 млн лет. Кривые вымираний, построенные в конце XX века, показывали возможность того, что падение астероида, который мог оставить кратер такого размера, как Маникуаган, привело бы к гибели четверти или даже двух третей всех видов на планете – но мы ничего такого не нашли! Может, мы переоценили разрушительную силу астероидов?

Цвета триасового периода

Роберт Бернер, геохимик из Йельского университета, к началу XXI века значительно усовершенствовал методы измерений уровней кислорода и углекислого газа, и его компьютерные модели стали намного точнее. Теперь можно увидеть изменения уровней этих газов для каждого интервала в 10 млн лет за последние 560 млн лет. Результаты работ Бернера показывают поразительное совпадение: периоды низкого уровня кислорода (или периоды его быстрого снижения) соотносятся с событиями массовых вымираний.

Все три случая массовых вымираний, причины которых не до конца выяснены, характеризуются отложениями, сформированными в условиях с низким уровнем кислорода[189]189
  J. P. Hodych and G. R. Dunning, «Did the Manicougan Impact Trigger End-of-Triassic Mass Extinction?» Geology 20, no. 1 (1992): 51–54; L. H. Tanner et al., «Assessing the Record and Causes of Late Triassic Extinctions,» Earth-Science Reviews 65, nos. 1–2 (2004): 103–39; J.-H. Whiteside et al., «Compound-Specific Carbon Isotopes from Earths Largest Flood Basalt Eruptions Directly Linked to the End-Triassic Mass Extinction,» Proceedings of the National Academy of Sciences 107, no. 15 (2010): 6721–25; M. H. L. Deenen et al., «A New Chronology for the End-Triassic Mass Extinction,» Earth and Planetary Science Letters 291, no. 1–4 (2010): 113–25.


[Закрыть]. При таких обстоятельствах слои отложений обычно становятся черными, потому что содержат минерал серный колчедан (пирит) и другие соединения с серой, что показательно именно для случаев с низким уровнем кислорода в среде формирования отложений.

Также интересен тот факт, что слои периодов тех трех массовых вымираний содержат чрезвычайно тонкие, даже сплющенные, слои осадочных структур. Очень многие организмы питаются органическими остатками или строят в них норы, поэтому отложения пород в океане со времен кембрия подверглись значительной биотурбации – переработке в результате жизнедеятельности многих существ. Если слои осадочных пород очень тонки, это значит, что они формировались в местах и во время полного отсутствия или почти полного отсутствия животных.

Таким образом, у нас есть три аргумента, основываясь на которых мы можем заключить, что пермское, триасово-юрское и мел-палеогеновое вымирания происходили в периоды с очень низким уровнем кислорода: модели Бернера, минералогические факты (цвет пород) и свидетельства тонких осадочных отложений.

Открытие в конце 1990-х годов обратной зависимости уровней кислорода и углекислоты в атмосфере является еще одним важным компонентом в описании всей картины обсуждаемых случаев вымираний. Как и сведения о низких уровнях кислорода, об уровнях углекислого газа можно судить и по моделям Бернера, и по состоянию пород, в данном случае – по состоянию окаменелостей в породах. К сожалению, невозможно точно измерить количество углекислого газа, присутствовавшего в окружающей среде в определенное время в древности. Углекислый газ не влияет на цвет пород и на океанические донные отложения. И все же было проведено одно очень грамотно организованное исследование ископаемых, результаты которого стали настоящим прорывом и позволили узнать относительный объем углекислоты. Благодаря этому методу палеоботаник, например, может определить, увеличивалось ли, уменьшалось или было стабильным содержание CO₂ в определенный интервал длительностью один миллион лет. Более того, можно также выяснить, во сколько раз уровень углекислого газа превышал определенный исходный показатель или насколько был ниже его.

Как все гениальное, измерение углекислого газа оказалось простым и понятным. Ботаники, изучая листья современных растений, уже давно проводили эксперименты, в которых определенные виды растений выращивались в закрытых смоделированных условиях, уровень CO₂ при этом можно было увеличивать или уменьшать относительно содержания данного газа в сегодняшней атмосфере (это около 360 ppm в те времена, когда такие эксперименты только начали проводить). Как выяснилось, растения крайне чувствительны к уровню углекислоты в атмосфере, даже небольшие концентрации CO₂ способны влиять на собственное содержание углерода в растениях, углерод – основной строительный материал живых организмов. Растения получают углекислый газ извне главным образом через устьица в листьях. Вырастая в условиях с повышенным содержанием CO₂, растения образуют небольшое количество устьиц, поскольку и малого количества хватает для их жизнедеятельности при высоких концентрациях углекислоты в воздухе. Исследователь с надеждой обращает свой взор к фоссилиям растений, в листьях которых хорошо просматриваются устьица, – и результаты подтверждают данные моделей Бернера.

В конце пермского периода и в течение раннего триаса, как видно по окаменелостям растений того времени, устьиц в листьях было немного. И в периоды всех трех массовых вымираний, которые мы сейчас обсуждаем, картина та же – уровни углекислого газа были очень высоки. Более того, концентрации CO₂ в атмосфере вырастали стремительно, не за миллионы – за тысячи лет.

Мы получаем, таким образом, совершенно новое видение случаев массовых вымираний. Каждое событие происходило в мире, который за очень короткий период резко потеплел с увеличением уровня углекислого газа в атмосфере (а также прибавлялось и метана, если судить по результатам соответствующих исследований). Температура была очень высока, а концентрации кислорода – весьма малы, и два этих фактора совпали с массовым вымиранием. Хотя сегодня случаи парникового эффекта не совпадают с падением уровней кислорода (как раз наоборот, из-за фотосинтеза), все же парниковые условия способствуют повышению температуры. Солнечный свет проникает через окна, но затем, когда он отражается обратно в виде волн и теплоты, оконные стекла становятся ловушкой для энергии, благодаря которой увеличивается температура воздуха в помещении. В атмосфере такими стеклами становятся углекислота, метан и водяные пары.

Жара опасна для любого животного. Самая высокая температура, которую может вынести животное, даже вполовину не достигает градуса кипения воды. Большинство животных погибает при 40 °C, а те, кто смог перенести такую температуру, погибают при 45 °C. Известно много несчастных случаев, когда дети погибали в закрытых машинах, что однозначно говорит о смертельной опасности, исходящей от быстрого повышения температуры. Два аспекта физиологической системы – количество кислорода в окружающей среде и количество тепловой энергии – в совокупности создают довольно трудную комбинацию для жизни: при повышении температуры животным требуется больше кислорода.

Из всех трех обсуждаемых случаев массовых вымираний данные об увеличении содержания CO₂ во время триасово-юрского вымирания особенно поразительны. Дженни Макэлвейн, палеоботаник из Чикагского университета, собрав и исследовав образцы пород в труднодоступных оледенелых местностях Гренландии в конце XX века, пришла к выводу, что, без всякого сомнения, в конце триаса произошло резкое увеличение содержания углекислого газа в атмосфере при уже весьма низком уровне кислорода.

Триас становится в нашем понимании все больше похож на конец перми. На что он точно не похож, так это на мел-палеогеновое вымирание, когда гибель животных произошла неожиданно и были затронуты практически все группы животных и растений, при этом ни животные, ни растения не смогли «предвидеть» вымирание по экологическим признакам и не успели приспособиться.

В конце триаса, наоборот, все группы, за исключением ящерообразных динозавров, сильно измельчали (при этом, в лучшем случае, не потеряли в разнообразии видов), и размеры уменьшались как до, так и после самого триасово-юрского вымирания, будто животные знали, что грядут еще более трудные времена и малые размеры дадут больше преимуществ для выживания.

Группы с примитивными легкими (земноводные и ранние рептилии) поплатились особенно сильно, и многие группы, которые процветали в раннем триасе, например, фитозавры, вымерли полностью. И земноводные, и архозавроморфы, вероятно, имели совсем простое устройство легкого, которое работало исключительно за счет движений реберной мускулатуры. Млекопитающие и более развитые терапсиды в те времена, по-видимому, уже имели диафрагму, а потому их существование подвергалось меньшей угрозе. Крокодилы, которые ползали на брюхе и предположительно имели «печеночный поршень», напротив, чувствовали себя неважно. Выживаемость ящерообразных в те времена можно объяснить несколькими причинами (особенности питания, стойкость к высоким температурам, способность избегать хищников, эффективная система размножения), однако мы думаем, что они обязаны выживанием своему уникальному устройству легких – в них имеется множество перегородок-лепестков, которые увеличивают площадь поверхности. Эти легкие были намного эффективнее, чем у многих других групп животных, и в условиях низкого уровня кислорода в воздухе (конец триаса – начало юры) такая система дыхания оказалась намного более конкурентоспособной. Вот так ящерообразные стали господствующей группой существ на планете в конце триасового периода и сохраняли свое доминирующее положение в юрском периоде за счет высокоактивного уровня жизнедеятельности.

Сегодня известно, что из всех морфологических типов рептилий среднего триаса ящерообразные динозавры демонстрировали остановку в развитии своего видового разнообразия либо число их структурных типов даже уменьшалось. Также известно, что за последние 500 млн лет содержание кислорода в окружающей среде достигло наименьшего уровня в конце триасового периода. У ящерообразных имелась некая особенность, позволившая им выжить при серьезном дефиците кислорода. Факты говорят, что долгое и медленное падение уровня кислорода достигло своего дна как раз в период триасово-юрского массового вымирания, но следует также учесть, что данное вымирание имело на самом деле два этапа, отделенных друг от друга 3–7 млн лет.

На планете существует несколько мест, где этот временной интервал можно увидеть по фоссилиям многочисленных позвоночных. Нам не известен точный характер вымирания позвоночных, а вот вымирание организмов в океане мы можем представить себе яснее. Нам не известно, как быстро исчезли наиболее заметные жертвы триасово-юрского вымирания: фитозавры, этозавры, примитивные архозавроморфы, тритилодонтовые терапсиды. Однако удалось установить, что ко времени, когда в океане раннего юрского периода появились разнообразные головоногие и оставили нам в юрских породах подтверждения праздничного изобилия жизни, динозавры уже господствовали в мире. Какие же у них были легкие? Определенности тут нет, но мы точно знаем: их легкие и система дыхания хорошо работали в условиях самого ужасного кислородного кризиса за всю историю Земли.

Новое понимание тех событий включает в себя следующее: ящерообразные динозавры подверглись вымиранию в меньшей степени, чем все прочие группы сухопутных позвоночных, благодаря своей более развитой системе дыхания, а именно наличию впервые появившейся в эволюции системы воздушных мешков. Самое потрясающее в динозаврах то, что во время триасово-юрского массового вымирания ящерообразные энергично увеличивали свою численность.

Глава 14
Эра динозавров:
230–180 миллионов лет назад

Слово «юрский» теперь прочно ассоциируется с динозаврами и знаменитым парком развлечений из известного фильма. В действительности юрский период не имеет ничего общего с тем, как его изобразили в кино. В тех парках растут деревья и кусты, которых еще не было в юрский период, – это всем известные сегодня цветковые растения. Вообще, единого представления о юрском периоде быть не может, поскольку мир невероятно переменился с момента первых проявлений тех черт, которые традиционно относят к данному периоду (около 201 млн лет назад), и до последних этапов (135 млн лет назад). В начале периода это был мир, сильно пострадавший от последнего массового вымирания, – коралловые рифы пропали, а немногочисленные динозавры были малы ростом и не разнообразны. Кислорода было так мало, что насекомые едва могли летать, но это не имело значения, поскольку не было летающих позвоночных, которые бы могли на них охотиться. Однако такому положению дел суждено было измениться в относительно скором будущем, по крайней мере в рамках геологических представлений о скорости.

К концу юрского периода обычными стали крупнейшие за всю историю планеты животные – динозавры, венец творения, а вот маленькие примитивные птички и еще более мелкие примитивные млекопитающие ютились на задворках экосистем. В начале периода моря настолько опустели, что на короткий период даже вернулись строматолиты, а крупных рыб и хищных животных было чрезвычайно мало.

Конец юрского периода – это также мир самых разнообразных и необычных морских обитателей, которые когда-либо населяли земные океаны: длинношеие рептилии-плезиозавры, дельфинообразные ихтиозавры, а также множество прекраснейших примитивных рыб, подобных современным сарганам и осетрам (и те и другие – со странными щитками на теле), которые плавали среди обширных коралловых рифов. Океаны были населены большим количеством всевозможных головоногих и их близких родственников, похожих на креветок, – белемнитов. Аммониты-головоногие были представлены огромной группой существ всевозможных форм: от плоскоспиральных тел до причудливых конусов, изгибавшихся изящной дугой (такие появились уже к концу юры). Крупнейшие из головоногих найдены именно в породах юрского периода, например, гигант из Британской Колумбии, обнаруженный возле города Ферни, был около 2,5 м в диаметре и наверняка весил не меньше полутонны. Однако все эти богатства природы подкинули ученым очередную диковинную загадку: большинство животных того периода бесследно исчезли, и их место в экосистемах так и осталось незанятым.

Честно признаться, геология как современная научная отрасль своим появлением обязана именно юрскому периоду. Данные о юрских отложениях наносил на свои карты «отец английской геологии» Уильям Смит в начале XIX века, по юрским отложениям было установлено, что слои осадочных пород из разных районов, непосредственно не связанных между собой, могут сопоставляться по содержащимся в них остаткам ископаемых организмов. Образцы ископаемых головоногих из слоев юрского периода дали Дарвину возможность выявить примеры эволюционных изменений (ссылки на работы по тому периоду мы давали еще в главе 1, и конечно, мы рекомендуем труды по истории естественных наук Мартина Рудвика).

Юрский период демонстрирует ту же модель эволюционного взрыва, который можно наблюдать после каждого массового вымирания. Это называется периодом восстановления. В каждом случае сразу после вымирания в природе остается небольшое число выживших видов, и заканчивается такое затишье лишь 5–10 млн лет спустя. Затем, после этого небольшого «похмелья» эволюция оживляется, и развитие видового разнообразия снова набирает обороты. При этом животные и растения всегда отличаются широким спектром совершенно новых видов. В большинстве случаев новые формы возникают в течение восстановительного периода, но иногда бывает, что типы организмов, которые до вымирания характеризовались немногочисленностью видов, но каким-то образом выжили, после биологической катастрофы демонстрируют бурный рост численности и экологической успешности в обновленном мире.

Юрский период не стал исключением, и во время восстановительного периода возникло множество новых морских обитателей, представленных большим количеством моллюсков, морских рептилий, а также многими видами костных рыб. Впрочем, не морскими существами прославился юрский период (как и следующий за ним меловой). Никто не станет снимать блокбастеры о морских тварях со словом «юрский» в заголовке. Публика хотела и по-прежнему требует лишь одного – динозавров.