Текст книги "Новая история происхождения жизни на Земле"

Автор книги: Джозеф Киршвинк

Соавторы: Питер Уорд
сообщить о нарушении

Текущая страница: 25 (всего у книги 31 страниц)

Мезозойская морская революция

Мезозойская эра стала, по выражению палеобиолога Гэри Вермейджа, временем морской революции[203]203
  G. J. Vermeij, «The Mesozoic Marine Revolution: Evidence from Snails, Predators and Grazers,» Palaeobiology 3 (1977): 245–58.


[Закрыть]. С точки зрения эволюции морские хищники той эпохи стали по-настоящему свирепыми.

Гэри Вермейдж, наш друг и коллега из Калифорнийского университета в Дэвисе, ослеп в раннем детстве, поэтому наблюдать за тем, как он «рассматривает» (так он это называет) причудливые раковины мезозойских моллюсков – все равно что смотреть на руки пианиста во время игры. Его движения быстры, прихотливы, пальцы будто лишены костей. Так Гэри «рассматривает» морфологические особенности раковин: от верхнего завитка до устья. Легкими прикосновениями он изучает известковую поверхность пупочной области раковины и зубцы на внешней губе устья. Мы водим его от одного музейного стенда к другому, а затем он «ведет» нас в сферы, «увиденные» им единственным доступным ему способом – через прикосновение.

Прикосновение запоминается, а также помогает визуализировать результат, и вот Вермейдж с помощью прикосновений объясняет нам, как новые хищники мезозойской эры были способны разламывать и разгрызать известковую броню травоядных беспозвоночных и хищников поменьше. В совокупности эти новые способности плотоядных животных мезозоя называются мезозойской морской революцией.

Сначала понятие «революция» относилось только к новой способности хищников разламывать раковины, что произошло после пермского массового вымирания. Это был новый способ извлекать плоть из брони, которая до того казалась непробиваемой, – из панцирей морских ежей, двустворчатых моллюсков, улиток и плеченогих. Но вскоре границы расширились.

Адаптация жертв также оказалась весьма впечатляющей. Двустворчатые, которые раньше обитали только на морском дне, приобрели способность глубоко зарываться в грунт. Эту новую группу двустворчатых из-за наличия «зубов» у замкового края раковины назвали гетеродонтным типом. Они подверглись большим анатомическим изменениям: часть их мантии преобразовалась в пару сифонов. Такие роющие двустворчатые сегодня остаются самой разнообразной группой своего класса, демонстрируя широкий спектр видов, которые могут быстро зарыться в песок, грязь или ил. Единственная цель подобного поведения – спрятаться от хищников. Если сидеть в грунте, это не улучшит возможности пропитания, однако значительно повысит выживаемость. Среди прочих животных, которые избрали самозакапывание как способ уйти от преследования хищников, – улитки, новые группы полихетовых червей, некоторые рыбы и морские ежи совершенно нового типа[204]204
  S. M. Stanley, «Predation Defeats Competition on the Seafloor,» Palaeobiology 34, no. X (2008): 1–21.


[Закрыть].

Другой группой беспозвоночных, которые подверглись радикальному эволюционному обновлению в тот период, являлся класс иглокожих под названием «криноидеи»[205]205
  T. Baumiller et al., «Post-Paleozoic Crinoid Radiation in Response to Benthic Predation Preceded the Mesozoic Marine Revolution,» Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 107, no. 13 (2010): 5893–96.


[Закрыть]. Эти большие беспозвоночные, похожие на цветы (поэтому их еще называют морскими лилиями), были широко распространены еще в палеозое. Для них характерен сидячий образ жизни: как только личинка покидает планктонное сообщество и прикрепляется к какой-нибудь поверхности, она уже никогда не покидает избранного места. Когда проезжаешь по дорогам Среднего Запада США, то хорошо видны следы былого процветания криноидей: отвалы грунта у каждой дороги испещрены маленькими круглыми «косточками» – поперечными срезами длинных стеблей морских лилий. Чтобы образовалось такое большое количество этих организмов, нужно широкое, неглубокое, совершенно прозрачное и теплое море, и тогда его дно будет полностью затенено целыми лесами морских лилий – сомнительно, чтобы сквозь них ко дну проникало солнце. Пищей им служит планктон, и живут они на «тихой улице», по крайней мере, с позиций обмена веществ. Если хищник или шторм сорвет морскую лилию с ее места, то она вскоре погибнет.

Ничто так не стимулирует эволюционные процессы, как массовая гибель видов. Пермское вымирание почти полностью уничтожило всех морских лилий на планете, а в новой эре – мезозое – они стали легкой добычей многочисленных хищников, которые уже были способны поедать морских лилий. Честно говоря, питаться морскими лилиями нелегко, ибо мало найдется в природе организмов, у которых столь малое количество плоти было бы прикрыто таким большим количеством карбоната кальция. Однако криноидеи эволюционировали, новые их формы часто бывают бесстебельчатыми и далеко не всегда нуждаются в пожизненном прикреплении к грунту. Такими мы знаем их сегодня – это одни из самых красивых обитателей современных коралловых рифов. Они даже могут плавать, хотя медленно и неуклюже, используя руки-щупальца для свободных «перелетов» в воде.

Мезозойская морская революция затронула не только отношения «охотник – жертва», но и сферу использования животными новых сред обитания[206]206
  T. Oji, «Is Predation Intensity Reduced with Increasing Depth? Evidence from the West Adantic Stalked Crinoid Endoxocrinus parrae (Gervais) and Implications for the Mesozoic Marine Revolution,» Palaeobiology 22 (1996): 339–51.


[Закрыть]. В связи с этим следует упомянуть развитие у двустворчатых моллюсков способности глубже зарываться в грунт для защиты от хищников, а также увеличение числа беспозвоночных, питающихся органическими осадками. Эти перемены в анатомии и образе жизни подтверждаются увеличением разнообразия и числа ископаемых останков в соответствующих отложениях. Примечательно, что данная ситуация схожа с той, которую можно наблюдать в отношении кембрийского взрыва. Результат мезозойских изменений – полная биотурбация (биологическое преобразование) осадочных пород данной эры.

Значительные изменения в мезозойском океане затронули не только поверхность грунта и то, что происходило под поверхностью. Впервые со времени появления животных стала обитаемой вся толща воды. Многие новые формы вообще не являлись животными, а относились к простейшим или даже к одноклеточным планктонным растениям. В отложениях мезозоя найдены микроостанки новых групп организмов, включая разнообразных фораминифер, подобных амебам, но имеющих скелет. Последние жили и на дне, и плавали в толще воды над ним. В состав планктона также входили радиолярии, или лучевики. Однако самым кардинальным новшеством в планктоне мезозойской эры, вероятно, следует признать группу водорослей, называемых кокколитофоридами, чьи крошечные скелеты, скопившиеся на морском дне и отвердевшие, являются хорошо известным веществом – мелом.

На поверхности кокколитофорид образовывались ажурные известковые пластинки – кокколиты, которые после гибели водорослей опадали на дно и накапливались в таких невообразимых количествах, что в конце концов образовывали колоссальные осадочные формации, как, например, знаменитые Меловые скалы в Дувре. В Северной Европе находится множество таких скал – в Британии, Франции, Польше, Бельгии, Голландии, по всей Скандинавии, а также во многих местах бывшего Советского Союза до самого Черного моря. Кокколиты повлияли на состояние мировых температур. Они белые, и эта белизна способствует отражению солнечных лучей обратно в космос, в результате чего планета охлаждается.

Как и во время кембрийского взрыва, когда у животных за короткий геологический интервал времени развивались новые морфологические типы на основе модификаций дыхательных систем, так и в триасовых морях животные обрели большой спектр новых адаптивных свойств. На суше, как мы уже видели, животные экспериментировали в основном с типами легких. В океане организмы также осваивали новые способы дыхания. Двустворчатые моллюски, например, были группой, у которой развился новый морфологический тип и даже новая физиология в ответ на появление почти безграничных пространств, богатых пищей, но бедных кислородом.

Недостаток кислорода сделал дно моря в некотором отношении прекрасным местом обитания. На дне скапливалось большое количество восстановленного углерода в форме мертвого планктона и других погибших организмов. Если бы у дна было много кислорода, весь этот органический материал вскоре был бы употреблен в пищу организмами, которые фильтруют воду или питаются останками со дна. Однако дефицит кислорода удерживает таких животных подальше от подобных мест, даже бактерии, которые способствуют разложению органических останков, здесь не встречаются. Впрочем, хотя уровень кислорода в триасовый период сильно упал, двустворчатые моллюски нашли выход из положения. Некоторые, например, иноцерамы, обитавшие в областях, где было хоть немного кислорода, питались не органическими останками, упавшими на дно, но метаном, поступавшим из органических отложений. Свободно себя чувствуют в бескислородных условиях или в местах с очень незначительным содержанием кислорода метаногены – метанобразующие бактерии. Даже там, где у дна есть немного кислорода, в органических отложениях на глубине всего в несколько сантиметров кислорода уже нет, и это создает идеальные условия для жизни метаногенов. Продуктом их метаболизма является метан. На жабрах двустворчатых могли обитать и другие метанобразующие бактерии, а также те, которые разлагают органику. В конце концов, моллюски могли питаться и самими бактериями. Похожие механизмы пищевого поведения сегодня можно обнаружить у глубоководной фауны – гигантских трубчатых червей или двустворчатых, которые для питания используют неорганические вещества. Впрочем, существуют и отличия: области обитания современной глубоководной фауны относительно насыщены кислородом, представителям таких экосистем даже жабры не нужны, так что мезозойским двустворчатым повезло меньше.

Другим путем адаптации в ответ на недостаток кислорода в океане последовали ракообразные – крабы и омары. В палеозойских породах можно видеть останки ракообразных, строение тел которых во многом совпадает с креветкой, но крабы – более позднее эволюционное новшество. Краб – это креветка, у которой брюшко подвернуто под туловище. Слияние головы и грудного отдела превратило краба в бронированный орешек, который не так-то просто разгрызть какому-нибудь хищнику. Размещение брюшка внутри брони – гениальное изобретение. Как правило, именно брюшко является наиболее уязвимой частью при нападении хищника, а защитив этот участок тела, краб стал быстро распространяться по морским просторам. Большие клешни краба позволяют ему легко раскалывать раковины моллюсков и других жертв с твердой защитой – крабы известны как дурофаги, то есть хищники, питающиеся организмами, у которых есть панцирь.

Таким образом, стимулом для эволюционных изменений в строении тела краба послужило стремление как к защите (укрепленный панцирь, слияние головы и груди, подвернутое брюшко), так и к нападению (пара мощных клешней). Но была у краба и другая причина перестройки тела, связанная с особенностями дыхания: его жабры теперь надежно спрятаны под твердым защитным панцирем, а вода к жабрам поступает благодаря системе перегона воды внутрь панциря и наружу, действующей как насос. Система дыхания краба – замечательный способ усилить ток воды, поступающий к жабрам.

Крабы эволюционировали из существ, похожих на креветок, и мы можем проследить этапы эволюции дыхательной системы по останкам предков краба: у креветки жабры частично укрыты под телом животного, при этом они прикреплены к сегментам тела и открыты снизу для доступа воды.

Мезозойские «парниковые» океаны со временем изменились. Две группы самых характерных морских обитателей тех времен – аммониты и двустворчатые-иноцерамы – могли бы существовать и сегодня, но 65 млн лет назад на Землю обрушился Чуксулубский астероид, который навсегда изменил вид земной биосферы.

Глава 16
Гибель динозавров:
65 миллионов лет назад

Картины событий прошлого планеты иногда самым удачным образом отражены, как ни странно, в научной фантастике. Ниже приводится лучшее, на наш взгляд, описание самого знаменитого массового вымирания – мел-палеогенового. Нам очень нравится этот замечательный отрывок из книги Уильяма Гибсона и Брюса Стерлинга «Машина различий»:

Полыхали пожары, мезозойскую Землю хлестали ураганы, бушующая атмосфера насытилась кометной пылью и дымом, планету окутал мрак. Гибли лишенные солнечного света растения, а вслед за ними и могучие динозавры, жестко адаптированные к рухнувшему, безвозвратно ушедшему в прошлое миру. Но в наступившем хаосе еще активнее заработали механизмы эволюции, прошло какое-то время, и опустошенную Землю заселили новые, странные и неожиданные существа[207]207
  У. Гибсон, Б. Стерлинг. Машина различий / Пер. с англ. М. Пчелинцева. – Екатеринбург: У-Фактория, 2002.


[Закрыть].

Всем известно, что те «новые, странные и неожиданные существа» были новыми группами млекопитающих, населяющих Землю и по сей день. Почему существует такая глубокая уверенность в том, что именно астероид стал причиной мел-палеогенового массового вымирания? Это факт обсуждается приблизительно с 1990 года, через 10 лет после того, как исследовательская группа Альвареса из Беркли опубликовала свой сенсационный материал, совершенно изменивший не только наше понимание сути массовых вымираний, но и вообще представления о геологических процессах в целом.

Изучение массовых вымираний тесно переплетается с идеями, лежавшими в основе геологии в момент ее зарождения как современного научного направления, то есть в первые 60 лет XIX века. Десятилетиями ученые обсуждали базовые принципы, которые позволили бы объяснить, каким образом возникли все эти геологические формации, породы и отложения, а также растения и животные Земли. Основная борьба развернулась между представителями униформизма, повторявшими как мантру утверждение, что настоящее есть ключ к тайнам прошлого, и группой ученых, продвигавших принцип катастрофизма. Идеологом катастрофизма можно считать Жоржа Кювье, который первым осознал реальность вымираний как таковых. Позднее катастрофизм поддержали и другие исследователи, в том числе широко известный Альсид д’Орбиньи, чьей заслугой является разработка и модернизация геологической хронологии. Однако, несмотря на их исключительный вклад в науку, и Кювье, и д’Орбиньи пытались объяснить очевидные факты массовых вымираний сверхъестественными причинами. Оба верили, что некая высшая сила посылает на планету потопы, стирает с лица земли большую часть живых организмов, а затем вновь населяет сушу и океан новыми существами.

Новые поколения геологов то возвращались к идеям униформизма и катастрофизма, то вновь отвергали их. Униформизм в какой-то момент победил, поскольку в описываемых образцах пород, количество которых постоянно увеличивалось, никто не находил подтверждения ни одному событию мирового потопа, не говоря уж о целой серии последовательных потопов, которые могли бы стать причиной массовых вымираний. Самые крупные из них, известные как «Большая пятерка», это ордовикское, девонское, пермское, триасовое и мел-палеогеновое вымирания. К XX веку катастрофизм больше не находил поддержки среди ученых, за исключением тех, кто писал книги, тешащие представления человечества о прошлом, как о временах куда более захватывающих, чем постепенное скучное послойное накопление геологических летописей. Впрочем, и последователи униформизма (в том числе Дарвин) кое в чем чувствовали себя не очень уверенно – в объяснениях массовых вымираний.

Геологическая наука пришла к заключению, что массовые вымирания проходили очень медленно, а с учетом длительности протекания этих событий даже наблюдаемые изменения климата и колебания уровня Мирового океана могут стать объяснением причин вымираний. Таких мыслей придерживались все геологи во второй половине XX века.

Впрочем, раздавались и голоса протеста, хотя и совсем немного. Одним из самых заметных был голос Отто Шиндевольфа, профессора палеонтологии из Тюбингенского университета на юге Германии. Шиндевольф возражал против теории медленного и последовательного протекания массовых вымираний. Напротив, после кропотливой исследовательской работы с образцами пород и наблюдений за изменениями в них Шиндевольф пришел к выводу, что, возможно, причинами вымираний являлись намного более быстрые и катастрофичные события. Он предположил, что известные массовые вымирания могли быть вызваны, в том числе, воздействием космических лучей. От него же пошло название нового направления исследований – неокатастрофизм, под которым Шиндевольф подразумевал диаметрально противоположные униформизму научные подходы изучения прошлого.

Коллеги Шиндевольфа остались глухи к его голосу. Медленное изменение климата и медленные колебания уровней океана были «фактами» и предполагаемыми причинами пяти «великих массовых вымираний». Начиная с 1950-х годов, в течение 30 лет, геология бездействовала, пребывая в удобной для себя уверенности, что все можно объяснить земными (то есть медленными) причинами. Таково было положение вещей в геологической науке со времен работ Шиндевольфа (1950-е годы) и до 1980-х годов. Но внезапно все изменилось. Шестого июня 1980 года, в день 36-летия высадки союзников в Нормандии, работа Альвареса, посвященная падению астероида как причине мел-палеогенового вымирания, стала настоящим вторжением на территорию закостенелого униформизма и, в частности, на позиции общепринятых тогда точек зрения на причины массовых вымираний[208]208
  L. W. Alvarez et al., «Extraterrestrial Cause for the Cretaceous-Tertiary Extinction,» Science 208, no. 4448 (1980): 1095. Позднее исследование было дополнено обнаружением самого кратера: A. R. Hildebrand et al., «Chicxulub Crater: A Possible Cretaceous-Tertiary Boundary Impact Crater on the Yucatan Peninsula, Mexico,» Geology 19 (1991): 867–71.


[Закрыть]. Это был удар, развязавший научную войну, которая так или иначе продолжается по сей день.

Космическое воздействие и массовые вымирания

Наличие на каждых планете и спутнике с твердой поверхностью многочисленных кратеров, оставленных падением небесных тел, дает убедительное представление о важности и частотности таких происшествий, по крайней мере, на ранних этапах существования Солнечной системы. Вероятно, столкновение с космическими объектами является проблемой любой планетарной системы, по-видимому, такие события – самые частые из всех планетарных катастроф. Они могут полностью изменить биологическую историю любой планеты, уничтожив господствующие группы организмов и таким образом освободив путь либо для совершенно новых форм, либо для тех, которые до катастрофы играли незначительную роль в экосистемах. Поэтому работа Альвареса 1980 года привела к пересмотру сразу многих научных положений.

Существуют две основные линии доказательств того, что мел-палеогеновое вымирание стало результатом столкновения Земли с большим небесным объектом: обнаружение в пограничных слоях соответствующих периодов, во-первых, повышенного содержания иридия и, во-вторых, большого количества «ударного кварца». К 1997 году высокие концентрации иридия были зафиксированы по всему миру более чем в 50 местах, где исследовались границы между меловым и палеогеновым периодами. Иридий рассматривается как индикатор столкновений Земли с космическими телами, поскольку этот элемент крайне редко встречается на поверхности нашей планеты, но при этом в значительных объемах содержится в большинстве астероидов и комет. В свою очередь, частицы ударного кварца считаются индикаторами космических столкновений, потому что многочисленные тонкие пластины-ламели, обнаруженные в кварце на мел-палеогеновых границах, могут быть образованы только при очень большом давлении, например, таком, которое возникает, если большой астероид на огромной скорости сталкивается с кварцсодержащими породами. Никакие «домашние» земные явления не способны сформировать подобные преобразования кварца.

Помимо свидетельств, связанных с иридием и ударным кварцем, в границах мела и палеогена также имеются следы крупных пожаров, которые могли возникнуть сразу после падения астероида[209]209
  P. Schulte et al. «The Chicxulub Asteroid Impact and Mass Extinction at the Cretaceous-Paleogene Boundary,» Science 327, no. 5970 (2005): 1214–18.


[Закрыть]. По всему миру в глинах мел-палеогена обнаружены мельчайшие частицы того типа сажи, который образуется при сгорании растительности, а количество этих остатков сажи говорит о глобальных масштабах лесных пожаров и горения травы.

Первоначально данные были противоречивы, однако минералогические, химические и палеонтологические исследования, проведенные в 1980-х годах, убедили большинство специалистов в том, что 65 млн лет назад на Землю упал большой (диаметром примерно 10–15 км) астероид (или комета). В тот же период более половины всех земных видов, обитавших на планете, внезапно вымерло, и это последнее явление обозначается как граница между меловым и палеогеновым периодами. Открытие большого ударного кратера, возраст которого соответствует времени предполагаемого падения (кратер Чуксулуб на полуострове Юкатан в Мексике) устранило почти все сомнения, которые еще оставались относительно теории столкновения.

Технически причиной вымирания, по мнению Альвареса и его коллег, стало затемнение, которое длилось много месяцев после падения астероида. Затемнение возникло из-за того, что при ударе в атмосферу поднялось множество частиц метеоритных и земных пород, и продолжалось это явление довольно долго, что привело к гибели большей части растительной жизни на планете, включая планктон. Исчезновение растений повлекло гибель прочих групп организмов в пищевой цепи.

Несколькими научными группами были построены модели, позволяющие оценить масштабы биологической катастрофы, вызванной резким изменением состояния атмосферы. Очевидно, что произошел также мощный выброс серы в воздух. Небольшое количество серы участвовало при этом в образовании серной кислоты, которая обрушилась на Землю кислотным дождем, что также могло стать непосредственной причиной гибели флоры и фауны, но более вероятным фактором представляется связанное с этим похолодание. Однако более опасным для биосферы могло стать сокращение уровня солнечной энергии (до 20 %), вызванное поглощением лучей атмосферной пылью. Такого затемнения вполне хватило, чтобы на десятилетие установились морозные или близкие к ним температуры, и это в мире, который непосредственно перед столкновением был в основном тропическим. Совершенно внезапно на Землю пришла очень долгая зима. Все это подтверждает первоначальную гипотезу Альвареса о том, что главной причиной вымирания послужило именно затемнение.

Итак, после столкновения с астероидом (около 10 км в диаметре) в атмосферу Земли поднялась пыль – много пыли[210]210
  J. Vellekoop et al., «Rapid Short-Term Cooling Following the Chicxulub Impact at the Cretaceous-Paleogene Boundary,» Proceedings of the National Academy of Sciences 111, no 21 (2014): 7537–7541. Обсуждение места падения и тенденций самого вымирания рассматривается во многих источниках, но мы порекомендуем следующий: P. Ward, Under a Green Sky: Global Warming, the Mass Extinctions of the Past, and What They Can Tell Us About Our Future (Washington, D.C.: Smithsonian. 2007).


[Закрыть], что привело к долговременному глобальному затемнению, а следствием этого стало изменение мирового климата. Понятно, что затемнение блокировало фотосинтез, к тому же сильно похолодало. Но существовал еще один угрожающий фактор, на который сначала не обратили внимания: огромные концентрации пыли в атмосфере сильнейшим образом повлияли на круговорот воды. Уровень мировых осадков снизился на 90 %, и такое положение дел сохранялось несколько месяцев, а еще полгода после этого уровень осадков составлял всего 50 % от нормы. Иными словами, на планете было темно, холодно и сухо – идеальные условия для массового вымирания, особенно для растений и животных, которые питаются растениями.

Наконец, помимо прочего, было учтено, что через несколько часов после столкновения на поверхность планеты с большой скоростью начали падать куски породы, которые побывали в ближайшем космосе, куда их забросило ударной волной, вернулись на Землю очень горячими и подожгли растительность. Последовал самый страшный за всю историю планеты глобальный пожар, который даже один, без других разрушительных явлений, мог уничтожить всех сухопутных динозавров.