Текст книги "Новая история происхождения жизни на Земле"

Автор книги: Джозеф Киршвинк

Соавторы: Питер Уорд
сообщить о нарушении

Текущая страница: 26 (всего у книги 31 страниц)

Летопись мел-палеогенового вымирания

Известно, что во время мел-палеогенового вымирания погибло около 75 % всех видов. На суше исчезли динозавры и распространились млекопитающие. В морях, если рассматривать потери мелового периода, исчезли аммониты, а в палеогене господствующее положение заняли улитки и двустворчатые. Впрочем, с развитием технологий и методов датировки становится все очевиднее, что мел-палеогеновая граница намного сложнее, чем предполагалось первоначально. Сейчас мы знаем, что было как минимум две волны вымирания меньших масштабов, которые предшествовали собственно великому мел-палеогеновому массовому вымиранию. Исследования нескольких последних лет продемонстрировали, что свою – всегда заметную – роль в вымираниях и на этот раз сыграли излияния базальта.

Окаменелостей динозавров не так уж и много на самом деле. Поэтому так сложно представить себе по-настоящему реальную картину их вымирания. Палеонтологическая летопись полна микроскопическими окаменелостями, их изучение внесло неоценимый вклад в доказательство теории столкновения Земли с астероидом (или кометой) как причины внезапного вымирания. Однако хотелось бы знать и о судьбе более крупных окаменелостей сухопутных и морских обитателей, а большинство изученных относятся к головоногим аммонитам, описанным в предыдущей главе.

Местом, где удобнее всего исследовать последних аммонитов, обитавших у экватора в позднем меловом периоде, является толстый слой соответствующих пород в Бискайском заливе – большая область отложений, протянувшаяся с юго-запада Франции к северо-востоку Испании. А лучше всего в этом регионе изучать скалистый берег возле старой баскской деревушки Сумая[211]211
  Обратите внимание также на потрясающий обзор нашего коллеги: D. Jablonski, «Extinctions in the Fossil Record (and Discussion),» Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series B 344. 1307 (1994): 11–17.


[Закрыть]. Там, подобно книжным страницам, открываются сотни метров породы возрастом от 72 до 50 млн лет. Границы периодов, отражающие массовое вымирание, открыты взору и очевидны, в том числе благодаря изменениям в литологии и цвете пород.

Возраст старейших отложений вдоль побережья, где находится Сумая, – около 71 млн лет. Породы состоят из отдельных слоев, от 15 до 30 см, каждый слой – парный, представляет собой сочетание более толстой известняковой части и тонкой глинистой прослойки с незначительным содержанием известняка. Тысячи и тысячи таких парных слоев когда-то отвердели и создали береговую линию. По типам породы и по ископаемым мы можем определить, что эти слои сформировались на относительно большой глубине моря, вероятно, в самом глубоком месте континентального шельфа, а может, даже на самом его краю, где-то между 200 и 400 м под водой.

Слои располагаются перпендикулярно основной линии берега и имеют сильный уклон к северу. С юга на север породы «молодеют». Очень крутой уклон пород и высокий прилив делают визиты к большей части данных отложений весьма затруднительными.

В начале пути по этой местности, непосредственно на пляже (и в самом начале истории этих пород), откуда начинается крутой – и единственный – подъем на скалы, окаменелости можно увидеть повсюду. Большинство из них – большие двустворчатые-иноцерамы, о которых мы писали в предыдущей главе, но также много аммонитов, морских ежей, имеющих форму сердца. Костей позвоночных не видно, нет и зубов акул, и, конечно, никаких динозавров, а ведь возраст этих морских отложений совпадает с возрастом тех образованных на суше пород, в которых окаменелости динозавров встречаются во множестве.

Больше всего вызывают удивление иноцерамы. Они достигают 60 см в диаметре и выглядят как плоские гигантские тарелки, располагаются рядом со своими более мелкими сородичами других видов. На сотни метров местных слоев их останки являются самыми многочисленными. Окаменелости легко можно найти в верхних и нижних границах слоев, особенно в верхних. Возле Сумаи есть где поохотиться за окаменелостями, они в огромных количествах находятся в слоях разных возрастов. Неожиданно исчезают большие двустворчатые – примерно в сотне метров ниже того уровня породы, где хорошо заметно вымирание аммонитов. Сами аммониты и морские ежи продолжают попадаться в изобилии дальше в верхних слоях, а затем совершенно внезапно тоже исчезают.

Работа на побережье Бискайского залива, поддерживаемая исследованиями других отложений мелового периода, позволяет установить, что двустворчатые-иноцерамиды вымирали постепенно в течение приблизительно 2 млн лет перед внезапным исчезновением аммонитов. Статистические методы, разработанные Чарльзом Маршаллом из Калифорнийского университета в Беркли, помогли самому Маршаллу и Питеру Уорду, одному из авторов этих строк, выяснить, что, по крайней мере, в данном регионе непосредственно перед падением астероида обитали 22 вида аммонитов, что подтверждается составом пород: иридий, ударный кварц, тектиты (маленькие стеклянные шарики метеоритного происхождения).

Любопытным фактом в истории вымирания иноцерамов является не то, что они погибли до аммонитов, а то, что их вымирание произошло в другое время и в другом месте. Например, последние иноцерамы в породах мелового периода в Антарктике не моложе 72 млн лет, то есть там они вымерли на 7 млн лет раньше аммонитов. Теперь мы знаем, что среди этих двустворчатых, обитавших когда-то по всему миру, вымирание видов происходило волнообразно, начиная с регионов Антарктиды и постепенно распространяясь к Северному полушарию. Такое вымирание было похоже на болезнь, медленно продвигавшуюся к северу и убивающую виды двустворчатых один за другим. Но это была не болезнь, это были холод и кислород.

В конце мелового периода в верхних южных широтах стала проявляться термохалинная циркуляция кислородного типа, и за 2 млн лет холодная, насыщенная кислородом вода со дна океана распространилась по всем морям, в направлении с юга на север. Это явление явилось фатальным для иноцерамов, и их исчезновение стало историческим событием, поскольку они процветали в течение 160 млн лет, но были приспособлены к обитанию совсем в других океанах – с низким содержанием кислорода и теплым морским дном. Холод и кислород их убили.

Просто столкновение?

Давайте подведем небольшой итог того, что нам известно о причинах мел-палеогенового массового вымирания. Произошло столкновение Земли с космическим объектом, это было одиночное событие, случилось вскоре (через 1–3 млн лет) после двух быстрых изменений уровня Мирового океана, в период между которыми значительно изменился и химический состав океана[212]212
  D. M. Raup and D. Jablonski, «Geography of End-Cretaceous Marine Bivalve Extinctions,» Science 260, 5110 (1993): 971–73; P. M. Sheehan and D. E. Fastovsky, «Major Extinctions of Land-Dwelling Vertebrates at the Cretaceous-Tertiary Boundary, Eastern Montana,» Geology 20 (1992): 556–60; R. K. Bambach et al., «Origination, Extinction, and Mass Depletions of Marine Diversity,» Palaeobiology 30, no. 4 (2004): 522–42. D. J. Nichols and K. R. Johnson, Plants and the K-T Boundary (Cambridge: Cambridge University Press, 2008); P. Ward et al., «Ammonite and Inoceramid Bivalve Extinction Patterns in Cretaceous-Tertiary Boundary Sections of the Biscay Region (Southwestern France, Northern Spain),» Geology 19, no. 12 (1991): 1181–84; также, обратите внимание: N. MacLeod et al., «The Cretaceous-Tertiary Biotic Transition,» Journal of the Geological Society 154, no. 2 (1997): 265–92. Также: P. Shulte et al., «The Chiexulub Asteroid Impact and Mass Extinction at the Cretaceous-Paleogene Boundaiy,» Science 327, no. 5970 (2010): 1214–18.


[Закрыть]. В результате столкновения на полуострове Юкатан возник большой (около 300 км в диаметре) кратер, названный Чуксулуб. Хотя все еще нет единого мнения относительно реального первоначального размера кратера, никто не сомневается, что это именно кратер. Геологические и географические особенности территории в месте столкновения могли усилить гибельные последствия, возникшие от удара. Это тем более вероятно, потому что серные испарения в том регионе и сера, содержавшаяся в самом космическом теле, могли увеличить масштаб катастрофы. По-видимому, падение астероида в неглубокое море, располагавшееся на экваториальных широтах, имело невероятно разрушительные последствия: изменения состава атмосферы на всей планете, падение температуры, кислотные дожди и пожары по всему миру. Многие (но не все) ученые также согласны с тем, что большие, грубые по фактуре отложения, состоящие из обломков пород, расположенные во многих местах вдоль восточного побережья Мексики, были сформированы ударными волнами от столкновения. Долгая зима, последовавшая за столкновением и вызванная затемнением в результате стремительного наполнения атмосферы пылью, послужила основным фактором гибели живых организмов.

Модель атмосферных изменений, последовавших за падением астероида, также учитывает, что пыль, в больших концентрациях поднявшаяся в атмосферу, вызвала затемнение, а это привело к тому, что уровень света резко снизился, поэтому ослабился или вовсе прекратился процесс фотосинтеза. Большая концентрация пыли в атмосфере также повлияла на круговорот воды на Земле. Согласно климатологическим исследованиям, после столкновений планеты с большими небесными объектами средний общемировой показатель осадков снижается более чем на 90 % и на несколько месяцев остается в таком состоянии, а потом в течение полугода не превышает 50 % от нормы. Последствия всех этих явления для биосферы хорошо известны[213]213
  V. Courtillot et al., «Deccan Flood Basalts at the Cretaceous-Tertiary Boundary?» Earth and Planetary Science Letters 80, nos. 3–4 (1986): 361–74; C. Moskowitz, «New Dino-Destroying Theory Fuels Hot Debate,» space, com, October 18, 2009.


[Закрыть].

А что же базальт?

Выше мел-палеогеновое вымирание представлено как комплекс последствий одного события. На Землю что-то упало, и это падение привело к изменениям в окружающей среде, достаточным, чтобы уничтожить более половины всех видов. Все просто, но есть один момент, который не дает покоя. Земля столкнулась с астероидом в период своей невиданной вулканической активности, сопровождавшейся излиянием базальта. Это событие произошло в области, которая теперь называется «Деканские траппы». Из недр Земли на поверхность вышли многочисленные тонны базальта. Примерно 84 млн лет назад массы расплавленной породы отделились от мантии и стали подниматься сквозь земную кору, этот процесс занял около 20 млн лет. Это движение внутри планеты попутно вызвало ряд истинных перемещений полюсов (реакция вращающейся планеты на смещение веса в областях, близких к ее поверхности). Быстрые перемещения в масштабе планеты могли привести к нарушению баланса в некоторых экосистемах. Например, большая часть западной Канады и Аляска, по-видимому, до периода 84 млн лет назад находились на тех же широтах, что и Мексика, но в конце мезозоя оказались довольно далеко оттуда.

Самым важным последствием излияний базальта, как уже было несколько раз показано нами в данной книге, являлось насыщение атмосферы углекислым и другими парниковыми газами. Земля быстро потеплела на полюсах, в высоких широтах и, хотя и не так быстро, – на экваторе. Эти условия послужили причиной так называемого парникового вымирания: большое излияние базальта вызывает сильное потепление в высоких широтах, что приводит к значительному уменьшению концентрации кислорода в океане, к поверхности океана начинают подниматься насыщенные сероводородом и потому токсичные глубинные воды – живые организмы погибают, что и произошло в девоне, перми и позднем триасе. Маленький гнусный секрет геологов заключается в том, что мы очень долго не хотели раскрывать истинных причин тех массовых вымираний. Кому охота признавать, что биологическая катастрофа произошла из-за вонючего сероводорода, тогда как есть красивый кратер от упавшего астероида?

Наука тем не менее все расставляет по своим местам, если предмет изучения достаточно интересный. Поэтому стоит вспомнить еще несколько интересных вопросов относительно того, почему динозавры (да и не только они) вымерли 65 млн лет назад. Например, почему воздействие Деканских траппов[214]214
  T. S. Tobin et al., «Extinction Patterns, δ¹⁸ O Trends, and Magnetostratigraphy from a Southern High-Latitude Cretaceous-Paleogene Section: Links with Deccan Volcanism,» Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 350–52 (2012): 180–88.


[Закрыть] на биосферу тех времен не так очевидно, как в случаях с другими излияниями базальта, принесшими столько разрушений и погубившими столько видов?

На самом деле Деканские траппы произвели огромные разрушения. Возможно, самым ярким доказательством этому является, простите за нескромность, результат нашей работы в Антарктике. В 2012 году один из наших студентов, Том Тобин, показал, что действительно имело место потепление океана приблизительно за сотню тысяч лет до столкновения с астероидом, и вымирание видов вследствие этого действительно произошло. Глобальное потепление как один из конечных результатов излияния базальта заметнее проявляется в высоких широтах планеты. Тропики уже достаточно жаркие, какими им и полагается быть. В нашем современном мире мы наблюдаем как раз такую картину – Арктика и Антарктика подвергаются потеплению в большей степени, а вместе с тем и более заметному разрушению экосистем.

Все верно, в нас врезался большой астероид, и это привело к мел-палеогеновому вымиранию. Однако до этого события в течение сотен тысяч лет мир становился теплее из-за излияния базальта. Мы можем закончить эту главу избитой «боксерской» метафорой: нокаут по определению – это один мощный удар, но очень редко один первый удар, не важно, насколько он силен, приводит к нокауту, сначала может состояться несколько раундов, с выпадами и ударами по корпусу. Деканские траппы «измотали» биосферу, астероид нанес решающий удар.

Глава 17
Третья эра млекопитающих:
65–50 миллионов лет назад

Самыми первыми из известных в истории млекопитающих были существа размером не больше крота, которых назвали морганукодонами, они обитали около 210 млн лет назад в позднем триасе. Хотя эти животные находились на периферии экосистем и опасались рыскающих повсюду хищных динозавров, но, в отличие от последних, каким-то образом выжили во время мел-палеогенового массового вымирания. Через некоторое время к морганукодонам присоединились и другие примитивные, но тем не менее «настоящие» млекопитающие. Все современные млекопитающие, включая человека, являются потомками одной группы, пережившей мел-палеогеновую биологическую катастрофу. Когда рухнул мир динозавров, планета подверглась нашествию крыс. По крайней мере, это были существа, по размеру и форме похожие на крыс[215]215
  Лучшей работой в области палеонтологических исследований позвоночных долгое время оставалась книга Роберта Кэрролла «Vertebrate Paleontology and Evolution» (New York: W. H. Freeman and Company, 1988). Существует также недавняя публикация о том, что в своей книге мы называем «третьей эрой млекопитающих»: O. R. P. Bininda-Emonds et id. «The Delayed Rise of Present-Day Mammals,» Nature 446, no. 7135 (2007): 507–11: Z.-X. Luo et al., «A New Mammaliaform from the Early Jurassic and Evolution of Mammalian Characteristics,» Science 292, 5521 (2001): 1535–40.


[Закрыть].

Палеонтологи долгое время полагали, что предки всех современных млекопитающих произошли из одной области северных материков, а когда в мезозое Пангея медленно начала распадаться, те первые млекопитающие мигрировали к югу, к Антарктике и Австралии, по сухопутным перемычкам между континентами. Представьте себе потеки краски, стекающей по земному шару с севера на юг – так раньше представляли себе распространение млекопитающих по миру. Однако от этой теории пришлось отказаться, как и от многих других, по мере накопления исследовательского материала, собранного благодаря ископаемым находкам и данным генетики. Теперь все выглядит наоборот: млекопитающие мигрировали с юга на север, постепенно «модернизируясь». Совершенно новые образцы ископаемых подтверждают, что на юге более развитые млекопитающие появились раньше, чем в северных областях.

Генетические исследования показывают, что XXI век – век научных сюрпризов[216]216
  J. R. Wible et al., «Cretaceous Eutherians and Laurasian Origin for Placental Mammals Near the K-T Boundary,» Nature 447, no. 7147 (2007): 1003–6; M. S. Springer et al., «Placental Mammal Diversification and the Cretaceous Tertiary Boundary,» Proceedings of the National Academy of Sciences 100, no. 3 (2002): 1056–61.


[Закрыть]. Вот три главных. Во-первых, крупнейшие «группы» млекопитающих – 18 существующих сегодня отрядов, а также некоторые из подотрядов и даже семейств на самом деле появились задолго до исчезновения динозавров, а это опровергает давно утвердившийся взгляд, что время развития данных групп – не ранее конца мел-палеогенового вымирания. Образцы окаменелостей демонстрируют, что большинство современных групп появились около 60 млн лет назад, после гибели динозавров, но, по данным молекулярных исследований, получается, что развитие разнообразия видов млекопитающих началось около 100 млн лет назад[217]217
  K. Plelgen, «The Mammal Family Tree,» Science 334, no. 6055 (2011): 458–59.


[Закрыть].

Во-вторых, важнейшие эволюционные изменения и появление разнообразных таксономических групп произошли на южных континентах, а не на северных.

В-третьих, многие группы казались очень и очень дальними родственниками, а на деле вышло, что они чрезвычайно близки. Например, палеонтологи всегда считали, что летучие мыши входят в тот же подотряд, что и тупайи, шерстокрылы и приматы. Генетические данные тем не менее сближают летучих мышей с коровами, свиньями, кошками, лошадьми и китами. Киты, в свою очередь, сегодня известны тем, что происходят от животных, близких свиньям, а не тем существам, от которых произошли тюлени.

Своим эволюционным успехом млекопитающие обязаны особым изменениям в анатомии, в том числе отделению челюсти от ушных костей, что позволило черепу более поздних млекопитающих раздвинуться в стороны и назад, то есть обеспечить место для более крупного мозга. Впрочем, самое важное новшество – эволюция зубов: верхние и нижние коренные зубы морганукодонов сцеплялись таким образом, что эти животные могли расчленять пищу на более мелкие части.

Современные млекопитающие делятся на две основные группы: более древние сумчатые, у которых детеныши рождаются совсем крошечными и затем донашиваются в особой сумке, и более поздние потомки древних предков – плацентарные млекопитающие. Новые исследования ДНК позволяют определить, что плацентарные возникли от сумчатых не позднее 175 млн лет назад[218]218
  Q. Ji et al., «The Earliest Known Eutherian Mammal,» Nature 416, no. 6883 (2002): 816–22.


[Закрыть]. Это же подтверждают и ископаемые, особенно находки из Китая[219]219
  Z.-X. Luo et al., «A Jurassic Eutherian Mammal and Divergence of Marsupials and Placentals.» Nature 476, no. 7361 (2011): 442–45.


[Закрыть] – там обнаружены совершенно неизвестные до недавнего времени ископаемые останки первых плацентарных, которые подтверждают сведения генетических исследований. Этому ископаемому существу, названному «эомайя», 125 млн лет, а это значит, что первые плацентарные начали появляться еще в юрском периоде[220]220
  K. Jiang, «Fossil Indicates Hairy, Squirrel-sized Creature Was Not Quite a Mammal,» Chicago News, August 7, 2013; C. F. Zhou, «A Jurassic Mammaliaform and the Earliest Mammalian Evolutionary Adaptations,» Nature 500 (2013: 163–67).


[Закрыть].

Самая древняя группа существующих сегодня плацентарных животных включает слонов, трубкозубов, ламантинов и даманов[221]221
  Z.-X. Luo, «Transformation and Diversification in Early Mammal Evolution,» Nature 450, no. 7172 (2007): 1011–19.


[Закрыть]. Когда Африка отделилась от Пангеи, с ней вместе откололись и эти животные и развивались своим путем десятки миллионов лет. Также от Евразии и Северной Америки отделилась Южная Америка и стала родиной ленивцев, броненосцев и муравьедов. На северных континентах появились самые молодые плацентарные из всех, в том числе тюлени, коровы, лошади, киты, ежи, грызуны, обезьяны и… люди.

Если основное разнообразие млекопитающих возникло до мел-палеогенового вымирания, то самое заметное преобразование – увеличение размеров – произошло уже после этого события В течение 270 тысяч лет млекопитающие становились все крупнее и многообразнее, хотя по-настоящему крупные животные среди них появились только 55 млн лет назад. Затем одновременно произошли два события: постепенное повышение среднемировой температуры и широкое распространение лесов по всей планете, даже у полюсов. Этот скачок в развитии растений, возможно, стал дополнительным толчком к распространению разнообразных видов млекопитающих.

Жизнь на суше в палеоцене

Палеоцен – особая эпоха палеогена – существовал только благодаря мел-палеогеновому вымиранию. Причина и следствие того массового вымирания были абсолютно неравноценными, а мир после него стал совсем-совсем другим, и причем на многих уровнях.

После исчезновения динозавров, которые властвовали над миром живой природы очень долгое время, безусловно, должен был возникнуть целый спектр новых экологических отношений. Исчезновение множества сухопутных животных произошло очень быстро, и поэтому появление новых форм напоминало весенний поток – так много новых видов возникло за короткий период времени. Очевидно, что млекопитающие стали самыми удачливыми организмами в игре на выживание на суше. Впрочем, вернулись и птицы и какое-то время соперничали с млекопитающими за наземные ресурсы.

Падение астероида серьезно повлияло на воздействие океана на сухопутные среды обитания. В течение тысяч лет экосистемы испытывали последствия того события, климат был нестабилен, а к этому добавлялось небольшое общее похолодание как на суше, так и в океане. Биосфера, разумеется, также подвергалась значительным изменениям. Например, гибель динозавров привела к тому, что лесов стало больше, и они стали гуще. Современные слоны, в силу своих пищевых привычек, заметно прореживают леса в местах своего обитания, и динозавры, скорее всего, делали то же самое. Но когда динозавров не стало, леса уплотнились и разрослись.

К концу палеоцена, более чем через 7 млн лет после катастрофы и мел-палеогенового вымирания, стабилизировался мировой климат. Планета медленно потеплела. По состоянию изотопов кислорода мы можем заключить, что температура экваториальных вод в верхних слоях достигала 20 °C, а в некоторых местах – и 26 °C, то есть ситуация было очень схожа с современным температурным режимом морей на тех же широтах. Однако в более высоких широтах мир того периода сильно отличался от современного. В Арктике и Антарктике температура верхних слоев океана достигала 10–12 °C, в то время как сегодня она близка к показателю замерзания воды. Таким образом, разница между температурами от экватора к полюсу составляла 10–15 °C, что в два раза меньше современного состояния. Тем не менее, несмотря на разницу температурных режимов, циркуляция воды в океане в то древнее время во многом совпадала с нынешней. Самое главное, насыщенные кислородом массы воды, которые рано или поздно оказывались у дна, формировались в высоких широтах, как это происходит и сегодня.

После мел-палеогенового вымирания потребовалось несколько миллионов лет, чтобы выжившие млекопитающие выросли достаточно большими и смогли оказывать заметное влияние на растительную жизнь. Существует много попыток изобразить маленьких млекопитающих размером с крота, которые глядят из своих убежищ-норок на разлагающиеся трупы динозавров. В течение нескольких месяцев те млекопитающие, которые могли питаться падалью, жили как в раю. Но совсем скоро остались только кости, а затем исчезли и они, что заставило всех млекопитающих включиться в новую, до этого неизвестную в природе пищевую цепь и бороться за выживание. Это случилось до того, когда появилась трава, поэтому травоядные раннего палеоцена питались листьями и плодами, но никак не паслись на лугах. Кажется, тех, кто ел листья, тоже было немного. Строение большинства найденных зубов млекопитающих эпохи палеоцена доказывает, что их диета в основном включала насекомых, плоды и мягкие молодые побеги, но вряд ли жесткие листья. Некоторые организмы поедали корни и клубни. Лишь во второй половине названной эпохи появляется больше обладателей зубов, пригодных для поедания листьев. Тем не менее работу эволюционного мотора, перезапуск которого произошел после мел-палеогенового вымирания, уже было не остановить. Затем, через 9 млн лет после вымирания, биосфера снова столкнулась с серьезной проблемой.