Текст книги "Тайны прошлого в глубинах времен"

Автор книги: Иван Ефремов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 6 страниц)

Иван Антонович Ефремов,
доктор биологических наук, профессор
Тайны прошлого в глубинах времен

Что такое геологическая летопись

Среди всех планет Солнечной системы Земля отличается особенностями, наиболее благоприятными для развития жизни. Эти особенности определяют изменения ее поверхности или геологические процессы.

Размеры планеты – ее масса, достаточно велики, чтобы собственным тяготением удержать вокруг себя толстую атмосферу из легких газов, которые в другом случае улетели бы в межзвездное пространство. Расстояние Земли от Солнца достаточно близко, чтобы ее поверхность получала большое количество тепла и в то же время настолько велико, что солнечные лучи не перегревают планеты, давая возможность водяным парам конденсироваться в водяную оболочку – гидросферу. Более близкие к Солнцу планеты Меркурий и Венера перегреты, более далекие – заморожены.

После охлаждения Земли, как только на ней образовалась постоянная твердая кора и водяные пары выпали из атмосферы, создав Мировой океан, на нашей планете установились условия, благоприятные для формирования осадочных пород и развития жизни. Появление жизни на Земле не случайно – климатические условия и обилие воды создали среду, в которой могли возникать и быть устойчивыми сложнейшие молекулы типа белковых соединений, впоследствии давшие живые организмы.

Атмосфера Земли служит тепловой изоляцией, предохраняя поверхность планеты от резких охлаждений и перегревов, подобно толстой шубе, а также является надежной защитой против разрушительных излучений Солнца (ультрафиолетовых и рентгеновских лучей) и космоса.

До того времени, когда на Земле появилась твердая и устойчивая земная кора, поверхности Земли, в том смысле, как мы ее понимаем сейчас, не существовало. Под воздействием силы тяжести химические соединения и элементы различного удельного веса располагались концентрическими оболочками: более тяжелые – в центральных частях, легкие – в периферической области. Все это окутывалось обширной атмосферой из газов и паров легкоплавких элементов. Переходы между отдельными оболочками были незаметны – постоянно происходили сложные химические реакции, тепловые токи и перемещения. Вполне понятно, что в таких условиях не могло быть каких-либо устойчивых, долговременных образований, способных сохраниться до нашего времени.

Этот период истории Земли может быть сравнен с доисторическим периодом жизни человечества – не существовало никаких достоверных документов и записей, могущих служить надежным источником для исследователя.

Исследования этого периода выполняются методами физико-химии. Астрофизика, геофизика, геохимия – вот те науки, которые могут пролить свет на историю этого, наиболее древнего времени существования Земли. Геология не имеет на руках фактов, документов, чтобы своими методами осветить раннюю историю нашей планеты.

Дальнейшее охлаждение Земли, распределение составляющих ее химических элементов и прекращение бурных физико-хнмичееких реакций привели к образованию твердой, устойчивой земной коры. Едва только земная кора твердым панцирем навеки одела планету и образовала постоянную поверхность между газовой оболочкой и твердыми химическими веществами, как водяные пары покрыли кору водами Мирового океана.

Само собой разумеется, что мы не должны представлять себе земную кору каким-то внезапно возникшим и сразу ставшим устойчивым образованием. Это был очень длительный процесс возникновения отдельных затвердевших участков, которые становились все больше, местами неоднократно распадались или расплавлялись.

Даже после выпадения воды, безусловно, имели место случаи нарушения твердой земной оболочки в различных местах. Для нас важен момент окончательного становления земной поверхности – появление постоянной твердой поверхности планеты и образование океана. С этого момента и начинается геологическая история Земли, а многие миллионы лет спустя – и история жизни.

Момент, когда на земной поверхности появилось в результате очень длительных химических процессов живое вещество, мы можем считать начальным этапом эволюции – великой и непрерывной цепи развития живых существ, приведшей в конце концов к появлению мыслящего существа – человека.

Мы не можем точно датировать время появления жизни на Земле. Во всяком случае это произошло не менее 2 миллиардов лет назад.

За протекший до наших дней громадный промежуток времени поверхность Земли претерпевала бесконечные изменения. Колебательные движения земной коры то выдвигали новые материки, то погружали сушу на дно моря. На материках вздымались огромные горные цепи, увенчанные вечными снегами и ледниками. Вода, ветер и Солнце разрушали эти горы, выравнивая земную поверхность. Реки сносили в моря и материковые впадины огромные количества горных пород: глины, песка, извести. Новые движения земной коры создавали горные хребты, в конце концов тоже размывавшиеся и ложившиеся в размельченном состоянии в виде слоистых пород, осажденных в воде, или, как говорят геологи, осадочных горных пород.

Осадочные породы в отличие от изверженных всегда залегают слоями определенной толщины. Каждый слой соответствует какому-либо отреэку геологического времени, в течение которого он отлагался.

Таким образом, колоссальные массы осадочных пород, накопившиеся на Земле с древнейших времен, соответствуют как бы стопе листов гигантской книги, постепенно накладывавшихся один на другой. Каждый такой слой хранит в себе некоторые особенности, отличающие его от других подобных. По форме и распределению зерен отдельных минералов, по содержанию различных химических веществ, по сложению и окраске мы можем проследить весьма тонкие различия между породами. Эти различия являются отражением тех физико-географических условий, тех механических и химических процессов, которые имели место во время отложения данного слоя породы. Прослеживая эти особенности, мы можем составить представления о ходе геологических процессов в чрезвычайно древние периоды существования Земли.

Условия образования осадочных пород, отраженные в особенностях их строения и химического состава, и есть те письмена, на слоях-листах великой книги природы, по которым мы можем читать историю нашей планеты. Эта задача выполняется исторической геологией при помощи литологии – науки, специально занимающейся изучением осадочных пород.

Но история поверхности нашей планеты неотделима от истории развития жизни на Земле. Как только жизнь в своем развитии достигла того уровня, при котором вместо бесформенных комочков живого вещества возникли независимо действующие и сложные организмы, она повсеместно распространилась. Вся великая постепенная эволюция жизни теснейшим образом связана с эволюцией земной поверхности, с постоянными изменениями лика Земли.

Представим себе, что в силу каких-либо особенных условий земная кора, отвердев, застыла бы навсегда в виде сравнительно ровной поверхности. Тогда общее количество воды, имеющееся на поверхности, распределилось бы равномерно, покрыв всю Землю слоем в два с лишним километра и образовав единый Мировой океан без малейшего участка суши. В таких условиях никогда бы не было наземной жизни, не могли бы появиться дышащие воздухом животные и наземные растения. Вся эволюция жизни приняла бы существенно иной характер.

Но в истории Земли движения земной коры, поднимавшие материки и углублявшие моря, вместе с тем создавали большое разнообразие физико-географических условий. Высокие горы с вечными снегами дают воду даже пустыням, плоскогорья имеют сухой климат даже среди влажных климатических областей. Форма поверхности как материка, так и дна моря, или, как говорят ученые, рельеф земной поверхности, создает самые разнообразные условия для живых существ, обитающих в данной области. Но поверхность Земли, ее рельеф бесконечно изменялись в геологических процессах. Вместе с тем изменялись и физико-географические условия для живых существ.

Если бы мы могли записать изменения Земли на кинопленку и пустить ее с огромной скоростью, мы увидели бы, как пробегали, сменяясь, материки, моря, пустыни, горы, озера, болота, соленые лагуны и могучие реки. Эти великие перемены помогали жизни эволюционировать, развиваться, толкали ее на путь бесконечно долгих и непрерывных изменений.

Вот почему мы говорим, что история жизни неотделима от истории Земли.

Осадочные породы почти всегда сохраняют в себе остатки тех животных или растений, которые жили на Земле в то время, когда образовался данный слой или пласт породы. Следовательно, слои содержат в себе документы истории жизни – сохранившиеся отпечатки, окаменелые остатки, раковины или кости. Расшифровкой этих письмен путем изучения ископаемых органических остатков занимается другая наука – палеонтология.

Очень распространены представления о том, что остатки вымерших ископаемых животных и растений представляют большую редкость. Это утверждение, почему-то сохранившееся со времени первых шагов геологии, нужно считать неправильным. Знаменитые песчаники на берегах Северной Двины содержат целые скелеты громадных ящеров с очень толстыми костями; в известняках Подмосковья множество морских раковин, зубов древних акул и скоплений кораллов; крутые красивые скалы Крыма состоят из остатков мелких морских животных. Почти на каждом шагу, в каждом обрыве, состоящем из древних песчаников, глин, известняков, мы наталкиваемся на окаменелые остатки древней жизни. Современная наука отводит большую роль образованиям органического происхождения в составе осадочных пород земной коры. В народном хозяйстве скопления органических остатков минувших геологических эпох имеют гигантское значение. На обширной территории Советского Союза мы имеем миллиарды тонн каменного угля в Донбассе, Кузбассе, Подмосковье, на Урале, Сибири, Дальнем Востоке. Огромные количества нефти, газа, горючих сланцев, фосфоритов – также продукты превращения колоссальных скоплений органического вещества.

Значительную часть всех осадочных пород составляют такие породы, которые возникли в результате жизнедеятельности различных организмов. Целые горные хребты заполнены раковинными или коралловыми известняками, напластованиями известняков, мела, кремнистых н других сланцев нередко в несколько километров толщины, а зачастую и остатками скорлупок мельчайших морских животных.

Равным образом многие важнейшие в экономическом отношении месторождения марганцевых и железных руд возникли в результате деятельности бактерий в прошлые геологические эпохи.

Действительно, редко встречаются остатки наземных животных, но подчас и они образуют большие скопления. На территории Казахстана, Киргизии и Узбекистана встречаются огромные скопления костей вымерших исполинских ящеров-динозавров. Для примера, одно из них, расположенное в низовьях р. Чу, достигает 40 км в длину при ширине от 5 до 10 км. Здесь нагромождены миллионы тонн окаменелых костей.

В северных районах европейской части Союза среди триасовых пестроцветных пород находится тонкий прослой песчаника, содержащего множество костей древнейших земноводных – стегоцефалов. Площадь распространения этого пласта захватывает тысячи квадратных километров, и количество погребенных в нем костей неисчислимо.

Значение ископаемых органических остатков очень велико и не только для изучения истории самой жизни, но и для исследования развития нашей планеты в смене геологических эпох.

Сравнивая ископаемые остатки, встреченные в различных слоях, мы можем установить относительную древность тех или других отложений, выяснить их геологический возраст и восстановить последовательность найденных страниц летописи. С другой стороны, по облику животных и растений, встречаемых в осадочных породах, мы можем судить об образе их жизни и тем самым восстановить те физико-географические, зачастую и химические, условия, в которых происходило отложение данных пород.

Окаменелые кораллы говорят нам о бывших теплых, тропических морях; превращенные в камень стволы деревьев, сохранившие еще годовые слои, свидетельствуют о смене зим и лет, то есть об умеренном климате; отпечатки колючих растений, – о древних, исчезнувших степях и пустынях… Примеров, подобных этим, можно привести бесчисленное количество.

Такова в общих чертах сущность геологической летописи и общий характер документации истории поверхности Земли. Очевидно, что в идеальном случае непрерывной последовательности напластований осадочных пород в каких-либо областях земного шара мы имели бы полную книгу истории Земли. Все страницы этой книги были бы сложены в последовательном порядке и, так сказать, пронумерованы теми ископаемыми остатками, которые сохранились бы в пластах. Проследить историю Земли и жизни в этом случае было бы сравнительно нетрудным делом.

На самом деле такой геологической документации в действительности не существует и существовать не может. Мы говорили уже о беспрерывных изменениях, которым подвергалась поверхность Земли в течение невообразимо долгих промежутков геологического времени. В этих изменениях накапливавшиеся в морских впадинах слои, состоящие из продуктов размыва материков и гор, в результате движений земной коры смыкались в складки и, выдвигаясь вверх, сами становились горами. Другие области накопления осадочных пород погружались в глубокие зоны земной коры, где под воздействием высокой температуры и колоссального давления полностью изменяли свой прежний облик, перекристаллизовывались, метаморфизовались (метаморфоз по-гречески – превращение). Новые движения земной коры выдвигали их опять на поверхность, в то время как другие породы, отложившиеся на материках, погружались на морское дно. Выдвинутые наверх и образовавшие сушу или горные цепи породы энергично размывались, разрушались и входили в состав новых осадков более позднего времени. В образовавшиеся разломы и трещины земной коры внедрялись расплавленные глубинные породы, образуя большие массивы, жилы или пластообразные излияния, изменяя окружающие породы действием своей температуры и химических испарений.

Эти движения земной коры, или тектонические движения, изучаются особым отделом геологии, называемым геотектоникой. Тектонические движения отражают физико-химические реакции в глубинах земли и вечную перетасовку листов геологической летописи на земной поверхности.

Нельзя забывать, что все современные материалы, на которых мы изучаем геологическую летопись, составляют лишь 29 % изучаемой поверхности. Остальные 71 % скрыты под водами морей и океанов. Равным образом современные материки, в смысле своего геологического строения, представляют собой мозаику из разновременных и разнокачественных геологических отложений. В их состав входят обломки древних материков наиболее ранних эпох существования твердой земной коры, уплотненные, смытые в складки отложения древних морских впадин, пронизанные изверженными породами. Эти древние породы прикрыты более поздними отложениями, часть которых размыта и снесена в океан, а другая часть опущена во впадины и покрыта толщей новейших рыхлых отложений.

На геологических картах породы разных периодов истории Земли обозначаются различными красками. Какой пестрый и сложный узор представляют собой сочетания различных формаций горных пород! Такова эта великая книга в действительности.

Исполинские силы, изменяющие нашу Землю, разброшюровали книгу, уничтожили целые пачки ее листов, смяли и оборвали другие, спрятали под водой значительную часть.

В этом виде чтение нашей книги очень затруднено. Но могучий ум человека в своем неуклонном стремлении к познанию природы не останавливается перед, казалось бы, непосильной задачей, медленно, но верно продвигаясь вперед в восстановлении истории Земли и жизни.

Как научились читать историю земной коры

В предыдущей главе мы пытались окинуть взглядом великую книгу природы. Но и это самое общее представление могло сложиться только в результате упорного труда выдающихся умов как основателей геологической науки, так и оставшихся неизвестными скромных тружеников: мастеров горного дела, землемеров, рудоискателей – бескорыстных наблюдателей.

Геология как наука еще очень молода. Она окончательно оформилась как отдельная, самостоятельная отрасль знания лишь в начале прошлого столетия и существует, таким образом, менее полутора веков.

До этого времени даже наиболее высоко поднявшиеся в культурном отношении народы имели лишь смутное представление о геологической летописи.

Такое состояние знаний не случайно: запутанность и отрывочность великой книги природы затрудняли осмысливание исторического развития Земли. Чтобы научиться ее читать, человечеству пришлось проделать большой путь общего развития и освободиться от предрассудков.

На десятки столетий задержали развитие науки религиозные представления как древнего, так и нового времени. В каждом из них, – возьмем ли мы вавилонские сказания об Издубаре, или греческий миф о Девкалионе, или библейскую историю о всемирном потопе, – мы видим представление о быстром сотворении окружающего мира и затем уничтожение всей прежней жизни всемирным потопом, после которого возникает современный исторический мир.

Это представление долго господствовало в умах людей, и даже геология в течение длительного периода не могла вполне от него отделаться. Очень медленно в человеческие умы проникало понятие об огромной длительности геологического времени, о специфичности, неповторимости изменений поверхности Земли и, наконец, о длительной эволюции органического мира, в результате которой появился человек, как звено в бесконечной цепи развития.

Более или менее достоверные представления о геологическом развитии, дошедшие до нас в письменных источниках, мы находим у древних греков. Ксенофан, живший в VI веке до н. э., писал о нахождении морских раковин в горах, далеко от моря, и делал из этого правильный вывод о затоплении суши морем в древние времена.

Аристотель (IV век до н. э.) в своей «Метеорологии» высказал поразительную по своей проницательности мысль. Одни и те же места не остаются всегда землею, либо всегда морем. Море приходит туда, где прежде была суша; суша вернется туда, где теперь мы видим море. Еще более замечательным было утверждение Аристотеля, что эти изменения следуют одни за другими в известном порядке и представляют какую-то периодичность. Вместе с этими правильными представлениями Аристотель оказал плохую услугу делу познания геологической летописи, утверждая, что раковины сами зарождаются во влажной земле «от теплоты воздуха». Это абсолютно неверное, фантастическое утверждение господствовало в течение очень долгого периода и особенно было принято в средние века как удобное для богословской софистики. Живший на 2 столетия позже Аристотеля известный географ Страбон уже говорил, ссылаясь на находки морских раковин в горах, о колебательных движениях земли и о возникновении новых материков и островов.

После античного периода в течение всего средневековья познание геологической летописи нисколько не продвинулось вперед. Известные еще в древности находки морских раковин в горах объяснялись особым возникновением сходных с животными минералов под воздействием звезд и другими, столь же нелепыми обстоятельствами.

Только великий ученый и художник Леонардо да Винчи воскресил и дополнил правильные представления античных ученых. Он считал, что изменения суши и моря были не внезапны, а происходили постепенно, в течение долгих лет, подобно тому, как происходят и теперь. Отсюда Леонардо да Винчи делает вывод, что ископаемые раковины не попали в горы вследствие наводнений, а являются предшественниками ныне живущих.

Датчанин Стенон во второй половине XVII века уже сравнивает ископаемых животных с современными, различает морские слои от слоев, образовавшихся в пресных водах, и отмечает, что одни слои пород залегают горизонтально, в то время как другие наклонены вследствие действия подземных сил.

Наш великий ученый Ломоносов в своем сочинении «О слоях Земли» значительно опередил современную ему геологическую мысль. Ломоносов уже представлял себе периодические наступления моря на сушу – морские трансгрессии и связывал их с медленными движениями земной коры. Он связывал происхождение гор, континентов и морских пучин с внутренними слоями Земли – «жаром земной утробы». В начале своего сочинения Ломоносов впервые дает анализ земного рельефа, говорит о его происхождении и зависимости от подъема больших участков земной коры. Такие перемены, по выражению Ломоносова, произошли на свете не за один раз, но случались в разные времена, несчетным множеством крат, ныне происходят и едва ли когда перестанут. В этом сочинении Ломоносова мы видим все основы современных геологических представлений и впервые ясно очерченную мысль о большой продолжительности геологического времени.

Но Ломоносов слишком ушел вперед от современного ему, уровня науки и высказанные им взгляды получили признание только после появления труда эдинбургского натуралиста Хеттона «Теория Земли» в 1788 году, во многом уступавшего по широте взглядов труду Ломоносова.

В самом начале XIX века английский землемер Уильям Смит на основании наблюдений над различными слоями осадочных пород обнаружил, что даже для удаленных друг от друга осадочных пластов можно восстановить последовательный порядок напластования, изучая находящиеся в них остатки животных или растений. Основываясь на сходстве или различии погребенных в слоях органических остатков, можно решить вопрос о возрасте слоев. Открытие Смита дало науке возможность читать геологическую летопись. Он нашел способ определять исторический порядок напластования и горизонтальное распространение пород на больших участках земной коры. Смит же предложил отмечать на карте распространение слоев, а также составлять профили или вертикальные размеры земной коры. Так родилась геологическая карта.

Почти одновременно знаменитый французский ботаник и зоолог Ламарк с невиданной доселе ясностью поставил вопрос о значении геологии, геологической летописи для познания истории развития органического мира. Он первый понял, что изучение современных животных и растений не может быть полноценным без изучения древних форм, погребенных в слоях земной коры.

Ламарк считал, что по ископаемым органическим остаткам мы можем судить не только об истории жизни, но и об истории самой Земли. В своей «Гидрогеологии» с удивительной смелостью и проницательностью он отвергает общепризнанный по библейским данным шеститысячный возраст Земли, утверждая, что древность земного шара так велика, что для человека нет никакой возможности оценить ее. Ламарк указал, что для природы время ничего не значит, она всегда имеет его в своем распоряжении и с помощью его производит и самое великое и самое малое. Так постепенно он приходит к представлению о медленном совершенствовании, эволюции живых существ в течение геологических периодов истории Земли.

Великий основатель палеонтологии французский ученый Кювье положил начало точному научному изучению, определению и описанию ископаемых животных. С работами Кювье изучение геологической летописи быстро двинулось вперед. Огромное количество научных фактов и наблюдений, строго систематизированных и объясненных, влилось в фонд геологических знаний, дав основу для развития геологии и палеонтологии в XIX веке. К сожалению, Кювье не принял высказанного Ламарком представления о постепенном и непрерывном развитии органического мира. Он создал теорию катастроф – периодически повторяющихся всеобщих изменений на поверхности Земли, в результате которых все живое погибало и вновь возрождалось новыми творческими актами. Эта теория долго процветала, препятствуя эволюционному учению. Отголоски теории катастроф и поныне встречаются в современных научных работах, разумеется, в сильно модернизованном виде.

Любопытно отметить, что в опубликованных Кювье и его помощником Броньяром работах имеются данные о постепенном исчезновении древних форм животных и смене их в более высоких слоях новыми, близкими к современным. Таким образом, эти палеонтологические исследования говорят об идее постепенного, эволюционного развития жизни, а не о теории катастроф.

В первой половине XIX века английские геологи, особенно Мурчисон и Седжвик, разрабатывают геологическую хронологию, устанавливая постепенную смену одних крупных осадочных пород другими во времени. К 40-м годам в работе англичанина Джона Филипса мы имеем уже законченную в основных чертах геологическую хронологию всех осадочных напластований с подразделениями на эры, периоды и ярусы, близкую к принятой в настоящее время (см. таблицу).

В той же первой половине XIX века великий английский геолог Ляйель опубликовал свои «Основы геологии», отвергавшие учение о катастрофах и положившие начало актуализму – изучению геологических явлений прошлого, основанному на наблюдениях над современными явлениями. Создалась школа «актуалнстов», исходивших из представления о неразрывной цепи геологических процессов в истории Земли, медленно и постепенно изменяющих поверхность планеты. С очевидностью было доказано, что основой ошибки «катастрофистов» – Кювье и его последователей – было отсутствие представления об огромной длительности геологического времени.

Идеи Ляйеля о непрерывном ходе геологических процессов, естественно, должны были привести к представлениям о таком же непрерывном и медленном развитии жизни – эволюционному учению.

Основатель эволюционного учения Дарвин и принял за основу своих исследований указанные выше геологические идеи Ляйеля. В 1859 году появилось его «Происхождение видов», создавшее эпоху во всех биологических науках, обеспечившее быстрое развитие палеонтологии и выделение ее в самостоятельную научную дисциплину.

Помимо величайших заслуг Дарвина в развитии эволюционного учения, ему принадлежат еще очень важные идеи о неполноте геологической летописи. Дарвин показал, что в силу геологических процессов дошедшая до нас летопись Земли должна быть неполной и отрывочной и что в длительно поднимавшихся областях могут быть нацело смыты огромные толщи осадочных пород вместе со всеми погребенными в них органическими остатками. До того как отложились самые первые слои с ископаемыми остатками, жизнь существовала в таких формах, которые, не имея панциря, раковин или костей, не могли сохраниться. Этот период истории жизни был более длительным, чем вся совокупность периодов с ископаемыми остатками.

С момента появления работ Дарвина можно считать установившемся законченное представление о сущности геологической летописи. В дальнейшем развитии геологии и палеонтологии в конце XIX века и в текущем столетии с накоплением огромного количества фактов и наблюдений происходит постепенное разделение геологии на ряд отдельных дисциплин.

Одной из первых выделилась петрография – наука, изучающая изверженные породы, которая в настоящее время все более уклоняется в сторону физико-химии. Осадочные породы составляют поле деятельности литологии.

Чрезвычайно большое развитие, охватывающее наибольшее число работ, получила за последнее время тектоника – наука, изучающая движение масс в земной коре и структуру земной поверхности (геотектоника).

Непосредственно геологической летописью занимается историческая геология с точки зрения истории Земли и палеонтология – с точки зрения истории жизни. Однако сама палеонтология, восприняв дарвиновское учение, превратилась в биологическую дисциплину и тем самым отошла от поля деятельности исторической геологии.

В первой главе мы видели, что слои горных пород возникают в результате взаимодействия самых различных процессов, происходивших и происходящих на земной поверхности. Без геотектонических исследований мы не можем расшифровать те колебательные движения земной коры, которые обусловили поднятия и опускания, а следовательно, и накопление толщ осадочных пород или размывов более древних отложений. Без литологии мы не поймем особенностей образования осадочных пластов, отражающих геологические процессы и климат прошлого. Без палеонтологии для нас чуждым останется значение окаменелостей, вкрапленных в слоях-листах геологической летописи. Без исторической геологии мы утеряем величественную перспективу времени – едва ли не самое главное в упорно и терпеливо собираемых данных.