Текст книги "Древнее оледенение и жизнь"
Автор книги: Леонид Серебрянный
Жанр:
Природа и животные
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 9 страниц)
Древнее оледенение и жизнь
В центре внимания предлагаемой книги – новейшая история эволюции биосферы, охватывающая четвертичный период. Систематизация существующих представлений о природе этого периода, и в частности о покровных оледенениях, позволяет по-новому взглянуть на процессы развития органического мира. На примере наиболее изученного последнего оледенения Земли дана картина изменения природных зон в пространстве и времени.
Серебрянный Леонид Рувимович
АКАДЕМИЯ НАУК СССР
СЕРИЯ «Человек и окружающая среда»
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА» Москва 1980
ВВЕДЕНИЕ
Яркий солнечный день. Группа людей с рюкзаками и ледорубами неторопливо поднимается по Безенгийскому леднику, самому большому на Кавказе. Остался позади сильно раздробленный, покрытый камнями конец ледника, а впереди вверху – знаменитая безенгийская стена. Ослепительно белая, увенчанная остроглавыми вершинами, она вздымается высоко к облакам и снизу, с поверхности ледника, кажется совершенно недостижимой. Время от времени огромные глыбы снега срываются с карнизов стены и с раскатистым гулом устремляются вниз, нарушая безмолвный покой гор. К местам схода таких лавин приближаться нельзя: это верная смерть. Мир ледников привлекает своей красотой, пожалуй, только в хорошую погоду. При мощных снегопадах или затяжных ливневых дождях он суров и неприступен.
Площадь ледников на нашей планете оценивается примерно в 15 млн. км 2, что составляет около 10% всей суши; причем большая часть (~14 млн. км 2) приходится на Антарктиду – этот природный холодильник Земли. Если растопить огромные запасы антарктического льда, уровень Мирового океана повысится более чем на 60 м, а его поверхность расширится почти на 20 млн. км 2, поглотив многие густонаселенные прибрежные территории. Возникает вопрос: может ли Антарктида утратить свой ледяной панцирь? Это, разумеется, зависит от глобальных изменений климата, однако по геологическим данным установлено, что в прошлом антарктический материк переживал безледный период и там существовали теплолюбивые растения и животные.
Сами ледники на первый взгляд абсолютно несовместимы с жизнью, между тем отдельные ее проявления удается обнаружить даже в этом мире белого безмолвия. На покрытых камнями и мелкоземом ледниках Кавказа можно увидеть отдельные экземпляры травянистых растений, мхов и лишайников, а также бойко снующих мух, пауков и других насекомых.
Даже чистая поверхность льда иногда может быть средой обитания, правда, самых примитивных форм. Микроскопические водоросли, десмидиевые, диатомовые, зеленые и синезеленые, нередко окрашенные малиновым, розовым и фиолетовым пигментами, довольно энергично осваивают поверхностный слой льда, нарушая его кристаллическую структуру и придавая ему своеобразный цвет. Развитие этих низших организмов, как правило, достигает оптимального уровня летом. Красноватые пятна водорослей на горных ледниках – явление не особенно редкое, причем эти водоросли встречаются и на высотах около 5000 м, где, по сути дела, маркируют верхний предел жизни в высокогорье.
Наиболее просто устроены синезеленые, которые фактически мало зависят от окружающей среды: они переносят и сильные морозы, и обильные потоки света. Вероятно, на заре развития органического мира Земли именно эти водоросли содействовали формированию атмосферы и тем самым подготовили базу для появления высших организмов. В настоящее время синезеленые сохранились в предельно суровых условиях, которые не подходят для существования других организмов. Таким образом, на поверхности ледников, возможно, кроется один из важных ключей к разгадке тайн живой природы.
Обширные ледниковые покровы и горные ледники с их постоянно низкими температурами, естественно, не представляют собой среду, оптимально подходящую для жизни. Если не считать отдельных примитивных форм, этот мир вполне можно считать безжизненным. Тем не менее он оказывает немалое воздействие на существование организмов на сопредельных территориях. Поскольку размеры ледниковых тел на протяжении геологической истории Земли неоднократно подвергались резким колебаниям, соответственно менялось и влияние оледенения на развитие жизни.
БИОСФЕРА И ЕЕ ПРОШЛОЕ
В современной науке для обозначения живого покрова Земли используется термин «биосфера». История его происхождения такова. В 1869 г. географ Ф. Ратцель ввел термин «сфера жизни». Спустя несколько лет, в 1875 г., геолог Э. Зюсс предложил объединить всю совокупность живых организмов, населяющих нашу планету, под названием «биосфера». Это понятие было тесно связано с эволюционными представлениями видных естествоиспытателей XIX в. Ж. Ламарка и Ч. Дарвина.
Определение биосферы как особой оболочки Земли широко использовалось выдающимся отечественным ученым В. И. Вернадским, который придал этому термину более глубокий смысл. В понимании В. И. Вернадского биосфера – это прежде всего область распространения жизни, охватывающая не только сами организмы, но и среду их обитания. В одной из работ этого ученого приводится еще более широкая трактовка термина «биосфера», претендующая на охват всей области влияния жизни. С этих позиций закономерной представляется наша попытка обратить внимание на процессы исторического взаимодействия оледенения и биосферы, оледенения и жизни.
Биосфера образовалась в докембрийское время, около 3,5 млрд. лет назад, в процессе эволюции материи. Космические и геологические факторы создали среду, пригодную для жизни, а ее сохранению, безусловно, во многом способствовал биотический круговорот, преемственно связанный с абиотическим круговоротом минеральных веществ, который происходил и до возникновения биосферы.
По представлению В. И. Вернадского, биосфера образует сложную, закономерно организованную, саморегулируемую систему. Биогенному круговороту, так же как и абиогенному, присуща естественная саморегуляция. Это фактически результат взаимодействия трех функционально и экологически различных групп организмов: продуцентов, консументов и деструкторов органического вещества. В последнюю группу входят микроорганизмы, осуществляющие процессы разложения остатков растений и животных, превращения их в минеральные соли и простейшие органические соединения, впоследствии вновь потребляемые зелеными растениями для синтеза органического вещества. Именно деструкторы являются активными агентами биотического круговорота, поскольку они способствуют вовлечению в него всевозможных форм жизни. В ходе геологического развития Земли природа испытывала многочисленные формы жизни, населяла ими нашу планету, объединяла их во взаимосвязанные системы, и таким образом формировалась биосфера. Ведущую роль в процессе эволюции жизни, несомненно, играли биотические факторы, которые во многих случаях определяли изменения абиотических компонентов. Посредством изменчивости и естественного отбора организмы приспосабливались к последствиям собственной жизнедеятельности. В процессе приспособления к новым природным обстановкам менялись требования к видообразованию, совершенствовались адаптационные механизмы, расширялся биотический круговорот, в целом росла организованность жизни и многообразие ее форм. Следовательно, развивалась большая устойчивость жизни.
На протяжении истории формирования биосферы поверхность Земли неоднократно подвергалась оледенениям, которые, однако, сплошными не были, поэтому никогда и не прерывали развитие жизни на Земле. Более того, они оказывали стимулирующее воздействие на этот процесс. Самая простая последовательность событий, отражающая влияние оледенений на природу Земли, представляется таким образом. Формирование ледниковых покровов сопровождалось значительным понижением уровня Мирового океана. Напротив, исчезновение льдов вело к повышению уровня океана (такие колебания уровня известны под названием гляциоэвстатических). Изменения площадей и объемов ледниковых тел вызывали упруго-эластические деформации земной коры, проявлявшиеся в форме гляциоизостатических движений.
Все эти изменения состояния суши и океана, нередко принимавшие колоссальные масштабы, предопределяли сдвиги в системах атмосферной циркуляции и океанических течений, что сопровождалось пространственными перемещениями всех природных зон. Реакции растений и животных при этом выражались в миграциях и активном образовании видов, что заметно даже у млекопитающих.
С развитием оледенении менялся газовый состав атмосферы. Регулятором состава, и в частности баланса кислорода и углерода, выступала жизнь. Этот механизм влиял на температурный режим земной поверхности. Уменьшение концентрации углекислоты вело к понижению а увеличение – к повышению температуры. Американские ученые Л. Беркнер и Д. Маршалл выдвинули гипотезу, согласно которой распространение ледников было связано с усиленным фотосинтезом, обусловленным определенными изменениями в биосфере. В свою очередь изменения температурного режима в порядке обратной связи вызывали сдвиги в структуре биосферы.
Анализ соотношений между древними оледенениями и жизнью весьма актуален: он помогает постичь истинное место и назначение живой природы и человека, определить их развитие в будущем.
ДРЕВНИЕ ОЛЕДЕНЕНИЯ
Рис. 1. Ледниковые эпохи в истории Земли (по Д. Тарлингу)
Изучение древних оледенений началось более 200 лет назад. Лучше всего выявлены следы оледенений четвертичного периода, самого молодого этапа истории Земли, продолжительностью 1,8 млн. лет. Долгое время считали, что новейший этап развития оледенений ограничивался завершающей частью четвертичного периода – плейстоценом. Однако новые исследования показали, что последний ледниковый этап имел гораздо большую длительность и своими истоками уходил в миоцен; соответственно предлагается более широкий термин: позднекайнозойский ледниковый этап. Этим этапом вовсе не ограничивается изучение системы «оледенение —жизнь», так как наша планета испытала еще несколько более древних ледниковых этапов, которые повторялись примерно через 200 – 250 млн. лет. Помимо позднего кайнозоя, следы оледенений четко установлены в карбоне-перми, раннем палеозое и докембрии. Все эти вспышки ледниковых процессов непосредственно связаны с периодами интенсивного горообразования и, таким образом, отражают результаты глубинных процессов в недрах Земли. Вероятно, оледенения были не случайными эпизодами, а вполне закономерными вехами в эволюции всей ее природы.
Вполне понятно, что изученность оледенений во многом зависит от сохранности их следов, выраженных в отложениях и рельефе. Поэтому выделение признаков древних оледенений всегда непросто, особенно в горных странах, где преимущественно представлены самые молодые ледниковые отложения и формы рельефа.
Типичные древние ледниковые отложения – тиллиты – представляют собой сильно уплотненные плохо сортированные грубозернистые обломочные фации, имеющие сходство с основной мореной ледников четвертичного периода. Однако нередко тиллиты преобразованы под действием текучих вод, особенно ярко проявившимся во время таяния ледниковых покровов.
Во многих странах уставовлены определенные диагностические признаки древних морен, позволяющие подтвердить их ледниковое происхождение. Тем не менее генезис тиллитов подвергается критике, причем образование их приписывается турбулентным потокам. При обосновании древних оледенений существенное значение придается также наличию штрихованных льдом поверхностей, валунных мостовых, курчавых скал, бараньих лбов и т. д. Убедительным аргументом служит распространенность ледниковых форм, а также наличие парагенетических комплексов ледниковых и перигляциальных (приледниковых) элементов в сочетании с находками остатков холодовыносливых растений и животных.
При выделении древних оледенений степень достоверности во многом зависит от геологического возраста. Для докембрийского времени установлены признаки не менее четырех крупных ледниковых эпох, однако в наиболее древних породах (более 2,8 млрд. лет) из-за глубокой метаморфизации трудно выявить надежные признаки ледникового происхождения. Возраст самой древней из ледниковых эпох – гуронской – около 2,3 млрд. лет назад. За ней следовали гнейсёская (950 млн. лет), стёртская (750 млн. лет) и варангская (680 – 660 млн. лет) эпохи (рис. 1). Лучше всего изучена последняя из них: её следы обнаружены почти на всех материках, в том числе и на территории нашей страны. В северных районах Скандинавии известны мостовые из валунов с четкой ледниковой штриховкой, относящиеся к варангской эпохе (рис. 2). Стёртские ледниковые отложения найдены в Австралии, Китае, Юго-Западной Африке и Скандинавии, гнейсёские – в Гренландии, Норвегии и Свальбарде (Шпицберген) , гуронские – в Канаде, Южной Африке и Индии.
Рис. 2. Варангское оледенение в северном полушарии (по Н. М. Чумакову, А. Кайё и А. М. Спенсеру)
1 – варангский ледниковый покров; 2 —местонахождения тиллитов; 3 – направления движения льда
Рис. 3. Реконструкция материка Гондваны в начале пермского периода (по В. Гамильтону и Д. Кринсли)
1 – ледниковые отложения (тиллиты); 2 – направления движения льда. На схеме показаны палеошироты
Докембрийские оледенения развивались отнюдь не в исключительных природных обстановках. Напротив, по представлениям А. В. Сидоренко, с раннего архея существовала принципиальная общность геологической истории Земли. Для архея и протерозоя установлены такие же соотношения геологических процессов, как и для последующих эпох. Поскольку древнейшие из известных пород формировались тогда, когда уже была вода в жидкой фазе, естественно, возникает предположение и о длительном развитии жизни, на что указывает присутствие живого вещества в осадочных породах докембрия. Это вещество изменило состав атмосферы и преобразовало геохимическую обстановку осадконакопления. Не исключено, что усиленная фотосинтетическая деятельность примитивных организмов стимулировала развитие древнейших оледенений. Следы оледенений обнаружены и в раннепалеозойских породах. Полнее исследованы ледниковые отложения Сахары, относящиеся к позднему ордовику (460 – 430 млн. лет назад). Местами встречаются типичные ледниковые долины U-образной формы со следами штриховки на скальных выступах. Кроме того, обнаружены водно-ледниковые осадки и многолетнемерзлые грунты (каменные полигоны). Позднеордовичские ледниковые образования, вероятно, накапливались в высоких широтах поблизости от морского берега.
Изучение позднепалеозойских тиллитов, относящихся к каменноугольному и пермскому периодам, подкрепило концепцию дрейфа материков, выдвинутую геофизиком А. Вегенером в 1912 г. Согласно этой концепции длительное время существовал обширный материк Гондвана, объединявший Южную Америку, Африку, Индию, Австралию и Антарктиду. Максимум оледенения приходился на раннепермское время. Затем в связи с начавшимся смещением этого материка к северу произошло почти одновременное таяние ледниковых покровов. Любопытно заметить, что вероятность развития оледенения Гондваны отмечалась еще в середине XIX в., когда теория материкового оледенения фактически еще не была разработана.
Рассмотрим теперь некоторые данные об оледенении в разных частях Гондваны. В Южной Америке только в бассейне р. Параны ледниковые отложения позднего палеозоя прослеживаются на территории площадью более 1,5 млн. км 2. Хотя во многих местностях, особенно вдоль подножий Анд, эти отложения находятся не в первичном залегании, в ходе исследований были найдены классические признаки деятельности ледников: основные морены, поверхности с валунной отмосткой, выработанные ледниками долины, бараньи лбы, озы и др. Судя по палеоботаническим данным, эти ледниковые образования относятся к разным этапам каменноугольного периода и самому началу пермского периода, 335 – 260 млн. лет назад. Вероятно, это была одна из наиболее продолжительных ледниковых эпох, включавшая не менее 17 подвижек ледников; преобладал перенос льдов с востока на запад.
Позднепалеозойские ледниковые отложения Южной Африки были описаны в 1870 г., когда было введено понятие о тиллитах серии двайка и были найдены поверхности с валунной отмосткой, долины, заполненные ледниковыми осадками, и т. д. Местами установлены признаки перемыва тиллитов текучими водами. Благодаря детальным текстурно-фациальным исследованиям удалось выделить несколько самостоятельных ледниковых лопастей, причем некоторые из них двигались с юго-востока Южной Африки в Южную Америку (рис. 3). Эти ледниковые лопасти существовали примерно в одно и то же время.
Рис. 4. Папоротникообразные ископаемой гондванской флоры (по Э. Арберу)
Всего в Южной Африке в позднем палеозое обособлено четыре ледниковых цикла в интервале 345 – 270 млн. лет назад. Так же, как и в Южной Америке, максимум оледенения приходился на конец каменноугольного и Начало пермского периодов. Оледенение развивалось в полярных широтах на низменной суше, хотя местами есть признаки существования горных ледников.
На территории Индии в 1859 г. было описано позднепалеозойское оледенение талчир, следы которого представлены слабосортированными осадками, основными моренами, поверхностями с валунной отмосткой. Находки ископаемой флоры позволили выяснить, что талчирские ледниковые слои накапливались в конце каменноугольного и самом начале пермского периодов (285 – 270 млн. лет). Всего в Индии различают три главных цикла развития этого оледенения, причем общая обстановка примерно сходна с южноафриканской.
Позднепалеозойские ледниковые отложения были обнаружены и на большей части Австралии. Здесь найдены следы горного и покровного оледенений, которые указывают на тесную зависимость от ухудшения климата, обеднения состава флоры и фауны с середины каменноугольного периода. Горное оледенение, возможно, перестало самостоятельно существовать в связи с образованием крупного ледникового покрова в начале пермского периода (280 млн. лет назад) на юго-востоке Австралии, Этот покров удерживался на протяжении примерло 10 млн. лет, а впоследствии горные ледники местами сохранялись до казанского времени (250 – 245 млн. лет назад).
В Антарктиде позднепалеозойские ледниковые отложения были найдены в Трансантарктических горах и горах Элсуэрта. Предположительно развитие этого оледенения относят к тому же самому временному интервалу, что и в других частях Гондваны (конец каменноугольного и начало пермского периодов). Антарктида около 280 млн. лет назад, как и в настоящее время, находилась в полярных широтах. Следовательно, в истории этого континента оледенения неоднократно повторялись.
Уместно заметить, что данные по ледниковым отложениям и истории оледенения позднего палеозоя – отнюдь не единственный аргумент в пользу концепции дрейфа материков. Не менее важная информация получена благодаря применению палеомагнитного метода, сейсмических исследований и бурения океанических осадков. Достаточно хорошо изучено географическое положение отдельных материков за последние 200 млн. лет; на основании этого можно проследить черты сходства и различия ископаемых организмов, пути их распространения, возможные случаи изолированного развития и т. д.
Этап активизации оледенений на рубеже каменноугольного и пермского периодов совпал со значительными изменениями состава флоры и фауны. Если каменноугольный период характеризовался господством земноводных, то с перми началось распространение пресмыкающихся. Особенно хорошо изучены пермские пресмыкающиеся Южной Африки, включавшие целый ряд травоядных и хищных форм, которые обитали в условиях умеренно теплого климата. В то же время в Северной Америке и Европе животный мир был более разнообразен: помимо пресмыкающихся, там водились различные земноводные и рыбы. Природные условия этих материков, возможно, приближались к пустынным.
Позднекаменноугольное время, как известно, совпало с накоплением мощных залежей угля, что обусловливалось быстрым ростом биомассы. Климат тогда был довольно однообразным, без резких сезонных различий, о чем свидетельствует отсутствие годичных колец у деревьев. На рубеже каменноугольного и пермского периодов резко изменилась растительность. Под влиянием оледенения на материке Гондваны распространились формации папоротникообразных – флора Glossopteris (рис. 4), приспособившиеся к перигляциальным обстановкам и резко отличавшиеся от космополитических формаций других материков. Таким образом, именно оледенение Гондваны обострило температурные контрасты полярных и экваториальных широт и дифференциацию природных зон, что сыграло важную роль в развитии биосферы.
