Текст книги "Распространенность жизни и уникальность разума?"

Автор книги: Марк Мосевицкий

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 17 страниц)

6.2. Основная причина многих глобальных кризисов – столкновение Земли с крупным космическим телом (астероидом или кометой)
6.2.1. Массированный вулканизм или падение астероида?

С самого начала было ясно, что биологические кризисы были вызваны изменениями условий окружающей среды в глобальном масштабе. Разные мнения высказывались о причинах климатических катаклизмов, имевших место на Земле. Именно этот вопрос, сохраняющий актуальность для нас и будущих поколений, явится предметом дальнейшего обсуждения. В качестве вероятной причины мощных катаклизмов на Земле первоначально рассматривался только вулканизм, т. к. критерии, позволяющие идентифицировать кратеры как ударные, а также обнаруживать осадочные слои, образованные выброшенным при импакте материалом, были разработаны только недавно. Застывшую лаву геологи научились распознавать значительно раньше. Для того, чтобы иметь глобальные последствия, мощные извержения, сопровождаемые выходом большого количества лавы, должны были произойти одномоментно во многих точках земного шара. Такие события действительно имели место. Около 65 млн лет тому назад извержения продолжались не менее миллиона лет (Courtillot, 1990; Glasby and Kunzender, 1996; Ravizza, 2003). Лава изливалась в Северной Атлантике, Шотландии, Сибири, Индии и в других местах. Нагромождения базальтов в этих местах сохранились с тех пор. Террасы Деккана в Западной Индии – наиболее грандиозные слоистые лавовые образования, сохранившиеся с тех пор. Общий объем лавовых наслоений в этой структуре достигает 50 млн кубических километров. Лава поступала с большой глубины под давлением и, изливаясь, отдавала растворенные в ней газы, в том числе углекислый газ (СО ₂). Раскаленная лава вызывала пожары, еще более увеличивавшие содержание углекислого газа в атмосфере. Его накапливание должно было привести к значительному потеплению вследствие усиления парникового эффекта (см. однако Caldeira and Rampino, 1990). Существенное изменение климата могло повлиять на выживаемость и развитие тех или иных видов. В течение 70-90-х годов прошлого века состоялись напряженные дискуссии. К этому вопросу мы еще вернемся, а пока последуем за исследователями, внимание которых было переключено на внеземные источники. Помимо глобальных извержений, в качестве причин массовых вымираний (кризисов) на Земле называли взрыв сверхновой на достаточно близком расстоянии (теперь эту причину иногда приписывают Ордвикскому кризису, который имел место 440 млн лет тому назад), резкое изменение солнечной активности и падение крупного метеорита. Не касаясь пока других случаев, будем считать практически доказанной причиной биологического кризиса 65 млн лет тому назад на границе K/T падение крупного метеорита. Ко времени, когда развернулась дискуссия, такой ответ уже был подготовлен многолетними исследованиями геологов, выяснявших природу многочисленных кратеров, обнаруженных на Земле. Первоначально преобладало мнение, что все они имеют вулканическую природу. Однако постепенно накапливались данные, указывающие на образование многих древних кратеров вследствие импакта – столкновения с Землей крупного метеорита или осколка кометы (Хрянина, 1987; Бронштэн, 1987).

Главным признаком ударного кратера является присутствие минералов, главным образом кварца, с признаками шок-метаморфизма, т. е. с определенными изменениями кристаллической структуры, которые возможны только в условиях сильнейшего сжатия при высокой температуре. Именно такие условия возникают в момент падения крупного метеорита на Землю. При этом происходит также смещение и нагромождение пород (брекчии). Нагроможденные породы образуют кольцевой вал, опоясывающий ударный кратер, для которого также характерно центральное поднятие. Дно ударного кратера испещрено трещинами, вследствие чего общая плотность пород, образующих это дно, оказывается пониженной. Соответственно в области кратера понижена гравитация. Отрицательная гравитационная аномалия даже крупного кратера невелика (порядка 10 ^-4м/с ²). Однако она уверенно регистрируется современными приборами. Над ударным кратером наблюдается также магнитная аномалия. Она обусловлена тем, что расплавленные при ударе породы оказываются размагниченными. При остывании они вновь намагничиваются, но уже в соответствии с расположением магнитных полюсов на момент застывания. В нагроможденных и раскрошенных породах, образующих вал, окаймляющий ударный кратер, суммарный магнитный момент близок нулю. Магнитные аномалии также легко регистрируются с помощью магнитометров. С помощью установленных на самолете приборов, регистрирующих указанные аномалии, удалось обнаружить практически неразличимые с Земли кольцевые структуры (астролябии), являющиеся древними ударными кратерами, и даже кратеры, погребенные под позднейшими наслоениями. В настоящее время уже описаны более 200 крупных ударных кратеров, и их число постоянно растет. Территория России также густо усеяна разными по размерам ударными кратерами. Интересно, что Калуга, и так неразрывно связанная с космосом благодаря Циолковскому, расположена на дне ударного кратера диаметром около 15 км. Крупный ударный кратер (Карская астролябия) обнаружен на Северном Урале. Этот кратер относят к раннему Кайнозою, т. е. его возраст не более 65 млн лет. Только немногие относительно молодые ударные кратеры хорошо сохранились, как кратер Шунак в Казахстане и Аризонский кратер в США. Со временем кратеры под действием ветра и воды разрушаются, их перекрывают отложения и заносы. Возникнув на суше, кратер может оказаться на морском дне. Многие кратеры уничтожены при тектонических подвижках. Однако на Земле существуют области, которые на протяжении последних 500–700 млн лет оставались сушей и не подвергались существенным подвижкам. К ним относится Украинский щит, на котором, согласно проведенным исследованиям, за 500 млн лет возникли около 500 ударных кратеров, т. е. один кратер приходится на 400 км ²(квадрат со стороной 20 км ²). Такая оценка согласуется с плотностью размещения кратеров на Луне и Фобосе, где они сохраняются благодаря отсутствию атмосферы.

Для того, чтобы подтвердить прямую зависимость биологических кризисов (массовых вымираний) от падения на Землю крупных тел, необходимо было доказать, что есть хронологические совпадения этих двух явлений. В то время, когда этот вопрос был поставлен (1985 год), обнаружение кратеров, соответствующих определенным событиям (кризисам), казалось практически невероятным. Однако оказалось, что могут быть предъявлены и другие достаточно точно датируемые доказательства столкновения Земли с крупным космическим телом. В разных точках Земного шара в отложениях, соответствующих границе K/T, была обнаружена узкая (толщиною несколько миллиметров) полоса минералов, практически лишенная известняков, являющихся основным компонентом обычных осадочных пород. Этим вопросом заинтересовались геологи Уолтер и Луис Альваресы. Анализируя состав минералов указанного слоя, они обнаружили аномально высокое для земных пород содержание иридия. (Alvarez et al., 1980; Alvarez, 1987). Однако высокое содержание иридия характерно для некоторых метеоритов. При столкновении крупного метеорита с Землей происходит его мгновенный разогрев до нескольких тысяч градусов, плавление и взрыв. Значительное количество материала метеорита оказывается выброшенным в виде крошечных частиц в околоземное пространство, откуда осаждается на Землю, образуя специфический по составу тонкий слой. Именно такой слой и был обнаружен в отложениях, соответствующих границе К/Т. Помимо повышенного количества иридия, в этом слое обнаружены претерпевшие шок-метаморфизм зерна кварца и сферулы минералов, претерпевших плавление (Speicer, 1989; Sigurdsson et al., 1991). Несколько позже в том же слое были обнаружены фуллерены внеземного происхождения (Becker et al., 2000). Все эти результаты подтверждают справедливость гипотезы падения крупного (диаметром около десяти километров) метеорита.

6.2.2. Поиск ударных кратеров, совпадающих по датировке с известными кризисами

Концепция ударов из космоса как основной причины выявленных палеонтологами кризисов, обозначивших границы эр и периодов в истории Земли, была принята многими исследователями уже к началу 90-х годов прошлого века. Однако были и скептики, отказывавшиеся ее принять, в частности потому, что соответствующие именно этим событиям места падения метеоритов (кратеры) не были обнаружены. Хотя к тому времени уже были известны сотни ударных кратеров, сопоставить какой-то из них с конкретным событием не удавалось. Учитывая, что за десятки и даже сотни миллионов лет многие кратеры в ходе геологических процессов были уничтожены, либо оказались под дном океанов, обнаружение некоего определенного кратера казалось маловероятным. Тем не менее, попытки обнаружить ударный кратер, образование которого можно было бы связать с определенным кризисом, были предприняты несколькими группами ученых. Практически сразу их внимание было сосредоточено на бассейне Карибского моря. Именно в том районе в слое, соответствующем границе К/Т, присутствовало наибольшее количество материала, который мог быть выброшен из ударного кратера. К концу 80-х годов были названы две предполагаемые точки: на Кубе и в океане вблизи Колумбии. Однако обнаружить кратер в этих точках не удалось. Вместе с тем, он уже был к тому времени обнаружен несколько в стороне от обследованного района. Вблизи города Чиксулуб (Chicxulub), на берегу Мексиканского залива (северо-восточная оконечность полуострова Юкатан) велась воздушная разведка нефти. Приборы зафиксировали занимавшую большую площадь круговую магнитную аномалию. Было это в 1978 году. Тремя годами позже эти данные были доложены на геологической конференции. Там же было высказано предположение, что обнаруженная на Юкатане геологическая структура могла быть гигантским ударным кратером (см. Kerr, 1990). Однако прошло еще 10 лет, когда ученые, осуществлявшие поиск в том же регионе, обратили внимание на эти данные. Анализ образцов пород, добытых при бурении, показал, что обнаруженная на глубине от 300 м до 1 км структура действительно является погребенным под позднейшими наслоениями ударным кратером, диаметр которого был первоначально определен 180 км. Такой кратер мог образоваться при падении тела размером 10 км. Однако, согласно проведенному группой В. Шарптона гравитационному анализу, Юкатанский (Чиксулубский) кратер имеет многокольцевую структуру. При этом, диаметр внешнего кольца близок 300 км (Sharpton et al., 1993; Pope et al., 1997a). В случае справедливости такого вывода размер тела, упавшего на Землю 65 млн лет тому назад, мог достигать 18 км. Мощность взрыва оценена в 4.108-4.109 мегатонн в тротиловом эквиваленте, что соответствует взрыву всего ядерного оружия, запасенного на Земле (Sharpton and Martin, 1997).

Пять одинаково датируемых кратеров (около 214 млн лет) диаметром от 15 до 100 км обнаружены в Европе и Северной Америке. Их взаимное расположение позволяет предположить, что в позднем Триасе с Землей столкнулись не менее пяти фрагментов кометы или астероида (Spray et al., 1998), что должно было привести к глобальной катастрофе. Вопрос, соответствует ли описанный выше (Раздел 6.1.3) узкий осадочный слой на границе Триас-Юра (нынешняя датировка 205–200 млн лет) этой катастрофе или она произошла несколько ранее, пока не решен.

Возможно, что кризис на границе Пермь-Триас и соответствующий ему слой в осадочных породах, содержащий продукты импакта, также обрели свой кратер. Обнаружен он на Северо-Западе Австралии (возвышенность Бедаут). Как и на Юкатане, погребенный под позднейшими наслоениями кратер Бедаут был засечен при воздушной разведке и детально разведан путем бурения скважин (Becker et al., 2004). Согласно проведенным обмерам, кратеры Чиксулуб и Бедаут близки по размерам. Однако следует отметить, что если относительно происхождения кратера Чиксулуб сомнений практически не осталось, то ударная природа структуры, обнаруженной в Австралии, до сих пор подвергается сомнению (см. дискуссию в ж-ле Science, 2004, 431, 609–613).

Кратер Бедаут (если будет подтверждено его образование при падении метеорита), по-видимому, древнейший ударный кратер, обнаруженный на Земле. Его приблизительный возраст 250 млн лет. О более древних столкновениях приходится судить только по характерному осадочному слою, содержащему специфические для импакта структуры и вещества (микросферулы, иридий и др.). Такие слои прослеживают до 3.8 млрд лет, т. е. они присутствуют в самых ранних сохранившихся до наших дней осадочных породах (Shoenberg et al., 2002). Четыре подобных слоя обнаружены в Австралии и Южной Африке в породах, возраст которых 3.47-3.24 млрд лет (Byerly et al., 2002; Lowe et al., 2003; Glikson, 2004). Взрывы были столь сильны, что могли приводить к сдвигам тектонических плит. В эти периоды существовали только прокариотические организмы, и палеонтологические данные очень скупы. Поэтому мы знаем, какие царства и виды прокариот сохранились, но можем только предположительно судить о тех, которые исчезли во время ранних кризисов. При этом, благодаря освобождению природных ниш, эволюция получала импульс в направлении ускоренного развития сохранившихся видов и образования новых. Самый ранний кризис, который оставил до-статочно явственный след в форме окаменелостей, относится к границе Докембрий-Кембрий, когда уже существовали многоклеточные организмы. Весьма вероятно, что исходной причиной того кризиса и происшедшего тогда же глобального оледенения (см. Раздел 6.1.1) явился мощный импакт, хотя прямых доказательств этому предположению в настоящее время нет. Однако в одном из описанных выше случаев (граница K/T) роль импакта как главной причины кризиса можно считать доказанной.

6.2.3. Было ли тело, обрушившееся на Землю 65 млн лет тому назад, кометой, ставшей за 50 тыс. лет до этого события спутником Земли?

Возвращаясь к самому событию на границе K/T, рассмотрим предположения о природе тела, рухнувшего тогда на Землю. Вслед за “главным” телом примерно через три месяца на Землю (Северо-Восток современных США) упало тело меньших размеров, образовавшее кратер размером 30 км. Кратеры размером 20-100 км, которые датируют примерно тем же сроком, обнаружены в Канаде, в Северном море (Stewart and Allen, 2002) и в России (Карская астро-блема). Можно предположить, что все упавшие тогда на Землю тела имеют общее происхождение. Они могли входить в ядро кометы, вторгшейся во внутренние области Солнечной системы и, возможно, ставшей на какое-то время спутником Земли. Эта гипотеза нашла неожиданное подтверждение в исследованиях геохимиков. В осадочных породах, расположенных по обе стороны “метеоритного” слоя на границе К/Т, было отмечено повышенное содержание D-аминоизо-масляной кислоты и рацематного изовалина – двух аминокислот, которые исключительно редко встречаются на Земле, но относятся к главным органическим компонентам углистых хондритов и комет (Zhao and Bada, 1989). Указанные “внеземные” аминокислоты присутствуют в осадочных породах на расстояниях до 1 м по обе стороны от границы (слоя) K/T. Высказывалось предположение, что столь значительное удаление объясняется диффузией из слоя K/T аминокислот, принесенных на Землю самим упавшим телом. В таком случае именно в слое K/T аминокислоты присутствовали бы в максимальном количестве. Однако в этом слое аминокислоты вообще не обнаружены. Более правдоподобным является предположение, что материал, содержащий указанные аминокислоты, стал выпадать на Землю за 50 тыс. лет до самого импакта. А потом (после импакта) это выпадение продолжалось еще почти столько же времени. Так могло быть, если крупная комета пришла во внутреннюю область Солнечной системы и своим газопылевым хвостом перекрыла Землю. Следует полагать также, что комета больше не удалялась на большое расстояние и оставалась в сфере влияния Земли около 50 тыс. лет. Значительная часть материала перекачивалась из тела кометы в ее хвост, поддерживая его достаточно плотную консистенцию. Аминокислоты могли переходить из тела в хвост кометы, но могли также быть синтезированы из предшественников на пылевых частицах непосредственно в хвосте (Zahnle and Grinspoon, 1990). Постепенно тело кометы убывало и, наконец, разделилось на несколько фрагментов. Некоторые из них (а возможно, и все) упали на Землю. Кратер, обнаруженный на Юкатане, может принадлежать самому крупному фрагменту той кометы. За 160 млн лет до этого события Земля также столкнулась с фрагментами крупной кометы или астероида. На это указывает серия кратеров, образованных телами, имевшими близкие траектории (Spray et al., 1998). Их возраст 215–200 млн лет. Не менее пяти тел упали тогда на Землю за короткий промежуток времени, возможно, в течение считанных часов. Похожее событие произошло уже в наше время, но, к счастью, не на Земле. В июле 1994 г. разделившаяся на два десятка фрагментов комета Шумахера-Леви столкнулась с Юпитером. Это событие транслировалось на Землю с помощью космического корабля. Фрагменты кометы, бомбардировавшие Землю на границе K/T, до падения находились на околоземных орбитах и продержались на них разное время. Поэтому всё событие заняло месяцы или годы. Оно не могло быть длительным в геологическом масштабе, т. к. на границе K/T обнаруживается только один импактный слой. После падения кометы на орбите осталось представлявшее ранее хвост кометы пылевое облако, которое продолжало оседать на Землю еще несколько десятков тысяч лет. Тот факт, что в самом импактном слое на границе K/T “внеземные” аминокислоты не обнаружены, легко объясним. Этот слой сформировался очень быстро из выброшенных из кратера (кратеров) пород, где присутствовал и материал тела кометы. Однако органические соединения, в том числе аминокислоты, присутствовавшие в падавшем с большой скоростью осколке кометы, были неизбежно разрушены из-за сильного разогрева тела при прохождении атмосферы и, главное, при его столкновении с Землей. Поэтому аминокислоты, выпадавшие с постоянной для того периода скоростью с материалом кометного хвоста, оказались сильно разбавленными именно в этом практически мгновенно сформировавшемся слое. Таким образом, столкновения Земли с фрагментами разрушившейся кометы следует признать наиболее вероятной причиной кризиса, обозначившего границу K/T (см. также Bottke et al., 2007). Возможно, не все эпизоды этого события установлены, так как какие-то даже очень крупные кратеры, в частности те, которые покоятся под толстыми наслоениями океанического дна, еще не обнаружены.

6.2.4. Непосредственные последствия падения крупного космического тела

Зададимся вопросом, какие эффекты, вызванные мощным им-пактом, ведут к глобальному кризису. Первоначально главным следствием падения крупного тела считался взрыв и выброс в околоземное пространство, помимо раздробленного материала метеорита, большого объема земных пород. Подсчитано, что Юкатанский метеорит “выбросил” в атмосферу и стратосферу Земли тысячи кубических километров породы (свыше триллиона тонн). Мощнейший взрыв вызывает землетрясения, расколы земной коры, истечения лавы, цунами. Выброс материала на месте образовавшегося кратера существенно понижает давление на нижележащие расплавленные, но обычно твердые (из-за высокого давления) слои. Снижение давления переводит расплавы в жидкое состояние, что вызывает их выход на поверхность в форме лавы. Лава, а также расплавленные при ударе и разлетевшиеся на сотни километров фрагменты породы вызывают быстрые пожары не только в окрестностях падения космического тела, но и на значительном удалении от кратера. Выброшенный в стратосферу материал формирует вокруг Земли слой, который препятствует проникновению на нее солнечного света и тепла, вследствие чего наступают глобальная ночь и зима. Не только суша, но и многие водоемы покрываются слоем льда. Ночь и похолодание продолжаются до тех пор, пока выброшенные взрывом породы не осядут на Землю. Присутствие сажи в обнаруженных в разных точках планеты участках тонкого слоя осадков, обусловленных импактом, подтвердило предположение не только о локальных (в зоне импакта), но и глобальных пожарах. Возникновение глобальных пожаров представляется неизбежным, если учесть, что перешедшие на околоземные орбиты глыбы при возвращении на Землю через атмосферу разогреваются до нескольких сотен градусов (Wolbach et al., 1988). В этих условиях основная часть растительности гибнет (семена сохраняются лучше). Благодаря дегазации вышедшей на поверхность лавы и из-за пожаров в атмо-сфере Земли многократно возрастает концентрация сероводорода, окислов углерода и других, в том числе ядовитых, газов и падает содержание кислорода. Однако на самом деле последствия столкновения Земли с крупным телом не ограничиваются описанными выше эффектами. Т ак, если удар космического тела пришелся по морским осадочным породам, то в атмосферу поступит дополнительно большое количество сульфата и двуокиси углерода, вследствие чего прольются кислотные дожди. Присутствие в атмосфере сульфатного аэрозоля может снизить прозрачность атмосферы для солнечных лучей на 80 %, что вместе с другими отмеченными выше факторами способно вызвать похолодание на многие годы (Pope et al., 1997b). Падение крупного тела может также привести к ослаблению или полному исчезновению озонового слоя. Воздействие на озоновый слой вызвано тем, что в сжатом слое разогретого воздуха, который движется перед пролетающим через атмосферу телом, кислород и азот вступают в химическое взаимодействие, образуя окись азота (NO). NO активно взаимодействует с озоном (О ₃), отнимая у него атом кислорода. Именно этот эффект наблюдался в июне 1908 г., когда в атмосферу Земли залетело небольшое тело (70-100 м), которое взорвалось, не достигнув поверхности в районе реки Тунгуски. По свежим следам измерения озонового слоя не проводились. Измерения, проведенные в Калифорнии в следующем, 1909-м, году, обнаружили, что содержание озона в озоновом слое ниже обычного на 20 %. Восстановление озонового слоя заняло около 2-х лет. Очевидно, что пролет тела размером несколько километров через атмосферу грозит полным исчезновением озонового слоя и значительно большим сроком его восстановления. Весь этот срок обитатели Земли подвергаются усиленному воздействию ультрафиолетовых лучей. Кардинальное изменение среды обитания и связанное с ним нарушение пищевых цепей приводят к массовым вымираниям животных. Вследствие малых размеров Тунгусское тело не вызвало даже в ослабленной форме многих описанных выше событий, которых следует ожидать при падении на Землю крупного тела.