Питер Уорд - Новая история происхождения жизни на Земле

• Название: Новая история происхождения жизни на Земле
• Автор: Питер Уорд
• Издательство: Питер
• Жанр: Биология
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-496-02014-5

Общепринятая история происхождения жизни на Земле устарела. Двое ученых, Питер Уорд и Джозеф Киршвинк, предлагают книгу, в которой собраны все выводы последних исследований. Авторы показывают, что многие наши прежние представления об истории происхождения жизни неверны. Во-первых, развитие жизни не было неторопливым, постепенным процессом: катаклизмы способствовали формированию жизни больше, чем все остальные силы вместе взятые. Во-вторых, основа жизни — углерод, но какие еще элементы определили ее эволюцию? В-третьих, со времен Дарвина мы мыслили в категориях эволюции видов. На самом деле имела место эволюция экосистем — от подводных вулканов до тропических лесов, — которые сформировали мир, каким мы его знаем. Опираясь на свой многолетний опыт в палеонтологии, биологии, химии, астробиологии, Уорд и Киршвинк рассказывают историю жизни на Земле, такую фантастическую, что ее трудно представить, и в то же время такую знакомую, что нельзя пройти мимо.

---

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.

Позднепалеоценовый термический максимум

К началу кайнозоя Земля пережила по меньшей мере девять известных на сегодня массовых вымираний: первое приходится на кислородную катастрофу и периоды «Земли-снежка», вызванные этой катастрофой; второе — более 1 млрд лет назад — произошло в криогении; затем в хронологическом порядке следуют эдиакарское, позднекембрийское, ордовикское, девонское, пермское, триасово-юрское, мел-палеогеновое массовые вымирания. Удивительно, что причины этих событий были самыми различными: внезапное появление кислорода, сильное уменьшение его концентрации, появление хищников, помноженное на недостаток кислорода и выбросы сероводорода, и падение астероида. Однако в конце палеоцена, всего лишь через 9 млн лет после гибели динозавров, возникла новая опасность: увеличение концентрации метана в атмосфере, что вызвало одно из самых значительных резких изменений климата в геологической истории. Это событие получило название «позднепалеоценовый термический максимум».

Впервые данное явление открыли океанографы[222], которые работали совсем над другой проблемой и не собирались изучать температурные аномалии палеоцена. Они пытались собрать новые сведения о мел-палеогеновом вымирании, проделывая для этого скважины в земной коре в глубоководных областях океана в рамках американской Программы глубоководного бурения. Но чтобы достичь ярусов мелового периода, сначала нужно пройти отложения эоцена и палеоцена. Пока сверлили скважину, чтобы добраться до конечной цели, попутно извлекали образцы пород верхних ярусов.

Когда образцы более молодых пород наконец осмотрели и были исследованы изотопы кислорода и углерода в раковинах крошечных одноклеточных протист-фораминифер, выяснилось, что полученные данные о температурах, а также об изотопах углерода-12 и углерода-13 как будто бы ошибочны, поскольку породы, извлеченные из нижних слоев, показывали более высокую палеотемпературу, чем в верхних слоях. Во времена палеоцена, как и сегодня, даже в холодной Арктике вода была на глубине холоднее, чем у поверхности. Однако цифры говорили совершенно противоположное: теплые глубинные воды и холодные верхние. За относительно короткий промежуток времени глубоководные области океана стали аномально теплыми.

В отложениях на границе палеоцена и эоцена обнаружилось аномально большое количество вулканического пепла[223]. Как и пыль, относительно легкий вулканический пепел попадает на морское дно из атмосферы, однако появляется он в атмосфере в результате вулканической деятельности, а не из-за сильных ветров. Такое небывалое увеличение вулканического пепла в атмосфере и, соответственно, в отложениях могло произойти только благодаря резкому усилению вулканической деятельности, в данном случае около 58–56 млн лет назад. Дальнейшая проверка показала, что такое явление характерно для многих мест по всему земному шару, то есть это не аномалия какого-то одного месте на морском дне.

Поздний палеоцен характеризуется тем, что в тропиках температура была стабильно высокой, тогда как в арктических и антарктических широтах температурные показатели заметно выросли. Вообще, в палеоцене показатели температур в морях между экваториальными и полярными регионами отличались значительно — на 17 °C (сегодня эта разница еще больше — 22 °C). Однако к началу эоцена различие это уменьшилось до 6 °C. Высокие широты потеплели, и тепловой обмен между экваториальными и полярными широтами сильно замедлился, а вместе с этим уменьшилось число и сила ветров. Мир стал очень тихим и очень жарким, как это, впрочем, уже много раз происходило в истории. И так же, как раньше, произошло еще одно парниковое массовое вымирание.

Данные, полученные при исследовании изотопов углерода в отложениях на границе палеоцена и эоцена, также стали неожиданностью: они продемонстрировали непродолжительную отрицательную экскурсию, а такое возможно только при условии уменьшения объема растительности в биосфере, которое является признаком массового вымирания В том же регионе, где бурили скважины по Программе глубоководного бурения США, другие палеонтологи обнаружили свидетельства катастрофической гибели придонных организмов (исследования были сосредоточены в основном на фораминиферах — они являются типичными обитателями придонной экосистемы). Являлось ли быстрое вымирание видов, приспособленных к холодным условиям, следствием лишь внезапного потепления? Результаты всех исследований, описанных выше, были опубликованы в начале 1990-х, а вскоре после этого японский палеонтолог Кунио Кайхо выпустил еще одну публикацию, в которой сообщалось, что судьба придонной биоты была решена не повышением температуры на больших глубинах, а резким падением уровня кислорода в тех областях океана. Весьма логичное заявление, ведь теплая вода зачастую бедна кислородом и пищевыми ресурсами.

Итак, в глубинных областях морей возникло неожиданное потепление, снизилась концентрация кислорода в воде, у поверхности вода также потеплела — что послужило этому реальной причиной? Столкновение Земли с астероидом во времена мел-палеогенового вымирания привело к серьезным изменениям в верхних слоях океана, и из-за этого в них погиб почти весь планктон, но глубоководный мир остался почти не затронут, если не считать сокращения пищевых ресурсов, поступающих сверху. Потепление глубоководных областей могло произойти из-за быстрого нагрева значительной площади морского дна, но такое возможно только в случае возникновения совершенно нового типа подводного вулканизма. У дна океана действительно существуют течения с очень высокой температурой, но они находятся у относительно узких срединно-океанических хребтов, где происходит образование новой океанической коры. Даже быстрое тектоническое движение, вызванное повышенной вулканической активностью, может создать потепления такого масштаба. Более-менее корректное предположение заключается в том, что в целом потепление придонных слоев океана возникло в результате интенсивного испарения в тропических широтах — это привело к тому, что вода стала более соленой и плотной, и затем эти более соленые и плотные водные массы переместились вдоль морского дна, в том числе в холодные области высоких широт.

В океане времен палеоцена не действовал один обычный механизм перемещения холодных, насыщенных кислородом поверхностных слоев ко дну: глубоководная термохалинная циркуляция — основной способ перемешивания океанических вод — работала диаметрально противоположным современному потоку океанических течений образом. Первыми жертвами этого стали фораминиферы — крошечные глубоководные организмы, которым был жизненно необходим кислород. Погибли многие их виды, и произошло это относительно быстро — в течение примерно 4000 лет. Впрочем, чтобы считать это событие массовым вымиранием, необходимо убедиться, что оно затронуло не только океан, но и сухопутных животных. Исследования продолжились уже на суше.