Чтение онлайн

Актуалистические подходы к реконструкции докембрийских сред обитания зачастую приводят к неактуалистическим моделям биосферы — слишком велик интервал времени, отделяющий нас от архея и протерозоя. Примером может служить сравнение древних строматолитов и современных экосистем, контролируемых цианобактериями в себкхе или в лагунах с повышенной соленостью аридных зон. Подобные экосистемы, занимающие ныне весьма ограниченное пространство, периодически имели глобальное распространение на протяжении докембрийской, то есть большей части истории Земли. Этот пример ярко демонстрирует парадоксальность актуализма как метода познания геологического прошлого.

Исследователи строматолитов, тонкослоистых карбонатных структур, сформированных цианобактериальными сообществами, давно подметили резкий спад разнообразия и количества этих образований в истории биосферы после 1 млрд. лет назад. Это явление было истолковано как результат деятельности ранних животных, которые выедали бактериальные дерновинки и нарушали стабильность субстрата, необходимую для формирования строматолитов [9]. Прямые палеонтологические данные в пользу этой гипотезы отсутствуют — ни следов, ни остатков животных в строматолитовых отложениях докембрия пока что не обнаружено. Вероятность таких находок представляется небольшой по чисто экологическим причинам.

Существует определенный антагонизм между строматолитами и животными: там, где много строматолитов, мало или вовсе нет животных. Даже на дне, густо заселенном животными, наблюдается это противостояние — островки бактериальных матов «не пускают» животных даже в осадок — под матом царит аноксия (отсутствие кислорода), вызванная медленно разлагающимся органическим веществом. В геологической истории фанерозоя строматолиты нередко появляются во временных окрестностях экологических кризисов и массовых вымираний животных. Строматолиты — знак беды, признак дестабилизации сложных экосистем. Экологический антагонизм устойчивых цианобактериальных сообществ и беспозвоночных заставляет нас отказаться от первой гипотезы и искать другие причины упадка строматолитов.

И. Н. Крылов, один из зачинателей палеонтологии докембрия [10], предположил, что основной причиной резкого уменьшения роли строматолитов было угнетение цианобактериальных сообществ свободным кислородом, концентрация которого значительно выросла к концу протерозоя. Можно сказать, что это было самоуничтожение строматолитов. Действительно, весь кислород на планете — биогенный. На протяжении архея и значительной части протерозоя цианобактерии произвели огромный объем кислорода благодаря фотосинтезу. Значительная его кислорода ушла на окисление железа и некоторых других металлов — результатом этого процесса стали месторождения осадочных руд. После того, как основная часть железа была выведена из морской воды в осадок, кислород стал накапливаться в несвязанной форме в атмосфере и гидросфере. Таким образом, цианобактерии «отравили» атмосферу планеты продуктом своей жизнедеятельности и поплатились своей доминирующей ролью в мелководных морских экосистемах. По словам И. Н. Крылова, это была первая глобальная экологическая катастрофа. Однако «винить» только строматолитовые бактериальные сообщества в самоуничтожении было бы неверно: в производстве кислорода в протерозое все возрастающую роль стали играть эвкариотные водоросли.

Недавно М. А. Семихатов и М. Е. Раабен опубликовали серию статей [11], в которых они подвергли анализу мировые данные по строматолитам архея и протерозоя (3,8–0,545 млрд. лет). Установлена довольно сложная история цианобактериальных экосистем — на фоне растущего обилия и разнообразия строматолитов в течение архея и протерозоя было три спада, последний из которых начался около 850 млн. лет назад. Этот спад, оказавшийся фатальным, совпал с началом длительной ледниковой эры. По мнению авторов, именно климатический фактор был ведущим в элиминации строматолитовых сообществ в качестве доминант относительно мелководных бассейнов.

Следует заметить, что по мере роста концентрации свободного кислорода в атмосфере протерозойской планеты уменьшалось содержание углекислого газа. Этот фактор снижал скорость накопления биогенных карбонатных осадков, в том числе — строматолитов. Угнетающе действовало на карбонатную биоминерализацию и длительное похолодание, возможно, связанное с уменьшением парникового эффект атмосферы. Биосфера остывала.

На протяжении большей части своей истории Земля не испытывала оледенений: ранняя биосфера была теплой, если не горячей. Первый ледниковый период зафиксирован геологами 2,2 млрд. лет назад. За ним следовал длительный период теплой биосферы вплоть до неопротерозоя, когда в течение двухсот миллионов лет (от 750 до 580 млн. лет назад) прошла череда мощных покровных оледенений. В этом интервале геологической истории зафиксировано четыре длительных ледниковых периода, но возможно их число было большим [12]. Масштабность этих событий потрясает. Льды достигали уровня моря даже на тех континентах, которые располагались вблизи экватора. Об этом свидетельствуют палеогеографические реконструкции, основанные на анализе остаточной намагниченности горных пород. Этот парадокс был отмечен Н. М. Чумаковым [13].

В последние годы получены дополнительные данные, показывающие поистине глобальный масштаб неопротерозойских оледенений. Изотопная летопись углерода из карбонатных отложений, накопившихся в периоды оледенений, демонстрирует негативные аномалии чудовищной амплитуды. Подобного не наблюдалось ни в течение предшествующих 1,2 млрд. лет, ни в ходе всей последующей геологической истории.

Сейчас, когда гипотеза об оледеневшей Земле обрела черты научной сенсации, интенсивно обсуждаются поведение различных параметров биосферы. Полагают, что каждое из оледенений могло длиться от 4 до 30 миллионов лет. В эти периоды лед толщиной почти 2 км сплошным слоем покрывал континенты и мировой океан. Биологическая продуктивность (от фотосинтезирующего планктона и далее по пищевой цепи) в поверхностных водах океана резко сокращалась на миллионы лет — обширные льды блокировали солнечный свет. Оледенения заканчивались катастрофически быстро, когда благодаря наземному вулканизму в атмосфере накапливалось высокое содержание углекислого газа, более чем в триста раз превышающее его современный уровень.

Крайняя смелость этой гипотезы не означает ее полной невероятности. В ее рамках находят объяснение ранее непонятные явления, например, такая давняя загадка, как природа доломитов, обычно перекрывающих ледниковые отложения. Доломиты – CaMg(CO3)2-характерны для тепловодных карбонатных бассейнов низких широт, появление их на короткое время сразу по окончании оледенения вызывало много споров. Полагают следующее: как только концентрация углекислого газа в атмосфере достигала критического уровня, холодная биосфера довольно быстро переходила в теплое состояние. Океан освобождался ото льда и поглощал гигантские объемы углекислого газа из перенасыщенной им атмосферы. В рамках этой гипотезы находит объяснение и очень позднее, «возвратное» появление полосчатых железных руд, которые характерны для гораздо более древних эпох позднего архея и раннего протерозоя (максимум их накопления был 2,5 млрд. лет назад). Покрытый льдом океан быстро становился бескислородным и потому — богатым железом за счет подводных гидротермальных источников. Освобождение океана ото льда и приток кислорода в связи с возрастающей активностью фотосинтезирующих организмов привело к окислению и осаждению железа.

Причины столь глубокого и длительного похолодания на планете не вполне ясны. Предложено несколько гипотез, самая распространенная из которых связывает похолодание со снижением парникового эффекта атмосферы: фотосинтезирующие организмы поглотили гигантский объем углекислого газа, а захоронение биогенного углерода на обширных и стабильных континентах надолго выводило его из круговорота. Недавно предложена гипотеза о том, что в период оледенений в позднем протерозое наклон оси вращения Земли к плоскости ее орбиты вокруг Солнца был не менее 54° (против нынешних 23,5°) и потому экваториальные районы были самыми холодными, а полярные области оставались более теплыми. Эта гипотеза требует объяснения механизма столь быстрых и периодических изменений наклона оси [14]. Как видим, споры идут о масштабности оледенений. А в том, что в интервале 750–545 млн. лет назад было несколько ледниковых периодов, сомнений нет.

Самым обширным было Варангерское оледенение, которое непосредственно предшествовало массовому расселению вендской фауны. Какую роль сыграли оледенения в эволюции таких сложных биологических систем как многоклеточные организмы? Как они смогли пережить эру великих холодов? Прежде чем рассматривать этот вопрос, обратимся к наиболее древней части ископаемой летописи животных — фауне вендского периода.