Ветви или, вернее, стволы этого генеалогического дерева неодинаковы по толщине. Это не случайно. Палеонтологами подсчитано, сколько видов древних животных встречено в отложениях каждого периода. Там, где их много, соответствующий ствол утолщается, а где мало, он вытягивается в тонкий стебель.
Не подлежит сомнению, что атмосфера имеет громадное значение для появления и развития жизни на Земле. Без нее не могли бы существовать ни животные, ни растения. Животные очень чутко реагируют на все изменения окружающей среды. Поэтому, если в атмосфере действительно происходили циклические изменения газового состава, они неизбежно должны были повлечь за собой перемены в животном мире.
Из опытов, проведенных над современными животными, известно, что более высокоразвитые организмы чувствительнее к колебаниям состава воздуха, чем организмы менее сложные, а долгоживущие существа чувствительнее, нежели недолговечные. И неожиданно намечается новое интересное решение палеобиологического вопроса.
Если приложить к родословному дереву позвоночных график, на котором показано изменение газового состава атмосферы во времени, можно увидеть, что линии, характеризующие вымирание или расцвет различных групп животного мира, соответствуют ходу кривой, показывающей увеличение содержания кислорода в атмосфере.
Напрашивается вывод: вымирание больших групп древних животных непосредственно связано с изменением газового состава воздуха. И это, конечно, касается не только динозавров. По-видимому, изменение состава атмосферы сыграло свою роль в эволюции всех классов позвоночных, будь то млекопитающие, земноводные или даже рыбы. В пользу этой гипотезы имеется немало доводов. О ее справедливости свидетельствуют анализ скелетных тканей вымерших организмов, закономерности эволюции дыхательного аппарата и системы кровообращения древних животных, характер биохимического режима тканей и особенности эмбрионального развития представителей современного животного мира. Но и эта гипотеза ни в коей мере не может считаться всеобъемлющей.
Бесспорно, что на вымирание и прогресс организмов определенное влияние оказали и борьба за существование, и местные похолодания, и образование новых горных хребтов, и изменения режима водоемов. Но какую роль сыграла каждая из этих сил - пока остается невыясненным.
Не исключена возможность, что на развитие органического мира повлияло и увеличение содержания в гидросфере дейтерия - тяжелого изотопа водорода. Сведения, которыми располагает геохимия, свидетельствуют о том, что содержание дейтерия в воде неуклонно повышается. Возможно, удастся найти доказательства, что и этот процесс на протяжении геологической истории ступенчато менял свою скорость.
Можно считать доказанным, что внезапные космические катастрофы не могут быть причиной эволюционного преобразования органического мира всей планеты. Тем не менее и они в состоянии сыграть определенную роль на общем фоне направленной эволюции.
В 1979 г. лауреат Нобелевской премии профессор Луис Альварес (по специальности - физик) и группа ученых Калифорнийского университета изучали в Италии химический состав горных пород, сформировавшихся в конце мелового и в начале палеогенового периодов. В отложениях, разделяющих мезозойские и кайнозойские образования, они обнаружили повышенную концентрацию редких химических элементов. Особенно интересным оказался пласт розоватого известняка, в нижней части которого содержались остатки микроорганизмов мелового, а в верхах - палеогенового возрата.
Между этими палеонтологически охарактеризованными слоями располагался тонкий (не более 1 см) прослои глины, в котором было установлено аномально высокое содержание иридия. Количество этого металла в глинистом пропластке более чем в 30 раз превышало его содержание в окружающем известняке.
Известно, что иридии мало распространен в земных породах, но довольно часто встречается в космической пыли и в некоторых типах метеоритов. Поэтому Альварес объяснил эту аномалию как результат столкновения Земли с каким-то космическим телом.
В последующие годы геохимические исследования пограничных отложений мела и палеогена были проведены во многих странах. И в десятках мест удалось установить наличие слоя с повышенным содержанием иридия. Увеличенные концентрации этого элемента были обнаружены на территории Испании, Китая, Новой Зеландии, Гаити, США, в донных осадках Тихого и Атлантического океанов. Наиболее значительной была аномалия, выявленная в Дании. В ее пределах содержание иридия было в 160 раз выше, чем в окружающих породах.
Стало очевидно, что аномалии иридия имеют глобальный характер и, скорее всего, являются следствием космических причин. Такой причиной могло быть падение на Землю крупного метеорита или астероида. Можно даже приблизительно оценить его размеры - около 10 км в диаметре. Статистические расчеты показывают, что встреча с метеоритом такого размера вероятна один раз в 30-100 млн. лет. Энергия подобного удара столь велика, что метеорит неизбежно разрушится. Значительная часть его должна при этом превратиться в пыль, которая вследствие движения воздушных потоков равномерно распределится в атмосфере и на некоторое время может существенно уменьшить ее прозрачность. Естественно, что пока эта пылевая завеса полностью не осядет на земную поверхность, животные и растения будут испытывать некоторую нехватку солнечного света и тепловой энергии. Если же атмосфера окажется настолько насыщенной пылью, что станет почти непрозрачной, то это может привести к гибели определенной части органического мира планеты. Эти аргументы и привел Альварес для объяснения причины вымирания динозавров.
Палеонтологические данные, однако, неопровержимо говорят о том, что вымирание динозавров началось задолго до предполагаемого момента падения астероида и не могло быть его следствием. Но тем не менее открытие иридиевой аномалии на границе мела и палеогена представляет большой интерес для палеонтологии. Любопытно, что в отложениях, располагающихся в разрезе над горизонтом с повышенным содержанием иридия, действительно не встречено никаких следов существования древних ящеров. Не стало ли падение метеорита фатальным для последних представителей этой группы?
На Земле пока еще достоверно не найден кратер от упавшего в это время космического тела. Но оно вполне могло угодить в океан. В этом случае отыскать метеоритную воронку, а тем более продукты кратерных выбросов - дело почти безнадежное. Правда, известно несколько впадин, которые могли образоваться вследствие падения метеоритов в конце позднемелового времени или в самом начале палеогена. В нашей стране - это парные «кратеры» Приазовья, имеющие диаметр 25 и 3 км, а также две сближенные структуры, расположенные неподалеку от побережья Карского моря (60 и 25 км в диаметре). Похожие парные впадины известны и за пределами СССР - в Ливии. Если предположить, что все эти впадины возникли одновременно и являются следами падения осколков одного небесного тела и если принять во внимание, что за время, истекшее с начала палеогена, континенты могли переместиться, то можно даже начертить траекторию движения этого метеорита, которая завершится в море. А может быть...
На территории Украины под толщей кайнозойских отложений скрывается интересная структура - Болтышская котловина. Она имеет округлую форму, достигает 25 км в диаметре, вдается в древний кристаллический фундамент на глубину 0,5 км и по многим признакам очень напоминает ископаемый кратер невулканического происхождения. Радиологический возраст этой впадины - около 70 млн. лет. Не здесь ли упал метеорит, рассеявший в атмосфере Земли иридиевую пыль?
Геологи пытались обнаружить сходные геохимические аномалии вблизи границ и других стратиграфических подразделений. Их поиски вскоре увенчались успехом. Повышенные концентрации иридия были выявлены на рубеже эоцена и олигоцена, а также на границе пермских и триасовых отложений. Есть основания полагать, что Земля неоднократно встречалась с крупными метеоритами. За последние 2 млрд. лет на поверхность планеты выпали сотни тысяч больших небесных тел радиусом не менее 1 км, и по крайней мере несколько десятков из них оставили после своего падения кратеры более 10 км в поперечнике.
Но метеориты - не единственные космические объекты, которые могут оказать воздействие на органический мир планеты. Незадолго до Альвареса известный американский геохимик Гарольд Юри высказал предположение, что причиной гибели отдельных групп организмов (имелись в виду те же самые динозавры) могло быть столкновение Земли с огромной (массой в миллиарды тонн) кометой. При этом должно было произойти разогревание атмосферы, которое могло оказаться гибельным для многих живых существ. Кроме того, если бы это космическое тело упало в океан, то воды его были бы отравлены солями синильной кислоты, образовавшейся из цианидов, которые есть в составе вещества кометы.
Таким образом, столкновения Земли с крупными космическими телами также могут рассматриваться в ряду многих факторов, влиявших на отдельные события в истории жизни на Земле. И хотя эволюция органического мира совершается постепенно и представляет собой направленный процесс, закономерности которого не могут быть объяснены мгновенными воздействиями подобных случайных катастроф, изучение катастрофических актов в геологической истории представляет большой научный и практический интерес. Поэтому в 1983г. ЮНЕСКО и Международный союз геологических наук утвердили специально посвященный исследованию этой проблемы международный проект «Редкие события в геологии». В работе по этому проекту принимают участие ученые СССР, США, Великобритании, Франции, Швейцарии, Китая и других стран.
Материалов, по которым в той или иной мере можно проследить историю развития жизни на Земле, собрано много. Однако до сих пор еще никто не создал универсальной теории о причинах всех изменений, происходивших в животном и растительном мире нашей планеты. Эти проблемы по сей день ждут своего исследователя. Необходимы совместные усилия многих наук: геологии, палеонтологии, геофизики, зоологии, ботаники, зоогеографии (науки, занимающейся изучением географического распространения животных), фитогеографии (науки о пространственном размещении растений), химии, физики, генетики, климатологии, астрономии. Только обобщив данные всех этих отраслей знания, можно будет создать достоверную теорию, которая прольет свет на многие до сих пор темные страницы эволюции жизни.
Но мысль о том, что развитие органического мира планеты подчинено строгим циклам, уже сегодня дает нам возможность подойти к построению конкретных схем, на основании которых можно пытаться установить абсолютную продолжительность геологических периодов, опираясь на сведения о существовании представителей различных групп животных и выявленные закономерности формирования пластов горных пород, вмещающих останки вымерших организмов.
Попытки исчисления геологического времени на основании периодической смены систематических групп древних организмов предпринимались уже давно. Еще в прошлом веке высказывались соображения о том, что можно найти единицу измерения времени, использовав биостратиграфические подразделения, установленные в отложениях наиболее хорошо изученных геологических систем.
В 1889 г. Мельхиор Неймайр в работе «Племена животного царства» утверждал, что интервалы времени, в которые происходило развитие каждого из видов наиболее распространенных морских животных, можно считать приблизительно одинаковыми по их продолжительности. Значит, и отрезки геологических разрезов, охарактеризованные равноценными в стратиграфическом отношении комплексами видов ископаемых организмов, можно принять за единицу шкалы, отражающей протяженность геологической истории.
Подобные отрезки геологических разрезов, в пределах которых древние морские животные продолжали оставаться в большинстве своем одинаковыми, были названы зонами. Продолжительность геологических периодов и эпох должна была, по предположению Неймайра, измеряться количеством зон, наблюдаемых в составе тех или иных отложений.
Действительно, еще за 20 лет до выхода в свет труда Неймайра известный немецкий палеонтолог Вильгельм Вааген развивал гипотезу о том, что мутации видов головоногих моллюсков - аммонитов - возникают через определенные и приблизительно равные интервалы времени.
Но хронологическая единица Ваагена и Неймайра, соответствующая времени образования зоны (ее называют зональным моментом), есть величина относительная. Какова же ее абсолютная протяженность? И можно ли утверждать, что смена комплексов животного мира всегда происходит через равные промежутки времени? Палеонтологический материал не мог предоставить достаточных оснований для ответа.
Пришлось обратиться к изучению сил, способных вызывать изменение внешних условий, в которых протекает жизнь органического мира. Исследования географической обстановки минувших времен показали, что наряду с признаками, присущими той или иной эпохе, существует множество характерных черт, проходящих через всю доступную для изучения земную историю.
Одной из таких черт, оставивших свои следы в отложениях всех геологических периодов, являются свидетельства изменения климатических условий на земном шаре. Мимо внимания геологов не могло пройти крайне интересное явление: во всех осадочных образованиях - от кембрия и доныне - упорно повторяется некая единообразная последовательность процессов.
Начали систематизировать наблюдения, обрабатывать их, и оказалось, что эта циклическая повторяемость условий формирования осадков подчинена хорошо выдержанным во времени ритмам, характер которых напоминает периодичность изменения климата в современную эпоху. Общая закономерность была такая же: малые ритмы объединялись в более крупные, а те в свою очередь оказывались подчиненными следующим, еще более грандиозным циклам. Вставал вопрос: можно ли измерить в абсолютных единицах протяженность этих этапов развития земной коры? Казалось, что историческая геология и абсолютная геохронология еще не располагают достаточным количеством сведений, чтобы решить эту сложную проблему. Остановились перед нею в нерешительности и астрономы.
Выяснилось, что далеко не все ритмы, нашедший отражение в слоистых толщах, могут быть использованы для воссоздания хода древних климатических процессов. Очень часто слоистость пород бывает обусловлена действием внутренних геологических сил, проявляющихся на сравнительно ограниченной территории. Она может порождаться особыми колебаниями дна бассейна, где происходит накопление осадков.
В древних вулканических областях, например на Алтае и Южном Урале, можно встретить иной вид слоистости, возникший в результате деятельности нагретых вод. Своеобразную слоистость можно наблюдать в отложениях, связанных с извержениями некоторых вулканов. Во всех этих образованиях тоже наблюдается ритмичность. Но это явления местного порядка. В лучшем случае они составляют особенность той или иной геологической провинции. Поэтому геологи обратились к слоистости другого типа, имеющей более широкое, возможно даже планетарное, распространение.
Самые короткие по продолжительности периодические колебания погоды проявляются в ежедневном изменении температуры земной поверхности и воздуха. Геологическое влияние этих суточных изменений может увидеть каждый. Если взглянуть на разрез свежеобразованных наносов в устье оврага, нельзя не заметить чередования простейших осадочных циклов, вызванных бурной деятельностью водотока в дневное время и сменяющим ее спокойным течением в ночные часы.
Подобные суточные ритмы хорошо известны в отложениях временных потоков пустынных предгорий и в солевых осадках мелких озер засушливой зоны. Некоторые минеральные источники также подчиняют свою жизнь размеренной смене дня и ночи. Примеров таких можно привести множество. И значение суточных ритмов в формировании лика планеты огромно. Но в отложениях геологического прошлого суточная цикличность почти неизвестна.
Значительно чаще геологи встречаются с проявлением ритмов слоистости, обусловленным чередованием времен года. Количество выпадающих осадков, интенсивность засух, ветры и ливни - все эти сезонные изменения метеорологических условий сказываются на характере слоистости.
Уже давно было замечено, что слоистость такого типа наиболее отчетлива в солевых и ледниковых образованиях. Классическим объектом изучения годичной смены слоев стали ленточные глины - осадки приледниковых озер. Эти глины состоят из чередующихся слоев песчаных и глинистых частиц.
В летнее время ледниковые воды приносили в озеро много обломочного материала и на дне осаждался светлый слой песка. Зимой озеро покрывалось льдом, песчаные частицы не поступали, взмученная за лето вода постепенно отстаивалась и на дно ложился тонкий темный слой глинистого осадка. Каждый летний слой постепенно переходит в зимний, образуя двухцветный пласт. Эти пары сменяющих друг друга слоев похожи на ленты, отсюда и название породы «ленточная глина». Переход же от зимнего слоя к очередному летнему всегда выражен очень резко. На поверхности весенней границы зимних лент нередко можно увидеть отпечатки кристаллов льда либо сложный рисунок мерзлотного растрескивания породы.
Поскольку осадки каждого года разделены отчетливо выраженным рубежом, можно подсчитать, сколько лет потребовалось для образования всей толщи ленточных глин. А сравнив результаты подсчета числа лент в отложениях различных районов, можно установить скорость движения ледника. Было выяснено, например, что с начала формирования ленточных глин под Ленинградом прошло 16,5 тыс. лет;
приблизительно в это же время ледник находился на территории Финляндии и Дании, а 15 тыс. лет назад он коснулся южного побережья Швеции.
Но палеоклиматологи не успокоились на достигнутом. Измеряя толщину ежегодного прироста осадочных отложений, они заметили, что количество вещества, выпадающего на дно водоемов, в разные годы неодинаково. В ход было пущено простое, но действенное оружие - ритмограммы.
Ритмограмма представляет собой несложный график. По его горизонтальной оси откладывают равные отрезки, соответствующие годам, а по вертикальной - годичный прирост осадков. Этот прирост можно фиксировать для каждого года в целом, а можно строить и отдельные графики для летнего и зимнего сезонов. Полученные таким способом спектры кривых вскрывают интересные подробности. Теперь вместо общих соображений о наличии цикличности нескольких порядков можно установить достоверность существования таких циклов и измерить их продолжительность с точностью до одного года.
Циклы первого порядка, как уже говорилось, представлены чередованием зимнего и летнего накопления осадков. В поисках более длительных периодических изменений климата геологи прежде всего продолжили изучение древних ледниковых образований.
Известно, что ледниковые отложения присутствуют во всех (вернее, почти во всех) геологических системах. Предстояло сравнить между собой ледниковые толщи различных континентов и выяснить, действительно ли все эти оледенения имели планетарное распространение. Задача была не из легких. При попытке очертить площади, захваченные в былые времена ледниками, надо было учитывать условия, регулирующие характер проявления и сохранности ледниковых образований. А условия эти существенно зависят от взаимного расположения морей и материков, которое в ходе геологической истории многократно менялось и не всегда может быть установлено бесспорно.
Тем не менее усилиями геологов многих стран была выполнена огромная работа, позволившая собрать воедино разрозненные факты и восстановить общую картину. Теперь мы знаем, что крупные материковые оледенения оставили свои следы лишь в отложениях на границе докембрия и палеозоя, в верхнепалеозойских и четвертичных. Обычно же геологи встречаются с ледниковыми образованиями, формировавшимися на стыке суши и моря - в области так называемого шельфа. Такие ледниково-морские отложения известны, например, в Боливийских Андах, а в Советском Союзе - на Патомском нагорье.
Оледенения же палеогенового, юрского, триасового, девонского и кембрийского периодов, по-видимому, были местными; они не дают возможности говорить о наступлении холодных эпох планетарного масштаба. Свидетельств подобных местных оледенении множество. Их находят почти повсюду: от окрестностей Красноярска в СССР до горных хребтов Колорадо в США.
Ритмограммы ледниковых отложений различного возраста имеют много общего.
Сказать о том, каковы были изменения климата в древнейшую - архейскую - эру, трудно. Можно лишь утверждать, что и в это время тонкослоистые ленточные отложения имели правильный сезонный характер.
Но в зеленоватых сланцевых породах, так называемых филлитах, образовавшихся в конце архейской эры, уже обнаруживаются климатические ритмы. В классическом обнажении этих пород, расположенном на берегу оз. Нисаярви на юго-западе Финляндии, была изучена серия сланцев, отлагавшаяся на протяжении 40 тыс. лет. В течение всего этого времени накопление осадков подчинялось постоянным циклам, сменявшим друг друга каждые три года. А на фоне трехлетних циклов достаточно отчетливо заметна периодичность, повторявшаяся через 10 или 11 лет.
В нижнепротерозойских ленточных сланцах Енисейского кряжа выступает ритмичность несколько иной длительности. Если от устья Подкаменной Тунгуски подняться вверх по Енисею до оз. Монастырского, можно увидеть наряду с трехлетними циклами ритмы пяти- и шестилетней продолжительности.
В еще более молодых отложениях на западных склонах Южного Урала заметны трех- и одиннадцатилетние циклы. Кроме того, в распространенных здесь озерно-морских ленточных породах верхнего докембрия намечается менее четкая тридцати- или тридцатипятилетняя периодичность.