Помоги проекту - поделись книгой:
и поступление газов — продуктов их распада — в атмосферу. Наконец, существовал еще один источник парниковых газов — очень близко во времени к пермо-триасовой границе произошел один из крупнейших в истории Земли эпизод континентального вулканизма. Излившиеся тогда на поверхность Земли породы составляют так называемые сибирские траппы, покрывающие сейчас слой за слоем чередующимися лавовыми потоками и вулканическими обломками значительную часть центральной Сибири. (Название этих и других подобных толщ базальтовых потоков — траппы — происходит от шведского слова, обозначающего ступени. Часто, особенно после эрозии, накладывающиеся друг на друга горизонтальные потоки имеют вид ступеней лестницы.) Многие геологи считают, что воздействие сибирского вулканизма на среду обитания было очень сильным, хотя их аргументы зависят от скорости излияния этих огромных количеств лавы. Главным следствием этого излияния, которое можно было бы связать с вымираниями, являлся выброс в атмосферу больших количеств вулканических газов — таких, как сернистый газ (SO2) и углекислота (СO2). Интересно отметить, что имеются хорошие доказательства того, что в другие периоды высокой скорости вымирания произошло еще несколько эпизодов мощного континентального вулканизма, из которых самым крупным было излияние траппов в Декане — огромного нагромождения лавовых потоков в центральной и западной Индии, очень похожее на сибирские траппы. Определение возраста этих пород показало, что их излияние приблизительно совпадает во времени с вымираниями на границе мела и третичного периода. Связаны ли прямо эти эпизоды массового излияния лавы на поверхность Земли с вымираниями, неизвестно, но совпадение во времени тех и других событий заставляет задуматься.
Хотя в наше время датировка изверженных пород, связанных с такими событиями, как излияние деканских или сибирских траппов, есть дело довольно простое, гораздо труднее в силу технических трудностей определить абсолютный возраст осадочных пород, о чем уже говорилось в главе 6. Поэтому существует значительная неопределенность относительно точного определения некоторых событий, которые можно связать с пермо-триасовыми вымираниями. Например, поскольку в конце перми Пангея простиралась от полюса до полюса, создались благоприятные условия для возникновения полярных ледяных шапок, и действительно существуют признаки наличия оледенений в пермский период. Вопрос в том, что неизвестно, когда именно это событие достигло своего пика и не было ли в то время глобального похолодания. Возможно, что сильные и быстрые колебания уровня моря в конце перми были частично обусловлены наступлениями и отступлениями ледников. В любом случае ясно, что за сильным падением уровня моря в конце перми последовало довольно быстро общее мировое потепление и новый существенный подъем уровня моря.
Почти все обобщенные компьютерные модели реакции климата на глобальное потепление предсказывают гораздо большую его изменчивость, чем та, которую мы сейчас переживаем. Следовало бы ожидать больших различий между средними температурами лета и зимы, а также периодических коротких наплывов как сильной жары, так и крайнего холода. Можно предположить, что такие флуктуации характеризовали потепление климата в конце пермского периода. Огромность континента Пан-геи еще более подчеркивала эту тенденцию, особенно в его внутренних частях. Таким образом, даже при отсутствии мгновенной глобальной катастрофы, такой, как падение астероида, нетрудно представить себе, что при мощных вулканических излияниях, климатической изменчивости и резких изменениях уровня моря наш мир в конце пермского периода был очень суровым местом для многих форм жизни.
ПРИЧИНЫ ВЫМИРАНИЙ НА ГРАНИЦЕ МЕЛА И ТРЕТИЧНОГО ПЕРИОДА
Как это обычно происходит после всех массовых вымираний, группы, пережившие пермо-триасовый кризис, в течение мезозоя быстро размножились и увеличили количество своих форм. Хотя и было несколько моментов, когда скорость вымирания снова увеличилась по сравнению с обычным, средним уровнем, следующее действительно крупное вымирание, зафиксированное в каменной летописи, произошло на границе мела и третичного периода. Как отмечено выше, вымирания, приуроченные к этой границе, привлекли широкое внимание, поскольку они включали исчезновение динозавров, а также по причине сильных доказательств столкновения с Землей, как раз в это время, крупного внеземного объекта. И действительно, научные встречи, на которых обсуждаются события, связанные с этой границей, как правило, привлекают необычайно разнообразный круг исследователей, от биологов, геологов, геофизиков и до химиков.
Летопись осадочных пород для границы мел — третичный период гораздо более полна и доступна, чем для более ранних вымираний, и совместное исследование ее представителями разных научных дисциплин сделало эту границу, пожалуй, наиболее тщательно изученной по сравнению с другими границами, связанными с крупными вымираниями. Некоторые из лучших свидетельств были получены из керна скважин, пробуренных в дне океанов. Наличие распределенных по всему земному шару образцов осадков, отложившихся вдали от сферы влияния континентов, было важным фактором при сборе информации о мировых изменениях жизненной среды, происшедших на границе мел — третичный период. К сожалению, поскольку субдукция уничтожила все площади морского дна, возраст которых превышает около 200 миллионов лет, в современных океанах не сохранилось равноценных разрезов толщи осадочных пород, относящихся к границе пермь — триас. Все отобранные в морях образцы пород этого периода представляют осадки, отложившиеся на краях континентов, которые сейчас уже подняты и обнажены; последовательность пород в этих скважинах прерывается временами отсутствия осадкоотложения, вызванными колебаниями уровня океана.
Палеонтологи, изучающие керны тонкозернистых осадков из глубоководных частей океана, довольно легко идентифицируют границу мел — третичный период. Она отмечается очень резким снижением содержания ископаемых остатков планктона, особенно мелких организмов, которые живут в приповерхностных водах и образуют свои раковинки из карбоната кальция. Выше границы эти животные постепенно восстанавливают свое преобладание, но состав видов уже большей частью другой. Во многих регионах эта граница распознается по присутствию тонкого слоя граничной глины, почти лишенной карбоната кальция, но переслаивающейся с мощными толщами более молодого и более древнего известняка. Насколько можно установить, эта закономерность исчезновения планктона является глобальной, и переход от обильной выработки известковых раковинок к фактически нулевой был глобальным и быстрым. Верхняя, освещенная солнцем часть океанов, в которой обитал планктон, подверглась, очевидно, какому-то сильному воздействию, и общая биологическая активность в океанах резко упала.
На суше, помимо исчезновения динозавров, происходили и другие изменения. Одно, которое можно даже связать с исчезновением динозавров, произошло в растительном царстве. Большая часть данных из этого времени происходит не от остатков самих растений, а в результате изучения цветочной пыльцы или спор.
Страдающие от сенной лихорадки, возможно, и не согласятся со мной, но пыльца оказывается весьма полезной не только для растений, но и для людей. Вырабатываемая семенными растениями, она отличается широким разнообразием различаемых форм. Ее крошечные зернышки с помощью ветра и животных переносятся на большие расстояния от источника. Они, кроме того, обладают довольно высокой прочностью, которая предохраняет их от разрушения. Они накапливаются в медленно отлагающихся осадках озер или мелководных внутренних морей, сохраняя для нас непрерывную и часто удивительно полную запись о флоре семенных растений окружающей местности. В западной части Северной Америки эта запись была подробно изучена; вблизи от границы мел — третичный период она обнаруживает очень резкие изменения, которые дают нам ценную информацию о состоянии мира в конце мела.
Наиболее явной особенностью пыльцевой летописи является крутое падение относительного содержания пыльцевых зерен сравнительно со спорами, притом прямо на границе мела и третичного периода. Споры образуются папоротниками; это изменение показывает, что в данный момент произошла внезапная гибель семенных растений, которая сопровождалась увеличением количества папоротников. Даже в наши дни папоротники быстро захватывают районы, где по той или иной причине были истреблены семенные растения, только чтобы потом снова уступить дорогу более «высокоразвитым» растениям, расположенным выше на более длинной временной шкале. В начале третичного периода пыльцевая летопись снова обнаруживает постепенное увеличение содержания пыльцы по сравнению со спорами по мере того, как семенные растения оправляются от последствий кризиса на границе мел — третичный период. Точное время, в течение которого произошло это восстановление, неизвестно, но похоже, что в геологических масштабах оно было невелико. Некоторые из семенных растений мелового периода так и не сохранились, оказавшись жертвами вымирания, но все же за относительно короткое время общее содержание пыльцы в осадках снова достигло прежних уровней.
Интересным аспектом этой летописи является тот факт, что резкость падения содержания пыльцы была, по-видимому, гораздо большей на юге, чем на севере. Многими палеонтологами это было интерпретировано как признак общего похолодания климата: северные виды, уже приспособившиеся к холоду, пострадали меньше. Вымирания среди планктонных организмов в океанах следуют той же закономерности — тропические формы обнаруживают признаки более сильных вымираний, чем те, которые жили в умеренно теплых водах.
Связь между микроскопическими зернышками пыльцы и гигантскими рептилиями определяется тем, что самые большие динозавры были травоядными и зависели в своем питании от растений. Резкое уменьшение количества и разнообразия семенных растений должно было сделать их жизнь очень тяжелой; то же относится и к хищникам, которые питались ими. Тем не менее вопросы причинно-следственных связей, связанных с вымираниями на границе мела и третичного периода, все еще являются предметом яростных споров. Стали ли и семенные растения и динозавры одновременно жертвой глобального катаклизма, вроде столкновения Земли с астероидом, или же сначала пострадали растения, оборвав пищевую цепь? Было ли столкновение причиной похолодания климата, подтверждаемого закономерностями вымирания как на суше, так и в морях, или эта общая тенденция является результатом вулканических излияний в Индии, а может, здесь действовала какая-то более банальная причина? На такие вопросы трудно ответить, но с поступлением все новой обильной и подробной информации, получаемой сейчас в результате исследования осадков того времени, в которых записаны события на границе мела и третичного периода, мы сможем в конце концов прийти к однозначному решению.
Стоит отметить, что хотя мы не раз подчеркивали внезапность вымираний на границе мела и третичного периода, в отношении которой есть неопровержимые доказательства, все же кажется, что некоторые виды, включая некоторых динозавров, находились в упадке уже значительное время перед этой границей. Для этих видов ископаемая летопись показывает, что их численность постепенно сокращалась, а их географическое распространение уменьшалось. Но как бы это ни казалось невероятным со статистической точки зрения, многие палеонтологи пришли к убеждению, что некое крупное событие на границе мела и третичного периода, вероятно, столкновение с астероидом, нанесло последний смертельный удар многим видам, жившим в мире, который сам испытывал уже значительный биологический стресс.
Если действительно был нанесен финальный, в геологическом смысле мгновенный удар, который закончил меловой период, то весьма вероятно, что это произошло либо в результате столкновения Земли с астероидом, либо по причине мощного вулканизма, связанного с излиянием деканских траппов. Конечно, все последние исследования по точной датировке как излияний, так и столкновения дают значения возраста, практически совпадающие с временем биологических вымираний. Поэтому вполне возможно, что
Кратер Чикхулуб на Юкатане имеет в точности тот же возраст, что и граница мел — третичный период. Эта ныне погребенная структура очень велика и является свидетельством больших размеров — вероятно, около 20 километров в диаметре или больше — того объекта, который столкнулся с Землей. Но особенно интересным аспектом этого кратера является то, что он был вырыт, по крайней мере частично, в осадочных породах, состоящих из известняка и гипса — СаСO3 и CaSO4. Сильнейшее нагревание этих материалов в момент столкновения должно было вызвать их химическое разложение, выбросив в атмосферу огромные количества окислов серы, а также углекислого газа. Хорошо известно, что выброс в атмосферу SO2 из промышленных источников и вулканов вызывает образование в атмосфере аэрозолей (крохотных взвешенных в воздухе капелек раствора SO2 в воде). Когда их становится много, такие капельки аэрозолей создают в воздухе легкий туман, или дымку, которая частично задерживает падающие на Землю солнечные лучи и охлаждает ее. Этот эффект был прекрасно продемонстрирован, хотя и в гораздо меньшем масштабе, чем это было на границе мела и третичного периода, небольшим, но вполне измеримым уменьшением средней температуры Земли, которое последовало за выбросом большого количества серы во время извержения вулкана Пинатубо на Филиппинских островах в 1991 году. Более холодные температуры (около 0,5 градуса Цельсия) были отмечены в течение последующих приблизительно двух лет, после чего они снова возросли до предшествующих значений. Расчеты показывают, что выброс серы в результате падения метеорита при образовании кратера Чикхулуб мог вызвать понижение интенсивности солнечного излучения, достигающего земной поверхности, на 10-20 процентов. И если бы в это же время происходили обильные излияния лав в Декане, выбросив в атмосферу дополнительные количества SO2, то общее понижение температуры могло быть еще более значительным. Если принять во внимание, что столкновение должно было поднять глобальное пылевое облако, то кажется очень вероятным, что на Земле тогда царил сумрак и было значительно холоднее, чем сейчас, по крайней мере в течение нескольких лет после столкновения. Более того, при соединении SO2 с водой образуется серная кислота. Частички атмосферных аэрозолей должны были быть очень кислыми, и по мере того, как они постепенно удалялись из атмосферы в результате осаждения, должны были вызвать окисляющие, кислотные дожди. Все одно к одному, так что конец мелового периода был поистине неприятным временем.
За исключением нескольких случаев, массовые вымирания происходили в каждом геологическом периоде, начиная с кембрийского. Мы довольно подробно рассмотрели два из них, самых крупных. Это были главные вымирания, выделенные первыми геологами, когда они еще грубо разделили геологическое время при создании шкалы, ибо на этих вымираниях основывалось выделение границ между палеозоем и мезозоем и между мезозоем и кайнозоем. Мы также рассмотрели, хотя и не так подробно, массовое вымирание, которое произошло в конце докембрия, уничтожив загадочную Эдиакаранскую фауну. Есть ли нечто общее в этих внезапных и резких перерывах развития жизни на Земле? В данное время ответом на этот вопрос будет, видимо, квалифицированное «нет». Квалифицированное, поскольку вполне возможно показать влияние изменений климата практически на все эти вымирания, хотя детали этих изменений не обязательно одинаковы во всех случаях. Действительно, граница между мелом и третичным периодом представляется уникальной в том смысле, что ни одна из других границ, основывающихся на массовых вымираниях, не дает однозначных признаков столкновения. Может быть, одним из самых интригующих совпадений, если это действительно совпадение, является тот факт, что два самых крупных вымирания в течение фанерозоя — на границах перми и триаса, мела и третичного периода — совпадают, каждое с крупнейшим эпизодом континентального вулканизма. Излияния базальта на континенты, подобные сибирским и деканским траппам, сравнительно редки в геологической истории, и тем не менее два таких особенно значительных эпизода совпадают с двумя самыми крупными массовыми вымираниями. Есть ли между ними отношения причины и следствия? Хотя некоторые геологи доказывают, что это именно так, еще слишком рано выносить окончательное суждение. Не все эпизоды с излиянием базальтов достаточно точно датированы, чтобы провести убедительный анализ их возможных соответствий. Более того, хотя всегда возможно, что пропущен какой-нибудь неизвестный фактор, кажется невозможным, чтобы последствия даже очень широкого и мощного вулканизма (главным образом, выброс в атмосферу углекислого газа и SO2) были настолько суровыми или быстрыми, чтобы сами по себе могли привести к массовым, глобальным вымираниям.
Обратите внимание, что характер изменения уровня моря в плейстоцене сильно упрощен: на самом деле на протяжении последних нескольких миллионов лет происходили многочисленные флуктуации уровня моря, о чем рассказывается в главе 12.
Глава 11.
МЛЕКОПИТАЮЩИЕ, ГОРЫ И ЛЕД: КАЙНОЗОЙСКАЯ ЭРА
Кайнозойская эра по стандартам предшествующих очень коротка. Тем не менее, поскольку она является последним взмахом косы геологического времени, мы многое знаем о ней. Все еще сказываются географические последствия движения литосферных плит, а растительная и животная жизнь, развившаяся в течение кайнозоя, — это знакомые нам фауна и флора современных равнин, лесов и морей. Короче говоря, мир кайнозоя легко распознаваем и удобен, с ним легче иметь дело, чем с более удаленными от нас во времени мирами с их незнакомыми нам обитателями и беспорядочно передвинутыми континентами и океанами.
Одной из причин того, что мы так много знаем о кайнозое, является то, что океанические бассейны в своих отложениях содержат полную хронику ее истории. Все океанское дно старше 200 миллионов лет, а значительная часть более молодого подверглась субдукции, снова погрузилась в мантию Земли. Однако большая часть океанического дна, образовавшегося в кайнозойскую эру 66 миллионов лет назад, все еще доступна для изучения. И хотя мы знаем, что глубокое море это не такое уж спокойное место, как когда-то думали, с медленным дождем остатков, оседающих на дно и накапливающихся там без каких-либо нарушений их залегания, оно тем не менее дает нам замечательно полную хронику событий, отразившихся в осадках, за всю эру. Одним из великих достижений наук о Земле в двадцатом веке явились организация и выполнение Проекта глубоководного бурения — огромного по масштабам научного предприятия, выполненного частью и для того, чтобы записать эту хронику. Сегодня, более четверти столетия спустя после его начала, этот проект получил уже другое название и цели его еще более расширились, чем в начале, но задачи его в главном остались те же — получить непрерывную серию образцов керна из океанского дна, которые помогут нам понять историю Земли. Сотни геологов со всего мира соперничают друг с другом за возможность провести на море два месяца на борту бурового судна, работая по часам, чтобы изучить, описать и проанализировать образцы керна по мере их поступления на палубу. В конце концов этот керн доставляется в одно из трех хранилищ в Соединенных Штатах — в Калифорнийском университете в Ла-Джолла, в Колумбийском университете в Нью-Йорке и в Техасском университете Эй-энд-Эм в Коллидж-Стэйшн, где они подвергаются дальнейшему изучению и хранятся в замороженном виде для будущих исследований. Эти керновые «библиотеки» являются бесценным источником материалов, документирующих историю Земли и находящихся всегда под рукой, когда появляются новые идеи или методы анализа. Хорошим примером может послужить вопрос о том, что произошло на границе мела и третичного периода. Как рассказывалось в предыдущей главе, открытие избытка иридия в отложениях, соответствующих этой границе, привело к предположению о столкновении Земли с крупным небесным телом 66 миллионов лет назад. Но показать, что это событие имело глобальный характер, а не было какой-то местной геохимической аномалией, не имеющей отношения к столкновению, можно было только на основании исследования керна скважин по всему миру. И большая часть этого материала была получена в результате выполнения Проекта глубоководного бурения.
Независимо от точной природы событий, которыми закончилась мезозойская эра, они отметили крупнейший поворотный момент в истории Земли. Как на суше, так и на море радикально изменился весь ход эволюции. И хотя кайнозойская эра занимает только полтора процента истории Земли, действие тектоники плит, даже с присущей ей медлительностью, значительно изменило физическую географию нашего мира в течение кайнозоя. В начале ее все еще существовал пролив-океан Тэтис, о котором рассказывалось в главе 9, служа проводником для циркуляции воды в широтном направлении. Ни Гималаев, ни Альп еще не было. Климат был гораздо теплее, чем сейчас: имеются ископаемые остатки организмов, свидетельствующие о субтропических условиях на широте северного полярного круга. Млекопитающие, Хотя они и существовали на протяжении всей мезозойской эры, все еще играли второстепенную роль в биологическом царстве. И все же это положение должно было вскоре измениться.
Одной из поистине удивительных особенностей кайнозоя является возможность — в силу столь обильной информации — проследить причинно-следственные связи с гораздо большей убедительностью, чем это было в отношении предыдущих эр. Совершенно ясно, что даже скромные перемещения литосферных плит в течение кайнозоя вызвали изменения климата мирового масштаба, которые, в свою очередь, оказали воздействие на ход биологической эволюции. В учебниках по исторической геологии о более ранних подразделениях геологической шкалы времени рассказывается часто в виде отдельных рассказов о важнейших физических и биологических событиях, помещенных в разных разделах, — тут о горообразовательных процессах, там о вулканизме; в океанах достигли расцвета такие-то и такие-то организмы, на суше такая-то группа вымерла, а такая-то пришла ей на смену. Но для кайнозоя взаимосвязи между биологическим и физическим мирами, хотя и не всегда очевидные, стали, по крайней мере в целом, более ясными — а кроме того, очевидно, что они стали играть очень важную роль. Даже те события, которые с точки зрения глобального целого кажутся совершенно второстепенными — как, например, образование Панамского перешейка около трех миллионов лет назад, соединившего обе Америки и закрывшего циркуляцию вод в широтном направлении между Атлантическим и Тихим океанами, — должны были иметь важные последствия как для климата, так и для всего биологического царства. Хотя и маловероятно, что мы когда-нибудь будем знать все детали более ранних отделов геологической истории так же ясно, как мы знаем кайнозой, все же в этом нашем знании содержится урок, который не следует забывать при рассмотрении этих древних эпох. И здесь снова, в самом широком смысле, принцип актуализма служит нам полезной опорой при рассмотрении прошлого.
ВОЗВЫШЕНИЕ МЛЕКОПИТАЮЩИХ
Кайнозойскую эру называют иногда веком млекопитающих. От земляного волка до слона, от китов до вомбатов и, конечно, включая нас, млекопитающие стали господствующей формой жизни на Земле. Они включают весь диапазон размеров — от крошечных существ вроде землероек, весом всего в несколько граммов, до гигантских голубых китов, вероятно, самых больших из когда-либо живших на Земле животных. Хотя мы не часто раздумываем над этим, жизни человека и других животных тесно переплетены как в нашей истории, так и в повседневной жизни. Значительную часть нашей пищи, а также немалую часть нашей одежды мы так или иначе получаем от наших одомашненных животных. Многие важные успехи в медицине были достигнуты в результате лабораторных исследований животных. И первоначальные исследования полярных океанов, а также Северной Америки и Сибири проводились с целью поисков китов и покрытых ценным мехом млекопитающих, соответственно, — к сожалению, часто с катастрофическими последствиями для существ, бывших предметом охоты. Самые первые из настоящих млекопитающих, о которых нам известно по их окаменелым остаткам, жили в конце триасового периода, почти в начале мезозойской эры. Еще раньше существовали звероподобные рептилии, как мы уже видели (рис. 9.4). Но очень долгое время после их появления — более 150 миллионов лет — млекопитающие оставались мелкими и малозаметными животными. Согласно общему мнению, это их положение было обусловлено как наличием хищных динозавров, так и конкуренцией со всеми типами динозавров. Однако после того, как массовое вымирание на грани мела и третичного периода устранило этих конкурентов, количество и многообразие млекопитающих росли буквально со скоростью взрыва. Недавние тщательные исследования каменной летописи показали, что за приблизительно 10 миллионов лет после катастрофы на границе мел — третичный период уже существовало около 130 родов млекопитающих (род — это группа близко родственных видов), столько же, сколько существовало в любое время после этого. Летучие мыши, приматы, грызуны, киты — эти и другие предшественники современных животных уже существовали. Хотя с того времени многие виды животных вымерли и появились новые виды, общее количество родов осталось тем же, в среднем около 90.[1] Это показывает, что первоначальный взлет эволюции млекопитающих довольно быстро дал устойчивую популяцию, по крайней мере устойчивое количество родов, которое впоследствии уже не изменялось коренным образом. (Следует повторить замечание, сделанное выше в этой книге, что выражения вроде «довольно быстро» всегда следует понимать в геологических описаниях и рассуждениях в соответствующем контексте. В этом случае увеличение разнообразия млекопитающих за
Млекопитающие отличаются от других животных наличием волосяного покрова на теле и привычкой ухаживать за своими детенышами. Они теплокровны, что позволило им приспособляться к изменяющимся условиям обитания с большей легкостью, чем животным, у которых ее нет, например, рептилиям. Тем не менее ни одна из этих особенностей не оставляет следов в окаменелых остатках, поэтому классификация млекопитающих на протяжении геологической истории основывается на особенностях строения скелета, особенно на строении челюстей и типах зубов. Как оказалось, именно по зубам можно многое узнать о среде обитания древних животных и особенно об их диете.
Почти все ныне живущие млекопитающие заботятся о своих малышах. Единственное исключение составляет редкая группа так называемых однопроходных, которые откладывают яйца. Эти странные животные, которые включают утконоса, найдены только в Австралии. К сожалению, ископаемые остатки однопроходных почти отсутствуют, и поэтому место, которое занимают их ныне живущие представители в общей схеме эволюции млекопитающих, не совсем ясно. Но несмотря на то, что это весьма специализированные животные, однопроходные сохранили много примитивных черт и представляют собой, вероятно, ответвление от древних звероподобных рептилий. Наибольшего успеха среди млекопитающих достигли плацентарные млекопитающие, которые включают нас и большинство знакомых нам животных, как домашних, так и диких: собак, кошек, лошадей, медведей, слонов, оленей и многих других. Плацентарные млекопитающие рождают детенышей только после долгого периода беременности, и новорожденные (в большинстве случаев) готовы встретить мир лицом к лицу вскоре после рождения. Сумчатые — вторая группа млекопитающих — рождают своих детенышей на гораздо более ранней стадии их индивидуального развития и поэтому вынуждены для защиты носить их во внешнем кармане, или сумке, в течение самой ранней стадии их жизни.
СУМЧАТЫЕ
Современное распространение сумчатых дает нам интересный пример взаимосвязи между биологической эволюцией и тектоникой плит. Эти животные наиболее распространены и разнообразны в Австралии и на соседних островах (наиболее известны из сумчатых этого континента кенгуру и коала), и в меньшей степени в Южной Америке. Вероятно, вследствие биологической ценности способа рождения детенышей плацентарные млекопитающие имеют, видимо, некоторое преимущество перед сумчатыми всякий раз, когда они вступают в прямое соревнование. Каменная летопись показывает нам, что эти две группы, происходя от общего предка, разошлись в стороны в меловой период и первоначально сумчатые появились в Южной Америке. В конце мелового периода — незадолго до удивительного взрыва разнообразия плацентарных млекопитающих — глобальный климат был теплым и Антарктический континент был еще соединен с обеими Америками и Австралией — уцелевший остаток прежнего южного мегаконтинента Гондваны (рис. 9.1). Из Южной Америки сумчатые мигрировали через Антарктиду в Австралию. Но к концу кайнозоя Австралия стала отодвигаться от Антарктиды и перемещаться к северу, в сторону Азии. Южная Америка стала островным континентом и оставалась таковым в течение большей части кайнозоя, отделенная от Антарктиды проливом Дрейка, а ее островной мост к Северной Америке распался, как показано на рис. 11.1.
Таким образом, особенно в Австралии сумчатые получили возможность развиваться без особого влияния со стороны плацентарных млекопитающих. Сравнительно быстро они заняли все ниши, которые были присвоены плацентарными млекопитающими в других частях света. Сумчатые, которые выглядели и вели себя, как, например, волки, кошки и мыши, процветали. Некоторые из них, подобно кенгуру, не имели никаких подобий себе на других континентах, но заняли эквивалентные экологические позиции, соответствующие позициям других групп животных, в данном случае жвачных плацентарных животных. К несчастью, многим из австралийских сумчатых сейчас угрожает опасность в результате внедрения человеком на австралийский континент ряда плацентарных животных.
Рис. 11.1. Распределение континентов в начале кайнозоя (приблизительно 60 миллионов лет назад). Как и на рисунке 9.1, современные очертания континентов показаны серым тоном, а береговая линия начала кайнозоя обозначена сплошной линией. Обратите внимание на то, что Австралия и Южная Америка только что отделились от Антарктиды, а круговое околополярное течение еще не развилось. Сплошные стрелки обозначают теплые течения, а полые — холодные течения. Приводится с изменениями по карте 9 из «Атласа мезозойских и кайнозойских береговых линий» А. Г. Смита, Д. Г. Смита и Б. М. Фаннелла. Издательство «Кембридж Юниверсити Пресс», 1994. Использовано с разрешения.
На изолированном Южно-Американском континенте сумчатые тоже в течение кайнозоя развили большое разнообразие форм и даже, несмотря на большое количество сосуществующих с ними видов плацентарных, стали там главными хищниками. Как и в Австралии, здесь появились формы, похожие на соответствующие формы плацентарных, живших на других континентах, — например, волкообразные или кошкообразные сумчатые хорошо представлены в каменной летописи. Но когда Южная Америка воссоединилась с Северной около трех миллионов лет назад через Панамский перешеек, соревнование выиграли иммигранты с севера. Хотя и можно бы привести несколько историй об успехе некоторых сумчатых, например опоссума — сумчатого, которому удалось выжить и даже распространиться на север, все же бывшая долго изолированной фауна южноамериканских млекопитающих (как сумчатых, так и плацентарных) была большей частью истреблена хищниками из плацентарпых млекопитающих, которые вторглись с севера через Панамский перешеек.
Чтобы подробно рассказать об эволюции млекопитающих в Южной Америке и Австралии, потребовалось бы несколько книг. В них можно было бы проиллюстрировать такие темы, как параллелизм в эволюции, влияние конкуренции и климата и особенно роль тектоники плит в развитии млекопитающих, которое привело к их сегодняшним формам. Этот анализ показал бы, что медленное и неодолимое движение континентов может как создавать, так и уничтожать барьеры на путях миграции животных, оказывая глубокое влияние на ход эволюции.
ТРАВЫ, КЛИМАТ И ЛОШАДИ
Среди млекопитающих лошади в человеческом воображении занимают особое, нередко с романтическим оттенком, место. Разговор о лошадях вызывает в памяти образы диких мустангов американского Запада, монгольских всадников, мчащихся через степи центральной Азии, прекрасных арабских скакунов, идущих рысью по полям в туманное английское утро. Лошади были одомашнены тысячи лет назад. Но что мы знаем об их предшествующей истории? Когда они появились и как они эволюционировали? Ответы на эти вопросы — повторяя то, что может уже показаться знакомым припевом, — включают в себя сложное переплетение биологических и физических влияний. К счастью, ископаемая летопись лошадей является одной из самых полных в палеонтологии и большая часть важных изменений, которые произошли в промежутке времени от появления самых древних лошадей и до их современных потомков, хорошо документирована. Их история является поистине учебной иллюстрацией процесса развития, которую учат все студенты-палеонтологи. Однако в этой классической последовательности форм есть также и предостережение, как было убедительно отмечено палеонтологом С. Дж. Гул-дом. Верно, что мы можем непосредственно проследить все «улучшения» в линии развития лошадей, начиная от древнейших ископаемых и до современной лошади. Но этот путь развития, который обрисован в общих чертах в этом очерке, является лишь одним из многих возможных в сложнейшем многоветвистом дереве эволюционных изменений, а не прямолинейным и предопределенным курсом. Другие ветви уже вымерли, но не было никогда способа, позволяющего предсказать этот конечный результат.
Это может показаться неожиданным, но в начале кайнозоя не существовало никаких знакомых нам прерий, или травяных степей, в том виде, как мы знаем их, — не было никаких равнин с высокими травами, мягко колышащимися под ветром. Растительноядные динозавры мезозоя объедали деревья, кусты и другие широколиственные растения. Травы появились только в начале кайнозоя как часть продолжающейся эволюции цветковых растений, но они занимали только очень ограниченные участки среды вплоть до середины эры, когда на континентах стали появляться широкие травяные степи. Было высказано много предположений о причинах и следствиях этого широкого распространения трав, начиная от влияния климата и до предположения, что только появление трав с их непрерывно растущими листьями и стеблями позволило прокормить растущую массу жвачных животных. Но независимо от причин распространение степей оказало значительное влияние на эволюцию лошадей, а также других жвачных животных.
Самые древние из окаменелых остатков лошадей дошли до нас от эоценовой эпохи, и эти лошади столь разительно отличаются от современной их версии, что вначале ученые не видели между ними никакой связи. «Рассветная» лошадь, или
На протяжении эоценовой и олигоценовой эпох (эоцена и олигоцена) потомки эогиппуса развивались в одном направлении, что хорошо документируется по их окаменевшим остаткам. Постепенно они становились крупнее; средний палец, который в конце концов стал единственным копытом на ноге современной лошади, становился сильнее и длиннее по сравнению с остальными, а разжевывающая поверхность зубов увеличилась; на ней появились сложной формы выступающие бугорки. Но сходство с эогиппусом еще отчетливо сохранялось. И только в миоцене, параллельно с распространением травяных степей, произошли резкие изменения, в результате чего появилось несколько различных линий развития лошадей, из которых сейчас сохранилась только одна — современная лошадь. Многие другие эксперименты природы в области эволюции лошадей зашли в тупик и не оставили форм, доживших до наших дней.
Рис. 11.2. Начиная от эогиппуса и до современной лошади, ноги лошадей эволюционировали очень значительно. Здесь показано изменение строения задней ноги — от раздельных четырех копыт у эогиппуса (слева) до одного копыта у современной лошади (справа). Приблизительный возраст для каждой из этих четырех конфигураций ноги соответствует (слева направо) нижнему эоцену, олигоцену, верхнему миоцену и современной эпохе. Параллельно шло и значительное увеличение размеров животных (не показанное здесь). Репродуцировано с рисунка 319 из книги: А. С. Ромер «Палеонтология позвоночных», изд. 2-е. Авт. право © 1945, Университет города Чикаго. Использовано с разрешения изд-ва «Юниверсити оф Чикаго Пресс».
Рекламный лозунг «вы есть то, что вы едите» можно было бы применить к лошадям: несколько физических особенностей современных лошадей в конечном счете обусловлены их травяной диетой. Среди миоценовых модификаций, которые привели лошадей к их современному облику, главными были изменения зубов и формы головы. Трава имеет сильные истирающие свойства; ее гораздо труднее разжевать и перетереть, чем сочные листья тропических растений, которые служили кормом для некоторых из предшественников лошадей. Она содержит кремнезем и способна затупить даже лезвия сенокосилки за сравнительно короткое время. Ответом на этот вызов природы со стороны миоценовых лошадей было развитие зубов с гораздо более прочными и усовершенствованными по своей структуре истирающими поверхностями и с гораздо более широкими концами, часть которых, по крайней мере, могла дорастать по мере их износа. Эти изменения означали, что голова лошади должна была удлиниться так, чтобы в ней могли поместиться длинные ряды растирающих пищу зубов, расположенных вдоль щек. Приблизительно в это же время ноги и стопы предков нынешней лошади стали лучше приспособленными к быстрому бегу по все более распространяющимся степям. Это произошло путем слияния нескольких независимых костей в нижней части ног, что придало им прочность, а также путем все большей роли центрального, заканчивающегося копытом пальца, который теперь один выдерживал весь вес животного. Вместо ступни у лошадей на конце каждой ноги осталось только по одному пальцу, как это видно из рис. 11.2.
К середине миоцена многие из существовавших тогда лошадей были уже, по крайней мере внешне, похожи на современную лошадь. Эволюционные изменения продолжались, конечно, вплоть до нынешнего времени, но вы без всяких усилий распознали бы лошадь в этих миоценовых животных. Если судить по сохранившимся ископаемым остаткам, то может показаться, что все их развитие происходило в Северной Америке, но к эпохе плейстоцена уже по всему миру распространился род современной лошади,
Из изложенного ясно, что многие из знакомых нам особенностей лошади — ее скорость, форма головы, ее копыта и даже широкое распространение в мире — все они прямо или косвенно были связаны с ее диетой и предпочитаемым ею характером среды — травяными степями. Но как и почему стали развиваться сами травяные степи? Как указывалось выше, на этот счет существует несколько конкурирующих гипотез, но лишь немногие соответствуют фактам. Большая их часть признает в качестве важного, может быть, главного фактора изменение глобального климата. В частности, степи стали быстро расширяться по мере того, как климат внутренних областей континентов становился все более холодным и сухим.
КЛИМАТ КАЙНОЗОЯ
По сравнению с современным, климат конца мезозойской эры был мягким и оставался таким в течение части кайнозоя. И действительно, в начале эоцена средняя годовая температура, очевидно, повысилась, что сделало время около 55 миллионов лет назад самым теплым за последние 70-80 миллионов лет. Но вскоре после этого климат резко похолодал. Несмотря на наступавшие время от времени довольно длинные периоды сравнительно устойчивых температур, Земля с тех пор стала все более охлаждаться. Откуда мы об этом знаем? Температуры не могут окаменеть, но изобретательность ученых нашла несколько вполне качественных «палеотермометров», которые позволили с успехом реконструировать климаты прошлого, в частности климаты кайнозоя. Наряду с более количественного характера данными, например, наблюдениями над распределением по широтам некоторых животных или растений, которые, как нам известно, предпочитают определенные температурные границы, эти индикаторы позволили составить очень полную летопись глобальных флуктуации температуры в течение кайнозоя.
В принципе, все, что реагирует на изменения температуры окружающей среды предсказуемым образом и сохраняет «запись» об этой реакции как часть окаменевшей летописи, может быть использовано в качестве палеотермометра. Как оказалось, две серии записей температур кайнозоя включают такие радикально разные характеристики ископаемой летописи, как очертания листьев растений и содержание изотопов кислорода в известняке.
Но как же могут очертания листьев указывать на температуру? Как ни удивительно, но они делают это очень хорошо. То, что существует определенная связь между очертаниями листьев и климатом, было установлено еще в начале двадцатого столетия, но в 1978 году Джек Уолф, работавший в Геологической службе Соединенных Штатов, поставил эту связь на количественную основу. Пользуясь данными, относящимися к современным лесам восточной Азии, он показал, что существует замечательная корреляция между средней годовой температурой и очертаниями листьев. Особенностью листьев, которая, по-видимому, наиболее показательна в этом отношении, является форма контура листа (рис. 11.3). В тропических областях, отличающихся высокой температурой и обилием осадков, растения, в общем и целом, обладают крупными листьями с плавными очертаниями, без зубцов, и часто имеют узкий и удлиненный кончик — называемый иногда капельницей (
Кислородно-изотопный палеотермометр очень отличается по лежащему в его основе принципу от предыдущего, но он рассказывает нам ту же историю, что и остатки листьев, давая нам значительную степень уверенности в правильности нашего понимания климатических колебаний в течение кайнозоя. Этот метод был придуман Харолдом Юри, химиком и лауреатом Нобелевской премии, которого мы уже упоминали в главе 3 в связи с его экспериментами, проведенными совместно со Стэнли Миллером, по происхождению жизни. Как уже разъяснялось в главе 6, различные изотопы одного элемента ведут себя одинаково в химических реакциях, но слегка различаются по массе составляющих их атомов. В результате один изотоп может чуть-чуть накапливаться или теряться в некоторых химических реакциях или в некотором физическом процессе, например при испарении.
Рис. 11.3. Листья растений могут иметь плавно изогнутые или зубчатые очертания, что иллюстрируется рисунком вверху слева. В современных лесах преобладают виды с плавными очертаниями листьев, что соответствует высоким значениям средней температуры, как это видно на верхнем графике, построенном на основе фактических наблюдений. Применяя эту закономерность к очертаниям ископаемых листьев по территории Тихоокеанского Северо-запада Северной Америки, можно реконструировать температурную историю кайнозоя (нижний график). Наблюдаемые флуктуации средней температуры, особенно ее резкое падение около границы эоцен — олигоцен, очень похожи на флуктуации, выведенные из совершенно независимых данных, например показанных на рисунке 11.4. Приводится с изменениями по рисункам 1, 2 и 3 из статьи Дж. А. Вольфа в журнале «Американ Сайентист», том 66, стр. 695, 696, Sigma Xi, 1978.
Хорошим примером действия этого принципа является влияние испарения на содержание изотопов кислорода в воде. Как мы уже объясняли выше в этой книге, кислород имеет три изотопа, из которых изотоп 16 является наиболее распространенным в природе, составляя более 99 процентов обычного кислорода. Однако всякий природный кислород содержит небольшое количество изотопа 17 и изотопа 18. Таким образом, молекула воды, весьма вероятно, имеет вид H2O-16, но может также быть и H2O-17 или H2O-18. Во время процесса испарения более легкие молекулы воды — те, которые содержат кислород 16, — имеют большую вероятность испариться. Таким образом, в этом процессе изотопы кислорода разделяются на фракции — части, отличающиеся содержанием составных частей. По мере испарения пар обогащается более легким кислородом 16 и становится (в пересчете на жидкость) легче, а остающаяся жидкость, с большей долей кислорода 17 и кислорода 18, становится тяжелее.
Юри изучал процесс фракционирования (разделения) изотопов в различных химических реакциях и знал, что точное значение степени фракционирования исходной смеси изотопов контролируется температурой, при которой протекает реакция. Затем ему пришла в голову блестящая мысль. Он понял, что когда обитающие в океане организмы образовывали свои раковинки из карбоната кальция, используя растворенные в морской воде компоненты в качестве сырья, то относительное содержание изотопов кислорода в раковинах зависело от температуры воды. Открывались захватывающие перспективы возможных дальнейших исследований. В принципе, это был метод, позволяющий расшифровать летопись изменения температур моря во времени, просто измеряя содержание изотопов в крошечных раковинках давно погибших организмов в керне океанских осадков. Но поскольку сохранились остатки как обитателей поверхностных слоев, так и обитателей дна, то открывалась возможность что-то узнать о разнице температур между поверхностными и донными водами древних океанов. И более того, путем анализа образцов одного возраста, но взятых на низких и на высоких широтах, можно было определить температурный градиент, то есть изменчивость температур, от полюса до полюса, что, как оказалось, представляет собой важный параметр для понимания мирового климата.
Как часто происходит с научными открытиями, внедрение в практику палеотермометра Юри оказалось не таким простым делом, как представлялось. Например, снег, образующий полярные снеговые шапки, состоит из воды, испарившейся из океанов, — этот процесс, как мы видели, изменяет содержание изотопов кислорода в остающейся морской воде. Поэтому в периоды оледенения изменения в содержании изотопов кислорода в морской воде в результате образования приполярных ледников могут быть не меньше обусловленных флуктуациями температуры. Но в определенном смысле это всего лишь проблема интерпретации. Это не меняет того факта, что флуктуации содержаний изотопов кислорода происходят реально и постоянно фиксируются в раковинах ископаемых организмов. Даже если точные значения температур остаются несколько неопределенными, то время температурных сдвигов может быть определено очень точно. В наши дни изучение содержания изотопов кислорода стало твердо установившимся методом познания климатов прошлого.
Рис. 11.4. Содержание изотопов кислорода в раковинках планктона из керна глубоководных скважин, пробуренных в Атлантическом океане, можно пересчитать в температуры воды в прошлые эпохи. Обратите внимание на резкое падение средней температуры около границы эоцена и олигоцена, а также за несколько последних миллионов лет, которое, вероятно, указывает на начало постоянного оледенения в северном и южном полярных регионах соответственно. Содержание изотопов кислорода свыше 1 (в использованных здесь единицах), по-видимому, соответствует эпохам значительного глобального оледенения. Приводится с изменениями по рисунку 1 из книги: К. Г. Миллер, Р. Г. Фэрбенкс и Г. С. Маунтин. «Палеоокеанография», том 2, стр. 3. Американский геофизический союз, 1987.
Изменения температуры в кайнозое, о которых упоминалось выше, определенные по результатам исследований содержания изотопов кислорода, показаны на рис. 11.4. Данные, полученные из наблюдений формы листьев, очень хорошо подтверждают эту температурную хронику — особенно высокие температуры начала эоценовой эпохи и очень резкое падение температур на границе эоцена и олигоцена. Это совпадает с началом оледенения Антарктиды и развитием полярной ледяной шапки. Тенденция к мировому похолоданию в течение эоцена очень подробно документируется в Западной части Северной Америки на основе исследования ископаемых остатков листьев. Эти данные говорят не только о понижении среднегодовых температур, но и об увеличении разницы между температурами зимы и лета и усилении сухости климата. Леса отступали, процветали травяные степи. Параллельно шло развитие лошадей и других жвачных животных.
Хотя на климат влияют многие факторы, все же представляется, что две самых больших, очень резких флуктуации в течение кайнозоя — причем обе представляют собой падение средней температуры — произошли, по крайней мере частично, под влиянием движения плит на атмосферную циркуляцию. В конце мезозоя и в начале кайнозоя те самые перешейки, которые соединяли Австралию, Антарктиду и Южную Америку и позволили сумчатым распространиться и в Австралии, стали препятствием для круговой широтной циркуляции морских течений вокруг Антарктического континента. В результате этого холодные воды устремились на север в Индийский, Тихий и Атлантический океаны, смешиваясь с водами тропиков, а обратные потоки теплой воды к югу обусловили относительно теплый климат полярной области — и сохранение ее свободной ото льда (рис. 11.5).
Рис. 11.5. К началу эоцена Антарктида была уже изолирована от остальных континентов и вокруг нее образовалось круговое течение. На этой карте показано расположение континентов приблизительно 30 миллионов лет назад. Как и на других картах этого типа, сплошные линии обозначают очертания континентов в то время, а серый тон — их современные контуры. Приводится с изменениями по карте 5 из «Атласа мезозойских и кайнозойских береговых линий», авторы: А. Г. Смит, Д. Г. Смит и В. М. Фаннелл. Изд-во «Кэмбридж Юниверсити Пресс», 1994. Использовано с разрешения.
Однако после того как Австралия, а в конце концов и Южная Америка отделились в кайнозое от Антарктического континента, холодные полярные воды уже могли циркулировать вокруг него, как это происходит и сейчас, изолируя его от более теплых водных масс, находящихся ближе к экватору (рис. 11.5). Антарктида становилась все холоднее, на ней образовалась постоянная ледяная шапка — особенность, которая сама по себе оказывала заметное охлаждающее влияние на глобальный климат. Начало оледенения в Антарктиде, как следует из других фактов, тесно совпадает с резким понижением температуры морской воды близ границы эоцена с олигоценом (показанным на рис. 11.4), которое следует из данных кислородно-изотопного анализа.
Второе резкое падение температуры, которое видно на рис. 11.4, произошло 3-4 миллиона лет назад, в то время, когда еще один сдвиг литосферных плит повлиял на циркуляцию воды в океанах. Приблизительно в это время появившийся Панамский перешеек закрыл зазор между Южной и Северной Америками, заблокировав проникновение теплых вод Атлантического океана на запад, в Тихий океан, как было перед этим. В результате этого усилился Гольфстрим, неся больше сравнительно теплых вод вдоль восточных берегов Северной Америки. При ее уже холодном климате это теплое течение несло с собой много влаги, которая выпадала в северных областях, что довольно скоро привело к развитию ледяной шапки вокруг северного полюса, а это в свою очередь понизило температуры в других частях земного шара. Как и при резком падении температуры в эоцене, это изменение температуры оказало заметное воздействие и на биологическое царство. Таким образом, геолопгческая история кайнозоя четко показывает нам, что и климат, и тектоника плит, и эволюция жизни на Земле неразрывно связаны.
ГОРЫ В ЕВРОПЕ И АЗИИ
Я знаком с несколькими геологами-альпинистами, но многие люди, которые увлекаются таким времяпрепровождением, не осознают, вероятно, насколько они обязаны своим удовольствием тектонике плит. Такие горы, как Монблан и Эверест — если назвать наудачу всего два знаменитых среди альпинистов пика, — обязаны своим существованием в конечном счете расколу Гондваны, медленному движению с юга на север нескольких обломков континентов и их последующему столкновению с лежащими на севере массивами суши. Эти столкновения, породившие обе эти горные вершины, произошли в кайнозое. Таким образом, кайнозой вполне можно было бы назвать и эрой гор, а не только эрой млекопитающих. На протяжении ее сравнительно короткого — всего 66 миллионов лет — временного промежутка произошло огромное по масштабам горообразование.
Рис. 11.6. По мере того как континенты, составлявшие прежнюю Гондвану, двигались на север и сталкивались с Европой и Азией, формировались гигантские горные цепи (показано особым узором на сером фоне), простирающиеся от северо-западной Африки и Альп до Гималаев и далее до Индонезии. Приводится с изменениями по рисунку 15.29 из книги: Р. X. Дотт, мл., и Д. Р. Протэро, 5-е изд., изд-во «Мак-Гроо-Хилл», 1994. Использовано с разрешения.
Карта рельефа земных полушарий показывает, что на Земле имеется практически непрерывная полоса, которая протянулась от Испании и Северной Африки через Европу и Ближний Восток в Индию, Китай и даже в Индонезию. Этот горный пояс в схематизированной форме показан на рис. 11.6. Хотя отдельные части этого огромного горного региона имеют разные названия -Пиренеи, Альпы, Кавказ, Памир, Гималаи и другие, — все они возникли, когда континенты древней Гондваны столкнулись с Европой и Азией.
В меловой период, уже в конце мезозойской эры, южнее Европы и Азии располагался океан Тэтис. Берега его омывались теплым биологически продуктивным мелководьем. Осадки, которые здесь накапливались, содержали много органического материала, который сейчас обеспечивает значительную часть мировой потребности в нефти. Но дни этого океана уже были сочтены. В ответ на раздвиг океанского дна в Атлантическом океане и южных океанов вокруг Антарктиды Африка устремилась на север, к Европе. В общем смысле можно сказать, что Альпы и связанные с ними горы всей Европы, Северной Африки и восточной части Средиземноморья образовались в результате столкновения между Африканским блоком и Евразией. Однако в природе редко все бывает просто и ясно, и процесс образования Альп не является исключением. Даже те геологи, которые изучали Альпы всю свою жизнь, были озадачены некоторыми аспектами их геологии. Но если несколько отступить назад и начать мазки широкой кистью, можно понять общую линию.
В регионе, находящемся южнее Европы, Тэтис никогда не был широким морем. Как отмечалось в главе 9, этот океан образовался в течение мезозоя в результате прогрессирующего раскола Пангеи, продвигавшегося с востока на запад. Помимо главной африканской плиты, в то время существовало, по-видимому, еще несколько микроплит, мелких осколков континентов, в пределах океана Тэтис между Африкой и Европой — осколков процесса, который расколол эти две континентальные массы. Первоначальные стадии образования Альп относятся к началу кайнозойской эры, когда эти микроплиты столкнулись с Европой, сжимаясь и наползая на свои же более северные континентальные части вместе с фрагментами бывшего здесь раньше морского дна и отложениями континентального шельфа. Два из таких микроконтинента образуют регионы, которые мы сейчас знаем как Италию и Испанию.
Формирование Альпийского пояса продолжалось, когда Африканская плита стала непреклонно нажимать на север, в сторону Евразии, закрывая постепенно пролив Тэтис. Поскольку приблизительно в то же время северные части Атлантического океана все больше открывались, благодаря раздвигу морского дна, то между Африканской и Европейской плитами происходило также движение (сдвиг) в широтном направлении, приводя к вращению и дроблению обеих микроплит и окраин континентов и тем самым значительно осложняя задачу геологов, пытающихся раскрыть историю возникающих в результате этих событий горных систем.
Столкновения между континентами обычно происходят в растянутой временной шкале, даже в геологическом смысле. Частично это обусловлено медленностью движения плит, а также тем, что очертания континентального края обычно имеют неправильную форму, и даже если они прямолинейны, то во время столкновения они чаще всего не параллельны. Процесс столкновения, образовавший Альпы и связанные с ними горы Европы, Северной Африки и восточного Средиземноморья, не является исключением. Он продолжался в течение большей части кайнозоя, закончившись меньше десяти миллионов лет назад. Это было сложное, многоаспектное событие, но по причине своей относительной молодости образовавшиеся горы весьма способствовали постижению разнообразных процессов, происходивших раньше во время аналогичных процессов столкновения плит, в результате которых возникли более древние, ныне значительно эродированные горные цепи вроде Аппалачских гор в восточной части Соединенных Штатов.
Одним из наиболее захватывающих аспектов геологии Альп является наличие в них так называемых покровов. Эти структуры являются немыми свидетелями огромных сжимающих сил, действующих в процессе столкновения континентов. Можно предложить хороший способ представить себе, что такое тектонический покров, не наблюдая его непосредственно. Вообразите, что с помощью длинной палки вы приподняли прямоугольный ковер за его центр, так что часть его свисает вертикально, имея двойную толщину, в то время как остальная часть ковра лежит плоско на полу. Затем сдвинем палку в сторону, слегка покачивая ею из стороны в сторону и опрокинув складку на лежащую на полу часть ковра. Большая часть ковра окажется в складках. Покровы представляют собой огромные складки, образованные слоями твердых пород, лежащими сейчас более или менее горизонтально, так что длина их от основания до замка во много раз превышает их толщину. Эти гигантские складки часто протягиваются в направлении поперек их общего простирания на десятки километров поверх толщ пород совершенно иного происхождения. В древних коллизионных (от «коллизия» — столкновение) горных поясах, в которых, вследствие эрозии или метаморфизма, сохранились только фрагменты таких структур, их расположение относительно окружающих пород нередко бывает очень загадочным. Даже в Альпах покровы очень часто являются частично разрушенными эрозией, но обычно их можно проследить от пика до пика через эродированные долины.
И в наши дни в средиземноморском регионе все еще продолжается субдукция как результат общего движения Африки на север и продолжающегося столкновения между Евразийской и Африканской плитами. В этом процессе часть дна Средиземного моря заталкивается под Европу. Отличительным признаком зоны субдукции является череда, или дуга вулканических островов над нею. Активные вулканы островов, лежащих напротив северного берега Сицилии, таких как Стромболи и Вулькано, а также греческие острова в северной части Эгейского моря, — все они обязаны своим существованием тому же процессу, который образует вулканы Алеутских островов, Индонезии и Анд: вода, захваченная погружающейся частью плиты и затягиваемая вместе с последней в глубины Земли, понижает точку плавления уже горячей мантии и вызывает плавление ее.
Если Африканская плита будет продолжать движение на север, то Средиземное море в конце концов ожидает та же судьба, что и его предшественника — океан Тэтис, и когда Африка и Европа далее сблизятся, оно в конце концов исчезнет. И действительно, существуют данные, полученные в результате работ по Проекту глубоководного бурения, что в прошлом уже были периоды, когда Средиземное море переставало существовать, хотя и не вследствие спайки Европы с Африкой. Обнаружены мощные (местами до километра) толщи солевых отложений, погребенные под нормальными осадками морского дна. Возраст этих отложений около шести миллионов лет; очевидно, приблизительно в это время Гибралтарский пролив временно закрылся, заблокировав обмен водой с Атлантическим океаном, и Средиземное море просто испарилось, оставив после себя только соль, которая была растворена в его водах.
Поскольку содержание соли в морской воде хорошо известно, то было простым делом рассчитать, сколько соли должно было отложиться после высыхания Средиземного моря. Однако оказалось, что наблюдаемая мощность толщ соли намного больше той, что должна была образоваться за время этого одного эпизода с высыханием моря. Отсюда можно предположить, что барьер, препятствовавший проникновению вод Атлантического океана в область Средиземноморья, был довольно хрупок и периодически прорывался (образуя грандиозные водопады, низвергавшие массы воды в Средиземноморский бассейн) и что мощные солевые отложения являются результатом неоднократных циклов наполнения и испарения этого бассейна.
Далеко к востоку от Средиземного моря и Альп располагается другая замечательная особенность рельефа Земли — Тибетское плоскогорье и Гималаи. Этот регион является самым крупным и высоким поднятием на нашей планете, родиной «противного снежного человека» и (в лучшие времена) Далай-Ламы. Он также возник в результате раскола Гондваны и столкновения континента с континентом — в данном случае столкновения между Индией и Азией.,
Индия представляет собой часть той же литосферной плиты, которая несет на себе континент Австралию, как это видно на рис. 5.2, но при расколе Гондваны она отделилась от Антарктиды гораздо раньше, чем Австралия. К тому времени, когда сумчатые переселились сюда из Южной Америки, Индия уже отодвинулась от Антарктиды и на ее территории не было найдено никаких ископаемых остатков сумчатых. В течение десятков миллионов лет Индия буквально мчалась (выражаясь геологически) на северо-запад, в сторону Азии, со скоростью более десяти сантиметров в год. Но с точки зрения тектоники плит это требует, чтобы находящееся между ними морское дно подверглось субдукции, и действительно, существуют доказательства этого, которые находятся в породах Гималаев. Здесь найдены метаморфизованные, но тем не менее распознаваемые остатки вулканических дуг, красноречивые признаки наличия зоны субдукции вдоль южного края Азии.
Около 55 миллионов лет назад — точное время события является предметом споров — началось великое столкновение. В течение длительного времени еще до него мелкие обломки коры — экзотические территории, если воспользоваться ранее применявшимся жаргоном, — были выдвинуты на Азию или вытолкнуты поверх погружающегося под нее морского дна. (Произошло расщепление надвигающейся с юга плиты: нижняя ее часть была задвинута под Азиатскую плиту, то есть подверглась субдукции, а верхняя часть, разбитая на обломки, была надвинута поверх края Азиатской плиты, образовав несколько «экзотических» блоков. —
Хотя хронология столкновения плит и может быть в какой-то степени установлена с помощью абсолютного датирования образцов горных пород из Гималаев с помощью методов, основывающихся на радиоактивном распаде, как это описано в главе 6, все же не всегда можно определить, были ли эти породы образованы во время столкновения или же определенный их возраст фактически отражает более ранние события, а может быть и то, что геологические часы были заново заведены метаморфизмом. К счастью, существуют и дополнительные ключи к определению времени событий. Поскольку Индия с конца мезозойской эры была островным континентом, то есть еще до наступления века млекопитающих, то прибытие разнообразных групп континентальных млекопитающих, развившихся в Азии, представляет собой четкую границу в ископаемой летописи Индии. Это произошло 45 миллионов лет назад, что указывает на то, что в это время уже был установлен подходящий миграционный путь по суше между Азией и Индией.
Несмотря на тот факт, что столкновение между Индией и Азией началось более 50 миллионов лет назад, поднятие, которое привело к возникновению современных Гималаев, произошло гораздо позже. Как уже упоминалось, столкновение континентов — это событие, растянутое во времени, и долгое время Индия вращалась своей северной частью на северо-восток, заперев моря вдоль всего своего северного края, прежде чем завершилась спайка континентов. Первые указания на развитие больших горных цепей получены из осадков, отложенных в Аравийском море, Бенгальском заливе и на самом Индийском континенте. Горы создают весьма своеобразные осадки. Независимо от типов встречающихся пород крутые горные склоны и быстрые сбегающие вниз потоки означают, что эродированные остатки пород, отлагаемые ими, будут, как правило, грубозернистыми. Такие осадки вначале появились в океане напротив устьев Ганга и Инда — главных рек, собирающих воду с Гималаев, — приблизительно в середине миоцена, около 20 миллионов лет назад. Аналогичные осадки появляются примерно в это же время в отложениях мелководных морей, которые в то время покрывали часть Индийского континента.
Скорость перемещения Индии на север резко снизилась, когда началось ее столкновение с Азией, но сжатие между этими континентами продолжается и по сей день. Силы, участвующие в таком столкновении, невообразимо велики. Кора Индии, состоящая из типичных континентальных пород с низкой плотностью, не может погрузиться глубоко в мантию — она слишком плавучая. Но по мере того как она дробилась об Азию, она все же попыталась следовать движению морского дна, которое погружалось в зону субдукции. При этом часть ее проскользнула под Азию, образовав там континентальную кору вдвое более мощную, чем где-либо еще в мире. Сопровождавшие этот процесс огромные напряжения неизбежно вызвали раскол и растрескивание коры. Большая часть поднятия Гималаев за последние несколько миллионов лет происходила в форме выпячивания отщепов коры, которые в условиях двустороннего бокового сжатия были выжаты кверху вдоль круто падающих сбросов, когда Индия безжалостно нажимала в северном направлении в сторону Азии. Этот процесс был спорадическим, но непрерывным, шел внезапными рывками и сопровождался сильными землетрясениями: он включается, когда напряжения, действующие в трещинной зоне, становятся слишком большими и два соседних блока проскальзывают мимо друг друга.
Ближайшие окрестности Гималаев не являются единственным местом, где происходят разрушительные землетрясения, связанные со столкновением между Индией и Азией. По мере того как Индия продвигалась на север, кора утолщалась, части ее были задвинуты под кору Азии, а другие части вытеснены вверх вдоль плоскостей взбросов. Но это не могло погасить продолжающееся движение плит. Кроме того, части Азии были сжаты и повернуты к востоку, в сторону от направления все еще продолжавшегося движения Индийского континента. Большая часть этого движения происходила вдоль сбросов широтного направления, и оно все еще продолжается, поскольку Индия все еще продолжает свое движение на север. Последствия этих движений ощущаются за тысячи километров от этого района. Землетрясения, погубившие сотни тысяч жизней в Китае, произошли вдоль линий сбросов, связанных с этим столкновением. Также и озеро Байкал в южной Сибири, самое большое пресноводное озеро в мире, лежит в рифте, который образовался, вероятно, когда Азия подверглась сжатию со стороны Индии и повернулась под этим нажимом.
Прежде чем оставить тему горообразования в кайнозое, стоит вкратце коснуться воздействия таких событий на климат Земли. Мы уже видели, что движение континентов, изменяя пути циркуляции воды в океанах, может влиять на климат, как произошло, когда после раскола Гондваны Антарктида оказалась изолированной околополярным течением и на ней образовалась ледяная шапка. С другой стороны, на циркуляцию атмосферы влияют горы. Иногда они действуют как барьеры для приповерхностных потоков воздуха и могут сильно влиять на распределение атмосферных осадков. Это наблюдается вдоль западного берега Северной Америки, где влажный тихоокеанский воздух направляется вверх через хребты, подобные горам Сьерра-Невада в Калифорнии, заставляющие его терять большую часть своей влаги. В результате этого к востоку от лыжного региона, где обычно зимние снега толщиной до 3-4 метров, лежит сухая пустыня Долина Смерти. Гималаи и Тибетское плоскогорье оказывают еще более драматическое воздействие, поскольку они играют огромную роль в распределении индийских муссонов — части системы мировой циркуляции воздуха, которая влияет на распределение климата на всей планете. При приближении лета солнце нагревает высокое Тибетское плоскогорье и воздух над ним, вызывая изменения в общей схеме атмосферной циркуляции, которые притягивают влажный тропический воздух и способствуют выпадению осадков с юга на запад в сторону Индийского субконтинента. Тщательное изучение ископаемой летописи из этого района показало, что сильные сезонные муссоны, которые отличают современный климат этой области, появились только после поднятия Гималаев и Тибетского плоскогорья.
ОХЛАЖДАЮЩАЯСЯ ЗЕМЛЯ
Мы уже видели, что различные индикаторы климата, такие как края листьев и содержание изотопов кислорода, показывают, что начиная с раннего эоцена, средние температуры на Земле все время понижаются (рис. 11.4). В конце концов на Земле стало настолько холодно, что в приполярных областях зимние снега стали лежать круглый год; Земля вошла в новый век оледенения. Такие периоды время от времени встречались в истории Земли, но все же довольно редко. Они оставляют ясный след в геологической летописи в форме отложений гравия, содранных льдом и отложенных вдоль краев ледника, или в виде ленточных глин, описанных в главе 4, или в виде ледниковых царапин и штрихов, проделанных в коренных породах при движении ледяных масс.
Кайнозойский ледниковый эпизод преобразовал ландшафт на большей части северного полушария. Косвенным образом он подарил нам одно из самых ценных полезных ископаемых — отложения песка и гравия. Он также сформировал кое-где захватывающие дух пейзажи, а также породил мириады озер, которые усеивают северные области России, Европы, Канады и Соединенных Штатов. На ход эволюции в кайнозое — в частности, эволюции человека — сильно повлияли наступления и отступления полярных ледников. И несмотря на тот факт, что мы сейчас живем в межледниковую эпоху — временно теплый период, нет никаких причин подозревать, что текущий эпизод оледенения подошел к концу. Еще каких-нибудь 15 000 лет назад места, где сейчас располагаются многие современные североамериканские города, были погребены под мощной толщей льда, а в будущем продвижение в сторону экватора полярных ледяных шапок может покрыть их льдом снова. В следующей главе мы завершим наше путешествие по геологическому времени, рассмотрев, что думают современные ученые об оледенении, климатических изменениях, а также об истории и последствиях «плейстоценового» оледенения.
Глава 12.
ВЕЛИКОЕ ОЛЕДЕНЕНИЕ
Пусть спорят жители Бомбея или Риада, но Земля в данное время находится в тисках оледенения. Верно, данный момент — это промежуток относительного потепления, межледниковый период, но в течение нескольких прошедших миллионов лет наша планета была, в среднем, холоднее, чем на протяжении большей части своей истории. Сегодня на ней существуют ледяные шапки около северного и южного полюсов размером с континент. Всего лишь в 300 километрах от экватора на горе Килиманджаро находится постоянный ледник пятикилометровой ширины. Причины периодических сильных похолоданий, которые переживала Земля, по-видимому, довольно сложны и еще не вполне ясны, несмотря на десятилетия изучения этого явления. Но детали самого последнего Ледяного Века, в котором мы и сейчас живем, становятся все более документированными. Такие явления, как колебания объема ледяной массы, изменения уровня океана, реакция растительности на суше на изменения климата и далее фактические температурные флуктуации за последние несколько миллионов лет — все это уже довольно хорошо известно. История, которую поведали нам эти данные, чрезвычайно увлекательна, и она вдвойне увлекательна, поскольку эволюция человека пришлась как раз на этот период и на нее сильно повлиял меняющийся климат. Геологическая летопись показывает, что местные и даже глобальные климатические режимы иногда очень быстро изменялись на временных шкалах, коротких даже по человеческим стандартам. Это наводит на мысль, что малые изменения факторов, которые сами по себе кажутся не очень важными, могут путем взаимодействия с другими влияниями и в результате действия механизмов обратной связи вызвать значительные сдвиги в климате. Многие из таких внезапных сдвигов оказали хорошо документированные воздействия на развитие человеческой цивилизации. Даже без вызванных человеком изменений климата мы должны быть готовы к крупным изменениям его в будущем. По аналогии с предсказанием одного знаменитого американского банкира относительно биржевого курса акций, климат, по всей вероятности, будет колебаться.
РАСПОЗНАВАНИЕ ПЕРИОДОВ ОЛЕДЕНЕНИЯ
Поделиться книгой: