Книга: Новая история происхождения жизни на Земле

Неизвестные сюрпризы кембрийского взрыва

Неизвестные сюрпризы кембрийского взрыва

В конце 1980-х годов один из соавторов данной книги, Джо Киршвинк, собрал образцы вулканического пепла в Атласских горах в Марокко. Слой пепла был в этом отложении осадочных пород на 50 м ниже первых кембрийских ископаемых трилобитов. Но как долго формировался этот слой? К сожалению, этот вулканический пепел содержал совсем небольшое количество циркона, слишком мало, чтобы использовать обычные для тех лет методики датировки. Однако к тому времени Компстон уже разработал замечательный метод, известный как ионная микроскопия сверхвысокого разрешения: пучок ионов цезия направляется на малый участок частицы минерала. Плазма, генерируемая в этом процессе, проводится в масс-спектрометр, и несколько тонких манипуляций позволяют получить чрезвычайно точные сведения датировки по урану/свинцу.

Результаты были потрясающими. Данные, полученные для собранных в Марокко образцов, показывали возраст не старше 520 млн лет, и уж точно не старше 600 млн лет![122] Компстон сделал все возможное, чтобы удостовериться в возрастных характеристиках, но данные лишь подтвердились: в датировке нижнего слоя кембрия была ошибка в 80 млн лет. Это означало, что кембрийский взрыв — по крайней мере, развитие большого разнообразия типов животных, наблюдаемое с появлением мелкой раковистой фауны, — скорее напоминал ядерный взрыв, поскольку проходил в 25 раз быстрее, чем предполагалось до этого. Коллеги из Массачусетского технологического института (знаменитый Сэм Боуринг) и другие исследователи вскоре повторили эксперименты Компстона с образцами вулканического пепла из других экзотических мест, например, из Намибии и северной части Анабарского плато в Якутии[123]. Таким образом, появилась дата возникновения трилобитов, и она оказалась намного более ранней, чем предполагали раньше. Палеонтологи запаниковали, так как подумали, что весь кембрийский период займет не более 10 млн лет, поэтому они отказались от трилобитов как своей путеводной звезды и сосредоточились на более древнем событии — появлении первых следов жизнедеятельности, которые в конце концов были датированы примерно 542 млн лет назад. Оказывается, необычный период эволюции, когда происходило множество изменений и появлялось много нового, имел и другие, не менее необычные характеристики. Исследования изотопов углерода в пограничных слоях между протерозоем и кембрием показывают, что в те времена происходило что-то очень странное, события следовали очень неравномерно, как кардиограмма, и продолжалось это сотни миллионов лет (теперь эти явления называются кембрийскими углеродными циклами)[124]. Размах этих событий огромен, равен почти полному сгоранию всей существующей на планете биомассы каждые несколько миллионов лет. Либо это, либо что-то еще привело к образованию очень легкого углерода (который можно обнаружить в метане), который врывался в атмосферу в огромных количествах со всеми парниковыми последствиями. Испытала ли Земля цепь кратких периодов тепловых катастроф? Впрочем, такие события привели бы к вымиранию, но не развитию многообразия.

Кембрий, помимо прочего, давно известен еще одной странностью: он является одним из периодов самой значительной тектонической активности и смещения плит (плита — это огромный участок земной коры, который двигается, сталкивается с другими плитами или распадается на более мелкие части). Тектоническое движение можно отследить, если применить метод палеомагнетизма, позволяющий определить древние широтные характеристики пород и направление движения плит. Именно благодаря этому методу Джо Киршвинк впервые определил периоды «Земли-снежка». Новые методы палеомагнетического анализа показывают как будто невозможное: тектонические плиты курсируют по поверхности Земли с бешеной скоростью, весь мир быстро перемещается относительно полюсов, Северный и Южный полюса остаются там, где им и полагается быть, а под ними вращается земной шар.

Примером может служить Австралия: согласно полученным данным, когда-то этот континент находился у самого экватора и в кембрийский период повернулся почти на 70° по часовой стрелке — менее чем за 10 млн лет, может, и за более короткое время. Впрочем, поскольку Австралия была частью суперконтинента Гондвана, в который также входили Антарктида, большая часть Индии, Мадагаскар, Африка и Южная Америка, поворот Австралии означал и перемещение больше половины всей земной поверхности того времени. Сегодня сведения исследователей Гондваны это подтверждают: суперконтинент поворачивался против часовой стрелки точно в период кембрийского взрыва, 530–520 млн лет назад. Подобная информация получена и о североамериканской континентальной платформе Лауренция: она двигалась от холодного Южного полюса к экватору примерно в то же время.

Простота — сестра таланта, поэтому, проще говоря, не группа малых тектонических плит двигалась куда-то, а все на планете перемещалось относительно оси. Следует отметить, что эта формулировка оправданна, только если Лауренция и Австралия находились в тот период времени примерно в 90° друг от друга (а это было именно так, ведь Австралия была у экватора, а Лауренция на полюсе!). На самом деле эта упрощенная теория всеобщего взаимного вращения и перемещения ведет к довольно специфичным предварительным выводам об относительной ориентации в пространстве и очертаниях континентов, к «абсолютизированной палеогеографии». Приносим свои извинения Толкину, но выглядит это примерно так: «Одно движение переместит их, одно вращение повернет их, одно смещение от полюса для них — на одном общем земном шаре!»[125] Общее вращение всей коры планеты вокруг оси приводит около 90 % всех разрозненных до этого результатов палеомагнетизма к единому фокусу.

Все происходило одновременно. Мощный пульс эволюции, проявленный и в численности видов, и в количестве морфологических типов, громадное увеличение биоминерализации (количества и разнообразия видов скелета, развившихся у многих типов животных), первые взаимоотношения между хищниками и жертвами у животных, огромные скачки количества органического углерода, безумные перемещения континентов — все это заставляет ученых, включая Киршвинка и его студентов, лишь гадать, являются ли эти события совпадениями или между ними есть причинно-следственные связи.

С появлением новых данных палеомагнетизма были установлены не только удивительные, но и просто невероятные перемещения древних плит. Концепция униформизма предлагает использовать настоящее, чтобы понять прошлое, и мы с готовностью принимаем это предложение — определяем скорость современного движения континентов. В Атлантическом океане, где в данный момент формируется новая океаническая кора вдоль Средне-Атлантического хребта, скорость, с которой две плиты расходятся к северу и югу от своей когда-то общей границы, составляет около 2,5 см в год. Эти две огромные плиты держат на себе континенты, и куда двигаются плиты, туда же устремляются и их материковые части. Скорости бывают разные. Например, сегодня тихоокеанские плиты двигаются намного быстрее, около 7–12 см в год. Самый быстрый темп — около 25 см в год, но это в теории, и то под сомнением. В то же время данные палеомагнетических исследований показывают, что возможны скорости в несколько метров в год, а для тектонических плит это кажется невозможным. Однако данные повторяются и представляются окончательными. Происходило явно что-то по-настоящему революционное или, по крайней мере, нечто, настолько отличное от современных процессов, что науке приходится лишь удивляться. Для принципов униформизма это слишком!

Первой реакцией на сведения, показывающие столь быстрое движение поверхностных участков планеты, было сомнение в объективности этих данных. Что ж, вполне справедливо. Как сказал однажды Карл Саган, неординарные (научные) утверждения требуют неординарных доказательств. Перемещение континентов было настолько быстрым, что нормальное тектоническое движение, упомянутое выше, то есть не более нескольких сантиметров в год, не может служить основой для изучения этого явления. Новые данные, медленно, но упорно собираемые Киршвинком и другими коллегами, демонстрировали слишком быстрое движение плит, чтобы его можно было объяснить с помощью принятой сегодня тектонической теории. Ну и наконец, основные процессы этого быстрого тектонического движения совпадали по времени с бурным развитием многообразия типов животных. Если на кембрийский взрыв повлияло не быстрое тектоническое движение, то что? И каким образом оно могло повлиять на эволюцию животных?

Ответы явились настоящим откровением, хотя и не должны были особенно удивить, поскольку схожие процессы известны по результатам изучения истории формирования и развития Марса, Луны и многих спутников и малых планет. Эти объекты вполне способны к необыкновенным изменениям в пространственной ориентации. Невозможно до конца оценить все последствия подобных процессов для эволюции живых организмов на Земле, но наше новое понимание того, что же на самом деле произошло, поистине сравнимо с революцией в науке о развитии жизни на нашей планете.

Уже более века геофизики знают, что участки земной коры могут быстро перемещаться относительно оси. Существует физический закон, который гласит, что вращающийся объект будет вращаться вокруг так называемого момента инерции. Хорошим примером может служить летающий диск, фрисби: если его запустить правильно, он будет вращаться вокруг своего центра, и масса вещества на его краях будет поддерживать стабильность вращения. Но давайте прилепим на диск кусочек свинца, но не в центр. Вращение фрисби изменится, поскольку он попытается переориентировать движение с учетом новой массы так, чтобы новообразовавшийся тяжелый участок оказался как можно дальше от центра вращения — у «экватора». На вращающейся планете центробежные и гравитационные силы влияют на любой появившийся на поверхности объект. Но на вращающемся шаре переориентация может происходить по-своему, и под влиянием оси вращения новый «вес», который находился, скажем, в двух третьих пути от экватора к полюсу, может в конечном итоге оказаться и не на экваторе. Крутящийся мяч может изменить позицию оси вращения, если на него прилепить посторонний объект.

Хорошо известно, что Луна и Марс переориентировались таким образом в течение своей геологической истории. На поверхностях обоих появлялись участки с новой массой, которые первоначально находились не на экваторе, но в конце концов оказались именно там. Например, гигантская провинция Фарсида (геологический регион Марса) состоит из огромного количества лавы с очень большой массой. С позиции геологического времени это похоже на посторонний объект, который мы прилепили на фрисби или на вращающийся мяч, так как провинция появилась уже после окончательного образования Марса. На самом деле это крупнейшая положительная гравитационная аномалия в Солнечной системе, и находится она точно на марсианском экваторе — сегодня находится. На Луне наблюдения, предшествующие работе «Аполлона», зафиксировали концентрации больших масс, обусловленных базальтовыми лавами, покрывающими лунные моря, и тоже — на экваторе. Эти процессы вполне объяснимы для Марса и Луны, поскольку ни один из этих объектов не имеет тектоники плит, и называются эти процессы истинным перемещением полюсов (true polar wander — TPW). До открытия тектоники плит в 1966 году все свидетельства того, что земные полюса в древности находились в других местах, приписывались действию истинного перемещения полюсов.

Быстрое по геологическим меркам изменение массы отдельных участков планеты может происходить по разным причинам, включая воздействие кометы или большого астероида, или извержение магмы из недр на поверхность Земли.

Кроме того, большие изменения массы могут возникать, если какая-либо часть тектонической плиты появляется или, наоборот, исчезает в зоне расширения или в зоне движения по разломам. Любая из этих причин достаточно весома, чтобы существенно влиять на истинное перемещение полюсов на Земле. Исчезновение участков влияет на ориентацию всей планеты. Могут исчезать и зоны расширения, и зоны движения, когда один дрейфующий континент сталкивается с другим. Любые океанические зоны расширения или движения между сходящимися континентами разрушаются при столкновении. В этом случае мы имеем дело с переориентацией планеты, вызванной не появлением дополнительной массы на поверхности планеты, но в связи с ее исчезновением.

Маловероятно, чтобы биологические изменения, связанные с кембрийским взрывом, повлияли на тектоническое движение, более вероятно, что быстрое движение плит существенно ускорило ход биологической эволюции. Это предположение можно доказать, основываясь на нескольких новых открытиях. Во-первых, когда материки находились в более высоких широтах, в их полостях накапливалось много замерзшего метана (клатрата, или газового гидрата), на морском дне и в вечной мерзлоте. По мере продвижения к экватору они постепенно согревались, и происходили периодические выбросы парниковых газов в атмосферу, что приводило к согреванию среды. Эволюция, в том числе многообразие видов, ускоряет свое развитие в первую очередь именно в теплой среде, поскольку ускоряется метаболизм.

Когда описанные выше явления впервые стали упоминаться в научной литературе, их называли «метановое вливание в кембрийский взрыв», и считалось, что температурные режимы, возможно, были основным фактором быстрого развития видов животных. Также это признавалось возможной причиной скачкообразных изменений изотопов углерода.

В том числе оказывается, что наибольшее разнообразие видов географически привязано именно к экватору. Когда наш коллега из Йельского университета Росс Митчелл изучил палеографические перемещения во время истинного перемещения полюсов, он заметил, что почти все новые группы животных появлялись в тех частях материков, которые во время движения были обращены к экватору, и лишь совсем незначительное количество видов появилось в более высоких широтах. Эта связь быстрого увеличения количества форм живых организмов и географии дает потрясающе простое объяснение бурному развитию видов, особенно в отношении экспериментов природы с гомеозисными генами. Кроме того, палеонтологическую летопись кембрийского взрыва можно отчасти принимать за свидетельство геологических изменений, так как побочным эффектом истинного перемещения полюсов являлись повышение уровня моря в областях, двигающихся к экватору, и понижение уровня моря на тех участках, которые двигались от него. Осадочные отложения лучше всего накапливаются при повышении уровня моря, а при понижении уровня они постепенно исчезают. Значит, породы, образовавшиеся во время истинного перемещения полюсов, отражают увеличение разнообразия животных.

Утверждение того факта, что истинное перемещение полюсов является причиной важных событий в истории развития жизни, определенно открывает новое поле для исследований, о котором в XX веке даже не помышляли. Как истинное перемещение полюсов используется для объяснения событий кембрийского взрыва, так же его можно применить для объяснения массовых вымираний. Одно из которых, кстати сказать, стало завершающим этапом кембрийского периода — в это время вымерли почти все «странные чудеса» Стивена Гулда из сланцев Бёрджесс, — и получило в качестве названия непонятное слово SPICE[126].