Книга: Земля и жизнь

Палеонтологический метод в изучении докембрия

Палеонтологический метод в изучении докембрия

Граница между докембрием и кембрием обычно резко выражена не только по степени вторичных изменений осадочных пород, но и по кажущемуся коренному отличию пород кембрия, отложения которого почти всюду охарактеризованы обильными разнородными остатками беспозвоночных, водорослей и др. Поэтому исследователи всего мира занимаются изучением органических остатков из палеозойских и более поздних отложений. Некоторые исследователи уделяют внимание изучению докембрия, его литологии, петрологии, в еще меньшей степени палеонтологии, несмотря на огромное распространение и мощность его осадочных отложений.

В трансваальской серии докембрия Южной Африки остатки водорослей известны в виде мелких строматолитов и онколитов. Абсолютный возраст, определявшийся Ф. Абельсоном и Э. Баргхорном в институте Карнеги в Вашингтоне, дал цифру около 2600 млн. лет. В отложениях кремнистых сланцев гуронского возраста (2000 млн. лет), в районе оз. Онтарио в Северной Америке Э. Баргхорн нашел хорошо сохранившиеся остатки нитчатых синезеленых водорослей и одноклеточных животных.

Таким образом, жизнь на Земле является очень древней, имеющей возраст порядка 3000 млн. лет или более. Следы древнейшей жизни можно наблюдать в некоторых геологических образованиях докембрия, в виде непосредственных морфологических материалов по конкретным группам организмов и в виде косвенных данных.

Существование жизни на Земле можно проследить в ее проявлениях во времени и в пространстве, т. е. в данном случае в разрезах разновозрастных осадочных горных пород, в их довольно большом разнообразии.

Общеизвестно большое распространение в составе отложений архея и протерозоя нормальноосадочных пород терригенного состава. Учитывая степень дифференциации мелкозема, выделение достаточно хорошо отсортированного материала обломочных пород, в частности песков, превращенных в кварциты, приходится допускать на выступах древнейшей суши развитие почвенного покрова.

Как известно, почвообразование идет интенсивно с дифференциацией минерального вещества лишь при участии почвенных микроорганизмов, роль которых в создании почвенного мелкозема обычно в 20 раз превосходит роль почвенных коллоидов химического происхождения. Поэтому почвообразование, связанное с деятельностью микроорганизмов, является, несомненно, процессом очень древним. В связи с этим наблюдение в составе беломорской серии архея Карелии магнетитовых сланцев и кварцитов, первично представляющих собой отложения осадочных железных руд и песчаные отложения, показывает, что они, несомненно, были продуктом развития на смежном выступе суши почвообразовательных процессов с участием почвенных микроорганизмов и железобактерий.

Многими исследователями происхождение тонких морских карбонатных илов рассматривается в связи с жизнедеятельностью некоторых специфических морских бактерий, в частности из группы денитрифицирующих.

Процесс денитрификации водной среды при участии бактерий обусловлен в природе наличием нитратов, усвояемого органического вещества, анаэробных (бескислородных) условий и нейтральной реакции среды. Представление многих авторов о составе древней атмосферы и гидросферы Земли сводится к признанию большой роли там свободного водорода, метана, углекислоты и аммиака. Благодаря высокой растворимости аммиак должен был легко переходить в раствор, чтобы обеспечить развитие денитрифицирующих микроорганизмов, продуктами жизнедеятельности которых могли .быть иловые карбонатные отложения, с превращением их в известняки, доломитизированные известняки (в порядке замещения кальция осадка магнием раствора) и доломиты. Лишь образование магнезитов можно отнести к процессам химического характера, происходившим и происходящим в условиях выпаривания морских вод полузамкнутых лагун.

Наличие кристаллических известняков в беломорской серии архея Карелии Беломорского побережья позволяет предполагать развитие в древнем бассейне соответствующих бактериальных процессов, частичным выражением которых могут быть такие породы.

Имеющиеся цифры абсолютного возраста в 2000-2300 млн. лет для архея Беломорья некоторые исследователи склонны считать возрастом метаморфизма архейских пород. Таким образом, процессы древнейшего карбонатного осадконакопления при участии бактерий должны быть признаны здесь весьма древними. В некоторых мраморах архея Кольского полуострова, по наблюдениям автора, между зернами кальцита установлено содержание обуглероженных остатков микротел бактериального размера.

Известно широкое распространение в докембрийских отложениях всего мира пластовых железных руд, горизонтов пиритизированных пород, которые можно связать по условиям их происхождения только с жизнедеятельностью ряда групп микроорганизмов.

Прямые морфологические данные мы можем получить, изучая под микроскопом препараты из железных руд осадочного происхождения. Так, автором остатки железобактерий были установлены в ряде образцов докембрийских железных руд, в частности Кривого Рога, некоторых месторождений докембрия Казахстана и Сибири.

На территории Карелии, характеризующейся широким распространением мощных отложений докембрия, был открыт ряд ценных палеонтологических материалов в трех горизонтах ятулия (среднего протерозоя). Р. В. Бутиным и автором описано много видов водорослей, которые сохранились в виде остатков строматолитов и других карбонатных образований. Это свидетельствует о большом разнообразии ценозов водорослей в бассейнах протерозоя Северо-Запада СССР. С этими открытиями перекликаются открытия остатков строматолитов в слоях серии Хяохе Северного Китая, которые по возрасту относятся также к среднему протерозою. Наряду с местной и временной жизнедеятельностью синезеленых водорослей, в меньшей степени красных водорослей, сыгравших местами роль крупных геологических деятелей, имело место отложение карбонатных илов, что осуществлялось, по-видимому, при участии денитрифицирующих микроорганизмов.

В ятулии Карелии открыто большое разнообразие проблематических образований, предположительно отнесенных к водорослям или остаткам ряда групп беспозвоночных животных. Не подлежит сомнению, что теперь весь протерозой становится объектом биостратиграфических и палеонтологических исследований. Выделена группа образований, которые можно условно принять за остатки водорослей из группы багрянок - кораллинаией. Некоторые из них отличаются необычайно крупными размерами клеток (?). Возможно, подобные водоросли, описанные из мезозоя, не являются самыми древними на Земле, как это предполагалось. Известны также находки одноосных кремневых спикул губок, остатки радиолярий и др.

Более поздние докембрийские отложения (верхний протерозой - синий, иотний и гиперборей, овруч, бавлы, альгонкий, рифей и др.) богаче остатками организмов, особенно синезеленых и красных водорослей. Так, автором описано более 200 видов водорослей среднепротерозойского и позднепротерозойского (синийского) возраста из отложений Карелии, Средней и Восточной Сибири и Дальнего Востока, а также из отложений КНР, которые он отнес к 80 родам и 20 семействам.

Морфология клеточных колоний, общий, местами хорошо сохранившийся вид талломов, скопления остаточного органического вещества в породе нередко оказываются близкими к современным. Между тем преобладающая часть форм очень своеобразна и потому является хорошим опорным материалом для корреляции вмещающих отложений. Из сотен горизонтов с остатками водорослей пока выявлено в верхнем протерозое до 40, характеризующихся наиболее хорошей сохранностью форм. В среднем протерозое (ятулии) Карелии Р. В. Бутин выявил три водорослевых горизонта.

Установлены случаи дальней миграции некоторых водорослей древнее протерозойского возраста, например: северная часть КНР - Оленекское поднятие, северная часть Сибирской платформы - Кольский полуостров (о-в Кильдин), Енисейский кряж - Восточное Верхоянье и т. д. Таким образом, выявлены возможности открытия остатков древнейших водорослей в отложениях докембрия как нормального палеонтологического материала. Впрочем, поиски его часто еще не являются систематическими. Открытие их чаще носит случайный характер.

Одним из интересных выводов, полученных при изучении конкретного палеонтологического материала по древнейшим водорослям, было прямое указание на незначительность или отсутствие гнилостных процессов в докембрийских бассейнах. Вследствие этого колонии микроводорослей, выделяя карбонат кальция на поверхности, в условиях среды, богатой бикарбонатами, переходили в ископаемое состояние почти без изменения их морфологии. Минерализацией охватывались сгустки студенисто-слизистого вещества синезеленых водорослей, оболочки их трихомов и клеточных колоний. Остаточное органическое вещество, в той или иной степени обуглероженное переходило в толщу осадков и в некоторых случаях за счет его могли образовываться скопления нефти и горючего газа. Так образовались нефть и газ в нижнем кембрии Сибирской платформы, такого же происхождения нефть и газ в бассейне верхнего течения р. Лены в Иркутской области. Поэтому проблема шунгита Карелии также может быть решена в связи с водорослевыми ценозами докембрия и соответствующими геологическими условиями.

В случае метаморфизма, как известно, битумы часто бывают выражены скоплениями графита, и потому вкрапленность графита, его тонкие пленки в породах докембрия или более или менее значительные скопления должны указывать на распределение продуктов преобразования исходного органического вещества растительного происхождения в виде одноклеточного или многоклеточного фитопланктона. Поэтому битумы, шунгиты, графиты, скопления обуглероженного вещества следует признать заслуживающими специального изучения с целью выяснения их связи с организмами докембрия. Осадочные железные и марганцевые руды пластового типа, пиритизированные породы и продукты гранулометрической дифференциации материалов сноса с древних выступов суши должны быть признаны связанными с соответствующими жизнепроявлениями в докембрии, как следы этой жизнедеятельности. Специально подготовленные препараты могут позволить обнаружить в этих веществах следы остатков микроорганизмов.

Фации и их осадки составляют единство. Единство составляют также среда и жизнь. Среды прошлого проходили стадии непрерывного и направленного изменения под влиянием общих причин и отчасти при участии самих организмов. Организмы выводили из гидросферы большие запасы углекислоты и бикарбонатов. Они обогащали ее свободным азотом и свободным кислородом. Измененная среда становилась не пригодной для одних организмов и пригодной для других. Поэтому ископаемые организмы можно рассматривать как индикаторы древнейших сред, как свидетели тех или иных геологических процессов, а иногда даже материалов астрономического значения. Так, по проявлениям фототропизма и гелиотропизма древнейших синезеленых водорослей, отраженных в построении специфических строматолитов (параллелофитонов), можно установить положение палеомеридианов. По проявлениям цикличности в строении слоистой карбонатной массы строматолитов можно устанавливать 11-летние циклы в развитии солнечной радиации. Таким образом были получены данные об абсолютном приросте строматолитов за сезон, о масштабе накопления органического вещества в осадочных толщах докембрия, о длительности существования видов водорослей, о длительности формирования горизонтов и свит.

Остатки докембрийских организмов могут оказать существенную помощь в раскрытии палеоклимата для соответствующих этапов геологического времени, а также палеогеографической эволюции лика Земли в докембрии.

Особое значение имеет в породах докембрия поведение изотопов углерода, кислорода, азота, серы, водорода и их отношений, поскольку известно, что легкие изотопы преимущественно оказываются связанными с жизнедеятельностью организмов, тогда как более тяжелые - лишь с минеральными - химическими процессами.

Остатки организмов в осадочных породах докембрия известны во многих районах мира. Можно отметить находку Дж. Лаусона (1865 г.) Eozoon canadense в районе Оттавы. Л. Кайо (1894 г.) открыл остатки радиолярий, фораминифер, спикул кремневых губок в углистых сланцах докембрия Бретани. Чарльз Д. Уолкотт в докембрии Большого Каньона и в серии Белт в США выявил интереснейшие остатки многощетинковых червей и ряд других организмов.

Известны находки остатков радиолярий в докембрии юга Австралии. Правда, некоторые исследователи, не признали этого открытия, другие склонны относить его к образованиям бактериального происхождения. И. Седерхольм открыл в карельском шунгите остатки проблематического животного Goridum, которого, по-видимому, следует отнести к проблематическим образованиям.

В среднепротерозойских отложениях Енисейского кряжа Ю. А. Кузнецов обнаружил остатки одноосных спикул кремневых губок. Между тем в бакальской свите позднего докембрия Урала автором были обнаружены предполагаемые отпечатки медуз (?), отчасти подобные найденным в докембрии Большого Каньона в слоях Нанкоуин. В Северо-Западной Африке (в" Анти-Атласе) установлены остатки членистоногих в виде разрозненных сегментов. Во многих районах мира известны, правда, еще редкие и случайные находки остатков простейших животных, примитивных целетерат, брахиопод, червей, членистоногих, заслуживающих специального изучения.

Больше всего в мире открыто в докембрийских отложениях остатков фотосинтезирующих организмов - морских водорослей, являвшихся часто активными породообразователями. Изучение таких остатков особенно успешно идет в Советском Союзе. Этот нормальный палеонтологический материал ныне часто обнаруживается в отложениях докембрия и нижнего палеозоя. Он представлен строматолитами, а иногда тонкослоистыми карбонатными породами с "курчавой" текстурой.

Что такое строматолиты и онколиты? Строматолиты и онколиты - это микрослоистые сгустки карбонатного, иногда вторично измененного вещества, находимые в составе преимущественно древнейших морских и пресноводных отложений, формировавшихся в мелководьях в основном синезелеными, реже красными водорослями на твердом субстрате (первые) или на подвижном (вторые) в условиях сильно карбонатной (богатой бикарбонатами кальция и магния) водной среды за длительные этапы времени, измеряющиеся часто сотнями и тысячами лет. В их построении обычно участвовало несколько видов микроскопических водорослей, проявлявших жизнедеятельность одновременно (сосуществование) или в порядке последовательной смены одного вида другим, причем часто через малые промежутки времени (естественный отбор, быстрота темпов эволюции).

Поскольку строматолиты и онколиты представляют собой продукты сложных и длительных процессов и не являются остатками единого конкретного организма, то они не заслуживают применения к ним латинизированной номенклатуры, как это делается некоторыми исследователями. Они являются в геологических разрезах лишь частью того каменного материала, который несет в себе (если этому не мешают вторичные явления) остатки микроскопических породообразующих фотосинтезирующих организмов (синезеленых, реже красных, водорослей).

Поскольку между формами и размерами конкретных видов породообразующих водорослей и формами и размерами включающих их остатки строматолитов непосредственная связь отсутствует, то эти сгустки карбонатного материала, обычно характеризующиеся бесконечным разнообразием по виду, могут знаменовать лишь местную временную фацию, сочетание экологической обстановки с тектоническим режимом области бассейна и не более.

Строматолиты могут указывать на результаты взаимосвязи процессов нарастания элементарных наслоений и накопления биогенного (фитопланктонного) или обломочного материала между ними.

Эти процессы протекали с относительно равными скоростями (нависания и наросты на боковой поверхности строматолитов), с опережением первого процесса (гладкие боковые поверхности или с пережимами экологического происхождения) или отставанием его. Это создавало условия для прекращения развития строматолитов (их сужения, приобретения неправильной общей формы и т. д.). Так шло их местное отмирание.

Естественно, что внешние признаки как-то отражают особенности их конкретных образователей - водорослей (строение и отчасти форма элементарных наслоений микрослоев, соответствующих накоплению карбонатного материала за сезоны вегетации). Форма наслоений, степень их выпуклости отражают чувствительность водорослевых колоний к свету, степень проявления фототропизма, иногда выражавшуюся в виде прямого гелиотропизма (параллелофитоны).

При условии благоприятной сохранности микроструктур строматолиты и онколиты, находимые в Отложениях различного геологического возраста (от нижнего протерозоя и почти до наших дней), являются ценнейшим материалом для изучения истории развития мира микроскопических водорослей (синезеленых и красных), их эволюции и породообразующей деятельности. В них мы видим свидетелей обстановок далекого геологического прошлого с указанием на палеоклимат, палеотемпературу среды, палеотечения, батиметрические данные, скорости вертикальных движений литосферы и гидрохимию бассейна. Это дает представление о связях между бассейнами и палеогеографических перестройках лика Земли во времени.

Успех исследования строматолитов и онколитов, водорослевых пород вообще как фитогенных образований, требует от исследователей палеоботанического, особенно альгологического изучения и глубоких знаний современных представителей названных типов микроскопических водорослей, их морфологии, экологии, физиологии, биохимии и природного распространения (геоботаники водорослей).

Результаты изучения остатков водорослей из докембрийских отложений СССР показали возможность решения важных вопросов стратиграфии. В частности, отложения протерозоя ряда районов Сибири, часто неправильно сопоставлявшиеся друг с другом, ныне получили определенное положение на основании данных эволюции выявленных видов и родов синезеленых и красных водорослей. Так, морской протерозой Енисейского кряжа оказался более древним по отношению к карбонатным отложениям Туруханского поднятия, древние же карбонатные отложения р. Нижней Тунгуски - более древними по отношению к улунтуйской свите Прибайкалья. Между тем водоросли нижнего кембрия Иркутского амфитеатра оказались генетически связанными с формами, выявленными в улунтуйской свите верхнего синия.

Необходимо отметить полную бесперспективность исследований строматолитов как таковых, без изучения их микроскопических структур. При таком методе изучения строматолитов, связанным с массовым распиливанием каменного материала, уничтожается большое количество материала, который был бы полезен для палеонтологического метода.

Организмы - индикаторы среды. Знание их раскрывает особенности среды, ее обстановку. Поэтому ископаемые организмы как свидетели могут помогать раскрытию природных обстановок геологического прошлого. В связи с исключительной древностью жизни на Земле перед исследователями может раскрыться картина ее развития. По литофациям и органическим остаткам докембрия исследователи несомненно могут вскрыть многие важные детали истории земной поверхности, биосферы и состава и строения земной коры в ее геологическом развитии. Ископаемые водные организмы могут указывать на степень солености среды, температурный режим, глубинность, характер и направления течений, взаимосвязь между древними бассейнами и т. д.

Поскольку древность жизни на Земле доказана, то экологические и другие данные могут быть исключительно полезными для геологии, если учесть, что в дальнейшем на ее основе может разрабатываться стратиграфия осадочных отложений, палеогеография, могут вестись поисково-разведочные работы. Организмы участвовали и участвуют в накоплении различных минеральных веществ и даже некоторых видов руд.

Палеонтологи и палеоэкологи, занимающиеся изучением палеозойского и более молодого палеонтологического материала, успешно получают соответствующие данные о древней среде и условиях обитания ископаемых организмов. Необходимо применить палеонтологический метод к докембрийским осадочным отложениям. Этому должны способствовать специальные работы литологов по изучению проявлений метаморфизма, восстановлению первичных типов осадков и выявлению биогеохимической роли древнейших организмов.

В настоящее время находки остатков докембрийских животных организмов пока эпизодичны. Наблюдаются огромные пробелы в палеонтологической летописи докембрия. Тем более следует внимательнее относиться к каждой находке и пытаться найти для нее место в общей системе организмов.

Раскрытие физико-географических условий на границе докембрий - кембрий раньше встречало действительные и кажущиеся препятствия: следы крупных перерывов в осадконакоплении, местная изменчивость состава горных пород докембрия, особенно из-за обилия вулканогенно-туфогенных образований и проявлений различной степени метаморфизма первичных осадочных пород.

Открытие органических остатков дает новый материал для изучения истории жизни и ее эволюции в докембрии, что в целом для отдельных районов распространения докембрийских отложений раскрывает перспективы разработки биостратиграфии и палеогеографии.

Органические остатки докембрия помогают выяснить происхождение известных типов животных, растений и бактерий, так как корни их затеряны среди отложений глубокой геологической древности. Изучение особенностей древних фаций по литофациям и организмам способствует выяснению причин изменчивости организмов во времени и пространстве и темпов этой эволюции во времени в конкретных физико-географических, физико-химических и других обстановках. Таким образом, изучение древнейших организмов помогает решить целый ряд важных вопросов биологии и геологии.

Палеонтологическая наука в содружестве с геологической дает обильные материалы к истории жизни на Земле в ходе геологического времени, по эрам, периодам и эпохам. Палеонтологи и художники многих стран мира пытаются воссоздать картины среды и жизни на отдельных этапах геологического прошлого. Мы попробуем воспроизвести некоторые из этих картин.