Летающие жирафы, мамонты-блондины, карликовые коровы... От палеонтологических реконструкций к предсказаниям будущего Земли

Журавлёв Андрей Юрьевич

Лист хвойного дерева метасеквойи из меловых озерных отложений Центральной Чукотки. 100–66 миллионов лет; рудник Купол компании «Кинросс Голд»

Геологи Валентин Бухов и Питер Фишл с рудника Купол канадской компании «Кинросс Голд», добывающей золото на Чукотке, уже грузят ящики с керном в пикап. Присоединяюсь к ним, и ранним полярным вечером под изумрудные сполохи северного сияния мы прибываем в лабораторный корпус. Геологи высматривают и находят сероватые кварцевые жилки с золотистыми блестками (впрочем, видными только в сильную лупу), а я высматриваю что-нибудь живое. Точнее, когда-то бывшее живым. Нахожу, правда, не я, а Бухов. Он протягивает мне розоватый кусочек керна с темным, словно обугленным, листиком на сколе, немного похожим на мимозу. Но это не мимоза, а метасеквойя — ныне реликтовое хвойное дерево, встречающееся только в Центральном Китае. Это древнее растение было описано сначала в 1941 году как ископаемое из третичных отложений Японии, а спустя несколько лет его обнаружили живьем, но только на небольшом участке леса на западе провинции Хубэй, что стало одним из крупнейших ботанических открытий XX века. Благодаря удачному стечению обстоятельств — в Китае я был накануне осенью — и удается распознать лист. В конце мелового периода раскаленный пепел (ныне розоватый алеврит в виде керна), выброшенный из жерла вулкана (ныне сопка), накрыл рощу метасеквой, окружавшую озеро, и сбил в воду их листья-иголки (ныне обугленный отпечаток). Вряд ли в то время — 70 миллионов лет назад — здесь лежали снега, даже зимой, подсказывает этот листик. Климат Центральной Чукотки был намного теплее…

Наскальные рисунки на скалах Средней Лены (4–5,5 тысяч лет) указывают, что уже тогда Якутия была суровым краем: 7 полос на лосе — 7-месячная зима, 5 на лосихе — 5 теплых месяцев, пронзенный стрелой лосенок — умирающий и нарождающийся мир

В двух тысячах километрах на юго-восток от этого места — в Центральной Якутии — из-за сурово-континентальных условий зима длится семь месяцев, и уже в ноябре температура падает до -40 °C, а то и невообразимо ниже. Мы сидим в скособоченном УАЗике, который скачет по наклонному бечевнику реки Лены в сторону какого-то атомного по цвету заката. На противоположном, правом, берегу скоро покажутся Ленские столбы, куда еще предстоит дойти, три часа петляя среди наледей и торосов. А сейчас над нами нависают желтоватые утесы и преграждают дорогу когда-то сорвавшиеся с них глыбы. Одна из них привлекает внимание ровным узором на поверхности. Покидаю жаркое нутро неистребимого советского внедорожника и подбираюсь к глыбе поближе. Это, конечно, не писаница трехтысячелетней давности, одна из которых красной охрой нанесена на скале недалеко отсюда: семья из трех полосатых лосей, олицетворяющих круговорот природы (семиполосный лось — семимесячная якутская зима, пятиполосная лосиха — лето и пронзенный копьем лосенок — постоянно нарождающийся и умирающий мир). Узор создан природой: слои из небольших тонких известковых плиток, сложенных домиком и вновь затвердевших, — это следы мощных торнадо, бушевавших около полумиллиарда лет назад, когда здесь раскинулось обширное тропическое море. Сейчас подобные осадочные породы — темпеститы [24] — образуются, например, у Багамских островов, где шторма, вызванные торнадо, взламывают известковое дно и выкладывают свою мозаику.

24

От англ. tempest — буря.

Температурные контрасты между нынешними Чукоткой и Якутией и их геологическим прошлым определяются разными причинами. Полмиллиарда лет назад Якутия действительно находилась почти у экватора, а 70 миллионов лет назад было теплее на всей планете. Но как отличить одну причину от другой и какие силы предопределяют климатические колебания?

А в крокодилах — теплее

Как вообще измерить температуру на Земле в былые эпохи? С помощью змеи. Берем змею и меряем. И это не шутка: чем теплее, тем длиннее может вытянуться такое пресмыкающееся. Поэтому, зная, что палеоценовая змея из Колумбии была 13 метров длиной (нынешний рекордсмен — сетчатый питон — уступает ей три метра) и весила более тонны, можем рассчитать, как это сделал палеоклиматолог Джейсон Хед из Торонтского университета и его коллеги, что 60 миллионов лет назад среднегодовые температуры умеренных широт достигали 32–33 °C. Заметно теплее, чем сейчас. Оказалось, что в змеях или крокодилах температуру можно измерить гораздо точнее, чем с помощью главного индикатора палеоклимата — формы листьев, занижающих этот показатель на 6–8°.

Крокодилы очень теплолюбивы: разные виды развивают активность при температурах от 30 до 40 °C, а если столбик термометра опускается ниже 5 °C (для некоторых видов — всего 25 °C), обычно гибнут. Бывают, правда, случаи, как в американской Пенсильвании, когда сбежавший крокодил протянул на воле семь лет при зимних температурах до -6 °C, но размножаться он все равно не мог, даже если бы ударился в бега с партнером противоположного пола. Поэтому ископаемые крокодильи кости, обнаруженные в приполярных широтах, доказывают: прежде климат здесь бывал и жарче, например в эоценовую эпоху (50 миллионов лет назад), когда эти пресмыкающиеся поселились на острове Элсмир в Арктической Канаде. А морские крокодилы процветали лишь в самые жаркие времена. В отличие от ихтиозавров и плезиозавров, как считает биогеохимик Кристоф Лекюе из Лионского университета, крокодилы никогда не обладали способностью регулировать температуру тела, о чем свидетельствует изотопный состав их костей — такой же, как у холоднокровных рыб. В течение 200 миллионов лет своего существования бороздившие моря и океаны крокодилы неоднократно вымирали, а затем «нарождались» — происходили заново от пресноводных видов. Ныне подобных рептилий всего две: гребнистый крокодил и острорылый, но в открытом море они не встречаются (один населяет побережье Юго-Восточной Азии и Северной Австралии, другой — Центральной Америки).

Итак, змеи и крокодилы показывают, что в палеоценовую и эоценовую эпохи на Земле действительно было жарче, причем не только в умеренных и полярных широтах, как принято считать, исходя из модели термостата. Эта модель предполагает, что если где-то прибавилось (в Заполярье), то где-то должно убавиться (в тропиках), и получается, что перепад температур от полюса к экватору был не таким резким, как в наши дни. Однако в теплые времена, подобные юрскому — палеогеновому периодам, и разница температур была заметной, и их среднегодовые значения повсеместно выше — на 10 °C.

Скелеты триасовых морских рептилий ихтиозавров раскрывают их секреты: эти ящеры были не только живородящими, но, вероятно, и теплокровными. Южный Китай; 225–205 миллионов лет. Длина 1 метр. Нанкинский музей палеонтологии

Если говорить серьезно, то, конечно, палеоклиматологи для подобных реконструкций одной змеей не довольствуются. Палеотемпературы измеряются с помощью океанического растительного планктона; обитавших на дне морей одноклеточных — фораминифер и многоклеточных — брахиопод и двустворок; плававших в толще вод головоногих моллюсков, зубастых акул и ящеров. Главное, чтобы у этих организмов была раковина или зубы, в которых за время жизни их хозяев накапливаются сведения обо всех изменениях среды, в том числе температуры. Самый простой и достаточно надежный способ измерить температуру у организма, которому и градусник вставить некуда, и в живых давно (несколько десятков — сотен миллионов лет) нет, придумал Гарольд Юри, нобелевский лауреат, который советовал геологам собирать тектиты, а астронавтам — лунный грунт. Это соотношение стабильных изотопов кислорода: ¹⁸О к ¹⁶О. Оба изотопа входят в состав молекул воды. Но облегченные молекулы испаряются быстрее, и потому большая их часть в виде пара находится в атмосфере и выпадающих оттуда осадках (в этом случае в метеорологическом смысле, а не в геологическом), а также в ручьях и реках, льдами и снегами питаемых. В холодные времена, когда значительные массы атмосферных осадков ледяными шапками застывают в полярных областях и ледниками расползаются оттуда до умеренных широт, океан обогащается тяжелым изотопом. А значит, в избытке получат его и все живущие в равновесии со средой организмы. Есть, правда, и такие, которые сами влияют на кислородный баланс в своем скелете, но методом проб (из этого самого скелета) и ошибок (в расчетах) палеоклиматологи смогли выбрать лучших из лучших. Ими и оказались выше перечисленные организмы. Правда, работая с палеозойскими слоями, приходится резко ограничивать круг избранных, поскольку скелеты, построенные из нестойких карбонатных минералов, закономерно преобразуясь в стойкие, увы, теряют первичный изотопный сигнал. Так что самые точные палеозойские термометры — это раковины брахиопод (низкомагнезиальный кальцит и фосфат) и зубы позвоночных (фосфат).

Исходя из примерного соответствия температур уровню углекислого газа в атмосфере, можно измерить этот показатель и другими методами. Например, по плотности устьиц на листовой пластинке, которая тем меньше, чем выше парциальное давление двуокиси углерода. Эти органы растений осуществляют пассивный газообмен со средой: при обильном углекислом газе много устьиц не требуется, а вот при низком уровне, когда на счету каждая молекула, их нужно как можно больше. Значит, сгущение устьиц указывает на падение температуры, и наоборот. Можно прикинуть палеотемпературы по соотношению стабильных изотопов углерода в почвенных минералах или по соотношению стабильных изотопов бора в раковинках планктонных фораминифер, отражающему кислотность среды. Все эти показатели тоже напрямую зависят от парциального давления углекислого газа.

А самый «простой» способ определить если и не абсолютные температуры в градусах, то время наиболее масштабных климатических сдвигов — по карбонатным минералам, в первую очередь скелетным. Еще 20 лет назад из учебников, в том числе университетских, можно было узнать, что химический состав вод Мирового океана отличается завидным постоянством вот уже 2 миллиарда лет. Однако седиментолог (специалист, изучающий закономерности формирования осадочных пород) Филип Сэндберг из Иллинойского университета показал, что по крайней мере в отношении двух таких важных ионов, как Са²⁺ и Mg²⁺, это утверждение неверно. Изучая распределение в ископаемой летописи нескольких разностей карбоната кальция, а именно, устойчивого низкомагнезиального кальцита (<=4 мол.% Mg) и легкорастворимых высокомагнезиального кальцита (>4 мол.% Mg) и арагонита, он заметил, что за последние 500 миллионов лет временные интервалы, когда преобладал более стабильный кальцит, чередовались с теми, когда образовывались две другие его разности. Первые он назвал «арагонит-подавляющими», а вторые — «арагонит-благоприятствующими» эпохами. Ныне эти два состояния Мирового океана именуют «кальцитовыми» и «арагонитовыми» эпохами. В «арагонитовые» — преобладали морские животные и водоросли с арагонитовыми или высокомагнезиально-кальцитовыми скелетами, в «кальцитовые» — доля таких организмов снижалась. Так же ведут себя две примечательные разности морских карбонатов: оолитовые пески, состоящие из мелких известковых шариков, и первичные морские цементы (известковые оторочки, заполняющие полости в рифах или в уже затвердевшем осадке).

Палеогеновый коралловый риф. 60–30 миллионов лет. Арагон, Испания. Музей Сантьяго Лафарга, Барбастро

Конечно, обнаружить настоящий арагонит в отложениях возрастом свыше 300 миллионов лет почти невозможно: по причине химической неустойчивости он со временем замещается обычным кальцитом. Та же участь ждет высокомагнезиальный кальцит: он превращается в магнезиальный карбонат — доломит. Потому среди палеозойских и более ранних отложений мы встречаем почти исключительно кальцит и доломит. Однако понять, первичны они или вторичны по происхождению, можно: формой кристаллов арагонит отличается от кальцита и последний, замещая первичный минерал, образует псевдоморфозы — принимает форму шестоватых арагонитовых кристаллов. Иногда в них сохраняется избыток стронция, характерный для арагонита, но не для кальцита. Подобные минералогические и геохимические признаки Сэндберг использовал, чтобы узнать, какие именно минералы преобладали в те или иные эпохи.

Секрет же чередования «арагонитовых» и «кальцитовых» морей связан с уровнем содержания двуокиси углерода в атмосфере: чем выше этот уровень, тем больше растворяется двуокиси углерода в Мировом океане, и далее, по цепочке химических преобразований, в океаническом резервуаре повышается содержание угольной кислоты — иона бикарбоната — иона водорода. В результате среда подкисляется, а растворимость карбонатных минералов, особенно менее устойчивых, возрастает. Если же мы сопоставим графики «кальций-магниевого» состава Мирового океана и изменений климата Земли, то «кальцитовые» эпизоды совпадут с теплыми эрами — продолжительными (в несколько десятков миллионов лет) интервалами, в течение которых ледяные «шапки» практически отсутствовали. А время «арагонитовых» морей придется на холодные эры, характеризующиеся длительными и обширными континентальными оледенениями. Свидетельствует ли эта взаимосвязь о влиянии уровня содержания углекислого газа в атмосфере Земли на климат?