Новая история происхождения жизни на Земле
Шрифт:
В своем изложении материала мы исходили из трех принципов, которые послужили основой именно для нашей новой истории происхождения жизни. Во-первых, мы считаем, что история развития жизни в большей степени зависит от катастрофических событий, чем от совокупности всех прочих сил, включая медленную, постепенную эволюцию, какой ее впервые описал Чарльз Дарвин, а он в свою очередь опирался на принципы основателей актуализма. Актуализм, главный принцип геологии на протяжении более двух веков, изначально был разработан Джеймсом Хаттоном и Чарльзом Лайелем в конце XVIII века [7] . Этот принцип изучали многие поколения молодых естествоиспытателей, в том числе и Дарвин [8] . Открытие погубившего динозавров астероида, который врезался в нашу планету 65 млн лет назад, стало переломным моментом в изучении геологии. Взгляды исследователей сместились в сторону подхода, который назвали «неокатастрофизм» [9] , отчасти возрождая представления катастрофизма — направления, существовавшего до актуализма.
7
Многое о взглядах
8
Своим ученикам мы рассказываем о том, что Чарльз Дарвин прежде всего был геологом. Его умение разбираться в окаменелостях оказалось невероятно важным в процессе зарождения его знаменитой теории об эволюции видов. Однако и понимание им природы любых других ископаемых, которые он встречал каждый раз, сходя с крошечного «Бигля» (что происходило довольно часто в связи с тем, что Дарвин страдал от морской болезни), сыграло свою роль. Прочитать об этом можно в книге: A. Desmond, Darwin (New York: Warner Books, 1992).
9
M. Rudwick, Georges Cuvier, Fossil Bones, and Geological Catastrophes: New Translations and Interpretations of the Primary Texts (University of Chicago Press, 1997).
Мы покажем на страницах этой книги, что актуализм — то, как он объясняет древний мир, вид и темпы эволюции — не актуален и по большому счету может быть опровергнут. Происходящее в современности не дает понимания того, что происходило в далеком прошлом, тем более что те события являлись скорее катаклизмами, а не результатом постепенного развития ситуации. Например, какие современные события помогли бы объяснить такие явления, как «Земля-снежок», или Кислородная катастрофа, или насыщенный серой Океан Кэнфилда [10] , возникшие более миллиарда лет назад и способствовавшие эволюции первой ступени развития животных. Массовое вымирание динозавров на границе мелового и палеогенового периодов (так называемое мел-палеогеновое вымирание, или мел-третичное вымирание) также не имеет аналогий в наши дни, не существует сегодня и того типа океана и атмосферы, которые создали возможности для зарождения жизни на планете, как нет и того насыщения атмосферы углекислым газом, которое не позволило бы появиться ни одному островку льда на Земле. Настоящее не является ключом к пониманию большей части событий прошлого. Думая иначе, мы ограничиваем себя во взглядах и понимании природы вещей.
10
В 1998 г. геолог Дональд Кэнфилд из Университета Южной Дании предположил, что не кислород, а именно сера играла решающую роль в промежуточном океане. Его статья на эту тему была опубликована в журнале Nature 3 декабря 1998 г. С тех пор серонасыщенный мезопротерозойский океан многие ученые именуют не иначе как океан Кэнфилда. — Примеч. ред.
Во-вторых, коль скоро мы являемся углеродной формой жизни, формируемой цепочками углеродных соединений (атомы углерода, соединяясь, создают белки), то логично полагать, что на историю жизни имели особое влияние молекулы трех газов: кислорода, углекислого газа и сероводорода. Возможно, из всех элементов именно сера имела наибольшее влияние на развитие природы и жизни на нашей планете.
Наконец, раз история развития жизни есть история живых существ, то именно эволюция экосистем является самым значимым фактором для становления совокупностей современной картины жизни. Коралловые рифы, тропические леса, глубоководная фауна разломов и многие другие — каждое из этих явлений может быть особой пьесой со своими актерами, но с тем же сценарием из эпохи в эпоху. В то же время мы знаем, что в глубине времен случайно возникали принципиально новые экосистемы, населяемые новыми формами живых организмов. Появление живых существ, которые, например, могут летать, или плавать, или ходить на двух ногах — все это крупные сдвиги эволюции, которые изменили весь мир, и каждый из них помог создать новые экосистемы.
Чем мы занимаемся
В любой книге по истории находит отражение опыт, накопленный ее автором, его размышления и умозаключения. Питер Уорд с 1973 года занимается палеобиологией, опубликовал множество работ о современных и древних головоногих, а также о массовом вымирании позвоночных и беспозвоночных. Джозеф Киршвинк — геолог-биолог, начал свои исследования с изучения переходного периода от докембрия к кембрию, но в дальнейшем расширил границы своих интересов как в направлении более древних периодов (Кислородная катастрофа), так и в сторону более поздних — именно он является первооткрывателем «Земли-снежка», очень большой части истории жизни. Позднее уже вместе мы работали над темами вымирания в девонском, пермском, триасовом, юрском периодах, а также над темой мел-палеогенового вымирания.
Наша совместная работа началась в середине 1990-х годов. Мы побывали с экспедициями в Южной Африке с целью исследования массового пермского вымирания, а с 1997-го по 2001-й — в Баха-Калифорния и в районе острова Ванкувер для изучения аммонитов мелового периода. Мы проводили исследования массового вымирания триасового, юрского периодов на островах Королевы Шарлотты, мел-палеогенового вымирания — в Тунисе, на острове Ванкувер, в Калифорнии, Мексике и Антарктиде, а девонского массового вымирания — в Западной Австралии.
Мы старались «исполнить» книгу гармоничным дуэтом, однако в некоторых главах то один, то другой из нас берет верх в силу своей приверженности тем или иным научным интересам или потому что более осведомлен в определенной научной сфере.
Ранее мы упоминали, что живых видов на Земле — миллионы. Большинство тех, кто занимается исследованиями живой природы, согласятся, что текущее число формально определенных видов (то есть которые имеют двойное название — для рода и для вида), вероятно, не превышает 10 % от общего числа всех живущих в настоящее время на планете видов [11] . Но сколько же их было в прошлом? Наверняка миллиарды. И это делает написание истории их возникновения и развития весьма трудоемким делом. Палеонтология, биология и геология имеют большой запас довольно специфичных слов для описания своих предметов изучения, и наша задача — сделать все эти замысловатые слова более-менее понятными для читателей или, как говорят в NASA, расшифровать бесконечные сокращения. Возможно, еще более утомительно то, что мы вынуждены использовать множество латинских названий для животных, больших и малых, когда-либо существовавших на Земле и тех, которые все еще живут на нашей планете.
11
Существует множество работ на тему развития видового разнообразия за все время существования нашей планеты. Об этом мы поговорим чуть позже. Одной из последних работ является статья Джона Элроя в содружестве с его коллегами под названием «Phanerozoic Trends in Global Diversity of Marine Invertebrates,» (Science 321 (2008): 97).
В ссылках читатель найдет множество имен тех наших коллег, которых мы имеем честь цитировать. Однако Питер Уорд настаивает на том, чтобы особым образом отметить двух исследователей, чьи работы оказались неоценимым источником знаний для написания данной книги, — Роберта Бернера и Ника Лэйна [12] .
Глава 1
О времени
До недавнего времени история развития жизни располагала довольно мудреной шкалой времени и измерялась не годами, а относительным положением осадочных пород, расположенных в земной коре. В этой главе мы рассмотрим геологическую временную шкалу — инструмент, который используют для изучения относительной последовательности периодов истории происхождения жизни на Земле.
12
Nick Lane, The Vital Question: Why Is Life the Way It Is? (London: Profile Books, 2015); Лестница жизни: десять величайших изобретений эволюции / Ник Лейн; пер. с англ. П. Петрова. — М.: ACT: CORPUS, 2014. (Элементы); Power. Sex, Suicide: Mitochondria and the Meaning of Life (Oxford: Oxford University Press, 2005); Энергия, секс, самоубийство: митохондрии и смысл жизни. — СПб.: Питер, 2016. Oxygen: The Molecule That Made the World (Oxford: Oxford University Press, 2002).
Геологическая, или геохронологическая, шкала — шаткое древнее сооружение, созданное на основе разных правил и течений европейского формализма в XIX веке. Более поздние поколения геологов не любят это приевшееся нагромождение условностей, объединенное в шкалу, которое, однако, все еще востребовано среди быстро стареющих представителей прежних геологических школ. И даже сегодня любое изменение в этой шкале должно быть одобрено разнообразными комитетами [13] , все временные объединения должны быть связаны с типическим сегментом — существующим материалом осадочных пород, который был выбран в качестве лучшего представителя соответствующего временного интервала. Предполагается, что типический сегмент не закрыт другими породами и не поврежден тектоническими изменениями, тепловым воздействием и «структурными» включениями (инородные включения, складки породы и прочие замысловатые странности того, что когда-то было полностью горизонтальным осадочным слоем). Сегмент отложений не должен быть перевернутым с ног на голову (что случается намного чаще, чем можно было бы предположить), должен иметь множественные фоссилии (и большие, и микроскопические), а также должен иметь слои, ископаемые отпечатки или минеральные включения, которые могут быть датированы в «абсолютных» цифрах (то есть в годах) посредством комбинации радиометрического метода, магнитостратиграфии и какого-либо изотопного метода определения возраста (например, углеродного или стронций-изотопного стратиграфического метода).
13
Вопрос об использовании стратиграфии хорошо рассмотрен межнациональной подкомиссией по стратиграфии. Информацию можно найти онлайн. Одна из полезных глав представлена по следующему адресу — stratigraphy.org-upload-bak-defs.htm.
Существующая шкала сложна и часто бесполезна, то есть когда мы говорим, что какая-то окаменелость относится к юрскому периоду, то имеется в виду, что эта порода — того же возраста, что и определенный юрский типический сегмент, который находится в Юрских горах Европы. Но это и есть то, с чем нам, историкам развития жизни и планеты, приходится работать, когда нужно определить возраст породы по отпечаткам на ней, а также передать наши знания об этом возрасте всем остальным. Есть способы датировки более современные, чем определение возраста событий и животных по их относительному положению в слоях залегания [14] , включая определение реального возраста ископаемого изотопными методами (например, хорошо известный метод «углерод-14» или другие радиометрические способы с использованием известных периодов распада элементов, содержащихся в породе). Но на самом деле ископаемых окаменелостей в слоях пород очень мало или они не поддаются «абсолютной» датировке. Чаще всего в наличии есть только сама окаменелость, и все.
14
Используются разнообразные способы датировок; краткие сведения о применении урана, калиевого аргона, уранового свинца, изотопов стронция, а также магнитной стратиграфии можно найти в работах Мартина Радвика, которые доступны в Интернете. В частности: M. Rudwick, Earth's Deep History: How It Was Discovered and Why It Matters (Chicago: University of Chicago Press, 2014).
Геохронологическая шкала остается не только единственным инструментом датировки всех пород на Земле, причем с учетом их возраста, а не структурных качеств, но и средством датирования событий в истории развития жизни. Геохронологическая шкала является тщательно разработанной в XIX веке системой, но ее сложные названия, неравные и на первый взгляд непохожие друг на друга временные интервалы чаще мешают, чем помогают работать. Тут дело не в принципах, на которых она была основана, а в бюрократической формализации, придавшей ей современный вид. Только в последнее десятилетие были предложены варианты новых «периодов». Формулирование этих двух периодов и их использование являются центральным звеном нашего нового понимания истории развития жизни: криогений (800–600 млн лет назад) и следующий сразу за ним эдиакарий (610–542 млн лет назад).