Глава 7.
КЕМБРИЙСКИЙ ВЗРЫВ
После того как в двух последних главах мы отвлеклись на тектонику плит и геологическое время, пора возвратиться к моменту геологической истории Земли, где мы ее оставили, а именно к концу протерозойской эры. Следующим крупным подразделением геологического времени (опять посмотрим на рис. 1.1) является палеозойская эра, которая началась кембрийским периодом около 540 миллионов лет назад. Для порядка следует отметить, что остается некоторая неопределенность в отношении точного возраста границы между протерозоем и кембрием. Даже последние оценки ее колеблются между 530 и 600 миллионами лет. Такая изменчивость является составной частью естественного прогресса науки, а отнюдь не признаком слабости научного подхода, как думают некоторые. Причины этой неопределенности лежат как в технических трудностях датировки пород, так и в поисках подходящих образцов, характеризующих эту границу (поскольку не все породы могут быть датированы). Существует также проблема, куда конкретно поместить физическую границу в данной последовательности осадочных пород. Принятое здесь значение в 540 миллионов лет основывается на тщательной ураново-свинцовой датировке кристаллов циркона, извлеченных из слоя вулканического пепла, найденного в осадках из провинции Юннань, Китай. Точность определения возраста самого слоя пепла сомнений не вызывает. Неопределенность состоит в том, что неясно, как располагается сам этот слой относительно действительной границы. Палеонтологи на основании содержания в породах различных ископаемых остатков организмов сделали вывод, что осадки, залегающие непосредственно выше и ниже этого слоя пепла, отложились очень близко к началу кембрийского периода (кембрия) - первого периода палеозойской эры. Но независимо от точной даты с начала кембрия и ближе к нашему времени геологическая история Земли неразрывно связана с историей жизни на нашей планете, сага о которой рассказывается ископаемыми остатками, сохранившимися в породах.
ОКАМЕНЕЛАЯ ЛЕТОПИСЬ
Окаменелости, используемые геологами для прослеживания путей эволюции и реконструкции моделей климата Земли, дошли до нас в различных формах. Некоторые остались почти неизменными по сравнению с их первоначальным состоянием, как, например, скелеты саблезубых тигров, открытые в смоляных карьерах около Ла-Бриа в районе Лос-Анджелеса, но большей частью они в разной степени изменены химическими реакциями при сохранении внешнего вида. Наиболее распространенными окаменел остями являются твердые части животных, сложенные обычными минералами, - кости или зубы, состоящие из фосфатных минералов, и раковины, сложенные карбонатом кальция. Мягкие ткани обычно разлагаются слишком быстро, чтобы от них что-нибудь сохранилось, хотя в некоторых видах среды осадконакопления они тоже сохраняются. И это большая удача, потому что большинство докембрийских и раннекембрийских животных были мягкотелыми и их остатки имеют критическое значение для понимания природы кембрийского взрыва.
Химические реакции, которые резко изменяют минеральный и химический составы остатков - как твердых, так и мягких их частей, - обычно оставляют нетронутой морфологию и внутреннюю структуру растений или животных. В типичных случаях реакции происходят после погребения организма в осадках, когда циркулирующая в осадке вода, несущая растворенные в ней минералы, реагирует с первичным материалом погребенного организма, трансформируя его. Хорошим примером такой реакции является окаменевшее дерево, которое сохраняет тончайшие детали своего первоначального строения - годичные кольца и т. п., несмотря на тот факт, что целлюлоза и другие химические компоненты первоначального дерева полностью замещены кремнеземом - той самой составной частью, которая слагает обычный минерал кварц. Как показывает само название, в данном случае древесина была превращена в камень.
Некоторые очень ценные ископаемые вообще являются остатками не организмов, а их следов - это борозды после проползших червей, царапины крабов, отпечатки следов динозавров. Подобно опытному следопыту, который может определить пол, рост и вес человека по не слишком отчетливым следам, некоторые палеонтологи умудрились насобирать по мелочам огромное количество информации о древних организмах и их поведении по такого рода остаткам. Их работа гораздо труднее, чем работа следопыта, поскольку во многих случаях вообще неясно, какое животное оставило данный след.
Студентом я холодно относился к палеонтологии. Помню, как я проводил долгие вечера по пятницам в жаркой комнате старинного здания, делая зарисовки древних существ под руководством доброго, но тоже древнего преподавателя. На этих занятиях почти не было речи о поведении, эволюции или каких-либо процессах, а только о классификации. Я думал, что геофизика или геохимия гораздо более интересные дисциплины; кроме того, мне никогда не нравились мои рисунки. Но если на мгновение призадуматься, согласитесь, что при правильном подходе вряд ли существует нечто более интересное и волнующее, чем держать в руках кусок породы возрастом в 500 миллионов лет, выцарапывать из нее окаменелый остаток какого-нибудь неизвестного существа и пытаться реконструировать мир, каким он был полмиллиарда лет назад. Палеонтологи занимались именно этим. На основе мириадов изученных ими окаменевших остатков животных раннего кембрия они сумели узнать многое о способах перемещения, диете и местах обитания самых разных существ на великом древе эволюции.
Во многих частях света почти невозможно не увидеть ископаемые остатки организмов, если вы хоть мало-мальски наблюдательны. Подберите какую-нибудь гальку на пляже, прогуляйтесь среди природы за городом или даже подойдите к банку - если его здание построено из осадочной породы типа известняка, - и вы почти наверняка наткнетесь на какую-нибудь окаменелость или отпечаток. Обильные остатки древних организмов сохранились, начиная с кембрийского периода; долго считалось, что причина этого только в том, что именно на этой временной границе животные обзавелись твердым панцирем. Но сейчас ученые поняли, что это лишь часть истории. Существуют некоторые типы пород кембрийского возраста, которые переполнены остатками животных, не имевших ни раковин, ни костей, ни зубов - они целиком состояли из мягких тканей. Такой материал обычно быстро разрушается, но при некоторых обстоятельствах - например, при быстром погребении в среде, бедной кислородом, - даже мягкие ткани могут окаменеть. А если особые геологические условия сохранили такие ископаемые остатки в породах кембрия или более поздних, то спрашивается: а почему не более ранних? Ответ, по-видимому, в том, что нечему было сохраняться. Разнообразные многоклеточные животные претерпели бурный рост своей численности, начиная с момента около 540 миллионов лет назад; и именно это внезапное изменение характера записей в каменной летописи определяет границу между протерозоем и кембрием. Как указывает название данной главы, это изменение было определено как кембрийский взрыв; оно и было именно взрывом. Некоторые исследователи пришли к выводу, что в кембрийский период появилось не менее 100 классов (класс - это широкое подразделение в животном царстве, выделенное главным образом по строению тела), в то время как сейчас существует только около тридцати. Подтвердят или нет будущие исследования такое число первых типов, ясно одно: неопровержимым фактом является то, что конец протерозоя отмечен радикальным изменением характера жизни на Земле.
В главе 3 было отмечено, что ископаемая летопись жизни фактически началась задолго до кембрийского периода, будучи зафиксированной в породах, имеющих возраст в 3,5 миллиарда лет, и что имеются признаки существования еще более древней жизни, хотя прямые ископаемые остатки и отсутствуют. И все же в течение очень длительного промежутка геологической истории после первого появления жизни - более двух миллиардов лет - на Земле обитали, согласно имеющимся данным, только простейшие, одноклеточные организмы. Более сложные и подвижные животные оставили борозды и следы в иле, пусть даже их тела и не сохранились. Такие следы довольно часто встречаются в кембрийских и более молодых осадках, но - хотя их тщательно искали - редко встречаются в предыдущий период времени и вообще не найдены в породах старше одного миллиарда лет.
В самом конце протерозоя перед собственно кембрийским взрывом в океанах появляется ряд мягкотелых животных. Эта группа организмов известна среди геологов как Эдиакаранская фауна - по названию местности Эдиакара в Австралии, где эти ископаемые остатки были впервые найдены. Время появления Эдиакаранской фауны на страницах ископаемой летописи точно не определено, но, вероятно, ее возраст не больше 100 миллионов лет до начала кембрийского периода. В общепринятом понимании она включает предшественников некоторых кембрийских и даже современных животных. Однако некоторые исследования последних лет заставляют предполагать иное. Характер строения тела у этих животных, с одной стороны, крайне своеобразен и отличается от любых других современных или кембрийских организмов. Ископаемые остатки свидетельствуют, что животные - представители Эдиакаранской фауны были в основном очень плоскими, сплющенными существами со множеством ячеек (их даже называют иногда "стегаными"), которые лежали повсюду на морском дне, словно миниатюрные коврики. Очевидно, у них не было никаких внутренних структур; некоторые палеонтологи предположили, что они представляют собой совершенно обособленное царство животных, отличающихся от всех известных нам сегодня. Если эта интерпретация верна, тогда животные Эдиакаранской фауны являются тупиковой ветвью эволюционного древа и их быстрое появление, расцвет и исчезновение из мировых океанов остается увлекательной загадкой.
КЕМБРИЙСКИЕ ИСКОПАЕМЫЕ ОСТАТКИ
Самые первые организмы, имевшие минерализованные части тела и поэтому оставившие после себя традиционные окаменелости, появились в кембрийский период. Самая ранняя их группа, называемая Томмотианской фауной - по названию местности в России, знаменует собой начало кембрийского взрыва; кажется, что она появилась на страницах каменной летописи в совершенно развитом виде, во всем своем значительном разнообразии и без каких-либо явных предшественников. Но даже эти ископаемые остатки таят в себе нечто загадочное. В силу отсутствия лучшего понимания их истинной природы палеонтологи называют их "мелкими раковистыми ископаемыми". Неясно, являются ли эти объекты - крошечные конусы, круглые уплощенные шляпки, маленькие свернутые кольцом или спиралью раковинки и многие другие - мелкими частями более крупных организмов или большими частями мелких организмов. Они появляются совершенно внезапно в начале кембрия, быстро достигают пика своей численности и разнообразия, затем быстро исчезают, чтобы уступить ведущее место другим животным. Но они все же достигли почти повсеместного распространения - их находят в самых ранних кембрийских породах по всему миру.
Даже геологам приходится иногда сделать паузу и поразмышлять над тем, что означают такие слова, как "быстрый" и "быстро", встретившиеся нам в предыдущем параграфе. Если для начала кембрийского периода нарисовать диаграмму (или график), на которую для различных значений времени нанести количество различных форм мелких раковистых ископаемых, как это делают палеонтологи, то она покажет, что в действительности означают такие выражения, как "внезапное появление" и рост и столь же быстрое исчезновение. Возвышение и падение образуют на графике маленький резкий скачок, или пик. Но этот маленький пик занимает в ширину по крайней мере 10 миллионов лет. Как "быстрый рост" численности, так и быстрое распространение этих организмов по всему земному шару продолжались, вероятно, свыше миллиона лет. Миллион лет - это долгое время. Несколько миллионов лет назад в северном полушарии только начинался современный ледниковый период (который все еще продолжается, но подробнее об этом будет рассказано дальше), а собственный наш вид, Homo sapiens, еще не существовал. Десять тысяч лет назад, что составляет всего 1/100 миллиона лет, огромные клыкастые мамонты заполняли Северную Америку. Требуется постоянное усилие, чтобы удерживать геологическое время в правильной перспективе.
Поэтому быстрое распространение по всему земному шару животных, которые оставили нам маленькие раковистые окаменелости, не так уж и впечатляет, если принять во внимание подлинную огромность того отрезка времени, который для этого понадобился. Очертания суши в начале кембрия также очень отличались от современных. Хотя реконструкция мировой географии для такого отдаленного прошлого - дело нелегкое, есть достаточно данных для разумной уверенности в общих очертаниях суши. Многие из ныне отдельных континентов - Африка, Индия, Австралия, Южная Америка - были объединены в один массив суши, что, возможно, облегчало распространение мелких морских животных вдоль мелководий континентальных окраин. Но Северная Америка и нынешняя Сибирь были, очевидно, совершенно отдельными материками. На рис. 7.1 показана картина мира в начале кембрийского периода, что позволяет определить перспективу дальнейшего развития суши.
Появление и распространение мелких раковистых окаменелостей Томмотианской фауны было всего лишь первым ударом пульса кембрийского взрыва. Вскоре после него появляется большинство главных групп беспозвоночных животных. Сюда входят такие животные, как губки и характерные для кембрия ископаемые животные трилобиты. Хотя они давно вымерли, в кембрийских морях они обитали во множестве. Они представляли собой большей частью очень небольшие плоские существа; почти все их разновидности ползали по морскому дну, обычно оставляя за собой характерные следы в мягком иле. Эти следы нередко встречаются в виде отпечатков. У трилобитов был твердый известковый внешний скелет, который, без сомнения, защищал мягкие части их тел от хищников; они хорошо сохранились во многих осадочных породах кембрия. Встречаются они настолько часто, что мелкие образцы можно дешево купить в магазинах, специализирующихся на продаже образцов минералов, горных пород и других природных диковинок. На рис. 7.2 изображены два типичных кембрийских трилобита. Многие годы мы использовали мелких трилобитов с приклеенными к ним магнитиками для пришпиливания к дверце холодильника газетных карикатур, детских рисунков и других артефактов. Какой позорный конец для обитателя кембрийских морей!
Почему у животных вдруг развился минерализованный скелет и твердые щитки именно в кембрии? И почему они появились в таком ошеломляющем разнообразии? Даже у тех, кто специализируется на исследовании этих вопросов, нет однозначного ответа. Конечно, животные с твердым панцирем имели больше шансов выжить среди хищников. А скелет; наряду с твердым внешним покрытием, облегчал передвижение. Минералы, осаждаемые из раствора для образования твердых частей тела, представляли собой карбонат кальция и фосфат кальция. Было высказано предположение, что на границе между протерозоем и кембрием произошло изменение химического состава морской воды, которое облегчило образование именно этих минералов. Тем не менее трудно представить себе обстоятельства, которые могли бы привести к таким изменениям, но не появлялись на Земле множество раз на протяжении предшествующих нескольких миллиардов лет земной истории. Кажется вероятным, что у кембрийского взрыва была не одна причина; свою роль здесь сыграло совпадение многих
СЛАНЦЫ БЕРДЖЕСС-ШЭЙЛ
Интересной стороной кембрийской истории, относящейся к обсуждаемому вопросу, является то, что быстрое увеличение разнообразия животного мира не ограничивалось животными с твердым панцирем. Если изменившийся состав воды в океанах имел значение для развития скелета и раковин, то это только одна из возможных причин удивительного разнообразия жизни. Хотя традиционное представление об эволюции жизни в кембрии основано на минерализованных остатках организмов, в последнее время большое внимание уделялось более редким остаткам мягкотелых животных. Они сохранились в ряде мест, где геологические обстоятельства мешали их размыву. Вероятно, самой знаменитой является находка в Берджесс-Шэйл, в Скалистых горах, в южной части Британской Колумбии. В одном-единственном карьере в этой толще сланцев были найдены десятки тысяч окаменелостей, демонстрирующих поразительное разнообразие очертаний и телесных форм. Их изучение дало палеонтологам ценнейшую информацию о процессе биологической эволюции. Два примера таких странных существ показаны на рис. 7.3.
Увлекательнейшей истории открытия и изучения окаменелостей в Берджесс-Шэйл посвящена книга, давшая название главе 3: "Чудо жизни". Ее талантливый автор, уже упоминавшийся С. Дж. Гулд, гарвардский палеонтолог, с энтузиазмом пишет на тему, явно близкую его сердцу. Его книга весьма рекомендуется для всякого, у кого есть пылкое желание узнать больше о разнообразных мягкотелых животных кембрия и их роли в эволюции. Многое из далее приводимого материала основывается на этой книге.
Геологи дают собственные имена толщам пород, которые имеют постоянные или почти постоянные физические свойства и облик и могут быть надежно прослежены и закартированы на большой площади. Сланцы Берджесс-Шэйл (или берджесские сланцы), в сущности, представляют собой всего лишь небольшой набор пород с условным названием в пределах такой толщи (Толща Стивен) в Скалистых горах штата Британская Колумбия. Слой осадочных пород, в котором первоначально были открыты берджесские окаменелости, имеет мощность всего два с половиной метра; в свое время утверждалось, что эта маленькая группа выходов горных пород заключает в себе большее разнообразие типов строения тела животных, чем все современные океаны! Подобно всем сланцам, берджесские сланцы состоят в основном из уплотненных и затвердевших тонкозернистых глин и ила. Первоначально эти породы отложились вдоль западного побережья Северо-Американского континента приблизительно в середине кембрийского периода.