Следы былых биосфер, или Рассказ о том, как устроена биосфера и что осталось от биосфер геологического прошлого

Возьмем другой пример из области ботаники.

Магаданский ботаник доктор биологических наук Андрей Павлович Хохряков недавно установил своеобразную направленность эволюции высших растений — интенсификацию смен органов в ходе индивидуального развития организма. Так, по мнению Хохрякова, у древних древовидных плаунов — лепидодендронов — смене была подвержена только часть листьев. У более продвинутых в эволюционном отношении растений — папоротникообразных — опадают также только листья, но у них в единицу времени по отношению к массе всего тела сменяется большая их часть, чем у лепидодендронов. У наиболее примитивных голосеменных — саговников — сменам также подвержены только листья, да и то за исключением оснований. У хвойных периодически сменяются ветви и кора. Наконец, на примере цветковых растений мы наиболее четко видим переход от многолетних форм (деревья и кустарники) к однолетним (травы). Этот же переход наблюдается и у других таксонов высших растений: среди древних хвощей и плаунов господствовали древовидные формы, а современные нам хвощи и плауны — травы; среди папоротников в геологическом прошлом было много древовидных, а сейчас древовидные папоротники вымирают. Такая интенсификация смен, естественно, приводит к усилению биогенной миграции атомов в биосфере. И здесь «работает» II принцип… Правда, хвойные почему-то не хотят становиться травами, а мхи, наоборот, никогда не были деревьями.

А. П. Хохряков, будучи ботаником, рассматривает только растения; в более широком плане подошел к вопросу о направленности эволюции крупный советский геохимик, профессор Александр Ильич Перельман. Он вычислил, что по отношению логарифмов ежегодной продукции к «моментальной биомассе» живого вещества (коэффициент К) современные экосистемы образуют следующий ряд:

I. Таежные ландшафты (0,54—0,55).

II. Ландшафты влажных лиственных лесов:

а) умеренного пояса (0,59—0,62);

б) субтропического пояса (0,66);

в) тропического пояса (0,68).

III. Травяные ландшафты (0,83—0,95).

Можно предполагать, что это — своеобразный «эволюционный ряд» ландшафтов и что несуществующие ныне ландшафты имели значение К меньше 0,5.

Наконец, III биогеохимический принцип также связан со «всюдностью» или «давлением» жизни. Этот фактор обеспечивает безостановочный захват живым веществом любой территории, где возможно нормальное функционирование живых организмов. В связи с этим рассмотрим, как происходило освоение жизнью поверхностной оболочки Земли.

В первые десятилетия нашего века ни у кого не было сомнений, что жизнь на Земле появилась лишь в кембрии, т. е., по современным датировкам, около 600 млн. лет назад. Честь открытия докембрийских микробиот принадлежит знаменитому американскому геологу Чарлзу Д. Уолкотту (1850—1927), высказавшему идею о бактериогенном происхождении докембрийских известняков и опубликовавшему в 1915 г. первую заметку с описанием остатков микроорганизмов из этих отложений. Идея Уолкотта показалась современникам абсурдной («этого не может быть, потому что не может быть никогда», используя крылатое выражение А. П. Чехова), а его описание докембрийских микроорганизмов не было принято всерьез. Сейчас Ч. Д. Уолкотта по праву называют пионером палеонтологии докембрия; учреждена специальная медаль «За изучение организмов докембрия», которая носит его имя.

Другим первооткрывателем докембрийских микробиот является В. Грюнер, в 1922 г. описавший органические остатки из протерозойских железорудных формаций штата Миннесота (США). Собственно, исследованиями Ч. Д. Уолкотта и В. Грюнера и исчерпывались сведения о докембрийской жизни к тому моменту, когда Вернадский сформулировал свой знаменитый тезис об отсутствии в истории Земли безжизненных геологических эпох.

Новый этап исследований начался в 40-е годы. В 1939 г. изучением органических остатков докембрия начал заниматься А. Г. Вологдин (впоследствии — лауреат медали имени Уолкотта); в 1943 г. он организовал в Палеонтологическом институте АН СССР лабораторию по изучению древнейших организмов. В 1947 г. австралийский геолог Р. Спригг опубликовал первое описание фауны, впоследствии ставшей известной всему миру под названием «эдиакарской». Несколько лет спустя американские ученые С. А. Тайлер и Э. С. Бархгорн при микроскопическом исследовании протерозойских пород Канадского щита открыли хорошо сохранившиеся органические остатки.

Крупнейшим событием в развитии науки о древнейшей жизни явился Всесоюзный симпозиум по палеонтологии докембрия и раннего кембрия, проходивший в Новосибирске осенью 1965 г. После этого симпозиума словосочетание «палеонтология докембрия» перестало шокировать даже самых отчаянных скептиков. Публикации по новой отрасли знаний пошли широким потоком. «С удивительной быстротой мы стали проникать в глубины времени и теперь твердо знаем, что менее чем шестистам миллионам лет фанерозойской палеонтологической истории предшествовали по крайней мере еще три миллиарда лет жизни», — сказал академик Б. С. Соколов.

В настоящее время данные о древнейшей жизни основываются главным образом на изучении следующих объектов: а) так называемых акритарх — микроископаемых неустановленной природы, скорее всего относящихся к фитопланктону; б) строматолитов — слоистых карбонатных образований, возникших в результате жизнедеятельности цианобактерий и бактерий; в) минерализованных остатков прокариот, «запечатанных» в кремнях. Помимо этого, производятся изотопные исследования докембрийских пород, поскольку известно, что у углерода и серы соотношение изотопов пригодно для распознавания абиогенных и биогенных объектов.

В нашей стране наибольшее развитие получили исследования строматолитов. Знаменательна фраза известного американского ученого профессора Престона Клауда в докладе на 27-м Международном геологическом конгрессе: «Говорить о строматолитах на Московской сессии Международного конгресса все равно, что ехать в Тулу со своим самоваром». В последние годы в СССР успешно развивается изучение минерализованных остатков докембрийских прокариот, осуществляемое во Всесоюзном геологическом институте имени А. П. Карпинского В. К. Головенком и М. Ю. Беловой.

В результате исследований, проведенных за последние четверть века, вырисовывается следующая картина развития биосферы на ранних этапах ее эволюции (табл. 7).

Таблица 7

Геохронологическая шкала и основные события истории биосферы

Дата рождения Земли — 4,6—4,7 млрд. лет назад — установлена по космохимическим и астрофизическим данным. Земля в это время подвергалась интенсивной метеоритной бомбардировке. Каковы были физико-химические условия ка поверхности, сказать трудно, однако ясно, что они были иными, чем в течение всей последующей геологической истории. Существование жизни в это время на Земле маловероятно, а геологические образования этого возраста неизвестны.

Возраст древнейших метаосадочных пород Земли — 3,8 млрд. лет (формация Исуа в Юго-Западной Гренландии). Остатков живых организмов в них не найдено, однако изотопный состав углерода однозначно свидетельствует об активных процессах жизнедеятельности, происходивших в то время. Таким образом, «начало геологической и биологической истории совпадает с точностью до сотен миллионов лет» [64] .

Первые микроскопически распознаваемые органические остатки появляются в породах с возрастом 3,5 млрд. лет. Представлены они только прокариотами: цианобактериями и архебактериями. В течение первых 2 млрд. лет — половина геологической истории! — жизнь на Земле была представлена исключительно экосистемами прокариот. Некоторые из них отличаются поразительной устойчивостью. Так, экосистемы строматолитов почти не изменились за 2,7 млрд. лет своего существования.

64

Заварзин Г. А. Роль бактерий в геохимическом прошлом Земли. — 27-й Межд. геол. конгресс, доклады, 1984, т. 19, с. 130.

Согласно представлениям А. Г. Пономаренко, описавшего недавно эволюцию экосистем на всем протяжении геологической истории, архейские экосистемы характеризовались значительными колебаниями биомассы и продуктивности. Жизнь существовала локально, занимая, по-видимому, лишь зону шельфа (хотя, по мнению Г. А. Заварзина, она могла распространяться частично и на континенты). Сильная эрозия на слабо заселенных или нацело лишенных жизни континентах препятствовала возникновению стабильной озерно-речной сети. Сток с континентов был преимущественно плащевым, и в море попадало много пелитового материала. Это, в свою очередь, сужало эвфотическую зону на шельфах и лимитировало развитие фотосинтезирующих прокариотов. Из-за слабого развития жизни на материках мощность континентальной коры выветривания, по данным Б. М. Михайлова, нигде в докембрии не превышала первых метров (что на 1—2 порядка меньше, чем в фанерозое).