Кембрийский взрыв ввел нас в палеозойскую эру, название которой буквально означает «эра древней жизни». В течение 300 миллионов лет она была свидетелем развития жизни от примитивных существ, сохранившихся в окаменевшем виде в сланцах Берджесс-Шэйл, до рыб, насекомых, пресмыкающихся и, в конце концов, до непосредственных предшественников млекопитающих. Материки и океаны стали к этому времени уже вполне пригодной для обитания живых существ средой. К концу палеозойской эры с ее теплым, благоприятным для жизни климатом широко распространились роскошные болотистые леса — источник многих наших угольных месторождений. Почти весь палеозой большая часть современных южных континентов — Африка, Южная Америка, Австралия, Индия и Антарктида — соединялись, образуя гигантский материк Гондвану. К концу этой эры в результате столкновений между Гондваной и остальными континентами образовалась еще большая масса суши, которую геологи назвали Пангеей и которая включала практически все современные континенты. Пангея простиралась от полюса до полюса; столкновения, связанные с ее образованием, привели к формированию горных цепей на территории нынешних Северной Америки (восточная часть), Шотландии, Азии, восточной Австралии, а также других территорий. В конце палеозоя, как бы отмечая конец этой эры, произошло, вероятно, крупнейшее за всю историю Земли массовое вымирание животных и растений. Ни одно живое существо не избежало в той или иной степени его влияния. Животные и растения, обитатели океанов и суши — все они в той или иной мере пострадали. Целые виды и семейства просто исчезли из каменной летописи. В семействах, которые все же выжили, часто осталось всего несколько видов. Причина этой всемирной катастрофы до сих пор неизвестна.

Палеозойские породы широко распространены на всех континентах. По сравнению с предшествующим временем для этой части земной истории имеется значительно более полная запись обо всех событиях. Частично это обусловлено тем фактом, что большую часть палеозоя уровень моря был очень высок. Внутренние области континентов часто затоплялись мелководными морями, на дне которых слой за слоем накапливались осадки. Они служили местом погребения растений и животных, сохраняя информацию о климате и характере окружающей их среды. Например, в Северной Америке во время палеозоя большая часть территории периодически оказывалась под водой. Эти промежутки затопления отражались в характере палеозойских осадков, которые и сейчас еще покрывают чуть ли не весь континент. Их сохранению способствовал тот факт, что ядро Северной Америки, фундамент, на котором откладывались осадки, представляет собой древний устойчивый щит архейских и протерозойских пород, спокойный в геологическом смысле и низко лежащий. Такие регионы сравнительно мало подвержены эрозии.

Хорошая сохранность палеозойских и более молодых пород, море содержащейся в них информации о жизни, климате и тектонике делают весьма трудной задачу кратко рассказать об отрезке земной истории, охватывающем последние полмиллиарда лет. Тут столько интересных подробностей, что возникает реальная опасность не разглядеть леса из-за деревьев. По этой причине здесь и в последующих главах мы даем только общую картину некоторых самых значительных событий, и лишь немногие из них рассматриваются сколь-нибудь подробно. Возможно, вы заметили, рассматривая рис. 1.1, что каждая из трех геологических эр, на которые разделен отрезок из последних 500 миллионов лет, — палеозой, мезозой и кайнозой, — короче по фактическому количеству лет, чем предшествующая. Так получилось потому, что — как и во всякой истории — в каждом из последующих периодов содержится все больше и больше информации для дальнейшего подразделения. Для тех, кто захочет глубже покопаться в этой летописи; Мы приводим в конце книги краткую библиографию. Эти источники и содержащиеся в них ссылки должны удовлетворить большинство любопытствующих.

 

ТРИЛОБИТЫ И ПРИЧИНЫ ВЫМИРАНИЯ

В начале палеозоя континенты все еще оставались почти безжизненными. За исключением водорослей, которые к этому времени уже колонизировали сушу и, вероятно, придали влажным районам зеленоватый оттенок, в целом континенты были скорее всего столь же голы, как поверхность Луны. Но к концу эры уже стояли леса, кишели крылатые насекомые, а среди зелени шныряли пресмыкающиеся. В озерах, которыми изобиловала Пангея, было полно рыбы. Развитие этих форм жизни достаточно хорошо известно; это увлекательнейшая история. Повествование продвигается медленно и однообразно, но изредка прочерчивается резкими изменениями.

В предыдущей главе был очень кратко описан кембрийский взрыв. Это событие привело к развитию океанской флоры и фауны, не имевшему прецедента в предшествующей истории Земли. Это было только начало. Очень быстро, если судить по масштабам уже прошедшего времени, появились новые формы жизни. При этом некоторые старые формы приходили в упадок, а иногда совершенно внезапно вымирали. Конкретные причины этих быстрых изменений в деталях неизвестны, но большей частью эти вымирания были ответом на внешние стимулы. Если бы мир был совершенно устойчив, с неизменным климатом, с постоянной средой, постоянной плотностью населения и без дрейфа континентов, то многие из этих изменений, вероятно, никогда бы не произошли. В крайнем случае они происходили бы гораздо медленнее.

Трилобиты, эти характерные кембрийские животные, являются поучительным примером вымирания видов и его возможных причин. Их история особенно хорошо документируется в Северной Америке, которая на протяжении почти всего кембрия находилась на экваторе и периодически затапливалась теплыми мелкими морями. Было открыто много видов кембрийских трилобитов; по типам осадков, в которых они окаменели, оказалось возможным кое-что узнать об их образе жизни. В эту группу входили плавающие формы, обитатели дна, виды, жившие в теплых мелководьях и в более глубоких и холодных водах. Большинство отдельных видов трилобитов сохранялись в каменной летописи в течение всего лишь нескольких миллионов лет или даже меньше, хотя в каждый момент времени одновременно существовало много различных видов. Регулярное исчезновение видов, живших до этого несколько миллионов лет, и появление новых видов являются частью «шумового фона» эволюции. Однако в течение трех отдельных моментов времени ближе к концу кембрийского периода большое количество видов, которые, казалось бы, процветали, внезапно исчезло; это заняло всего несколько тысяч лет или, может быть, даже меньше. Одно из этих «массовых вымираний» трилобитов отмечает конец кембрийского периода. После каждого такого вымирания следовал период, называемый палеонтологами периодом адаптивной радиации, то есть быстрого распространения многих новых видов из одной или нескольких прародительских групп.

Что же послужило причиной этих внезапных событий? Вымирания животных и растений происходили неоднократно на протяжении всей истории жизни на Земле, из которых одни затрагивали только несколько видов, в то время как другие были, по-видимому, глобальными и катастрофическими. Геологи и палеонтологи пытались открыть причины этих вымираний, изучая каменную летопись. Как правило, им не удавалось найти однозначные ответы, но они обнаружили целый ряд повторяющихся тем. Эти темы включают изменения климата, перемещение континентов, эволюцию хищников и изменения уровня моря. В частном случае трилобитов имеются признаки того, что свою роль сыграли изменения климата. По-видимому, вымирание было самым катастрофическим для видов, обитавших в самых теплых водах. Более того, предками большинства быстро развивавшихся после каждого вымирания видов были трилобиты, жившие в более глубоких и холодных водах вдоль окраин континентов; это заставило многих геологов сделать вывод, что вымирание было обусловлено внезапным похолоданием. Виды, обитавшие в холодной воде, оказывались способными выдержать изменение; те же, которые приспособились к более теплой воде, вымерли. Хотя эту гипотезу ни в коей мере нельзя считать доказанной, она является вполне разумным выводом из имеющихся данных. Этот пример, касающийся трилобитов, не является уникальным: есть много мест в каменной летописи с признаками того, что климатические изменения играют важную роль в ходе эволюции.

Тем не менее отнюдь не все изменения флоры и фауны в палеозое вытекали из изменчивости климата, во всяком случае, непосредственно. Так, численность строматолитов, столь широко распространенных в протерозое, постройки которых возникали слой за слоем из водорослевых пленок, или «циновок»; в течение палеозоя резко уменьшилась. Но в этом случае нет никаких признаков того, что это как-то связано с изменениями климата. Наоборот, их упадок большей частью связывается с появлением хищников, питавшихся водорослями, и роющих животных, которые пожирали тонкие водорослевые слои строматолитов, как только те разрастались. Строматолиты нашего времени живут только в очень ограниченной среде, в которой такие хищники отсутствуют или редки.

Многие вымирания, возможно, связаны с изменениями уровня моря, хотя почти нет данных, свидетельствующих о том, что это может быть приложено к трилобитам или строматолитам. Все же даже сравнительно небольшие изменения в уровне океанов могли коренным образом изменить среду обитания вдоль береговых линий океанов или в мелководных внутренних морях. Поэтому они могли вызвать большие перерывы в геологической истории организмов, живших в такой среде. Но как мы можем узнать что-нибудь об изменениях уровня моря, происходивших сотни миллионов лет назад? Очевидно, что в то время некому было проводить измерения, но опять же, в горных породах есть ключи для решения и этой задачи. Камни рассказали нам одну интересную историю,

и следующий раздел — небольшое отклонение от подробностей истории палеозоя — иллюстрирует ход рассуждений, с помощью которого ученые разыскивают детали подъема и опускания уровня океана.

 

ИЗМЕНЕНИЯ УРОВНЯ ОКЕАНА

Как показывает каменная летопись, большую часть палеозоя уровень океана относительно континентов был довольно высок. Но при этом происходили его значительные колебания. Море нередко проникало в глубь континентов, но и периодически отступало. Некоторые особенно хорошо документированные свидетельства изменения уровня моря найдены в породах западной части Северной Америки

Ключ к пониманию того, как изменения уровня моря отмечаются на страницах каменной летописи, очень прост: большинство осадочных пород первоначально было отложено в воде, а все водные бассейны накапливают на своем дне какие-нибудь осадки. Под воздействием дождей и эрозии все породы континентов рассыпаются и сносятся вниз; обломки минералов — результат этого процесса — смываются реками в озера и моря, где оседают в виде слоев осадка. Более того, грубозернистый материал выпадает первым, тогда как более тонкие зерна остаются взвешенными в воде и выносятся дальше в море. Таким образом, тип формирующегося осадка зависит от глубины водного бассейна. Имея в виду эти очевидные принципы, можно многое узнать об изменениях уровня океанов, которые происходили в палеозое.

Осадочные породы западной части Северной Америки особенно поучительны в этом отношении, поскольку в самом начале кембрия и в течение всего времени отложения сланцев Берджесс-Шэйл территория, ныне занимаемая Скалистыми горами, располагалась на окраине континента. Реконструкция мировой географии показывает, что в кембрии этот континент был повернут относительно своего нынешнего положения и то, что мы сейчас называем западной частью Северной Америки, фактически лежало на северной окраине континента, рядом с экватором (рис. 7.1). Но для нашего рассказа это несущественно. Главное то, что большая часть западной части континента была весьма устойчивой — там не было ни столкновений с другими плитами, ни вулканизма, приуроченного к областям субдукции океанических плит. Большую часть палеозоя вдоль этой спокойной континентальной окраины откладывались осадки. Если вам когда-либо доводилось бывать в Большом Каньоне, вы видели результаты этого процесса: горизонтально залегающие пласты пород, слагающие большую часть стен карьера, простираются во времени от кембрия до перми (пермского периода), то есть охватывают всю палеозойскую эру. А если вы посмотрите внимательно, то заметите, что стены каньона сложены различными породами, каждая из которых представляет в разрезе особую среду осадкообразования. По существу, часть красоты этого каньона обусловлена именно этим разнообразием пород, поскольку каждая из них эродируется особым образом, так что одни из них образуют уступы и крутые обрывы, другие дают при выветривании более мягкие склоны. Не так очевиден случайному наблюдателю тот факт, что в последовательности осадков, наблюдающейся в стенках каньона, имеются большие перерывы, соответствующие значительным периодам времени в течение палеозоя, которые не представлены какими-либо породами. Как эти отсутствующие части разреза, так и изменчивость типов пород являются, по крайней мере частично, результатом флуктуации уровня моря в палеозое.

Совершенно очевидно, что на окраинах континентов наиболее распространенным типом осадков является песок. Вдоль большей части морских побережий вам не нужно далеко ехать или идти, чтобы найти песчаный пляж, хотя бы маленький. Берега представляют собой активное место, где океанские волны дают массу энергии для переноса и сортировки материала, приносимого к ним реками; тонкозернистые осадки типа глины, являющейся главным минералом сланцев, просто не накапливаются в таких местах. Сравнительно грубозернистый песок откладывается у берега, в то время как более мелкие частицы остаются во взвешенном состоянии (в суспензии) в воде и переносятся в более глубокие и спокойные воды, где они медленно оседают на дно в виде ила, который в течение долгих периодов времени затвердевает, превращаясь в глинистый сланец. Еще дальше от берега большая часть тонкозернистого материала уже выпала в осадок из водной толщи; здесь основная масса накапливающегося осадка состоит главным образом из остатков морских организмов, живших близ морской поверхности и формировавших свои раковинки или скелеты из карбоната кальция. Такие отложения в конце концов превращаются в известняки. Таким образом, если бы вы захотели изучить последовательность типов осадков, начиная от береговой линии, в сторону моря и не в одном месте, а во многих местах берега, вы обнаружили бы одну и ту же последовательность, состоящую из песка, ила или (дальше от берега) глинистого сланца и, наконец, осадка, состоящего в основном из карбоната кальция. А теперь представьте себе, что бы получилось, если бы уровень моря стал повышаться. Вся последовательность осадков сдвинулась бы в сторону континента. Песчаные осадки прежней береговой линии располагались бы дальше от края моря, в более глубокой воде. Глинистый сланец отлагался бы поверх песчаных слоев. Дальнейшее поднятие уровня моря привело бы к тому, что прежняя береговая линия оказалась бы на еще большей глубине и на сланец стал бы отлагаться осадок, богатый карбонатом кальция. Таким образом, последовательность осадков (от берега к глубоким водам) песчаник — сланец-известняк стала бы с течением времени вертикальной последовательностью тех же пород для положения старой береговой линии. Это именно то, что наблюдается в Большом Каньоне. Но можем ли мы действительно применить принцип актуализма и интерпретировать вертикальную последовательность Большого Каньона как результат постепенного изменения глубины воды вдоль края палеозойского континента? Ответом на этот вопрос будет решительное «да», поскольку на протяжении всей западной части Северной Америки одна и та же последовательность пород наблюдается как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Геологические карты, составленные для какого-нибудь определенного момента времени, показывают почти одинаковую последовательность типов осадочных пород сходную с той, что и сейчас можно наблюдать вдоль береговых линий, как, например, на Золотом Берегу в Соединенных Штатах: песчаник — глинистый сланец-известняк (в направлении с востока на запад). Карты, составленные для более ранних или более поздних моментов времени, показывают ту же последовательность, но сдвинутую географически, что отражает факт поднятия и опускания уровня моря, при которых береговая линия мигрировала на восток и на запад. Эти особенности геологического разреза схематически показаны на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Распределение песчаников, сланцев и известняков в западной части Соединенных Штатов, показанное на карте (слева),, отражает распределение глубины моря в некоторый момент геологического времени в начале палеозойской эры. Песчаники отмечают положение края континента, более глубокие воды располагались западнее. В приведенном поперечном разрезе (показанном здесь в увеличенном вертикальном масштабе) возраст пород увеличивается сверху вниз, а горизонтальная поверхность (на рисунке ей соответствует горизонтальная линия) отмечает распределение типов пород в конкретный момент времени. Таким образом, можно видеть, что береговая линия постепенно передвигалась с запада на восток. Приводится с изменениями по рисункам 19-3 и 19-4 из книги: С. В. Барнз «Земля, время и жизнь». Изд-во «Джон Уайли и Сыновья», 1988. Использовано с разрешения.  

Но даже если эти наблюдения принять как свидетельство поднятия и опускания уровня моря, то все еще остается вопрос: а что же на самом деле происходило — поднимался или опускался континент, или же изменялся абсолютный уровень моря? В конце концов, смена осадков регистрирует только относительные изменения, а мы знаем, что континенты испытывают вертикальные движения — породы на вершинах высоких гор, таких как Альпы или Скалистые горы, часто содержат ископаемые остатки существ, живших в океане, а мы знаем, что океаны никогда не были столь глубокими. И тем не менее вопрос об истинном уровне океана и его изменениях мог бы быть убедительно решен, если бы данные, подобные только что описанным для западной части Северной Америки, были бы получены для пород того же возраста, но из других географически широко распространенных регионов. Геологи довольно подробно нанесли на карты распространение различных типов осадочных пород почти на всем земном шаре; в результате синтеза этих данных в настоящее время достигнут довольно высокий уровень понимания как степени, так и времени глобальных изменений уровня Мирового океана на протяжении всего фанерозоя. Итог всей этой информации для палеозойской эры подведен на рисунке данной главы, где показаны временная шкала и главнейшие события этой эры. Из этого рисунка очевидно, что на протяжении всей этой эры уровень океана был высок.

Если каменная летопись говорит о больших изменениях уровня океанов, то возникает очевидный вопрос — почему? Насколько нам сейчас известно, существует, в сущности, только две возможности: в прошлом могли происходить изменения либо объема самой воды в океанах, либо тех образований, которые замещают воду, как, например, континенты, острова или океанские хребты. Например, мы знаем, что ледниковые периоды характеризуются понижением уровня моря, поскольку большие количества воды, находящейся на суше, связаны в виде ледниковых щитов. Было подсчитано, что в период наибольшего продвижения ледового покрова на суше, приблизительно 20 000 лет назад, уровень моря был ниже, чем сейчас, более чем на 100 метров. И хотя большая часть этой массы льда растаяла, на Земле остается большое количество замерзшей воды в виде ледяных покровов вокруг полюсов. Если бы они растаяли, то уровень моря поднялся бы на 65 метров. Может быть, это звучит не так уж грозно, но вспомним, что значительная часть населения Земли живет вдоль берегов морей и океанов. Город Мехико при такой катастрофе уцелел бы, но большая часть таких городов, как Лос-Анджелес, Нью-Йорк, Токио и Берлин — назовем лишь несколько для примера — подверглась бы затоплению.

Хотя оледенения сильно влияют на уровень моря, большая часть его колебаний, которые отразились в палеозойских породах, не приходится на те моменты, для которых имеются независимые свидетельства глобальных оледенений. Очень вероятно, что они обусловлены изменениями объема океанических хребтов. Как описано в главе 5, вдоль продольных разломов в океанических хребтах изливается горячая магма, создавая новое океанское дно. Когда средняя скорость расширения морского дна увеличивается, — то ли потому, что образуются новые сегменты хребта, то ли оттого, что старые расширяются быстрее, — объем системы океанических хребтов в целом также возрастает. Примерно то же произойдет, если бросить кирпич в ведро с водой — уровень воды поднимется в соответствии с объемом кирпича. Кажется вероятным, что общий высокий уровень океана в палеозое обусловлен системой океанических хребтов, объем которой в целом был больше, чем теперь.

 

ВЕЛИКИЙ РАСКОЛ: ОБРАЗОВАНИЕ АППАЛАЧСКИХ ГОР

Осадки, которые отлагались в западной части Северо-Американского континента, верно и более или менее непрерывно фиксируя подъемы и опускания уровня океана, накапливались вдоль так называемого пассивного края, то есть окраины континента, которая полностью лежит в пределах большой плиты, в стороне от области столкновения континентов, субдукции или вулканизма. Таково состояние восточного берега Северной Америки сегодня. Что касается западной части этого континента, то есть данные о том, что в конце палеозоя здесь происходили столкновения с небольшими фрагментами вулканической коры, представлявшими собой нечто вроде островных дуг, которые характеризуют западную часть современного Тихого Океана; в то же время нет признаков крупных столкновений между континентами. На противоположной стороне континента ситуация была резко отличной. В восточной части Северной Америки сохранилось много признаков вулканизма, столкновения континентов и горообразования, происходивших в течение всего палеозоя — часть процесса, соединившего все существовавшие тогда континенты в один сверхконтинент Пангею.

Записью в каменной летописи об этом процессе является Аппалачский горный пояс. Эта геологическая провинция простирается от острова Ньюфаундленд на севере до штата Алабама на юге, и это только та часть пояса, которая теперь обнажена (рис. 4.3). Большая часть первоначального горного пояса в наше время погребена под покровом позднейших отложений. Как можно ожидать от такой грандиозной структуры, Аппалачские горы имеют довольно различное продольное строение, что

является результатом различий в деталях геологической истории их частей. Но если отвлечься от деталей, то укрупненные черты строения Аппалачей говорят о том, что этот горный пояс фиксирует в каменной летописи этап закрытия древнего океанического бассейна и склеивание, или слипание, трех крупных континентальных плит — Северной Америки, Европы и Африки — в единый материк. Хотя эти события происходили сотни миллионов лет назад, тщательное сопоставление сохранившихся пород Аппалачей с более молодыми горными цепями типа Альп, которые тоже сформировались в результате столкновения континентов, обнаруживает много сходных черт.

Сегодня Аппалачи представляют собой отнюдь не могучий горный хребет с зазубренными, покрытыми снегом вершинами, а скорее ряд приятных глазу сглаженных холмов и долин. В Аппалачскую геологическую провинцию входят прекрасный Голубой хребет штата Вирджиния, Большие Скалистые горы Северной Каролины и Зеленые горы штата Вермонт. Современный рельеф этого края имеет мало общего с первоначальными горами, которые были снесены эрозией уже к середине мезозойской эры. В южной части эта провинция по крайней мере на половину ширины эродированного хребта покрыта осадками береговой равнины. Современные горы образовались в результате довольно мягкого поднятия древних, смятых в складки пород в геологически совершенно недавнем прошлом, за которым последовала неоднородная эрозия различных типов пород и формирование типичного для древних хребтов рельефа из чередующихся долин и покатых гор.

Хотя Аппалачские горы имеют сложное геологическое строение, они весьма подробно изучались американскими и канадскими геологами на протяжении более чем столетия; их физические особенности хорошо известны. Все же теории их образования и эволюции, которые были выдвинуты до появления в 1960-е годы теории тектоники плит, оказались неубедительными. В частности, в этих первых сценариях отсутствовали механизмы, которые могли бы объяснить вулканизм, расколы и сильный метаморфизм, проявления которых обнаруживаются в современных породах этих гор. По мере осознания того, что и континенты, и океаны не являются неподвижными элементами строения Земли, стали выдвигаться более приемлемые гипотезы. В самом общем виде наиболее общепринятый взгляд на образование Аппалачских гор описывается ниже. Однако вы должны понимать, что в действительности это был процесс гораздо более сложный и что последовательность событий сильно изменялась в деталях от места к месту вдоль обширного протяжения образующейся Аппалачской горной цепи.

По мере подъема уровня моря в течение кембрия и в начале ордовика береговая линия восточной части Северной Америки постепенно перемещалась на запад. Вдоль восточного края этого континента откладывались мощные толщи морских осадков, особенно карбонатных пород типа известняка. В это время восточное побережье, как и западное, все еще оставалось пассивной окраиной. Но к середине ордовикского периода океан на востоке начал закрываться из-за субдукции морского дна (рис. 8.2.). Вскоре произошел первый из трех эпизодов горообразования, которые были выделены в истории Аппалачских гор, когда последний из участков морского дна поднырнул под наступавшую с востока плиту. Северо-Американский континент столкнулся с несколькими фрагментами коры, в результате чего большая платформа карбонатных осадков, накопившихся вдоль окраины, была смята и части ее были отодвинуты далеко на запад в сторону внутренней части континента.

Рис. 8.2. Упрощенная реконструкция некоторых важнейших эпизодов истории южной части Аппалачских гор. Буквы на разных блоках коры означают: А — Северная Америка, С — Гондвана, Р и А — различные островные дуги или микроконтиненты, которые сталкивались с Северной Америкой. Расшифрованные шовные зоны (S) отделяют эти блоки друг от друга. Составлено по рисунку 13.28 из книги: Р. X. Дотт, мл., и Д. Р. Протэро. «Эволюция Земли», изд. 5-е, изд-во «Мак-Гроо-Хилл», 1994. Печатается с разрешения.  

На востоке на конвейерной ленте тектоники плит все еще оставался остаток океана, который продолжал закрываться по мере дальнейшей субдукции. В конце концов, вероятно, около 380-390 миллионов лет назад этот процесс полностью поглотил океан, и то, что сейчас называется Скандинавией, вместе с частями нынешней Великобритании столкнулось с Северной Америкой. Этот второй эпизод Аппалачского горообразования проявился подобным образом и в Европе — типы пород, ископаемые остатки организмов и геологические структуры этого времени по обеим сторонам Атлантического океана очень схожи. Спустя приблизительно 70-80 миллионов лет еще один большой континент — Северо-восточная Африка (вероятно, вместе с Южной Америкой). — столкнулся с южной частью Северной Америки, что послужило началом последнего из трех главных периодов Аппалачского горообразования. Это столкновение, вероятно, послужило причиной образования гор Вуачита в Оклахоме и Арканзасе, являющихся по существу продолжением Аппалачских гор вокруг южного края Северной Америки. В очень упрощенном виде ряс. 8.2 показывает ряд кадров, иллюстрирующих последовательность этих столкновений. Имейте в виду, что этот схематический рисунок относится главным образом к событиям, протекавшим в южной части Аппалачских гор, и показывает столкновение с островной дугой (А), а не с Северной Европой на второй стадии Аппалачского горообразования.

Последний импульс Аппалачского горообразования спаял вместе гигантский южный континент, Гондвану, частью которого являлась Африка, и северную американско-европейскую массу суши, что явилось одним из последних шагов в сборке огромного, от полюса до полюса, мегаконтинента Пангеи (рис. 8.4). Как мы увидим далее, гораздо позднее этот гигантский континент снова раскололся, и на месте этого разлома возник современный Атлантический океан.

Процесс, сформировавший Аппалачские горы, является типичным примером образования и более молодых горных поясов, таких, например, как Альпы. И хотя детали этих процессов части остаются неопределенными, многие из гораздо более древних геологических провинций, как, например, провинция Гренвиль, рассмотренная в главе 4, являются, вероятно, результатом сходных процессов. По существу и провинция Гренвиль, и Аппалачская представляют собой параллельные и рядом лежащие пояса (рис. 4.3); обе они возникли в результате столкновений вдоль восточной окраины Северной Америки; обе присоединили новые части коры к окраине континента. Возрастное строение Северо-Американского континента с приблизительно концентрическими полосами все более молодой коры, окружающими древние континентальные ядра, привели многих геологов к точке зрения, согласно которой рост континентов происходит путем наращивания новой коры на окраинах.

Аппалачские горы не единственные, которые образовались в течение палеозоя. Уральские горы в центральной России также являются результатом столкновения двух континентов ближе к концу этой эры — еще один шаг в сборке гигантского массива суши, называемого Пангеей. Очевидно, что современный Урал не располагается больше параллельно континентальному краю в отличие от Аппалачского горного пояса. Этот шов еще крепок; Евразийский континент еще не распался снова. В течение палеозоя большая часть восточной Австралии была присоединена к остальной части этого континента в результате ряда горообразующих событий, которые также воздействовали и на Антарктиду. Здесь процесс представлял собой не столкновение двух крупных континентов, а скорее налипание островных дуг и окраинных осадочных толщ, что весьма напоминает первый из трех этапов образования Аппалачской горной цепи.

 

ЖИЗНЬ В ПАЛЕОЗОЕ

По мере того как в течение палеозоя процессы тектоники плит строили и перестраивали континенты на земной поверхности, достигнув своей кульминации в сборке Пангеи, продолжалась быстрая эволюция форм жизни — почти несомненно под сильным влиянием изменений взаимного расположения суши и моря. Повторяющиеся вымирания и радиация (распространение во все стороны) трилобитов имеют параллели в ископаемой летописи многих других групп организмов палеозоя.

Позвоночные — то есть животные, обладающие позвоночником, вроде нас — не встречаются среди окаменелостей в Берджесских сланцах или в их подобиях в других частях света. Тем не менее они эволюционировали довольно рано. Их первыми представителями в геологической летописи являются рыбы. Фрагментарные окаменелости, которые считаются частями рыб, найдены в осадках, относящихся приблизительно к концу кембрийского периода, а также из ордовика. Эти первые рыбы были хорошо защищенными существами: многие из их окаменелых остатков представляют собой внешние костные пластины. По-видимому, это были обитатели дна, питавшиеся путем фильтрации воды, а не хищники, подобно современным рыбам; у них не было хватательно-кусательных челюстей. К числу немногих потомков этих бесчелюстных рыб, доживших до наших дней, относится минога.

Хотя окаменелые остатки древнейших рыб найдены в океанических осадках, значительная часть остатков из силурийского периода и далее к нашему времени, начиная с 440 миллионов лет назад, происходит, скорее, из пресноводных, а не морских отложений. Признаемся, что до сих пор идут довольно жаркие споры о том, развились ли позвоночные первоначально в пресной воде или же в океанах. К сожалению, каменная летопись озер и рек еще менее полна, чем органические остатки из морских сред, и пока нет убедительных данных для решения этого вопроса.

К концу силурийского периода, все еще больше 400 миллионов лет назад, как в пресноводных бассейнах, так и в океанах появилась новая группа рыб. У них была чешуя и многочисленные острые спинные плавники. Но у них были и челюсти, и очевидно, что они оказались эффективными хищниками. В течение девонского периода челюстные рыбы процветали и множили число своих форм. Теперь они составляли главные звенья в сложной пищевой цепочке, в которой более мелкие виды пожирались более крупными, а те в свою очередь пожирались своими еще более крупными собратьями. Одна странная девонская рыба, обладавшая тяжелым панцирем из крупных костяных пластин на голове и в передних частях своего тела, достигала размера около 10 метров — поистине устрашающий обитатель морских глубин.

Появление челюстей стало важным шагом в эволюции рыб, да и всех позвоночных. Оно представляет собой также интересный пример часто встречающейся особенности эволюции, а именно, изменение какой-либо ранее существовавшей части тела или структуры для решения новой задачи. Большинство палеонтологов считает, что челюсти рыб развились из хрящевых жаберных подпорок, которые были в головах бесчелюстных рыб. Они анатомически оказались на нужном месте и при минимальном изменении могли функционировать как простые челюсти, как видно из рис. 8.3. Самые первые зубы представляли собой, вероятно, видоизмененные чешуи. История эволюции изобилует такими поистине удивительными подробностями; никак нельзя не вернуться к вопросу С. Дж. Гулда: если прокрутить снова ленту с записью событий истории Земли, то повторилась ли бы та же самая история? Развились ли бы челюсти таким же образом? Появились ли бы рыбы вообще, какими мы их знаем еще в палеозое?

Рис. 8.3. Палеонтологи считают, что челюсти у рыб (черная деталь на нижнем рисунке) и, следовательно, у всех позвоночных развились из жаберных опор, как это видно на иллюстрации. Зубы добавились позже, представляя собой, по-видимому, изменённые чешуи. Репродуцировано с рисунков 13-12 из книги: С. М. Стэнли. «Земля и жизнь сквозь время», 2-е изд. Изд-во «В. X. Фримэн и компания», 1989. Использовано с разрешения. 

Одна из разновидностей рыб, развившаяся в девоне, стала предком наземных позвоночных. Эта группа включает двоякодышащих рыб, несколько видов которых дожили и до нашего времени. Они обитают в засушливых местностях Австралии, Африки и Южной Америки. Двоякодышащие рыбы способны получать кислород как непосредственно из воды, с помощью жабер, как прочие рыбы, так и заглатывая воздух в примитивные легкие, когда пруды и озера, в которых они живут, пересыхают. Предшественники наземных позвоночных имели такие же способности. По какой-то странной иронии природы развитие сухопутных организмов происходило на основе приспособлений, созданных рыбами, позволявшими им пережить сухой период, чтобы они могли после него продолжать свою жизнь в воде!

Первым шагом в направлении развития позвоночных, живущих полностью на суше, явилась эволюция земноводных (амфибий). Современные примеры — лягушки и жабы — начинают свое существование в воде, но затем выползают на сушу, где они вырастают и проводят большую часть своей жизни. Можно предположить, что жизненный цикл первых амфибий был аналогичным. Впервые они появляются среди окаменелостей девонского периода; детали строения тела некоторых из первых окаменелых амфибий так похожи на соответствующие черты рыб того же периода, что нет никаких сомнений в их близком родстве. По-видимому, эти первые амфибии являются прямыми потомками рыб, включая и двоякодышащих.

Переход от рыб к амфибиям, обитающим преимущественно на суше, занял пятнадцать миллионов лет или далее больше. По мере того как палеонтологи накапливали все больше данных об этом эволюционном шаге, простое представление о единой линии развития рыб, приспособившихся к мелководной среде и затем выползших на сушу, уступило место более сложному сценарию. Как в период кембрийского взрыва, во многих других узловых пунктах эволюционного древа жизни существовали, очевидно, многочисленные параллельные ветви, вдоль которых развивались амфибии. Несмотря на сходство строения тела и многих других особенностей у представителей этих разных ветвей, лишь немногие из них дожили до наших дней.

Тем не менее наиболее удачливые амфибии имели перед собой всю тогдашнюю сушу и быстро увеличивали количество своих форм. Конечно, перед ними стояли и определенные проблемы, которые им предстояло преодолеть: их предшественники постоянно купались в воде; суша была для них совершенно чуждой средой обитания. Им пришлось развить навыки, позволяющие избежать высыхания, а также научиться передвигаться способом, отличным от плавания. Более того, их скелетная система должна была стать более прочной, чтобы удерживать полный вес тела в воздухе, гораздо менее плотной среде, чем вода, и поэтому менее способной поддерживать их тела. А еще им пришлось развить легочную систему, которая позволила им проводить большую часть жизни вне воды. Тем не менее амфибии процветали; некоторые из них достигли довольно больших размеров. Среди них были и хищники, и травоядные. Но к концу палеозойской эры они уступили первенство пресмыкающимся (рептилиям), среди которых на сцену вышли в первую очередь динозавры. Ключевым событием в эволюции жизни, которое благоприятствовало расцвету рептилий, было появление яйца, подобного яйцу современных рептилий и птиц, имевшего крепкую внешнюю оболочку и запас питательных веществ, — яйца, которое не нужно было откладывать в воде. В сущности, яйцо рептилии имело свой собственный переносной водный бассейн, так что развивающийся в нем зародыш купался в благоприятной для него среде во время критических стадий своего развития. Это позволяло родителям вести гораздо менее ограниченный образ жизни.

Первые пресмыкающиеся появились в ископаемой летописи около 330 миллионов лет назад, в каменноугольный период (карбон). Задолго до этого и даже еще до появления амфибий сушу завоевали растения. Подобно своим животным коллегам они быстро распространялись, заполняя новую среду обитания. Следует отметить, что этот период назван каменноугольным по причине широкого распространения относящихся к нему месторождений каменного угля — измененных остатков огромных масс растительного материала древних тропических лесов.

Древнейшие окаменелые остатки растений относятся к силурийскому периоду. Подобно земноводным и пресмыкающимся, растениям пришлось столкнуться с рядом трудных проблем при колонизации суши, в сущности, подобных тем, с которыми столкнулось и царство животных. Древнейшие растения суши размножались посредством спор, подобно современным папоротникам, и для воспроизводства им требовалась влага. Судя по всему, их распространение вначале ограничивалось прибрежными местностями, примыкавшими к водным бассейнам. Споровые растения достигли расцвета и широкого распространения в палеозое. Например, большая часть месторождений каменного угля в северном полушарии образовалась из остатков огромных споровых деревьев, которые росли на болотах. Характерной особенностью многих из этих месторождений является чередование в них пластов угля с морскими осадками. Очевидно, низменные угольные болота периодически затоплялись морской водой — еще одно указание на частые колебания уровня моря в палеозое. Имеются признаки наличия в конце палеозоя оледенения в приполярных областях, и многие геологи полагают, что широкое распространение на земной поверхности таких сочетаний (ассоциаций) перемежающихся пластов каменного угля и морских осадков представляет собой результат повторяющихся разрастаний и таяния полярных ледовых шапок с сопровождающими их колебаниями уровня моря.

Подобно животным, растения — по мере их переселения из водной среды на континенты — также столкнулись с необходимостью укрепления своих несущих структур, которые удерживали бы их собственный вес. Это в конце концов привело к развитию толстых стволов и древесины. Величайшее значение имело развитие в растениях системы транспортировки воды и питательных веществ по стволу — так называемой васкулярной, или сосудистой, системы, а также развитие некоего аналога яйца рептилий — событие, которое позволило растениям широко и быстро распространиться по всем континентам. Мы имеем в виду возникновение семени. Семена появились в девоне. Они позволяли растениям размножаться не обязательно в водной среде или в условиях высокой влажности. Очень скоро в результате эволюции возникли крупные семенные растения с толстыми, состоящими из древесины стволами и мощной корневой системой, а именно — деревья, и вид суши изменился. Впервые в истории нашей планеты с тех пор, как растения колонизировали континенты, появилось то, что мы сейчас называем почвой с ее высоким содержанием органического материала, обусловленным гниением растений. Хотя растения и животные конца палеозоя весьма отличались от современных, в конце этой эры

Земля стала гораздо более знакомым для нас местом, чем вначале.

Пожалуй, наиболее знакомой формой жизни, которую мы заметили бы в конце палеозоя, были бы насекомые. В ископаемой летописи они появляются в девонский период, вскоре после того, как появились первые сухопутные растения, но до того, как амфибии начали заселять континенты. Самые первые насекомые были бескрылыми, но к концу палеозоя уже существовали стрекозы, кузнечики и — хотите верьте, хотите нет — тараканы, которые, как и каменноугольные болота, процветали в карбоне. Образ жизни и среда обитания насекомых были весьма разнообразны уже в палеозое, а их эволюция, вероятно, тесно переплетается с развитием наземных растений и животных. В наше время насекомые являются самой многочисленной группой организмов на Земле.,

Интересный аспект перемещения жизни на сушу связан с образованием, которое сейчас широко обсуждается в выпусках новостей, а именно — с озоновым слоем. Озон представляет собой вещество, молекула которого состоит из трех атомов кислорода. Большая часть кислорода в атмосфере — это O2, но сильная радиация со стороны Солнца в верхней части атмосферы разбивает этот кислород на отдельные атомы. Озон возникает, когда эти атомы соединяются с оставшимися молекулами O2, образуя O3. Важность озонового слоя верхней части атмосферы Земли определяется тем фактом, что молекула O3 поглощает коротковолновую (ультрафиолетовую) радиацию Солнца. Без этого щита большая часть живых организмов суши подверглась бы разрушающему воздействию этого мощного ультрафиолетового излучения или вообще бы погибла. Жизнь в океанах гораздо менее чувствительна к нему, поскольку даже сравнительно тонкий слой воды создает надежный щит, защищающий от этого вредоносного излучения.

Рис. 8.4. В конце палеозоя все главные континенты соединились, образовав один гигантский массив суши, называющийся Пангея, который простирался от полюса до полюса. Приводится с изменениями по рисунку 20-17(a) из книги: Ф. Пресс и Р. Сивер. «Земля», 4-е изд., изд-во W. H. Freeman and Company, 1986.   

В главе 4 были описаны данные каменной летописи, указывающие на возрастание содержания кислорода в атмосфере около двух миллиардов лет назад. Тем не менее большинство геологов считает, что даже к началу палеозоя содержание кислорода в атмосфере составляло лишь малую долю его нынешнего содержания. Как выяснилось, максимальное количество озона в верхней части атмосферы образуется при условиях, когда содержание кислорода составляет приблизительно 10% от нынешнего. При такой концентрации атмосферного кислорода озоновый слой обеспечивает наиболее эффективную защиту от смертельного ультрафиолетового излучения. Насколько нам сейчас известно, такая ситуация была на Земле в силурийский период, когда на суше появились древнейшие растения. Является ли это простым совпадением? Вероятно, нет.

Даже из обзора пикантных подробностей истории палеозоя, рассказанных в этой главе, видно, что данная эра явилась свидетелем революционных изменений в природе Земли. К ее концу жизнь колонизировала континенты, почти все из которых к этому времени оказались объединенными в гигантский массив суши, простиравшийся от полюса до полюса (рис. 8.4). Сборку этого гигантского континента сопровождали крупные эпизоды горообразования, воздвигшие такие горные системы, как Аппалачские горы и Урал. Была подготовлена почва для эволюции млекопитающих, динозавров и птиц в мезозойскую эру. Но палеозойская эра завершилась — приносим наши извинения Т. С. Элиоту — не хныканьем, а кое-чем гораздо более катастрофическим. Граница между палеозоем и мезозоем отмечается самым крупным массовым вымиранием, известным в каменной летописи. По оценкам специалистов, около 80 или 90 процентов (!) всех видов, обитавших в океанах в конце пермского периода, не вошло в мезозойскую эру, а поскольку геологическая летопись для сухопутных растений и животных менее полна, чем для морских, то очевидно, что первые пострадали более жестоко. Хотя есть много гипотез о причинах этого вымирания, по-прежнему нет полной уверенности в отношении значения этой катастрофы для жизни на Земле. Некоторые из предположений, выдвинутых для объяснения этого и других массовых вымираний, следы которых сохранились в каменной летописи, будут рассмотрены в главе 10.

Главные события мезозоя. Время — в миллионах лет назад.