Геологи и палеонтологи поделили историю Земли на эры. Чем ближе эра к нашему времени, тем детальнее она разбита на периоды. Это деление представлено на Рис. 6. Главным основанием для определения границ, разделявших эры и периоды, служили данные о крутых поворотах эволюции, ознаменованных массовыми вымираниями доминировавших перед тем видов (кризисами) и следовавшим за вымираниями взрывным развитием прежде не процветавших и новых видов. Один из самых ранних зарегистрированных кризисов за всю биологическую историю Земли произошел около 2 млрд лет тому назад. Примерно тогда же началось распространение эукариотических клеток, образовавших много новых видов.

Успехи в изучении геофизической истории Земли и успехи палеонтологии в описании биологической истории Земли позволили установить определенную закономерность: границы между эрами и периодами, намеченные палеонтологами по чисто биологическим признакам (вымираниям или кризисам), во многих случаях совпали с датировкой установленных геофизиками крупных катастроф (катаклизмов) на Земле.

В настоящее время выделяют шесть наиболее массовых вымираний (кризисов) за последние 600 млн лет (Benton, 1995). Эти кризисы определили границы геологических периодов и эр: первый из них произошел на границе самого раннего и самого протяженного периода Докембрия (в нем иногда различают Архей, ранний и поздний Протерозой) и Кембрия (около 600 млн лет тому назад), второй – в конце Ордвикского периода (440 млн лет), третий – в конце Девонского периода (370 млн лет), четвертый – на границе Пермь-Триас (245 млн лет), пятое вымирание обозначило границу Триас-Юра (около 200 млн лет) и, наконец, последнее глобальное вымирание произошло на границе Мелового и Третичного периодов (граница K/T, 65 млн лет). В ходе каждого из них за короткий в геологических масштабах период времени вымирало 50–80 % всех существовавших в предшествовавший период видов. Приведем некоторые конкретные детали, установленные для этих вымираний.

Рис. 6

Рис. 6. Хронология некоторых событий в истории Земли.

1 – Возникновение Солнца и планет, в том числе пра-Земли. 2 – Столкновение пра-Земли с другой планетой. Формирование нынешней Земли и образование Луны. 3 – Мощные метеоритные ливни. Глобальное плавление коры (последняя стерилизация Земли). 4 – Самые ранние осадочные породы. Первые следы жизнедеятельности. 5 – Самые ранние обнаруженные отпечатки клеток и строматолиты. 6 – Первые зарегистрированные (оставившие следы на Земле) столкновения с астероидами (импакты). 7, 8– Столкновения с крупными астероидами. Зарегистрированы по присутствию в осадочных слоях иридия и других компонентов, характерных для импакта. 9 – Нарастание содержания свободного кислорода в атмосфере. 10 – Глобальное оледенение. 11 – Ранние многоклеточные (кишечнополостные). 12 – Ранние билатеральные организмы. 13 – Глобальное оледенение. Позднепротерозойский кризис. 14 – Кембрийский эволюционный “взрыв”. 15 – Появление рыб. 16 – Позднеордвикский кризис. 17 – Первые наземные растения. 18 – Первые земноводные животные. 19 – Позднедевонский кризис. 20 – Столкновение с крупным астероидом, множественные истечения лавы. Позднепермский кризис. 21 – Почти одновременное появление динозавров и млекопитающих. 22 – Позднетриасский кризис. 23 – Появление плацентарных млекопитающих. 24 – Падение крупного астероида (размер 10–15 км) в Атлантическом океане в районе п-ва Юкатан, Мексика. Обнаруженный ударный кратер имеет диаметр более 180 км. Множественные истечения лавы. Кризис “на границе K/T”. Вымирание динозавров. 25 – Появление отряда плацентарных млекопитающих – приматов (обезьян). 26 – Падение крупного метеорита в Антарктиде, оставившего кратер диаметром 500 км. Импакт повлиял на океанические течения и, возможно, вызвал глобальное похолодание. 27 – Появление высших (человекообразных) обезьян. 28 – Отделение в Африке от предшественников нынешних шимпанзе линии прямоходящих гоминид (гоминин). 29 – Появление в Африке рода Homo (людей). 30 – Появление в Африке вида Homo sapiens (современных людей).

 

6.1.1. Позднепротерозойский кризис

Как уже отмечалось ранее, при биологических синтезах (в первую очередь при фотосинтезе) с небольшим, но достоверно регистрируемым предпочтением используется изотоп 12С, возможно, благодаря более легкому его проникновению через клеточную мембрану внутрь клетки. Анализ осадочных карбонатных пород, соответствующих периоду около 600 млн лет тому назад в конце Протерозоя (на границе Докембрия и Кембрия), показал, что в них понижено содержание изотопа 12С, что свидетельствует об угасании биологических процессов (Knoll and Walter, 1992). Этот вывод подтвержден палеонтологами, которые установили исчезновение многих форм живых организмов, существовавших ранее. Причиной массовых вымираний на этот раз явилось глобальное оледенение, которое было последним в серии оледенений, охвативших период около 200 млн лет. (800–590 млн лет тому назад). Сами оледенения продолжались по нескольку миллионов лет, согласно некоторым оценкам – по 10–12 млн лет (Hoffman et al., 1998; Bodiselitsch et al., 2005). Их причины остаются до конца не выясненными, но достаточно обоснованные версии уже существуют. Инициировать процессы, которые приводили к оледенению, могло обнажение ранее скрытых минералов, вызванное континентальными подвижками или сильным выветриванием. Обнажившиеся породы активно связывали двуокись углерода (CO2) с образованием карбонатов, в результате чего содержание CO2 в атмосфере резко упало. Однако в отсутствие метана, не совместного со свободным кислородом, двуокись углерода была (и остается поныне) главным компонентом атмосферы, создающим парниковый эффект. В ее отсутствие значительная часть попавшего на Землю Солнечного излучения возвращалась в космос. От этого климат стал холоднее. Наступление снегового покрова увеличило отражательную способность Земли и привело к еще большему похолоданию и т. д. Считается, что если оледенение достигло широты 30°, то процесс становится необратимым и вся Земля одевается ледяным панцирем. Именно так происходило несколько раз на протяжении указанного периода. Многие исследователи полагают, что само по себе снижение парникового эффекта не было способно заставить льды продвинуться в столь низкие широты. Сопутствующим фактором было снижение хотя бы на 6–8% процентов потока Солнечной энергии, достигавшей Земли (Donnadieu et al., 2004).

Очевидно, Землю того периода можно сравнить со спутником Юпитера Титаном, поверхность которого покрыта льдом, но в глубинах океана не исключена жизнь, которая поддерживается, а возможно, процветает за счет донных извержений и термальных источников, обеспечивающих обогрев и поступление необходимых для клеточного метаболизма веществ.

Моделирование условий, при которых происходил выход из состояния глобального оледенения, показало, что только восстановления светимости Солнца до нормы недостаточно для таяния льдов.

Без случайных происшествий, приносящих много тепла, таких как мощный метеоритный ливень или многократное увеличение вулканической активности (а подтверждений таких событий в тот период не получено), выход из глобального оледенения становится возможным после накопления в атмосфере значительного количества CO2. Чтобы этот процесс начался и стал необратимым, необходимо достижение содержания CO2, превышающего современный уровень в 300–500 раз (Hoffman et al., 1998; Pierrehumbert, 2004). Важным обстоятельством было отсутствие связывания CO2 минералами на покрытой льдом Земле. С другой стороны, продолжалось освобождение газов, в том числе CO2, из земных недр. В атмосферу скапливавшиеся подо льдом газы попадали при разломах льда, вызванных землетрясениями и падениями метеоритов, а также в местах подтапливания льда вулканами и гейзерами. Однако это был весьма медленный процесс. В количестве, необходимом для создания достаточно сильного парникового эффекта, при котором началось бы необратимое таяние льда, двуокись углерода могла быть накоплена за миллионы лет, чем объясняется столь большая длительность глобальных оледенений. В связи с этим встал вопрос, как такие оледенения могли пережить нуждающиеся в Солнечном свете фотосинтезирующие бактерии и водоросли, а также появившиеся к тому времени простейшие многоклеточные организмы, не способные к фотосинтезу, но нуждавшиеся в кислороде. Некоторые авторы полагали, что сохранение этих форм, пусть и с большими потерями, свидетельствует о том, что оледенение Земли никогда не было полным (Hyde et al., 2000). Однако оппоненты (Hoffman et al., 1998; Schrag et al., 2001) утверждают, что это предположение некорректно, т. к. при толщине льда в районе экватора 10 м (как теперь в Арктике) сквозь него проникало достаточно света для поддержания жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов (McKay, 2000), а производимый ими кислород позволил пережить глобальные оледенения и не способным к фотосинтезу многоклеточным, в том числе ранним животным. Отмечено, что так же, как в современной Арктике, на льду могли быть проталины, где не только сохранялись, но и развивались сообщества фотосинтезирующих и кислород-зависимых организмов (Vincent et al., 2000).

Завершавшее глобальное оледенение таяние льда протекало стремительно, заняв всего тысячу лет. Вслед за тем установился очень теплый климат. Двуокись углерода, скопившаяся в атмосфере, активно взаимодействовала с растворенными в разогретом океане соединениями. Выпадавший карбонат кальция формировал характерный осадочный слой, располагавшийся непосредственно над иридием и другими космическими материалами, накопившимися во льду.

Последовавшее за оледенением потепление выявило множество незанятых (освобожденных вымершими видами) ниш, что привело к мощному развитию жизни, в том числе новых ее видов (Кембрийский взрыв). В частности, широко распространились уже существовавшие 40–50 млн лет, а возможно, и значительно дольше, миниатюрные билатеральные организмы, обладавшие симметрично расположенными органами (Chen et al., 2004; Blair and Hedges, 2005). За исключением самых ранних животных (губок и кишечнополостных), все животные от червей до человека являются билатеральными.

 

6.1.2. Позднеордвикский и Позднедевонский кризисы

Около 440 млн лет тому назад (граница Ордвик-Силур) произошло значительное вымирание. Исчезли до 20 % всех существовавших тогда видов. Причины кризиса, приведшего к этим вымираниям, пока не установлены. Не исключено, что и на этот раз произошло оледенение (Paris et al. 2000). Это был ответственный этап эволюции, когда в океане уже существовали высокоорганизованные морские животные, в том числе позвоночные (рыбы). Кризис “убрал” некоторых из них, облегчив тем самым развитие других. В числе последних были предшественники кистеперых – разновидности двоякодышащих (обладавших наряду с жабрами также легкими) рыб, еще через 30 млн лет образовавшей единственную ветвь земноводных, у которых четыре плавника рыбы-предшественника преобразовались в конечности. От этой линии ранних тетраподов пошли все виды наземных животных.

Позднедевонский кризис (около 370 млн лет тому назад) – первый крупный кризис после появления наземных животных, в том числе позвоночных. Его причина так же, как Позднепротерозойского кризиса и, вероятно, Позднеордвикского кризиса, – сильное похолодание. Однако на этот раз до полного оледенения не дошло. Значительная часть единого материка (Гондваны) была свободна ото льда. Благодаря этому многим вышедшим на землю животным и растениям удалось пережить этот кризис. Вымерли, в основном, теплолюбивые морские организмы, в частности созидатели коралловых рифов. Тогда же исчезли многие разновидности бесчелюстных рыб.

 

6.1.3. Позднепермский и Позднетриасский кризисы

Позднепермский (Пермь-Триасский) кризис (около 250 млн лет тому назад) считается самым глубоким за последние 500 млн лет (Erwin, 1994; Benton, 1995; Bowring et al., 1999; Poreda and Becker, 2003; Ward et al., 2005). Тогда, по данным разных авторов, вымерли от 60 % до 80 % морских обитателей и от 50 % до 70 % наземных растений и животных. Высказаны разные точки зрения о причинах, инициировавших Позднепермский кризис. В качестве первой такой причины назовем повышенную вулканическую активность, проявлявшуюся в разных регионах планеты и длившуюся миллионы лет. Следы этой активности на границе Перми и Триаса обнаружены на Сибирской платформе, где тогда излилось около 3 миллионов кубических километров лавы (Bowring et al., 1999; Reichow et al., 2002; Lin and van Keken, 2005). На границу Триас-Юра (200 млн лет тому назад) пришелся следующий эпизод повышенной вулканической деятельности, также длившийся миллионы лет. Следы этого Позднетриасского кризиса обнаружены на разных континентах (Marzoli et al., 1999). Именно с находящими геологическое подтверждение глобальными извержениями лавы многие авторы связывают массовые вымирания животных и растений в те кризисные эпизоды (Clark et al., 1986; White, 2002).

Другая активно обсуждаемая причина Позднепермского и Позднетриасского кризисов – столкновения Земли с крупными космическими телами (импакты). В ряде недавних исследований было обнаружено, что сформированные на границе Перми и Триаса осадочные породы содержат слой, в котором количества никеля, железа, кобальта, магния и марганца соответствовали соотношениям, характерным для метеоритов типа углистых хондритов (Basu et al., 2003; Poreda and Becker, 2003; Becker et al., 2004). “Метеоритный” слой был зарегистрирован и в породах, соответствующих границе Триас-Юра. Этот слой обогащен крупицами метаморфозированного кварца и иридием (Olsen et al., 2002).

Весьма доказательным стало обнаруженное в разных регионах Земли (Китай, Япония, Антарктида и др.) обогащение соответствующих границе Перми и Триаса осадочных пород фуллеренами – наноструктурами, представляющими собою полые сфероиды, образованные исключительно атомами углерода. В лабораторных условиях эта, а также другие формы фуллеренов, были получены впервые в 80-е годы прошлого века путем конденсации испаренного лазером графита в атмосфере инертного газа. Однако фуллерены могут образоваться в электрической дуге и при других условиях неполного сгорания (в саже). Соответственно, они были обнаружены в определенных породах земного происхождения. Внеземное происхождение фуллеренов в осадках на границе Перми и Триаса было доказано путем анализа заключенных в них инертных газов, которые захватываются из среды при формировании наночастиц. Изотопный состав этих газов оказался характерным для космоса, но не для Земли (Becker et al., 2001; Poreda and Becker, 2003). Можно добавить, что этому же периоду принадлежит обнаруженный в Австралии большой кратер Бедаут, который, возможно, возник при падении астероида (Becker et al., 2004). И хотя этот вопрос еще окончательно не решен, данных, приведенных выше, достаточно для утверждения, что на границе Перми и Триаса произошло столкновение Земли с космическим телом, имевшее глобальные последствия. Вместе с тем, это столкновение нельзя рассматривать как непосредственную причину происшедших тогда массовых вымираний. Будь это так, они произошли бы внезапно, как внезапно наступают изменения окружающей среды. Однако данные палеонтологии свидетельствуют, что при Пермь-Триасском кризисе вымирания растянулись на десятки тысяч лет (Bowring et al., 1999). Геохимические исследования показали, что в этот период получили развитие фотосинтезирующие анаэробы, главным образом зеленые серные бактерии, использующие как источник энергии сероводород (сульфид водорода, H2S), который они окисляют до элементарной серы. Эти бактерии обитают в океане только вблизи поверхности, т. к. нуждаются в Солнечном свете для фотосинтеза. С другой стороны, они не терпят кислорода. Отсюда следует вывод, что кислород даже у поверхности океана тогда практически отсутствовал.

Эти данные дают ключ к пониманию роли цепочки событий в разразившемся тогда глобальном кризисе (Huey and Ward, 2005; Ward, 2005, 2006). Мощный импакт и, по-видимому, инициированная им массированная вулканическая активность, вызывая глобальные пожары и выводя на поверхность легко окисляемые газы и минералы, выжгли кислород атмосферы. Напротив, в десятки раз повысилось содержание в атмосфере углекислоты и метана, поступавших на поверхность вместе с лавой, что привело к увеличению парникового эффекта и, соответственно, к значительному потеплению. Указанные изменения в составе атмосферы и потепление вызвали резкое снижение содержания в океане растворенного кислорода. В этих условиях получил перевес производимый придонными хемотрофными анаэробами сульфид водорода, проникновению которого в верхние слои океана ранее препятствовал кислород. Граница сульфида водорода/ кислород стала перемещаться все ближе к поверхности. Ввиду этого обстоятельства, а также общего снижения содержания кислорода, дышащие кислородом морские организмы в верхних слоях океана стали вымирать. Они замещались зелеными и пурпурными фотосинтезирующими организмами, использовавшими поступавший из глубины сульфид водорода как источник энергии. Сульфид водорода распространился до поверхности океана и стал выходить в атмосферу. Это вызвало вымирания наземных животных и растений. Помимо прямого действия на живые организмы, сульфид водорода уничтожил озоновый слой, не пропускавший на Землю жесткое ультрафиолетовое излучение, что усилило вымирания. Выход из кризиса мог начаться после ослабления вулканической активности, снижения поступления углекислоты и сульфида водорода, похолодания, восстановления озонового слоя и т. д. Все эти процессы, происходившие в глобальных масштабах, не могли быть быстрыми. Соответственно, не были быстрыми и вымирания. Общая продолжительность кризиса могла достигнуть миллиона лет. Естественно, после выхода из кризиса живой мир выглядел сильно обедненным, а после восстановления многообразия оказалось, что прежних доминант нет и магистральное направление эволюции стало другим.

В тот период уже существовали ветви рептилий, которые впоследствии трансформировались в млекопитающих и динозавров. Ближайшими предшественниками млекопитающих были рептилии терапсиды-синодонты (Fox et al., 1992; Damiani et al., 2003; Kemp T.S., 2006). Вскоре после Позднепермского кризиса почти одновременно появились динозавры и млекопитающие, сменив своих предшественников, которые, как и многие другие виды животных, вымерли в тот же период или несколько позже, когда разразился Позднетриасский кризис (см., однако, Fox et al., 1992). Можно считать, что оба эти кризиса расчистили пути для взрывного развития динозавров в Юрском и Меловом периодах. Быстро распространившись в самых разных климатических зонах и заняв практически все ниши, динозавры не только потеснили млекопитающих, но и поставили их на грань исчезновения. За 170 млн лет процветания динозавров млекопитающие мало прогрессировали и не дали крупных форм.

 

6.1.4. Маастрихтский кризис (кризис на границе K/T)

Наиболее известным стал кризис, случившийся 65 млн лет тому назад на границе Мелового периода и Третичного периода. При более детальной периодизации говорят о границе Маастрихта и Дания (Палеоцена), а также о границе К/Т (Krebs/Tertriary, Cretaceous/ Tertriary). Именно в этот кризис погибли процветавшие дотоле динозавры. Полностью вымерли также самые распространенные обитатели морей моллюски аммониты, а всего исчезло около 30 % всех видов, обитавших как в водной среде, так и на суше.

Определяющая роль мощного импакта в кризисе на границе K/T практически доказана. Имея в виду интересную предысторию этого открытия и его значение для интерпретации кризисных ситуаций в прошлом и осознания их опасности в будущем, мы кратко опишем эту предысторию, прежде чем рассмотреть сам кризис и его последствия.

 

6.2.1. Массированный вулканизм или падение астероида?

С самого начала было ясно, что биологические кризисы были вызваны изменениями условий окружающей среды в глобальном масштабе. Разные мнения высказывались о причинах климатических катаклизмов, имевших место на Земле. Именно этот вопрос, сохраняющий актуальность для нас и будущих поколений, явится предметом дальнейшего обсуждения. В качестве вероятной причины мощных катаклизмов на Земле первоначально рассматривался только вулканизм, т. к. критерии, позволяющие идентифицировать кратеры как ударные, а также обнаруживать осадочные слои, образованные выброшенным при импакте материалом, были разработаны только недавно. Застывшую лаву геологи научились распознавать значительно раньше. Для того, чтобы иметь глобальные последствия, мощные извержения, сопровождаемые выходом большого количества лавы, должны были произойти одномоментно во многих точках земного шара. Такие события действительно имели место. Около 65 млн лет тому назад извержения продолжались не менее миллиона лет (Courtillot, 1990; Glasby and Kunzender, 1996; Ravizza, 2003). Лава изливалась в Северной Атлантике, Шотландии, Сибири, Индии и в других местах. Нагромождения базальтов в этих местах сохранились с тех пор. Террасы Деккана в Западной Индии – наиболее грандиозные слоистые лавовые образования, сохранившиеся с тех пор. Общий объем лавовых наслоений в этой структуре достигает 50 млн кубических километров. Лава поступала с большой глубины под давлением и, изливаясь, отдавала растворенные в ней газы, в том числе углекислый газ (СО2). Раскаленная лава вызывала пожары, еще более увеличивавшие содержание углекислого газа в атмосфере. Его накапливание должно было привести к значительному потеплению вследствие усиления парникового эффекта (см. однако Caldeira and Rampino, 1990). Существенное изменение климата могло повлиять на выживаемость и развитие тех или иных видов. В течение 70-90-х годов прошлого века состоялись напряженные дискуссии. К этому вопросу мы еще вернемся, а пока последуем за исследователями, внимание которых было переключено на внеземные источники. Помимо глобальных извержений, в качестве причин массовых вымираний (кризисов) на Земле называли взрыв сверхновой на достаточно близком расстоянии (теперь эту причину иногда приписывают Ордвикскому кризису, который имел место 440 млн лет тому назад), резкое изменение солнечной активности и падение крупного метеорита. Не касаясь пока других случаев, будем считать практически доказанной причиной биологического кризиса 65 млн лет тому назад на границе K/T падение крупного метеорита. Ко времени, когда развернулась дискуссия, такой ответ уже был подготовлен многолетними исследованиями геологов, выяснявших природу многочисленных кратеров, обнаруженных на Земле. Первоначально преобладало мнение, что все они имеют вулканическую природу. Однако постепенно накапливались данные, указывающие на образование многих древних кратеров вследствие импакта – столкновения с Землей крупного метеорита или осколка кометы (Хрянина, 1987; Бронштэн, 1987).

Главным признаком ударного кратера является присутствие минералов, главным образом кварца, с признаками шок-метаморфизма, т. е. с определенными изменениями кристаллической структуры, которые возможны только в условиях сильнейшего сжатия при высокой температуре. Именно такие условия возникают в момент падения крупного метеорита на Землю. При этом происходит также смещение и нагромождение пород (брекчии). Нагроможденные породы образуют кольцевой вал, опоясывающий ударный кратер, для которого также характерно центральное поднятие. Дно ударного кратера испещрено трещинами, вследствие чего общая плотность пород, образующих это дно, оказывается пониженной. Соответственно в области кратера понижена гравитация. Отрицательная гравитационная аномалия даже крупного кратера невелика (порядка 10-4м/с2). Однако она уверенно регистрируется современными приборами. Над ударным кратером наблюдается также магнитная аномалия. Она обусловлена тем, что расплавленные при ударе породы оказываются размагниченными. При остывании они вновь намагничиваются, но уже в соответствии с расположением магнитных полюсов на момент застывания. В нагроможденных и раскрошенных породах, образующих вал, окаймляющий ударный кратер, суммарный магнитный момент близок нулю. Магнитные аномалии также легко регистрируются с помощью магнитометров. С помощью установленных на самолете приборов, регистрирующих указанные аномалии, удалось обнаружить практически неразличимые с Земли кольцевые структуры (астролябии), являющиеся древними ударными кратерами, и даже кратеры, погребенные под позднейшими наслоениями. В настоящее время уже описаны более 200 крупных ударных кратеров, и их число постоянно растет. Территория России также густо усеяна разными по размерам ударными кратерами. Интересно, что Калуга, и так неразрывно связанная с космосом благодаря Циолковскому, расположена на дне ударного кратера диаметром около 15 км. Крупный ударный кратер (Карская астролябия) обнаружен на Северном Урале. Этот кратер относят к раннему Кайнозою, т. е. его возраст не более 65 млн лет. Только немногие относительно молодые ударные кратеры хорошо сохранились, как кратер Шунак в Казахстане и Аризонский кратер в США. Со временем кратеры под действием ветра и воды разрушаются, их перекрывают отложения и заносы. Возникнув на суше, кратер может оказаться на морском дне. Многие кратеры уничтожены при тектонических подвижках. Однако на Земле существуют области, которые на протяжении последних 500–700 млн лет оставались сушей и не подвергались существенным подвижкам. К ним относится Украинский щит, на котором, согласно проведенным исследованиям, за 500 млн лет возникли около 500 ударных кратеров, т. е. один кратер приходится на 400 км2 (квадрат со стороной 20 км2). Такая оценка согласуется с плотностью размещения кратеров на Луне и Фобосе, где они сохраняются благодаря отсутствию атмосферы.

Для того, чтобы подтвердить прямую зависимость биологических кризисов (массовых вымираний) от падения на Землю крупных тел, необходимо было доказать, что есть хронологические совпадения этих двух явлений. В то время, когда этот вопрос был поставлен (1985 год), обнаружение кратеров, соответствующих определенным событиям (кризисам), казалось практически невероятным. Однако оказалось, что могут быть предъявлены и другие достаточно точно датируемые доказательства столкновения Земли с крупным космическим телом. В разных точках Земного шара в отложениях, соответствующих границе K/T, была обнаружена узкая (толщиною несколько миллиметров) полоса минералов, практически лишенная известняков, являющихся основным компонентом обычных осадочных пород. Этим вопросом заинтересовались геологи Уолтер и Луис Альваресы. Анализируя состав минералов указанного слоя, они обнаружили аномально высокое для земных пород содержание иридия. (Alvarez et al., 1980; Alvarez, 1987). Однако высокое содержание иридия характерно для некоторых метеоритов. При столкновении крупного метеорита с Землей происходит его мгновенный разогрев до нескольких тысяч градусов, плавление и взрыв. Значительное количество материала метеорита оказывается выброшенным в виде крошечных частиц в околоземное пространство, откуда осаждается на Землю, образуя специфический по составу тонкий слой. Именно такой слой и был обнаружен в отложениях, соответствующих границе К/Т. Помимо повышенного количества иридия, в этом слое обнаружены претерпевшие шок-метаморфизм зерна кварца и сферулы минералов, претерпевших плавление (Speicer, 1989; Sigurdsson et al., 1991). Несколько позже в том же слое были обнаружены фуллерены внеземного происхождения (Becker et al., 2000). Все эти результаты подтверждают справедливость гипотезы падения крупного (диаметром около десяти километров) метеорита.

 

6.2.2. Поиск ударных кратеров, совпадающих по датировке с известными кризисами

Концепция ударов из космоса как основной причины выявленных палеонтологами кризисов, обозначивших границы эр и периодов в истории Земли, была принята многими исследователями уже к началу 90-х годов прошлого века. Однако были и скептики, отказывавшиеся ее принять, в частности потому, что соответствующие именно этим событиям места падения метеоритов (кратеры) не были обнаружены. Хотя к тому времени уже были известны сотни ударных кратеров, сопоставить какой-то из них с конкретным событием не удавалось. Учитывая, что за десятки и даже сотни миллионов лет многие кратеры в ходе геологических процессов были уничтожены, либо оказались под дном океанов, обнаружение некоего определенного кратера казалось маловероятным. Тем не менее, попытки обнаружить ударный кратер, образование которого можно было бы связать с определенным кризисом, были предприняты несколькими группами ученых. Практически сразу их внимание было сосредоточено на бассейне Карибского моря. Именно в том районе в слое, соответствующем границе К/Т, присутствовало наибольшее количество материала, который мог быть выброшен из ударного кратера. К концу 80-х годов были названы две предполагаемые точки: на Кубе и в океане вблизи Колумбии. Однако обнаружить кратер в этих точках не удалось. Вместе с тем, он уже был к тому времени обнаружен несколько в стороне от обследованного района. Вблизи города Чиксулуб (Chicxulub), на берегу Мексиканского залива (северо-восточная оконечность полуострова Юкатан) велась воздушная разведка нефти. Приборы зафиксировали занимавшую большую площадь круговую магнитную аномалию. Было это в 1978 году. Тремя годами позже эти данные были доложены на геологической конференции. Там же было высказано предположение, что обнаруженная на Юкатане геологическая структура могла быть гигантским ударным кратером (см. Kerr, 1990). Однако прошло еще 10 лет, когда ученые, осуществлявшие поиск в том же регионе, обратили внимание на эти данные. Анализ образцов пород, добытых при бурении, показал, что обнаруженная на глубине от 300 м до 1 км структура действительно является погребенным под позднейшими наслоениями ударным кратером, диаметр которого был первоначально определен 180 км. Такой кратер мог образоваться при падении тела размером 10 км. Однако, согласно проведенному группой В. Шарптона гравитационному анализу, Юкатанский (Чиксулубский) кратер имеет многокольцевую структуру. При этом, диаметр внешнего кольца близок 300 км (Sharpton et al., 1993; Pope et al., 1997a). В случае справедливости такого вывода размер тела, упавшего на Землю 65 млн лет тому назад, мог достигать 18 км. Мощность взрыва оценена в 4.108-4.109 мегатонн в тротиловом эквиваленте, что соответствует взрыву всего ядерного оружия, запасенного на Земле (Sharpton and Martin, 1997).

Пять одинаково датируемых кратеров (около 214 млн лет) диаметром от 15 до 100 км обнаружены в Европе и Северной Америке. Их взаимное расположение позволяет предположить, что в позднем Триасе с Землей столкнулись не менее пяти фрагментов кометы или астероида (Spray et al., 1998), что должно было привести к глобальной катастрофе. Вопрос, соответствует ли описанный выше (Раздел 6.1.3) узкий осадочный слой на границе Триас-Юра (нынешняя датировка 205–200 млн лет) этой катастрофе или она произошла несколько ранее, пока не решен.

Возможно, что кризис на границе Пермь-Триас и соответствующий ему слой в осадочных породах, содержащий продукты импакта, также обрели свой кратер. Обнаружен он на Северо-Западе Австралии (возвышенность Бедаут). Как и на Юкатане, погребенный под позднейшими наслоениями кратер Бедаут был засечен при воздушной разведке и детально разведан путем бурения скважин (Becker et al., 2004). Согласно проведенным обмерам, кратеры Чиксулуб и Бедаут близки по размерам. Однако следует отметить, что если относительно происхождения кратера Чиксулуб сомнений практически не осталось, то ударная природа структуры, обнаруженной в Австралии, до сих пор подвергается сомнению (см. дискуссию в ж-ле Science, 2004, 431, 609–613).

Кратер Бедаут (если будет подтверждено его образование при падении метеорита), по-видимому, древнейший ударный кратер, обнаруженный на Земле. Его приблизительный возраст 250 млн лет. О более древних столкновениях приходится судить только по характерному осадочному слою, содержащему специфические для импакта структуры и вещества (микросферулы, иридий и др.). Такие слои прослеживают до 3.8 млрд лет, т. е. они присутствуют в самых ранних сохранившихся до наших дней осадочных породах (Shoenberg et al., 2002). Четыре подобных слоя обнаружены в Австралии и Южной Африке в породах, возраст которых 3.47-3.24 млрд лет (Byerly et al., 2002; Lowe et al., 2003; Glikson, 2004). Взрывы были столь сильны, что могли приводить к сдвигам тектонических плит. В эти периоды существовали только прокариотические организмы, и палеонтологические данные очень скупы. Поэтому мы знаем, какие царства и виды прокариот сохранились, но можем только предположительно судить о тех, которые исчезли во время ранних кризисов. При этом, благодаря освобождению природных ниш, эволюция получала импульс в направлении ускоренного развития сохранившихся видов и образования новых. Самый ранний кризис, который оставил достаточно явственный след в форме окаменелостей, относится к границе Докембрий-Кембрий, когда уже существовали многоклеточные организмы. Весьма вероятно, что исходной причиной того кризиса и происшедшего тогда же глобального оледенения (см. Раздел 6.1.1) явился мощный импакт, хотя прямых доказательств этому предположению в настоящее время нет. Однако в одном из описанных выше случаев (граница K/T) роль импакта как главной причины кризиса можно считать доказанной.

 

6.2.3. Было ли тело, обрушившееся на Землю 65 млн лет тому назад, кометой, ставшей за 50 тыс. лет до этого события спутником Земли?

Возвращаясь к самому событию на границе K/T, рассмотрим предположения о природе тела, рухнувшего тогда на Землю. Вслед за “главным” телом примерно через три месяца на Землю (Северо-Восток современных США) упало тело меньших размеров, образовавшее кратер размером 30 км. Кратеры размером 20-100 км, которые датируют примерно тем же сроком, обнаружены в Канаде, в Северном море (Stewart and Allen, 2002) и в России (Карская астроблема). Можно предположить, что все упавшие тогда на Землю тела имеют общее происхождение. Они могли входить в ядро кометы, вторгшейся во внутренние области Солнечной системы и, возможно, ставшей на какое-то время спутником Земли. Эта гипотеза нашла неожиданное подтверждение в исследованиях геохимиков. В осадочных породах, расположенных по обе стороны “метеоритного” слоя на границе К/Т, было отмечено повышенное содержание α-аминоизо-масляной кислоты и рацематного изовалина – двух аминокислот, которые исключительно редко встречаются на Земле, но относятся к главным органическим компонентам углистых хондритов и комет (Zhao and Bada, 1989). Указанные “внеземные” аминокислоты присутствуют в осадочных породах на расстояниях до 1 м по обе стороны от границы (слоя) K/T. Высказывалось предположение, что столь значительное удаление объясняется диффузией из слоя K/T аминокислот, принесенных на Землю самим упавшим телом. В таком случае именно в слое K/T аминокислоты присутствовали бы в максимальном количестве. Однако в этом слое аминокислоты вообще не обнаружены. Более правдоподобным является предположение, что материал, содержащий указанные аминокислоты, стал выпадать на Землю за 50 тыс. лет до самого импакта. А потом (после импакта) это выпадение продолжалось еще почти столько же времени. Так могло быть, если крупная комета пришла во внутреннюю область Солнечной системы и своим газопылевым хвостом перекрыла Землю. Следует полагать также, что комета больше не удалялась на большое расстояние и оставалась в сфере влияния Земли около 50 тыс. лет. Значительная часть материала перекачивалась из тела кометы в ее хвост, поддерживая его достаточно плотную консистенцию. Аминокислоты могли переходить из тела в хвост кометы, но могли также быть синтезированы из предшественников на пылевых частицах непосредственно в хвосте (Zahnle and Grinspoon, 1990). Постепенно тело кометы убывало и, наконец, разделилось на несколько фрагментов. Некоторые из них (а возможно, и все) упали на Землю. Кратер, обнаруженный на Юкатане, может принадлежать самому крупному фрагменту той кометы. За 160 млн лет до этого события Земля также столкнулась с фрагментами крупной кометы или астероида. На это указывает серия кратеров, образованных телами, имевшими близкие траектории (Spray et al., 1998). Их возраст 215–200 млн лет. Не менее пяти тел упали тогда на Землю за короткий промежуток времени, возможно, в течение считанных часов. Похожее событие произошло уже в наше время, но, к счастью, не на Земле. В июле 1994 г. разделившаяся на два десятка фрагментов комета Шумахера-Леви столкнулась с Юпитером. Это событие транслировалось на Землю с помощью космического корабля. Фрагменты кометы, бомбардировавшие Землю на границе K/T, до падения находились на околоземных орбитах и продержались на них разное время. Поэтому всё событие заняло месяцы или годы. Оно не могло быть длительным в геологическом масштабе, т. к. на границе K/T обнаруживается только один импактный слой. После падения кометы на орбите осталось представлявшее ранее хвост кометы пылевое облако, которое продолжало оседать на Землю еще несколько десятков тысяч лет. Тот факт, что в самом импактном слое на границе K/T “внеземные” аминокислоты не обнаружены, легко объясним. Этот слой сформировался очень быстро из выброшенных из кратера (кратеров) пород, где присутствовал и материал тела кометы. Однако органические соединения, в том числе аминокислоты, присутствовавшие в падавшем с большой скоростью осколке кометы, были неизбежно разрушены из-за сильного разогрева тела при прохождении атмосферы и, главное, при его столкновении с Землей. Поэтому аминокислоты, выпадавшие с постоянной для того периода скоростью с материалом кометного хвоста, оказались сильно разбавленными именно в этом практически мгновенно сформировавшемся слое. Таким образом, столкновения Земли с фрагментами разрушившейся кометы следует признать наиболее вероятной причиной кризиса, обозначившего границу K/T (см. также Bottke et al., 2007). Возможно, не все эпизоды этого события установлены, так как какие-то даже очень крупные кратеры, в частности те, которые покоятся под толстыми наслоениями океанического дна, еще не обнаружены.

 

6.2.4. Непосредственные последствия падения крупного космического тела

Зададимся вопросом, какие эффекты, вызванные мощным импактом, ведут к глобальному кризису. Первоначально главным следствием падения крупного тела считался взрыв и выброс в околоземное пространство, помимо раздробленного материала метеорита, большого объема земных пород. Подсчитано, что Юкатанский метеорит “выбросил” в атмосферу и стратосферу Земли тысячи кубических километров породы (свыше триллиона тонн). Мощнейший взрыв вызывает землетрясения, расколы земной коры, истечения лавы, цунами. Выброс материала на месте образовавшегося кратера существенно понижает давление на нижележащие расплавленные, но обычно твердые (из-за высокого давления) слои. Снижение давления переводит расплавы в жидкое состояние, что вызывает их выход на поверхность в форме лавы. Лава, а также расплавленные при ударе и разлетевшиеся на сотни километров фрагменты породы вызывают быстрые пожары не только в окрестностях падения космического тела, но и на значительном удалении от кратера. Выброшенный в стратосферу материал формирует вокруг Земли слой, который препятствует проникновению на нее солнечного света и тепла, вследствие чего наступают глобальная ночь и зима. Не только суша, но и многие водоемы покрываются слоем льда. Ночь и похолодание продолжаются до тех пор, пока выброшенные взрывом породы не осядут на Землю. Присутствие сажи в обнаруженных в разных точках планеты участках тонкого слоя осадков, обусловленных импактом, подтвердило предположение не только о локальных (в зоне импакта), но и глобальных пожарах. Возникновение глобальных пожаров представляется неизбежным, если учесть, что перешедшие на околоземные орбиты глыбы при возвращении на Землю через атмосферу разогреваются до нескольких сотен градусов (Wolbach et al., 1988). В этих условиях основная часть растительности гибнет (семена сохраняются лучше). Благодаря дегазации вышедшей на поверхность лавы и из-за пожаров в атмосфере Земли многократно возрастает концентрация сероводорода, окислов углерода и других, в том числе ядовитых, газов и падает содержание кислорода. Однако на самом деле последствия столкновения Земли с крупным телом не ограничиваются описанными выше эффектами. Т ак, если удар космического тела пришелся по морским осадочным породам, то в атмосферу поступит дополнительно большое количество сульфата и двуокиси углерода, вследствие чего прольются кислотные дожди. Присутствие в атмосфере сульфатного аэрозоля может снизить прозрачность атмосферы для солнечных лучей на 80 %, что вместе с другими отмеченными выше факторами способно вызвать похолодание на многие годы (Pope et al., 1997b). Падение крупного тела может также привести к ослаблению или полному исчезновению озонового слоя. Воздействие на озоновый слой вызвано тем, что в сжатом слое разогретого воздуха, который движется перед пролетающим через атмосферу телом, кислород и азот вступают в химическое взаимодействие, образуя окись азота (NO). NO активно взаимодействует с озоном (О3), отнимая у него атом кислорода. Именно этот эффект наблюдался в июне 1908 г., когда в атмосферу Земли залетело небольшое тело (70-100 м), которое взорвалось, не достигнув поверхности в районе реки Тунгуски. По свежим следам измерения озонового слоя не проводились. Измерения, проведенные в Калифорнии в следующем, 1909-м, году, обнаружили, что содержание озона в озоновом слое ниже обычного на 20 %. Восстановление озонового слоя заняло около 2-х лет. Очевидно, что пролет тела размером несколько километров через атмосферу грозит полным исчезновением озонового слоя и значительно большим сроком его восстановления. Весь этот срок обитатели Земли подвергаются усиленному воздействию ультрафиолетовых лучей. Кардинальное изменение среды обитания и связанное с ним нарушение пищевых цепей приводят к массовым вымираниям животных. Вследствие малых размеров Тунгусское тело не вызвало даже в ослабленной форме многих описанных выше событий, которых следует ожидать при падении на Землю крупного тела.

 

6.2.5. Свидетельства “пруда, заросшего лилиями”

Казалось, описанные выше эффекты так и останутся хоть и реалистичными, но все же предположениями, по крайней мере, до падения очередного крупного тела, при условии, что человечество сможет пережить это событие. Однако некоторые данные, которые можно рассматривать как прямые, все же получены. К ним относится доказательство реальности похолодания, вызванного K/T-импактом и даже определение его сроков. В США (штат Вайоминг) были вскрыты донные отложения водоема, существовавшего в тот период (Wolfe, 1991). В этих отложениях присутствует характерный для мощного импакта слой с повышенным содержанием иридия, а также подвергнутыми шок-метаморфизму кварцем и силикатными гранулами. Малая толщина этого слоя свидетельствует, что импакт произошел за тысячи километров до раскопанного водоема. В том же слое обнаружены листья и соцветия лилий и папоротников, населявших водоем. По состоянию соцветий было определено, что развитие растений было прервано в начале июня. Более детальное исследование показало, что листья определенным образом деформированы. В модельных экспериментах с листьями современных родственных растений такие же деформации (складки) были получены при замораживании листьев в воде при -10 °C в течение нескольких недель. Высушивание листьев без замораживания подобного результата не давало. Автор делает вывод, что, несмотря на лето, водоем замерз. Глубина его была около двух метров, и промерз он до дна. Такой результат вполне соответствует приведенным выше представлениям об “импактной зиме”. В таком состоянии при температуре, близкой -10 °C, водоем оставался около месяца. Все это время продолжалось глобальное выпадение выброшенной при импакте породы. Выпала она и на замерзший водоем с лилиями. Вслед за тем начался подъем температуры, лед растаял, и листья вместе с размокшей породой осели на дно. Температура быстро достигла 25–30 °C. Это, в частности, означает, что уже через месяц после импакта небо очистилось настолько, что солнечные лучи стали достигать поверхности. Вывод о кратковременности климатических изменений, вызванных импактом на границе K/T, подтверждается и данными других авторов (Kerr, 2002; Pierazzo et al., 2003). Некоторые более стойкие к холоду растения, пережившие “зиму” (это были папоротники), возобновили рост, продолжавшийся еще около двух месяцев, и даже успели дать семена, когда пруд был засыпан толстым слоем пород, содержавших много метаморфозированного кварца. Эти породы были выброшены в атмосферу в результате нового импакта, который не имел глобальных последствий и не повлек за собою существенное похолодание. На это указывает отсутствие признаков замерзания у вновь выросших листьев, которые были увлечены падавшими с неба комьями породы на дно и замурованы там непосредственно над слоем с замерзшими листьями. Благодаря этому листья сохранились, так как обычно они оставались на водной поверхности, где и сгнивали. Еще до описываемого нами исследования на расстоянии нескольких сотен километров был обнаружен кратер диаметром 30 км, возраст которого (в пределах погрешностей определения) такой же, как и возраст Чиксулубского (Юкатанского) кратера, вызвавшего глобальные последствия. Очевидно, породы, выброшенные при образовании именно этого кратера, погребли под собою заросший лилиями водоем, сохранив многие детали, которые позволяют воспроизвести характер и хронологию катастрофических и, можно сказать, судьбоносных событий, имевших место на Земле 65 млн лет тому назад. В частности, обращает внимание, с одной стороны, вещественное подтверждение “импактной зимы”, с другой – достаточно мягкий ее характер и, что существенно, кратковременность (2–4 недели). Очевидно, что мягкая и короткая “зима” сама по себе не могла вызвать столь катастрофические последствия, как массовые вымирания, один из эпизодов которых – гибель всех динозавров. Тем более что к тому времени мир динозавров насчитывал около 400 видов. Они занимали разнообразные природные и пищевые ниши, и вряд ли испытывали бы недостаток в пище в течение кратковременной и весьма умеренной “зимы”, тем более, что ареал их расселения включал Арктику (Pope et al., 1994).

 

6.2.6. Основной причиной гибели динозавров могла стать сера, выброшенная в атмосферу при образовании ударного кратера в участке залегания богатых ею пород

Однако, если само похолодание не было основной причиной исчезновения динозавров, то возникает естественный вопрос, чем же оно было вызвано. Выше отмечалось, что с падением крупного тела, как непосредственно, так и из-за вызванных им пожаров, связаны существенные изменения состава газов в атмосфере. В ней появляются компоненты, которые, если ранее и присутствовали, то в значительно меньшем (на порядки) количестве. Многие из этих компонентов (сероводород, окиси углерода и азота и др.) высокотоксичны. Содержание же кислорода уменьшилось, как и озона в озоновом слое. Кроме того, атмосфера оказалась в высокой степени запыленной. Можно предположить, что массовая гибель динозавров независимо от среды обитания была обусловлена свойственной всем им особой чувствительностью к происшедшим в атмосфере Земли изменениям, то есть, если говорить проще, динозавры были отравлены газами. Естественно, эта версия не единственная. В числе других – вызванное уничтожением озонового слоя сильное ультрафиолетовое облучение, гибель, в первую очередь, микроорганизмов, в том числе планктона, и голодание вследствие нарушения пищевых цепей. Однако за время весьма длительного существования динозавров имели место и другие аналогичные по силе импакты. Можно задаться вопросом, почему импакт на границе K/T привел к гибели динозавров, а близкий по мощности импакт, происшедший на 135 млн лет раньше (на границе Триас-Юра), наоборот, помог им выйти на первые позиции. Помимо возможного за столь длительный срок изменения физиологии этих животных, одним из следствий которого оказалась пониженная сопротивляемость динозавров резким изменениям среды, могли проявиться специфические особенности событий на границе K/T. Т ак, было обращено внимание на повышенное содержание серы в скальных породах на оконечности полуострова Юкатан, где упало космическое тело (Pope et al., 1994). При взрыве в атмосферу было выброшено около 1011 тонн серы. Вследствие этого, накрывшее всю Землю пылевое облако было насыщено ее соединениями, главным образом, серной кислотой в форме аэрозоля. Именно это обстоятельство могло оказаться главной причиной гибели динозавров. Млекопитающие, представленные тогда мелкими формами, оказались, в целом, более устойчивыми к неблагоприятным воздействиям и выжили, хотя тоже понесли потери (Alroy, 2003). Впоследствии они не только быстро увеличили свою численность, но дали начало новым видам. Согласно этой концепции, упади тот же астероид в другом месте, где породы содержат меньше серы, динозавры господствовали бы на Земле и поныне, вытеснив млекопитающих окончательно. Таким образом, если иметь в виду “нашу” победу, она состоялась благодаря падению космического тела не только в нужное время, но и в подходящем месте. Некоторые авторы придают особое значение тому обстоятельству, что импакт на границе K/T произошел в период сильного вулканизма, и атмосфера уже содержала много вредных газов, в том числе сероводород, окись углерода и др. Они полагают, что роковым для динозавров оказалось именно совпадение импакта и вулканизма (Glasby and Kunzender, 1996).

Выше упоминались глобальные оледенения Земли, длившиеся миллионы лет. Возникает естественный вопрос, благодаря чему оледенение оказалось скоротечным после импакта на границе K/T? Одной из причин могла явиться поднятая в атмосферу пыль, которая первоначально вызвала похолодание. Выпадая на снежный покров, пыль снизила его отражательную способность, благодаря чему поступавшая от Солнца энергия использовалась более эффективно. Однако именно в тот период особое значение могло иметь еще одно обстоятельство: из-за продолжавшегося уже тысячелетия активного вулканизма атмосфера была обогащена углекислым газом, который освобождается в процессе остывании лавы. Это привело к повышенному парниковому эффекту. Именно возросшим парниковым эффектом можно объяснить очень теплый климат в период, предшествовавший событиям на границе K/T. Теплый океан, который, скорее всего, так и не замерз, также воспрепятствовал углублению похолодания. В итоге, вызванное импактом похолодание, хоть и глобальное, оказалось скоротечным. В Северном полушарии, где было лето, уже через месяц лед растаял и установилась соответствующая сезону температура.