Современная палеонтология – во многом наука прогностическая, а некоторые ее модели имеют прикладное значение. Анализ изменений экосистем в геологическом прошлом позволяет без постановки опасных экспериментов над реальными экосистемами получить сведения об их реакции на воздействия разного рода. В Палеонтологическом институте РАН и Палеонтологическом музее им. Ю.А. Орлова проводится большая работа по ознакомлению учителей и школьников с самыми новыми достижениями в изучении эволюции биосферы, основанными на палеонтологическом материале. Мы полагаем, что эти сведения будут способствовать повышению уровня биологического и экологического образования, воспитанию подрастающего поколения, бережно относящегося к окружающему миру.

Ранняя эволюция биосферы

Первая часть моего выступления основана на материалах лекций М.А. Федонкина, члена-корреспондента РАН, заведующего Лабораторией докембрийских организмов Палеонтологического института РАН. Его основные научные интересы связаны с ранней эволюцией биосферы, происхождением многоклеточных животных и стратиграфией докембрия.

Происхождение и ранняя история жизни – одна из глубочайших тайн Природы, волнующая поколения ученых. Глубокий интерес к этой теме вполне объясним: многое в сверхсложном мире живого стало бы понятнее, если бы мы знали, когда, где и почему сформировались те или иные типы физиологии жизненных форм и экосистем.

Исследование ранней истории биосферы – важнейшая задача, требующая мультидисциплинарного подхода. По данным журнала Nature, проблема древней биосферы входит в первую десятку важнейших тем современного естествознания. Сведения о ранней истории Земли имеют не только фундаментальное, но и практическое значение: древние толщи, накопившиеся в архее и протерозое, содержат гигантские объемы многих видов стратегического сырья, в том числе более 70% мировых запасов железных руд, 63% марганца, 93% кобальта, 66% урана, а также медь, золото, фосфориты, углеводороды. Все больше данных свидетельствуют о том, что в накоплении докембрийских осадочных руд и углеводородов важную роль играли живые орга-низмы.

Истоки основных биохимических механизмов находятся в далеком прошлом Земли, в архее и раннем протерозое, отделенных от нас миллиардами лет. На протяжении большей части истории нашей планеты доминирующие условия среды существенно отличались от нынешних, поэтому существенно иными могли быть биогеохимические связи и доминирующие типы физиологии. Тем не менее многие типы биохимических реакций протекают ныне в тех же физико-химических условиях, что и в архее, но реализуются они глубоко в недрах земли или внутри самих организмов – подальше от кислорода.

В анализ состояний докембрийской биосферы все в большей степени вовлекаются данные по изотопам углерода, серы и других элементов, активно вовлекаемых в биологический круговорот. Для реконструкции истории докембрийской биосферы все шире используют данные о биоминералах, биомаркерах, специфических типах отложений (так называемых вымерших типов осадков) и других побочных продуктах функционирования древних экосистем. Интерпретация этих химических, минералогических и седиментологических сигналов довольно надежна, потому что ныне живущие бактерии функционируют так же, как и жившие миллиарды лет назад, хотя и в иных масштабах.

Эти исследования упрощаются отчасти и тем, что на протяжении большей части докембрия отсутст-вовали высшие организмы – эукариоты, которые, благодаря их колоссальному разнообразию и активной преобразующей деятельности, как бы стирают и маскируют картину бактериального мира в фанерозое.

Возраст нашей планеты оценивается в 4, 5 млрд лет. Первые сотни миллионов лет ее геологической истории были отмечены интенсивной бомбардировкой поверхности метеоритами и астероидами. (Следы этой бомбардировки хорошо сохранились на поверхности тех планет, где процессы эрозии не очень интенсивны.) Значительная часть древних континентов была сосредоточена в экваториальной зоне, позже они довольно прихотливо двигались в разных направлениях, пока не образовали один суперконтинент – Родиния (или Палеопангея). В конце протерозоя Родиния начала стремительно распадаться.

Хотя присутствие жидкой воды в раннем архее (около 3, 8 млрд лет назад) зафиксировано несколькими независимыми методами, информация о начальных этапах формирования гидросферы очень скудна. Полагают, что первичный океан был относительно мелководным и занимал значительно большую площадь на Земле, чем в настоящее время. Объем вод мирового океана, по-видимому, возрастал на протяжении архея и протерозоя за счет дегазации недр и притока льда из космоса (метеориты и кометы). Воды раннего океана, насыщенные сульфидами металлов, были мутными; фотическая зона – весьма узкая; скорость накопления осадков – была невысока.

Светимость Солнца около 4 млрд лет назад была на 25–30% ниже современной. Несмотря на это, биосфера оставалась теплой на протяжении архея и большей части протерозоя. Температура вод океана долгое время оставалась высокой (30–50 °С в архее), что препятствовало формированию полярных шапок льда. Этот парадокс объясняют высоким содержанием парниковых газов в атмосфере древней Земли. В дальнейшем биосфера медленно остывала.

Первое действительно крупное оледенение зафиксировано только 2 млрд лет назад. Следы его в виде тиллитов (ледниковых отложений) остались в Северной Америке, Западной Австралии, Южной Африке, Индии и Финляндии. Затем был большой перерыв длиной более 1 млрд лет, и около 800 млн лет назад начиналась череда ледниковых периодов вплоть до конца протерозоя.

Одной из причин постепенного остывания биосферы была деятельность фотосинтезирующих бактерий, в особенности цианобактерий, которые формировали карбонатные постройки типа строматолитов. Эти организмы, как и их нынешние потомки, изымали углекислоту из атмосферы и, связывая ее с магнием и кальцием, образовывали органогенные доломиты и известняки. С возникновением стабильных участков континентальной коры эти карбонаты стали накапливаться на древних платформах и извлекаться из активного круговорота углерода в биосфере.

На протяжении протерозоя накопились многокилометровые толщи строматолитовых карбонатов, ко-торые, судя по современным строматолитам, формируются очень медленно. Этот процесс, а также захоронение неокисленного органического вещест-ва в осадке и были основными механизмами ослабления парникового эффекта, обусловленного присутствием углекислого газа в атмосфере протерозойской Земли. Самыми ранними свидетельствами этой важнейшей функции цианобактерий являются отложения, образовавшиеся около 3, 4 млрд лет назад.

Биогенное снижение концентрации углекислого газа и рост концентрации кислорода резко усилились с появлением крупных блоков континентальной коры около 2, 5 млрд лет назад. Этому способствовало два обстоятельства: возникновение обширных местообитаний в пределах фотической зоны и апвеллинг (подъем холодных вод с большой глубины) как явление глобального масштаба. Однако этот процесс не был равномерным: первоначально значительное количество кислорода уходило на окисление металлов. Выведение огромных масс биогенного углерода из биологического круговорота путем его захоронения в осадках также вело к росту концентрации кислорода в атмосфере и уменьшению концентрации углекислого газа.