История Земли

Предлагаемая вниманию советского читателя книга 'История Земли' принадлежит перу известного американского ученого Ричарда Фостера Флинта. Труд этот, написанный живо и интересно на основе богатого фактического материала, посвящен не только истории геологического развития нашей планеты, но и развитию эволюционных процессов жизни на Земле во всем ее многообразии, от простейших одноклеточных организмов до человека.

Р. Ф. Флинт

Перевод с английского И. И. СПАССКОЙ

Редакция А. К. АГАДЖАНЯНА и К. К. МАРКОВА

Предисловие академика К. К. МАРКОВА

Москва "Прогресс" 1978

Редакция литературы по географии

Перевод на русский язык, примечания, "Прогресс", 1978

R.F.Flint

THE EARTH AND ITS HISTORY

New York 1973

От редактора

(Издательство "Прогресс", 1978 )

Ричард Фостер Флинт - крупнейший знаток новейшей истории Земли, профессор Йельского Университета в США. Его книга "Ледники и палеогеография плейстоцена" была переведена на русский язык. Настоящий труд Р. Ф. Флинта по содержанию шире его предыдущих работ, о чем свидетельствует само название книги: "История Земли". В данной работе автор излагает всю историю Земли, а не только ее новейшую геологическую историю. В ней уделено большое внимание развитию органической жизни Земли, включая историю и развитие человека. Книга написана интересно и оригинально.

Как и предыдущие книги того же автора, "История Земли" должна привлечь внимание советского читателя благодаря ее достоинствам. В ней отражена цельная концепция автора, обобщающая обширный опыт мировой палеогеографической и геологической наук.

Ценной особенностью книги Р. Флинта является мастерство изложения, отражающее не только стилистическое дарование Флинта, но и ясность его мысли. Книга легко воспринимается читателем.

Имея в виду, что Р. Ф. Флинт уже известен советскому читателю, я счел возможным ограничить свои пояснения этим кратким предисловием.

Ричард Фостер Флинт скончался в июне 1976 г. Предлагаемая читателю книга является последним трудом талантливого ученого.

Академик К. К. Марков

Глава первая. Земля как планета

Планета Земля

Фотография, которую вы видите на противоположной странице, была сделана 18 ноября 1967 г. с космического корабля, который находился на расстоянии около 35 тысяч километров от Земли. Всю Землю (Точнее, всю поверхность Земли, обращенную к зрителю. - Прим. ред) - наш дом - можно охватить на этой фотографии одним взглядом. Такое изображение земного шара, на котором мы живем, было получено только после того, как космические корабли впервые покинули нашу планету и началась космическая эра.

Земля из космоса не похожа на Луну с Земли. Формы поверхности Земли не так резки, ясны и хорошо различимы, как формы лунной поверхности. Они расплывчаты, многие из них скрыты облаками, что указывает на существование у Земли атмосферы. Наличие атмосферы делает возможной жизнь на Земле, а также, что менее заметно, но не менее важно, делает возможным разрушение горных пород, слагающих твердую поверхность Земли. На поверхности Луны, не имеющей атмосферы, такого рода разрушения не происходит.

Фото 1. Вид из космоса на планету Земля. Черными линиями показано приблизительное положение берегов континентов. (Фотография сделана со спутника ATS - III, NASA)

Другой отличительной особенностью Земли является, как видно на снимке, наличие воды, образующей океаны. На Луне такое вещество, как вода, не обнаружено. Хорошо известно, что вода, как и воздух, необходима для жизни. В то же время, находясь в движении, вода в реках, озерах и морях переносит частицы горных пород с одного места на другое и отлагает их в виде осадков. Со временем эти осадки становятся слоями осадочных пород.

Наблюдатель, находящийся в космосе, обнаружил бы, что наличие облачности в атмосфере не позволяет ему сразу же получить представление об основных чертах земной поверхности. Для того чтобы получить представление об очертании океанов и континентов, ему пришлось бы сопоставить множество снимков, сделанных в различное время и охватывающих значительную площадь суши. На нашем снимке виден участок береговой линии, достаточно большой, чтобы понять, какая часть поверхности Земли находилась в поле зрения космической фотокамеры. Слева от центра снимка расположена южная часть Южной Америки, а справа находится отделенная от нее Атлантическим океаном огромная глыба западной Африки - ближайшей части Африканского континента. Побережья этих двух континентов, разделенных сейчас обширными пространствами воды, обнаруживают сходство очертаний, подобно двум частям головоломки, подходящим друг к другу. И в самом деле, есть серьезные основания полагать, что на более ранних стадиях истории Земли эти два континента были единым целым. Позднее они разделились и медленно движутся в разные стороны, каждый на своем основании, образуя непрерывно расширяющийся Атлантический океан.

Однако представление о том, что земные материки плавают и находятся в движении, подобно плавучим льдинам, сложилось практически вне зависимости от завоевания космического пространства. Оно явилось плодом упорного труда многих ученых, работавших на поверхности самой Земли и по времени было одним из последних в длинном ряду открытий и исследований, касающихся динамики Земли и создавших основу теоретического учения о Земле. Эта теория формулирует законы, управляющие всеми процессами - физическими, химическими и биологическими, которые вызывают постоянные изменения облика Земли. Теория Земли охватывает не только движение плавающих континентов, но также и все другие процессы, происходящие на нашей планете. К этим процессам относится и перенос воды из океана на сушу через атмосферу, и обратное перемещение воды в океан реками, постепенное разрушение горных пород и перенос их частиц реками, волнами, течениями, ледниками и ветрами, которые постоянно "подметают" поверхность Земли. Энергия этих природных сил есть энергия, излучаемая Солнцем. Эта же энергия в виде отраженного от земной поверхности света дала возможность получить космическую фотографию.

Внутреннее строение Земли

Центр нашей планеты находится всего лишь на глубине 6370 километров, что составляет менее двух процентов расстояния до Луны, однако наибольшая глубина, на которую человек проникал в недра Земли (в золотых копях Южной Африки), составляет 3,6 километра. При разведке нефти в западном Техасе твердые породы были пробурены до глубины более 9 километров и подняты образцы пород.

Хотя, строго говоря, мы исследовали лишь самую поверхностную часть планеты, мы все же имеем грубую модель ее внутреннего строения. Эта модель, которая год от года уточняется, явилась главным образом результатом обширных и координированных между собой исследований, проводящихся во всем мире, - исследований путей и скорости перемещения сейсмических волн, этих надежных посланцев, которые проникают дальше и быстрее в земные недра, чем буровые скважины. Данные сейсмических исследований дополняются другими, как, например, изучение свойств пород на поверхности Земли и в условиях больших температур и давлений. Конечно, в деталях наша модель неточна, но вероятность того, что она правильна в общих чертах, достаточно велика. Рисунок (рис. 1), представляющий модель в упрощенной форме, изображает планету как бы состоящей из концентрических оболочек-слоев, подобно луковице, причем каждый нижележащий слой тяжелее, чем вышележащий.

Рис. 1. Если бы Землю разрезать, как яблоко, то обнаружилось бы состоящее из двух частей металлическое ядро, окруженное слоями каменного материала. Земная кора имеет очень небольшую толщину. В верхней части рисунка изображен в увеличенном вертикальном масштабе фрагмент земной коры, включающий и океаническую и континентальную часть

На поверхности находится кора, состоящая из различных пород. Толщина коры по отношению к диаметру земного шара меньше, чем толщина яичной скорлупы по отношению к яйцу. Кроме того, в отличие от яичной скорлупы толщина ее не везде одинакова. Под океанами она всего лишь около 5 километров, а в пределах континентов - от 40 до 60 километров. Мантия("белок" яйца) состоит из материала более тяжелого, чем породы коры. По объему она составляет около 80% всей Земли. Книзу она резко переходит в ядро ("яичный желток") - металлическое, очень тяжелое и, вероятно, представляющее собой сплав железа, никеля и, возможно, серы или кремния. Очень вероятно, что богатое железом земное ядро является источником магнитного поля Земли, управляющего стрелками наших компасов.

По сравнению с температурой земной поверхности внутренняя часть Земли очень горяча. Даже в глубокой шахте, хотя она составляет лишь крошечную долю расстояния до центра Земли, очень жарко. Некоторые шахты должны вентилироваться охлажденным воздухом. Это иллюстрирует тот общеизвестный факт, что температура повышается с глубиной, по крайней мере в пределах коры и несколько глубже (насколько - точно неизвестно). Величина этого повышения температуры, называемая геотермическим градиентом, изменяется от места к месту, однако в среднем в пределах коры она составляет от 10 до 50° С на километр. Если принять средний градиент равным 30°, то основание коры должно иметь температуру около 1800°, то есть буквально быть раскаленным докрасна. Считается, однако, что внутри ядра градиент снижается в связи с тем, что металлические породы хорошо проводят тепло. Если это так, то возможно, что температура в центре Земли не превышает нескольких тысяч градусов. Почти половина этих огромных запасов тепла имеет своим источником радиоактивность. Радиоактивные химические элементы, находящиеся в теле Земли, распадаются, и при их распаде выделяется тепловая энергия. Считают, что другая половина запасов тепла сохранилась от тех времен, когда Земля только возникла (Проблему теплового состояния Земли Р. Ф. Флинт изложил очень кратко. Укажем хотя бы на то, что содержание радиоактивных элементов и выделение радиоактивного тепла в Земле уменьшается с глубиной. Выделение радиоактивного тепла уменьшалось и с течением времени, так как радиоактивные элементы постепенно распадались. Сжатие Земли также повышало ее температуру. - Прим. ред).

Каким бы ни был геотермический градиент, мы можем быть уверены, что внешняя часть тела Земли является своего рода термоизоляционной оболочкой. Она допускает лишь очень медленное проникновение тепла из внутренних областей к поверхности, откуда оно медленно излучается в атмосферу; тепловое излучение Земли составляет приблизительно 1/20000 часть того тепла, которое поступает на поверхность Земли от Солнца.

Другое свойство Земли - давление - также возрастает с глубиной. Это возрастание является непосредственным результатом увеличения с глубиной веса вышележащих слоев. Поэтому наряду с геотермическим градиентом существует градиент давления. На поверхности Земли, на уровне моря, давление атмосферы составляет около 1 кг/см^2. Но давление, которому подвергается со всех сторон точка в центре Земли, согласно расчетам, превышает 3000 т на 1 см^2. Даже на сравнительно небольшой глубине - 10-20 километров - давление настолько велико, что может вызвать существенные изменения в строении пород.

Континенты и океанические впадины

Наш снимок из космоса подтверждает то, что мы уже знаем по своему собственному опыту, - Земля имеет неровную поверхность, представляющую чередование приподнятых и опущенных участков. Самые большие и обширные поднятия - это континенты, а еще более обширные понижения - океанические впадины. Морские воды покрывают 71% земной поверхности, но общая площадь океанических впадин меньше - она составляет всего около 60%. Разница между этими величинами, 11%, относится за счет шельфов (материковой отмели), где воды неглубоки. Шельфы, непрерывной каймой опоясывающие континенты, в большей степени принадлежат континентам, а не океанам. Континенты не только уступают океанам по площади; как можно видеть из следующих данных, величина поднятия их над уровнем моря невелика по сравнению с глубинами океанов:

(Глубина Марианского желоба, являющегося самым глубоким в Мировом океане, достигает 11 022 м. - Прим. ред)

Едва ли поэтому удивительно, что континенты, возвышающиеся в среднем на 5 километров над дном океана, состоят из особого материала, отличающегося от того, который подстилает океанические впадины (рис. 2). Под океанами залегает базальт, тяжелая горная порода, почти черного цвета, содержащая большое количество железа и магния. Ниже базальта находится слой материала, подобного базальту, но еще более тяжелого. Во многих местах базальт изливается на дно океанов в виде лавы и, затвердевая, образует вулканические конусы; многие из них представляют собой острова. В отличие от базальтов породы, слагающие континенты, легче по весу, светлее по окраске и содержат больше кремния и алюминия. Континентальные породы могут быть различными, но общий состав всей этой группы пород приближается к гранитам. Поэтому мы говорим, что континенты состоят из гранитов, а дно океана - из базальтов. Базальтовые породы, однако, не только подстилают океаны, но и опоясывают всю Землю, простираясь также и под континентами. Граниты же, с другой стороны, ограничены в своем распространении континентами и их шельфами.

Рис. 2. Континенты, в том числе и их шельфы, легче, чем подстилающий их базальтовый материал, и поэтому они плавают на базальтах. На рисунке не показана большая часть пространства океана (заключенная между зигзагообразными линиями), где легкие породы отсутствуют

Различие в весе этих двух видов пород объясняет, почему континенты возвышаются над океаническими впадинами. Подобно тому, как лед, имеющий удельный вес около 0,9, плавает в воде, континенты, состоящие из гранита (удельный вес 2,65), могут плавать по поверхности базальтов (удельный вес 2,9) и более тяжелого материала (3,3), подстилающих их. Таким образом, континенты напоминают "гранитные плоты", плавающие в море темного тяжелого базальта. На первый взгляд трудно представить, что одни породы могут плавать на других породах, так как мы привыкли считать горные породы такими, какими мы видим их на поверхности Земли, - хрупкое вещество, обычно с трещинами, которое может быть разбито на куски ударом молотка. Однако лабораторные эксперименты показали, что при достаточной температуре и давлении породы становятся пластичными. На глубинах 10-20 километров и более, там, где гранитные породы подстилаются базальтами, температура и давление настолько велики, что породы перестают быть горными породами в обычном смысле этого слова. Они не разрушаются, а медленно текут. Поэтому в некотором смысле гранитные континенты действительно плавают: на огромных глубинах как гранитный, так и базальтовый материал, если на них с одной стороны воздействует сила, текут в противоположную сторону, напоминая зубную пасту, которую выдавливают из отверстия тюбика.

Четыре оболочки

Наше представление о Земле будет ближе к действительности, если мы представим ее себе не как единую сферу, а в виде четырех отдельных, тесно связанных между собой оболочек. Три из них можно частично видеть на космическом снимке: 1) твердая земля, состоящая главным образом из горных пород; 2) жидкий океан, состоящий из воды; 3) подвижные облака, состоящие из водяного пара, входящего в состав атмосферы, горные породы, вода, воздух. Мы видим, таким образом, часть сферы диаметром 12 700 километров, образованной горными породами и окруженной двумя тонкими, подвижными, частично проникающими друг в друга и в толщу тверйой сферы оболочками - жидкой и газообразной. Такова лищосфера (верхняя поверхность ее совпадает с верхней поверхностью земной коры), окруженная гидросферой (вода) и атмосферой (азот и кислород). Все эти три оболочки соприкасаются на поверхности литосферы, и поэтому она является зоной активного проявления разнообразных процессов. Она же является зоной наибольшей концентрации четвертой сферы - биосферы, объединяющей все живое. В настоящее время описано и изучено только полтора миллиона видов ныне существующих животных и растений. Но возможно, что общее количество видов достигает нескольких миллионов. Каждый вид включает множество особей; в некоторых видах число их просто огромно. Едва ли можно сомневаться в том, что общее количество живых организмов поистине неисчислимо.

В состав биосферы входят лишь немногие из химических элементов Земли. В основном она состоит из углерода, водорода и кислорода с примесью, в гораздо меньших количествах, фосфора, азота, серы и железа. Используя энергию солнечных лучей, биосфера осуществляет химический обмен веществ как внутри самой себя, так и с другими тремя сферами. Этот обмен носит различный характер, однако очевидно, что наиболее активно участвует в обмене кислород. И неудивительно, что местом этого обмена и движения является поверхность суши Земли.

Как в природе, так и в области человеческой деятельности, граница между двумя средами - место наибольшей активности. Такую границу представляет собой берег моря или большого озера, отмеченный зоной прибоя, внутри которой волны обрушиваются на береговые скалы, разрушают их и образуют пляж из частиц горных пород. Другим примером границы может служить берег реки, подвергающийся воздействию потока. Подмываемый берег реки и морской пляж - продукты "граничных условий", где происходит столкновение двух сил или воздействие силы на противостоящую ей инертную массу. Твердая поверхность земли - это область, где сосуществует множество различных типов природной среды, каждый из которых характеризуется определенным сочетанием четырех оболочек, равно как и отличается по строению каждой оболочки. Именно поэтому так разнообразны на поверхности Земли "границы" и взаимодействия различных сред.

Взаимодействие внешних и внутренних процессов

Существует множество границ, на которых происходит столкновение различных сил. Наиболее выражен этот граничный характер у верхней границы литосферы, которая является зоной столкновения динамических процессов, действующих внутри земной коры, и процессов, происходящих в атмосфере и гидросфере. Большая часть этих последних процессов действует на поверхности литосферы или непосредственно над ней, поэтому мы называем их внешними. Изменения, вызываемые всей совокупностью внутренних и внешних процессов, а также возникающие в результате взаимодействия отдельных процессов, обусловливают в основном разнообразие ландшафтов - то, что представляет интерес для людей, населяющих Землю.

Внутренние процессы. Существует три вида основных процессов, происходящих внутри земной коры: движение вещества твердых пород, движение разогретого вещества расплавленных горных пород и преобразование пород, находящихся глубоко под поверхностью Земли, под действием большого давления и высокой температуры. Мы знаем обо всех этих процессах или потому, что можем наблюдать их в действии (излияние лавы из вулкана), или потому, что видим результаты этих процессов (смещение одного большого массива породы вверх, вниз или вбок относительно другого).

На рисунке 3А показано, каким образом перемещения масс твердых пород обычно выражаются на поверхности. Масштаб процесса при этом не важен: глыбы пород могут быть шириной в один километр или десятки километров. Существенно то, что под действием внутренних сил произошло перемещение пород вверх, по крайней мере относительное, вызвавшее в одном случае изгиб, а в другом - движение по четко выраженному разлому. Таким образом, эти внутренние силы вызвали увеличение уклонов поверхности, создав в одном случае почти вертикальный уступ.

Рисунок 3Б показывает два обычных способа воздействия на земную поверхность расплавленных пород, движущихся снизу вверх. В левой части изображена масса расплавленной породы, которая медленно поднялась из глубин земной коры, проделав многокилометровый путь; она деформировала вышележащие пласты, но остыла и затвердела, не достигнув земной поверхности. Справа показано, как расплавленная масса под давлением поднималась по трубкообразному каналу и разливалась по поверхности, образовав последовательность слоев лавы, каждый из которых затвердевал раньше, чем перекрывался следующим. При этом существовавшие ранее породы не были деформированы, а было создано новое конусообразное сооружение - слоистый вулканический конус (стратовулкан). Некоторые из таких конусов превышают 6 километров и имеют крутые склоны. Особенно много их на морском дне.

Наконец, на рисунке 3В показано, что может произойти с породами, подвергшимися не поднятиям, а погружению. Местами слои пород, которые образовались на поверхности Земли, были перемещены вглубь в результате прогибания земной коры. На глубине 10-20 километров эти породы попадают в такие условия, где давление вышележащих слоев (а в некоторых случаях и боковое) настолько велико, что вызывает текучесть породы, придавая ей облик, совершенно отличный от первоначального.

Рис. 3. Примеры действия внутренних (эндогенных) процессов

Все эти три вида внутренних процессов - результат действия существующей внутри Земли тепловой энергии, которая активизирует эти процессы в больших масштабах и настолько велика, что противодействует силе тяжести. Следовательно, как мы видели на рисунках, внутренние процессы местами приподнимают или надстраивают поверхность Земли.

Внешние процессы. Для большей части (хотя и не для всех) внешних процессов движущими силами являются подвижные оболочки, которые мы называем гидросферой и атмосферой. Воздух и вода, даже если они не находятся в движении (особенно воздух, содержащий водяные пары), создают среду, в которой химический обмен между горными породами и водой вызывает распад породы, ослабляя в ней внутренние связи и способствуя ее разрушению. Это химическое взаимодействие происходит повсюду, где горная порода соприкасается с влажным воздухом. Но, более того, вода и воздух постоянно находятся в движении; перемещаясь по поверхности Земли, они вовлекают в движение разрушенные породы, унося с собой их частицы. Движение воздуха - ветер - воздвигает из частиц пород, которые несет с собой, песчаные дюны; движущаяся вода - река - отлагает наносы в своем русле, а морские волны сооружают вдоль берегов пляжи из продуктов разрушения горных пород, смытых с суши. Движущийся лед - ледник - (также представляющий собой часть гидросферы, хотя и в твердом состоянии) несет обломки пород и отлагает их при таянии. Даже подземная вода, медленно просачивающаяся через мелкие поры в породах, уносит с собой в растворенном виде минеральные вещества горных пород.

За немногочисленными местными исключениями, внешние процессы происходят под влиянием силы тяжести (Но к "немногочисленным местным" исключениям относятся повсеместные и могущественные химические процессы. - Прим. ред). Они измельчают твердые горные породы и уносят продукты их разрушения. Поскольку деятельность процессов, о которых идет речь, контролируется силой тяжести, они переносят материал с более высоких участков Земли на более низкие. Благодаря этому переносу материала горных пород возвышенности постепенно разрушаются и становятся все ниже и ниже. Рано или поздно продукты разрушения отлагаются на участках, первоначально бывших понижениями, в виде тонких слоев, накапливающихся один поверх другого. Таким образом, понижения "надстраиваются", в то время как возвышенности срезаются. Между ними повсюду происходит постоянное движение вниз по склонам продуктов разрушения пород.

Внешние процессы черпают свою энергию в солнечной радиации, поступающей на земную поверхность. Механизмы, посредством которых солнечное тепло приводит в движение потоки воздуха и воды и другие динамические агенты, кратко упомянуты в главе второй.

Взаимодействие процессов. Таким образом, существуют два вида процессов: внутренние, приводящиеся в действие внутренним теплом Земли и действующие в основном в направлении, противоположном направлению силы тяжести, и внешние, приводящиеся в действие солнечным теплом и протекающие под непосредственным влиянием силы тяжести. Эти две группы процессов непрерывно сталкиваются на границе, которой служит твердая поверхность Земли. Представим себе твердую землю гладкой, как бильярдный шар. Сила тяжести на этой гладкой поверхности была бы везде одной и той же. Вода не могла бы течь с одного места на другое. Однако поверхность реально существующей Земли не такова. Внутренние процессы создали на ней возвышенности и низменности, а следовательно, и уклоны. Вода стекает по склонам с высоких участков на низкие и несет с собой частицы пород. Это течение воды, содержащей частицы пород, представляет собой один из внешних процессов.

Со временем этот и другие внешние процессы могли бы выровнять поверхность суши и снизить ее до уровня океана. Это выравнивание действительно происходит, но не на всей поверхности суши одновременно. Вмешательство того или другого внутреннего процесса нарушает его ход. Эти процессы, проявляясь то там, то здесь, создают новые возвышенности и тем самым уничтожают результаты выравнивающей деятельности текучих вод. Всегда где-то образуются возвышенности, причем скорость их поднятия не обязательно постоянна, и в пространственном размещении не всегда улавливается закономерность. Эти поднятия, поддерживая непрерывность внешних процессов, дают им все новый материал для переработки. Они создают склоны, но они же заставляют воду течь быстрее, создают неровности, которые выравнивают текучие воды, и сообщают им новую энергию для выполнения этой работы, заставляют наносы непрерывно перемещаться с приподнятых участков в понижения и отлагаться там в виде слоев, построенных в буквальном смысле из обломков пород, некогда лежавших где-то на возвышенности. Таким образом, происходит взаимодействие внешних и внутренних процессов. Кажется, оно никогда не прекратится, по крайней мере до тех пор, пока внутренняя часть Земли обладает достаточным запасом тепла для поддержания внутренних процессов и пока Солнце излучает тепло на поверхность Земли, сообщая энергию внешним процессам.

Этот беглый взгляд на земной шар со стороны показывает, что Земля - живая планета и что самая активная и наиболее разнообразная зона приурочена к поверхности литосферы, где происходит сложное взаимодействие и столкновение различных сил. В этой поверхностной зоне протекает также жизнь человека и развертывается его история, ход которой определяется условиями жизни, существующими на поверхности Земли. И так как мы живем среди всех этих многообразных процессов, мы не можем не интересоваться тем, что происходит вокруг нас. В следующей главе этой книги рассматривается поверхность Земли. В ней показан9, что основные процессы, постоянно перемещающие и преобразующие материал горных пород, проявляются не случайно, но образуют последовательную и вполне понятную систему, действующую в соответствии с законами природы.

Литература

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ:

Воtt M. Н. Р., 1971, The interior of the Earth: St. Martin's Press, New York.

ОКЕАНЫ:

Hill M. N., ed., 1962-1963: The sea: Interscience Publishers, New York, 3 vols.

БИОСФЕРА:

HutchinsonG. E. and others, 1970. [A group of articles related to the biosphere] "Scientific American", v. 223, p. 45-208.

Глава вторая. Горные породы и геологические циклы

Значение горных пород

Теперь, когда мы дошли до этой темы в наших рассуждениях, было бы хорошо в течение нескольких минут посмотреть на обломок горной породы. Во многих больших и малых городах мы иногда можем увидеть горные породы - они используются как камень для облицовки зданий. Коллекции различных горных пород находятся во многих музеях.

Если поблизости от вас есть горные породы в том или ином виде, посмотрите на них внимательно. Каково ваше впечатление? Не представляется ли вам горная порода стойкой, твердой, неподвижной, неизменной, безжизненной? Все эти эпитеты обычно употребляются при описании горной породы. И все они будут правильными, если ограничиться теми несколькими минутами, которые требуются для рассматривания образца горной породы. Но предположим, что вместо простого разглядывания этого образца мы внимательно изучим его, "расчленим", чтобы узнать, из каких частей он состоит, как они соединены. Кроме того, подумаем, что могло бы случиться с ним и какие изменения могли бы в нем произойти с течением времени - не за пять минут, а за годы, века и даже миллионы лет. И если мы посмотрим на горные породы с этой точки зрения, то увидим, что ни один из эпитетов, перечисленных выше, к ним неприменим, потому что ни одна порода, какой бы твердой и прочной она ни была, не существует вечно. Она разрушается. Ее составные части уносятся, иногда на очень далекое расстояние, перемешиваются и образуют новые, совершенно другие горные породы.

Поэтому каждая горная порода, к какому бы типу она ни относилась, имеет долгую историю разрушения, переноса и воссоздания. История горных пород полна движения. Это не только история образования, разрушения и повторного образования горных пород в различных природных условиях, но также история происхождения и развития биосферы, живых организмов, населявших и населяющих Землю. Если бы не горные породы, история Земли осталась бы неизвестной нам. Горные породы заслуживают не только внимательного взгляда, но и настоящего исследования, потому что в них заключена история наших предков- и человека, и существ, живших на Земле до появления человека.

В этой главе и в нескольких следующих объясняется, как создаются и разрушаются породы и как в них запечатлевается летопись жизни прошлого. Если их изучать внимательно и пристально, не опуская никаких деталей, по ним можно проследить и понять полную драматизма историю, которая изложена во второй половине этой книги.

Конечно, порода - это вещество, которое, пока оно не подвергается перемещению, остается инертным. Что же его перемещает? Процессы, внутренние и внешние, рассмотренные нами в главе первой. Они-то и есть движущие силы. Несмотря на все различие между ними, движущие силы (процессы) и вещество (горные породы) тесно связаны между собой. Мелкие частицы пород, образующие желтый, бурый или красноватый речной ил, - это не просто груз, отложения, переносимые рекой; они составляют существенную часть самого речного потока. Количество и степень измельчения взвешенного ила, а также количество и размеры более крупных обломков, которые перемещаются по дну реки и обычно незаметны, в сильной степени влияют на характеристики реки и тех наносов, которые отлагаются в ее русле.

Так как процессы и вещество связаны между собой, нам придется отойти от строго логичного порядка изложения, когда мы их будем рассматривать. Начнем с круговорота воды, включающего целую систему процессов и только одно вещество - воду. Затем рассмотрим природу и размерность вещества, образующего горные породы. Вслед за этим мы сможем показать, как совокупность вещества и процессов образует круговорот пород - цикл, включающий большую группу процессов.

Круговорот воды

Схема круговорота воды показана на рисунке 4. Благодаря солнечной энергии огромные массы воды постоянно испаряются с поверхности океана, поднимаются в атмосферу и переносятся из одного района в другой. Рано или поздно влага конденсируется и выпадает на поверхность суши или моря в виде дождя или снега. Та часть ее, которая выпадает на поверхность суши, различными путями возвращается в море - выносится реками или, просачиваясь в почву, медленно двигается в сторону моря в земной толще. Некоторая часть влаги испаряется с поверхности озер и рек или испаряется в воздух растениями и таким образом возвращается в атмосферу. Более короткий путь проходит вода, которая из атмосферы выпадает в виде осадков непосредственно на поверхность океана. Круговорот воды - это огромная цепь процессов. Осадков, выпадающих за год на территории США, достаточно, чтобы покрыть всю страну слоем воды толщиной в среднем 75 сантиметров. Около одной трети этой влаги возвращается в океан в виде воды рек. Остальные две трети попадают непосредственно в атмосферу в результате испарения, а также транспирации растениями. Важную роль в круговороте воды играет биосфера (Р. Флинт в отличие от В. И. Вернадского называет биосферой не пространства, населенные организмами, но совокупность самих организмов. - Прим. ред). Можно полагать, что на любом континенте количество воды, испаряемой зеленым растительным покровом, выдыхаемой и испаряемой животными, значительно больше количества, выносимого за то же время реками в море. Конечно, биосфера существует благодаря присутствию воды, но и сама она играет существенную роль в круговороте воды, подобно тому, как частицы горной породы образуют часть потока, переносящего их. В этой главе мы рассматриваем ту роль, которую играет круговорот воды в разрушении суши путем эрозии - разрушении и сносе вещества горных пород.

Рис. 4. Круговорот воды

Три группы горных пород

Едва ли можно продолжать рассуждать о породах, не объяснив, что же они собой представляют.

В состав вещества земной коры входит более 100 химических элементов в различных количествах. Восемьдесят семь процентов (по весу) составляют кислород, кремний, алюминий и железо. Эти и другие менее распространенные элементы соединяются в различных соотношениях и образуют минералы, в большинстве своем представляющие твердые кристаллические тела, обладающие жесткой трехмерной кристаллической решеткой, подобной стальному каркасу здания.

Отчасти благодаря геометрической правильности их решетки минералы обладают определенными физическими свойствами, по которым их можно определять. Существует более 2000 минералов, но только небольшое число их является важными составными частями обычных на земной поверхности горных пород.

Породы представляют собой сочетание двух или нескольких (иногда многих) минералов, но некоторые породы состоят всего из одного минерала. Известны сотни пород, однако лишь немногие из них широко распространены. Кусок обычного гранита такого размера, что его легко можно держать в руке, может состоять из сотен кристаллических зерен пяти или шести обычных минералов и небольшого количества редких минералов, которые не имеют значения для целей нашего весьма общего обзора.

Изучив десяток-другой образцов, можно видеть, что породы делятся на три большие группы. Первая включает магматические породы, образованные при затвердевании жидкой горячей магмы. Другая - метаморфические ("измененные") породы, возникшие в результате преобразования в твердом состоянии существовавших ранее пород под действием давления или тепла, или того и другого вместе. Наконец, существуют осадочные породы, созданные осаждением обломков и других продуктов разрушения существовавших ранее пород.

Эти три группы пород образуются в различных частях земной коры: осадочные породы - на поверхности, а два других вида большей частью на значительных глубинах. Но каждый вид пород может подвергнуться, конечно, медленному перемещению из зоны, где он был образован, в другие зоны. В результате этих медленных перемещений горные породы оказались перемешанными, так что сейчас мы видим на поверхности Земли все три группы. Чтобы проследить хотя бы в общих чертах историю развития земной коры, мы должны внимательно изучить горные породы.

Магматические породы. При геотермическом градиенте 30° на 1 километр точка, находящаяся на глубине 40 километров под поверхностью континента, будет иметь температуру 1200°.

Лабораторные эксперименты по "изготовлению" пород показывают, что при этой температуре и небольшом давлении, существующем на поверхности Земли, некоторые породы плавятся. Однако в глубинах земной коры огромный вес вышележащих пород повышает температуру плавления настолько, что большая часть материала на этой глубине не может перейти в жидкое состояние. Но небольшое количество все же плавится, образуя очаги расплавленного вещества (которое в том случае, если оно не выходит на поверхность Земли, мы называем магмой). Предполагается, что такие очаги существуют в различных местах в толще коры.

Будучи жидкостью, магма подвижна. Приходя в движение, она стремится двигаться к поверхности. Частично она расплавляет породы на своем пути, образуя полость в земной коре, подобно тому, как паяльная лампа расплавляет кусок металла; движению магмы вверх способствует сила расширения газов, растворенных в ней. По мере ее движения вверх (процесс, который обычно происходит очень медленно) давление и температура убывают, и в какой-то точке начинается затвердевание. Начинают формироваться молекулы твердых минералов, к которым, как к ядрам, притягиваются другие подобные молекулы. При соединении достаточного количества сходных молекул образуются кристаллы, небольшие вкрапления твердого вещества в толще магмы. Количество и размеры этих вкраплений постепенно возрастают, и магма превращается в горячую кашеобразную массу. В конце концов эта смесь полностью затвердевает, и образуется магматическая порода, хотя еще и очень горячая. Вновь образовавшийся массив гранита может иметь температуру 700°, и для его остывания может потребоваться более десяти миллионов лет, настолько медленно происходит отток тепла через толщу залегающих выше пород.

Рис. 5. Тела магматических пород и их соотношение. Самые крупные массивы называются батолитами, а их пальцеобразные ответвления - штоками. Грубо-кристаллические разности свидетельствуют о затвердевании на глубине, мелкокристаллические - вблизи поверхности, лишенные кристаллической структуры - на поверхности Земли. Масштаб не выдержан

В случае, если магма поднималась медленно и затвердевание ее происходило задолго до того, как она достигла поверхности, оно требовало много времени. За это время группирующиеся молекулы минералов успевали построить крупные кристаллы размером несколько миллиметров в диаметре каждый. Образовавшаяся таким образом магматическая порода была крупнозернистой. Но если движение магмы происходило быстрее и она, достигнув поверхности, изливалась наружу в виде лавы, как изливается из скважины вода, кристаллы оставались маленькими (диаметром 1-2,5 миллиметра и меньше), так как не успевали приобрести большие размеры. В, крайнем случае магма достигала поверхности раньше, чем успевали образоваться ядра кристаллизации; быстрое охлаждение при соприкосновении с атмосферой могло вызвать затвердевание желеобразной массы, лишенной кристаллов. Горная порода, образовавшаяся таким путем, не является кристаллической; это природное стекло.

Для нас эта последовательность процессов интересна в том отношении, что, когда мы находим на поверхности Земли крупный массив гранитов или других магматических пород, мы можем быть уверены, что их затвердевание произошло в толще земной коры. Если это так, то мы знаем, что после затвердевания пород в течение долгого времени, может быть миллионов лет, происходили эрозионные процессы, которые разрушили вышележащие слои и вывели эти породы на дневную поверхность. Вместо поднятия магмы к земной поверхности происходило постепенное снижение поверхности до уровня глубоко залегавших твердых пород. Таким образом, выходящий на поверхность массив горной породы подобен фундаменту древнего разрушенного здания. О глубине, на которой образовалась порода, свидетельствует не только размер зерен, но и те минералы, с которых началась кристаллизация магмы. При искусственном создании магматических пород в лаборатории в условиях контролируемого давления было установлено, какое давление требуется для образования в магме ядер кристаллизации различных минералов. При этом легко может быть рассчитана глубина, соответствующая данным значениям давления.

Многие разновидности магматических пород большей частью, хотя и не полностью, зависят от химического состава земной коры в тех местах, где возникают магматические очаги. Но, как мы уже говорили, на континентах состав пород (залегающих как на поверхности, так и в глубине), несмотря на местные отклонения, в среднем приближается к составу гранитов, в то время как состав пород ложа океанов почти целиком соответствует базальтам.

Массивы магматических пород могут иметь различную форму и размеры. На рисунке 5 дан типичный пример того, как после затвердевания огромного батолита и отходящих от него жил эрозия удалила большую толщу породы; позднее начал формироваться вулканический конус и лавовые потоки. Таким образом, на схеме представлены по крайней мере две генерации магматических пород.

Метаморфические породы. Хотя эти породы подобны магматическим, так как состоят из связанных между собой кристаллов, их отличием является то, что они образуются не из расплава. Многие из них обладают подобием слоистости - сланцеватостью, которая вызвана группировкой минералов в "слои" в результате химического обмена в условиях высокого давления, при котором происходит образование новых минералов. Этот процесс образования - или, точнее, преобразования - происходит без расплавления, при сохранении твердого состояния породы. Давление, необходимое для образования сланцеватости, соответствует глубинам около 10-30 километров в зависимости от того, какие новые минералы образуются в породах в ходе этого процесса. Таким образом, сланцеватые метаморфические породы свидетельствуют о том, что для того, чтобы эти породы вышли на дневную поверхность, эрозия должна была уничтожить 10-30-километровую толщу вышележащих пород.

Фото 2. Аллювиальные конусы выноса у подножия горного склона в западном Вайоминге. Во время последнего ливня дождевые воды прорезали русло в верхней части одного из конусов, но образовавшийся при этом материал был отложен ниже по склону в виде удлиненного скопления

Другие метаморфические породы, например кварцит или мрамор, не имеют сланцеватости. В основном они являются результатом перекристаллизации осадочных пород, погруженных на большую глубину и насыщенных горячей водой, но не подвергавшихся большому давлению. Поэтому они имеют кристаллическую структуру, но не обладают сланцеватостью.

Осадочные породы. Как возникают осадочные породы, показано на фото 2, изображающем стену каньона в горах Абсарока, западный Вайоминг. Массив магматических пород прорезан крутопадающими узкими долинами, созданными стоком дождевых вод. Большая часть обломков пород, которые выносятся из этих долин, в том числе и малых притоков, отлагается в их устьях. Отложения на рисунке образуют два конусообразных скопления, в плане напоминающих веер, наложенных на плоское дно более крупной долины, небольшой отрезок которой виден в передней части фотографии. Эти два аллювиальных конуса выноса, сложенные галькой и песком, представляют раннюю стадию размыва и переотложения материала горных пород. Коренные породы на поверхности Земли постепенно разрушаются и превращаются в рыхлый материал, который перемещается на более низкие уровни и отлагается. В рассматриваемом случае отложение происходит в тех местах, где течение временных водотоков замедляется вследствие резкого уменьшения уклона при выходе на плоскую поверхность.

Галька и песок, слагающие конусы выноса, представляют собой осадок. Если размыва и переотложения их не происходит, то со временем осадочные слои уплотняются, частицы их цементируются минеральным веществом, растворенным в воде, которая просачивается сквозь толщу осадка. Тогда осадок превращается в осадочную породу. Такую породу можно сравнить с блоком бетона для покрытия дороги или фундаментом здания, состоящим из обломков пород, скрепленных цементом.

В масштабах геологического времени продолжительность существования большинства конусов выноса невелика, так как они образуются в местах, доступных для эрозии. Большей частью конусы выноса являются местом временной остановки в движении осадков, которое заканчивается в более крупном и более отдаленном бассейне, а возможно, и в море.

Круговорот вещества пород

Хотя все осадки накапливаются на поверхности твердой оболочки Земли и превращение их в осадочные породы происходит на небольшой глубине, однако бурением и геофизическими исследованиями осадочные породы обнаружены глубоко в толще коры. Это позволяет предположить, что временами различные участки земной коры прогибаются, и вместе с ними в глубь Земли перемещаются и осадочные породы. Напротив, во многих частях континента магматические и метаморфические породы, в том числе и образованные на очень большой глубине, находятся на поверхности, и ими бывают сложены даже очень высокие горы. Это указывает на большие поднятия отдельных участков земной коры, вызывающие сильную эрозию. Таким образом, ясно, что части коры поднимаются и опускаются, хотя и очень медленно, и слагающие их породы, которые переносятся вверх или вниз и попадают в чуждые им условия, должны в силу этого подвергаться изменениям.

Что происходит с породами, в общих чертах показано на рисунке 6. Испытавшие поднятие породы подвергаются воздействию внешних процессов и эродируются, а продукты эрозии сносятся вниз и отлагаются во впадинах в виде слоев осадков. Многие прогибающиеся впадины заполняются осадками почти с такой же скоростью, с какой происходит прогибание; в то же время происходит преобразование нижней части отложений в осадочные породы. Если мы допустим, что по прошествии долгого времени направление движений изменится, то область накопления осадочных пород испытает поднятие и в свою очередь подвергнется эрозии. Продукты эрозии будут полностью или частично выноситься в соседнюю впадину, образованную на месте бывшей ранее возвышенности. В этой впадине будут накапливаться осадки, и таким образом повторится весь процесс.

Рис. 6. Эрозия и аккумуляция в смежных областях, контролируемые поднятиями и опусканиями земной коры. Масштаб не выдержан. Иллюстрация к изображению одной из частей круговорота вещества пород, полностью показанного на рис. 7

Иногда ход событий более сложен. Если бы впадина, изображенная на рисунке 6Д продолжала прогибаться и заполняться слоями отложений достаточно долго, нижняя часть заполняющих ее осадков (уже превращенных в осадочные породы) оказалась бы в более глубокой зоне земной коры. Давление в этой достаточно глубоко расположенной зоне вызвало бы превращение осадочных пород в метаморфические. При продолжающемся прогибании породы могли бы расплавиться, и в этом случае образовались бы новые магматические породы.

Можно видеть, как все эти отдельные процессы складываются в единую схему. На ней показаны (рис. 7) все фазы, которые может пройти материал горных пород, и также процессы, которые воздействуют на этот материал. Мы называем эту схему круговоротом вещества горных пород, потому что она охватывает постоянный, нескончаемый цикл природных процессов, в котором вещество подвергается преобразованию. Хотя может показаться, что магматические породы образуют "начало" цикла, в действительности это не так. Этот цикл не имеет начала, подобно тому, как не имеет начала круг. Скорее, он представляет собой бесконечный ряд превращений, снова и снова повторяющихся, в общем, подобным образом, хотя некоторые процессы замыкаются, образуя "малые циклы", а участки наиболее активной деятельности со временем перемещаются, так что не весь материал горных пород каждый раз проходит весь цикл.

Рис. 7. Упрощенная схема круговорота пород как непрерывно действующей системы. Справа - последовательность событий, следующих одно за другим в направлении, показанном стрелками. Слева - последовательность соответствующих изменений, которым подвергается материал горных пород. Они также следуют одно за другим

Хотя все эти процессы и превращения непрерывно происходят в толще земной коры и на ее поверхности, общее количество вещества в этой обширной системе остается постоянным, за исключением небольшого количества метеоритов, поступающих из космического пространства и увеличивающих общую массу Земли.

Количество вещества остается постоянным, но отдельные его частицы постоянно перемешиваются и меняют свое положение, входя в состав то одного минерала, то другого, то жидкости, то твердого тела. Для некоторых частиц круговорот пород - это длинное, полное разнообразия путешествие. Для других это означает пребывание в одной и той же среде, незначительно меняющейся в течение очень длительного времени. Возможно, хотя и маловероятно, что некоторые частицы никогда не подвергались полному циклу преобразований, но большинство из них, скорее всего, прошли через него неоднократно. Древность земной коры делает это предположение достаточно правдоподобным.

Принцип актуализма

Почему мы верим, что круговорот вещества пород - это реальность, а не просто интересная идея? Да потому, что реальность его доказывается следующим фактом. Какой бы континент мы ни стали исследовать, мы найдем на нем породы, соответствующие каждой фазе круговорота, и породы, представляющие собой промежуточные градации между фазами. Далее мы находим примеры всевозможных переходов из одной фазы в различные другие, минуя промежуточные состояния. Наконец, никем никогда не были обнаружены породы, которые нельзя было бы сопоставить с какой-либо фазой цикла. Такое доказательство, базирующееся на твердо установленных фактах о строении пород, впервые было положено в основу всеобщей концепции в 1795 г. Ее разработал шотландец по имени Джеймс Хаттон, написавший книгу, в которой впервые была выдвинута идея круговорота пород. Это - классический труд по истории Земли, и его основные положения никогда не были опровергнуты. Хаттон считал, что земная кора, образованная горными породами, подобна старому лоскутному одеялу, состоящему из сшитых вместе клочков различных тканей. Различные массы пород всевозможных форм и размеров и самого различного возраста в большинстве своем являются остатками массивов, занимавших когда-то гораздо большую площадь. Примыкая друг к другу, они образуют беспорядочный рисунок, созданный в результате поднятий, опусканий, внедрений магмы и действия эрозии, которому подвергались породы. Каждый массив состоит из вещества, которое образовалось из более древних пород или путем эрозионной переработки, сортировки и переотложения в виде слоев на поверхности Земли, или в результате нагревания и перемешивания глубоко в толще земной кори.

Если мы верим в то, что круговорот вещества пород действительно происходит, мы должны поверить и в то, что в течение времени, равного возрасту самых древних из известных нам пород, который измеряется миллиардами лет, внешние и внутренние процессы создавали и разрушали горные породы точно так же, как они делают это сейчас. Если бы в течение истории Земли произошли заметные изменения в ходе процессов, то есть изменения физико-химических законов, управляющих данными процессами, то в соответствии с этим древние породы должны были бы отличаться от молодых. Однако они совершенно такие же.

На этом основывается разработанный в начале XIX в. принцип, который содержит два положения. Во-первых, законы природы оставались неизменными в течение большей части (если не всей) геологической истории. Во-вторых, в течение всей истории Земли действовали те же самые процессы, что и сейчас, и скорость их колебалась в тех же пределах, что и скорость современных процессов. Таким образом, мы изучаем настоящее, чтобы понять прошлое. Внимательно исследуя породы любого возраста, мы можем определить процессы, создавшие их, и на этом основании реконструировать существовавшие тогда условия и события, происходившие в то время и в том месте, где формировались эти породы. Таков принцип актуа-лизма. Он открывает нам путь к восстановлению истории Земли, ибо что такое история, если не картина меняющихся условий среды и событий прошлого? Пока не был понят этот принцип и концепция циклов, на которой он основан, человек не понимал истории Земли. Он принимал сверхъестественные легенды за объяснение того, что происходило в прошлом. Многие на Западе верили, что Земля была создана в точности так, как об этом написано в Ветхом Завете. На Востоке существовали другие легенды. Только в XIX в. люди поняли, что земная кора - это настоящая книга, в которой записана история Земли, а слои пород - страницы этой книги. И только в XX в. был создан календарь, соответствующий данной книге и указавший действительное время многих событий в истории Земли и живых организмов. Возникновение этого календаря стало возможным благодаря использованию радиоактивности для установления возраста пород.

Теперь мы можем начать перелистывать страницы книги по истории Земли, более пристально вглядываясь в детали. После того как мы узнаем, каким образом был установлен возраст пород, мы рассмотрим внешние процессы и характеристики пород, которые указывают на условия их накопления. С помощью этих характеристик мы сможем затем проследить эволюцию литосферы и биосферы во времени.

Литература

Pearl R. М., 1965, How to know the minerals and rocks: New American Library of

World Literature, Inc., New York. Zim H. S., Shaffer P. R., 1957, Rocks and minerals: Golden Press, New York. (Paperback.)

Глава третья. Слои и геологическое время

Изучая магматические и метаморфические породы, люди узнали многое о температурах, давлении и других условиях, существующих глубоко в толще земной коры. Однако для наших целей важнее изучение осадочных пород. Важнее потому, что структуры пород и ископаемые остатки, заключенные в них, дают нам главную информацию о жизни и условиях среды в прошлом, а история живых существ интересует многих больше, чем все остальное в истории Земли. За редкими исключениями, ископаемые остатки встречаются только в осадочных породах.

Давайте рассмотрим осадочные породы как последовательность слоев, а содержащиеся в них остатки - как ряд живых организмов, сменявших друг друга в исторической последовательности.

Слои и ископаемые остатки

Как показано на рисунке 6, большая часть наносов, которые сносятся с суши, в конце концов осаждается в бассейнах, частично в пределах суши, но главным образом вне суши - в море. Эти осадки широко распространены и образуют почти горизонтальные слои; осадки со временем постепенно переходят в осадочные породы. Впоследствии территория бассейна может претерпеть поднятие и быть прорезана реками. При этом становятся видны слои, как в ломтике слоеного пирога. Если долина глубока и не покрыта растительностью, на ее бортах можно наблюдать весьма впечатляющую последовательность слоев. Перед нами как бы предстают страницы, на которых записана большая часть истории Земли. Едва ли нужно пояснять, что залегающий в самом низу слой должен быть самым древним, так как он отлагался первым, и что выше залегают все более молодые слои.

Большая часть слоев Земли содержит ископаемые остатки, главным образом остатки морских животных. Данный факт свидетельствует о том, что значительная часть (по крайней мере три четверти) известных в настоящее время слоев имеет морское происхождение. Это едва ли удивит нас, если мы представим себе, что моря - это впадины, в которых скапливаются отложения; для осадков, отложившихся на суше, вероятность размыва гораздо больше, чем для морских отложений.

Фото 3. Слои осадочных пород, выходящие в стенке Большого каньона вблизи устья Шинумо-Крик (вид на северо-запад, вниз по течению). Расстояние по вертикали от края обрыва до русла реки Колорадо (на переднем плане) около 1600 метров

Сравнение ископаемых морских организмов с подобными же организмами, живущими сейчас, хорошо показывает, что они жили не в глубоком море, а на мелководье, глубиной около 200 метров, напоминающем современные моря континентального шельфа. Многие виды жили совсем на мелководье, у самого берега. И тут мы подходим к главному пункту в наших рассуждениях. Хотя многие организмы, найденные в ископаемом состоянии в пластах пород, напоминают современные, лишь немногие из них относятся в точности к тому же виду, что и организмы, живущие в настоящее время. Они отличаются, причем эти отличия больше всего выражены в нижних, самых древних слоях и меньше в верхних, молодых. Другими словами, ископаемые организмы постепенно изменяются при переходе от нижних слоев к верхним, а как мы помним, переход от нижних слоев к верхним соответствует движению вперед во времени. Эти различия означают, что организмы изменялись с течением времени, и мы можем проследить эти изменения по остаткам, которые сохранились в пластах. Конечно, перемены происходили очень медленно.

Как мы увидим позднее, процесс эволюционных изменений не является процессом, автоматически совершающимся в самих организмах. В своей основе этот процесс состоит из изменений, являющихся косвенной реакцией на условия среды, в которых живут эти организмы. По мере того как под влиянием медленных движений земной коры или других причин моря заливали сушу или отступали, сообщества морских организмов соответственно распространялись или смещались и при этом медленно эволюционировали, то есть изменяли форму. Скорость расселения организмов была гораздо больше, чем скорость, с которой они сами изменялись. Поэтому измененные формы легко распространялись повсеместно, так что сейчас ископаемые, совершенно одинаковые или близкие по форме, могут встретиться в приблизительно одновозрастных слоях на территории двух и более континентов.

Фото 4. Ископаемые остатки беспозвоночных, обнаруженные на поверхности слоя известняка. Этот слой когда-то был дном мелководного моря, покрывавшего часть американского континента сотни миллионов лет назад

В качестве современного примера быстрого распространения организма можно привести моллюска Littorina littorea, обычно встречающегося в прибрежном мелководье. До 1852 г. этот моллюск обитал только на побережье Европы. Между 1852 и 1857 гг. он обосновался в бухте порта Галифакса (провинция Новая Шотландия, Канада), куда он предположительно был завезен с каким-либо кораблем, прибывшим из Европы. Моллюск быстро распространился к югу и, как было установлено, к 1880г. достиг гавани Нью-Хейвен, .штат Коннектикут, США, причем на сей раз он двигался самостоятельно, не прибегая к помощи кораблей. Отсюда следует, что средняя скорость его движения составляет около 50 километров в год. При такой скорости, если бы он мог двигаться повсюду, не встречая преград, чего в действительности не было, этот моллюск распространился бы по всему земному шару менее чем за 1000 лет.

Сходство эволюционного процесса, которое прослеживается в общих чертах во всем мире, имеет большое значение. Мы можем сказать, что два пласта, встреченные на двух разных континентах, но содержащие близкий комплекс ископаемых, должны быть близки по возрасту. Справедливость этого заключения стала очевидной за сто лет до того, как оно было подтверждено измерениями возраста, основанными на радиоактивности. Благодаря этому соответствию возможно сопоставление или корреляция пространственно разобщенных пластов в различных частях одного и того же континента или на различных континентах (Это утверждение только приблизительно правильно. Земная поверхность своим разнообразием влияет на эволюцию организмов и их расселение. Поэтому одновозрастные слои могут содержать в разных местах и существенно различные ископаемые остатки организмов. - Прим. ред).

Геохронологическая шкала

Корреляция, осуществленная на основе ископаемых остатков, сделала возможным составление стандартного перечня слоев, имеющего форму диаграммы, называемой геохронологической шкалой. Эта шкала составляет основное содержание стратиграфии - науки о слоях. Она является той основой, к которой мы пытаемся привязать большую часть накопленной нами информации о Земле. В ней объединены все известные слои, согласно тому положению, которое они занимают друг относительно друга. Таким образом, получается график, имеющий вид колонки, состоящей из слоев. Простейшая форма его дана в таблице 1, где показаны наиболее крупные единицы стратиграфической шкалы, без многочисленных подразделений. Основные единицы шкалы названы по названиям слоев пород, содержащих характерные ископаемые. Эти единицы группируются в системы, отделы и т. д., как показано на схеме. Названия их обозначают также и соответствующие промежутки времени. Таким образом, мы можем сказать, что слои, составляющие девонскую систему (или просто девонские слои), отлагались в течение девонского периода. Этот период, как показывает таблица, длился от 415 до 360 миллионов лет назад, то есть приблизительно 55 миллионов лет.

В деталях геологическая шкала представляет собой систему, подобную системе расстановки книг на полках большой библиотеки. Новые книги, поступающие в библиотеку, зандсятся в каталог и затем расставляются на полках в соответствии с их положением в системе. Таким образом, библиотека постоянно пополняется. Подобным же образом поступают и с вновь открытыми слоями. В конце 50-х годов двадцатого века, когда геологи начали изучать горные породы Антарктиды на основе имевшейся системы, они нашли в почти неизвестных слоях этого континента характерные ископаемые, по которым смогли выделить в различных районах отложения, относящиеся ко многим крупным подразделениям геологической шкалы. Это один из примеров постоянно происходящего пополнения стратиграфической колонки.

Главная причина, по которой геологическая шкала представляет собой идеализированный, а не реально существующий объект, заключается в том, что ни в одной части континента не встречаются отложения всех крупных и мелких подразделений шкалы, образующие непрерывную последовательность. Это происходит потому, что все слои ограничены в своем распространении. Площадь, на которой встречается какой-либо слой осадочных пород, не превышает площадь соответствующего морского бассейна, в котором отлагались эти осадки. Правда, некоторые мелководные моря были очень обширными. Около 100 миллионов лет назад один из таких бассейнов простирался от южной Мексики к северу через всю Северную Америку до Северного Ледовитого океана, разделяя континент на два отдельных массива суши. Однако большинство морских бассейнов были меньших размеров, и ни один из них не занимал в какой-либо момент времени целый континент. Таким образом, каждый слой первоначально занимал ограниченную площадь. Площадь многих слоев далее еще более уменьшалась в результате эрозии, которая во многих бассейнах уничтожала часть - и даже, большую часть - слоя до того, как этот слой перекрывался следующим. Обычно следы эрозионной деятельности сохраняются на поверхности, разделяющей верхнюю часть эродированного слоя и основание вышележащего (рис. 8).

Рис. 8. Две серии морских слоев, обнажающиеся на склоне современной долины. После того как была отложена более древняя серия А, мелководное море отступило, и поверхность П подверглась размыву. Реки прорезали долины Д. Позднее море вторглось на эту территорию и затопило размытую поверхность Я, которая постепенно оказалась погребенной под новой серией осадков Б. Затем море снова отступило, и осушенная поверхность подверглась расчленению современными долинами СД. Серии А и Б залегают несогласно (с перерывом) по отношению друг к другу, что можно видеть на поверхности раздела П

Таким образом, геологическая шкала представляет собой одновременно схему и каталог. К началу XX в. были уже известны основные подразделения шкалы, показанные в таблице 1, а также характерные для каждого из них ископаемые. Не хватало только временных характеристик, для которых требовалось определение возраста.

Геологическое летоисчисление

Потребность в надежных способах определения времени стала ощущаться задолго до того, как были выделены основные подразделения геохронологической шкалы. Были сделаны попытки определить возраст наиболее древних осадочных пород. Пытались, например, разделить суммарную мощность морских осадочных пород на континентах на толщину слоя осадков, ежегодно выносимого с континентов реками. Считалось, что полученный результат представляет минимальное время, за которое могла накопиться толща осадочных пород. Но этот простой расчет включал некоторые неизвестные факторы, которые поэтому должны были оцениваться произвольно. Наиболее ошибочные выводы влекло за собой предположение о том, что скорость поступления осадков всегда была одинаковой; сейчас мы знаем, что это не так. Величины, полученные с помощью этого расчета - от 100 до 300 миллионов лет - не удовлетворяли большинство ученых, которые полагали, что наиболее древние осадочные пласты должны быть гораздо старше.

Определение возраста радиометрическим методом. Следующий этап в определении времени событий истории Земли начался в 1896 г. с открытием естественной радиоактивности. Исследования, последовавшие за этим открытием, положили конец приблизительности оценок, так как радиоактивность дает способ непосредственного измерения действительного возраста пород. В первой главе книги упоминалось, что внутреннее тепло Земли предположительно наполовину - результат естественной радиоактивности. Химические элементы, обладающие в той или иной степени естественной радиоактивностью, входят в состав большого количества минералов. К таким элементам относятся уран, торий, рубидий, стронций и углерод. Радиоактивные формы этих элементов обладают свойством самопроизвольного и постоянного распада атомов. При этом атомы испускают элементарные энергетические частицы и превращаются в "дочерние" атомы, которые по строению отличаются от исходных.

Для любого радиоактивного элемента скорость распада постоянна и может быть измерена с достаточной точностью. На этом основан способ определения возраста некоторых пород, сущность которого сводится к следующему. Породы состоят из минералов, а минералы содержат различные элементы, в том числе и радиоактивные. В любом минерале, входящем в состав магматических пород, радиоактивный распад начинается с того момента, как минерал выкристаллизовался из магмы. Для каждого радиоактивного элемента известны две величины: исходное количество этого элемента в минерале и скорость распада. Третья величина - количество элемента в минерале в данное время - может быть измерена. Если все эти три величины известны, можно рассчитать время, прошедшее с момента кристаллизации минерала из магмы и определить приблизительно - с точностью до 5% - возраст магматической породы, в состав которой входит этот минерал.

Подобным же образом для минерала, входящего в состав метаморфической породы, мы можем рассчитать время, прошедшее с момента кристаллизации новых минералов в породе из элементов, присутствовавших в ней до начала метаморфизма. Таким образом, измерения радиоактивности дают важную информацию о времени образования магматических и метаморфических пород. Иначе обстоит дело с осадочными породами.

В чем же их отличие? Хотя радиоактивный минерал может входить в состав осадочной породы, образовался он не в этой породе. Он был принесен откуда-то извне и представлял собой вещество иного происхождения и более древнее, чем порода, в образовании которой он участвовал. С тех пор, как минерал был отложен, он не подвергался перекристаллизации. Таким образом, естественный радиоактивный распад в некоторой, возможно в значительной, степени уже произошел в этом минерале до того, как он стал частью осадочной породы. Предположим, что мы измерили степень распада в этом минерале и таким образом получили его возраст. Все, что можно сказать на этом основании об осадочной породе как пласте, это то, что порода моложе, чем рассматриваемый нами минерал. Короче говоря, слой осадочной породы не может быть датирован непосредственно радиометрическим способом, то есть путем измерения радиоактивности. На первый взгляд это ставит нас в затруднительное положение, поскольку геохронологическая шкала основана на осадочных породах, и определение возраста требуется главным образом для подразделений этой шкалы.

Выход, однако, был найден. Геохронологическая шкала была датирована, по крайней мере частично, как можно видеть в таблице 1, и эти даты были получены для магматических пород. Каждая дата в таблице соответствует границе между двумя системами или двумя отделами. Большинство таких дат являются производными, не измеренными непосредственно, а полученными путем интерполяции данных, измеренных для образцов магматических пород. Тела магматических пород, выбиравшиеся для датирования, в большинстве случаев залегают на контакте с известными осадочными пластами. В таких случаях характер контакта ясно указывает, старше или моложе магматическое тело соседних осадочных пород. Зная это возрастное соотношение, возраст магматического тела можно принять за верхний или нижний предел возраста осадочного пласта.

Таблица 1. Геологическая шкала, основные планетарные подразделения, датировки и события в развитии жизни (датировки приведены по неопубликованным данным Р. Л. Армстронга, 1971)

Чтобы увидеть этот принцип в действии, рассмотрим рис. 9, на котором показана последовательность осадочных пластов. Принадлежность их к определенным системам устанавливается по содержащимся в них ископаемым, поэтому они поименованы в соответствии с геохронологической шкалой. Между верхними пластами залегают два древних лавовых потока; в нижних пластах имеются две дайки (рис. 5), представляющие результат интрузий магмы. Возраст этих даек по радиометрическим определениям составляет соответственно 250 и 210 миллионов лет. Во время затвердевания магмы, послужившей исходным материалом для образования этих даек, осадочные пласты в узкой зоне соприкосновения с магмой "спеклись" и подверглись химическим изменениям в результате воздействия горячей магмы. Однако измененная зона отсутствует на верхней поверхности даек. Это означает, что во время образования интрузии и затвердевания магмы слой, который сейчас перекрывает дайку, еще не образовался. В противном случае, он также подвергся бы изменениям под действием тепла и химических реакций. Поэтому поверхности раздела, к которым приурочены кровли обеих даек, должны быть результатами двух длительных периодов, в течение которых эрозия уничтожила слои, некогда залегавшие выше современных поверхностей раздела. Следовательно, эти поверхности, подобно поверхности (П) на рис. 8, являются поверхностями несогласия. Учитывая радиометрические датировки этих двух даек, можно видеть, что триасовый пласт, который моложе одной из даек, но старше другой, должен иметь возраст менее чем 250, но более чем 210 миллионов лет. Вычитая одну цифру из другой, получаем 40 миллионов лет - максимальную продолжительность триасового периода, определенную для этого частного случая.

Рис. 9. Определение возраста осадочных пластов на основе их соотношения с телами магматических пород, возраст которых известен

Обращаясь к двум древним лавовым потокам, мы применяем тот же принцип. Лава изменила нижележащие породы, но не воздействовала на вышележащие, так как последние отлагались лишь после затвердевания потока лавы. Радиометрический возраст слоев лавы свидетельствует о том, что в данном случае юрские слои не старше 200 миллионов лет и не моложе 140 миллионов лет и что продолжительность юрского времени (по этим данным) составляет 60 миллионов лет. Эти цифры постоянно уточняются с помощью новых радиометрических датировок магматических пород, находящихся в подобном соотношении с осадочными слоями в других частях света. Цифры, приведенные в таблице 1, представляют собой результат, полученный к настоящему времени, однако в будущем и данные цифры должны быть в свою очередь уточнены. Датировка подразделений геохронологической шкалы, как и строение самой шкалы, постоянно уточняется.

Как показывает таблица 1, систематические датировки слоев заканчиваются на уровне 580 миллионов лет, вблизи основания кембрийской системы. Нижележащие докембрийские породы включают лишь небольшое количество осадочных пластов и главным образом состоят из сложного комплекса магматических и метаморфических пород. Многие из этих пород, были датированы. Измеренный до настоящего времени возраст наиболее древних пород достигает 3,7 миллиарда лет, но, конечно, будут обнаружены и более древние. Что касается возраста самой Земли, то он не определен точно, но различные данные, в том числе астрономические, позволяют предположить, что Земля как планета насчитывает 4,5 миллиарда лет.

Радиоактивный углерод. Определение возраста радиоактивных атомов (изотопов) в минералах имеет в большинстве случаев один существенный недостаток. Скорости радиоактивного распада настолько малы, что многими существующими методами измерений нельзя установить различие между совсем молодыми породами, имеющими возраст в несколько сот тысяч лет. Поэтому, в общем, у нас мало надежных определений возраста в интервале, скажем, последних 500 000 лет; одним из исключений являются датировки, полученные измерениями содержания радиоактивного углерода (С^14). Этот изотоп углерода распадается довольно быстро, что делает его пригодным для датировки объектов, возраст которых заключен в пределах около 50 000 лет. Радиоактивный углерод играет важную роль в биосфере, что дает возможность определять возраст не самих пород, а органического вешества, содержащегося в горных породах.

Радиоактивный углерод постоянно возникает в атмосфере под действием радиации, поступающей из космического пространства. Он смешивается с обычным, нерадиоактивным углеродом, образует углекислый газ (СО_2) и быстро распространяется по всей атмосфере, гидросфере и биосфере. Его количественное соотношение с обычным углеродом остается постоянным во всей системе, так как скорость радиоактивного распада находится в равновесии со скоростью образования радиоактивного углерода, пока последняя сохраняется постоянной. Поэтому концентрация радиоактивного углерода, его "устойчивое содержание", должна быть постоянной в пробах воздуха, пресной или соленой воды, древесине или листьях дерева, в тканях тела любого животного до тех пор, пока дерево или животное живы. Но со смертью организма содержание радиактивного углерода в его тканях убывает, поскольку его потери вследствие радиоактивного распада не восполняются. Путем измеоений и расчетов может быть определено содержание радиоактивного углерода (часто с погрешностью всего в несколько процентов), оставшееся в образце органического вещества, и, следовательно, время, прошедшее после смерти организма.

Радиоуглеродное датирование необычайно важно. Оно дает возможность проследить историю первобытного человека, а также животных и растений в течение последних 50 000 лет. С его помощью определяется также время многих событий последнего из великих оледенений, включая грандиозное вторжение льда в Северной Америке и Европе, достигшее максимума приблизительно 20 000 лет назад. В нашем рассказе мы используем многие радиоуглеродные датировки, а также другие определения возраста гораздо более древних объектов, обычно самих горных пород.

Литература

Paul Henry, 1966, Ages of rocks, planets, and stars: McGraw-Hill Publishing Co., New York.

Кay G. M., Соlbert E. H., 1965. Stratigraphy and life history: John Wiley 8c Sons, New York.

Libby W. F., 1961, Radiocarbon dating: Science, v 133, p. 621-629.

Woodford A. O., 1965, Historical geology: W. H. Freeman & Co., San Francisco, p. 191-220, discussion of radiometnc ages.

Глава четвертая. Материки смываются в океан

Принцип актуализма, на котором основаны наши представления об истории Земли, гласит, что в геологическом прошлом действовали те же процессы, что и сейчас. Если мы будем следовать этому принципу, то, чтобы проследить, что происходило в прошлом, мы должны понять, как протекают внешние процессы в настоящее время. Зная свойства осадков, образующихся в результате каждого процесса, мы можем распознать те же свойства в осадочных слоях. Эти свойства, как и ископаемые, содержащиеся в слоях, помогают восстановить условия, в которых накапливались слои, и таким образом позволяют реконструировать последовательность событий. В данной главе, а также и в последующих главах описывается ход некоторых современных процессов и характерные особенности, по которым эти процессы можно распознать.

Выветривание

Химическое разложение. Что происходит со стальным или железным гвоздем или консервной банкой (сделанной из стали), если их вынести из закрытого помещения и оставить на открытом воздухе во влажном климате? Хорошо известно, что через несколько дней на них появится ржавчина. Железнодорожные рельсы блестят потому, что по ним движутся колеса вагонов, но заброшенные рельсы сразу же начинают ржаветь. Желтовато-коричневая ржавчина - это минерал лимонит (В действительности это группа минералов), образованный химическим соединением атмосферного кислорода и воды с железом. Процесс его образования включает две химические реакции - окисление и гидролиз. И стальная консервная банка, и стальной гвоздь неустойчивы во влажном воздухе, и, когда они попадают в такие условия, они начинают разлагаться. При этом разложении образуется лимонит - материал, устойчивый в этих новых условиях. Сходные реакции происходят, когда железосодержащий минерал (как, например, биотит или роговая обманка) подвергается воздействию атмосферы. Порода, например гранит, в состав которой входит этот минерал, скоро начинает покрываться ржавыми пятнами, означающими образование лимонита. Путем окисления и гидролиза железо, содержащееся в биотите и роговой обманке, видоизменяется, приобретая более устойчивую форму, а порода начинает разлагаться. Эти и многие другие химические реакции в совокупности образуют процесс, называемый выветриванием, в результате которого горные породы (и осадки), подвергающиеся воздействию атмосферы, разрушаются и разлагаются. Выветривание происходит повсюду на поверхности Земли, а также и ниже ее поверхности, вплоть до глубины, на которую проникает вода и воздух. Поверхность раздела горных пород и атмосферы - это граничная поверхность, а мы уже отмечали, что границы способствуют активизации процессов. В данном случае на поверхности раздела присутствует и гидросфера; дождевая вода, как и воздух, оказывает действие на породу.

Общий процесс выветривания включает и другую реакцию - растворение, результаты которого часто можно видеть на статуях и стенах зданий, построенных из известняка или мрамора. Эти два типа пород состоят почти целиком из минерала кальцита, растворимого в угольной кислоте. Эта кислота образуется при взаимодействии дождевой воды с углекислым газом; последний же в большом количестве образуется на поверхности земли и в почве при разложении растений в результате деятельности бактерий. Кальцит просто растворяется, и продукты растворения уносятся водой, медленно просачивающейся сквозь землю.

Другая реакция, относящаяся к процессу химического выветривания, тоже является результатом воздействия угольной кислоты. В этом случае кислота действует на полевые шпаты, в значительном количестве содержащиеся в большинстве магматических и многих метаморфических породах. Например, ионы водорода, выделившиеся из угольной кислоты, проникают в молекулу полевого шпата - ортоклаза, а вода соединяется с остальными компонентами и образует гидроалюмосиликат, принадлежащий к группе минералов, входящих в состав глины.

Химическое выветривание разрушает магматические породы всюду, где они подвергаются воздействиям атмосферы, и образует в огромных количествах глину. Глина в свою очередь постепенно смывается, частично в виде ила, несомого реками, и большей частью осаждается в конце концов на дне моря. Разрушение полевого шпата и других силикатов ослабляет связи между этими минералами и расположенными вплотную с ними кристаллами кварца. Таким образом, высвобождаются зерна кварца, устойчивые в условиях земной поверхности и потому противостоящие химическому выветриванию. Рано или поздно они смываются вниз по склону и переносятся реками в бассейны, в которых осаждаются, образуя слои кварцевых песков. Этот важный процесс сортировки, начинающийся с выветривания, успешно отделяет кварцевый песок от силикатов, преобразующихся в глину.

Если массив, сложенный коренными породами, долгое время (скажем, несколько миллионов лет) подвергается химическому выветриванию на территории, где эрозия протекает настолько медленно, что продукты выветривания могут скапливаться на месте, то в результате возникает зона, образованная рыхлым материалом, залегающим в виде чехла на поверхности Земли, а ниже постепенно переходящая в невыветрелые коренные породы. Это выветрелая зона [кора выветривания. - Ред.] может иметь толщину до 30 и более метров и не иметь резкой границы в основании. Первоначально резкая граница между горными породами и атмосферой затушевывается при образовании глин - продуктов выветривания, устойчивых при данных условиях. Поэтому глина остается на поверхности, а под ней продолжается активное химическое выветривание коренных пород.

Фото 5. Гранитный массив в горах Сьерра-Невада, Калифорния, подвергшийся растрескиванию в виде 'чешуек', параллельных поверхности. Для масштаба в центре снимка помещен человек

С поверхностью земли совпадает только кровля выветрелой зоны. Остальная часть ее расположена ниже. Это указывает на тот факт, что воздух и дождевая вода проникают в грунт местами до большой глубины. В невыветрелые горные породы вода и воздух проникать не могут, но они могут перемещаться вниз по трещинам, разбивающим всю толщу пород, и вызывать химические изменения вдоль поверхностей трещин. Кроме того, возможно медленное проникновение воды и воздуха в мельчайшие щели между соседними зернами или кристаллами. В каждой точке вдоль путей движения воды и воздуха химические процессы разрушают породу и увеличивают количество пустот. Чем больше поверхность, вдоль которой вода и воздух проникают в породу, тем быстрее происходит выветривание. Если мы представим себе всю массу породы, разделенной на кубы равной величины, мы поймем, что каждый раз, когда куб делится на 8 меньших кубов, общая площадь поверхностей куба удваивается. Поскольку химические изменения при выветривании происходят на поверхностях (являющихся поверхностями раздела), постольку при этом возрастает возможность таких изменений. При делении 1 см^3 на частицы размером с мельчайшие частицы глинистых минералов общая площадь поверхности первичного куба возрастает до 0,4 га! Таким образом, при растрескивании породы подготавливается путь для химического выветривания.

Глина и другие продукты выветривания удаляются эрозией, особенно в горах и вообще на крутых склонах. В результате этого на поверхность выходит невыветрелая порода, подвергающаяся активному химическому воздействию. В главе второй рассказано о том, как гранит, образовавшийся при затвердевании магмы на большой глубине, постепенно выводится на поверхность. Веками происходящее удаление мощного чехла пород, первоначально покрывавших крупный гранитный массив, имеет важные последствия. По мере уничтожения этого чехла постепенно меняются условия, в которых находится гранит. Постепенно понижаются давление и температура. Наконец, когда кровля гранита полностью эродирована, он появляется на поверхности Земли и попадает в совершенно новые условия, характеризующиеся наличием воздуха, воды и кислорода. С исчезновением вышележащих пород объем гранита увеличивается, он трескается и даже подвергается разрывам; он не распадается на отдельные зерна, но в нем возникают трещины, параллельные поверхности (фото 5). Большая часть минералов, из которых состоит гранит, образована глубоко в толще коры и имеет строение, соответствующее высокому давлению и температуре, плохо приспособлена к более "легким" условиям на поверхности и чувствительна к воздействиям атмосферы и гидросферы. Подобно жестяным банкам, вынесенным из помещения на открытый воздух, эти минералы становятся "жертвой" изменившихся условий. Они химически разлагаются на составные элементы, которые дают начало новым веществам, приспособленным к существованию в условиях земной поверхности. Как показано в одной из последующих глав, подобные вещи происходят и в биосфере.

Эти химические преобразования минералов на поверхности Земли оставляют следы, по которым наличие таких преобразований может быть установлено много лет спустя после того, как произошли сами изменения. Те или иные участки земной коры постоянно прогибаются, образуя широкие, но неглубокие желоба или впадины; некоторые из них затопляются морем. Если на поверхности погруженного участка имеется зона выветрелых пород, она постепенно покрывается слоем донных морских осадков. Позднее, когда эта часть коры снова испытает поднятие, эрозия снова выведет на поверхность зону выветрелых пород из-под слоя морских отложений.

Механическое разрушение. Хотя большая часть процессов выветривания относится к химическим, существуют и механические процессы. Коренные породы и частицы рыхлого грунта расщепляются большими и малыми корнями растений. Черви, муравьи, термиты, закапываясь в рыхлый грунт, выносят огромное количество мелких частиц породы на поверхность (по одной из оценок 10 тонн на 0,4 га в год), в буквальном смысле выворачивая грунт наизнанку. Наконец, на вершинах высоких гор и в холодных высоких широтах агентом механического разрушения пород является лед. При замерзании воды и образовании льда объем ее увеличивается на 9%. Давление замерзающей в трещинах воды раздвигает стенки трещин. Там, где при суточных колебаниях температура ниже точки замерзания, как это бывает в высоких широтах или в горах, огромные площади покрыты обломками пород, совершенно скрывающими находящиеся ниже коренные породы. Эти продукты механического разрушения, в отличие от химически измененного материала, почти не отличаются от исходных пород.

Процессы растрескивания (фото 5), которым подвергаются выведенные на поверхность в результате длительной эрозии грубозернистые магматические породы, мы лишь условно относим к процессам выветривания. Трещины возникают не потому, что на породы воздействует атмосфера и гидросфера, а потому, что по мере приближения массива пород к поверхности огромное давление, под которым формировались породы, снижается почти до нуля.

Снос продуктов выветривания

Превращая различными способами коренные породы в рыхлый материал, химическое и механическое выветривание подготавливают породы к следующей фазе кругооборота пород - переносу в пониженные участки. Рыхлая масса на склоне не неподвижна - она перемещается. Сила тяжести действует на нее в направлении вниз по склону, к ближайшему водотоку (рис. 10, правая часть). Временами происходит быстрое смещение большой массы в виде оползня. Часто рыхлый материал смывается вниз по склону, особенно во время сильных ливней, а иногда медленно стекает, образуя языкообразные потеки, состоящие из жидкой грязи и камней. Но большая часть продуктов выветривания движется вниз незаметно, со скоростью всего около 2,5 сантиметра за 5-10 лет. Все виды процессов, в результате которых происходит смещение рыхлого грунта вниз по склону, - медленное сползание, оползни и другие - известны под общим названием склоновых процессов.

Рис. 10. В водоток поступает вода (в ходе круговорота воды) и наносы (в процессе круговорота пород). Слева показано движение только воды, справа - только продуктов выветривания. В действительности оба процесса происходят на обоих бортах долины

С точки зрения человека скорость движения, составляющая 2 5 сантиметра за 10 лет, представляется небольшой. Но в рамках геологического времени этой скорости достаточно, чтобы поддерживать в активном состоянии круговорот вещества пород При этой скорости (25 сантиметров за 100 лет) данный объем рыхлого грунта переместится с вершины к подножию горного склона длиной 1,6 километров приблизительно за 630 000 лет. Но Северная Америка существует как область, где преобладает суша, по крайней мере в тысячу раз дольше по сравнению с этим временем, а может быть и еще дольше. Таким образом, если мы представим себе, что склоновые процессы действуют на каждом склоне каждого континента, то нас поражает, насколько велик общий объем осадков, поступающих со склонов в реки хотя бы в течение одного года.

Рыхлый чехол продуктов выветривания покрывает 3/4 общей площади суши; поэтому, несмотря на его малую толщину и преимущественно небольшую скорость движения, объем материала, перемещаемого склоновыми процессами, огромен. Точной цифры никто не знает, но можно предполагать, что объем склонового материала, поступающего ежегодно в реки, достигает несколько сотен кубических километров. Находящиеся в движении или перемещенные и отложенные продукты выветривания горных пород по определению являются отложениями, вне зависимости от того, какие процессы их перемещают или переместили. Однако большая часть отложений на суше переносится водотоками.

Водотоки

Изменения расхода водотоков. Подготовленная выветриванием и перемещаемая вниз по склону склоновыми процессами масса рыхлого материала рано или поздно достигает водотока, где она начинает двигаться совершенно иначе. Чтобы понять, что при этом происходит, мы должны более внимательно исследовать, что же именно заставляет водоток непрерывно двигаться. Прежде всего посмотрим на искусственный водоток, текущий в сточной канаве или трубе, отводящей дождевые воды и различные отходы с шоссе, улиц или из зданий. В промежутках между дождями во многих канавах сток прекращается, потому что бетонные стенки изолируют их от грунта и грунтовая вода в них не попадает. Не таковы природные водотоки. За исключением пустынь и других засушливых территорий, водотоки продолжают течь повсюду в любую погоду. Их объем постоянно меняется, но течение не прекращается, потому что они постоянно питаются водой, впитывающейся в грунт вокруг них и просачивающейся в русло. Большая часть грунтов, как скальных, так и рыхлых, проницаема для воды, то есть вода может в них просачиваться и медленно перемещаться, используя мельчайшие поры, соединенные между собой. При каждом дожде грунт поглощает воду, и после медленного подземного путешествия, долгого или краткого, эта грунтовая вода просачивается в ближайший водоток (рис. 10, левая часть), вне зависимости от того, выпадает в это время дождь или нет. Таким образом вода, заключенная в грунте, регулирует течение водотока, питая его по всей длине в промежутках между дождями. Это позволяет водотоку действовать как транспортирующий агент постоянно, а не только во время дождей. Наносы попадают в водоток способом, во многом схожим со способом поступления грунтовых вод. Медленное смещение грунта и другие склоновые процессы питают водоток наносами по всей его длине (рис. 10, правая часть).

Перенос отложений. Как только частицы породы попадают в водоток, они начинают двигаться гораздо быстрее, чем тогда, когда они медленно смещались по склону долины. Но в водотоке их движение менее устойчиво. Несмотря на питание грунтовыми водами, объем водотока колеблется по сезонам и даже в зависимости от погоды. Дожди вызывают паводки, а во время засухи водоток уменьшается в размерах.

Фото 6. Один из путей снабжения водотока наносами. Водоток во время паводка подмывает песчаный откос на одном из берегов

Текущая вода, изобилующая завихрениями и водоворотами, перемещает наносы в соответствии с размерами, формой и весом частиц. "Грубые" частицы (песчаные зерна и более крупные обломки) движутся не так, как "тонкие" (частицы ила и глины). Крупные частицы, которые вообще могут двигаться, перекатываются, скользят или перемещаются "скачками" по ложу потока, а мельчайшие частицы ила и глины, взвешенные в воде, несутся над ними, будучи увлекаемы вихрями и водоворотами, и лишь редко касаются дна. Только быстрые реки имеют достаточную силу, чтобы двигать крупную гальку и валуны. Большинство этих рек находятся в горах и стекает с крутых склонов; но даже из таких рек многие могут перемещать крупные валуны только при катастрофических паводках, когда расход воды и скорость течения возрастают во много раз.

Когда паводок спадает, скорость течения уменьшается и все большая часть наносов в русле частица за частицей перестает передвигаться, причем самые крупные (и самые тяжелые) частицы останавливаются раньше всех. Более мелкие частицы отлагаются поверх тех, которые уже прекратили двигаться раньше. Этот процесс продолжается, и русло заполняется наносами до тех пор, пока убывает скорость. При этом отлагающиеся частицы оказываются отсортированными по размерам и весу в соответствии с убывающей силой водотока. Наиболее крупные обломки осаждаются в русле, а более мелкие выносятся вниз по течению. Сортировка является результатом "промывки" в текучей среде - в воде или в воздухе. Склоновые процессы, в которых жидкая среда почти не участвует, не производят сортировки рыхлого материала. Таким образом, сортировка представляет собой очень существенную часть медленного преобразования рыхлых продуктов выветривания, лежащих на склонах, в идеальную осадочную породу. Сортировку производят не только водотоки. Столь же эффективно сортируют осадки и другие виды водных, а также и воздушных течений.

Рис. 11. По всей обширной площади бассейна Миссисипи происходит перемещение наносов вниз по склонам в водотоки. Отлагаясь у устья главной реки, эти наносы создают в Мексиканском заливе дельту. Надводная часть дельты заходит далеко вверх по течению реки, но подводная часть (см. стрелки) по объему еще больше

Осадки, отложенные потоком, могут снова вовлекаться в движение при следующем паводке, переноситься дальше вниз по течению и снова подвергаться сортировке при отложении. Каждая их частица снова и снова подвергается этому процессу, пока не достигнет места своего окончательного отложения, соответствующего данной части круговорота пород.

Независимо от размера зерен, отложения водных потоков на суше носят название аллювия.

Водоток не только производит сортировку наносов. Как и морской прибой на пляже, он окатывает обломки. Следуя вниз по течению водотока, от истоков к устью, и изучая галечник, слагающий его ложе и берега, иногда можно проследить, что вниз по течению галька в среднем становится более мелкой и лучше окатанной. Исследуя размер зерен и степень окатанности в некоторых древних слоях осадочных пород, отложенных водотоками, мы можем, пользуясь принципом актуализма, до некоторой степени представить себе сушу, по которой протекает этот поток, и получить представление о дальности переноса отложений. Таким образом, восстанавливаются существенные элементы природных условий прошлого.

Рис. 12. Один из видов местных неровностей в продольном профиле водотока. В этом случае выход твердого и трудноразмываемого слоя песчаника среди менее устойчивых к размыву аргиллитов задерживает врезание и создает уступ, на котором образуется водопад. Примером служит Ниагарский водопад

Внимательное исследование аллювиальных отложений вдоль русла водотока, где они хорошо видны, показывает, что накопление наносов в русле происходит с большей изменчивостью, чем мы могли предполагать. Хотя в целом то, что наносы измельчаются по направлению к устью, справедливо, однако, некоторые, а может быть, и все изученные нами отложения состоят из слоев различной крупности, срезающих один другой и не обнаруживающих закономерного изменения в каком-либо направлении. В общем, это отражает повторяющиеся изменения объема и скорости водотока, вызывающие изменения диаметра частиц, отлагающихся в любой точке вдоль водотока. Такрг изменения могут быть сезонными, суточными или нерегулярными, но все они сказываются на процессе осадконакопления. Более того, само ложе любого водотока нестабильно. Мы видели, что при спаде паводка на нем происходит отложение наносов. Но когда паводок начинается, объем и скорость водотока возрастают, и наносы, которые до этого находились в покое, начинают перемещаться по поверхности ложа или подхватываются и уносятся потоком. Иначе говоря, поверхность ложа потока эродируется. Это чередование эрозии с отложением наносов оставляет след на аллювии.

Большая часть аллювия в долинах водотоков представляет собой временное образование. Наносы временами перестают откладываться, но постоянно перемещаются вниз по течению. В конце концов большая часть их достигает моря. Эти соотношения можно видеть на рисунке 13.

Рис. 13. С течением времени кривая профиля водотока выполаживается, последовательно занимая положения 1, 2, 3, 4 и т. д. Положение устья реки на уровне моря при этом почти не меняется. В момент времени, соответствующий положению профиля 5, весь материал горных пород, показанных на рисунке более редкой штриховкой, уже снесен эрозией, и сохранились только породы, показанные частой штриховкой. В море более редкой штриховкой показаны осадки, накопившиеся к моменту формирования профиля 5. Их объем должен быть равен объему горных пород, подвергшихся размыву на суше (изображение схематическое)

Профиль потока. Если мы нанесем на график профиль любого водотока от истока до устья, то независимо от его размера мы обнаружим, что он представляет собой кривую, обращенную выпуклостью книзу. Конечно, на нем есть неровности, вызванные выходами более "твердых" или более "мягких" пород, которые размываются с различной скоростью (рис. 12), а также подвижками земной коры, но нормальная форма кривой вогнутая (Но известны и другие формы кривых продольного профиля реки. - Прим. ред). Профили молодых водотоков представляют крутопадающие кривые, а длительно существующие водотоки (при прочих равных условиях) имеют более пологие профили. Этим подтверждается справедливость нашего утверждения о том, что в ходе истории водотока или системы водотоков их профили выполаживаются.

Рисунок 13 показывает этот процесс непрерывных изменений; на нем видно, что в любой момент количество наносов, которое транспортируется этой системой до моря и отлагается там, соответствует количеству продуктов размыва, удаленных с суши. На рисунке также видно, что накапливающиеся осадки становятся все моложе к верхним горизонтам, а профили потока становятся моложе по направлению к днищу долины, как показывают два ряда цифр, означающих относительное время. На рисунке схематически нанесено также положение вершин холмов, поднимавшихся над долиной во время, соответствующее профилю 1. По мере того как главный водоток врезается, врезаются и его притоки, а склоновые процессы снижают холмы на междуречьях. Вся поверхность снижается, а склоны выполаживаются. Если этот процесс продолжается достаточно долго, поверхность может быть снижена до уровня моря и достичь такого состояния, которое характеризуется низкими пологосклонными холмами и широкими долинами с очень пологим профилем. Такая поверхность представляет собой пенеплен. Этот термин, означающий "почти равнина", преувеличивает сглаженность поверхности. Обычно пенеплены пологохолмисты, подобно рассмотренному ниже примеру.

Пенеплены. Хотя пенеплены занимают очень обширную площадь, они относительно легко разрушаются. Когда при поднятии земной коры уклоны увеличиваются и начинается новый цикл эрозии, пенеплен подвергается разрушению и в конце концов оказывается уничтоженным. Но если участок коры, поверхность которого представляет собой пенеплен, прогибается, то вероятно, что по крайней мере часть пенеплена будет погребена под более молодыми отложениями и тем самым предохранится от эрозии до тех пор, пока снова не будет выведена на поверхность.

Погребенный таким образом пенеплен подстилает слой отложений мелового возраста на большей части Атлантического побережья Соединенных Штатов (рис. 14). По направлению в глубь суши, где перекрывавшие его слои снесены, древний пенеплен выходит на поверхность и лишь незначительно изменен возобновившейся эрозией. Ближе к морю он все еще остается погребенным, но его можно обнаружить на глубине буровыми скважинами и геофизическими исследованиями. Относительные превышения (расстояние по вертикали между вершинами холмов и днищами долин) местами превосходят 120 метров, но обычно гораздо меньше. Как можно было ожидать, холмы образованы плотными, менее размываемыми породами, в то время как понижения сформировались на участках выходов более слабого, легко размываемого материала.

Рис. 14. Погребенный пенеплен у восточного побережья США (изображение схематическое)

Последовательность исторических событий, создавших изображенные на рисунке 14 условия, представляется следующей:

1. Формирование пенеплена деятельностью водотоков и склоновыми процессами, продолжительность действия которых, возможно, достигала 100 миллионов лет.

2. Наклон этого участка коры к юго-востоку, вызвавший погружение части пенеплена под уровень моря. Отложение мощной толщи морских осадков мелового возраста.

3. Дальнейший прогиб поверхности, способствовавший отложению морских кайнозойских осадков поверх меловых пластов.

4. Поднятие суши, вызвавшее выход из-под уровня моря морских отложений в прибрежном районе, увеличение крутизны склонов, эрозионный размыв морских отложений и таким образом "откапывание" пенеплена. В настоящее время наклон пенеплена в сторону моря имеет порядок десятка метров на километр.

Все эти события могут быть реконструированы при внимательном изучении рисунка 14. Подобная интерпретация представляет собой один из главных путей восстановления истории Земли по горным породам.

Тесно связанная система

Несмотря на то что выпадение дождей, выветривание и работа водотоков представляют резко различающиеся между собой процессы, все они тесно связаны. Совершенно очевидна связь между годовым количеством осадков и числом водотоков на единицу площади. В пустынях водотоки (к тому же большую часть времени сухие) далеко отстоят друг от друга; в дождливых областях расстояние между ними невелико. Если пренебречь другими факторами, такими, как водопроницаемость горных пород, которая также влияет на густоту водотоков, мы можем сказать, что в любом районе густота речной сети как раз такова, что водотоки могут уносить воду, выпадающую в виде дождей и стекающую по поверхности,- не больше и не меньше. Если бы осадков выпадало больше, образовались бы новые водотоки; если меньше - некоторые водотоки высохли бы и, вероятно, с течением времени заполнились рыхлым материалом с соседних склонов.

Другое соотношение существует между скоростью эрозионного углубления долины водотоком (как на рис. 13) и скоростью выветривания и склоновых процессов на склоне долины. Если в результате поднятия земной коры или вследствие других причин профиль водотока станет круче, склоны долины тоже должны стать круче. В результате возрастет скорость движения рыхлого материала по склонам. Но если рыхлый чехол будет двигаться по склонам быстрее, он должен стать тоньше, а если уменьшится толщина рыхлого чехла, химическое выветривание будет более энергично воздействовать на коренные породы и таким образом ускорится превращение пород в рыхлый материал.

Все эти процессы тесно связаны между собой, образуя единую систему. Изменения в одной части системы воздействуют на все остальные ее части.

Место потоков в общей схеме

Пожалуй, большинство людей рассматривает реки и малые водотоки с точки зрения практических нужд повседневной жизни: водоснабжение, орошение, торговые пути, место отдыха. Несомненно, и первобытный человек в своих потребностях в воде зависел от рек и озер. Даже сейчас 75% воды, потребляемой в США, поступает из рек и озер и лишь на 25% используются грунтовые воды. Подобным же образом тысячелетиями реки давали воду для орошения или служили торговыми путями. Но сейчас, размышляя о динамике и истории Земли, мы рассматриваем водотоки в более широком смысле. Водотоки (совместно со склоновыми процессами) - главные агенты, формирующие ландшафт, они прорезают долины и оставляют между ними возвышенности. Хотя в некоторых пустынях нагромождения песчаных дюн созданы ветром, большинство пустынь мира характеризуется хорошо выраженными долинами. Это показывает, что даже в пустынях формирование поверхности осуществляется в основном водотоками. Некоторые области, в особенности в Северной Америке и Европе, во время последнего оледенения были обработаны ледниками. Но гораздо большая часть суши представляет собой закономерное чередование долин и возвышенностей, безошибочный признак деятельности водотоков.

Кроме того, реки являются основным путем выноса материала горных пород с суши в море. Они представляют важное звено в круговороте горных пород, звено, по которому поступает материал для образования осадочных пород.

Литература

Gilbert G. К.. 1886, The inculcation of the scientific method by example: "American Jour. Sci.", v. 31. p. 284-299. (Reprinted, p. 24-32 in Cloud. Preston, ed., 1970, Adventures in Earth history: W. H. Freeman and Company, San Francisco.)

Hubbert M. K., 1967. Critique of the Principle of Uniformity: p. 3-33 in С. C. Albrit-ton. Jr., ed., Geol. Soc. America Special Paper 89. (Reprinted, p. 33-50 in Cloud, Preston, ed., 1970, Adventures in Earth history: W. H. Freeman and Company, San Francisco.)

Lоngwell C. R., Flint R. F., Sanders J. E., 1969, Physical geology; John Wiley 8c Sons, New York. p. 135-313. Mather K. F., 1964, The Earth beneath us: Random House, New York.

Глава пятая. Океан: берега и рост континентов

Речные наносы поступают в море

В четвертой главе мы проследили путь наносов через континент, вниз по реке к океану. Попав в океан, речные наносы смешиваются с другими, образующимися при размыве береговых скал волнами. Эта смесь сортируется, распространяется по определенной площади и отлагается в виде слоев. Поняв, как это происходит, мы можем сравнивать слои, которые сейчас образуются на морском дне, с древними пластами морских осадочных пород и таким образом представить себе обстановку, в которой образовались древние отложения. Лучше всего начать с рассмотрения речных наносов, иногда образующих дельты в устьях рек. Скорость течения речной воды, когда она смешивается с водами океана, становится все медленнее и медленнее, а наносы, содержащиеся в ней, постепенно осаждаются на дне океана. Отлагаются сначала крупные частицы, а затем все более мелкие. Наиболее тонкие частицы, взвешенные в воде, опускаются так медленно, что некоторые из них уносятся очень далеко от суши, прежде чем осесть на дно. Однако частицы пород не обязательно сразу же оседают. На мелководье в прибрежной зоне вода далеко не спокойна. Она постоянно находится в движении; волны и течения подхватывают частицы, оседающие или уже осевшие на дно, и переносят их с одного места на другое. При этих перемещениях продолжается сортировка частиц, помимо той, которая осуществлялась при переносе наносов реками. Как и в русле реки, частицы породы неоднократно вовлекаются в движение и снова отлагаются. Рано или поздно они попадают на такую глубину, где волновые движения не достигают их, и там они отлагаются окончательно. К этому времени частицы очень хорошо отсортированы, равномерно распределены по дну и образуют слои, которые в конце концов станут слоями осадочных пород.

Действие прибоя на береговые скалы

Во время перемещения и переотложения принесенные рекой наносы смешиваются с наносами другого происхождения. Эти последние образуются при размыве горных пород, обнажающихся вдоль берега (рис. 15). Породы подвергаются воздействию прибоя, образующегося, когда волна разбивается о берег. Сила ударов прибоя о скалы, особенно во время штормов, может измеряться десятками тонн на квадратный метр. Эта сила сжимает воздух, находящийся в трешинах, и скальная порода раскалывается. Рыхлые отложения, не обладающие такой прочностью, не требуют столь сильного воздействия, они просто смываются. Подрезая и размывая породы, прибой врезается в берег, как пила, врезающаяся в стоящее дерево. Дерево в результате этого в конце концов падает. Породы же, слагающие берег, обваливаются по частям, по мере того как прибой подрезает их на уровне моря, оставляя обрыв нависающим без опоры. Из этих обвалившихся обломков породы начинает образовываться пляж. Набегающие и откатывающиеся волны двигают частицы обвалившихся пород взад и вперед, причем в результате постоянных ударов и трения друг о друга обломки становятся все меньше и меньше и приобретают гладкую окатанную поверхность. Рано или поздно даже самые крупные (первоначально неподвижные) обломки истираются песком и галькой до такого размера, что во время сильных штормов начинают слегка перемещаться. С этого момента измельчение их путем истирания или дробления до такой степени, что они становятся легко подвижными, - вопрос времени. После этого они смешиваются с прочими частицами на пляже, которые движутся то назад, то вперед.

Рис 15. Прибой воздействует на береговые скалы, 'подрезая' их и измельчая обломки. Обломочный материал перемещается постепенно дальше в море, в направлении, показанном стрелкой

В каком направлении движется эта процессия частиц? За длительный промежуток времени осадки смещаются в море. Пляж представляет собой обширный, но тонкий покров осадков, который начинается у подножия берегового уступа и продолжается в море до линии, на которой происходит опрокидывание волн, образующих прибой и воздействующих на дно на всем своем пути к берегу. Отложения пляжа становятся более тонкообломочными в сторону моря. На многих пляжах у подножия уступа находятся галька и валуны, сменяющиеся в направлении к морю песком. По мере увеличения глубин энергия прибоя убывает, а с ней убывает и максимальный размер частиц, которые могут перемещаться прибоем. Тонкие - илистые и глинистые - частицы остаются взвешенными, пока не осаждаются в более глубокой воде за пределами действия разбивающихся волн. Это другой пример сортировки осадков природными силами. Подобно отложениям в русле реки, которые постепенно измельчаются вниз по течению, отложения пляжа становятся более тонкими в сторону моря. Такая сортировка, сохраняющаяся, конечно, и в пластах осадочных пород, дает нам ключ к определению направления, в котором текли древние реки, и положения древних побережий.

Степень сортировки и окатанности песка и гальки на пляже и в донных отложениях за пределами пляжа очень велика. Причиной этого является главным образом то обстоятельство, что прежде, чем достичь места окончательного отложения, частицы неоднократно перемещаются, и не только вперед и назад в полосе прибоя, но также и вдоль берега. Волны, направление которых зависит от направления ветра, редко движутся строго перпендикулярно берегу. Обычно прибой подходит к берегу под углом. Каждая песчинка и галька в прибое выносится волной на берег по косой траектории. Но когда волна отступает, частица откатывается в море по наиболее прямому пути, перпендикулярно берегу. Таким образом частицы осадков в прибое движутся вдоль берега иногда на многие километры, зигзагообразно перемещаясь каждой набегающей и откатывающейся волной (фото 7). Если меняется ветер и волны начинают подходить к берегу под другим углом, осадки могут перемещаться в обратном направлении. Такая система представляет собой огромную мельницу, измельчающую песчинки и все более окатывающую их.

Фото 7. Прибой на пляже Калифорнии, севернее Сан-Франциско. Пунктирной линией со стрелками показан в обобщенном виде зигзагообразный путь песчинки, движущейся вдоль пляжа в сторону наблюдателя

Сортировка, которая происходит далее в море, подобна сортировке, происходящей в дельте. Она зависит главным образом от глубины и отчасти является причиной того, почему песчаники, алевролиты и аргиллиты хорошо отделяются друг от друга во многих разрезах осадочных пород.

Осадки на дне глубокого моря

До сих пор мы ничего не говорили о том, насколько далеко в море уносятся продукты размыва суши, принесенные реками или созданные прибоем. Однако вопрос этот важен для понимания истории осадочных пластов, накопившихся на дне моря. Решить его можно, взяв образцы донных отложений на различном расстоянии от суши и затем сравнив их между собой.

Тщательное опробование таких отложений влечет множество технических трудностей. Нелегко получить цельный образец грунта со дна, из-под огромной толщи воды. Только в последние десятилетия методика донного опробования была развита настолько, что позволила получить довольно хорошее представление не только о самом дне, но и о подстилающих его отложениях. На рисунке 16 показано различие между континентальными шельфами, на которых глубина воды в среднем не превышает 200 метров, и глубоководными участками дна, где глубина в среднем равна 3,8 километра, а местами составляет до 11 километров. Эти две разные области имеют и различную историю. Мы рассмотрим их по отдельности, начиная с отложений.

Глубоководная область океана по площади в пять раз больше всех шельфов, вместе взятых. Многое из того, что сейчас известно об отложениях на этих огромных глубинах, мы узнали только после 1950 г (Еще позже началось бурение дна океана, производимое с судна США "Гломар Челенджер". - Прим. ред). В это время во всем мире начала проводиться обширная международная программа изучения дна океана. Донные отложения слоисты, некоторые образцы содержат слои, представляющие собой результат непрерывного накопления осадков в течение десятков тысяч лет геологического времени.

Рис. 16. Континентальные шельфы (показаны черным), если взять их все вместе, увеличивают площадь континентов примерно на 10%. Карта составлена в необычной проекции, чтобы избежать искажений площади континентов и шельфов. Все они показаны почти в одном масштабе (шельфы нанесены по данным Менарда и Смита, 1966)

После высушивания керн разделяется на тонкие срезы для изучения под микроскопом. Под большим увеличением можно видеть, что осадок состоит из скопления отдельных разнообразных частиц. Произведя их классификацию и выделив три различные группы, можно установить источник и способ образования осадков. Первая группа, наибольшая по объему, состоит из крохотных раковин и скелетов морских животных и растений, представляя огромное количество ископаемых остатков очень небольшого размера. Очевидно, эти осадки являются "местными", образовавшимися в самом океане. Многие раковины состоят из минерала кальцита (СаСО_3). Кальций, входящий в его состав, имеет долгую историю. Он является продуктом химического выветривания горных пород на континентах. Раствор кальция в грунтовых водах просачивается в реки и выносится ими в море. Там его извлекают из воды мелкие морские организмы и соединяют с углеродом и кислородом, растворенными в морской воде в виде двуокиси углерода. Из этого соединения - кальцита - организмы строят свои панцири.

Другая группа тонких частиц по происхождению чужда океану; она принесена с суши. Эти частицы имеют различное происхождение. Среди них есть глинистые минералы, образованные при выветривании полевых шпатов и других минералов на поверхности континентов и затем вынесенные в море реками. Их частицы настолько малы, что, прежде чем попасть в виде отложений на дно, они уносятся далеко от суши, на которой образовались. Другие глинистые частицы, тоже являющиеся продуктами выветривания, были подхвачены ветром на сухих участках и принесены им в море, где они упали в воду и медленно опустились на дно. Некоторые тонкие частицы были выброшены в воздух при извержении вулканов и в конце концов достигли дна моря. Они, конечно, не являются продуктами выветривания. Это "новые" минералы, образовавшиеся непосредственно из магмы.

Таким образом, вторая группа морских донных осадков образовалась на континентах и затем была вынесена в море по рекам или попала в него через атмосферу. Третья группа, незначительная по количеству, состоит из мельчайших частиц, которые попадают в атмосферу Земли в виде метеоритов и в конце концов падают в океан. Они чужды Земле и попадают на нее из космического пространства.

Отложения континентальных шельфов

После того как мы произвели опробование отложений в глубинах океана и разобрались в том, из каких частей они состоят, мы можем обратиться к континентальным шельфам.

Пробы шельфовых отложений более разнообразны. Мы располагаем не только образцами с поверхности шельфа, но также данными буровых скважин, проникших глубоко в толщу его пород. Как поверхностные пробы, так и образцы с глубины свидетельствуют о том, что шельф не похож на дно океана. Шельф слагается в основном слоями песка, ила и глины или их сцементированных аналогов - песчаника, алевролита, аргиллита (Отложения шельфа часто нефтеносны. - Прим. ред). Таким образом, часть осадков еще не сцементирована, а часть представляет собой осадочные породы. Почти все эти осадки образовались на континентах в ходе различных процессов выветривания и были перенесены, главным образом реками, на мелководье в пределах шельфов. Здесь сравнительно крупные и потому довольно тяжелые частицы осадков вскоре оседали на дно. Это происходит сейчас и происходило в прошлом, как свидетельствуют пласты, залегающие под поверхностью шельфа. Мы видим, что в настоящее время, как и в прошлом, осадки, выносящиеся реками в море, оседают на континентальных шельфах, за исключением небольшой доли наиболее тонких частиц, которые достигают глубоководных областей. Таким образом, хотя реки - это, безусловно, основные пути переноса осадков с континентов в океан, они не могут уносить отложения далеко от берегов континентов. Поэтому, когда континент размывается, продукты его размыва уносятся реками и образуют шлейф, окаймляющий массив суши. Эти отложения участвуют в формировании шельфов и постепенно увеличивают площадь континента.

Как растет шельф

Мы можем получить более отчетливое представление о том, как разрастаются шельфы, на примере части Атлантического шельфа Северной Америки, лежащей у берегов штата Северная Каролина. Мы располагаем необычайно богатой информацией о строении этого шельфа, полученной геофизическими исследованиями и глубинным бурением при поисках нефти и газа.

На рисунке 17 можно видеть морские отложения, окаймляющие побережье и подстилающие его. Такие отложения достигают местами 3,2 километра, мощности, однако при детальном изучении выявлены такие их физические свойства, которые присущи мелководным отложениям, и комплекс ископаемых организмов, обитавших на мелководье. Эти слои не могли образоваться на глубине более трех километров. Но тогда как же могли накопиться такие мощные слои? Эта задача может быть решена, если мы предположим, что земная кора вдоль континентальной окраины медленно прогибалась одновременно с накоплением слоев осадков. В этом случае совсем не обязательно, чтобы в какой-либо момент глубина была особенно большой. Таблица 1 показывает, что прогибание, если оно имело место, должно было быть очень медленным. Мы можем судить об этом потому, что меловой период, в течение которого отложилась большая часть осадков, длился более 80 миллионов лет. Залегающие выше кайнозойские слои маломощны по -сравнению с нижележащими. Представляется вероятным, что прогибание и накопление осадков в основном происходило ранее образования позднейших кайнозойских слоев. Если мы предположим (в соответствии с изображенной на рис. 17 картиной), что трехкилометровая толща отложений накопилась за 80 миллионов лет, то средняя скорость прогибания составит немногим более одного миллиметра за 30 лет. С точки зрения человека скорость накопления около 2,5 миллиметра за время жизни одного поколения представляется ничтожной. Но в геологических масштабах времени накапливающиеся отложения очень скоро становятся мощными и тяжелыми, и это влечет за собой важные последствия. Особенно значим вес этих огромных масс породы. Он вызывает прогибание шельфа, что создает условия для накопления сверху новых толщ отложений.

Рис. 17. Прибрежная равнина и континентальный шельф в Северной Каролине, которые сложены кайнозойскими, меловыми и более древними отложениями, накапливавшимися в мелководном (шельфовом) море. Ниже этих слоев, постепенно погружавшихся и достигших большой мощности, залегают палеозойский и более древние метаморфические породы. Отметьте сходство с рисунком 14. Накопление осадков на шельфах увеличивает площадь континентов

Кроме того, на некоторых участках побережья (не показанных на рис. 17) слои, слагающие шельф, изогнуты таким образом, что создают длинные узкие впадины, параллельные берегу. Эти впадины служат как бы ловушками, в которых скапливаются более молодые осадки. Существование впадин является еще одной причиной того, почему большая часть продуктов разрушения континентов отлагается вблизи материковых окраин, а не уносится дальше в океан. Действительно, по данным расчетов, около 9/10 всех осадков, поступающих с суши, отлагается на континентальных шельфах или их внешних склонах. Только 1/10 часть осадков представляет настолько мелкие частицы, что они уносятся дальше и отлагаются в глубоководных областях дна океана.

Таким образом, очевидно, что отложения, которые сносятся с континента, осаждаются вокруг континентальных окраин и образуют своего рода платформы, которые постепенно надстраивают внешнюю часть материка. Объем их огромен. Общая площадь шельфов во всем мире составляет в настоящее время около 57% общей площади материков. Но далеко не вся толща материала, слагающего шельфы, заслуживает названия "осадков". Значительная часть его уже преобразована в осадочные породы. Это преобразование явилось в основном результатом воздействия медленно циркулирующих грунтовых вод, постепенно отлагавших в порах между частицами осадка цементирующее вещество. Со временем другие процессы поднимут "новые" пласты осадочных пород и сделают их частью собственно континента.

Однако на этом история роста континентов далеко не заканчивается. Новообразованные пласты становятся частью суши и подвергаются разрушительному действию эрозии. При этом продукты эрозии неизбежно будут снова выноситься в море и создавать новый шельф. Мы можем с некоторой уверенностью предсказать это, так как имеющиеся данные показывают, что подобные условия неоднократно были в прошлом. Большая часть морских осадочных пластов, которые мы сейчас находим на континентах, представляет собой мелководные осадки, накапливающиеся на глубине до 200 метров, а не такие, какие мы находим на дне океана на больших глубинах. Размер частиц осадков, особенности слоистости, а также ископаемые остатки, содержащиеся в осадках, - все свидетельствует об одном и том же. Мы имеем дело главным образом с мелководными морскими отложениями, накопившимися или на шельфе у окраины континента, или в ложбинах и впадинах во внутренней части континента.

Рис. 18. Возраст гранитных и метаморфических пород, определенный радиометрическими методами, позволяет выделить в Северной Америке три геологические провинции, последовательно образовавшиеся и в плане образующие концентрический рисунок. Условные обозначения: 3 - моложе 600 миллионов лет; 2 - от 1 до 2,5 миллиарда лет; 1 - старше 2,5 миллиарда лет

Это означает, что ббльшая часть материала горных пород снова вовлекается в кругооборот, не попадая в сферу воздействия больших глубин океана. Действительно, в течение миллиардов лет континенты, по-видимому, надстраиваются путем аккумуляции по мере того, как накопившиеся осадки, преобразованные в породы, включаются в состав континента. Но эти "новые" породы по большей части представлены материалом шельфа, состоящим из уплотненных наносов, образовавшихся при размыве самого континента. Таким образом, континент до некоторой степени надстраивается и расширяется частично за счет продуктов своего же разрушения.

Но на этом история не заканчивается. Тонкие осадки глубоководных областей океана тоже возвращаются на континенты, хотя и в измененной форме и особым путем, о котором читатель узнает из последующей главы книги.

Химическая сортировка

Сортировка материала происходит двумя способами. Первый и наиболее очевидный способ - механическая сортировка, осуществляемая реками, которые выносят осадки пород из внутренних частей континента к шельфам, а также волнами и течениями после того, как осадки достигают моря. Второй способ, менее очевидный, но такой же важный, - это химическая сортировка. Она осуществляется не реками, но процессами химического выветривания, в ходе которых химические элементы растворяются и выносятся в океан сначала грунтовыми водами, а затем реками. Некоторые элементы, находящиеся в растворах, осаждаются химическим или биохимическим путем в мелководных бассейнах или на шельфах, а другие уносятся в глубоководные области. Остаточный материал отличается от исходных пород, так как в результате выветривания он теряет некоторые элементы.

Химическая сортировка осадков напоминает то, что происходит с телом дикого животного после его смерти. Ткани его тела поедаются различными животными или сгнивают и в результате удаляются. То, что остается, представляет собой наиболее устойчивые части - кости, зубы, возможно, рога, копыта или когти. Химический состав этих сохранившихся частей отличается от состава тела животного при жизни. Этот процесс можно назвать биохимической сортировкой.

Однако элементы, входившие в состав мертвого тела - углерод, водород, кислород и другие, - хотя они и были удалены при "сортировке", продолжают существовать, входя в состав других организмов. Одно животное прекратило существование, но жизнь других продолжается. Подобно этому, продолжается существование континента. Породы и минералы, слагавшие его, разрушены, но элементы, некогда входившие в состав этих минералов, подвергшиеся сортировке и преобразованные в новые соединения, создали новые минералы и породы. И таким образом континент сохраняется.

Плавающие континенты

В первой главе мы сказали, что континент - это своего рода гранитный плот, плавающий на базальте и материале, еще более тяжелом, чем базальт. В очень схематизированном виде это изображено на рисунке 19. Этот плот является самовосстанавливающимся. Было бы неверно сравнивать континентальный плот с жестким деревянным плотом, потому что плавающий континент гибкий и благодаря своей гибкости больше напоминает плавающий толстый слой тяжелой нефти или асфальта. Однако не вся толща континента обладает гибкостью. Самый верхний слой, испытывающий лишь слабую нагрузку вышележащих пород, хрупок. Как можно видеть в любом каменном карьере или другой большой выемке, поверхность его разбита многочисленными трещинами.

Рис. 19. Гранитные континенты, плавающие на более тяжелом веществе мантии. Толщина континентов больше всего на участках наибольшего поднятия их поверхности. При размыве высокогорных массивов давление на подстилающее их тяжелое вещество ослабевает. Продукты размыва переносятся на континентальные шельфы, создавая на них добавочную нагрузку, что вызывает погружение и вытеснение вещества мантии в стороны. Это вещество медленно перетекает в области меньшего давления, соответствующие областям разрушенных гор. В результате происходит новое поднятие, 'обновляющее' горы

Тем, что континенты плавают, можно объяснить одно обстоятельство, которое в противном случае представлялось бы загадочным. Считается, что хорошо известный нам комплекс процессов, включающий выветривание, склоновые процессы и деятельность рек, мог бы снизить поверхность континентов почти до уровня моря всего лишь за 20 миллионов лет. Поскольку Земля гораздо старше, то почему же континенты давно уже не превратились в обширные пенеплены?

Происходящий в действительности процесс можно пояснить примером лодки, в которой сидят три человека. Лодка подходит к причалу, и один человек выходит. При этом лодка поднимается на несколько сантиметров, так как вода, окружающая лодку, стремится заместить воду, ранее вытеснявшуюся весом третьего человека. Подобным же образом при удалении материала горных пород с какой-либо части континента эта область поднимается. Удаленный материал отлагается в области шельфа и вызывает ее погружение. Вещество подстилающих слоев оттекает от прогибающихся частей шельфа к областям, с которых материал удалялся эрозией, и эти области соответственно поднимаются.

Но в то время как лодка представляет собою жесткую конструкцию и всплывает как единое целое, континент пластичен. Часть, которая в наибольшей степени подвергалась эрозии, может подниматься, в то время как остальные части поднимаются незначительно или совсем не испытывают поднятия. Таким образом, становится понятно, почему все континенты не были снижены до уровня моря, образовав огромные пенеплены. Они постоянно воссоздаются по мере снижения отдельных частей. Они постоянно противодействуют процессу своего погружения, так что живые организмы, однажды появившиеся на суше, смогли на ней жить и развиваться, а не были уничтожены. Поэтому сама непрерывность жизни на суше является хорошим доказательством того, что по крайней мере в течение последнего полумиллиарда лет континенты находились в плавучем состоянии.

Континенты легче по весу, чем базальтовое вещество, в которое они погружены. Возьмем в одну руку кусок гранита, а в другую - кусок базальта такого же размера, и мы почувствуем разницу. Круговорот вещества пород, начинающийся с химического выветривания, перемещает материал, из которого сложены континенты, не меняя существенно его состава.

Каким же образом континенты оказались легче остальной коры? Ответ на этот вопрос связан с их историей, которая составляет предмет рассмотрения в следующей главе.

Литература

Еngеl А. Е. J., 1963, Geologic evolution of North America: "Science", v. 140, p. 143-152. (A similar paper is reprinted in Cloud, Preston, ed., 1971, Adventures in Earth history: W. H. Freeman and Company, San Francisco, p, 293-302.)

Lоngwell C. R., Flint R. F , Sanders J. E., 1969, Physical geology: John Wiley 8c Sons, New York, p. 315-393, 534-539.

Глава шестая. Происхождение и развитие планеты Земля

Возникновение Земли

Земная кора, или литосфера. Хотя есть основания считать, что возраст Земли составляет около 4,5 миллиардов лет, в вопросе о том, как образовалась наша планета и вся Солнечная система, частью которой является Земля, еще нет ясности. Все, чем мы располагаем, - это теория, которая постоянно меняется по мере сопоставления с вновь получаемыми нами сведениями о Солнечной системе.

Основные положения этой теории сводятся к тому, что вся Солнечная система - Земля, другие планеты и Солнце - образовалась одновременно и как единое целое. Такой процесс образования системы не представляет собой что-то уникальное или хотя бы необычное, а является вполне заурядным. Подобные процессы происходят во Вселенной и в настоящее время. Исходным материалом для образования Солнечной системы явилась туманность - огромное вращающееся дискообразное облако, состоящее из холодного газа и "пыли". Из этой холодной и распыленной массы по мере ее уплотнения и выделялись группы отдельных сгущений, из которых в конце концов образовались Солнце и планеты. Одно из этих сгущений, которое позднее стало Землей, имеющей ныне диаметр 13 400 километров, первоначально имело диаметр в несколько миллионов километров, настолько далеко друг от друга находились составляющие его частицы. Но эти частицы постепенно приближались друг к другу под действием сил тяготения и теряли энергию в результате бесчисленных столкновений. Более крупные частицы "падали", подобно градинам, в направлении центра сгущения, и при этом гравитационном сжатии выделялось такое большое количество тепла, что в итоге происходило резкое уплотнение массы с образованием твердого тела.

Твердое тело Земли первоначально было очень горячим (То есть, возможно, было разогрето по мере образования Земли теплом радиоактивного распада и гравитацией. - Прим. ред). Предполагается, что частицы железа, входившие в состав этой юной, горячей, уплотняющейся Земли, плавились и образовывали тяжелые капли, которые опускались к центру Земли. Там происходило накопление железа и других минералов, в результате чего было создано ныне существующее ядро Земли.

Более легкие частицы, "падавшие" не глубоко, образовали толстый слой, окруживший более тяжелое ядро. Этот слой был в большей степени каменным, чем металлическим, и состоял из силикатных минералов. Так образовалось то, что мы называем мантией; о ней уже говорилось в первой главе.

Толстый слой силикатов, плохо проводящий тепло, препятствовал, как и в данное время, оттоку тепла от нагретой внутренней части Земли. Но, хотя температура мантии стала высокой, плавления в ее глубоких частях не происходило, так как вес вышележащих толщ создавал слишком высокое давление. Но в верхней (или внешней) части мантии, где слой перекрывающих пород был значительно тоньше и давление меньше, породы частично плавились. Правда, плавились только минералы с наинизшей точкой плавления, другими словами, плавление было избирательным. Оно и создавало магму. Поскольку магма образовалась лишь из некоторых минералов окружающей породы, то по составу она отличалась от этой исходной породы. Состав ее приближался к базальтовому слою, и вес был немного меньше, чем у окружающей нерасплавленной породы.

Более легкие массы вновь образованной базальтовой магмы имели тенденцию к поднятию. Очагов таких масс было очень много, и поднятие их происходило медленно. Постепенно они затвердевали на поверхности Земли, где температуры были более низкими. По мере затвердевания постепенно образовывалась кора, состоящая из базальтов и покрывающая всю Землю. Таким образом, базальтовая кора является продуктом избирательного плавления, и ее состав несколько отличается от состава мантии. Это избирательное плавление некоторых компонентов первичных горных пород, вероятно, представляло собой первый процесс длинной цепи процессов постепенной дифференциации первичной магмы и формирования горных пород, слагающих земную кору.

Вторым процессом было химическое выветривание, третьим - образование гранитных пород, которые легче базальта. Очевидно, все эти три процесса идут до сих пор.

Атмосфера и гидросфера. До сих пор мы излагали теорию образования внешней части литосферы. А как образовались атмосфера и гидросфера? Хотя на первый взгляд это кажется странным, обе эти подвижные оболочки образовались в основном тем же способом, что и твердая кора: путем поднятия магмы к поверхности (или на поверхность) Земли. Это оказалось возможным потому, что всякая магма содержит газы. Выше мы сказали, что магма образовалась местами в результате плавления глубинной породы под действием тепла, поступавшего из нагретых внутренних частей. В процессе плавления некоторые минералы легко разлагались на составные химические элементы. Этот процесс отличался от сортировки кристаллов минералов по весу. Распад вещества происходил под действием температуры, давления и химически активной среды в магме. Среди других веществ, высвобождавшихся таким образом, были водород (Н_2), азот (N_2), окись углерода (СО), двуокись углерода (СО_2) и вода (Н_2О). Поднимающаяся магма выносила эти вещества на поверхность, и там они из нее выделялись. Таким образом началось создание атмосферы Земли, атмосферы, которая на этих ранних этапах была целиком вулканической. Она состояла из метана, водяного пара, аммиака, водорода, азота, и, возможно, некоторого количества окиси и двуокиси углерода. Те же элементы и вещества содержатся в газах, выделяемых современными вулканами. Наиболее существенным отличием древней атмосферы от современной было то, что весь кислород в ней был связан в различных химических соединениях. Свободного кислорода не было. Это очень важно, так как бедная кислородом атмосфера оказывает большое влияние на образование живого вещества, как мы увидим в седьмой главе.

Что касается гидросферы, то не трудно понять, что она образовалась из атмосферы, содержавшей большое количество водяного пара, поступавшего из вулканов. Водяной пар конденсировался и выпадал в виде дождя. При стоке дождевой воды формировались потоки, заканчивавшиеся в озерах, занимавших понижения земной поверхности. Озера росли и сливались, образуя океан. В ходе этого процесса начался круговорот воды.

При соприкосновении атмосферы, содержавшей углекислый газ и воду, с молодыми базальтовыми породами, выходящими на поверхность, должно было начаться их выветривание. Вновь образующиеся потоки несли продукты выветривания, частицы пород и растворенные вещества в новые озера. Веществом, растворенным в воде растущих и затопляющих поверхность суши озер, была соль (на самом деле смесь многих солей), присутствовавшая в воде зарождавшегося океана. Так было положено начало засолению морской воды, которое мы наблюдаем сейчас.

Хотя такая последовательность событий представляется правдоподобной, потому что она хорошо согласуется с нашими знаниями о Земле, все же это только теория, и далеко не доказанная. Кроме того, очень мало известно, сколько времени все это продолжалось - сколько времени потребовалось для того, чтобы атмосфера и океан приобрели свой современный состав и размеры. Есть основания полагать, что в течение по крайней мере последних полмиллиарда или миллиарда лет существенных изменений в составе этих подвижных оболочек не произошло.

Таким образом, представляется вероятным, что составные части земной коры были созданы в ходе вулканической деятельности, проявлявшейся одновременно с выветриванием пород, опусканием и повторным расплавлением пород на большой глубине - иначе говоря, протекавшей одновременно с круговоротом вещества. Вероятно также, что составные части атмосферы и гидросферы "испарились" понемногу из горячих глубин Земли. Они поднялись вверх в виде газов, растворенных в поднимающейся магме, и выделились при извержениях вулканов. Такой перенос вверх происходил начиная с самых ранних этапов истории Земли, и до сих пор на поверхность Земли поступает "новая" вода. К настоящему времени большая часть воды, выделяемой вулканами, - это "старая" вода, которая многократно находилась в круговороте и была нагрета вулканическим теплом, будучи в толще Земли. Но если только полпроцента воды, выделяемой вулканами, представляет собой "новую" воду, то, согласно расчетам, при такой скорости поступления воды на поверхность вся гидросфера, включая океан и все остальное, могла бы быть создана за четыре миллиарда лет.

Эта теория происхождения земной коры, водной оболочки и газовой оболочки Земли очень хорошо согласуется с принципом актуализма, которому подчинены все геологические процессы. Отсюда следует вывод о том, что даже в наиболее отдаленные времена действовали те же процессы, что и сейчас, и характер их проявления был во многом сходен с современным.

Луна. Характер и история Луны имеют связь с нашей теорией происхождения Земли. Данные о Луне, полученные благодаря программе "Аполлон", начатой в 1969 г., до сих пор не выявили ничего не сопоставимого с представлениями об истории Земли, созданной по геологическим данным. По всей вероятности, Луна, очень малый член Солнечной системы, была образована таким же путем, как и Земля, и независимо от Земли. Представляется, что по крайней мере ее внешняя часть подвергалась когда-то расплавлению. Найденные там породы большей частью темноокрашенные магматические породы, частично базальты, частично породы, подобные габбро. Это свидетельствует о поднятии легких компонентов к поверхности в процессе застывания, в то время как более тяжелые компоненты опускались вниз. Мы думаем, что по крайней мере частично это происходило и при образовании земной коры.

Но на этом сходство с Землей кончается. Луна покрыта слоем (толщиной 1,5-3 метра) вещества, обычно называемого "лунной пылью". Мы зовем его лунным реголитом. Он состоит из продуктов механического разрушения нижележащих коренных пород. Некоторые из них представляют собой большие или малые обломки, но большая часть пылевидная. Такое механическое разрушение вызвано не физическим выветриванием, как на Земле, - это результат бомбардировки малыми и большими метеоритами лунной поверхности. Некоторые из них достигали огромной величины. Удары метеоритов вызвали также и образование лунных кратеров. Конечно, метеориты попадают и в атмосферу Земли, самое меньшее 20 миллионов ежедневно. Но большей частью они очень малы и "сгорают" - распадаются - в результате трения при прохождении через атмосферу. Время от времени крупные метеориты попадают и на поверхность Земли, и когда это случается, в месте падения образуется кратер.

Лунная пыль - реголит Луны - не обнаруживает никаких следов химического выветривания, обычных для рыхлого чехла земных пород. Причиной этого является отсутствие на Луне атмосферы и гидросферы. Отсутствие это нетрудно объяснить. Земля имеет достаточно большую массу, чтобы сила ее тяготения удерживала газы, составляющие ее атмосферу. Но масса Луны составляет только 0,012 массы Земли и недостаточна для удержания каких-либо газов. Поэтому на поверхности Луны не происходит химическое выветривание.

Континенты и плиты коры

В первой главе отмечалось, что континентальная кора Земли гораздо толще, чем океаническая, и отличается от последней по составу. В пятой главе было рассказано, как отдельные континенты медленно увеличивают свои размеры. .Наша карта современной поверхности Земли отличается от карт поверхности Земли, существовавшей, скажем, сто миллионов лет назад. Такие большие изменения трудно понять, если не представить себе сначала общую картину строения Земли.

Континенты не остаются на месте, а движутся. Достойно изумления, что впервые предположение о таком движении было выдвинуто около 350 лет назад, и с тех пор выдвигалось еще несколько раз, однако эта идея получила признание ученых только после 1960 г. Большинство людей считало, что жесткость коры исключает движение континентов. Теперь все мы знаем, что это не так. Чтобы понять, что происходит с континентами, давайте рассмотрим некоторые доказательства их движения.

Доказательства движения континентов. Доказательства того, что по крайней мере некоторые континенты, разобщенные сейчас, раньше соединялись, или того, что они изменили положение, включают следующее:

1. Контуры некоторых континентов, обращенных друг к другу и разделенных океаном, позволяют предположить, что в прошлом они соединялись, как две части головоломки. Наиболее очевидный пример этого - Южная Америка и Африка. Так как истинной окраиной континента является не современная береговая линия, а скорее внешний край континентального шельфа, проверять соответствие континентов лучше не по обычной карте, а по карте, показывающей шельфы (рис. 16).

2. На некоторых парах континентов обнаруживается соответствие другого рода - особые типы пород, древние горные пояса, одинаковые ископаемые животные и растения. Все эти совпадения позволяют предполагать, что такие континенты когда-то соединялись.

3. Ископаемые животные и растения, которые должны были жить в теплом климате, встречаются на некоторых континентах, на таких широтах, где современный климат гораздо холоднее.

4. Убедительные доказательства широкого распространения древних ледников встречаются в породах, возраст которых около 250-300 миллионов лет, в восточной части Южной Америки, в Южной Африке, Индии, Австралии, на таких широтах, где сейчас теплый климат препятствует образованию ледников. Подобные следы древнего оледенения найдены в Антарктиде, где ледники существуют и ныне. Представляется, что все эти континенты были некогда частями одного континента, который распался на куски. Они двигались порознь. Некоторые из них переместились в более теплые климатические пояса, а Антарктида заняла свое исключительное положение на Южном полюсе.

5. Во многих пластах содержатся свидетельства того, что континенты переместились по отношению к магнитному Северному полюсу. Это положение требует разъяснения.

Магнитные данные. Если мы хотим знать точное направление, мы пользуемся компасом. Стрелка, будучи намагниченной, располагается вдоль линий магнитного поля Земли; она указывает на магнитный Северный полюс. Подобно этому, некоторые горные породы являются естественными компасами. Переносящиеся водным потоком кристаллы магнитных железистых минералов, соответствующие по размеру частицам песка или алеврита, ведут себя подобным же образом. Когда они осаждаются в русле, они ориентируются вдоль линий север - юг, и во многих случаях эта ориентировка сохраняется, даже когда осадок в конце концов становится осадочной породой.

Подобное воздействие претерпевают магнитные железистые минералы в магматических породах, например, в базальтах. Когда магма или лава остывает, она достигает такой температуры, ниже которой эти минералы могут приобрести намагниченность, параллельную магнитному полю Земли. Эта магнитная ориентировка (не имеющая ничего общего с ориентировкой самого кристалла в породе) сохраняет ориентировку магнитного поля, существовавшего тогда, когда остывали породы. Такие железистые минералы представляют собой как бы стрелки компасов, указывающие положение магнитного полюса.

Ученые обнаружили указатели прежнего направления магнитного поля в слоях различного возраста и не поленились измерить их в сотнях точек и в целой серии различных стратиграфических горизонтов (соответствующих серии различных моментов времени в прошлом). Результирующие направления отличаются от тех, которые компас показывает в этих же точках в настоящее время. Подобные направления свидетельствуют, что по крайней мере за последние 200 миллионов лет или около того континенты испытали значительные перемещения не только по отношению к полюсу, но и по отношению друг к другу. Путь, пройденный тем или другим континентом, может быть прослежен, по крайней мере в общих чертах, если не вполне точно.

В ходе исследований ориентировки древнего магнитного поля выявился поразительный факт. Было обнаружено, что во многих слоях Земли, накопившихся за последние несколько миллионов лет (промежуток времени, охваченный исследованиями), намагниченность частиц обратна современной.

Магнитные частицы в породах указывают в сторону не Северного, а Южного полюса. Радиометрические датировки тех же пластов показывают, что обратная ориентировка фиксируется на всем земном шаре в одни и те же промежутки времени. Очевидно, в это время само магнитное поле Земли, контролирующее эту ориентировку, имело обратное направление, и два его полюса менялись местами. Такие "обращения" магнитного поля происходили неоднократно.

Что заставляло магнитное поле изменять направление? Мы пока не знаем, но предполагается, что изменения могли быть вызваны движениями в жидкой части железосодержащего ядра Земли. Во всяком случае, они проявлялись на всей Земле сразу.

Оказалось возможным построить календарь изменений магнитного поля для всего земного шара. Этот календарь (рис. 20) показывает промежутки времени, в течение которых магнитное поле было нормальным (таким, как в нынешнее время), и промежутки, когда оно было обращенным. Обращения (инверсии) магнитного поля Земли, открытие которых сделало возможным создание указанного календаря, представляют собой явление, совершенно отличное от колебаний ориентировки магнитного поля, измерения которых легли в основу вывода о движении континентов.

Рис. 20. Хронологическая шкала обращений магнитного поля Земли, построенная по данным радиометрических определений возраста пород, для которых измерялось направление намагниченности

Сравнивая магнитный календарь с геохронологической шкалой (табл. 1), можно увидеть, что отрезок времени длиной в 4,5 миллиона лет, который охватывает этот календарь, включает весь голоцен, весь плейстоцен и часть плиоцена. Вооруженные знанием того, что магнитные обращения случаются и запечатлеваются в ориентировке магнитного ноля в затвердевших базальтах на континентах, мы можем теперь воспользоваться этим при рассмотрении магнитной ориентировки базальтов на дне океана.

Срединные океанические рифты. Самым замечательным в серии открытий, сделанных после 1950 г. в изучении океана, было признание того, что дно океана не представляет собой плоскую монотонную равнину; формы его так же разнообразны, как и формы поверхности континентов. Среди многих форм есть и глубокий рифт - долина, продолжающаяся почти непрерывно на протяжении более 6000 километров, местами глубиной более 1000 метров, которая делит на две части Атлантический океан (рис. 22) и пересекает Индийский и Тихий океаны.

Рис. 21. Широтный профиль дна средней части Атлантического океана. Виден рифт (в данном месте глубиной около 1800 метров), по которому происходит поднятие базальтовых лав

Рифт занимает центральную, наиболее приподнятую часть срединного океанического хребта. Это странное соотношение отчетливо видно на рисунке 21. Рифт гораздо глубже глубокой долины, изображенной на этом рисунке, он продолжается под поверхностью на 50-100 километров в глубь Земли, и по всей его длине на поверхность дна океана поступает огромное количество тепла из глубин.

Рис. 22. Рифт, разделяющий на две части дно Атлантического океана. Он разбит на отдельные фрагменты, смещенные влево или вправо по поперечным линиям, представляющим собой разломы, которые продолжаются в глубь земной коры. Продолжение рифта за пределами Атлантического океана на рисунке 25

Под тонким покровом рыхлых осадков, выстилающих большую часть дна глубоководных областей океана, по обеим сторонам рифта ложе океана сложено базальтами. Когда исследовательские корабли, оборудованные магнитометрами, начали производить измерения магнитной полярности базальтов, слагающих дно океана на глубине несколько километров, курсируя в западном и восточном направлениях поперек зоны рифта на сотни километров, магнитометрическая съемка дала поразительные результаты. Оказалось, что на дне выявляются чередующиеся полосы, или зоны нормальной (северной) и обращенной (южной) намагниченности. Эти полосы параллельны рифту, причем на различных сторонах рифта они представляют зеркальное отображение (рис. 23). Последовательность узких и широких полос совпадает с верхней частью календаря изменений магнитного поля Земли, изображенного на рисунке 20. Основываясь на этом совпадении, возраст каждой полосы можно считать таким же, как возраст соответствующего подразделения указанного календаря. Самые молодые полосы базальта залегают непосредственно вблизи рифта, к ним примыкают более древние. С удалением от рифта вправо и влево мы встречаем все более и более древние полосы.

Рис. 23. Схема, показывающая полосчатое строение базальтов, образующихся в зоне срединно-океанического рифта при затвердевании поднимающейся магмы (показанной широкой стрелкой). Базальт постоянно перемещается вправо и влево от зоны рифта (показано тонкими стрелками) по мере наращивания Дна океана. Каждая полоска сохраняет направление магнитной полярности, приобретенное ею при затвердевании. Штриховкой показаны полосы с нормальной намагниченностью, светлые полосы имеют обращенную намагниченность

Эта поразительная закономерность может обозначать лишь одно обстоятельство. Очевидно, происходит непрерывное образование новой земной коры в результате затвердевания лавы, поднимающейся из глубин в зоне рифта. Кора должна перемещаться из области рифта в противоположных направлениях, часть к западу, а часть к востоку, как два конвейера, движущиеся наружу от общей оси (рис. 24). Вновь образующаяся лава сохраняет нормальную или обращенную полярность, которая запечатлевается в ней в результате воздействия магнитного поля Земли в момент остывания. Каждый раз, когда поле Земли меняет ориентировку на обратную, начинается новая зона. Происходит это потому, что зоны выделяются не по составу лавы (которая, постоянно поднимаясь и застывая, всегда имеет одинаковый состав), но исключительно по полярности зерен магнитных минералов, содержащихся в ней. Другими словами, без магнитометрической съемки мы не могли бы выделить этих полос.

Рис. 24. Серия из четырех конвейеров, движущихся во взаимно противоположных направлениях. Сравните рис. 23

Какова же скорость этого необычайного процесса? Современная скорость рассчитывается по шкале магнитных обращений (рис. 20), и оказалось, что кора в западной части Атлантического океана движется сейчас на северо-запад со скоростью 1-2 сантиметра в год.

Если мы примем скорость постоянной и равной 1,5 см/год, то одно только перемещение этой части должно было расширить Атлантический океан за последние 100 миллионов лет на 1500 километров. Движение восточной окраины рифта на восток должно было еще больше увеличить ширину Атлантики. Действительно, имеются доказательства того, что 150-200 миллионов лет назад (то есть в, позднетриасовое, или раннеюрское, время) Атлантический океан не существовал, а восточный берег Северной Америки, имел жесткое соединение с северо-западной Африкой.

Однако кора в области Атлантики движется сравнительно медленно. Расчеты с помощью шкалы обращений магнитного поля Земли показывают, что в Индийском океане скорость движения достигает 3 см/год, а в некоторых частях Тихого - 6 см/год и более. Ширина черных полос на рисунке 25 показывает площади новообразованной коры вдоль срединно-океанических рифтов за последние 10 миллионов лет. По ним можно судить об относительной скорости движения в различных океанах.

Рис. 25. Главные плиты коры движутся, как показано стрелками, удаляясь от рифтовых зон (черные полосы), в которых происходит поднятие лавы, и по направлению к зонам (заштрихованные полосы), где происходит медленное погружение коревого вещества в глубь тела Земли. Ширина черных полос показывает ширину зон земной коры, образовавшихся за последние 10 миллионов лет. Общая площадь этих зон составляет 5% площади поверхности Земли. За это время такие же по площади участки коры подверглись разрушению, погрузившись в недра Земли (в областях, показанных штриховкой). Проекция карты выбрана таким образом, чтобы сохранить масштаб по возможности одинаковым.

Посмотрев еще раз на рисунок 22, мы увидим множество линий, направленных с востока на запад, по которым Атлантический рифт подвергся смещению. Эти отчетливые, глубоко проникающие разрывы вызваны напряжениями, возникающими в коре под действием противоположно направленных движений. Они представляют собой одну из разновидностей геологических образований, называемых разломами. Трение при движении блоков коры по разломам является причиной многочисленных землетрясений.

Система желобов и горных цепей. Таким образом, ясно, что части земной коры движутся. Движутся не только сами континенты, но и целые плиты земной коры толщиной от 50 до 100 километров, на спине" которых плавают континенты. Можно сравнить плиту коры, несущую на себе частично погруженный в нее континент, с широкой глыбой льда, в которую вмерзло бревно и которая плавает в озере вместе с другими льдинами.

Но куда движутся континенты? Если материал коры создается одна полоса за другой, в области срединно-океанических рифтов, то что-то, видимо, должно происходить с корой, чтобы размеры ее не увеличивались и соответствовали размерам Земли. Где-то она должна разрушаться с такой же скоростью, с какой она создается.

Участки ее разрушения не трудно найти. Вокруг всего земного шара прослеживается система узких длинных полос, показанных штриховкой на рисунке 25. Они тянутся от Антарктиды к мысу Горн, вдоль западных окраин обеих Америк, через Алеутские острова, Японию, Филиппины, Новую Гвинею и Новую Зеландию. Ветвь, отходящая от этой системы, тянется на запад, через Индонезию, Гималаи, Иран, Турцию и область Средиземноморья.

Эта огромная система состоит из трех элементов: 1) глубоководные желобы на дне океана, достигающие 11 километров глубины - величина, превосходящая высоту самых высоких гор; 2) дугообразные ряды вулканических островов, подобные ожерелью; 3) длинные цепи высочайших гор Земли. Цепь, которую образуют все три элемента, представляет собой зону нестабильности. Нестабильность указанной зоны убедительно доказывает тот факт, что почти все самые сильные и самые глубокие землетрясения происходят в данной зоне. Наиболее значительными землетрясениями последнего времени были землетрясения в Чили, Калифорнии, Аляске, Иране и Турции.

В целом эта гигантская цепь дополняет собой океанический рифт огромной протяженности. С обеих сторон к ней движутся плиты коры. Они изгибаются вниз и поглощаются Землей и в глубине переплавляются (рис. 26), подобно восковой свече, которую держат горизонтально и медленно вводят в горячее пламя. Разрушение в результате плавления на одном конце происходит с такой же скоростью, с какой образуется кора на другом конце. Поэтому общая площадь коры остается постоянной. Процессы образования коры приурочены к океаническим рифтам, а процессы ее разрушения - к системе желобов и гор. На обширных площадях между этими зонами процессы происходят не так активно и состоят главным образом в эродировании пород, накоплении осадков и постепенном поднятии или прогибании земной коры.

Рис. 26. Схема, показывающая образование и разрушение земной коры и столкновения плит коры. Видны участки четырех плит (А, Б, В, Г); стрелками показано направление их движения. Океанический рифт (Р) осложнен разломами. В краевой части плиты А на модели прорезано отверстие, через которое видно, что в передней части плита Б погружается под плиту А, а в задней части соотношение обратное. В другом случае столкновения плита В погружается под плиту Г. Столкновение плит сопровождается землетрясениями и горообразованием. Масштаб схемы не выдержан. Длина соответствующего ей участка земной коры может достигать 5000 км. Континенты на схеме не показаны[1]

Геометрия плит коры. Мы сравнивали плиты коры, часть из которых показана на рисунке 25, с отдельными частями головоломки. Сравнение не слишком близкое, так как части головоломки сохраняют свои контуры, а плиты коры надстраиваются с "хвостовой стороны" и разрушаются путем расплавления с переднего края. Поэтому их форма не остается постоянной. Некоторые из них сейчас, возможно, представляют лишь осколки существовавших ранее, а другие (как, например, Евразия) могут состоять из нескольких более древних плит, спаянных воедино. Аналогия с конвейерной лентой хотя и полезная, но тоже не очень близкая, поскольку плиты поворачиваются. Например, различная ширина черных полос на рисунке 25 показывает, что в течение последних 10 миллионов лет Тихоокеанская плита повернулась по часовой стрелке. В этом отношении плиты в большей степени напоминают огромные льдины, которые движутся по течению в озере, постоянно соприкасаясь и сталкиваясь друг с другом, и медленно поворачиваясь, и даже тая по краям, и снова замерзая. Очень вероятно, что цепи высочайших гор Земли являются результатами столкновений между плитами коры. Например, система Альп, обнаруживающая признаки сильного изгибания, смятия и выжимания пластов, некогда горизонтальных, могла быть образована при столкновении движущейся к северу Африканской плиты с Евразийской. Таким же образом Гималаи могли образоваться при столкновении Индийской плиты с Евразийской. Гималаи все еще активны, поднимаясь со скоростью около 30 сантиметров в столетие. Слои осадочных пород, типичных для многих континентальных шельфов (рис. 16), не могли бы выдержать, окажись они зажатыми между двумя огромными массами, каждая толщиной в десятки километров, сближающимися хотя и медленно, но с огромной инерцией. Маленькая лодка, зажатая между двумя тяжело груженными баржами, скорее всего будет раздавлена до неузнаваемости, хотя бы баржи и двигались со скоростью менее 6-8 километров в час.

Когда мы говорим о баржах, плавающих в воде, мы должны помнить, что мы описываем не континенты, свободно плавающие и движущиеся в базальтах. Мы говорим о толстых плитах базальта, которые движутся в каком-то еще более тяжелом веществе, залегающем ниже, и несут на себе континенты. Поэтому по линии желобов и хребтов сталкиваются не только континенты, но и целые толстые плиты коры с покровом глубоководных осадков, описанных в пятой главе. Некоторые горы (как, например, Альпы) включают большие массивы метаморфических пород, химический состав которых указывает на принадлежность их к глубоководным океаническим отложениям, подвергшимся сжатию. Эти осадки были слишком легкими, чтобы погружаться, и вероятно, нагромождались вдоль желоба, по мере того как базальтовая плита, подстилавшая их, погружалась в глубины Земли. Подобно пене, плавающей на поверхности воды, эти отложения продолжали плавать и в результате подверглись такому интенсивному сжатию, что были превращены в метаморфические породы.

С помощью магнитных данных, которые мы описали раньше и которые показывают положение магнитных полюсов в прошлом, мы можем проследить, возвращаясь в прошлое время, вероятное положение континентов до 100 миллионов лет назад, то есть до мелового времени. Тогда континенты находились ближе друг к другу, чем сейчас, и Атлантический океан был гораздо уже. Попытки проследить движение дальше в глубь времен (до ранней юры или еще более раннего времени) дали нам гораздо менее четкие результаты. Одна из карт мира, восстанавливающая ситуацию, которая могла бы быть 200 миллионов лет назад (рис. 27), показывает современные континенты объединенными в единый "мировой континент", который затем распался на куски, как подтаявший весной лед на озере. На рисунке показаны предполагаемые пути движения отдельных кусков, по которым они достигли своего современного положения.

Рис. 27. Карта, иллюстрирующая пока еще не доказанное положение о том, что около 200 миллионов лет назад (в начале юрского периода) на Земле существовал огромный единый континентальный массив, который затем распался на плиты. Последние перемещались в направлениях, указанных стрелками, и создали существующие ныне континенты. Подбор соответствующих друг другу фрагментов проводился с помощью ЭВМ

Какой бы интересной и многообещающей ни была эта карта, нужно отдавать себе отчет в том, что она пока целиком принадлежит к области теоретических построений. Однако сами плиты, возможно, гораздо старше 200 миллионов лет. Действительно, они могли впервые образоваться уже 2,5 миллиарда лет назад. Если это так, то период их существования охватывал больше половины всей истории Земли.

Что заставляет их двигаться? Читатель не может представить себе этот подвижный ряд рифтов, желобов, движущихся плит коры и горных цепей, не задаваясь вопросом, что же заставляет их двигаться? Каков механизм этого движения и откуда берутся огромные запасы энергии, управляющие им? Имея представление о системе в целом, мы не знаем, что заставляет ее работать. Несомненно, энергия ее имеет своим источником внутреннее тепло, которое поступает на поверхность интенсивнее всего в области океанических рифтов. Представляется вероятным, что большая часть этого тепла создается радиоактивным распадом во внешней части тела Земли.

Но если даже внутреннее тепло действительно дает необходимую энергию, каким образом эта энергия приводит в движение плиты коры? Было предложено несколько объяснений. Одно объяснение, получившее широкую поддержку, - это механизм конвекции, процесс, который можно наблюдать в кастрюле с очень густым супом, нагретым до кипения. Нагреваясь у дна кастрюли, жидкость медленно поднимается, образуя беспорядочно размещенные вертикальные токи или ячейки. Достигая поверхности, она охлаждается, растекается и опускается в других местах, освобождая место для поднимающихся более горячих масс.

Предполагается, что конвекция происходит в мантии Земли. В простейшем виде эта идея заключается в следующем: медленно поднимаясь в области океанических рифтов, тяжелое вещество, обладающее свойствами жидкости, достигает коры и растекается под ней. Удаляясь от рифтов, оно увлекает с собой расположенные выше плиты коры. Области под желобами и горными цепями соответствуют опускающимся звеньям конвекционной системы. Текучее вещество мантии, несколько охлажденное, опускается, уравновешивая восходящий поток нагретого вещества в области рифтов.

Представление об этом механизме является чисто гипотетическим и вызывает серьезные возражения. Предлагались и другие, менее простые объяснения. Но нам придется подождать, пока возникнет более совершенная идея, которая удовлетворит большинство ученых.

Теперь, когда мы представили себе движение плит коры, мы видим более ясно, каким образом гранитные породы континентов отделяются от более тяжелых базальтовых пород. Плиты коры, состоящие из базальтов с включенными в них более легкими материковыми породами, опускаются по системам желобов. Погрузившись на достаточно большую глубину, они частично расплавляются, образуя более легкую магму, чем чисто базальтовая. Эта магма, естественно, стремится двигаться к поверхности, и образовавшиеся породы в конце концов подвергаются химической сортировке процессами выветривания. Таким образом, движение плит способствует тому, что с течением времени континентальная кора делается легче и приближается по своему составу к гранитам.

Заключение

Мы заканчиваем обзор наших представлений о том, как образовалась планета Земля, как создались континенты и необыкновенная система активных рифтов, движущихся плит и горных цепей. Мы проследили, хотя и бегло, каким образом Земля пришла к своему современному состоянию физического тела, на поверхности которого протекают столь разнообразные процессы. Следующий наш шаг - понять, каким образом поверхность Земли оказалась населенной огромным количеством разнообразных живых организмов.

Литература

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЗЕМЛИ:

Abelson P. H., 1966, Chemical events on the primitive earth: "Nat. Acad. Sci. Proc." v. 55, p. 1365-1372. McLaughlinD. В., 1965, p. 669-698 in Kay, Marshall, Colbert E. H., Stratigraphy and life history: John Wiley 8; Sons, New York.

Urеу H. C., 1952, The origin of the earth: "Sci. American", v. 187. p. 53-60.

ЛУНА:

Mutch T. A.. 1970, Geology of the Moon: Princeton University Press. Princeton, N. J.

МАГНИТНЫЕ ОБРАЩЕНИЯ:

Сох Allan, and others, 1967. Reversals of the Earth's magnetic field: "Sci. American", v. 216, p. 44-54.

ДВИЖЕНИЕ ПЛИТ ЗЕМНОЙ КОРЫ И КОНТИНЕНТОВ:

Воtt M. H. P., 1971. The interior of the Earth: St. Martin's Press, New York. Ernst W. G.. 1969, Earth materials: Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J.

Hammond A. L., 1971, Plate tectonics...: Science, v. 173, p. 40-41, 133-134.

Heirtz1er J. R.. 1968. Sea-fооr spreading: "Sci. American", v. 219, p. 60-70.

Menard H. W., 1971, p. 1-14 in Turekian К. К., ed., Late Cenozoic glacial ages: Yale University Press, New Haven.

Mоrgan W. J.. 1968, Rises, trenches, great faults, and crustal blocks: "Jour. Geophys. Research", v. 73, p. 1959-1982.

Wilson J. Т., and others, 1972, continents adrift: W. H. Freeman and Co., San Francisco. (Paperback) (Reprints of 15 articles from Scientific American about the movement of crust plates.)

Глава седьмая. Молодость биосферы

Органическое вещество

Предположительно мы уже знаем, что атмосфера образовалась в результате выделения некоторых первичных элементов из глубин Земли, где они первоначально входили в состав ее твердого тела, и что гидросфера образовалась в результате конденсации атмосферной влаги.

Атмосфера представляет собой простую смесь азота, кислорода, углекислого газа, водяного пара и некоторых других газов. Состав гидросферы еще более прост - главным образом Н_2О. По сравнению с ними биосфера гораздо сложнее. Несмотря на то что она состоит из тех же самых основных веществ, что атмосфера и гидросфера, биосфера сложна благодаря многочисленным химическим и структурным изменениям. Раньше, когда знания об органическом веществе были еще очень ограниченными, основное органическое вещество называли протоплазмой. Химическими элементами, которые образуют это вещество (а в действительности большую группу веществ), являются главным образом водород, кислород, азот и углерод. В самом деле, около 99% всего органического вещества состоит из указанных четырех элементов. Вместе с ними в состав протоплазмы входят сера, фосфор и в небольших количествах еще свыше двух десятков элементов. Эти составные элементы образуют огромное количество соединений. В количественном отношении суммарный состав биосферы близок к составу морской воды. В нем не содержится ни одного элемента, который был бы свойствен исключительно живому веществу, ни одного, который не встречался бы в неорганической материи. Поэтому в основе химическое строение вещества биосферы не отличается от строения двух других подвижных оболочек [гидросферы и атмосферы. - Ред]. Оно отличается только по способу отбора и организации основных компонентов. Это различие хорошо согласуется с идеей, которую поддерживает большинство ученых и согласно которой живое вещество было построено из неорганической материи.

Клетки

Живое вещество состоит из структурных и функциональных единиц, называемых клетками; они могут быть уподоблены кирпичам или блокам, из которых строится здание, и, различаясь по форме и размерам, могут образовывать множество разнообразных функциональных систем. Каждая клетка окружена клеточной мембраной, полупроницаемой молекулярной "стенкой", через которую могут проходить вода и питательные вещества. Некоторые простые организмы состоят из одной клетки; другие представляют собой чрезвычайно сложные системы клеток, выполняющих множество разнообразных функций. Вне зависимости от степени сложности каждый организм сохраняет свою структуру и форму, в то время как через него проходит поток вещества, имеющего своим источником Землю, и энергии, происходящей от Солнца. Поток этот принимает форму химических реакций, осуществляющих разнообразные функции: питание, построение материала новых клеток, удаление отходов и воспроизводство особей. Другими словами, организм, созданный из клеток, живет. Период жизни отдельной клетки колеблется от нескольких минут до нескольких десятилетий. В конце концов она разрушается. Но тип клеток продолжает существовать, обладая способностью к воспроизводству.

Три главные группы живых организмов

Все живые организмы объединяются в три большие группы, две из которых - растения и животные - хорошо всем известны. В общих чертах мы можем определить различия между ними, сказав, что животные обладают способностью к произвольному перемещению, а растения не обладают. Однако более существенно биохимическое различие этих групп. Растения создают свою пищу путем химической реакции восстановления в процессе, называемом фотосинтезом. Процесс этот заключается в том, что он воздействует на углекислый газ (СО_2), отделяя кислород от углерода и используя воду и солнечную энергию. Растения образуют органические соединения, в которых солнечная энергия накапливается как потенциальная энергия, а остаточный кислород выделяется в свободном виде (О_2). Животные отличаются от растений. Они питаются веществами, которые уже созданы другими организмами, и поедают растения или других животных, которые в свою очередь питались растениями. При дыхании они поглощают свободный кислород из атмосферы или гидросферы и с его помощью окисляют органические соединения пищи. Растения тоже дышат, но менее активно.

Окисление - это процесс медленного сгорания, которое высвобождает энергию из углеродно-водородных соединений органических молекул. Это та энергия, которая была накоплена растениями в их тканях. Окисление создает возможность использования этой энергии во многих процессах. В процессе дыхания выдыхается СО2, который может сразу же снова вовлекаться в жизненный цикл растений. Таким образом, между растениями и животными существует двусторонняя связь, которая осуществляется путем реакций окисления и восстановления, причем основным предметом обмена служит кислород. В реакции восстановления растения выделяют кислород; в окислительных реакциях животные выделяют углекислый газ.

Третья группа организмов гораздо менее известна. Она охватывает царство одноклеточных организмов, не являющихся ни животными, ни растениями; сюда относятся зеленые водоросли, бактерии и одноклеточные простейшие, которые прежде считались животными. Тела у большинства простейших состоят из одной клетки или слабо дифференцированы. Предполагается, что зеленые водоросли были предками растений. В действительности простейшие как группа в целом предположительно являются общими предками и растений и животных, и потому тесно связаны с проблемой возникновения жизни вообще.

Давайте вернемся на минуту к вопросу циклов, упомянутому выше. Циклически повторяющееся движение элементов в биосфере подобно тому, которое происходит в неорганических оболочках. В главе второй мы описали круговорот пород как серию повторяющихся преобразований, при которых одни и те же химические элементы меняются местами и образуют различные соединения. Позднее они высвобождаются и образуют другие соединения, бесконечно повторяясь. Круговорот углерода и кислорода, при котором эти элементы временно входят в состав тел растений и затем животных, возвращаясь потом скова в растения, представляет собой биологический цикл. Этот цикл, как и круговорот горных пород, является составной частью движения вещества на Земле.

Определение живого вещества

Как можно определить живое вещество? Пожалуй, ближе всего к этому определению стоит следующее утверждение: "Живое вещество состоит из компонентов, которые могут воспроизводить себя, изменяться и воспроизводить эти изменения". Эти способности обеспечивают передачу энергии и передачу информации. Отметим, что сама способность к воспроизводству является выдающимся свойством организмов. Неорганическое вещество к этому не способно. Мы могли бы добавить, не усложняя определение, а лишь отмечая интересный факт, что в общем молекулы органического вещества имеют большие размеры и более сложны, чем неорганические, и поэтому обладают большей способностью к изменениям. А постоянные изменения являлись отличительным свойством жизни на Земле в течение всей ее долгой истории и продолжают происходить и в наши дни.

Древнейшие ископаемые организмы

Поскольку нас интересует древнейшая история биосферы, наиболее разумным представляется начать с обзора данных о жизни до начала фанерозоя, которые были получены при изучении древнейших ископаемых.

Хотя эти ископаемые немногочисленны и относятся к далеко отстоящим один от другого моментам времени, тем не менее они дают достоверные сведения. Они все датированы, хотя бы приблизительно, калий-аргоновым методом и могут быть положены в основу летописи древнейшей истории живых организмов.

Самые древние ископаемые, найденные в горных породах (табл. 2), представляют собой морские организмы: простейшие (бактерии) (фото 8) и растения, представленные одноклеточными сине-зелеными водорослями. Остатки были найдены в Южной Африке в породах, возраст которых насчитывает по крайней мере 3,2 миллиона лет. Эта дата означает, что в момент, когда возраст Земли составлял лишь одну треть современного, море уже было населено живыми организмами, хотя и самыми простейшими. Это был значительный шаг вперед.

Таблица 2. Основные события истории живого вещества и развития атмосферы и гидросферы. Заштрихованная площадь представляет относительное количество видов организмов. Звездочками обозначены ископаемые, возраст которых установлен калий-аргоновым методом. (Составлено по различным источникам.)

Следующие по возрасту ископаемые остатки были найдены в Онтарио в породах, насчитывающих два миллиарда лет. Они также представляли собой бактерии и сине-зеленые водоросли, как показано в таблице 2. Но в породах центральной Австралии, возраст которых предположительно около одного миллиарда лет, найдены ископаемые растения уже нескольких видов. Среди них, кроме простых одноклеточных организмов имеются также древнейшие из известных многоклеточных организмов. Там же найдены зеленые водоросли - тип растений, обладающих сложными клетками и допускающих уже половое размножение в отличие от простейшего воспроизводства. Эти свойства допускают генетическое разнообразие и тем самым открывают путь к развитию бесконечной дифференциации организмов. Такое явление очевидно, возникло не более миллиарда лет назад. Но к кембрийскому времени, в начале фанерозоя, приблизительно на 400 миллионов лет позднее, уже началось резкое увеличение количества и разнообразия животных организмов, процесс, который привел органический мир Земли к совремеиному состоянию. Это "взрывное" возрастание могло быть результатом возникновения полового размножения.

Фото 8. Древнейший из известных ископаемых организмов, возраст которого определяется 3,2 миллиардами лет. Бактерия (называемая Eobacterium isolation) из восточной части Южной Африки длиной менее 1/1000 мм. Фотография сделана с помощью электронного микроскопа

До сих пор мы упоминали только простейших и растения. А что мы знаем о появлении животных? В докембрийских слоях Южной Австралии, вероятно насчитывающих более 800 миллионов лет, были найдены остатки сотен примитивных морских животных. Все они представляют собой отпечатки на мягких отложениях древней илистой прибрежной равнины и пляжа животных, выброшенных в отлив на берег (фото 9, рис. 28). Животные имели мягкие тела без раковин или каких-либо твердых частей. Сохранившиеся в песчаниках отпечатки принадлежат животным типа медуз, каким-то ветвящимся формам, напоминающим полипы, и еще каким-то формам, не похожим ни на одно живущее сейчас животное. Наконец, были найдены также отпечатки червей и следы их движения на мелководье. В этом разнообразном сообществе -наиболее важным элементом являются именно черви, так как они представляют собой вид высокоразвитых кольчатых червей. Их наличие позволяет предполагать, что более простые животные существовали в море гораздо раньше - настолько раньше, что они успели развиться от простейших форм до более сложных, представленных кольчатыми червями.

Фото 9. Древнейшее ископаемое животное, найденное в Южной Австралии - Колокольчатый червь, Spriggina Floundersi диаметром около 5 см.

Фото 9. Древнейшее ископаемое животное, найденное в Южной Австралии - медузообразное животное, Cyclomedusa davidi, длиной около 2,5 см

Едва ли удивительно то, что мы не находим простейших животных, на существование которых указывают сложные формы, в более древних породах. Маленькие мягкотелые животные могли сохраниться лишь при сочетании условий, которое встречается исключительно редко: очень тонкозернистые отложения, спокойный, хорошо защищенный водоем, позднее заполненный осадками без размыва, и, наконец, гораздо позднее, эрозионные процессы, которые вывели эти отложения на поверхность, но не разрушили их. Вероятно, что большая часть еще более древних ископаемых была уничтожена и уцелевшие становятся нам известны лишь благодаря счастливому случаю.

Существование нескольких видов животных, найденных в Австралии, показывает, что в это время дыхание организмов стало уже обычным процессом в биосфере. В свою очередь наличие дыхания предполагает, что в гидросфере, а следовательно, и в атмосфере тогда уже содержался свободный кислород, элемент, отсутствие которого было столь характерным на первых этапах существования Земли. Как мы увидим, источником кислорода мог быть фотосинтез растений, которые существовали, по данным палеонтологии, к этому времени уже в течение двух миллиардов лет или более.

Рис. 28. Реконструкция облика группы древнейших животных, обитавших на мелководье у берегов Австралии

Хотя эти данные скудны, они все же дают нам надежную информацию не только о видах организмов, но также косвенным образом и об изменениях в составе вод океана. Имея в виду эти сведения, можно представить себе состав вод океана на более ранних этапах и реакции, которые протекали в нем в начале и на ранних этапах существования жизни.

Теория происхождения биосферы

В начале этой главы мы говорили, что живое вещество не содержит никаких элементов, которые отсутствовали бы в неорганическом мире Земли. Добавим к этому утверждению, что четыре главных элемента (водород, кислород, азот, углерод), входящие в состав живого вещества, преобладают на Земле. Поэтому живое вещество обычно.

Каким образом эти элементы объединялись, чтобы образовать биосферу? Этого мы еще не знаем. Но мы уже имеем достаточное количество информации, чтобы сузить круг возможностей и делать все более обоснованные предположения. Приводящий в изумление "набор" различных организмов, живущих сейчас, включает всевозможные градации от наиболее высокоорганизованных животных до простейших одноклеточных форм. Но на этом последовательность не кончается, а продолжается дальше вниз до одиночных крупных белковых молекул, представленных, например, различными вирусами, которые существуют то в инертной кристаллической форме, то в подвижном живом состоянии.

Но и сама белковая молекула состоит из более простых частей - соединений углерода, водорода, азота и кислорода, связанных между собой определенным образом и образующих так называемые аминокислоты. Эти кислоты входят в состав любого организма, но можно ли назвать их самих "живыми"? Ученым удалось образовать аминокислоты из соединений, которые предположительно входили в состав первичной атмосферы Земли, - газообразной смеси водорода (Н_2), метана (СН_4), аммиака (NH_3) и водяного пара (Н_2О). Эту смесь подвергали сильным электрическим разрядам, а затем конденсировали. В полученной жидкости были обнаружены аминокислоты и другие углеводородные кислоты. В других экспериментах из неорганических составных частей были получены многие компоненты живой материи.

Результаты этих экспериментов приводят нас к выводу о том, что организмы развились путем длительной химической эволюции из неорганического вещества, состоявшего из сочетаний химических элементов и неорганических соединений. Эти соединения, наиболее вероятно, находились в морской воде, которую биологи называют "теплым питательным бульоном", хотя это должен быть довольно жидкий суп. Но так или иначе морская вода была жидкой средой, в которой легче всего могли происходить химические реакции. Вода является растворителем и превосходной средой для реакций органических соединений, которые и сами представляют собой жидкие системы. Более того, атомы углерода обладают исключительной способностью соединяться друг с другом самыми различными способами. Поэтому все эти обстоятельства обеспечивали наиболее благоприятные условия для возникновения в высшей степени разнообразных соединений.

Как мы отмечали в шестой главе, первичная атмосфера и гидросфера (включая упоминавшийся "питательный бульон") не содержали свободного кислорода. Весь кислород существовал только в форме соединений с другими элементами.

Кислород не только необходим для жизнедеятельности животных; в верхних слоях теперешней атмосферы он создает экран, защищающий Землю от ультрафиолетового излучения Солнца, которое в противном случае убило бы все живые организмы (В атмосфере Земли под действием ультрафиолетового излучения Солнца молекулы кислорода (02) превращаются в молекулы озона (О3). Озон, скапливаясь в верхних слоях атмосферы, образует экран, защищающий Землю от ультрафиолетовых лучей. - Прим. ред). Сейчас, мы живем как бы под зонтиком, который образует свободный кислород, а на ранних этапах истории Земли этой защиты не существовало. Поэтому в безжизненном первобытном мире, даже если бы каким-то образом возник какой-нибудь современный организм, он не мог бы выжить, потому что тогда не было этого защитного экрана.

Прежде чем двигаться дальше, следует более внимательно изучить шкалу времени, которой нам предстоит пользоваться. Как мы уже говорили (см. табл. 2), ископаемые остатки, найденные в породах, показывают, что приблизительно 3,2 миллиарда лет назад в море уже существовали как простейшие, так и очень примитивные растения. Так как литосфера образовалась около 4,5 миллиарда лет назад, мы имеем промежуток времени продолжительностью около 1,3 миллиарда лет, в течение которого образовалось и развивалось живое вещество. Этот промежуток времени вдвое длиннее всего фанерозоя, со всей его долгой и сложной историей развития биосферы, что само по себе более чем достаточно. В течение этих 1,3 миллиарда лет в среде, лишенной свободного кислорода, должно было возникнуть и затем развиться до уровня простейших и примитивных растений живое вещество. Рассматривая эти события, мы должны также учитывать, что позднее кислород появился в атмосфере в больших количествах, потому что без этого не могли бы возникнуть животные.

Эти события, последовательность которых может быть названа химической эволюцией, теоретически могут быть объяснены логично, но насколько истинна эта теория - покажет будущее.

Компоненты, необходимые для образования живого вещества, присутствовали в первичном океане, этом органическом "бульоне". Без наличия свободного кислорода ультрафиолетовое излучение Солнца свободно достигало поверхности суши и океана. Это облучение или разряды молний могли создать высокую энергию, необходимую для образования аминокислот, подобно тому, как это наблюдалось в лабораторных экспериментах. Аминокислоты могли объединяться, образуя белковые молекулы, которые, реагируя и легко вступая в соединения, способствовали дальнейшим изменениям, создавая более сложные углеводороды.

Где-то в этой последовательности находится звено, с которого мы могли бы считать начало возникновения жизни. Но какой момент считать началом жизни, зависит от того, как определить жизнь. Возможно, первый живой организм состоял из одной клетки. Возможно, это была очень простая бактерия или что-то напоминающее бактерию. Но что бы это ни было, оно нуждалось в питании. Источником питания для него могли служить молекулы углеводородов, составлявшие ил на дне мелкого моря. От этого способа питания оставался один шаг до усвоения или "поедания" сначала продуктов жизнедеятельности, а затем и мертвых тел таких же организмов. Следующим шагом логично должно было явиться поедание живого органического вещества.

В этой предполагаемой последовательности событий мы видим начало раздела живых организмов на две группы. Одна группа живет, поглощая отходы жизнедеятельности и мертвое вещество других организмов; другая группа, в некотором отношении более сложная, предпочитает питание живыми организмами. Это основное различие, положившее начало отдельным линиям развития, могло привести к разделению на растения и животных, хотя эта идея, видимо, чрезмерно упрощена.

Изменения, имевшие место в ходе этой и других ранних стадий эволюции, лучше всего выражаются в терминах биохимических реакций. Среди наиболее ранних изменений, вероятно, было одно, которое сделало возможной реакцию, получившую название ферментации. В том виде, как мы наблюдаем ее сейчас, ферментация осуществляется примитивными организмами, в том числе некоторыми бактериями, живущими в бескислородной среде. Поскольку эти организмы живут в такой среде, они дают нам ключ к пониманию жизни, которую вели организмы в первичном океане. При ферментации углеводороды расщепляются и перестраиваются, небольшое количество энергии высвобождается в виде тепла, а одним из образующихся продуктов является углекислый газ (рис. 29).

Рис. 29. Теоретическая последовательность процессов, которая могла привести к образованию основных групп ныне живущих организмов. Количество энергии, высвобождающейся при дыхании, значительно больше того, которое высвобождается при ферментации, что показано различным размером надписей

Этот продукт, безразлично, был ли он результатом ферментации или других химических реакций, теоретически имел большое значение для дальнейшего развития вновь образовавшейся жизни, потому что добавление большого объема углекислого газа к тому его небольшому количеству, которое уже могло содержаться в море, должно было придавать среде новые свойства. Оно создавало возможность для процесса фотосинтеза. Свойственный многим растениям, этот процесс создает различные органические соединения из воды, углекислого газа и энергии солнечных лучей, поглощенной растениями (рис. 29). Если углекислый газ постоянно поступал в море, растения, которые ранее не могли существовать в океане, обладавшем менее сложным химическим составом, могли ^теперь развиваться, "строя" свои ткани из углекислого газа.

Отсюда вытекает еще одно важное следствие. Одним из продуктов фотосинтеза является свободный кислород (О2). Поэтому при достаточном количестве растений, производящих кислород, он тоже должен был в свою очередь накапливаться в море. В этих новых условиях в присутствии свободного кислорода становится возможным процесс дыхания (рис. 29). Дыхание - процесс, обратный фотосинтезу, - не только производит углекислый газ, необходимый для растений, но также высвобождает большое количество энергии - прибль штельно в тридцать пять раз больше, чем ферментация. Эта энергия имеет такую форму, которая может использоваться для роста и движения организмов. При этих очевидных преимуществах дыхание должно было сделать возможным существование животных. Животные с пользой употребили избыток энергии, образующейся при дыхании. Они научились свободно перемещаться, некоторые очень быстро, в поисках пищи. Движение требовало координации частей тела, точного контроля и способности быстро принимать сложные решения. Для этого нужен был мозг, еще одно имеющее большую ценность отличие животных от растений.

Таким образом, возникновение биосферы начинается с химических процессов, которые позднее приобретают характер биохимических. Последовательность этих процессов в схематизированном виде представляется в следующем виде:

аминокислоты -> белковые молекулы -> более сложные углеводороды -> ферментация -> фотосинтез -> дыхание

Такова химически обоснованная последовательность событий в образовании жизни в самом простейшем виде. Она выглядит логичной, но нельзя забывать, что это все еше не более чем гипотеза. Зарождение процессов жизни могло происходить и несколько отличным от описанного путем. Большинство ученых считает, что причиной возникновения этих процессов был длинный ряд случайных химических соединений, чисто случайных событий, таких, например, как столкновение молекул в "питательном бульоне".

Слово "случайный" не должно наводить нас на мысль о том, что вся эта последовательность событий была чисто "случайной", выражение, под которым обычно имеется в виду "маловероятный" или даже "почти невероятный". "Случайность" здесь означает только "вероятность". Когда мы говорим о случайности события (такого, как соударение молекул), мы имеем дело со статистической закономерностью. Каждое случайное событие, каким бы маловероятным оно ни было, если рассматривать его изолированно, становится более и более вероятным по мере увеличения числа проб. Если вероятность события составляет 1 из 1000 в одном эксперименте, то при 10 000 экспериментов вероятность того, что оно произойдет хотя бы однажды, будет равной 19 999 из 20 000; такая вероятность обычно уже не считается "случайностью", это почти уверенность.

Теперь посмотрим, сколько раз за данный промежуток времени могло произойти 10 000 попыток? Мы рассматриваем промежуток времени длиной около 1,3 миллиарда лет, с возникновения Земли до появления растений, плюс 2 миллиарда лет или около того до момента, о котором известно, что животные уже существовали. Сколько раз могли произойти 10 000 попыток для каждого из таких неупорядоченных событий за период протяженностью 3,2 миллиарда лет? Воображение человека заходит в тупик при попытке вычислить такое огромное число. Ни один человек, знакомый со статистикой, не отвергнет возможность возникновения химических соединений просто на том основании, что для них могло не хватить времени. Времени было более чем достаточно.

В какой-то момент в ходе изменений независимо от того, происходили они так, как мы описали, или иначе, химическая эволюция ранних этапов стала биологической. Произошло это с того момента, как организмы начали воспроизводить себя. Граница между двумя эволюциями показана (произвольно) в таблице 2 на уровне древнейших известных ископаемых организмов, хотя ее настоящее место должно быть несколько ниже.

Биологическая эволюция, предположительно между одним и двумя миллиардами лет назад, получила новое развитие благодаря возникновению полового размножения. В связи с этим резко возросли возможности приспособления организмов к среде, как мы увидим в восьмой главе.

Обзор

Настало время снова вернуться к таблице 2, которая содержит в сжатом виде большую часть того, о чем мы говорили в данной главе. Мы видим в таблице, что, пока существовала первичная атмосфера, в море, в этом "органическом питательном бульоне", накапливались аминокислоты, молекулы белков и более сложные углеводороды. В какой-то более поздний момент начались такие процессы, как ферментация, благодаря которой в океан поступало добавочное количество СО_2. Среди простых одноклеточных растений (сине-зеленых водорослей, которые обнаружены в ископаемом состоянии в Африке) уже действовал процесс фотосинтеза, поставлявший в океан свободный кислород. Помимо ископаемых растений, это доказывается и другими свидетельствами. Осадочные пласты, имеющие возраст от 2 до 3 миллиардов лет, повсюду содержат единичные слои окислов железа, осаждавшихся на мелководном морском дне в результате соединения железа и кислорода в морской воде. Более молодые пласты лишены этого вида осадочного железа, но содержат красные окислы железа, образующиеся, как и сейчас, при окислении атмосферным кислородом железа при химическом выветривании пород. Таким образом, представляется вероятным, что по мере того, как строение растений становилось все более сложным, они начинали производить путем фотосинтеза больше кислорода, чем его мог поглотить океан. Лишний кислород начал поступать из моря в атмосферу, и началось окисление пород в процессе химического выветривания.

Одновременно кислород, накапливавшийся в атмосфере, начал образовывать экран, защитивший земную поверхность от ультрафиолетового излучения (Автор имеет в виду озон - трехатомный кислород. - Прим. ред). Когда количество свободного кислорода стало достаточно большим, экран мог стать вполне надежной защитой. Растения, которые ранее были вынуждены жить в глубинах океана, лишенных света, смогли распространяться по всей водной поверхности, как это наблюдается и в наше время. Кроме того, обилие свободного кислорода обусловило дыхание в широких масштабах и таким образом предположительно способствовало эволюции морских животных. Надежная защита от летальной радиации и наличие свободного кислорода, доступного для дыхания, подготовили путь для следующих двух больших шагов. Первым было образование и распространение планктона, огромного множества микроскопических растений и животных, населяющих и сейчас поверхностные воды открытого океана и служащих пищей более крупным морским организмам. Вторым шагом, который стал возможен в это время, был выход живых организмов из моря нa сушу. Вероятно, перемещение происходило таким образом: некоторые растения и животные, в большом количестве населявшие прибрежные воды, переместились в зону, затопляемую приливом и обсыхающую при отливе. Когда они приспособились к существованию в этой зоне, следующим логичным шагом был решительный выход на берег. Таким образом, морские растения и животные сделали сушу местом своего постоянного пребывания.

Как мы уже отмечали, сведения о наличии ископаемых остатков и их возрасте, помещенные в таблице 2, представляют собой установленные факты. Другие данные в этой таблице справедливы с различной степенью вероятности.

Но даже в том виде, в каком таблица существует, она дает нам общее представление о том, как могло бы происходить развитие живой материи до начала фанерозоя. При этом следует помнить, что описанный выше период развития Земли представляет собой не только начало ее истории. Он охватывает почти всю историю Земли, занимая почти около 87% геологического времени. Таким образом, все оставшееся время этой истории составляет всего лишь 13% продолжительности существования Земли. Причина такого несоответствия заключается в обилии фактических данных о жизни в течение фанерозоя. Вследствие большого количества ископаемых остатков, относящихся к фанерозою, многообразие жизненных форм в эту эпоху подтверждается многими интересными деталями, легко поддающимися расшифровке. Но более старые породы подверглись полному метаморфизму, при этом большинство ископаемых остатков, которые некогда в них содержались, оказались разрушенными. Другие слои древних пород, которые могли содержать ископаемые остатки, были перекрыты позднее осадочными слоями и, таким образом, недоступны для исследования. Поэтому нам до сих пор неизвестна большая часть фактов, принадлежавших к первому периоду истории Земли, который составляет 87% ее общей продолжительности. Таким образом, мы располагаем лишь отрывочными знаниями, пробелы в которых приходится заполнять предположениями. Мы надеемся, что эти предположения постепенно можно будет заменить фактически обоснованными положениями.

Нужно иметь в виду еще одно важное положение, относящееся к описанной выше истории Земли.

Существует не только влияние окружающей среды (какой, например, является и бескислородная атмосфера) на биосферу, но и обратное влияние биосферы на окружающую среду. Убедительным примером такого влияния может служить то обстоятельство, что свободный кислород, которым мы пользуемся, был, скорее всего, внесен организмами, буквально "выдохнут" растениями в процессе фотосинтеза. Таким образом, мы, как и животные, обязаны царству растений не только пищей, которую мы едим, но, очевидно, и самим нашим существованием. Без атмосферного кислорода человек не мог бы появиться на Земле.

Литература

Barghoorn E. S., 1971, The oldest fossils: "Sci. American", v. 224, p. 30-40. Cloud P. E., 1968, Atmospheric and hydrospheric evolution on the primitive Earth: "Science", v. 160, p. 729-736.

Glaessner M. F., 1961, Pre-Cambrian animals: "Sci. American", v. 204, p. 72-78. Henderson L. J., 1958, Fitness of the environment: Beacon Press, Boston. (Reprint; originally publ. 1913)

Опарин А. И., 1966, Возникновение и начальное развитие жизни, М., "Медицина".

Rush J. H., 1957, The dawn of life: Hanover House, New York.

Wald George, 1954, The origin of life: "Sci. American", v. 191, p. 45-54.

Глава восьмая. Эволюция живых организмов

Сложная цепь

Идея образования и расплавления земной коры и движения континентальных плит, сопровождающего эти процессы, поражает воображение как огромными размерами и весом движущихся глыб, так и колоссальной энергией, которая необходима для поддержания всей этой системы в движении. Однако не менее поразителен процесс эволюции живых организмов, проходящий через всю историю планеты Земля; он вызывает изумление огромным количеством участвующих в нем организмов и крайней сложностью биохимических процессов, в совокупности образующих Жизнь. В течение всей исгории Земли отдельные растения и животные, умирая, захоронялись под отложениями, а их форма и строение "консервировались" в виде ископаемых остатков, включенных в пласты пород. В наши дни многие ископаемые были найдены и собраны воедино. Если расположить их по порядку, то видно, что они образуют непрерывные ряды. Некоторые изменения, прослеживающиеся в поколениях современных организмов, представляют собой непосредственное продолжение цепи изменений, установленных по ископаемым остаткам. Все вместе эти ряды образуют сложную цепь со многими звеньями, которая постоянно удлиняется уже более 3 миллиардов лет, с тех самых пор, как химическая эволюция была замещена самовоспроизводством организмов. Теория этой цепи, теория эволюции живых организмов, позволяет понять историю жизни, ранее представлявшуюся беспорядочным скоплением ископаемых форм. А кроме того, как мы уже отметили в главе третьей, эта теория сделала возможной корреляцию слоев в различных районах и таким образом способствовала построению геохронологической шкалы.

Когда мы делаем попытку обрисовать историю организмов, мы закономерно начинаем с рассмотрения процесса эволюции, который восстанавливаем по ископаемым остаткам. Мы начнем с данных, на которых основано наше понимание этого процесса, а затем перейдем к рассмотрению того, как работает его механизм.

Доказательства эволюции

За последние сто лет среди ученых стало господствующим убеждение, что эволюция действовала всегда и действует и в настоящее время. Это убеждение основано на огромном количестве фактов, в том числе на данных различных отраслей науки. В частности, оно основано на анализе соотношения различных ископаемых и соотношения между зародышами различных животных, анатомических данных, опыте целенаправленного разведения растений и животных.

Ископаемые. Пожалуй, наиболее убедительным обоснованием теории эволюции являются собранные воедино сведения об ископаемых остатках. При сравнении ископаемых, собранных из различных пластов, становится очевидно, что чем моложе породы, тем более сложные организмы в них обнаруживаются; усложнение происходит в направлении от основания к вершине геохронологической колонки. Это подтверждается на примере слоев, выходящих в Большом каньоне Колорадо. Как мы отмечали в седьмой главе, наиболее древние ископаемые остатки принадлежат одноклеточным организмам, следующие по возрасту - растения, а затем - наиболее простые животные. Это прогрессирующее усложнение прослеживается к вышележащим (то есть более молодым) слоям, и наконец, последним в позднекайнозойских слоях появляется человек. Едва ли будет ошибкой считать это соотношение доказательством того, что со времени начала эволюционного процесса биологическая эволюция непрерывно создавала новые формы и структуры.

Если сравнивать различные ископаемые остатки не с их "родными" слоями, а между собой и с другими организмами, которые живут сейчас, выявляется другая удивительная закономерность. Если объединить между собой наиболее близкие группы, то графически соотношение между ними может быть представлено в виде дерева, со стволом, большими и малыми ветвями, причем существующие сейчас виды помещаются на вершинах ветвей (рис. 30). Если проследить распределение этих организмов по ветвям, сверху вниз, изменения кажутся незаметными, но общий эффект при переходе от малых ветвей к большим может оказаться весьма значительным. При переходе от малых ветвей, к большим ископаемые организмы становятся все более простыми, причем самые простые располагаются у основания ствола. Так или иначе, но все эти жизненные формы связаны друг с другом, как имена предков в родословном древе. Даже крошечные простейшие являются предками человека, как мы можем установить, проследив эту линию достаточно далеко вниз.

Рис. 30. 'Древо жизни', показывающее соотношение между различными формами жизни, как современными, так и ископаемыми. Приведенная схема далеко не полная; в нее включены только наиболее известные группы животных и не дано подразделений растительного мира

Конечно, "древо жизни" до сих пор еще не "укомплектовано", и хотя это и не показано на рисунке 30, но в некоторых случаях связи между отдельными ветвями еще не прослежены. Пробелы в ряду ископаемых остатков представляют собой недостающие звенья в цепи наших данных. Но постепенно одно за другим недостающие звенья находятся и занимают свое место. Таким звеном явилась, например, одна из древнейших и наиболее примитивных ископаемых амфибий - Ichthyost$ga, найденная в девонских слоях в Гренландии в 1948 г. Она настолько похожа на девонских рыб, что только конечности указывают на принадлежность ее к наземным животным (рис. 31). Это указывает на связь между рыбами и амфибиями.

Рис. 31. Скелеты рыбы и семи наземных животных; с помощью одинакового по размеру изображения скелетов, данных в одном и том же положении, показано сходство основных частей и строения скелетов

Другое некогда недостающее звено - археоптерикс (Archeopterух), самая примитивная из известных нам птиц, впервые обнаруженная в юрских пластах в Германии в 1861 г. Эта "покрытая перьями рептилия" представляет собой промежуточное звено между рептилиями и птицами и отнесена к птицам потому, что она покрыта перьями. Наконец, древнейший человек - австралопитек (Australopithecus, africanus) (фото 64), обнаруженный в Южной Африке в 1924 г., значительно более примитивный, чем известные нам до сих пор по ископаемым остаткам древние люди. Он образовал новое звено в цепи примитивных предков человека.

Рис. 31. Скелеты рыбы и семи наземных животных; с помощью одинакового по размеру изображения скелетов, данных в одном и том же положении, показано сходство основных частей и строения скелетов

Некоторые ветви эволюционной цепи оказались гораздо длиннее, чем это предполагалось раньше. Например, в 1938 г. рыбаки в Индийском океане поймали очень большую странного облика рыбу, целаканта (фото 10). Эта примитивная рыба со своеобразными лопастевидными плавниками была хорошо известна в ископаемом состоянии и встречалась в пластах начиная от девонского и до мелового возраста, однако считалась вымершей еще до начала кайнозоя. Открытие живого целаканта продлило историю существования этого вида еще на 70 миллионов лет. Эти рыбы - близкие родственники девонских рыб с лопастевидными плавниками, из которых развились амфибии, как мы уже отмечали выше, - также образуют звено в цепи предков человека.

Фото 10. Целакант, 'живое ископаемое'. Экземпляр, пойманный в марте 1966 г

Другим "живым ископаемым" является разновидность секвойи, Metasequoia (фото 11), которая до 1941 г. считалась исчезнувшей в среднекайнозойское время. В 1941 г., однако, она была открыта в одном из внутренних районов Китая. Сейчас эти деревья, родственные хорошо знакомой нам секвойе, выращиваются из привезенных из Китая семян и в других странах.

Фото 11. Метасеквойя, выросшая в Соединенных Штатах из семени, присланного из Китая

Сходство зародышей. Другие доказательства эволюции были получены при изучении зародышей. Развивающиеся зародыши различных видов позвоночных обнаруживают поразительное сходство между собой на ранних стадиях своего развития, но по мере Дальнейшего развития утрачивают это сходство. Чем ближе родство между видами животных (как, например, между человеком и обезьяной), тем дольше сохраняется сходство между их развивающимися зародышами.

Особо следует отметить наличие одинаковых жаберных щелей, которые видны на ранних стадиях развития у различных видов животных. Эти щели, однако, изменяются у различных животных по мере развития. У рыб жаберные щели и связанные с ними органы образуют приспособление для дыхания жабрами. Но птицам и млекопитающим, которые дышат иначе, жаберные щели не нужны для дыхания. Они преобразовались в органы, с помощью которых животные издают или слышат звуки. У человека, например, из эмбриональных жаберных щелей развилась часть уха и горла. Это является достаточно веским доказательством того, что человек и другие дышащие воздухом позвоночные сохранили эмбриональные черты, унаследованные от далеких предков, которые дышали жабрами и жили по крайней мере 360 миллионов лет назад.

Сходство скелетов. Если сравнивать скелеты древних и современных наземных позвоночных (рис. 31), они свидетельствуют приблизительно о том же, о чем и зародыши. Скелеты состоят из сходного количества костей, располагающихся приблизительно в одном и том же порядке. Только размеры отдельных костей и их относительные пропорции меняются у различных животных. Это сходство, столь устойчиво прослеживающееся, может означать только одно: скелет современных наземных позвоночных в основе своей представляет очень старомодную конструкцию. Хотя с течением времени его отдельные части удлинялись или укорачивались, увеличивались или уменьшались, но в целом он никогда не был заменен чем-то совершенно новым. Он только постоянно, и то очень медленно, преобразовывался путем многочисленных, но очень небольших изменений. Таково еще одно неопровержимое доказательство того, что современные высшие животные развились из своих отдаленных предков, многое от них унаследовав.

Еще более ясно это можно увидеть, если мы подробно рассмотрим какие-либо части скелета, например переднюю конечность (рис. 32). У всех позвоночных передняя конечность имеет одинаковое в основном строение, но у каждого вида она изменилась таким образом, чтобы обеспечить наибольшее удобство при передвижении в данных условиях среды обитания - в воздухе (птицы), в море (киты), на обширных травянистых равнинах (лошади) и в лесу (кошки). Таким образом, как мы вскоре увидим, среда оставляет свой отпечаток на скелетах.

Рис 32. Кости передней конечности различных позвоночных. Строение в целом у всех одинаково, но в различной степени видоизменено и приспособлено к определенному типу передвижения: полету (летучая мышь, птица), плаванию (кит), быстрому бегу (лошадь), прыжкам (кошка). У ящерицы и человека несколько отличны основные черты строения

Рудиментарные органы. Как кости, так и мягкие части тел многих животных организмов образуют органы, которые не несут очевидных функций, но сходны с органами других живущих или вымерших организмов, у которых эти органы выполняли вполне определенные функции. У тех животных, у которых эти органы бесполезны, они носят название рудиментарных, потому что являются остатками - рудиментами - приспособлений, существовавших у предков. Только в теле человека таких органов более 150; наиболее известен из них аппендикс, слепой отросток, который может воспаляться и во многих случаях подлежит хирургическому удалению. У некоторых менее развитых животных, однако, соответствующий орган функционирует как полезная часть пищеварительного тракта. Менее известным органом является копчик. Он состоит из семи позвонков с соответствующими мускулами и нервами и расположен у основания позвоночника. Это рудиментарное образование, которое в более развитом виде образует хвост у большинства животных. Малые берцовые кости, у современных лошадей не выполняющие никаких функций, представляют собой остатки когда-то использовавшихся пальцев у предков лошади, имевших три опорных пальца. Киты и некоторые змеи имеют рудиментарные кости, которые соответствуют костям задних конечностей у четвероногих животных. Некоторые нелетающие птицы, например страус, имеют рудиментарные крылья - остатки крыльев, которые другие птицы используют для полета. Таковы немногие примеры, выбранные нами из огромного множества рудиментарных органов, существование которых может быть объяснено только тем фактом, что они стали рудиментарными в ходе эволюции.

Одомашнивание животных и растений. В результате направленного разведения в течение длительного времени - от нескольких лет до нескольких тысяч лет - человеку удалось вывести многочисленные разновидности отдельных видов растений и животных. Наиболее известный пример - многочисленные породы собак, очевидно, выведенные от одного первоначального вида, напоминавшего волка. Породы собак очень разнообразны по размерам, форме тела и соответствию специальным целям, хотя все они принадлежат к одному виду. Эти искусственно полученные изменения показывают возможность передачи по наследству признаков, отобранных человеком, и позволяют предполагать, что подобный процесс изменений имел место и в течение длительной истории организмов.

Процесс эволюции

После обзора наиболее убедительных доказательств происходившей эволюции, мы можем обратиться к рассмотрению самого процесса, в котором выделяются три аспекта. Первый - молекулы, которые могут копировать сами себя и передавать в закодированном виде информацию. Второй - изменения, которые происходят с отдельными организмами и могут быть унаследованы. Третий - среда и ее влияние на состав популяций. Если внимательно рассмотреть эти три аспекта, то нетрудно будет понять, как именно происходила и происходит эволюция, зафиксированная по ископаемым остаткам.

Молекулы ДНК. В любом организме каждая отдельная клетка, имеющая ядро, содержит некоторое количество очень важного вещества, называемого дезоксирибонуклеиновой кислотой (сокращенно ДНК). Молекула ДНК имеет необычные для единичной молекулы большие размеры, и все же, чтобы сделать с нее фотографию обычного размера, она должна быть увеличена в сотни тысяч раз. Фотография, сделанная с помощью электронного микроскопа, показывает, что она имеет форму двух переплетенных спиралей (фото 12). Большая спиральная молекула ДНК обладает замечательной способностью к самовоспроизводству. Она может делиться на две совершенно равные половины, каждая из которых содержит половину спирали. Затем каждая половина может достраивать недостающую часть, снова приобретая вид спирали. Результатом является удвоение - две полных спирали вместо одной, существовавшей ранее. Считается, что это удвоение возможно потому, что каждая часть исходной спирали состоит из четырех химических компонентов, которые могут располагаться в различном порядке. Подобно точкам и тире азбуки Морзе, долгое время использовавшейся при передаче телеграмм, порядок, в котором расположены химические компоненты, составляет генетический код, который содержит информацию или "инструкции", согласно которым должна строиться вторая половина спирали. Закодированное таким образом послание представляет собой своего рода чертеж. Оно определяет, какие химические элементы должны использоваться, а также в каком порядке они должны располагаться. Порядок образует химические соединения, которые нужны клетке или группе клеток для того, чтобы развиваться и функционировать. Конечно, эти химические компоненты, служащие для построения клеток, получаются из пищи, поглощенной и переработанной организмом, причем количество пищи должно быть достаточно велико.

Фото 12. Изображение молекулы ДНК, полученное с помощью электронного микроскопа при увеличении в 1 750 000 раз. Эта молекула была получена из клеток тела рыбы; она образует длинную узкую вертикальную полосу, которая для удобства фотографирования помещена между двумя скоплениями кристаллов углерода (вверху и внизу на снимке). При данном увеличении видна двойная спираль, но составляющие ее неразличимы. Фотография автомобиля, сделанная при этом увеличении, имела бы размеры от Нью-Йорка до Сан-Франциско

Именно так отдельный организм (набор специализированных клеток) растет в продолжение всей своей жизни путем деления и перестройки клеток, согласно закодированным инструкциям, содержащимся в молекулах самих клеток. По мере того как клетки делятся, инструкция тоже воспроизводится, так что любая клетка, имеющая ядро, получает свою собственную копию и может немедленно ее использовать. Таким образом определяется не только рост, но и каждая черта индивидуального организма. Если трудно представить себе такую большую детальность, следует вспомнить, что молекула ДНК, какой бы большой она ни была, все же очень мала с точки зрения человека. Диаметр ее составляет около 0,0000008 сантиметра, и в теле человека может находиться почти неисчислимое количество таких молекул. Сложность процессов, которые одновременно происходят в таком большом городе, как, например, Нью-Йорк с его восьмимиллионным населением, не очень велика по сравнению со сложностью процессов образования, движения и разрушения молекул ДНК и других составных частей в теле одного обитателя этого города.

Резюмируя, можно сказать, что молекулы ДНК с записанной в них информацией и способностью воспроизводить самих себя определяют основной план роста и функционирования клеток, составляющих организм, и, следовательно, все основные черты и особенности организма. Мы должны посмотреть, каким образом передается закодированная информация, а следовательно, и особенности организма, от одного поколения к другому, так как эта информация лежит в основе наследственности.

Наследственность и изменчивость. Характеристики формы и поведения, определенные генетическим кодом, передаются от родителей к потомству, но в этом процессе они меняются, по крайней мере до некоторой степени благодаря строению клеток, участвующих в процессе полового размножения. В отдельной особи любого вида организмов, размножающихся половым путем (а сюда относятся почти все животные и растения), половые клетки содержат длинные нитевидные хромосомы, каждая из которых в свою очередь содержит многочисленные гены, - единицы, контролирующие наследственность. Ген - это часть молекулы ДНК, та часть, которая содержит в своем строении запись информации, необходимой для воспроизводства данного организма - его формы, размера, физиологии и поведения.

И вот когда мужская клетка спермы объединяется с женской яйцеклеткой, образуется новая сложная клетка, имеющая комбинацию хромосом обоих родителей. Оплодотворенная клетка начинает делиться. При этом делении точно воспроизводится новая комбинация хромосом. Код, которым обладает эта сложная клетка, конечно, отличается от кода любого из родителей. В соответствии с этим и новая особь может обладать чертами родителей почти в любом сочетании. Количество сочетаний, которые могут образовывать хромосомы в одном человеческом организме, оценивается в 2 100°. Это почти невероятно большое число. Поскольку потенциальное число комбинаций настолько велико, две особи не могут быть в точности одинаковыми. Каждая из них получает гены от обоих родителей, и эти гены образуют уникальную комбинацию. Эта комбинация содержит неповторимый набор закодированных сведений и инструкций, согласно которым развиваются индивидуальные черты организма, до некоторой степени передающиеся по наследству следующим поколениям.

Существенным результатом этого является изменчивость. Поскольку каждый индивид в каждом поколении до некоторой степени отличается от своих родителей, изменчивость постоянно проявляется в виде многочисленных мелких, незаметных изменений, которые могут быть унаследованы.

Естественный отбор. На этой стадии сказывается влияние окружающей среды. Каждый организм в каждом поколении рождается со своим собственным комплексом изменений в определенных условиях среды. Этот организм реагирует на условия, приспосабливаясь к ним, но степень этого приспособления частично будет зависеть от унаследованных изменений. Некоторые особи из большой популяции будут в большей степени соответствовать условиям среды, чем другие, просто потому, что один или несколько свойственных им признаков дали им небольшое преимущество в этом окружении. Поэтому статистически у одной группы особей будет чуть больше шансов выжить и воспроизвести себя, чем у остальных. Поскольку изменения могут наследоваться, следующее поколение будет иметь немного большее количество особей, обладающих благоприятными изменениями. Если условия останутся неизменными, то приобретение всей популяцией "благоприятных" свойств явится только вопросом времени, хотя, возможно, довольно длительного.

Это настолько важный вопрос и так часто его понимают неправильно, что мы вернемся к нему еще раз. В любой популяции изменения проявляются в каждом поколении. Из этих постоянно возникающих наборов изменений условия среды стремятся отбирать лучшие (то есть наиболее соответствующие условиям). В результате этого создается впечатление, что отдельные особи в популяции сознательно пытаются приспособиться. Однако ничто не может быть дальше от истины. Этот процесс приспособления есть не что иное, как ряд приспособительных реакций. Эволюция не имеет программы, но точность, с которой приспосабливающиеся организмы отвечают на требования среды, похожа на чудо.

Простой, но вместе с тем ясный пример этого процесса представляет история эволюции бабочек в Англии за последнее время. Если сопоставить данные наблюдений и подсчетов, сделанных в настоящее время, с теми, которые были сделаны в 1850 г., то окажется, что около 60 видов бабочек в Англии изменили свой облик. За этот период времени в результате развития промышленности здания и даже деревья покрылись копотью. В 1850 г. менее 10% популяции бабочек имели темную окраску, сейчас же темный цвет имеют более 90%. Первоначальное соотношение цветов было результатом изменчивости. Однако так как светлая окраска была более заметна на темном фоне, птицы легче находили и истребляли бабочек со светлой окраской и меньшее их количество выживало и размножалось. Для бабочек критическим фактором среды явилось наличие насекомоядных птиц. Бабочки не приспосабливались сами сознательно к более темной окраске среды; они оказались к ней приспособленными в результате деятельности птиц.

Выживание под влиянием среды и с помощью механизма наследственности определяет облик грядущих поколений и называется естественным отбором. Это процесс сортировки и перетасовки. Хотя естественный отбор действует в сфере организмов, он подобен по своим результатам отбору в неорганическом мире, сортировке и перемешиванию, которые производят другие природные процессы, создающие земную кору. Глубоко под поверхностью Земли определенные минералы "отбираются" благодаря относительно низкой точке их плавления, и их расплав движется вверх. На поверхности минералы "отбираются" в соответствии с их устойчивостью по отношению к процессам химического разрушения, их неустойчивые компоненты удаляются. Действительно, естественный отбор более понятен, если мы рассматриваем его как один из многих сложных природных процессов, протекающих на Земле.

В естественном отборе изменение от одного поколения к другому может быть незначительным, но, как и в случае врезания Большого каньона Колорадо или сортировки частиц, образующихся при выветривании гранита, кумулятивный эффект бывает огромным. Как мы отметили в предыдущих главах, на поверхности Земли непрерывно происходят геологические изменения, вызывающие изменения природных условий. Эти последние в свою очередь влияют на растения и животных, вызывая адаптацию.

Мы должны помнить, что такие изменения происходят не сознательно и не целенаправленно. Они действуют автоматически, слегка изменяя вероятность выживания каждой особи в популяции. Каждая особь, со своим набором присущих только ей свойств, сталкивается с требованиями среды. Некоторые особи выживают, другие оказываются истребленными, и каждое новое поколение становится немного лучше приспособленным к условиям среды, чем были приспособлены его родители.

Повсюду в мире мы наблюдаем растения и животных, которые в процессе приспособления приобрели строение и черты, наиболее соответствующие данному виду среды. Белый медведь, обладающий толстой шкурой с жировой подкладкой, прекрасно умеющий плавать, хорошо приспособлен к жизни на полярных льдах. Длинноногий верблюд, со своей способностью сохранять воду в организме, приспособлен к жизни в обширных районах континентов, отличающихся малым количеством воды и скудной растительностью. Другие организмы приспособились к жизни в тропических лесах, в воздухе над обширными океанами, в пещерных водоемах и ко многим другим условиям среды. Каждое из этих приспособлений явилось результатом эволюции, направлявшейся естественным отбором. Если мы внимательно изучим ископаемые, мы можем прийти к выводу, что в течение большей части истории организмы приспосабливались к тем же видам природной среды, которые существуют и сейчас. Но эти организмы меняли свое пространственное размещение вследствие геологических изменений, затрагивавших и поверхность континентов, и океаны. Такое приспособление организмов в прошлом явилось еще одним следствием принципа актуализма.

Мутации. Имеется и другой вид наследуемых изменений. Он увеличивает разнообразие живых организмов, среди которых под влиянием окружающих условий происходит отбор. Это мутации. Они происходят в яйцеклетке или сперматозоидах одной особи и могут наследоваться потомством. Мутации заключаются в изменении кодового механизма внутри молекулы ДНК, так что некоторый ген у особи нового поколения отличается от соответствующего гена у любого из родителей. Происходят они неожиданно и непредсказуемо и, будучи наследуемыми, вызывают изменения структуры, черт или характеристик, которые проявляются в последующих поколениях. Взаимодействуя со средой, эти изменения закрепляются в потомстве, если они благоприятны, или "выбраковываются", если они неблагоприятны. Химические основы мутаций в деталях еще не изучены, но можно полагать, что эти изменения имели существенное влияние на направление эволюционных изменений организмов.

Дискуссия

Эволюция в основе своей состоит в адаптации - приспособлении к окружающей среде. Изменения происходят постоянно - они имеют или характер мутаций или происходят в результате новых сочетаний свойств, возникающих в последующих поколениях. Они поставляют сырой материал, над которым работает естественный отбор. При этом испытываются всевозможные виды новых приспособлений, и те из них, которые оказались "успешными" в данных условиях, сохраняются и в будущем, неудачные же постепенно отсеиваются.

Когда Чарлз Дарвин впервые описал естественный отбор в 1859 г., он рассматривал этот процесс с точки зрения приспособленности организма для жизни в данной среде, конкуренции между отдельными особями, преуспевания некоторых групп и исчезновения менее приспособленных.

В рамках геологической истории успех групп организмов зависит от двух факторов: 1) способности эффективно воспроизводиться и 2) способности занимать территорию и удерживать ее в условиях конкуренции. В истории динозавров, цветковых растений или мамонтов ледникового периода все эти вопросы не имели никакого отношения к морали. Мораль - это человеческое понятие, и оно вступает в силу лишь на поздних.этапах истории человека.

Следует добавить, что изучение летописи ископаемых остатков не приводит нас к установлению какой-либо общей цели эволюции. Не доказано, что эволюция следовала в каком-либо определенном направлении и стремилась к определенной цели. Другими словами, эволюция, очевидно, не имеет программы. Очевидно, она не следует также и по прямой линии. Ее пути часто переплетаются (как мы видели на рис. 30) и отклоняются от прямого направления, но они никогда не повторяются в точности. Такой путь развития мы определяем как вероятностный, являющийся результатом непрерывного ряда ответных реакций живых организмов на новые возможности, возникающие при изменении среды.

Сколько времени потребовалось для того, чтобы процесс эволюции создал все то огромное разнообразие растений и животных - более миллиона видов, - которое существует сейчас? В начале этого процесса, как ,мы отмечали в седьмой главе, постепенно возникли первые одноклеточные организмы. Это было более 3 миллиардов лет назад. Ближе к нашему времени органический мир достиг в основном своего современного состояния к концу плиоцена, возможно 2-3 миллиона лет назад. Большая часть эволюционных процессов протекла в интервале между этими двумя моментами. Никого, кто изучал этот процесс, не удивит то обстоятельство, что развитие организмов могло достичь современной степени приспособленности и разнообразия за отрезок времени немногим более 3 миллиардов лет. Ученые считают, что этого времени было вполне достаточно. Действительно, если бы геологические процессы, которые вызывали изменения среды обитания, протекали быстрее, то возможно, что та же степень эволюционного развития, которую мы видим сейчас, могла быть достигнута за более короткое время.

Скорость эволюционных изменений, конечно, менялась в широких пределах в зависимости от времени и места, была неодинаковой у различных видов организмов и зависела, как и сейчас, от скорости и пространственного распределения изменений окружающей среды. Например, набор ископаемых остатков показывает, что за 63 миллиона лет геологического времени, то есть за кайнозойскую эру, беспозвоночные морские организмы развивались медленно и изменились незначительно, а большинство наземных животных развивалось гораздо быстрее и при этом сильно изменялось. Эта разница отражает различия в скорости изменения среды. Природная обстановка на суше быстро реагировала на поднятия, горообразование и изменение температур и атмосферных осадков, в то время как природные условия в море оставались сравнительно стабильными. И все же с точки зрения человеческого календаря любая скорость эволюции кажется малой. За период, предположительно составляющий 10 000 лет, в течение которого собаки и скот были одомашнены и подверглись воздействию искусственного отбора, не образовалось ни одного нового вида. Искусственные изменения привели не более чем к появлению разновидностей в пределах одного вида.

Мы должны подчеркнуть этот основной принцип. Пока окружающие условия остаются стабильными, популяция организмов тоже остается стабильной, с небольшими эволюционными изменениями. Когда же среда начинает изменяться и, таким образом, становится неустойчивой, населяющие ее организмы также становятся нестабильными. Таким образом, окружающая среда создает предпосылки для проверки биологических "изобретений", которые постоянно появляются. Когда мы проследим историю живых организмов, восстановленную по ископаемым остаткам, мы увидим много примеров таких "изобретений"; некоторые из них оказались успешными, а другие, не выдержав испытаний, исчезли с лица Земли.

Тесная связь организмов со средой, их восприимчивость к изменениям среды, которая ясно прослеживается по ископаемым остаткам, найденным в древних пластах, должна послужить уроком современному человеку. На территориях, где в сильной степени развита промышленность, подчас происходят резкие изменения условий жизни. Некоторые из этих изменений более заметны и невыгодны для организмов (по крайней мере некоторых), чем изменения, обусловленные климатическими колебаниями или другими природными процессами. Изменения обоих видов, как можно ожидать, вызывают соответствующие ответные реакции (приспособление или постепенное вымирание) в биосфере этих территорий. Возможные последствия этого не следует недооценивать человеку - единственному виду, который вызывает изменения и может их контролировать с учетом конечных результатов - благоприятных или катастрофических для животных и растений Земли.

Литература

Blum H. F., 1951. Time's arrow and evolution: Princeton University Press.

De Вeer G. R., 1964. Atlas of evolution: Thomas Nelson 8c Sons Ltd., Lodnon.

Dobzhansky Theodosius. 1950. The genetic basis of evolution: "Scientific American", January 1950, p. 2-11.

Mood у Р. A., 1962, Introduction to evolution: 3d ed., Harper 8c Row, Inc., New York.

Smith H. W.. 1961, From fish to philosopher: The Natural History Library. Anchor Books. Doubleday 8cCo., Garden City, New York. (Paperback.)

Stebbins G. L.. 1966, Processes of organic evolution: Prentice-Hall, Englewood Cliffs. N. J.

Volpe E. P., 1967. Understanding evolution: W. C. Brown Co., Dubuque. la. (Paperback.).

Yanofsky Charles. 1967, Gene structure and protein structure: "Scientific American", v. 216, p. 80-94.

Глава девятая. Особенности ископаемых остатков

Палеонтологическая летопись

В нашем обсуждении геохронологической шкалы и эволюции органического мира часто упоминалась летопись ископаемых остатков, или палеонтологическая летопись. Под этим термином подразумевается вся совокупность собранных, определенных, занесенных в каталоги и описанных ископаемых остатков различных видов, которые хранятся в музеях, университетах и других научно-исследовательских учреждениях во всем мире. Палеонтологическая летопись включает сотни коллекций и миллионы больших и малых ископаемых, от огромных динозавров и китов до микроскопических животных и растений. Сюда относятся не только сами ископаемые, но и все, что о них написано, целые библиотеки научных книг и статей, в которых содержатся описания и рисунки ископаемых и рассматривается их положение в геохронологической шкале. К настоящему времени полностью описано 100 000 видов ископаемых морских беспозвоночных, и это число постоянно увеличивается.

Таким образом, составление летописи ископаемых - очень большое и важное дело, в котором участвуют тысячи ученых и технических специалистов, и это становится очевидно для каждого, кто посетит какой-либо институт, занимающийся изучением ископаемых остатков. Каждый любознательный посетитель хочет знать, как выглядят ископаемые, как могут сохраняться животные и растения в течение миллионов лет и каким образом в случае необходимости производится реконструкция ископаемых. Ответ на эти вопросы сделал бы нашу историю живых организмов гораздо более понятной.

Что мы могли бы знать об истории Земли, если бы организмы, населявшие Землю в прошлом, хотя бы частично не сохранились в ископаемом состоянии? Конечно, мы знали бы о геологических циклах, о принципе актуализма и движении плит земной коры. Но наша шкала геологического времени была бы очень примитивной и гораздо менее полезной, чем сейчас, наши реконструкции природных условий прошлого гораздо менее полными, а пути эволюции можно было бы восстанавливать лишь предположительно.

Сохранение органических остатков

Существованием ископаемых в довольно большом количестве мы обязаны процессу консервации некогда живых организмов. Хотя большая часть отдельных организмов, некогда живших на Земле, была уничтожена, местами их тела или части тел оказались защищенными от воздействия кислорода. Они были быстро погребены под осадками и затем превращены в породы в результате осаждения минерального вещества из медленно просачивающихся вод, пропитывающих грунт. Такова в общих чертах история большинства ископаемых. Давайте посмотрим более внимательно, каким путем сохраняются органические остатки.

Когда животное или растение умирает, большая часть его вещества довольно быстро подвергается разрушению. Другие организмы, среди которых особенно важную роль играют бактерии, пожирают или химически разлагают его. Обычной реакцией в химическом разложении как органического, так и неорганического вещества является окисление. Мы видим в лесу, что ствол упавшего дерева, пролежавший на земле несколько лет, становится бурым и сгнивает. Ископаемые остатки, встречающиеся в пластах пород, составляют лишь ничтожную часть когда-то живших организмов, избежавшую общей участи. В виде исключения их тела были защищены от окисления и трупоядных животных, что обычно происходило благодаря погружению в воду в момент смерти или вскоре после него.

Огромное большинство ископаемых остатков принадлежит морским беспозвоночным - различным моллюскам и им подобным организмам. Мягкие ткани их тел или заживо съедались хищниками, или пожирались животными-могильщиками после смерти этих организмов. Но твердые раковины сохранялись и заносились осадками, отлагавшимися на дне моря. На суше возможность сохранения была гораздо меньше. Но даже там некоторые животные и растения попадали в живом или мертвом виде в воду, которая предохраняла их тела от окисления. Другие быстро погребались под накапливающимися осадками, которые вскоре после этого насыщались грунтовыми водами. Часто захоронение как животных, так и растений происходило при паводках на реках (фото 13). Другой причиной сохранности могло быть быстрое накопление вулканического пепла, а иногда и текущей лавы. Короче говоря, главными факторами, обеспечивающими сохранность остатков на первых этапах, были быстрое погребение или погружение в воду, или и то и другое вместе. Почти такое же значение имеет третий фактор - наличие в мертвом организме твердого вещества (раковины, костей, зубов или рогов), которое противостоит действию трупоядных организмов и химическому разложению. Почти все ископаемые остатки состоят из одних скелетов; мягкие ткани сохраняются редко и только в совершенно особых условиях. Однако, если тело захороняется целиком, оно может сохраняться до мельчайших деталей (фото 4). Даже игра красок на крыльях ископаемых насекомых сохранилась в течение сотен миллионов лет.

Фото 13. Это песчаное русло временного водотока большую часть времени сухое или почти сухое. При сильных ливнях по нему течет мутный поток, в котором тонут животные, а их трупы уносятся течением и быстро погребаются в аллювии

Способы сохранения. Образование ископаемых остатков не обязательно заканчивается после захоронения. Они могут подвергаться и другим воздействиям, в том числе таких процессов, которые полностью меняют их состав или разрушают вещество, сохраняя внешнюю форму.

Наиболее простой пример представляет тело, которое оказалось заключенным в лед, асфальт или другое природное вещество, которое сохраняет материал этого тела. Именно так случилось с 36 мамонтами и несколькими шерстистыми носорогами, найденными в северной Сибири за последние 200 лет; их трупы сохранились в грунтах, находившихся в мерзлом состоянии со времени последнего оледенения. Мясо, по крайней мере одного из них, было настолько свежим, что его ели ездовые собаки. Распространено ошибочное мнение о том, что некоторые из этих мамонтов были найдены во льду ледников. Это не так. Насколько нам известно, они были заключены в промерзшем иле. Возможно, животные утонули в болотах как раз перед осенними заморозками, при этом ил промерз на большую глубину, и на следующий год, ранней весной, еще до того, как он оттаял, речное половодье отложило толстый слой аллювия. Этот слой препятствовал таянию залегавших ниже пород. Радиоуглеродные определения возраста, сделанные для шкуры и шерсти этих животных, показали, что между самым ранним и самым поздним захоронением прошло более 30 000 лет. Таким образом, если взять только 36 найденных мамонтов, то в среднем захоронение животных, утонувших в трясине, должно было происходить только раз в 800 лет. По сравнению с этим число мамонтов, которые погибли более обычным способом, должно быть гораздо больше. Согласно подсчетам, из Сибири были вывезены в виде слоновой кости бивни 20 000-30 000 мамонтов, найденных на поверхности. Возможно, еще большее количество бивней и целых туш все еще погребено в мерзлом иле.

Другой пример - это туши шерстистых носорогов ледниковой эпохи, сохранившиеся даже с характерной для них длинной шерстью в нефти, которая сочилась из земли и затем затвердевала. В восемнадцатой главе описан случай захоронения костей миллионов млекопитающих в нефтяном озере в Калифорнии [такие же захоронения есть и около города Баку. - Ред.]. Химизм сохранения остатков в нефти во многом сходен с мумификацией человеческих останков, использовавшейся древними египтянами. Бальзамировщики использовали нефть, которая не пропускает воздуха и потому препятствует окислению.

Фото 14. Окаменелое дерево. Срез небольшого ствола. Клеточная структура сохранилась вследствие заполнения клеток кремнеземом

Гораздо чаще - практически всегда - мягкие части трупов разрушаются, а твердые подвергаются окаменению. Этот процесс, в основе химический, протекает в толще грунта и представляет собой часть медленно протекающего процесса превращения осадков в осадочные породы. Медленно просачивающаяся грунтовая вода отлагает минеральные вещества в пористых внутренних частях костей или в полостях клеток растений (фото 14). Грунтовая вода может также растворять первичное вещество раковин или костей и замещать его каким-либо другим веществом, обычно кремнеземом, иногда в виде опала; реже, при соответствующем химизме среды, происходит замещение каким-либо редким минералом, как, например, чистым серебром. Наконец, окаменение может совершаться путем естественной возгонки, происходящей глубоко под землей. При этом процессе водород и кислород, содержавшиеся в исходном органическом веществе, медленно выделяются в виде различных газов и остается только углерод. Таким образом, форма организма, очень часто это бывают рыбы, сохраняется в виде почти чистого угля (фото 15).

Фото 15. Рыба длиной 15 см (род Redfieldius), сохранившаяся в углефицированном виде в результате естественной возгонки в триасовых сланцах (Дурхэм Конн, США)

Хотя большая часть известных нам ископаемых представляет собой окаменелые раковины и кости, существуют и другие способы консервации организмов. В слоях ила и глины, отложенных на дне глубоких озер, часто встречаются отпечатки листьев (фото 16). Листья опускаются на дно озера и постепенно покрываются отложениями. Вещество листа разлагается, но отпечаток его формы остается. Иногда таким же образом сохраняются отпечатки насекомых (фото 36).

Фото 16. Отпечаток листа платана в эоценовых алевролитах, штат Юта. Сам лист разрушен; темный цвет объясняется наличием минерального вещества, отложенного грунтовыми водами во время превращения первичного осадка в горную породу

Редкая разновидность отпечатка была обнаружена в слое базальта - лавовом лотоке олигоценового или миоценового возраста - около города Каули, штат Вашингтон. Двадцать-двадцать пять миллионов лет назад на пути этого потока, наступавшего на мелководное озеро, оказался лежавший на боку труп носорога длиной более двух метров; труп был заключен в лаву, которая в воде остыла настолько быстро, что не разрушила органических тканей. Таким же образом лава залила и росшие поблизости деревья.

Открытые в 1935 г. остатки носорога представляли собой небольшую полость в теле лавового потока, имевшую форму раздувшегося трупа носорога (рис. 33); в этой полости находились челюсть, зубы и другие кости животного. Для изучения формы тела носорога был сделан гипсовый слепок полости.

Рис. 33. Реконструкция позы трупа ископаемого носорога (Вашингтон). (Пояснение дано в тексте.)

Еще один вид ископаемых остатков, никогда не содержавших органического вещества, - это отпечатки следов (фото 17). Из них сохраняются только те следы, которые были перекрыты тонкими отложениями, прежде чем их успела разрушить эрозия. Иногда даже крохотные следы мелких насекомых (фото 18), а также отпечатки дождевых капель сохраняются очень отчетливо. Такие отпечатки не просто редкость. Они содержат информацию о размере животного, длине конечностей, наличии когтей, копыт и т.д., а также о том, как передвигалось это животное - шагами, бегом иди прыжками. Другой, на первый взгляд странный, но надежный источник сведений - это окаменевшие экскременты животных. Изучение их тонких срезов под микроскопом помогает определить, какую пищу употребляли животные, и неопровержимо свидетельствует о том, что некоторые из них были каннибалами. Они питались животными того же вида.

Фото 17. Цепочки следов, в большинстве длиной 25-45 см, оставленных динозаврами на поверхности напластования триасовых песчаников. Государственный заповедник динозавров, Коннектикут. Более 200 миллионов лет назад этот песчаник был песчаным аллювием. Стрелками указаны гораздо более мелкие следы, возможно, принадлежащие животному, изображенному на рис. 47

Таковы основные способы образования и консервации ископаемых остатков - глубокое промерзание тел, окаменение костей и раковин, естественные отливки, отпечатки следов; всем им сопутствует захоронение тем или иным способом, обычно очень быстрое (фото 19).

Фото 18. Следы насекомых и птиц в алевролитах, оставленные около 45 миллионов лет назад на побережье эоценового озера в штате Юта

Реконструкция. Для того чтобы ископаемые остатки могли по-настоящему изучать специалисты, они должны быть реконструированы. Некоторые ископаемые, особенно морские беспозвоночные (двустворчатые моллюски, улитки, устрицы), почти не требуют реконструкции, кроме разве подбора соответствующих друг другу створок раковины. Но реконструкция ископаемого позвоночного животного - задача гораздо более сложная. Чаще всего отдельные кости оказываются сдвинутыми или разбросанными. Прежде чем собирать их, каждую кость нумеруют (или помечают как-то иначе) и тщательно фотографируют в том положении, в каком она была найдена. Затем, уже в лаборатории, они очищаются от вмещающей породы и подбираются по порядку специалистом, знающим анатомию.

Фото 19. Палеонтологи откапывают кости огромного динозавра диплодока в юрских песчаниках во впадине Бигхорн, Вайоминг

Восстановление скелета вымершего животного основывается на общих анатомических закономерностях, но реконструкция мягких тканей, кожи и шерсти не может быть совершенно точной, потому что она может осуществляться только по аналогии с ныне живущими родственными видами. Хотя о различных, менее очевидных анатомических подробностях можно только догадываться, все же ископаемые остатки рассказывают нам гораздо больше, чем это кажется с первого взгляда. Остатки наземных животных включают не только кости, зубы, рога и пластинки панциря, но также превосходные отпечатки шкуры и следы, сохранившиеся до мельчайших подробностей. В некоторых случаях можно судить об умственных способностях животного по форме и величине гипсовой отливки внутричерепной полости, содержавшей мозг. Конфигурация черепа позволяет также судить об органах чувств - зрения, слуха, обоняния - и предположить, могло ли это животное издавать звуки. Иногда ископаемые кости сохраняют даже следы болезней животного. При восстановлении облика вымерших млекопитающих, живших во время последнего оледенения, современным ученым приходят на помощь художники каменного века, которые оставили на стенах пещер изображения животных (на которых они охотились) в том виде, в каком они их наблюдали (рис. 34).

Рис. 34. Точное изображение вымерших млекопитающих ледниковой эпохи, сделанное художниками позднего каменного века. Вверху шерстистый носорог. Внизу найденное в Западной Франции изображение нападающего мамонта, вырезанное на куске клыка 10 000-16 000 лет назад. Художник не вырезал до конца клыки, хобот и передние ноги

Классификация

Вид. Классификация живых существ берет начало в весьма отдаленных временах, когда считалось, что каждая разновидность была создана отдельно. Позже, когда был понят процесс эволюции, классификация стала еще более необходимой, так как к этому времени уже было открыто множество организмов, которые должны были быть систематизированы в целях изучения, и число их непрерывно возрастало. Без систематической классификации ископаемые были бы бесполезны, как большая библиотека без каталога.

Основная единица в классификации - вид, группа организмов, которые могут скрещиваться между собой, но не с особями из других групп и обладают общими для целой группы особенностями формы и строения. У ныне живущих организмов в основу выделения вида может быть положена возможность к взаимному оплодотворению. Для вымерших организмов, к которым относится большинство известных ископаемых, виды могут устанавливаться только по аналогии с существующими группами организмов или по особенностям формы и строения.

Вид образуется только потому, что члены этого вида каким-либо образом были изолированы в отношении размножения от соседних популяций, так что гены этого вида не могли смешиваться с другими. Если эта изоляция продолжалась довольно долго, то эти гены становились несовместимыми с генами соседних групп. С этого момента изолированная группа становится видом по определению. С другой стороны, если члены группы не были изолированы, то они могли свободно скрещиваться с членами соседних групп, и тогда со временем отличительные признаки этой группы должны исчезнуть. В ходе истории Земли геологические процессы постоянно вызывали изменения условий, создавая при этом различные типы изоляции. Поэтому вполне понятно, что почти столько же времени, сколько существует жизнь, должны существовать и виды. Но благодаря медленным геологическим изменениям, протекающим непрерывно, одни виды вымирают, а другие перемещаются, изолируются и дают начало новым видам.

Подтверждение этого процесса было найдено в меловых породах, слагающих обрывы английского побережья, обращенные к проливу Ла-Манш. Мел - это белая осадочная порода, состоящая главным образом из миллионов микроскопических раковин, образованных из кальцита. Он накапливался на морском дне в течение части мелового периода. Кроме этих крошечных раковин, мел содержит многочисленные остатки морских ежей вида Micraster. Большое количество их было найдено в пласте мела толщиной не менее 150 метров, который отлагался в течение 4 миллионов лет. Морские ежи в основании пласта сильно отличаются от найденных в верхней части, причем это изменение происходит постепенно. Морские ежи из нижних горизонтов составляют одну группу видов, в то время как найденные в верхней части принадлежат к совершенно другим видам, развившимся путем эволюции из первых.

Этот постепенный переход показывает трудности проведения границ между ископаемыми видами, для которых возможность скрещивания не может быть проверена. Поэтому, как мы уже отмечали, ископаемые виды определяются на основе сходства формы и строения.

Каталог Линнея. В середине XVIII в., за сто лет до того, как идея эволюции получила общее признание, швед Карл фон Линне (Линней), который писал по-латыни и подписывался Linnaeus, потратил многие годы на составление каталога живых организмов. Он классифицировал растения и животных по их очевидным анатомическим свойствам. Как и другие ученые в это время, Линней считал разнообразные живые организмы однажды сотворенными и затем более не изменявшимися. Данная статическая концепция представляет в настоящее время лишь исторический интерес, но каталог Линнея имеет все же большую научную ценность, представляя собой первичную основу современной классификации организмов. В своей основе он не подвергся изменениям, за исключением деталей, и кроме того, он написан по-латыни, на этом почти универсальном языке ученых. Название каждого вида организмов состоит в этом каталоге из двух слов. Первое слово обозначает более широкое понятие - род, второе, более узкое - вид. Например, Homo sapiens (человек разумный), Pinus strobus (белая сосна), Felis domesticus (кошка домашняя), Felis leo (лев), Felis tigris (тигр), Felis pardus (леопард).

Все более крупные подразделения последовательно накладываются на категории, использованные Линнеем. Так, два или более родственных видов образуют род, два или более родственных родов образуют семейство, два или более семейств - отряд, два или более отрядов - класс, два или более классов - тип. Два или более типов составляют царство, наиболее крупную категорию, так как три царства включают соответственно все одноклеточные организмы, растения и животных.

Современная классификация. Для наших целей нам нет необходимости давать в этой книге полную детальную классификацию организмов. Поэтому мы исключаем одноклеточные организмы и даем нашу сокращенную классификацию животных и растений соответственно в таблицах 3А и 3Б.

Теперь, когда мы точно знаем, что такое вид, естественно возникает вопрос, сколько же существует различных видов животных и растений. По наиболее точным оценкам, сейчас насчитывается около 1,5 миллиона живущих видов. Из них 860 000 составляют насекомые, 350 000 - растения, 8600 - птицы и только 3200 - млекопитающие. Большая часть остальных видов, около 300 000, относится к морским беспозвоночным. Общее количество - 1,5 миллиона - включает только те виды, описания которых были опубликованы учеными. Считается, что вдвое большее количество видов еще не описано. Если это так, в настоящее время существуют 4,5 миллиона видов. В это число не входят вымершие виды, известные только в виде ископаемых остатков. Основываясь на количестве уже описанных ископаемых видов, общее количество вымерших видов, обитавших когда-либо на протяжении более трех миллиардов лет существования жизни на Земле, оценивают в пределах от 50 миллионов до 4 миллиардов. И это огромное число относится только к видам. Только когда мы вспомним, что каждый вид может включать множество особей, живущих одновременно (например, в 1972 г. на Земле жило 4 миллиарда людей - членов вида Homo sapiens), тогда мы начнем хотя бы в слабой степени представлять себе размеры и сложность строения биосферы.

Ископаемые и стратиграфия

Изменения уровня моря и эволюция. Теперь мы знаем, как живые существа становятся ископаемыми и как классифицируются ископаемые, чтобы их можно было максимально использовать в научных целях. Располагая этими данными, мы можем теперь сказать больше о связи ископаемых с последовательностью осадочных пластов. Например, правомерно будет спросить, какое влияние окажут наступания и отступания моря на организмы, живущие в море вблизи берега.

Таблица 3А

Царство животных

Тип Protozoa (простейшие - одноклеточные, большей частью микроскопические животные)

Тип Porifera (губки)

Тип Coelenterata (кишечнополостные - кораллы, морские анемоны, медузы и др.)

Тип Brachiopoda (плеченогие)

Тип Bryozoa (мшанки)

Тип Echinodermata (иглокожие - морские звезды, морские ежи, морские лилии и др.)

Тип Mollusca (моллюски - улитки, двустворчатые моллюски, устрицы, кальмары, осьминоги и др.)

Тип Arthropoda (членистоногие - креветки, крабы, омары, трилобиты, пауки, насекомые)

Тип Vertebrata (Chordata) (позвоночные и хордовые - животные, имеющие спинную струну)

Класс (в действительности, 4 класса) Pisces (Рыбы)

Класс Amphibia (Амфибии или земноводные - лягушки, жабы, саламандры)

Класс Reptilia (Рептилии или пресмыкающиеся - крокодилы, ящерицы, змеи, черепахи, динозавры и др.)

Класс Aves (Птицы)

Класс Mammalia (Млекопитающие - теплокровные животные, вскармливающие детенышей молоком)

Таблица 3Б

Царство растений

Несосудистые растения:

Водоросли (простейшие, преимущественно водные растения)

Грибы и плесени

Мхи (простейшие наземные растения)

Сосудистые растения:

1. Примитивные сосудистые растения

2. Лепидодендроны, плауны

3. Хвощи

4. Папоротники и семенные растения

Папоротники

Голосеменные (семенные папоротники, цикадовые, гинкго, хвойные)

Покрытосеменные (Цветковые растения)

Мы допускаем, что в воде живет столько морских животных и растений, сколько может прокормиться при данных условиях. Те особи, которым не хватает пищи, или умирают, или переселяются. Мы должны также помнить, что пища состоит из имеющегося органического вещества, иначе говоря, источником питания живых организмов (Это справедливо для животных. - Прим. ред) могут служить только другие живущие здесь же организмы. При этом образуются длинные пищевые цепи.

Чтобы полностью использовать всю доступную пищу, организмы путем естественного отбора приспособились ко всем изменениям своего жизненного пространства, даже самым малым. Например, в прибрежной зоне различные виды живых существ населяют: 1) воды различной глубины; 2) различные виды дна - скальное, чистое песчаное, илистое; 3) участки, различающиеся по степени защищенности - открытый берег, подверженный действию прибоя, заливы с тихой водой и т. д.

Когда прибрежные воды окажутся таким образом полностью заполненными взаимосвязанными между собой организмами, любое изменение уровня моря относительно суши нарушает существующее неустойчивое равновесие и вызывает изменения в популяции. У берегов с пологим шельфом, как, например, восточный берег Северной Америки от Массачусетса до Флориды, на протяжении около 1600 километров понижение уровня только на 6,5 метра вызовет обсыхание полосы шириной 8-11 километров. Площадь этой зоны составит по крайней мере 13 тысяч км2. При том, что это пространство уже заселено почти до предела, такое изменение скажется на миллиардах больших и малых организмов. Многое будет зависеть от скорости отступания моря, но каким бы медленным оно ни было, в конце концов жизненное пространство будет уменьшено на 13 тысяч км^2. "Лишние" обитатели дна, те, которые в меньшей степени способны приспосабливаться к новым неустойчивым условиям, или вымрут, или переселятся на новое место. Но если они переселятся, то они должны будут выдержать конкуренцию с коренными обитателями той территории, на которую они вторгнутся.

Такая конкуренция способствует процессу эволюции. Поэтому если последовательные изменения уровня моря у рассматриваемого нами побережья разделены достаточно большим промежутком времени - скажем, порядка миллиона лет, - то мы вправе ожидать, что при повышении уровня моря, создающем добавочные площади морского дна, которые могут быть заселены, среди организмов, которые их заселят, появятся новые виды, эволюционировавшие с тех пор, как их предки были вытеснены из этого района. Эти новые виды добавят новые черты к комплексам ископаемых, составляющих палеонтологическую летопись. Они, несомненно, окажут большую помощь ученым, которые будут решать проблему соотношения пластов.

Вспомнив главу третью, мы можем заключить, что изменения, подобные только что описанным, являются главной причиной того, почему определенные группы ископаемых приурочены к определенным пластам, что делает возможным сопоставление пластов в различных районах.

Вымирание. Ход процесса эволюции в течение фанерозоя сопровождался потерями - вымиранием видов, родов и даже более крупных групп. Одной из главных причин такого вымирания является, как мы видели, изменение площади морского дна, вызванное колебаниями уровня моря. Вероятно, причинами могли быть и изменения температуры и других климатических факторов, резкое изменение количества пищи, развитие особенно хорошо приспособленных хищников.

Часто выдвигается предположение, что основной причиной вымирания видов является изменение климата или других факторов природной среды, вызванное изменением магнитного поля Земли; однако до сих пор это предположение не доказано фактами. Хотя наш календарь обращений (рис. 20) охватывает только последние несколько миллионов лет, обращения установлены также и в мезозое и палеозое, а возможно, случались и раньше. Наибольшее количество вымфших групп обнаруживается в конце палеозоя и в конце мезозоя. Эти два промежутка времени отмечены сравнительно большой частотой магнитных обращений. Сейчас исследуется вопрос о связи этих двух видов событий.

Располагая некоторыми сведениями об ископаемых, мы можем теперь перейти к обзору организмов, населявших Землю в прошлом, чему до сих пор мы уделяли мало внимания. В следующей главе мы расскажем, как можно восстанавливать природные условия прошлого по данным об ископаемых остатках и пластах, в которых они найдены.

Литература

Beer bower J. R., 1960, Search tor the past: Prentice-Hall, Inc.. Englewood

Cliffs. N. J. Fenton C.L., Fenton M.A., 1958, The fossil book: Doubleday & Co., Inc.,

New York. Raup D. M., Stanley S. M., 1971. Principles of paleontology: W. H. Freeman & Co., San Francisco.

Rome r A. L., 1966, Vertebrate paleontology: University of Chicago Press.

Stirtоn R. A., 1959, Time, life, and man: John Wiley & Sons, New York.

Глава десятая. Природные условия далекого прошлого

Облик Северной Америки в наши дни

В главах первой и шестой мы уже говорили о поверхности вращающейся Земли. Сейчас мы снова рассмотрим ее, но уже не с точки зрения ее структуры или истории, а обращая внимание прежде всего на то, как выглядит сегодня поверхность континентов - равнины, горы, реки и многочисленные организмы, живущие непосредственно на поверхности Земли, над ней или под ней. Иначе мы могли бы сказать: "... и многочисленные организмы, приспособленные к условиям поверхности континента". Эта приспособленность явилась результатом воздействия условий среды на бесчисленные предшествовавшие данным организмам поколения. Если пренебречь частностями, то в течение последних 50 миллионов лет большая часть Северной Америки - с Аппалачскими горами на востоке, горной системой Кордильер на западе и широкой полосой низменностей и равнин, заключенной между ними и принадлежащей к бассейнам реки Миссисипи и Гудзонова залива, - в общем имела тот же облик, что в наши дни. За это время - 50 миллионов лет - организмы успели достаточно хорошо приспособиться к окружающим условиям, а там, где произошли значительные геологические изменения, они успели приспособиться и к этим изменившимся условиям заново. Поэтому в настоящее время в Северной Америке существуют тысячи вариантов условий природной среды, каждый из которых обладает своим собственным "набором" соответствующих данным условиям растений и животных, совместно обитающих, служащих пищей друг для друга, а в некоторых случаях помогающих друг другу.

Понятие "окружающая среда" включает все физические, химические и биологические аспекты рассматриваемой территории независимо от того, большая она или маленькая, - очертания суши, глубину водоемов, химический состав и мутность воды, течения, климат, почвы, растительность и животный мир. Факторы природной среды столь многочисленны, что обычно мы ограничиваемся изучением влияния одного фактора на другой или всей окружающей среды в целом на какой-либо интересующий нас фактор. Так, например, нас может интересовать, как влияют температура, глубина и соленость воды на организмы, живущие в какой-либо части моря. Или, поднимаясь на высокий горный хребет, мы можем задаться вопросом о том, как влияет возрастание высоты на растения, произрастающие на горных склонах. В настоящее время предметом всеобщего внимания становится влияние дыма и газов, содержащихся в воздухе, на здоровье жителей города.

Характер распределения растительности. Распространение различных видов растительности на континенте дает хорошее общее представление об основных условиях обитания человека и наземных животных. На рисунке 35 показаны естественные растительные зоны Северной Америки (без учета изменений, вызванных сельским хозяйством). На указанном рисунке зоны отделены друг от друга отчетливыми линиями, но в действительности переходы от одной зоны к другой постепенны. Сразу же бросается в глаза, что на пространственное распределение растительности сильно влияет расположение гор. На востоке узкая длинная полоса лесов северного типа протягивается вдоль Аппалачей более чем на 950 километров к югу, чему способствует более прохладный и немного более влажный климат в горах по сравнению с равнинами. На западе подобное распространение особых типов растительности в виде узких полос прослеживается в Скалистых горах и других высоких горных массивах. Последовательно рассматривая территорию Соединенных Штатов от Аппалачей до Скалистых гор, мы видим последовательную смену лесов прериями и далее сухими степями. Эта смена поясов растительности обусловлена главным образом осадками, количество которых убывает по направлению к западу. Если подобным же образом рассматривать центральную и восточную Канаду, следуя с юга на север, можно наблюдать смену отчетливо выраженных лесов северного типа, субарктических лесов и арктической тундры. Существование этих поясов обусловлено главным образом температурами и отчасти осадками; и те и другие постепенно снижаются к северу. На арктическом побережье Канады и Аляски общее количество осадков, выпадающих как в виде дождя, так и снега, невелико; во многих местах оно не превышает количества осадков, выпадающих в Аризоне. Приведенные примеры показывают, что в целом распределение типов растительности легко может быть понято, если его рассматривать с точки зрения основных климатических факторов.

Рис. 35. Естественные растительные зоны современной Северной Америки. Обобщенно показаны типы растительности, которые занимали бы территорию, если бы там не было земледелия

Условные обозначения: 1 - арктическая тундра (злаки и травы, деревьев нет); 2 - субарктические леса (ель, пихта, сосна, береза)[2]; 3 - леса северного типа (сосна, ясень, береза, тсуга); 4 - горные хвойные леса; 5 - леса умеренного пояса (дуб, гикори, сосна и др.); 6 - прерия и саванна (степь с отдельными деревьями); 7 - сухие равнины с травянистой растительностью; 8 - пустынные кустарники и злаки; 9 - субтропические кустарники; 10 - сухие редколесья тропического типа

Местные сообщества живых организмов. При пристальном рассмотрении каждый из упомянутых выше поясов оказывается состоящим из многих более мелких единиц. Взглянув на какую-либо небольшую часть континента, мы сразу же видим мозаику еще меньших участков, каждый из которых имеет свой тип растительности в соответствии с высотой, крутизной склонов, количеством осадков и почвами. Не только растительность, но и животный мир меняется от района к району. Рисунок 36, хотя на нем и не изображается какая-либо реальная территория страны, дает общее представление о возможном сочетании местных природных условий. В левой части схемы показано морское мелководье с песчаным дном, на котором обитают различные беспозвоночные, рыбы и морские водоросли. Характерные обитатели пляжа - крабы, птицы и насекомые. В полосе дюн, созданных в результате переноса ветром в глубь территории отсортированного прибоем песка, растут жесткие злаки, обитают насекомые и, вероятно, грызуны.

Рис. 36. Схема соотношения некоторых типов природной среды, предположительно распространенных на западном побережье Северной Америки и прилежащей части континента

Позади пояса дюн расположены степи и кустарниковые заросли (включающие различные виды кустарников); дифференциация их может быть обусловлена различиями почв. По степи протекает извилистая река, берега которой окаймлены влаголюбивыми деревьями (например, ивами); в ней живут рыбы, пресноводные моллюски, улитки и другие более мелкие организмы. Во встречающихся здесь озерах есть рыбы, беспозвоночные, водоросли, тростники и камыши, привлекающие водоплавающих птиц. Из наземных животных могут водиться олени, антилопы, койоты и грызуны.

Еще дальше в глубине континента находятся горы; их склоны в нижней части покрыты травянистой растительностью, а выше - широколиственными лесами, переходящими еще выше в вечнозеленые леса, и вблизи вершин - альпийские луга с различными злаками и травами. В лесах мы можем встретить оленя, лису, горного льва (пуму), а выше - сурков и кроликов. Горы способствуют выпадению осадков, но по отношению к территориям, расположенным с подветренной стороны от них, они играют роль барьера; поэтому за горами находится пустыня с разреженной растительностью, состоящей из кустарников и кустистых злаков. Среди ее обитателей могут быть антилопы, американские жесткошерстные кролики и другие грызуны, койоты, ящерицы, змеи и скорпионы. В соленых озерах пустыни можно найти беспозвоночных и некоторых мелких рыб, приспособившихся к жизни в соленой воде, а по берегам - водяных птиц. Все эти разнообразные растения и животные приспособились к среде, в которой они обитают.

Местами мозаичность контрастирующих между собой природных условий выражена в еще более мелком масштабе. Например, в долине склон южной экспозиции может быть покрыт травянистой растительностью, в то время как противоположный склон, обращенный на север, может быть лесистым; это происходит в первую очередь потому, что на солнечной стороне влага испаряется из почвы гораздо быстрее, чем на теневой стороне, где влага задерживается в почве, способствуя произрастанию деревьев. Этим объясняется и различие популяций животных, обитающих на разных склонах, в особенности насекомых и мелких грызунов. И действительно, каждый, кто совершал неторопливое путешествие по какой-либо местности, размышляя над тем, что он видел, мог бы перечислить несколько, а возможно, и много, местных типов природных условий, в которых живые организмы прекрасно приспособились ко всем изменениям условий жизни.

Окружающая среда в прошлом

Только сейчас, когда Земля перенаселена видом Homo sapiens, человек начинает познавать природную среду и взаимосвязи ее отдельных типов. Но ученым, изучающим природу, давно известно, какое большое значение имеет влияние, оказываемое средой на развитие всех организмов. Они пришли к пониманию того, что условия среды определяют пространственное распространение растений и животных, а также сложный путь их эволюции.

Принцип актуализма гласит, что горы, равнины и плато, реки и озера, аллювиальные днища долин, дельты, пляжи, песчаные пустыни и другие формы поверхности суши и дна мелководного моря, которые существуют сейчас, должны были существовать в прошлом (фото 20). Находки ископаемых свидетельствуют, что в любой момент геологической истории растения и животные были приспособлены к существовавшим тогда условиям в такой же степени, как их современные аналоги к существующей среде. Это соответствие настолько ясно, что даже там, где нет прямых свидетельств, ископаемые формы вымерших организмов считаются доказательствами существования природных условий, в общих чертах сходных с теми, в которых обитают наиболее близкие к ним современные организмы.

Фото 20. Волноприбойная рябь в песчаниках Дакоты, выходящих в Скалистых горах, в Колорадо. Хотя возраст этой ряби, возможно, насчитывает 100 миллионов лет, она не отличается от ряби, образующейся вдоль современных побережий. Эта рябь была создана на мелководье медленным течением, двигавшимся слева направо, в море, показанном на рис. 38. На величину отдельных гребней указывают современные листья осины

Природные условия, восстановленные по стратиграфическим данным. Как ископаемые организмы, так и физические свойства пластов, в которых они обнаружены, содержат сведения о распределении гор, мелководных морей и других крупных форм на континентах в прошлом. Правда, сами континенты медленно перемещались по поверхности Земли вместе с несущими их плитами земной коры, причем движение это могло происходить как непрерывно, так и прерывисто. Чем более удален от нас момент времени, тем менее мы можем быть уверены в том, где находился каждый континент в этот момент. Но несмотря на затруднения, проистекающие из этого, мы можем установить положение прежних мелководных морей, гор и т.п. в пределах любого отдельного континента, например Северной Америки. Мы можем даже составить серию схематических карт континента, показывающих, как менялись во времени основные черты его поверхности.

Большей частью наши исследования ограничиваются последними 600 миллионами лет или около того, то есть отрезком времени, который в таблице 3А обозначен как фанерозой. Как уже говорилось, более древние слои содержат слишком мало ископаемых остатков, а их первичные физические свойства были изменены или уничтожены метаморфизмом.

Вышесказанное приводит нас к следующему выводу: в течение всего фанерозоя типы природной среды, существовавшие на континентах и шельфах, были во многом сходны с существующими сейчас. Но пространственное положение их постоянно менялось. Эти изменения вызывались местными поднятиями или прогибаниями поверхности, перемещениями плит земной коры в более высокие или более низкие широты с различным климатом, а также предположительно столкновениями континентов или излияниями магмы на поверхность, в результате которых образовывались вулканические конусы или обширные лавовые покровы.

Моря, побережья и возвышенности в ордовикское время. Для того чтобы понять, каким образом изучаются природные условия прошлого, рассмотрим сильно отличающуюся от современной обстановку, существовавшую на известной нам территории Северной Америки в определенный момент времени в конце ордовика, около 465 миллионов лет назад. Отложения, накапливавшиеся тогда на территории современных штатов Нью-Йорк, Пенсильвания, Огайо и на юге Онтарио, хорошо сохранились и во многих местах выходят на поверхность, оказываясь, таким образом, легко доступными для изучения. При прослеживании их с запада на восток устанавливается изменение их характера. В Огайо и западном Онтарио породы этого возраста представлены довольно тонкими, почти горизонтально залегающими слоями известняков с богатой ископаемой фауной беспозвоночных, типичной для дна мелководного моря. Эти слои свидетельствуют о том, что эту часть Северной Америки занимал мелководный морской бассейн, в котором обитало большое количество разнообразных растений и животных. Общая картина, вероятно, напоминала картину, изображенную на рисунке 37. Вода, очевидно, в этом бассейне была чистой, так как известняки состоят главным образом из кальцита; примесь глинистых частиц, которые могли бы загрязнять воду, невелика.

Рис. 37. Природные условия юго-восточной части современной области Великих озер в конце ордовика. Пунктирными линиями на верхней поверхности блок-диаграммы показано положение границ штатов и современные контуры Великих озер. Длина передней части блока - около 1120 км

Однако по мере продвижения на восток мы обнаруживаем всевозрастающее содержание глины в этих пластах, которое в конце концов достигает такой величины, что породы переходят в аргиллиты. Далее появляются песчаные частицы, и аргиллиты сменяются восточнее алевролитами, а затем песчаниками. В этом же направлении увеличивается и мощность пластов. Эта смена типов пород сопровождается изменением характера слоистости и исчезновением морских ископаемых организмов.

Согласно нашей интерпретации, такие перемены объясняются тем, что при движении на восток мы переходим из области древнего моря, пересекая побережье, в область низменной пологой древней береговой равнины. Последняя была создана процессами накопления аллювия, отложенного реками, которые текли с востока на запад. Возрастание крупности зерен осадков в восточном направлении означает, что верховья рек находились в пределах холмистой шш низкогорной области к востоку от береговой равнины. Уклоны потоков должны были быть настолько велики, чтобы сделать возможным перенос песчаных частиц.

Сортировка материала горных пород в пределах холмистой области осуществлялась химическим выветриванием, как это было описано в пятой главе; не измененные выветриванием частицы кварца выносились на запад, по направлению к морю. Все эти частицы, соответствующие по крупности песку или алевриту, как и большая часть глинистых частиц, отлагались в пределах береговой равнины. Далее по направлению к морю вода, не содержавшая глинистых частиц, должна была быть чистой и представлять благоприятную среду для обитания многих животных и некоторых морских растений.

Мы почти не находим свидетельств существования песчаных пляжей в эпоху формирования рассматриваемых отложений. Это не удивительно, так как часть отложений, состоящих из песчаников, располагается дальше к востоку. Вблизи побережья пески, которые могли бы образовать пляжи, почти полностью отсутствовали, и берег был низменным и топким, напоминавшим современную дельту реки Миссисипи. Действительно, берег к югу от Онтарио представляется состоящим из целого ряда больших и малых дельт. Что касается растительности, то нет никаких данных, указывающих на произрастание на суше в эти древние времена каких-либо растений. Поэтому можно предполагать, что в ордовике береговая равнина представляла собой обширную обнаженную илисто-песчаную поверхность, увлажненную и пересеченную мутными, медленно текущими реками. Окажись там человек, он нашел бы эту обстановку крайне непривлекательной.

Холмы и низкогорье, поставлявшие глинистые продукты выветривания коренных пород, давно уничтожены. Сейчас на их месте располагаются выходы метаморфических пород, простирание которых (с северо-востока на юго-запад), в общем, более или менее параллельно береговой линии ордовикского моря. Холмы, являвшиеся "предками" современных Аппалачских гор, занимали часть современной территории Новой Англии. В то время, когда здесь происходило сжатие и метаморфизм пород, зона земной коры, расположенная далее к западу, постепенно прогибалась, образуя карман с большой мощностью отложений (как показано на рис. 37). Такие прогибающиеся карманы мы встречаем на континентальных шельфах.

Географические карты древних эпох. Реконструированная нами выше география древней эпохи может не быть точной в деталях, однако она в достаточной степени основана на фактах и позволяет правильно воссоздать облик древней поверхности Земли. Если в нашем распоряжении имеется достаточное количество пластов осадочных пород, то подобную реконструкцию древних природных условий можно сделать на любом участке суши для одного или нескольких периодов времени, охарактеризованных доступными для изучения осадочными породами. Совместными усилиями многих современных геологов были созданы карты, показывающие географическую обстановку Северной Америки и других континентов в различные прошлые эпохи, о которых мы можем судить по геологическим разрезам. Точность этих карт неодинакова, поскольку неодинаково количество информации, которое может быть получено из геологических слоев. Для некоторых районов или промежутков времени данные очень скудны или вообще отсутствуют - либо потому, что осадкона-копление в этих районах не происходило, либо потому, что горизонты, необходимые для точных реконструкций, были впоследствии уничтожены эрозией.

На картах показано постоянно менявшееся во времени распределение мелководных морей, равнин и различных типов гор, а также вспышек вулканической активности в том или ином районе. Рисунок каждой карты отражает постоянное взаимодействие внутренних - эндогенных - и внешних - экзогенных - процессов. Детали карт интересны главным образом для ученых, изучающих Землю. Для наших целей достаточно сравнить две карты (рис. 38), показывающие строение поверхности Северной Америки по данным реконструкций для середины девонского и позднемелового времени. Эти геологические периоды разделены промежутком времени более чем 200 миллионов лет.

Рис. 38. Слева: обобщенная карта Северной Америки в среднедевонское время, показывающая положение морских проливов (штриховка) и суши (белая). Для сравнения тонкими линиями показаны очертания современных континентов. Справа: Северная Америка в позднемеловое время. Условные обозначения те же

Северная Америка в палеозое. Если отвлечься от деталей и рассматривать лишь общую картину, то карта среднедевонской эпохи (рис. 38, левый) может быть использована для получения общего представления об условиях, существовавших на территории Северной Америки в палеозое. Главной ее особенностью было наличие двух узких и длинных внутренних морей, одно из которых располагалось в районе современного восточного побережья, а другое гораздо дальше к западу. Восточное море, показанное на этой карте, было одним из бассейнов, существовавших на месте ордовикского морского бассейна, показанного на рисунке 37. Хотя очертания его берегов менялись и по временам этот узкий пролив полностью высыхал, море снова и снова занимало свои прежние границы, что, по крайней мере отчасти, объяснялось слабым, но постоянно возобновлявшимся прогибанием земной коры в этой области.

Временами этот прогиб, по крайней мере частично, подвергался боковому сжатию, так что выполнявшие его осадки сминались в складки (рис. 37). Возможно, это явление вызывалось сближением одного континента с другим, занимавшим тогда положение вблизи нынешнего восточного побережья. Но до самого конца палеозойской эры, на протяжении более чем 300 миллионов лет, море продолжало вновь и вновь возвращаться на то же самое место, пока в результате заключительного сжатия осадки, выполнявшие прогиб, не были смяты, образовав Аппалачские горы, и весь район стал сушей. В настоящее время, после того как эти горы в течение 250 миллионов лет (всего мезозоя и кайнозоя) подвергались эрозии, удалившей огромные массы выветрелых пород, они все еще существуют как остатки некогда величественных сооружений. Наклонно залегающие слои песчаников и алевролитов устойчивы против эрозии и образуют длинные гребни, в то время как понижения между гребнями выработаны в менее устойчивых известняках и аргиллитах (фото 21).

Фото 21. Аппалачские горы южнее Гаррисберга, Пенсильвания. Хребты на заднем плане вытянуты в прямую линию и почти параллельны друг другу, гребень на переднем плане образован резко изогнутым пластом пород. Прорезавшая его по диагонали эрозия создала зигзагообразные формы

Возвращаясь к морям, существовавшим до образования Аппалачских гор, отметим, что жизнь в море развивалась в течение более 300 миллионов лет палеозойской эры и появилось множество рыб. Окружающая суша, в ордовике еще обнаженная, покрылась примитивной растительностью, появились наземные животные, образовавшие большое количество видов.

Подобной же была история и другого узкого морского бассейна Северной Америки. Он занимал зону, неоднократно подвергавшуюся прогибанию, где так же отступало и наступало море и в которой накапливались мощные толщи осадков. В мезозое море просуществовало недолго, исчезнув уже в триасовом периоде.

Северная Америка в меловое время. Внимательно рассмотрев карту среднедевонского времени и приобретя, таким образом, некоторый опыт, мы можем обратиться к карте позднемеловой эпохи (рис. 38, правый). На этой карте мы видим Северную Америку, какой она была 70-75 миллионов лет назад. Море покинуло район Аппалачей перед концом, палеозоя. Атлантический берег находился восточнее современного, за исключением полуострова Флорида, большая часть которого была затоплена. Огромные пространства восточной части континента представляли собой сушу. На карте резко выделяется довольно широкий пролив, соединявший водное пространство, находившееся на месте современного Мексиканского залива, с Северным Ледовитым океаном. Этот пролив разделял Северную Америку на две части. В районе Тихоокеанского побережья море покрывало большую часть современной прибрежной суши. Существовавшая тогда суша в основном была низменной и незначительно превышала уровень моря; обширные прибрежные пространства изобиловали болотами. Климат был мягче современного. Суша была сплошь покрыта растительностью, которая носила экзотический по сравнению с современной растительностью характер. Среди наземных животных преобладали рептилии, главным образом динозавры, процветавшие в условиях мягкого климата низменностей. В морях обитало огромное количество рыб и разнообразных беспозвоночных, а воздушным пространством завладели летающие рептилии и некоторые виды птиц.

Реконструкция природных условий

Мы рассмотрели реконструированные природные условия, существовавшие на востоке территории Северной Америки в ордовике. Мы ознакомились также с картами поверхности Северной Америки, какой она была в два различных отрезка времени в прошлом - в девонскую и меловую эпохи. На каких же данных, полученных при изучении осадочных пластов, основаны эти реконструкции? На указанных картах представлена история, и составившие их геологи в такой же мере являются историками, как и те, кто восстанавливает деяния людей в прошлом.

Для историка большой удачей является находка письменных документов, свидетельствующих о событиях, отстоящих от нас более чем на несколько тысяч лет. Хотя ученый, занимающийся историей Земли, совсем не располагает письменными документами, он может найти множество естественных документов в геологических пластах, часто содержащих ископаемые остатки. Он может пользоваться также методом радиометрического датирования, с помощью которого он, как мы видели, составил надежную хронологическую шкалу.

Примеры интерпретации природных условий. Когда ископаемые моллюски, показанные на фото 22, были собраны, определены и сопоставлены с родственными, ныне живущими видами, оказалось, что они представляют собой организмы, обитавшие не в открытом море, а в защищенных солоноватых водах, там, где реки впадают в море. Тонкие, почти параллельно залегающие слои ила, в которых они найдены, также могут указывать на условия устьевой части реки - эстуария. Путем корреляции установлена принадлежность этих ископаемых остатков к началу плейстоцена, возможно, ко времени около двух миллионов лет назад. Этот довольно молодой возраст подтверждается состоянием осадков - ил еще не превращен в твердый алевролит - и самых раковин, еще не подвергшихся окаменению. Хотя место находки ископаемых сейчас расположено в 16 километрах от моря и почти на 60-метров выше его уровня, совершенно ясно, что в то время, когда жили эти моллюски, здесь находилась приливная зона, возможно, в пределах затопленной морем долины реки Тибр. С тех пор эта часть западного побережья Италии была приподнята, что вызвало отступание моря и обсыхание ранее частично затопленного прибрежного района. Напротив, на фото 19 изображен участок в пределах штата Вайоминг, расположенный вдали от моря в средней части континента. На этом участке была обнаружена передняя конечность животного, настолько огромная, что она должна была принадлежать динозавру. Он относился к роду Diplodocus и был подобен животному, изображенному на фото 45. Будучи рептилией, этот динозавр должен был жить в сравнительно мягком климате. Строение его скелета показывает, что он ходил на четырех ногах и питался растениями, очевидно мягкими и в какой-то степени сходными с водорослями. Породы, в которых были найдены некоторые остатки, относятся к поздне-юрскому времени (возраст их предположительно 140 миллионов лет) и представлены в основном тонкозернистым аллювием и отложениями, характерными для болот и замкнутых водоемов.

Фото 22. Слоистый ил, содержащий ископаемые моллюски различных видов. Справа от середины снимка помещен карандаш длиной 12,5 сантиметров. Бассейн реки Тибр ниже Рима

По этим данным был сделан вывод, что район Вайоминга в это время представлял собой ряд обширных речных равнин с многочисленными сообщающимися болотами и озерами, с богатой растительностью и теплым климатом - сочетание условий, напоминающее бассейн современной реки Амазонки. Высота местности над морем была очень невелика; это можно легко установить из того, что в позднеюрское время внутреннее море, подобное изображенному на рисунке 38, правом, но менее обширное, затопляло западную часть района Вайоминг несколько западнее участка, изображенного на фото 19.

Если слои серии, в которых были заключены кости упомянутого динозавра, отлагались на низменной равнине вблизи уровня моря, в мягком и влажном климате, то с тех пор условия среды сильно изменились. Теперь место находки этих ископаемых остатков расположено почти на 2,5 километра выше уровня моря, в семиаридном климате с разреженной растительностью и очень холодной зимой. Здесь проявились эндогенные процессы, в результате которых обширные площади на западе Северной Америки испытали сводовые поднятия, начавшиеся в конце мелового периода и продолжавшиеся в течение большей части кайнозойской эры.

Таким образом, из частичных и обрывочных данных, полученных главным образом при изучении осадочных отложений, постепенно складывается картина медленно изменяющейся в течение последних 600 миллионов лет природы Земли. Частично эти сведения дает анализ физических характеристик пластов, но более важную роль играет изучение ископаемых остатков. Из года в год мы получаем все больше сведений, позволяющих нам представить более ясную картину, но пройдет еще много времени, прежде чем мы сможем прекратить заполнять пробелы в исторических данных домыслами.

Литература

Darling Lois, Darling Louis, 1970, Aplace in the sun, Ecology and the living world: William Morrow & Co., New York.

Farb Peter, and others, eds., 1963, Ecology: "Time", Inc., New York. (Lite Nature Library.)

Laporte L. F., 1968, Ancient environments: Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N. J. (Paperback.)

Raskin Edith, 1967, The pyramid of living things: McGraw-Hill, New York.

Stоrer J. H.,1956. The web of life; a first book of ecology. Devin-Adair Co., New York.

Глава одиннадцатая. Геологическая история растений

Наш обзор развития биосферы в фанерозое логично начать с растений. Растения не только прямо или опосредствованно служат пищей животным; летопись ископаемых остатков показывает, что растения раньше животных покинули море, эту колыбель всех форм жизни. Следовательно, мы сможем легче проследить историю развития животных, если сначала опишем растительный покров континентов и развитие растительности до наших дней. Летопись ископаемых растений, особенно в своей ранней части, изобилует довольно большими пробелами. Это не удивительно, потому что условия для сохранности ископаемых остатков на суше хуже, чем на дне моря, а большинство ископаемых растений росло именно на суше. Такие пробелы затрудняют установление эволюционных связей между группами растений. Несмотря на это, если не вдаваться в детали, можно наметить общую историю, основанную на известных к настоящему времени растительных остатках.

Структура и физиология растений

Сосудистая система. Краткий обзор особенностей современных растений - основных черт их строения и физиологии - показывает результат развития растительного мира. Большинство растений, особенно высших, отличается характерными чертами строения; все они, в частности, имеют: 1) длинный, обычно вертикальный и ветвящийся стебель, в большинстве случаев жесткий; 2) корни, хорошо закрепленные в почве; 3) в верхней части - зеленую листву. Самый важный процесс - фотосинтез - происходит в листьях, безразлично, широкие это листья, иглы или еще какие-нибудь. Клетки листьев синтезируют хлорофилл ("растительную зелень"), зеленый пигмент, который поглощает солнечный свет и, используя его энергию, может создавать питательные вещества из углекислого газа атмосферы и воды, которую растение извлекает из почвы. Через поры листьев поступает углекислый газ, происходит реакция фотосинтеза (химическое восстановление кислорода) и в результате образуются сахар, вода и свободный кислород.

Вода, которая нужна для фотосинтеза, поступает снизу, из почвы, по системе корней, через стебель и ветви. Теперь мы понимаем, что корни, стебель и ветви созданы не просто для того, чтобы нести на себе листья. Это также и водоподводящая система каналов, по которой вода в достаточных количествах подается даже на вершину самого высокого дерева. Очень высокие хвойные деревья на тихоокеанском побережье Северной Америки могут подтягивать воду на высоту до 120 метров над землей.

В действительности вода, которая подтягивается вверх, к листьям, это не просто вода; это сок деревьев, водный раствор. В одеревеневшей ткани живого дерева находятся вертикальные цепочки мертвых клеток. У некоторых видов деревьев верхние и нижние стенки этих клеток растворены - как если бы в высоком здании пришлось уничтожить перекрытия в целом ряде комнат, расположенных одна над другой, чтобы соорудить шахту для лифта. Цепочки этих мертвых клеток заполнены соком. Они образуют трубочки, по которым жидкость, поступающая из земли, подтягивается от корней к живым листьям. Из листьев вода постоянно испаряется в атмосферу через поры. Эта потеря влаги снижает давление внутри листьев и тонких веток и заставляет сок, заполняющий систему трубок, подтягиваться через стенки клеток к листьям, чтобы возместить недостаток жидкости. Таким образом всасывающее усилие передается по всей системе трубок, включая корни, которые в свою очередь начинают более активно поглощать влагу из почвы. Вся эта система "сосудов" представляет собой своего рода насос, действующий весьма эффективно.

Эта система, рассматриваемая в более широком плане, представляет собой часть круговорота воды (рис. 4). В таком круговороте часть осадков просачивается в землю, поглощается корнями растений, поднимается к листьям и с их поверхности испаряется в атмосферу, из которой выпадает затем в виде дождя. Но часть воды остается в растениях. В процессе фотосинтеза она соединяется с углекислым газом, который проникает в растение из атмосферы через поры листьев, и образует питательные вещества и ткани растения.

Для образования тканей растения требуется большое количество воды и углекислого газа. Например, на 0,4 га кукурузного поля произрастает около 10 000 растений, которые дают около 3,5 м^3 зерна (семян кукурузы). Для образования этого количества семян (мы не считаем стебли, корни, листья и стержни початков) растениям требуется около 9 т углекислого газа, из которого они выделяют и используют 2,5 т углерода, а освободившийся кислород возвращают в атмосферу. Для этого растения должны переработать 21 000 т воздуха, то есть более 2 т на каждое растение. В то же время растения должны извлечь из почвы и перекачать в листья 1 892 500 литров воды, что составляет около 190 литров на каждое растение.

Этот процесс происходит на каждом участке кукурузного поля ежегодно. То же самое происходит на площадях, засеянных пшеницей и другими зерновыми. Такие же процессы, хотя и происходящие более медленно, наблюдаются на площадях, занятых деревьями, дающими фрукты или орехи или использующимися как топливо и строительный материал. Представив себе огромные пространства лесов, садов, пастбищ и обрабатываемых полей, безразлично, используемых человеком или нет, мы до некоторой степени можем понять, какую огромную роль растения, входящие в состав биосферы, играют в круговороте воды, а также в процессах выветривания (физического и химического), образующих часть круговорота горных пород.

Система размножения. Изучением способа размножения живых организмов, животных или растений, никогда не следует пренебрегать, потому что успешное воспроизводство организма - это один из важнейших факторов его успешной эволюции, залог способности выживать в меняющихся (к лучшему или худшему) условиях. Поэтому, рассмотрев способы размножения современных растений, мы можем узнать что-то новое и о геологической истории.

Небольшая часть ныне существующих растений размножается вегетативно. При вегетативном размножении у растения развиваются отростки, луковицы или побеги, которые укореняются и становятся самостоятельными растениями, точно воспроизводящими своего родителя. (Мы употребляем это слово в единственном числе, так как в этом случае родитель только один.) При таком размножении сочетания различных генов не происходит; потомок не приобретает никаких новых свойств, которые могли бы послужить ему для приспособления к новым условиям среды.

Половое размножение, напротив, допускает сочетание различных свойств, унаследованных от различных особей, и если условия среды благоприятствуют развитию возникающих признаков, то эволюция ускоряется. В своей основе цикл полового размножения бессеменных сосудистых растений включает две фазы. В первую фазу возникает маленькое безлиственное растение, продуцирующее сперматозоиды, или яйцеклетки, или то и другое одновременно. Сперматозоиды от мужского растения перемещаются в воде (присутствующей хотя бы в виде тонкой пленки) и оплодотворяют яйцо женского растения, находящегося поблизости. Из оплодотворенного яйца развивается новое растение, превосходящее по размерам растения первой фазы и имеющее листья. Во вторую фазу это большее растение образует споры - клетки, служащие для размножения и не требующие оплодотворения. Они уносятся и рассеиваются ветром, укореняются, и из них развиваются мелкие безлиственные растения первой фазы. Таким образом завершается цикл. Как мы видим, один момент данного цикла требует присутствия воды; на ранних этапах истории наземных растений это ограничивало их распространение, так как размножение могло происходить лишь в определенных природных условиях.

Появление семян устранило это затруднение и таким образом усовершенствовало процесс размножения. При наличии семян отпала необходимость движения сперматозоидов к яйцеклетке вводе. Семя - это не просто изолированная клетка. Оно включает множество клеток, образующих в совокупности корень, стебель и один-два листка, "упакованных" в питательное вещество и снабженных оболочкой, защищающей их от механического и химического воздействия. Кроме того, когда семя начинает свое существование, оно уже содержит оплодотворенную яйцеклетку. Оплодотворение происходит тогда, когда яйцеклетка еще не отделилась от родительского растения, которое и питает семя на начальных стадиях роста. К тому времени, когда семя отделяется, оно уже представляет собой миниатюрный организм, снабженный "приспособительными" устройствами. Этот организм может сохраняться живым до тех пор, пока не укоренится и не начнет свою жизнь как самостоятельное растение. Благодаря указанным свойствам он имеет гораздо большие шансы выжить по сравнению с бессеменными растениями, что в свою очередь означает большее разнообразие возможных сред обитания и лучшую конкурентную способность данных видов. Значение таких преимуществ показывает вся история развития растений.

Древнейшие морские растения

Эволюция растений начинается с морских водорослей (см. табл. 2). Самые древние из известных на Земле ископаемых остатков (возраст которых около трех миллиардов лет) представляют собой наиболее примитивные растения - сине-зеленые водоросли. Почти два миллиарда лет такие растения обитали в морях вместе с другими одноклеточными организмами. Но, как свидетельствуют находки ископаемых в Австралии, около одного миллиарда лет назад существовали и зеленые водоросли. Наличие зеленых водорослей показывает, что к этому времени растения приобрели два важнейших свойства в отличие от их предков - более сложное строение и способность к половому размножению. Последнее свойство мы уже рассматривали. Поскольку каждый организм-потомок происходил уже не от одного, а от двух родителей, он обладал новой комбинацией генетического материала, что обусловило большую эффективность эволюции.

Усложнение структуры хотя и не было столь заметным усовершенствованием, также имело существенное значение для будущего. Когда первичные одноклеточные растения приобрели вторую клетку, а затем еще большее число клеток, их форма изменилась от почти шарообразной до линейной или неправильной. Возможное объяснение этого факта заключается в том, что любая несферическая форма имеет большее отношение площади к объему по сравнению с шаром. Таким образом, приобретение растением линейной или неправильной формы означало увеличение площади соприкосновения с морской водой, то есть площади поверхности, поглощавшей углекислый газ и солнечные лучи, необходимые для питания растений. Когда создались неправильности формы, из них могли развиться органы, выполняющие различные функции. И это должно было случиться раньше, чем водоросли могли из воды выйти на сушу.

Заселение суши растениями

До сих пор известны только две находки очень древних ископаемых наземных растений. В верхнесилурийских слоях Центральной Европы были найдены остатки безлистных растений длиной до 10 сантиметров; это самые древние из известных нам наземных растений. Вторая находка была сделана в Австралии, ц слоях раннедевонского возраста. Она представляет собой окаменевшие стебли (до 25 сантиметров длиной) растения, очень близкого к современным плаунам Lycopodium (фото 23), стебель которых стелется по земле и образует вертикальные отростки. Lycopodium - это не только наземное растение, это также и сосудистое растение. Наличие ископаемых растений такого типа означает не только существенный прогресс эволюции, но также и крупный географический сдвиг - выход растительной жизни из моря на сушу.

Фото 23. А. Древнейшее из известных нам наземных растений. Ископаемый отпечаток растения рода Baragwanathia в нижнедевонских слоях юго-восточной Австралии.

Совершенно ясно, что к позднесилурийскому времени растения уже заселили сушу. Но сколько времени занял этот процесс? Между появлением древнейших известных нам морских зеленых водорослей (около одного миллиарда лет назад) и древнейших наземных растений, обнаруженных в позднем силуре Европы (приблизительно 430 миллионов лет назад), прошло около 570 миллионов лет. Это действительно большой отрезок времени, почти равный продолжительности всего фаьерозоя. Хотя мы и признаем, что заселение суши мягкими морскими водорослями и развитие у них сосудистой системы были их замечательным! "завоеваниями", мы не должны забывать, что эти растения имели в своем распоряжении очень много времени, достаточно много для миллионов "проб и ошибок". Если вспомнить, что за такое длительное время даже ничтожная на первый взгляд вероятность почти наверное реализуется, то мы вправе усомниться в том, что водорослям действительно потребовалось так много времени (570 миллионов лет) для завоевания суши. Может быть, где-нибудь существуют кембрийские или даже более древние слои, содержащие остатки наземных растений, и если это так, то когда-нибудь они, вероятно, будут найдены и определены. И тогда сократится большой пробел в известной нам истории развития растений.

Фото 23. Б. Близкородственное ему современное растение, плаун Lycopodium lucidulum с побегами длиной 10-12 см

Путь из моря на сушу. Пытаясь заполнить этот пробел логическими рассуждениями, мы можем представить, каким образом произошел этот великий переход растений из моря на сушу. Водоросли, жившие в море, выделяли свободный кислород, который поступал в атмосферу, приближая постепенно ее состав к современному. Кислород (См. примечания к главе седьмой, стр. 106) создал экран, защищающий организмы от смертоносного излучения Солнца, и таким образом позволил им переселиться из моря на сушу, не подвергаясь опасности немедленной гибели. Этими переселенцами были растения, очевидно, зеленые водоросли. Они сами подготовили условия для этого переселения, выделяя в ходе многих лет процесса фотосинтеза огромные массы свободного кислорода, который превратил атмосферу Земли в защитный экран.

Естественно предположить, что зеленые водоросли расселялись вдоль побережий и проникали в устья рек. Через миллионы лет они, вероятно, распространились вверх по рекам, перейдя из соленой морской воды через солоноватую воду устьев рек в пресную речную. Мы можем представить себе, что временами медленные поднятия на некоторых участках суши преграждали путь рекам и создавали озера. С течением времени озера могли неоднократно изменять уровень и даже высыхать, а потом снова возникать. Непрекращающееся взаимодействие экзогенных и эндогенных процессов могло принимать тысячи различных форм.

Конечно, мы не знаем, сколько видов водорослей прошло этот путь. Но по крайней мере один из них выжил в условиях пересыхающего водоема. Живя в воде, водоросли поглощали пищу всей своей поверхностью. Но когда они стали "выходить" на сушу, им пришлось отказаться от этого простейшего способа питания. Первый шаг в этом направлении мог быть вызван опытом жизни в условиях временного пересыхания, возможно, в устьевой части речной долины во время отлива. У растений развился подобный коже покров, защищавший их от высыхания; в то же время этот новый покров делал возможным поступление воды в растения и ее диффузию.

Одновременно неровности тела растения должны были преобразоваться в примитивные органы со специализированными функциями. Один такой выступ, возможно нитевидный, мог использоваться для прикрепления к грунту, а также для поглощения воды и растворенных питательных веществ из грунта. Должны были также развиваться дополнительные сосудистые ткани, служившие опорой для тянущегося вверх растения. Иначе говоря, постепенно растение стало уже существенно отличаться от прежней мягкой водоросли. Оно становилось примитивным наземным растением, обладающим подобием корня, стеблем и простейшей сосудистой системой. Однако голые зеленые стебли и тонкие ветви, лишенные листьев, все еще напоминали водоросли.

К позднесилурийскому времени (возможно и раньше) такая стадия водорослеобразных растений была достигнута и пройдена. Как только закончился сложный процесс выхода растений на сушу, его естественным результатом явилось расселение и приспособление их к различным местным условиям, что должно было протекать сравнительно легко. Основные предпосылки для этого - наличие почвы, воды, минеральных питательных веществ в почве и углекислого газа в воздухе - уже существовали. Поверхность Земли, напоминавшая поверхность Луны, начала одеваться зеленым покровом.

Древняя наземная растительность; бессеменные растения. Некоторое представление о древнейшей растительности дают остатки окаменевших растений, встречающиеся местами в пластах горных пород, например в речных отложениях первой половины девонского времени. Эти растения принадлежат к нескольким различным родам, но все они относятся к примитивным группам, впоследствии исчезнувшим. Большая часть их имела стелющиеся по земле стебли с отростками, поднимавшимися на несколько десятков сантиметров, без листьев или с зачатками листьев. Такие растения не имели семян. По найденным ископаемым остаткам были сделаны реконструкции, одну из которых вы видите на фото 24.

Фото 24. Реконструкция раннедевонского ландшафта, на котором показаны растения нескольких родов, найденные в ископаемом состоянии в различных районах земного шара. Для масштаба показана дорожная сумка

По мере того как растения приспосабливались к различным условиям, они постепенно дифференцировались, образуя все большее количество видов. К концу девона, то есть 360 миллионов лет назад, растительность стала иметь уже совсем другой облик. Выделялись папоротниковидные растения, предки настоящих папоротников. Они не давали семян; некоторые из них достигали 12 метров в высоту и около одного метра в диаметре ствола у основания. Представив себе эти размеры, мы можем сказать, что первые леса на Земле начали возникать в позднедевонское время. Кроме древовидных растений, в этот период времени существовали крупные хвощи и плауны, потомки более мелких видов, живших ранее в девоне. На фото 25 изображена другая реконструированная картина, предположительно показывающая облик позднедевонского ландшафта.

Фото 25. Реконструкция ландшафта позднедевонского времени, на котором показаны настоящие папоротники (П), примитивные лепидодендроны - 'чешуйчатые деревья' (Ч) и меньшие по размеру растения

Позднепалеозойская флора; семенные растения. Следующим важным событием в истории растений было появление семян, на что ясно указывают ископаемые из каменноугольных пластов. Семена эти были довольно примитивными: они не имели оболочки и развивались на плодолистиках. Яйцеклетка семени оплодотворялась сперматозоидами того же самого растения. Среди древнейших растений, размножавшихся семенами, были семенные папоротники. Современные потомки других древнейших растений, размножавшихся семенами, - хвойные (сосна, ель, тсуга) - до сих пор размножаются таким же образом. Как и семенные папоротники, хвойные и другие подобные растения принадлежат к группе так называемых голосеменных, и все они имеют семена самого примитивного типа.

Однажды появившись, голосеменные растения уже не обязательно должны были держаться вблизи увлажненных мест, потому что для их способа размножения не требовалось даже тонкой пленки воды. Они занимали возвышенности, горы и сухие участки, ранее лишенные растений, и в результате этого зеленый растительный покров распространился по Земле еще больше.

Очевидно, раз голосеменные существовали в течение 350 миллионов лет и до сих пор еще очень многочисленны, их система размножения действует нормально. Но для того, чтобы она действовала, каждое голосеменное растение всегда должно производить большое количество семян и еще больше - пыльцы (пылевидных мужских половых клеток) для опыления. Размножение голосеменных зависит от ветра, разносящего их семена, но при этом многие семена попадают в неподходящие условия, - в воду, в пустыни, в места, слишком холодные для прорастания. Голосеменные растения затрачивают много энергии на производство семян и пыльцы, большая часть которых погибает. Впоследствии растения преодолели эту трудность, найдя более экономичный метод, но это произошло уже почти на 200 миллионов лет позднее, в меловой период.

Представьте себе условия, которые существовали в течение данного большого промежутка времени. На континентах в поздне-каменноугольное время преобладали обширные низменности с мягким климатом. В обширных болотах обильно произрастала пышная растительность; болотная вода покрывала отмершие части растений, предохраняла их от разложения и способствовала их сохранности вплоть до спрессования и превращения в уголь. Таким образом, в нашем представлении каменноугольная растительность - это главным образом богатая растительность влажных низменностей. Об обстановке, существовавшей в это время на холмистых возвышенностях, мы знаем мало, потому что более крутые склоны возвышенностей и отсутствие, как правило, на них стоячих вод не способствовали сохранности отмерших растений.

Болотистые низменности могли выглядеть так, как это изображено на фото 26, показывающем влажный лес. В таком лесу водилось много животных, подобных саламандрам, и насекомых. Такой тип болот, конечно, встречался не только в позднекаменноугольное время, он существовал и во все последующие эпохи. В настоящее время он часто встречается по берегам Мексиканского залива и вдоль Атлантического побережья Соединенных Штатов. Таковы в общих - чертах современные болота, хотя, конечно, большая часть растений болот принадлежит теперь к совершенно другим видам, чем в каменноугольный период.

Фото 26. Реконструкция болота позднекаменноугольного времени с обычной для таких болот пышной растительностью. П - папоротники, X - хвощи, Ч - лепидодендроны - 'чешуйчатые деревья', СП - семенные папоротники; видна также большая стрекоза. Некоторые хвощи достигали в высоту 30 м

Мезозойская растительность. Следующая из наших реконструкций относится к триасовому периоду и характеризует район национального парка "Каменный лес" в восточной Аризоне В действительности это совсем не лес. Это остатки леса, росшего Гдругом месте; они представляют собой скопление стволов деревьев, заключенных в толщу аргиллитов, из которой они сейчас постепенно высвобождаются в результате процессов выветривания (фото 27). За время долгого пребывания в толще породы стволы окаменели, их клеточная структура была замещена кремнеземом и превращена в агат - разновидность кварца. Стволы принадлежали хвойным деревьям (конечно, голосеменным), родственным современным соснам. При жизни деревья достигали 30-60 метров высоты, а стволы их имели толщину около двух метров. Мы знаем, что они росли не там, где находятся сейчас, потому что их поверхность носит следы истирания, а все ветви и корни обломаны. Это - плавник, принесенный в половодье откуда-то с возвышенностей в верховьях реки и погребенный в тонких аллювиальных отложениях. Он свидетельствует о том, что уже 220 миллионов лет назад на западе Северной Америки росли величественные рощи хвойных деревьев, точно такие же, как и те, которые значительно позже увидели европейцы, впервые проникшие на континент.

Фото 27. Огромные стволы триасовых хвойных деревьев, окаменевшие и превратившиеся в кварц. Нацианальный парк 'Каменный лес', Аризона

Фото 28 представляет собой реконструкцию растений, характерных для мезозойской эры. Среди них преобладают две группы голосеменных - хвойные и цикадовые, а также родственные им виды. Хвойные включали виды, подобные соснам и кипарисам, а также гинкго. Цикадовые, вероятно, развились из семенных папоротников. Их внешний облик напоминал пальмы, хотя эволюционной связи между этими группами нет; изящная крона из папоротниковидных листьев увенчивала ствол _ короткий, шарообразный или бочонковидный, а иногда высокий. Некоторые цикадовые сохранились до наших дней. Бессеменные растения, в первую очередь папоротники и хвощи, в мезозойское время играли менее заметную роль по сравнению с этими голосеменными.

Фото 28. Реконструкция общего вида растительности, типичной для мезозойской эры (только голосеменные и бессеменные растения). 7. Растения, родственные цикадовым. 2 Растения, родственные хвощам. 3. Папоротники. 4. Хвойные. Другие мезозойские ландшафты показаны также на фото 40, 43, 44, 45, 47

Покрытосеменные растения

Цветы и плоды. Длительная история растений ознаменовалась еще одним эволюционным усовершенствованием - появлением цветковых растений, или покрытосеменных. Это название дано им потому, что в отличие от голосеменных, у которых ничем не защищенные семена росли прямо на листьях; у этих растений семена, поодиночке или несколько вместе, заключены в особую оболочку, образующую внешнюю часть плода (например, яблоко). Кроме того, покрытосеменные имеют не только плоды, но и цветки. И то и другое приспособление обеспечивают лучшее размножение. Яркие цветки привлекают опыляющих их животных, например пчел, которые переносят пыльцу - мужские половые клетки; у более примитивных растений перенос пыльцы зависел от ветра. Плоды также привлекают животных, которые поедают их и таким образом разносят содержащиеся в них семена.

Цветы, плоды и другие усовершенствования позволили покрытосеменным растениями заселить те участки суши, которые еще оставались безжизненными, - участки с наиболее суровыми условиями существования. Этот процесс можно сравнить с покорением человеком вершины Эвереста, которое стало возможным лишь после того, как был создан ряд специальных приспособлений, в том числе кислородные приборы. Сейчас покрытосеменные составляют более 95% существующих видов сосудистых растений.

Мы не знаем, когда впервые появились покрытосеменные. Судя по ископаемым остаткам, они определенно встречаются в меловых слоях и, возможно, в юрских и даже в триасовых (остатки, содержащиеся в последних слоях, напоминают покрытосеменные растения, но у них не сохранились части, которые точно указывали бы на это). Во всяком случае, к середине мелового периода, около 100 миллионов лет назад, 90% видов растений, определенных в ископаемом состоянии, относились к покрытосеменным. К этой же группе относится большая часть современных лиственных деревьев, плодовых кустарников, овощей и цветов, трав и злаков. Список этих растений довольно внушителен, так как появление покрытосеменных знаменует переход от "средневекового" к современному растительному миру. Уже позднемеловые флоры имели современный облик, а существовавшие в начале кайнозоя (фото 48) деревья и другие растения показались бы современному человеку, если бы он их увидел, знакомыми.

Покрытосеменные растения и климат. Наиболее заметное различие между покрытосеменными и более ранней растительностью заключается в том, что покрытосеменные деревья и кустарники повсюду, за исключением тропической зоны, являются листопадными. После созревания семян они теряют листья, фотосинтез прекращается, и они на время, иногда на несколько месяцев, "засыпают". На основании этого ученые предположили, что появление покрытосеменных, по крайней мере отчасти, явилось результатом изменения климата континентов, повлиявшего на процесс эволюции. Если в мезозое климат приобретал все более резко выраженный сезонный характер, причем сезоны становились все более холодными и сухими, то опадение листьев и прекращение жизненной активности было бы вполне целесообразным. Обдумывая это предположение, мы должны вернуться к рисунку 27 и посмотреть, как происходило перемещение плит земной коры и движущихся с ними континентов в течение всего мезозоя. Северная Америка и по крайней мере европейская часть Евразии двигались к северу в более высокие и более холодные широты. Вполне возможно, что это предположение может объяснить появление листопадных видов растений в юрский и меловой периоды. Это не более чем предположение. Наука движется вперед, пытаясь связать воедино самые разнообразные данные о прошлом Земли. Именно так были установлены связи между отдельными событиями долгой истории Земли.

Рис. 39. Основные этапы геологической истории растений

Роль трав и злаков. Если судить по времени установления господства покрытосеменных, то растительность Земли приобрела современный облик еще до конца мезозойской эры, однако история развития растений на этом не кончается. Внутри самой группы покрытосеменных происходили существенные перемены, начавшиеся перед концом мелового периода и продолжавшиеся в течение большей части кайнозоя. Наибольший интерес для нас представляет развитие злаков.

Многие обитатели современных городов представляют себе травы только в виде газонов или площадок для гольфа. Но травы, в частности злаковые, - это самостоятельная группа покрытосеменных, которая приспособлена к жизни в засушливом или сезонно-засушливом климате. Родина злаковых трав - сухие равнины и степи с редким древостоем, называемые саваннами. Карта растительности (рис. 35) показывает, что почти вся западная часть центра Северной Америки представляет собой природную злаковую степь, не говоря уже об огромных площадях разреженной травянистой растительности в пустынных и полупустынных областях дальше к западу от штата Вашингтон до Мексики.

Возможно, благодаря распространению сухих климатов злаковые травы занимали все большую и большую площадь в течение кайнозоя. Имея съедобные стебли, листья и семена, злаковые травы являются идеальной высококалорийной пищей для животных, которые приспособлены к их поеданию. И как мы вправе были ожидать, быстро развивавшиеся в раннем кайнозое млекопитающие действительно поедали траву в большом количестве. Путем естественного отбора они все лучше и лучше приспосабливались к этому процессу. Форма их зубов и даже конечностей во многом определялась травяным рационом.

Хлебные злаки - это особый вид злаковых трав, в котором концентрация питательных веществ больше, чем в обычных злаках. Люди открыли высокую пищевую ценность хлебных злаков десять тысяч лет назад или еще раньше. Вскоре после этого люди начали сводить и расчищать леса, чтобы иметь возможность возделывать хлебные злаки. Еще позднее они начали повышать урожайность злаков путем отбора семян и искусственного выведения растений, а также путем применения удобрений и орошения. Сейчас большинство людей питается главным образом злаками: рисом, пшеницей, кукурузой и другими зерновыми. Десять тысяч лет - это короткий промежуток времени в истории Земли, чтобы питание повлияло на строение человеческого тела.

Прежде чем мы перейдем к рассмотрению эволюции животного мира, целесообразно восстановить основные события истории развития растений, помня о том, что без растений животный мир не смог бы успешно развиваться на суше. В результате изучения ископаемых остатков можно установить следующие основные моменты в развитии растений:

1. Выход на сушу морских водорослей; примитивные наземные растения.

2. Бессеменные растения. Папоротники, хвощи.

3. Появление семян. Голосеменные.

4. Появление покрытосеменных, характеризующихся наличием цветов и плодов.

5. Развитие злаковых трав и позднее хлебных злаков.

Эволюционные соотношения между основными группами растений и хронологическая шкала истории развития растений приведены на рисунке 39.

Литература

Andrews H. N.. Jr., 1964. Ancient plants and the world they lived in: Cornell University Press, Ithaca. N. Y.

Darrah W. C, 1960, Principles of paleobotany: The Ronald Press Co., New York.

Delevoryas Theodore, 1966, Plant diversification: Holt, Rinchart and Winston, New York. (Paperback.)

Scientific American Staff, eds.; 1957, Plant life: Simon and Schuster, Inc.. New York. (Paperback.)

Глава двенадцатая. Беспозвоночные и рыбы

Основы истории развития животных

Геологическая история развития растений дает хорошую основу для изучения истории животных благодаря тесным био" мическим связям этих двух групп организмов: растения ом спечивают животных пищей и свободным кислородом, а животные поставляют необходимый растениям углекислый га Это взаимоотношение позволяет считать, что обе группы oрганизмов развивались более или менее параллельно. В предыдущей главе мы прочли, что эволюция некоторых животнш происходила под влиянием определенных видов растений и что всем этим управляли процессы, происходящие в недрах и на поверхности Земли.

Наше исследование истории развития животных, как и истории растений, основывается на данных изучения ископаемых остатков. Но летопись ископаемых остатков животных имея много пробелов, и пока не будут найдены руководящие ископаемые, мы вынуждены заполнять эти пробелы умозрительным! рассуждениями. По мере того как мы обнаруживаем и изучает все новые ископаемые остатки, некоторые из построений предыдущих лет подтверждаются и становятся доказанными истинами, другие оказываются неверными и заменяются положениями, более соответствующими фактам.

Развитие растительного и животного мира

Как мы уже говорили, между животными и растениями существует коренное различие, возникшее с самых первых шага развития жизни на Земле. Это различие заключается в способе питания. Растение нуждается в основном в углекислом газе и солнечном свете, с помощью которых оно путем фотосинтеза вырабатывает органические вещества, служащие ему пищей и образующие ткани его тела. Животные, как одноклеточные, так и многоклеточные, используют в пищу ткани других организмов: или растений, или вторично других животных. Кроме того, они дышат кислородом, а этот источник энергии также поставляется в атмосферу и гидросферу растениями. Без пищ и кислорода животные не могли бы существовать. В таком случае они, очевидно, не могли возникнуть до тех пор, пока не появились растения и не начали в процессе фотосинтеза выделять свободный кислород.

Как было показано в таблице 2, мы располагаем данными летописи ископаемых, свидетельствующими о том, что в начале последнего миллиарда лет истории Земли (до фанерозоя) и растения, и животные жили в море, взаимно дополняя процессы жюнедеятельности друг друга. Растения высвобождали кислород из углекислого газа, а животные дышали этим свободным кислородом, окисляли растительную пищу и создавали углекислый газ, который снова использовался растениями. Таково биохимическое взаимодействие растений и животных.

Однако, хотя это взаимодействие продолжалось и позднее, животные начинали приобретать все более и более отличный от растений облик. Растениям, жившим сначала в мелководных морях, а затем на суше, не нужно было перемещаться в поисках пищи, они могли просто поглощать ее, оставаясь на месте. На суше им для этого требовались только листья, каждый из которых освещался солнцем, корневая система для поглощения водных растворов из грунта и соединительное устройство, служащее для поддержки листьев и подачи к ним растворов. Именно такими приспособлениями обладает большинство растений. Животным же, за исключением некоторых, наиболее простых, прикрепленных к морскому дну, приходилось двигаться в поисках пищи, которой им служат растения и другие животные. Животные - это охотники, и с самых первых шагов эволюции они приобрели способность к передвижению. Наиболее древние животные, жившие в море, изменялись различными способами. Путь самого успешного развития представляет для нас наибольший интерес, так как в ходе его были заложены основы строения человеческого тела. Это развитие состояло в образовании:

во-первых, прочного жесткого скелета, к которому прикреплялись мускулы;

во-вторых, хвоста, который использовался как рулевое весло;

в-третьих, системы конечностей (равного числа правых и левых), которые могут двигаться с помощью мускулов, чтобы уравновешивать тело в воде и затем чтобы перемещать его в толще воды;

в-четвертых, глаз, расположенных в передней части тела для того, чтобы видеть добычу и препятствия, которые нужно избегать;

в-пятых, рта не только для того, чтобы поглощать пищу, но также и воду;

в-шестых, центрального управляющего устройства - мозга, соединенного с мускулами нервной системой.

Если мы добавим к этому списку седьмой пункт - удлиненную, обтекаемую форму тела, служащую для уменьшения трения при движении в толще воды, то становится понятно, что получившийся в результате организм в основном подобен рыбе.

Конечно, не все эти усовершенствования появились сразу. Они развивались в течение десятков, если не сотен миллионов лет. Ни одно из них не было чем-то совершенно новым. Все они представляли собой дальнейшее развитие или видоизменение уже существовавших свойств.

Рыбообразная форма тела была наиболее удачной для жизни в море. Позднее эта же конструкция послужила основой для формирования тела наземных животных.

Условия обитания организмов в море

Нетрудно представить себе, что древнейшие животные должны были развиваться во множество видов, потому что океан далеко не однообразен. В нем можно выделить множество различных видов среды, в которых происходит (путем естественного отбора) формирование организмов, характеризующихся многообразием форм и специализаций. Миллиард лет назад в океане, как и сейчас, животные могли плавать на поверхности воды или вблизи нее, могли населять холодное темное дно и толщу воды между дном и поверхностью. На мелководье вблизи берегов, как и сейчас, условия жизни различались в зависимости от температуры, вида коренных пород или рыхлых отложений, слагающих дно, интенсивности перемешивания воды волнами или течениями. Каждое даже самое небольшое отличие условий среды оказывало влияние на организмы путем естественного отбора. Морские животные приобретали специализацию в соответствии с условиями жизни. Некоторые из них были растительноядными, поедавшими морские растения, другие - плотоядными, питавшимися другими животными. Часть из них представляла собой так называемых "мусорщиков" и поедала трупы животных. Другие были хищниками, пожиравшими живую добычу, Несомненно, что уже тогда, в эти древние времена, мелководные моря были оживленными местами; их многочисленные обитатели занимались поисками пищи, спасались от хищников, поедали других животных или сами становились добычей.

Фото 29. Реконструкция облика дна кембрийского моря. Г - голотурии, М - медузы, ГБ - губки, Т - трилобиты. Размер трилобитов - 5-7,5см

Некоторое представление о том, как выглядело дно мелкого моря в кембрийское время, дает фото 29. Среди колышущихся морских водорослей находится колония ветвистых губок, напоминающих капусту, голотурии, парашютовидные медузы, а также вымершие ныне организмы, родственные современным ракообразным, - трилобиты. Эта группа живых существ была очень точно воссоздана благодаря тому, что их остатки хорошо сохранились. В одном из районов Британской Колумбии, в самом сердце Скалистых гор Канады, один геолог почти случайно нашел небольшие ископаемые остатки в слое черных сланцев. Осторожно раскопав этот слой, ему удалось найти остатки беспозвоночных среднего кембрийского периода, принадлежавшие к 130 видам; конечности и даже усики животных сохранились до мельчайших деталей (фото 30); они были превращены в уголь, как та рыба, которую мы видели на фото 15. Эта находка представляется исключительной, так как обычно все съедобные части тел мертвых животных на морском дне почти неизбежно уничтожаются трупоядными организмами. В данном случае отложение происходило на дне моря, к которому был прегражден доступ воды, содержащей кислород. В придонных слоях воды, лишенных кислорода, не могли жить какие-либо организмы, кроме некоторых бактерий. Находившиеся здесь организмы погибли, и их тела были погребены на дне, в слое тонкого черного ила. Так как трупоядные организмы тоже не могут существовать без кислорода, то эти тела сохранились до мельчайших деталей, Бескислородные области существуют в морях и океанах и теперь; одна из них находится в Черном море.

Фото 30. Два ископаемых трилобита (вида Olenoides seratus) в кембрийских черных сланцах Британской Колумбии. Сохранились не только усики, но даже длинные отростки на хвосте

Среди 130 видов животных, извлеченных из этого черного сланца, совсем нет плеченогих моллюсков, несмотря на то, что около одной трети кембрийских видов на всей Земле составляли плеченогие. Отсутствие этих животных вряд ли было случайным, Мы вправе предположить, что это связано с местными условиями среды. Плеченогие, которые жили, прикрепляясь к грунту, не обладали подвижностью и не могли плавать. Таким образом, они не могли жить на илистом дне, и, кроме того, они были настолько тяжелы, что не могли быть занесены в эту мертвую зону течениями.

То обстоятельство, что на этом небольшом участке морского дна создались условия, благодаря которым сохранились многие ископаемые организмы, необычайно обогатило наши знания о степени развития, достигнутой морскими беспозвоночными в кембрийскую эпоху. Степень этого развития оказалась довольно высокой. Видовой состав кембрийских беспозвоночных резко отличался от современного. Остатки, собранные в кембрийских слоях, содержат в среднем около 60% трилобитов, 30% плеченогих (фото 4) и только 10% других видов. Сейчас трилобиты вымерли, плеченогие обитают лишь на небольших участках океана, а преобладают именно "другие виды".

Участок морского дна, изображенный на фото 29, может показаться перенаселенным. Но он не более перенаселен, чем современные коралловые рифы, как может увидеть каждый, кто ныряет с аквалангом. Отбор образцов и подсчет количества ископаемых остатков с каждой единицы объема осадочных пород показывает, что морское дно было повсюду густо населено, возможно, уже задолго до кембрийского времени. Живые существа стараются заполнить все доступное пространство, и если коренные обитатели вытесняются откуда-либо пришлыми организмами, то последние затем также густо заселяют это пространство.

Раковины и скелеты

Следует отметить одну особенность обстановки, изображенной на фото 29, - присутствие животных, обладающих раковинами и скелетами. Эти приспособления оказали заметное влияние на ход эволюции. Губки имели кремниевые скелеты, а некоторые микроскопические плавающие животные и растения, не показанные на этом рисунке, обладали раковинами из того же материала. В панцирях трилобитов слои фосфата кальция перемежались прослойками хитина - соединения азота, обнаруженного также в ногтях человека; структура панциря напоминала лист фанеры. Большинство многочисленных плеченогих моллюсков и других животных, не изображенных на фото 29, обладали раковинами из карбоната кальция. Раковины - это твердые части тела, которые обычно сохраняются в ископаемом состоянии. Они представляют собой наружный скелет, броню, которая выполняет полезную для животного функцию. Более ранние морские животные имели мягкое тело, у них не было твердых частей, которые могли бы сохраняться. И однако, здесь, в кембрийском море, более полумиллиарда лет назад уже были животные, которые успели обзавестись раковинами трех различных типов.

Рис. 40. Основные группы морских беспозвоночных и их положение на геологической шкале. Пунктирными линиями показаны вероятные эволюционные связи между некоторыми группами

Палеонтологическая летопись дает нам слишком мало данных, чтобы судить о том, как у морских животных появились твердые части тела, и нам приходится полагаться на теоретические рассуждения. Например, мы можем представить себе, что раковины, состоящие из карбоната кальция, образовались следующим путем. Ионы кальция присутствуют в морской воде и в большей части пищи морских животных. Поэтому кальций мог проникать в тело животного. Большая часть его выводилась из организма, но некоторое количество (зависящее от биохимических особенностей животного) могло оставаться внутри тела или на его поверхности и накапливаться, образуя своего рода затвердение. На морском дне, изобилующем хищниками, вероятно, было безопаснее иметь броню, и эволюция способствовала развитию этих затвердений. В результате постепенно образовались скелеты и раковины. Так это происходило или иначе, но процесс отвердевания частей тела морских животных шел параллельно с процессом развития сосудистой системы у наземных растений.

В течение 60 миллионов лет, или около этого, кембрийского периода беспозвоночные с наружным скелетом, имеющим форму раковины, были наиболее сложным видом организмов. Высшие организмы с внутренним скелетом, каким обладают позвоночные животные, в это время еще не появились.

Краткий обзор эволюции беспозвоночных

Почти все основные группы морских беспозвоночных присутствуют в виде ископаемых в кембрийских слоях. Большая часть из них существует (в измененном виде) и в наши дни. Все данные о развитии этих групп сведены воедино на рисунке 40, В каждой группе происходили определенные эволюционные изменения, но в основном эти изменения были не так резко выражены, как у наземных животных. В большинстве случаев это определяется тем, что в море природные условия менялись в более узких пределах, чем на суше. Тем не менее мы не должны забывать, что корреляция пластов и составление геохронологической шкалы (табл. 1) стали возможны главным образом благодаря наличию различающихся и сходных черт, развивавшихся в процессе эволюции у морских беспозвоночных.

Таким образом, чтобы уделить больше внимания историк позвоночных животных, мы ограничимся рассмотрением только двух примеров жизни на мелководном морском дне в различные моменты времени, более поздние, чем изображенный на фото 29.

Дно моря в девонское время. Слои песчаников девонского эзраста, выходящие на поверхность в районе Гамильтона в центральной части штата Нью-Йорк, содержат целую коллекцию ископаемых остатков. Образец этих пород показан на фото 31. В центральной части его находится морская звезда Devonaster euchans ("грациозная девонская звезда"), которая очень похожа на современные виды морских звезд. В "северо-восточном" углу образца находится o ее более изящная родственница "хрупкая звезда" - офиура. В "северо-западном" углу, на внешнем образца, находится цилиндрическое углубление окруженное кольцами. Это отпечаток внешней поверхности стебля морской лилии, которая полностью изображена в правой части рисунка 40. Большинство других ископаемых остатков принадлежат трем или четырем видам плеченогих, группе животных, имеющих раковины со створками, как у двустворчатых моллюсков, также изображенных на рисунке 40.

Фото 31. Ископаемые остатки морских беспозвоночных на плите среднедевонского песчанника из окрестностей города Гамильтона, штат Нью-Иорк. Описание см. в тексте. Реконструкция, на фото 32, основана на ископаемых ого возраста, наиденных в данном районе

Именно по остаткам фауны этого типа была восстановлена картина, изображенная на фото 32. Ныряя с аквалангом в девонском море, вы могли бы на участке морского дна около 60 сантиметров в поперечнике увидеть нечто подобное изображенному на реконструкции; начальными буквами на рисунке даны названия всех изображенных на нем животных. Особенно следует обратить внимание на двух представителей головоногих одного с длинной прямой раковиной, а другого с волнистой, закрученной. Оба принадлежали к той же самой группе хищников, что и современные кальмары и осьминоги; все они имеют щупальца, снабженные присосками, которые служат для того, чтобы хватать и удерживать добычу.

Дно моря в меловое время. На фото 33 представлен другой облик морского дна. Так выглядела в меловом периоде поверхность юго-западной части современного штата Теннесси. Головоногие с прямыми раковинами, которые были широко распространены на более ранних этапах палеозоя, вымерли в ходе эволюции. Вместо них появились моллюски с закрученными раковинами в форме плоских дисков, напоминающих часовую пружину или моток клейкой ленты. В широком устьевом отверстии располагалась голова моллюска, снабженная щупальцами, захватывавшими небольших рыб и другую добычу. Другой особенностью мезозойских морей (в отличие от палеозойских) было присутствие головоногих, подобных кальмарам и носивших название белемнитов. Они имели внутреннюю раковину, напоминавшую спинной хребет и состоявшую из карбоната кальция; большинство этих раковин, сохранившихся в большом количестве в ископаемом состоянии, напоминало толстый карандаш или тонкую сигару. Один из видов белемнитов был гораздо крупнее остальных и имел длину более полутора метров. Белемниты, как и палеозойские головоногие, быстро передвигались, выбрасывая реактивную струю. В основном принцип их движения был тот же, что у современных ракет, если не считать того, что выбрасывалась вода, а не газ. Струя, выбрасываемая головоногими, представляла собой "изобретение" способа движения, совершенно отличного от передвижения с помощью ног или плавников. Кроме того, белемниты, подобно современным кальмарам, имели мешок с чернильной жидкостью, которую они могли выбрасывать через воронку, окрашивая позади себя воду, очевидно, для того, чтобы сбить с толку преследователя. Эти особенности еще раз иллюстрируют своеобразие эволюции в выработке приспособлений к окружающей среде.

Фото 33. Картина дна мелового моря на месте нынешнего города Мемфис, штат Теннесси. Ширина изображенного участка дна около двух метров. В - водоросли; Б - белемниты; Г - головоногие, с плоскозакрученной раковиной (ГЗ), как у современных наутилусов, с прямой раковиной (ГП) и со спиральной раковиной (ГС); У - улитки

"Морские скорпионы". Особо следует упомянуть выделяющуюся своими исключительно крупными размерами группу членистоногих (рис. 40), которые являются дальними родственниками камчатских крабов и, возможно, предками современных скорпионов. Это "морские скорпионы", которые жили в течение большей части палеозоя, но достигли вершины своего развития в морях силурийского времени. Они дышали жабрами, имели сегментную хитиновую оболочку, две пары глаз и шесть пар членистых "ног" (фото 34). Некоторые их виды имели небольшие размеры, но один был более двух метров в длину. Одни виды могли плавать, другие ползали по илистому дну в устьях рек в поисках червей или небольших рыб (фото 35). Превосходя по размерам современных им рыб, "морские скорпионы" были самыми крупными животными, появившимися в биосфере в этот период.

Фото 34. Углефицированный ископаемый 'морской скорпион' (Eusarcus scorpionis) длиной 10 см, найденный в силурийских породах около города Буффало, штат Нью-Йорк. Ясно видны членистое тело, ноги и хвост, кончик которого загнут вбок

Фото 35. Реконструкционный облик самого крупного из известных 'морских скорпионов' длиной более двух метров, а также улиток и трилобитов на дне позднесилурийского эстуария около города Буффало, штат Нью-Йорк. На снимке справа, выше, показан более мелкий скорпион, изображенный в виде ископаемого на фото 34

Насекомые. Как и растения, беспозвоночные вышли из моря на сушу. Наземные моллюски развились из морских моллюсков, насекомые и пауки развились из морских членистоногих, однако об этом мы располагаем до сих пор лишь очень отрывочными сведениями. Из-за малых размеров и отсутствия твердых частей в телах этих животных они могли сохраниться в виде ископаемых лишь в совершенно исключительных условиях. Таким образом, мы мало знаем о борьбе среди растений и животных, переселившихся из моря на сушу. Ископаемые остатки позволяют установить, что скорпионы, возможно, произошли от одного из более мелких видов "морских скорпионов", существовавших еще в силуре, и что немногие насекомые (пока еще бескрылые) и пауки существовали по крайней мере с девона. В то время, как мы знаем, суша уже была покрыта примитивными растениями. До некоторой степени организмы, переселившиеся на сушу, были подготовлены естественным отбором для выработки дальнейших приспособлений к жизни на суше, поскольку морские членистоногие уже имели защитную оболочку и обладали способностью к активному перемещению. Главные изменения, которым они должны были подвергнуться в процессе эволюции для того, чтобы окончательно превратиться в насекомых, - это выработать систему органов дыхания и научиться летать. Первую задачу они решили путем образования многочисленных пор в оболочках; от пор отходили трубки, пронизывающие ткань самого тела. Поэтому у насекомых дыхание и поглощение кислорода. осуществлялось всей поверхностью тела. Вторую задачу насекомые решили к началу позднекаменноугольного времени путем образования выступов оболочки тела, из которых развились крылья.

В таком сжатом виде эта история, пожалуй, выглядит повестью об удачливом маленьком членистоногом, которое гналось за "успехами". Но прежде чем нам начнет казаться, что здесь действовали целенаправленные усилия, мы должны вспомнить о факторе времени. Промежуток от среднесилурийского до начала позднекаменноугольного времени составил приблизительно 120 миллионов лет - предположительно в десять раз меньше времени потребовалось для образования Большого каньона реки Колорадо. За это время сменилось по крайней мере 120 миллионов поколений членистоногих; этого времени было вполне достаточно для выработки двух основных приспособлений (для дыхания и полета), которые были "отобраны" из множества попыток и экспериментов.

Широко распространенные в позднекаменноугольное время угольные болота, на которых в мелкой воде происходило медленное накопление глинистых отложений, представляли сочетание необычных условий, обеспечивавших сохранность огромного количества насекомых в виде ископаемых. К настоящему времени из них собрано и описано 800 видов только одних тараканов, один из которых достигал 10 сантиметров в длину. Среди других ископаемых насекомых попадаются виды длиной более 30 сантиметров и одна стрекоза с размахом крыльев около 75 сантиметров, почти как у довольно крупного ястреба. Один из этих великанов изображен на фото 26. Очевидно, мягкий климат, благоприятствовавший пышной растительности каменноугольных болот, способствовал также размножению насекомых.

Не удивительно, что эти насекомые, только недавно вышедшие из моря и пока еще бескрылые, постепенно приобрели крылья и перешли к воздушному образу жизни. Для мелких живых существ полет в воздухе давал наилучшие возможности спасаться от врагов (от других насекомых, потому что птицы появились только спустя 200 миллионов лет или даже позднее) и преследовать добычу. Необходимо признать, что их образ действия оказался успешным, если под успехом понимать способность заселять территорию и размножаться; доказательством этого служит то обстоятельство, что сейчас число видов насекомых втрое превышает число видов всех остальных групп. Большинство видов насекомых летающие.

После того как насекомые поднялись в воздух и приспособились к различным возможным вариантам жизни в воздухе, потребность их в дальнейших изменениях стала ослабевать и ход эволюции замедлился. В начале кайнозоя, после почти 250 миллионов лет развития, многие виды насекомых были уже очень близки к современным. На фото 36 мы видим ископаемое насекомое, которое сохранилось в тонкозернистых отложениях, образовавшихся на дне озера в Центральном Колорадо около 30 миллионов лет назад. Это Glossina, относящаяся к тому же роду, что и современная муха це-це (переносчик сонной болезни), хотя и не к тому же виду. Таким образом, по крайней мере у этого насекомого эволюция происходила довольно медленно.

Фото 36. Ископаемая Glossina (муха це-це) из озерных олигоценовых отложений. Рядом с ней - ископаемый лист дерева, родственного современным березам

Происхождение рыб

Выше мы описывали особенности формы и строения тела животных, подобных рыбам. И все же остатков организмов, которые могли быть предшественниками рыб, не было обнаружено. Наиболее обоснованное предположение (хотя это всего лишь предположение) состоит в том, что объектом нашего поиска является предок современных морских ежей и звезд, имевших продолговатое мягкое тело, лишенное скелета, не имевший глаз, но обладавший бесчелюстным ртом для всасывания частиц пищи из придонного ила. Одним из оснований для такого предположения послужил вид всех остатков ископаемых рыб, принадлежащих к более ранней эпохе, - силуру (в ордовикских слоях были найдены только костные пластинки). Остатки свидетельствуют о том, что рыбы имели бесчелюстные сосущие рты и не имели плавников. Их тела были одеты довольно гибким покровом из костяных чешуек, а то, что их остатки были обнаружены в отложениях рек и озер, но не морей, доказывает факт переселения этих примитивных рыб вслед за водорослями из морей в реки и озера. На основании указанных фактов можно сделать два заключения. Во-первых, удлиненное тело могло развиться, приспосабливаясь к условиям постоянных речных потоков. Во-вторых, довольно грубые пластинки костяной брони служили не для защиты от хищников (которыми в это время могли быть "морские скорпионы"), а в качестве оболочки, препятствовавшей избыточному проникновению пресной воды через поры внутрь тела. Такая оболочка, вероятно, была необходима для животного, предки которого всегда жили в соленой воде и у которого химизм тела был приспособлен к соленой воде.

Таким образом, девонские ископаемые включают морских рыб с челюстями, развившимися из одной из жаберных дуг; они принадлежат к нескольким видам, и самой замечательной из них была хищная рыба из рода Dinictis ("ужасная рыба"), у которой длина тела достигала 9 метров (фото 37). Акулы, изображенные на этом рисунке, обладали хрящевым скелетом, как и современные акулы. Но у Dinictis строение несколько другое, и в ее ископаемом скелете отмечается присутствие кальция. По пути эволюции в этом направлении пошли костистые рыбы, которые также в девонское время развились из более примитивных пресноводных предков. Их скелеты полностью состояли из карбоната кальция и поэтому были более прочными и жесткими. Плавники у них были приспособлены для более быстрого движения в воде, увеличилась и обтекаемость тела. Такие преимущества обеспечили им господствующее положение среди рыб, которое они сохраняют и до сих пор. Мы можем считать их эволюцию успешной, потому что они дали большое количество видов и стали более многочисленными, чем любая другая группа. Но так как почти все эти рыбы продолжали обитать почти исключительно в море, то с точки зрения общего хода эволюции они не получили в дальнейшем стимулов к развитию, как это случилось с вышедшими на сушу животными.

Фото 37. Dinictis, панцирная хищная рыба длиной девять метров, преследующая акул в мелководном девонском море. Во рту у нее вместо зубов выступают заостренные зубчатые края верхней и нижней челюстей

Переход к наземной жизни

В последней фразе мы сказали "почти все". Исключение составляла одна неприметная группа костистых рыб, которая продолжала оставаться в пресных водах и, таким образом, по существу, находилась на полпути к суше. В результате эти рыбы имели гораздо более интересную историю развцтия, чем их родственники, обитавшие в море. Им пришлось приспосабливаться к изменяющимся условиям жизни на суше, они прошли такой же путь, который до них прошли растения, а затем насекомые, и сумели "порвать" с водной, даже пресноводной, средой и полностью выйти на сушу. Именно они стали предками всех наземных позвоночных животных, в том числе, в конечном счете, и человека.

Эти пресноводные представители группы костистых рыб послужили посредниками, через которых человек получил костный скелет, надежно ему служащий. В своих основных чертах скелет, подобный человеческому скелету, развился еще у палеозойских рыб. Рыбы передали нам и основные черты нашего дыхательного аппарата. Произошло это благодаря особенностям наших предков - пресноводных рыб, одной из загадочных групп кистеперых рыб, потомками которых являются современные кистеперые рыбы - целаканты (фото 10). По другой линии развития они явились также предками современных двоякодышащих рыб, которые в наше время обитают в реках сухих областей южного полушария; они имеют вспомогательное легкое, развившееся из плавательного пузыря, с помощью которого могут получать кислород из воздуха. С наступлением сухого сезона двоякодышащие рыбы закапываются в ил на дне речки, образуя подобие кокона, покрытого изнутри слизью. Свернувшись в этом коконе, рыбы впадают в спячку. При этом скорость жизненных процессов составляет лишь Ю % от нормальной во время влажного сезона. При наступлении дождей ил размягчается, рыба высвобождается из кокона и уплывает.

Кистеперые рыбы девонского времени имели легкие того же типа. Вначале следует отметить, что в девонских речных отложениях были найдены скелеты Ichthyostega, о чем мы уже упоминали в восьмой главе. Эта рыба принадлежала к амфибиям - группе, название которой означает "ведущие двойную жизнь", то есть частично на суше и частично в воде. К этой группе принадлежат современные саламандры и лягушки. При сравнении амфибии Ichthyostega с девонской кистеперой рыбой видно (рис. 41), что обе эти группы поразительно близки между собой по размерам, форме и строению; особенно велико сходство в строении плавников рыбы и ног амфибии. Еще раз посмотрев на рисунок 31, мы можем провести такое же сравнение между девонской рыбой (кистеперой) и изображенной рядом с ней амфибией. Очевидной, хотя и менее важной, чертой сходства является то обстоятельство, что и у рыбы, и у амфибии голова покрыта броней из костяных пластин. В целом сравнение не оставляет сомнений в том, что девонские амфибии развились из девонских кистеперых рыб.

Рис. 41. Два этапа превращения рыб в наземных позвоночных. А. Девонская кистеперая рыба с примитивным легким. Б. Девонская амфибия Ichthyostega длиной около 90 см. Обратите внимание на лапы с пальцами, все еще соединенными перепонкой, как плавники

Безусловно, эти перемены стали возможны благодаря добавочному легкому и особому устройству плавника. Но что явилось толчком к появлению таких перемен? Для объяснения были предложены две правдоподобные гипотезы. Согласно первой, основанной на аналогии с современными двоякодышащими рыбами, причиной явилось изменение климата и появление резко выраженных сухих сезонов, когда реки превращались в разобщенные мелкие водоемы. Оставшись на сухом месте, кистеперая рыба была вынуждена использовать свои необычные плавники для того, чтобы с их помощью перетащить свое тело к ближайшему сохранившемуся водоему, в это время она дышала своим примитивным легким. Экземпляры с менее эффективными плавниками или легкими, или и тем и другим, не могли попасть в соседний водоем и "отбраковывались". Выживали только обладатели наиболее эффективных приспособлений. С течением времени некоторые из выживших рыб стали амфибиями.

Другая гипотеза предполагает, что причиной выхода кисте-перых рыб на сушу явилось не высыхание водоемов, а стремление рыб спастись на мелководье от хищников, которых было множество на более глубоких местах. Там они использовали свои плавники сначала для поддержки тела, а затем и для перемещения. Когда в результате естественного отбора плавники достаточно окрепли, рыбы смогли выползать на соседние участки суши, где в девонское время им еще не угрожали хищники и где могло завершиться превращение плавников в примитивные ноги.

Конечно, обе эти гипотезы чрезмерно упрощают процесс, но в совокупности, видимо, правильно отражают сущность происшедших перемен. Вспомним, что девонский период длился добрых 50 миллионов лет - время, достаточное для того, чтобы эволюция могла предпринять множество миллионов попыток. Можно было бы с уверенностью предсказать, что за такое большое время какая-то группа озерных или речных животных должна была выйти на прилежащие участки суши.

Превращение рыб в амфибий представляет собой заметное достижение на пути эволюции. Так возникла новая династия - четвероногих позвоночных наземных животных.

В данной главе мы рассмотрели превращение мягкотелых морских животных в рыб, которым свойственно удлиненное тело, поддерживаемое крепким скелетом, состоящим из множества сочлененных костей, голова с глазами, рот, снабженный челюстями и зубами, сильные плавники и хвост. Обладая всеми этими свойствами, рыба должна была только усовершенствовать легкое, чтобы оно отвечало требованиям среды. После этого процесса она могла полностью выйти на сушу.

Литература

Мс Аlеster A. L., 1968. The history of life: Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J.. p. 39-81.

Smith H. W., 1961. From fish to philosopher: The Natural History Library. Anchor Books, Doubleday & Co., Garden City, N. Y., p. 71-101. (Paperback.)

Swintоn W. E., 1948. The corridor of life: Jonathan Cape, London, p. 67-122.

Глава тринадцатая. Амфибии и рептилии

Амфибии

Выход амфибий на сушу. В предыдущей главе мы остановились на том, что первые амфибии, только что развившиеся из кистеперых рыб, которые выползли на сушу, стали знакомиться с сушей, которую им предстояло заселить. Конечно, обзор у них был еще небольшой, так как на своих слабых и все еще очень коротких ногах они были вынуждены ползать по земле, почти как рыбы, оказавшиеся на берегу. Амфибии могли передвигаться только медленно и неуклюже, но по крайней мере на суше у них не было врагов опаснее насекомых, которые, как можно предполагать, их практически не тревожили.

Но даже при отсутствии опасности со стороны хищников или серьезных конкурентов любые условия природной среды на суше представляют гораздо больше трудностей для жизни ее обитателей, чем водная среда (в море, озере или реке). В море условия жизни сравнительно однородны. Температура, освещенность и количество пищи изменяются относительно мало. Поэтому морские позвоночные в условиях стабильной среды изменялись меньше, чем наземные позвоночные. На суше животные подвергаются непосредственному воздействию гораздо более многочисленных и более действенных факторов, из которых достаточно назвать чередование тепла и холода, палящего солнца и дождя, а также внезапные ураганы, наводнения и пожары.

В этой новой среде позднедевонские амфибии, только недавно развившиеся из рыб, были поставлены в такие же условия, как потерпевший кораблекрушение Робинзон Крузо, неожиданно попавший в совершенно новую, незнакомую обстановку. Робинзон нашел или, проявив немалую изобретательность, создал приспособления, которые помогли ему справиться со всеми трудностями и выжить. Другими словами, он приспособился к новой суровой жизни.

Оказавшись на суше, амфибии приспособились к некоторым свойствам своей новой среды. Возможно, они "пошли" в определенной степени на компромисс, ограничившись в своем расселении такими областями, где эти новые свойства проявлялись слабее всего. С точки зрения истории эволюции их реакция была совершенно нормальной. Организм остается на месте до тех пор, пока он не вытесняется изменившимися условиями. Затем, если организм вообще способен эволюционировать, то он изменяется ровно настолько, чтобы прийти в соответствие с новыми условиями среды.

Очевидно, такая эволюция, содержащая элементы компромисса, дала возможность амфибиям преодолеть опасности жизни на суше, поскольку, как можно судить по их ископаемым остаткам, они продолжали существовать и образовывать новые виды в течение всего палеозоя. По крайней мере 70 миллионов лет они были, бесспорно, господствующими во всем мире наземными животными. Было найдено больше ста видов ископаемых палеозойских амфибий. Такое большое число означает, что животные приспособились ко многим условиям жизни вблизи воды (фото 38). Некоторые из них жили вдоль берегов рек, как современные лягушки, другие - в самой воде. Одни амфибии напоминали ящериц, другие - саламандр, а третьи совсем не имели ног и походили на змей. Многие были похожи на короткохвостых крокодилов, но это сходство было чисто внешним, так как крокодилы относятся к рептилиям - более специализированной огруппе позвоночных. Размеры амфибий колебались в больших пределах; длина их тела составляла от нескольких сантиметров до трех метров. Многие из них, возможно, имели чешуйчатую или гладкую кожу; другие, подобно своим двоякодышащим предшественникам, имели на голове защитный покров из костяных пластинок. Вероятно, в большинстве своем они были плотоядными и поедали насекомых, червей или небольших рыб.

Фото 38. Четыре типа амфибий, живших в протоке с чистой водой в одном из болот каменноугольного периода. Рисунок кожи амфибий, который не сохранился у ископаемых, показан предположительно по аналогии с ныне живущими амфибиями. Реконструкция

Изменения в процессе эволюции. Изучая многие виды ископаемых палеозойских амфибий, мы можем выделить несколько основных изменений в анатомии амфибий. Эти изменения произошли в течение первых десятков миллионов лет после выхода амфибий на сушу. Небесполезно составить перечень этих изменений, так как некоторые из них сыграли роль в истории развития человеческого скелета.

1. Развитие шарового сустава конечностей. Плавник рыбы представляет собой лопасть. Чтобы обеспечить движение в воде, ему достаточно колебаться только вперед и назад относительно остального скелета. Но в наземных условиях необходима также способность двигаться в стороны, а это требует большей гибкости в бедренном и плечевом сочленениях конечностей. Такая необходимость возникла благодаря окружающим условиям, и в результате естественного отбора произошло развитие универсальных шаровых суставов. Эти суставы оказались настолько полезными, что они были унаследованы от амфибий более поздними наземными позвоночными и в результате стали непременной принадлежностью человеческого скелета.

2. Развитие конечности с пятью пальцами. В плавнике кистеперой рыбы уже были кости "запястья" и "кисти", но они имели продолжение в виде тонкой перепонки, усиленной большим количеством тонких поддерживающих костей - ребер; вся эта часть конечности напоминала часть конструкции зонтика с натянутой тканью и спицами. По мере развития рыб "запястье", "кисть" и их продолжение постепенно приобрели компактную закругленную форму (рис. 42), число ребер уменьшилось до пяти, а перепонка исчезла. В результате образовалась пятипалая конечность, очень полезное приспособление для движения по неровной поверхности. Амфибии сохранили эту особенность и передали ее своим потомкам.

Рис. 42. Превращение плавников рыб в пятипалую конечность (не в масштабе). А. левый передний плавник девонской кистеперой рыбы. Б. Левая передняя конечность палеозойской амфибии. (Пунктирными линиями показаны соответствующие друг другу кости на рис. А и Б.)

3. Удлинение конечностей. Когда кистеперые рыбы стали впервые использовать свои плавники для опоры или придания телу устойчивости, они не могли приподняться над поверхностью ила. Всякое движение у них носило характер ползания. Напротив, амфибии, хотя их конечности все еще были короткими и малоэффективными, могли удерживать свое тело, хотя бы какое-то время, приподнятым над поверхностью земли, так что ползание превратилось в ковыляние. И это было началом процесса ходьбы.

4. Потеря панциря. Панцирь из костяных пластинок, который покрывал голову кистеперых рыб, очевидно, был необходим для защиты от хищников в воде. Но после выхода на сушу, где в те времена еще не было хищников, эта необходимость отпала. Панцирь стал бесполезной и обременительной тяжестью, как солдатские доспехи в Европе XVI в. после того, как вошло в употребление огнестрельное оружие. В результате эволюционного процесса панцирь исчез. Одна за другой группы животных лишались панциря, поскольку он был уже не нужен в окружающих условиях.

5. Увеличение размеров мозга. Процесс увеличения объема черепной коробки (полости в черепе, содержащей мозг) ясно прослеживается по черепам ископаемых амфибий. Но даже если бы такие ископаемые свидетельства отсутствовали, мы бы все равно были уверены, что мозг амфибий должен был вскоре превзойти по размерам мозг двоякодышащих рыб. Поскольку наземное животное подвергается в гораздо большей мере воздействиям окружающей среды по сравнению с животными, обитающими в воде, то условия суши в сильной степени вынуждают его развивать свои умственные способности, с тем чтобы оно могло соответственно реагировать на внешние факторы. Не обладая более совершенным механизмом реакций, амфибии не смогли бы выжить.

Упомянутые пять изменений были важны сами по себе. Но даже вместе взятые, они еще не могли скрыть очевидное сходство, существовавшее между ископаемыми рыбами и амфибиями. Взгляните снова на рисунок 31, и вы увидите, насколько сильно это сходство.

Мы уверены,что, помимо пяти изменений, прослеживающихся в ископаемых остатках, за 50 миллионов (или около того) лет, которые протекли между позднедевонским и позднекаменно-угольным временем, амфибии усовершенствовались еще в одном направлении, хотя по ископаемым остаткам этого не видно. Должно было произойти развитие все еще довольно примитивного легкого в более крупный и более развитый орган дыхания. При более быстром передвижении, которое обеспечивали удлинившиеся ноги, требовалось больше кислорода. Улучшение снабжения кислородом было также важно, если животное на короткое время погружалось в воду, как это, должно быть, делала безногая змеевидная амфибия, которую мы видим на фото 38.

Несмотря на исторический шаг, который сделали амфибии, будучи еще кистеперыми рыбами, и в ходе которого они одержали двойную победу - начали дышать воздухом и двигаться по суше, - несмотря на то что они первыми перешли к внутреннему оплодотворению, дальше этого амфибии не продвинулись. Они не сумели перейти к такому способу размножения, который позволил бы им порвать с водной средой. Они навсегда остались привязанными к воде, потому что им приходилось возвращаться к ней, чтобы откладывать яйца. Яйца современных амфибий, мягкие и непрочные, как у рыб, должны откладываться в воде, где они могут быть оплодотворены, и оставаться там, пока из них не выведется молодь. На воздухе они быстро высыхают и не развиваются. После выхода из яиц молодь находится в личиночной фазе (как, например, современные головастики) и дышит с помощью жабр, как рыбы.

Из-за такой особенности процесса размножения амфибии занимают среди животных приблизительно такое же положение, как бессеменные в царстве растений. И тем и другим для размножения требуется вода. Поэтому амфибии никогда не могли заселить возвышенные и сухие территории и по сию пору стремятся оставаться в местах, где по крайней мере в некоторые сезоны есть вода, в которую они могут откладывать яйца.

Несмотря на все эти несовершенства в строении амфибий, мы не можем так просто сбросить их со счета, поскольку они занимают действительно важное место в эволюции живых существ. Амфибии не только первыми из позвоночных прочно обосновались на суше, но и внесли свой вклад в эволюционный процесс. Вклад этот состоял в развитии таких особенностей строения, которые сделали возможным появление рептилий, что в свою очередь вызвало новую волну усовершенствований. Подобно тому как один из видов девонских рыб "выработал" легкое, так и один из видов амфибий в позднекаменноугольное время "усовершенствовал" строение яйца и тем самым положил начало линии рептилий. Развитие такого яйца было большим достижением и стало еще одной вехой на пути эволюции животных. Сейчас амфибии занимают далеко не господствующее положение среди животных, но в течение по крайней мере 50 миллионов лет палеозоя они были доминирующей и развивающейся группой. Пятьдесят миллионов лет - относительно продолжительный период; он больше, чем тот позднейший отрезок времени, в течение которого все человеческие расы и обезьяноподобные предки человека заселили Землю. Это время было достаточным для многочисленных "проб и ошибок", которые привели к созданию амниотического яйца.

Рептилии

Амниотическое яйцо. Появление принципиально новой "конструкции" яйца (рис. 43) ознаменовало новую эпоху, поскольку это яйцо не обязательно было откладывать в водной среде. Оно было устроено таким образом, что имело запас воды внутри себя, хотя и откладывалось на суше. Подобно космическому кораблю, амниотическое яйцо содержало привычную "микросреду" и все необходимое для жизнеобеспечения внутри своей защитной оболочки. "Обитателем" яйца был эмбрион рептилии; таким образом, создав яйцо, амфибии положили начало эволюционной линии рептилий. В настоящее время подобного устройства яйца нет ни у одной амфибии, зато им обладают все рептилии, а также все птицы и два вида млекопитающих. Конструкция яйца была настолько удачной, что основные ее черты остались неизменными на протяжении 300 миллионов лет с момента его появления.

Рис. 43. Основные черты строения амниотического яйца

Помимо всего прочего, это яйцо имеет три оболочки, образующие три мешка. Первый, внутренний, мешок - амнион (от которого яйцо получило название амниотического) - содержит эмбрион, плавающий в жидкости. Жидкость и есть искусственная водная среда, заменяющая озерную или речную воду, в которой амфибии и рыбы откладывали яйца и в которой из яиц появлялись головастики, дышащие при помощи жабр, а позднее превращавшиеся во взрослую особь, дышащую воздухом.

Второй мешок содержит желток, большой запас пищи для эмбриона. Третий - зародышевый мочевой пузырь - связан с почками эмбриона и служит для сбора отходов - мочи эмбриона. Все три мешка заключены в твердую, но проницаемую оболочку; изнутри она выстлана другой оболочкой, позволяющей дышать находящемуся внутри яйца эмбриону. Эта оболочка, играющая роль легкого, обеспечивает проникновение внутрь яйца кислорода из окружающей среды и удаление из яйца углекислого газа. Остальное пространство внутри яйца заполнено жидкостью, которая разделяет все три мешка и играет роль гидравлического амортизатора, защищающего эмбрион.

Оплодотворение амниотического яйца было внутренним и происходило внутри тела самки. Яйца рыб оплодотворялись после того, как они отложены, и для того, чтобы выжить, рыбы должны были откладывать много яиц. Как и голосеменные растения, они должны были отличаться плодовитостью. Некоторые рыбы откладывают почти миллион икринок в каждый сезон размножения. Икринок погибает так много, что необходимо очень большое их количество, чтобы обеспечить выживание хотя бы немногих. Внутреннее оплодотворение привело к гораздо большей надежности размножения, потому что вероятность выживания отдельного оплодотворенного яйца значительно возросла.

Очевидно, что появление амниотического яйца явилось еще одним звеном в цепи усовершенствования способа размножения, начавшегося на ранних этапах существования биосферы с появлением полового размножения растений. Возникновение внутреннего оплодотворения и амниотического яйца было очень важным этапом, но на нем усовершенствование не закончилось.

Все меры предосторожности, обеспечивающие безопасность беспомощного эмбриона, покоящегося в своем мешке, как до, так и после откладывания яиц, выглядят так, как будто бы они были предварительно продуманы и спланированы, но это было не совсем так. По сути дела, это было ответной реакцией на воздействие окружающей среды, осуществлявшейся через естественный отбор в каждом новом поколении амфибий в течение очень долгого времени. Каким же именно было это воздействие? Вполне возможно, что основное влияние оказало постоянное увеличение в озерах и реках численности и разнообразия рыб и беспозвоночных хищников, охотно поедавших икру и небольших личинок - головастиков, беззащитную молодь амфибий. Создавшееся в результате этого положение не представляло опасности для взрослых особей, но ставило под угрозу выживание всего их сообщества. Появление любого приспособления, которое позволило бы яйцам постоянно находиться вне воды и дало бы возможность молоди пройти эту стадию личинок (когда они наиболее уязвимы) внутри яйца, а не в полной опасностей внешней среде, было бы величайшим достижением.

Сущность происшедшего изменения можно сформулировать двояко. Мы могли бы сказать: "Эта угроза, очевидно, заставила амфибий откладывать яйца в более безопасных местах, там, где их не могли достать хищники, а именно на берегах рек и озер выше уровня воды". С другой стороны, мы могли бы сделать хотя и менее эффектное, но зато более точное предположение о том, что небольшое преимущество с точки зрения возможности выживания имели те амфибии, у которых генетические изменения шли в сторону увеличения прочности оболочки яйца, содержавшего зачатки всех уже описанных нами составных частей. Дальнейшее развитие и закрепление этих полезных изменений в ходе последовательной смены поколений было только вопросом времени. А времени для этого было вполне достаточно, как мы уже видели, рассматривая другие события в истории Земли. От появления первых известных нам амфибий и до первых рептилий, предположительно обладавших яйцом такого типа, прошло 50 миллионов лет.

Амниотическое яйцо неизбежно должно было возникнуть. Раньше или позже должно было появиться или оно, или другое подобное устройство, которое привело бы к тем же самым результатам. Поэтому вопрос состоял не в том, что именно должно появиться, а в том, когда это произойдет.

Хотя в любой день мы можем позавтракать современным амниотическим яйцом, до сих пор никто еще не находил ископаемых амниотических яиц в палеозойских слоях. Наиболее ранние их находки относятся к слоям мезозойского возраста. Но позднекаменноугольные и пермские слои изобилуют скелетами ископаемых рептилий, а все рептилии обладают яйцами амниотического типа. Более того, у нас есть доказательства постепенного перехода от амфибий к рептилиям, основанные на изучении не ископаемых яиц, а ископаемых скелетов. В этих скелетах можно видеть в разнообразных сочетаниях признаки как амфибий, так и рептилий. Все это, вместе взятое, позволяет установить факт перехода от амфибий к рептилиям (фото 39). И если нас спросят: "Что появилось раньше, рептилия или яйцо?" - то мы, основываясь на ископаемых доказательствах постепенного перехода, должны будем ответить: "Ни то ни другое; яйцо и рептилия развивались одновременно и постепенно, путем длинного ряда небольших последовательных изменений".

Фото 39. Сеймурия (Seymouria), наземное позвоночное животное из нижнепермских слоев, и его гнездо у подножия дерева. Реконструкция, В скелете этого животного (длиной 60 см) присутствуют в равной мере признаки рептилий и амфибий. Сначала предполагали, что это рептилия, но теперь считают, что более логично относить его к амфибиям. Но каково бы ни было положение сеймурии в классификации, это животное представляет собой превосходный пример промежуточной стадии эволюционного перехода одной группы в другую

Только что мы говорили о признаках амфибий и рептилий. Каково же принципиальное различие между этими группами животных? Если начать с различий, заметных по ископаемым скелетам, то мы должны обратить внимание на строение шеи и конечностей. Рептилии имеют настоящую шею с одним шаровым суставом; таким образом, их голова может свободно поворачиваться относительно позвоночника. Животное, которое может, поворачивая голову, смотреть в разные стороны, может быть более подвижным, быстрее ориентироваться как в поисках пищи, так и при бегстве от врагов. У первых рептилий врагов, конечно, не было. Но прошло немного времени, и враги появились из среды самих же рептилий. Рептилии начали поедать друг друга; что-то подобное этому мы видим на фото 42. Что же касается конечностей, то коротенькие и слабые конечности амфибий, развившиеся из рыбьих плавников, в процессе перехода стали сильнее и удлинились. Таким образом, они могли приподнять тело рептилий vнaд землей и дали им возможность двигаться быстрее.

Эти различия и некоторые другие устанавливаются по ископаемым скелетам. Кроме того, мы видим, что и мягкие части тел ныне живущих рептилий и амфибий существенно различаются. Прежде всего вместо проницаемой кожи амфибий рептилии обладают непроницаемым покровом, часто покрытым чешуйками или пластинками жесткого рогового вещества. Очевидно, эти изменения предназначались для того, чтобы уменьшить потерю воды на испарение через кожу, но это могло произойти только после значительного усовершенствования легких, потому что дыхание амфибий частично осуществлялось через их тонкую кожу.

Кроме того, мышечная система и кровообращение рептилий более совершенны, чем у амфибий; они имеют более развитое сердце-насос, обеспечивающий циркуляцию крови. Наконец, мозг рептилий, хотя все еще небольшой по размеру, уже обладает зачатками мозговых полушарий, этих крупных лобных долей мозга, обусловливающих умственный уровень животного. Как известно, эта часть мозга имеет большие размеры у млекопитающих и вообще отсутствует у амфибий; появление ее у рептилий, возможно, объясняется улучшением кровообращения. Однако, несмотря на все большие преимущества, рептилии не имели сколько-нибудь эффективного способа регулирования температуры тела. Температура их тела зависела от солнца: когда температура окружающей среды понижалась или избыточно повышалась, рептилии становились вялыми и малоактивными.

Последствия возникновения амниотического яйца. Возникновение нового, более совершенного яйца имело два следствия, очень важных для животных, которые обладали таким яйцом. Наличие амниотического яйца повысило вероятность выживания, а также дало возможность животным заселять новые более разнообразные типы территорий. Стало выживать большее число зародышей, поскольку изменилось место откладки яиц, а зародыши стали появляться из яиц уже более развитыми. Появилась возможность откладки яиц за пределами досягаемости различных хищников, уничтожавших яйца и молодь амфибий в воде. Кроме того, благодаря приспособлениям, имевшимся внутри яйца, эмбрион мог полностью завершить свое развитие и подготовиться к борьбе за существование к моменту выхода из яйца. Значительно увеличилось также потенциальное жизненное пространство наземных позвоночных. Причина этого, очевидно, заключалась в том, что рептилиям уже не нужно было возвращаться к воде каждый раз, как наступал сезон размножения, и они не должны были селиться вблизи водоемов. Ничто не препятствовало им заселять более сухие районы, где прежде не ступала нога позвоночного и где до тех пор у них не было конкурентов. В то время как рептилии расселялись, амфибии остались привязанными к рекам и озерам, где большинство их обитает и по сей день. Процесс отделения рептилий от их предков амфибий и разрыв с привычными прибрежными условиями обитания напоминает отделение амфибий от их предшественников - рыб и выход их из водной среды, в которой они раньше обитали совместно. Завоевание суши позвоночными животными продвинулось еще на один шаг.

Климат и эволюция рептилий. После того как амниотическое яйцо стало окончательно служить признаком более прогрессивной формы жизни, появился новый фактор, который, очевидно, способствовал дальнейшему развитию как самого яйца, так и рептилий. Сравнительное изучение пермских и верхнекаменноугольных слоев позволяет обнаружить между ними большие различия, указывающие на изменение природной среды. Климат стал холоднее, и огромные болота каменноугольного периода постепенно исчезли. Уровень поверхности, по крайней мере некоторых континентов, повысился, и образовались многочисленные высокогорные хребты. Причины таких изменений все еще не ясны, но, возможно, это связано с взаимодействием движущихся плит коры и столкновениями континентов.

Но какова бы ни была причина, следствием явилось то, что влажные районы - естественная среда амфибий - стали встречаться реже. Тем самым был положен конец расселению амфибий - процессу, который продолжался на протяжении всего каменноугольного периода и которому способствовало наличие обширных болотистых низменностей, расположенных почти на уровне моря. Для существовавших тогда многочисленных и разнообразных амфибий не оставалось места. Жизнь постепенно становилась трудной для животных, зависящих от воды. Но для животных, обладавших амниотическим яйцом, это изменение климата не было столь губительным. Только что появившиеся рептилии могли довольствоваться многочисленными болотами и реками. Однако, не обладая средствами для поддержания постоянной температуры тела, они были вынуждены избегать более холодных областей.

Ползающие рептилии. После того как с возникновением амниотического яйца появились рептилии, они полностью использовали преимущества, которые им предоставлял этот способ размножения. Рептилии быстро изменили форму своего тела в соответствии с разнообразными условиями среды обитания. Чтобы упростить наш рассказ, мы можем опустить детали и въщедитъ всего две группы - "консервативную" группу ползающих рептилий и видоизмененную группу, называемую динозаврами. Последние были настолько многочисленны и своеобразны, что мы должны посвятить им отдельную главу, а сейчас мы кратко остановимся на ползающих рептилиях. Говоря "ползающие", мы имеем в виду, что эти рептилии продолжали традицию, унаследованную от амфибий, - их удлиненное тело с короткими ногами находилось при движении у самой поверхности земли. По форме тела ползающие рептилии в какой-то мере напоминали крокодилов (фото 40). Многие из них вели сходный с крокодилами образ жизни; очевидно, они проводили много времени в реках и озерах, охотясь за рыбой. Развитие позднепалеозойских ползающих рептилий было прослежено по ископаемым остаткам в более молодых слоях; они постепенно разделились на две ветви, давшие начало современным крокодилам и ящерицам.

Фото 40. Rutiodon, один из многочисленных видов ползающих рептилий. Реконструкция. Наличие его ископаемых остатков в нижнетриасовых слоях Европы и Северной Америки позволяет предполагать, что в раннетриасовое время эти континенты, возможно, соединялись. На переднем плане - цикадовые растения, позади рептилий - хвощи. На заднем плане справа - папоротники, а за ними - хвойные растения. Реконструкция

Одна из форм ползающих рептилий, ископаемые остатки которой в большом количестве обнаружены в пермских слоях, имела характерное приспособление - бросающийся в глаза пару-сообразный вырост на спине (фото 41). У ископаемых скелетов этот "парус" состоит из длинных тонких костяных отростков, которые отходили вверх от спинного хребта. У живой рептилии эти отростки наверняка соединялись перепонкой, как пальцы утиной лапы. Измерения, проведенные на многих ископаемых скелетах, показали, что площадь этого выроста была пропорциональна объему тела рептилии. Очевидно, вырост был пронизан кровеносными сосудами, и поэтому при нагревании солнечными лучами он мог обеспечивать быстрое повышение температуры тела холоднокровной рептилии, его действие можно сравнить с действием автомобильного радиатора, охлаждающего воду, которая циркулирует по многочисленным трубкам. Первые, хотя и несовершенные устройства такого типа появились у двух различных родов ползающих рептилий. Один из них, диметродон, изображенный на фото 41, был хищником, насколько мы можем судить по строению его зубов. Но подобный же вырост появился и у совсем другой, травоядной рептилии. У нее он отличался тем, что на длинных отростках находились короткие поперечные выступы. Хотя это была несколько видоизмененная конструкция выроста, его назначение было, очевидно, таким же, как и у рептилий другого типа.

Фото 41. Диметродон (Dimetrodon), пермская ползающая рептилия длиной более трех метров, имевшая на спине удивительное приспособление для терморегуляции. На переднем плане хвощи; на заднем - папоротники и другие деревья. Реконструкция

Рептилии, подобные млекопитающим. Конец палеозойской эры ознаменовался быстрым изменением рельефа и климата. Поэтому неудивительно, что в это же время происходило и активное развитие рептилий, которые были тогда наиболее развитыми и доминирующими животными. Среди вновь образовавшихся к этому времени рептилий особенно важная роль принадлежит одной группе, потому что именно она впоследствии дала начало новой эволюционной ветви, называемой млекопитающими. Наиболее ранние свидетельства об этой группе содержатся в ископаемых остатках из позднекаменноугольных и пермских слоев, найденных в Южной Африке и Аргентине. Возможно, что эти две области представляли в пермское время единый массив суши, как это показано (в виде предположения) на рисунке 27. Если это так, то не удивительно, что на этих двух континентах, в настоящее время разделенных тысячами километров морского пространства, обнаружены ископаемые остатки одинаковых или очень схожих наземных животных.

Фото 42. Два вида рептилий, подобных млекопитающим, найденные в триасовых слоях Южной Африки. Три хищника (Cynognathus, слева) готовятся напасть на травоядную рептилию (Kannemeyeria) длиной около двух метров. Растительность представлена цикадовыми и хвойными. Реконструкция

Эти ископаемые остатки представлены скелетами рептилий, но рептилий, у которых уже начинают проявляться несомненные признаки млекопитающих; позднее в триасовых слоях появляется несколько родов таких рептилий, и они еще в большей степени похожи на млекопитающих. Отличительными их признаками, прослеживающимися по скелетам, являются длинные шеи, дифференцированные зубы и более развитый мозг. Предположительная реконструкция их облика дана на фото 42. Конечности удлинились, причем суставы на передних конечностях - "локтевые" - сместились назад, а на задних - "коленные" - вперед. Благодаря этому тело рептилии слегка приподнялось и стало не таким приземистым. Подобное положение тела мы видим у млекопитающих (рис. 44), у которых кости конечностей надежно поддерживают тело и освобождают мышцы от излишней нагрузки. Зубы, которые у рептилий были все одинаковыми и имели коническую форму, начинают подразделяться на резцы, клыки и коренные. Увеличился и развился мозг, особенно его лобные доли.

Рис. 44. Положение тела рептилии и млекопитающего

К другим признакам млекопитающих, которые не устанавливаются по скелетам, относятся:

1) молочные железы для вскармливания детенышей;

2) волосяной покров, защищающий тело от влияний внешней среды и препятствующий потере тепла;

3) теплая кровь;

4) четырехкамерное сердце - наиболее совершенный насос, предназначенный для снабжения мозга (и всего организма) кровью вне зависимости от колебаний внешней температуры.

Рептилии после захода солнца становятся холодными и вялыми, млекопитающие же сохраняют относительно высокую температуру тела. Возможно, жившие в триасе рептилии, подобные млекопитающим, обладали большей частью этих признаков, по крайней мере в зачаточной форме. Что касается размножения, то предполагается, что они откладывали яйца так же, как и наиболее примитивные из современных млекопитающих, но точно это не установлено. Однако мы можем с уверенностью утверждать, что развитию более длинных конечностей сопутствует усовершенствование мозга. Такие конечности позволяют уже не ползать, а передвигаться с большой скоростью, что требует значительно лучшей мышечной координации и вызывает необходимость в более сложном контролирующем устройстве. Любой конструктор самолетов может сказать, что, чем большее число выполняемых операций вы закладываете в конструкцию самолета, тем большим числом контролирующих приборов вам придется его оснастить.

Рептилии, подобные млекопитающим, были многочисленны и разнообразны. Некоторые из них превышали в длину три метра; другие были не больше мыши. И все они вымерли. Но перед тем, как исчезнуть, одна из них - вероятно плотоядная, изображенная на фото 42, - положила начало ветви настоящих млекопитающих, что явилось еще одним крупнейшим достижением эволюции.

Суммируя, мы можем наметить четыре пути, по которым шло эволюционное развитие рептилий (рис. 45). Первый - это наиболее консервативный путь ползающих рептилий, которые никак не проявили себя и навсегда остались ползающими. Второй путь - это путь динозавров, образовавших множество крайне своеобразных разновидностей и тем не менее прекративших свое существование до начала кайнозойской эры. Третий путь - это путь птиц, которые развились из рептилий незадолго до начала юрского периода. Четвертый, и последний, путь начался с рептилий, подобных млекопитающим. Он быстро привел к млекопитающим и в кайнозое разделился на множество троп, одна из которых привела к человеку.

Рис. 45. Пути развития рептилий, ставшие возможными благодаря появлению амниотического яйца

На этих путях эволюции происходило много неожиданного. Одной из наиболее драматических была история динозавров, о которых мы расскажем в следующей главе.

Литература

Gregory W. К., 1951, Evolution emerging: The Macmillan Co., New York, vol. 1, p. 246-287.

Rome r A. S., 1964, The vertebrate story: 4th ed., University of Chicago Press, p. 87-175

Smith H. W., 1961, From fish to philosopher: American Museum of Natural History, New York, p. 85-101,120-121. (Paperback.)

Глава четырнадцатая. Век динозавров

Рептилии на суше

За палеозойской эрой последовал один из самых замечательных периодов в истории жизни на Земле - царствование мезозойских рептилий. В пределах мезозоя, на протяжении 190 миллионов лет, произошло поразительное распространение рептилий. Рептилии, появившиеся в результате эволюции в позднекаменноугольное время, благодаря преимуществам размножения с помощью амниотического яйца распространились на суше, заселили моря и поднялись в воздух, используя только что появившиеся крылья. Одна из ветвей рептилий дала начало птицам, которые конкурировали с самими летающими рептилиями. Другая ветвь, как мы уже видели, развилась в ветвь млекопитающих. И все же наиболее яркие персонажи в драме рептилий - динозавры. Они и все их родичи, плавающие и летающие, вымерли в мезозойскую эру. Вымерли полностью, до последней особи, предоставив заселять Землю новым группам животных, главным образом потомкам мезозойских млекопитающих.

Летопись ископаемых свидетельствует о существовании сотен родов динозавров размерами от цыпленка до десятков метров, имевших десятки самых разнообразных приспособлений к жизни в различных условиях. И все же, как и все другие рептилии, все динозавры, вероятно, были холоднокровными и прямо или косвенно зависели от наличия в большом количестве лиственной растительности. Однако ископаемые динозавры были найдены на всех континентах, кроме Антарктиды. Из этого обстоятельства мы можем заключить, что в мезозойское время были широко распространены низменности с мягким климатом и пышной растительностью, так как животные, подобные динозаврам, не могли существовать в высоких горах с крутыми склонами и в холодном климате. Этот вывод, по-видимому, согласуется с имеющимися у нас данными о перемещениях плит земной коры. Взглянув еще раз на рисунок 27, мы увидим, что большая часть территории суши, которая сейчас располагается в средних или высоких широтах, в середине мезозоя находилась (предположительно) в более низких широтах. Не исключено, что южная часть Северной Америки и южная часть Европы тогда примыкали к экватору. Если бы континенты занимали в мезозое то же положение, что и сейчас, то маловероятно, чтобы рептилии были столь многочисленны и чтобы достигали таких огромных размеров.

С помощью карты, представленной на рисунке 38, мы можем объяснить расцвет мезозойских рептилий с другой точки зрения. К концу мезозоя территория Северной Америки по сравнению с настоящим временем в большей степени была занята мелководными морями и в меньшей степени - сушей, в большинстве своем низменной, а Мексиканский залив соединялся с Северным Ледовитым океаном. При этих условиях климат центральной и северной частей континента, возможно, был более мягким, чем сейчас, особенно зимой. И в Европе и на других континентах в мезозое были распространены обширные моря.

Таким образом, расцвет рептилий в мезозойскую эпоху, который на первый взгляд кажется необъяснимым, в конце концов удовлетворительно объясняется наличием окружающих условий, которые были благоприятны для холоднокровных животных. Таким образом, как и при рассмотрении более ранних этапов истории живых существ, мы еще раз убеждаемся, что условия окружающей среды оказывают определяющее влияние на развитие животного мира путем естественного отбора.

Типы динозавров

Мы уже говорили о том, что динозавров существовало несколько сот видов. Но все они принадлежали к двум четко выраженным подразделениям, которые произошли от одного общего предка в триасовое время, прежде чем появились динозавры как таковые. Название "динозавр" является скорее популярным, чем научным. Оно означает "страшный ящер", и когда его впервые ввели, оно относилось к очень крупным и свирепым животным. Но динозавров такого типа было относительно немного среди тех многочисленных рептилий, которых мы в настоящее время относим к динозаврам. В эту группу входит большое число рептилий, не обладавших ни свирепостью, ни большими размерами.

Упоминавшиеся основные два подразделения динозавров ученые различают на основании строения их тазовых костей. К одному относились динозавры, у которых тазовые кости имели такое же строение, как у ящериц, а ко второму - динозавры, тазовые кости которых напоминали птичьи. Это важное конструктивное различие в устройстве показано на рисунке 46. Нет необходимости останавливаться на этом более подробно, нас интересует в первую очередь внешний облик и образ жизни динозавров. Поэтому мы можем перейти к описанию отдельных наиболее выдающихся представителей мира динозавров. Триасовые динозавры были довольно примитивными и имели скромные размеры. Все они опирались на задние ноги, а передние, гораздо меньшие по размерам, до земли не доставали (рис. 47). Шеи у них были гораздо длиннее, чем у пермских ползающих рептилий. Однако, хотя динозавры и стали двуногими, они не были прямо стоящими, как опирающийся на две ноги человек. Когда они ходили или бегали, тело у них занимало положение ближе к горизонтальному, чем к вертикальному, хотя, несомненно, они иногда могли выпрямляться, как это зачастую делают белки. Что касается ног динозавров, то, посмотрев на оставленные ими на влажном песке и иле следы (фото 18), на которых отчетливо видны отпечатки трех или четырех длинных пальцев и еще одного короткого, дополнительного, лишь изредка касавшегося земли, мы можем понять, почему первые исследователи этих следов принимали их за следы птиц.

Рис. 46. Связь между группами динозавров, упомянутыми в книге

Большинство динозавров было хищниками, как и их пермские предки; присутствие среди триасовых ископаемых разновидностей, обладавших необычного вида броней, выростами и шипами, говорит о том, что они уже начинали "принимать" защитные меры против своих врагов - других хищных динозавров.

Рис. 47. Coelophysis, типичный динозавр триасового времени. Весьма вероятно, что мелкие следы, показанные на фото 17, оставлены именно этим динозавром

Естественно, эта группа довольно примитивных триасовых динозавров включала предков всех более поздних динозавров. Лучше всего подразделять их по способу питания, образу жизни и особенностям строения. Мы можем выделить растительноядных и плотоядных, двуногих и четвероногих динозавров, а также динозавров, имевших броню, костяные пластины или защитные рога, и таких, кто не имел этих приспособлений. Мы разделим рассматриваемых нами ящеров на четыре большие группы.

Растительноядные двуногие. Хотя почти все раннемезозойские динозавры были хищниками, среди их потомков встречалось много растительноядных особей. Судя по оставленным ими следам, они довольно часто передвигались на четырех ногах. Среди них обычным был игуанодон (рис. 48), животное плотного сложения, достигавшее около 11 метров в длину. В одном месте было найдено более 20 скелетов в полной сохранности, по найденным совместно с ними скелетам черепах, крокодилов и рыб можно думать, что эти динозавры жили в болотах. "Руки" у них имели пять пальцев, причем "большой" палец представлял собой большой острый шип, вероятно служивший неплохим орудием защиты. Очевидно, эти ящеры питались, пригибая передними конечностями ветви деревьев и объедая побеги. Их следы показывают, что они перемещались шагом и, вероятно, не очень быстро, лишь временами делая короткие прыжки.

Рис. 48. Игуанодон, крупный двуногий травоядный динозавр, обитавший в Европе

Другая группа растительноядных двуногих ящеров, достигавших 6-12 метров в длину и носивших название гадрозавров, по образу жизни напоминала амфибий и обитала в болотах или на их заболоченных берегах (фото 43). Между пальцами ног у них имелись небольшие перепонки, а хвост был тонким, как у крокодилов, и при движении в воде действовал, как весло. Ноздри были расположены так, чтобы почти все тело могло быть погружено в воду. Рот состоял из рогового клюва, подобного утиному. На челюсти находилось до тысячи зубов, длинных, очень тонких, расположенных вплотную друг к другу. Когда роговой клюв доставал мягкие растения из болота, верхняя и нижняя челюсти, на которых росли зубы, начинали двигаться вперед и назад и тереться друг о друга, как две проволочные щетки, перетирая таким образом пищу.

Фото 43. Гадрозавры (1), 'бронированный' динозавр, подобный анкилозавру, (2) и плотоядный динозавр Struthiomimus (3). Дерево слева относится к покрытосеменным. Реконструкция

Плотоядные двуногие. Там, где встречаются растительноядные животные, всегда есть и хищники, которые на них охотятся. Среди динозавров было множество бегающих на двух ногах хищников различного размера и облика. Один из них, Ornitholestes, длиной всего около двух метров, имел настолько "изящное" строение, что весил предположительно менее 25 килограммов. Это было подвижное животное, приспособленное к быстрому бегу; хватательные передние конечности с тремя очень длинными пальцами могли поймать даже очень мелкую ящерицу, которая пыталась спастись бегством. Другой динозавр, Struthiomimus (фото 43, под третьим номером), был немного больше и напоминал страуса. У него даже был беззубый клюв. Разбитый череп родственного ему динозавра был найден в ископаемом гнезде, содержавшем яйца динозавров. Это обстоятельство, а также общий облик животного, имевшего небольшой вес и гибкие "руки", приводит нас к выводу о том, что Struthiomimus питался яйцами и грабил гнезда.

Еще один динозавр, Deinonychus, длиной около 2,5 метров, который, возможно, был потомком динозавра Ornitholestes, отличался двумя очень интересными приспособлениями, позволявшими ему вести хищный образ жизни. Второй палец на каждой задней ноге был снабжен когтем, гораздо более длинным и острым, чем все остальные когти. Этот палец имел особый сустав, позволявший ему приподниматься над землей и поворачиваться на 180° (рис. 49), что позволяло рептилии наносить своей добыче сильный удар ногой, удар, который мог распороть брюхо животному такого же размера, как и сам хищник. Кроме того, в длинном хвосте этого динозавра находились сухожилия, которые могли мгновенно "сращивать" кости вместе, превращая хвост в жесткий противовес всему телу. Обладая подобными когтями и хвостом, такой динозавр; должен был быть очень подвижным и опасным животным.

Рис. 49. Deinonychus, хищник, вооруженный острыми когтями

Некоторые двуногие хищники имели гораздо большие размеры, превосходя 9 метров в длину. Один из них, тираннозавр, был самым большим из известных наземных хищников; он имел длину до 15 метров, высоту до 6 метров и предположительно весил 7-8 тонн (фото 44). Длина его черепа составляла 1-2 метра, а во рту находилось множество острых зазубренных зубов пятнадцатисантиметровой длины. Так как его передние конечности были очень короткими, очевидно, он не пользовался ими, когда нападал на добычу и поедал ее. Главной добычей тираннозавра были растительноядные динозавры, как, например, гадрозавры и динозавры, вооруженные рогами.

Фото 44. Тираннозавр, самый крупный хищник, нападает на трицератопса, который приготовился к защите. Голова трицератопса покрыта панцирным шлемом. Деревья представляют собой пальмы, относящиеся 'к покрытосеменным растениям. Реконструкция

Земноводные четвероногие. Перейдем к гигантским динозаврам, которые так часто описываются в популярной литературе, что их облик знаком не только ученым. В палеонтологической летописи имеются данные по крайней мере о четырех различных родах, внешне очень похожих; мы упомянем только двух из них. На первый взгляд может показаться странным, что, хотя динозавры из этих двух родов были четвероногими, передние ноги у них были гораздо короче задних. Но в действительности этого можно было ожидать, потому что они были потомками триасовых двуногих динозавров с короткими передними конечностями. Пожалуй, лучше всего известен род Apatosaurus (фото 45) - огромные малоподвижные травоядные, достигавшие 23 метров в длину; их короткое туловище поддерживалось массивными колоннообразными ногами, снабженными когтями. Впереди находилась длинная гибкая шея с маленькой головой, которую в задней части туловища уравновешивал длинный гибкий хвост, сужающийся к концу. Животное должно было весить более 30 тонн, то есть вчетверо или впятеро больше самого большого африканского слона.

Фото 45. Apatosaurus, четвероногий динозавр, подобный амфибиям, длиной более 20 м, на берегу юрского водоема. Два других таких же динозавра пасутся в воде. По сравнению с ними крокодил на переднем плане выглядит совсем маленьким. Растительность состоит из цикадовых и хвощей. Реконструкция

По мере того как возрастали размеры и вес предков этого динозавра, происходила эволюция скелета в сторону снижения его веса путем образования полостей и отверстий в позвонках; тем самым вес снижался там, где нагрузки были невелики, и сохранялся там, где была важна прочность, например в колонновидных ногах. Отпечаток ноги этого динозавра, оставленный в мезозойских ил ах, превышает 90 сантиметров в длину.

Другой гигантский динозавр, диплодок, также был травоядным, во многих отношениях подобным описанному выше. Основное отличие от него состояло в том, что диплодок был несколько длиннее (длина одного экземпляра, согласно расчетам, превосходила 29 метров при высоте почти 14 метров), но не так массивен, вес его предположительно составлял 10-12тонн. Без сомнения, большую часть времени эти гиганты проводили в болотах и реках, поедая мягкие растения. Вдали от берега, среди болотистых островов, они были в большей безопасности от крупных хищников; поэтому такие места были для них не только "столовой", но и убежищем. Для еще большей безопасности ноздри этих гигантов помещались на самой верхней части головы, что позволяло им спокойно дышать, почти полностью погрузившись в воду и находясь таким образом вне поля зрения врагов. Эти и некоторые другие динозавры проглатывали свою растительную пищу целиком и перетирали ее уже после того, как она попадала к ним в желудок. Как цыплята, в зобу у которых обычно находится много камешков, динозавры заглатывали камни размером с картофелину и с помощью этих орудий своими сильными желудочными мышцами измельчали пищу. Иногда кучки таких камней, когда-то окатанных и отшлифованных в желудках динозавров, находят вместе с их скелетами, причем они располагаются там, где находилось брюхо большого динозавра.

Вероятно, эти огромные животные откладывали яйца, хотя это не подтверждено еще находками; яйца в воде погибали, поэтому они должны были откладывать их на суше, а может быть на островах или в других местах, куда трудно было проникнуть хищникам.

Огромные четвероногие динозавры, подобные амфибиям, обладали еще меньшим мозгом по отношению к весу тела, чем другие динозавры, хотя и вся эта группа не слишком славилась своими умственными способностями. У диплодока истинный мозг весил только около семи граммов на тонну веса тела. Мы говорим "истинный мозг", потому что диплодок, как и многие другие динозавры, имел дополнительный координирующий центр гораздо большего размера, расположенный в позвоночнике, вблизи таза. Этот центр соединялся с истинным мозгом через спинной и управлял движением задних ног и хвоста. Хотя такое устройство может показаться неудобным, мы должны признать, что оно действовало "исправно", потому что им обладали многие различные виды динозавров, жившие на протяжении десятков миллионов лет. Этому, конечно, способствовала среда обитания динозавров с мягким климатом и мало изменявшимися природными условиями; в подобной среде почти не возникало проблем, требующих умственного напряжения.

Четвероногие, снабженные броней или рогами. В наш перечень разнообразных динозавров входит также довольно разнородная группа видов, которые, не будучи близкородственными, обладали необычного вида броней, или рогами, или и тем и другим. Несмотря на то что их предки в триасовое время были двуногими, эти динозавры снова опустились на все четыре конечности. И все же их передние ноги все еще были короче задних, как у Apatosaurus. Будучи травоядными, они нуждались в защите от хищных рептилий; это и вызывало развитие брони и защитных рогов.

Наиболее выделяющимся из этих бронированных рептилий был стегозавр. На его скелете, имеющем в длину около 6 метров и вес предположительно 4 тонны, видны толстые треугольные костные пластинки, окаймляющие спинной хребет, с которым они, вероятно, соединялись связками. Возможно, эти пластинки, самые крупные из которых достигали размера 75 сантиметров, защищали позвоночник от двуногих хищников, которые, вероятно, при нападении пытались вцепиться в загривок, как это делает терьер, убивая крысу. Кроме того, стегозавр был вооружен парой крепких толстых шипов длиной около 60 сантиметров, расположенных на конце хвоста. Один удар такого хвоста мог, вероятно, сбить с ног довольно крупного противника и к тому же нанести ему серьезные повреждения.

Анкилозавр и его родственники (фото 43) имели, вероятно, такую защиту, какую имеют современные броненосцы. Достигая 6 метров в длину и 2,5 метра в ширину, они имели высоту менее 1,5 метра. Позади мощного, толстого, снабженного клювом черепа вся верхняя половина тела у них была покрыта тяжелыми костными пластинками. У некоторых из них вдоль всего тела, от плеч до хвоста, напоминавшего тяжелую лопатку или дубинку, тянулись также огромные шипы. Обладая такой защитной броней, эти рептилии двигались, вероятно, медленно. Но при приближении опасности они могли прижиматься к земле, поджав под себя лапы, и защищаться от нападения, нанося удары хвостом.

Другим способом, используя рога, защищался трицератопс и его многочисленные родственники (фото 44). Эти громоздкие короткохвостые четвероногие достигали 7,5 метра в длину и трех метров в высоту. Их наиболее характерной особенностью был огромный тяжелый череп, который протягивался назад в виде большого щита, защищавшего шею. Спереди череп был снабжен двумя рогами, выступавшими над узким клювом, похожим на клюв попугая. Внутри черепа находился мозг, небольшой, по нашему мнению, но достаточно крупный для динозавра. Наличие такого мозга позволяет предположить, что эти животные, обладавшие защитным шлемом и рогами, были довольно подвижны. Об этом свидетельствует незащищенность задней части их тела, не имевшей ни брони, ни какого-либо оружия. Совершенно ясно, что они могли быстро поворачиваться, чтобы отразить нападение врага рогами. Следами таких древних битв являются, возможно, шрамы, часто встречающиеся на ископаемых остатках шейной брони.

Рассуждая о сражениях между динозаврами, мы невольно задаемся вопросом, происходили ли они в тишине или сопровождались громкими воплями, как это происходит при драках современных кошек и собак. Специалисты по анатомии динозавров могут сообщить нам то немногое, что известно по этому вопросу. Представляется, что конфигурация маленьких косточек у основания языка динозавров близка к той, которую имеют те же косточки у некоторых ныне живущих видов животных. Основываясь на этой аналогии, можно предполагать, что по крайней мере некоторые динозавры могли издавать квакающие или лающие звуки, как это делают современные крокодилы. Поэтому, если в палеозое на суше скорее всего царило молчание, нарушавшееся лишь шумом ветра, потоков и прибоя, то мезозойские ландшафты уже могли быть оживлены звуками, которые издавали животные.

Протоцератопс, родственный трицератопсу, но менее сложно организованный небольшой динозавр, с клювом, но без рогов, живший в Азии, получил широкую известность в связи с находкой его яиц и гнезд палеонтологической экспедицией в Монголии в двадцатых годах нашего века. В позднем мезозое эта территория была такой же засушливой, как и сейчас, и яйца были отложены в небольшие углубления в песке, который в настоящее время превратился в песчаник. Самки динозавров выкапывали ямки и откладывали в них до 15 яиц длиной 15-20 сантиметров. Было найдено несколько таких гнезд, и по крайней мере в двух яйцах были обнаружены крошечные кости детенышей динозавров, которые не смогли вылупиться. Были найдены также яйца и других типов динозавров, как большего, так и меньшего размеров.

Морские рептилии

При изучении жизни в мезозое едва ли не сильнее всего поражает то, что почти половина всех известных видов рептилий жила не на суше, а в воде, в реках, эстуариях и даже в море. Мы уже отмечали, что в мезозое на континентах широко распространились мелководные моря, поэтому для водных животных не было недостатка в жизненном пространстве.

В мезозойских слоях встречается большое количество ископаемых рептилий, приспособленных для жизни в воде. Этот факт может означать только то, что некоторые рептилии вернулись обратно в море, на родину, где когда-то давно появились предки динозавров - рыбы. Этот факт требует некоторого объяснения, поскольку на первый взгляд здесь происходил регресс. Но мы не можем считать возвращение рептилий в море шагом назад с эволюционной точки зрения только на том основании, что девонские рыбы вышли из моря на сушу и развились в рептилий, пройдя стадию амфибий. Напротив, это положение иллюстрирует принцип, согласно которому каждая активно развивающаяся группа организмов стремится занять все разновидности среды, в которых она может существовать. В действительности перемещение рептилий в море не слишком отличается от заселения амфибиями рек и озер в позднекамен-ноугольное время (фото 38). В воде имелась пища и конкуренция была не слишком жестокой, поэтому сначала амфибии, а затем рептилии переселились в воду. Уже перед концом палеозоя некоторые рептилии стали водными обитателями и начали приспосабливаться к новому образу жизни. Эта адаптация шла в основном по пути усовершенствования способа передвижения в водной среде. Конечно, рептилии продолжали дышать воздухом так же, как дышит воздухом современный кит, млекопитающее, хотя и сходное по форме тела с рыбой. Более того, мезозойские морские рептилии развились не из какой-либо одной наземной рептилии, которая приняла решение уйти обратно в воду. Ископаемые скелеты неоспоримо свидетельствуют о том, что они имели различных предков и появились в различное время. Тем самым ископаемые остатки показывают, насколько разнообразным был отклик организмов на изменение условий среды, в результате которого создалось обширное пространство, изобилующее пищей и пригодное для заселения.

Обширная информация была получена при изучении ископаемых остатков, содержащихся в морских аргиллитах и меловых известняках; в этих тонкообломочных породах сохраняются не только кости, но также отпечатки кожи и чешуи. За исключением наиболее мелких и примитивных видов, большинство морских рептилий было хищниками и принадлежало к трем главный группам: их-тиозавры, плезиозавры и мозазавры. Кратко характеризуя их, мы должны в первую очередь отметить, что ихтиозавры приобрели сходную с рыбами удлиненную форму (рис. 50) и были превосходно приспособлены к быстрому плаванию в погоне за рыбой или головоногими моллюсками. Эти животные, достигавшие 9 метров в длину, имели голую кожу, спинной плавник и хвост, как у рыбы, а их четыре конечности превратились в подобие тюленьих ласт и использовались для управления движением тела при плавании. Все пальцы в этих ластах были тесно соединены, и для увеличения прочности в них существовали дополнительные кости. Большие глаза ихтиозавров были приспособлены для того, чтобы хорошо видеть в воде. У них даже появилось одно очень существенное усовершенствование процесса размножения. Будучи животными, которые дышали воздухом, но жили в морской воде, они не могли откладывать яйца. Поэтому у ихтиозавров появился способ размножения, при котором зародыш развивался внутри тела матери и, достигая зрелости, рождался живым. Они стали живородящими. Этот факт устанавливается находками превосходно сохранившихся остатков самок ихтиозавров с полностью сформировавшимися детенышами внутри их тела, число детенышей достигает семи.

Рис. 50. Четыре группы животных, которые приобрели обтекаемую форму тела в результате приспособления к жизни в воде: А. рептилия, Б. рыба, В. птица, Г. млекопитающее. Первоначально они имели различный облик, но в ходе эволюции приобрели внешнее сходство

Вторая группа включает плезиозавров, которые в отличие от рыбообразных ихтиозавров сохранили исходную форму тела рептилий, достигая 7,5-12 метров в длину. Если бы не хвост, плезиозавр походил бы на гигантского лебедя. Конечно, предком плезиозавра была совсем не та наземная рептилия, которая дала начало ихтиозаврам. Ноги у плезиозавров превратились в длинные плавники, а голова, посаженная на длинной шее, была снабжена острыми зубами, которые смыкались и надежно удерживали самую скользкую рыбу. Такие зубы исключали пережевывание; плезиозавр заглатывал добычу целиком и затем измельчал ее в желудке с помощью камешков. О рационе плезиозавров можно судить на примере содержимого желудка одного из них, который, по-видимому, погиб прежде, чем камни в его желудке успели измельчить проглоченную им пищу в должной степени. Было установлено, что содержавшиеся в желудке кости и обломки раковин принадлежат рыбам, летающим рептилиям и головоногим, которые проглатывались целиком, вместе с раковиной.

Третья группа морских рептилий получила название мозазавров, потому что они впервые были обнаружены вблизи реки Мозель, в северо-восточной Франции. Их можно было бы назвать "запоздалыми", потому что они появились тольдо в позднеме-ловое время, когда ихтиозавры заселяли моря уже в продолжение почти 150 миллионов лет. Предками мозазавров были скорее ящерицы, чем динозавры. Длина их достигала 9 метров, они имели чешуйчатую кожу, а челюсти у них были устроены таким образом, что они могли широко открывать рот, как змеи.

Обтекаемое тело как приспособление к условиям жизни в водной среде встречается не только у ихтиозавров и мозазавров. То же самое можно видеть у целого ряда животных, живших и раньше, и позже мезозоя, и в мезозое (рис. 50).

Рептилии в воздухе

История расцвета рептилий в мезозое не заканчивается тем, что изложено выше. Рептилии не только распространились на суше и заполнили моря, они также поднялись в воздух, следуя сразу по двум линиям эволюции. Они научились летать и как рептилии, и кроме того, двигаясь совсем по другому пути развития, они научились летать и как птицы. Насколько можно судить по ископаемым остаткам, настоящие летающие рептилии были не такими многочисленными, как морские. Однако они были первыми животными, поднявшимися в воздух после насекомых, сделавших это еще в девонское время. Естественно, что воздушная среда труднее для завоевания и более опасна, чем море. Для того чтобы двигаться в воздухе или хотя бы пассивно парить, требуются более специализированные приспособления, большая энергия и мастерство (под которым мы подразумеваем подвижность и быструю реакцию), чем для передвижения в воде. В основном именно поэтому человек построил корабли задолго до аэропланов. Промежуток между этими изобретениями человека составил около нескольких тысяч лет. А между возникновением рептилий в позднекаменноугольное время и их проникновением в воздух (юрское время) прошло около 80 миллионов лет.

Мы многое знаем о строении и облике летающих рептилий благодаря тому, что в южной части Германии [ФРГ, Бавария. - Ред.] широко распространены осадочные породы необычного типа. Эти породы представляют собой пласты известняка позднеюрского возраста, настолько тонкозернистого, что он применялся для гравировки иллюстраций для книг (до того, как для этой цели стали использовать стальные и медные пластинки) и за это получил название литографского камня. Необыкновенно тонкозернистый состав этих известняков заставляет предполагать, что они отлагались в мелководных лагунах, защищенных от волнения открытого моря песчаными барами или коралловыми рифами. Рыхлые отложения на дне лагун сохраняли отпечатки даже мельчайших деталей растений или тел животных, которые опускались на дно и заносились илом. В результате литографский камень славится содержащимися в нем ископаемыми остатками растений, беспозвоночных, рыб и рептилий.

Фото 46 Скелет Rhamphorhynchus, примитивной летающей рептилии, найденный в литографских известняках в Германии

В этих отложениях были найдены многие крылатые рептилии, кроме того, подобные остатки были найдены и в других слоях мезозойского возраста в различных местах. Рассматривая остатки одной из юрских примитивных рептилий, сохранившейся до мельчайших подробностей (фото 46), мы видим, что ее тело приспособилось к полету следующим образом: 1) уменьшился вес; 2) появились "устройства" для управления полетом; 3) был создан механизм для полета. Вот некоторые из этих приспособлений:

1. Малые размеры тела; хотя некоторые летающие рептилии были с индейку, другие были не больше канарейки. Скелет был облегчен благодаря развитию тонких полых костей крыльев, а у некоторых видов и череп имел почти сетчатое строение и состоял из тонких костей.

2. Необычайно, хорошим развитием отличались глаза и часть мозга, управляющая зрением.

3. Наиболее замечательной особенностью были крылья. Глядя на рисунки 51 и 52, мы можем легко себе представить, что четвертый палец на передней конечности, словом "мизинец", - был необычайно удлинен по отношению к остальным. От кончика этого пальца к задней ноге и далее к хвосту протягивалась тонкая перепонка из кожи, образовывавшая крыло.

Рис. 51. Птеранодон (Pteranodon), летающая рептилия с выростом на черепе; он пролетал огромные расстояния над обширными меловыми морями на территории нынешних штатов Канзас и Небраска

Все эти три группы приспособлений, вместе взятые, создавали устройство, которое хотя и неуклюже, но могло летать. Образование крыла, сопровождавшееся усовершенствованием глаза и уменьшением общего веса, сделало возможным полет привело к удивительным пропорциям тела. Например, одна из летающих рептилий с размахом крыльев в 90 сантиметров, согласно расчетам, при жизни весила меньше 450 грамм. Кожа таких рептилий была голая, а челюсти снабжены многочисленными острыми зубами, обычными для рептилий. Вероятно, эти животные, как современные канюки, больше парили, чем летали. Происходя от наземных хищников, они, очевидно, остались плотоядными и, медленно скользя над водой, высматривали морских животных или крупных насекомых. Строение их скеле показывает, что они не могли ходить. Очевидно, они приземлялись не на поверхность земли, а на ветви деревьев или выступы скал на которых висели, как современные летучие мыши.

Рис. 52. Схема сравнения крыла летающей рептилии, летучей мыши и птицы. Все эти крылья появились в различное время. У рептилии все крыло поддерживается только одним пальцем. У летучей мыши внешняя часть крыла усилена четырьмя пальцами. У птицы большая часть крыла поддерживается костями плеча и предплечья, а несущая поверхность образована легкими жесткими перьями. Из всех трех видов такое крыло наиболее соответствует своему назначению

Позже развитие летающих рептилий, остатки которых найдены в отложениях мелководных морей мелового времени, пошло по пути замены зубов длинным клювом, который, конечно, лучше соответствовал их образу жизни. У одного из родов в задней части черепа появился особый выступ, или гребень (рис. 51), который, возможно, уравновешивал длинный клюв и облегчал рептилии маневрирование при ветре. Но главное изменение касалось увеличения площади крыльев, очевидно, чтобы лучше поддерживать тело в воздухе. Одна из летающих рептилий для поддержки тела, которое предположительно весило менее 12 килограммов, имела крылья с размахом 7,5 метра. Такой размах крыльев позволяет считать этих рептилий самыми крупными летающими животными за всю историю существования жизни на Земле. Хотя до самого конца своего расцвета летающие рептилии отличались хрупким сложением, все же они просуществовали более 100 миллионов лет.

Но несмотря на то, что крыло рептилий выполняло свои функции и просуществовало долго, оно было менее удачным приспособлением для полета, чем появившееся независимо от него крыло птицы и позднее млекопитающих - летучих мышей. На рисунке 52 показаны все три крыла, и, как можно видеть, крыло птицы из них самое совершенное.

Птицы

В юрское время у рептилий, живших по берегам теплых морей, существовали различные виды полета. Мы уже видели, что несколько видов наземных рептилий поднялись в воздух, используя для этого только что описанные кожистые крылья. Но один из видов пошел еще дальше. В одном из карьеров при разработке литографского камня в середине XIX в. был найден ископаемый скелет рептилии, размером не больше вороны, имевшей большие глаза, зубы, как у рептилий, и пальцы с когтями на передних конечностях. Поразительно, что при этом были обнаружены очень четкие отпечатки перьев, крепившихся к предплечью и к позвонкам длинного хвоста. Это, несомненно, была птица. Она получила родовое имя археоптерикс (Archaeopteiyx) ("древнее крыло") и видовое название Uthographica по названию горной породы (фото 47). В том же самом слое были обнаружены еще два ископаемых скелета и отдельный отпечаток пера.

Фото 47. Археоптерикс (Archaeopteryx), древнейшая известная нам птица, сидит на ветке хвойного дерева, собираясь съесть пойманную ящерицу. На переднем плане справа - цикадовые растения; сзади - хвойные деревья и еще одна такая же птица. Реконструкция

Конечно, эти находки представляли необычайный интерес и потому были тщательно изучены. Результаты исследований могут быть, очевидно, сведены к следующему: археоптерикс по своим основным чертам - летающая рептилия, но так как, по определению, птицы имеют перья, а рептилии - нет, то ее можно отнести к птицам. Особенности строения археоптерикса позволяют уверенно сказать, что эта древнейшая из известных нам птиц произошла от жившей на земле двуногой рептилии. Наличие перьев убедительно свидетельствует о том, что она имела теплую кровь, потому что одной из основных функций перьев является термоизоляция. У многих птиц кровь даже теплее, чем у человека. Их перьевой покров и высокая двигательная активность позволяют им поддерживать нормальную температуру тела около 39,5° С.

Перья состоят из того же прочного рогового вещества, что и чешуя. Некоторые ученые предполагают, что небольшая рептилия, которая была предком этих примитивных птиц, имела чешую и что сначала чешуйки стали волнистыми по краям, возможно, потому, что такая форма предохраняла кожу от перегрева солнечными лучами. Волнистые края оказались полезны и в другом отношении, поскольку они уменьшали потерю телом тепла, и постепенно эти чешуйки превратились в перья. Жесткость и небольшой вес вещества перьев сделал их идеальным приспособлением для полета.

Хотя первая птица и имела перья, она, как и ее родственники - летающие рептилии с кожистыми крыльями, летала плохо. Ее строение указывает на то,что птица, вероятно, была хорошо приспособлена к планирующему полету. Возможно, она жила на суше и, будучи хищником, питалась или мелкими животными, или падалью. То, что ее остатки были найдены в морских известняках, свидетельствует лишь о том, что отдельные экземпляры были унесены в море ветром или течением и погребены в мягком донном иле. Хрупкие тела птиц, погибших на суше, просто не сохранились.

К меловому периоду неуклюжесть полета у птиц исчезла и многие из них вместо зубов обзавелись клювом. Некоторые птицы приспособились к жизни на воде. Примером является весьма походившая на гагару плавающая и ныряющая птица гесперорнис (Hesperornis) (рис. 50), длина которой была около двух метров и которая все еще обладала зубами и крыльями, хотя и не такими сильными и меньшего размера, чем у летающих птиц. Существование птиц, которые почти покинули воздушную среду, перейдя к плаванию, свидетельствует о том, что на ранних этапах развития птицы охотились на рыбу так же, как это постоянно делали рептилии с начала мезозойской эры.

Конец огромных рептилий

Окончание мелового периода, означавшее конец всей мезозойской эры, можно назвать "кризисом" в истории биосферы, потому что в это время произошло вымирание многих групп животных. Наиболее заметный урон понесли рептилии. Вымерли все динозавры, все летающие рептилии и все морские рептилии, за исключением морских черепах; выжили и продолжили линию рептилий только ящерицы, змеи и черепахи. Из беспозвоночных исчезли большинство головоногих, в том числе все белемниты, а также некоторые линии морских двустворчатых моллюсков и улиток.

Вымирание носило выборочный характер, потому что млекопитающие и наземные растения были им мало затронуты или совсем не затронуты, а рыбы и многие беспозвоночные полностью уцелели. Поэтому попытки приписать это вымирание какой-либо одной причине оказались неудачными. Пока время основных событий в истории Земли не было установлено с помощью радиометрического датирования, конец мезозоя обычно именовался временем "великого вымирания". Однако сейчас мы сознаем, что это выражение не соответствует истине. По крайней мере два обстоятельства свидетельствуют о том, что вымирание не носило характера катастрофы, уничтожившей все живое.

Во-первых, оно было избирательным, затрагивая одни виды и щадя другие. Кроме того, оно не было ограничено каким-либо одним видом природной среды, охватывая сушу, море и воздух. Во-вторых, хотя наиболее заметным было вымирание видов в конце мелового периода, оно заняло в целом значительный промежуток времени. В частности, различные группы рептилий вымирали в отдельные моменты времени в течение всего мезозоя. Поэтому, какова бы ни была причина этого явления, очевидно, она не вызвала "внезапного" истребления видов, по крайней мере в том смысле этого слова, в каком мы применяем его к событиям истории человеческого общества. Даже наиболее ярко выраженное вымирание, происходившее в конце мелового периода, вероятно, тянулось несколько миллионов лет.

Рассматривая геологические данные, говорящие о том, что происходило в конце мелового периода, мы видим, что континенты в целом стали выше. В то же время и, возможно, главным образом в результате этого поднятия сократились площади обширных мелководных морей на континентах и исчезли болотистые низменности, располагавшиеся по берегам этих морей. Кроме того, понизилась температура, частично благодаря поднятию и сокращению площади морей.

Мы должны признать, что действительная причина вымирания до сих пор не установлена. Ранее выдвигавшиеся объяснения - болезнь, недостаток пищи и самое туманное - "потеря жизненной силы" - совершенно не в состоянии объяснить, почему произошло выборочное исчезновение некоторых из обитателей суши, моря и воздуха, а не полное вымирание обитателей какой-либо одной среды. Представляется, что млекопитающие вышли из этой катастрофы целыми и невредимыми.

Недавно было выдвинуто предположение, что конец мезозоя ознаменовался серией обращений магнитного поля Земли (описанных в шестой главе) и что эти обращения могли каким-либо образом повлиять на биосферу, например путем изменения интенсивности радиации, поступающей на земную поверхность. Против этого выдвигались возражения, но, возможно, сейчас еще слишком рано оценивать все "за" и все "против". Достаточно сказать, что вымирание, которым ознаменовался конец "века динозавров", до сих пор представляет собой одну из величайших загадок, связанных с историей жизни на Земле.

Литература

Augusta Josef, Burian Zdenek. 1961, Prehistoric reptiles and birds: Paul Hamlyn, London.

Colbert E. H., 1951, The dinosaur book: NcGraw-Hill Book Co., Inc., New York.

Colbert. E. H., 1961, Dinosaurs. Their discovery and their world: E. P. Dutton &Co.. Inc., New York.

Fentоn C.L., Fentоn M. A., 1958, The fossil book: Doubleday & Co.. New York, p. 329-374.

Кurten Bjorn, 1968, The age of the dinosaurs: Weidenfeld and Nicolson, London. (Paperback.)

Swintоn W. E., 1958, Fossil birds: British Museum (Natural History), London.

Swintоn W. E.. 1970, The dinosaurs: Wiley-Interscience, New York.

Глава пятнадцатая. Млекопитающие

Как было сказано выше, шкала геологического летосчисления была построена на основе ископаемых остатков. Фанерозой, часть этой шкалы, охарактеризованная многочисленными ископаемыми, которые легко было обнаружить, логически подразделяется на три крупных раздела: палеозой ("эра древней жизни"), мезозой ("эра средней жизни") и кайнозой ("эра новой жизни"). Слово "жизнь" в каждом из этих названий подчеркивает тот факт, что эти подразделения основаны на содержащихся в горных породах ископаемых остатках организмов. В течение кайнозоя господствующими были млекопитающие, мезозоя - рептилии. Основой такого различия является изменение природных условий на континентах и в морях, вызванное главным образом расширением морского дна и движениями континентов. Северная Америка в кайнозойскую эру очень сильно отличалась от того континента, который существовал в мезозое, а изменение условий жизни вызвало эволюцию и возникновение новых форм жизни. Историю млекопитающих лучше всего начать с рассмотрения современных нам млекопитающих, чтобы лучше понять пройденный ими путь эволюции, который привел их к современному состоянию.

Мы уже говорили, что характерными особенностями млекопитающих являются молочные железы для вскармливания детенышей, теплая кровь (что фактически означает постоянную температуру тела днем и ночью), волосяной покров, служащий для термоизоляции, четырехкамерное сердце, дифференцированные зубы, служащие для откусывания и жевания, и хорошо развитый мозг. Эти черты общие для всех млекопитающих. По особенностям же процесса размножения млекопитающие подразделяются на три группы.

1. Наиболее примитивные - однопроходные, потому что они откладывают яйца (хотя и вскармливают детенышей молоком); они отличаются также некоторыми особенностями анатомии, которые в ископаемых остатках не устанавливаются. Сейчас их существует только два рода - утконос с клювом, как у утки, и австралийская ехидна (Отряд однопроходные объединяет два семейства: Tachyglossidae (ехидны) и Ornithorhynchidae (утконосы). В составе семейства ехидны - два рода, утконосов - один род. - Прим. ред). Оба эти рода очень хорошо приспособлены к определенному образу жизни и ограничены в распространении Австралией, где, по-видимому, конкуренция слабее, чем в других частях света, что и создает предпосылки для выживания самых примитивных животных. Поскольку ископаемые однопроходные встречаются только в Австралии, возможно, что в других местах они никогда не существовали.

2. Промежуточную группу образуют сумчатые, из которых, пожалуй, наиболее общеизвестны кенгуру. Детеныши у кенгуру рождаются живыми, они очень слабо развиты; новорожденный кенгуру гложет иметь длину до трех сантиметров. Детеныши заползают в сумку матери и в течение долгого времени питаются там молоком, пока не вырастут в несколько раз больше (по сравнению с размером, который они имели при рождении) и смогут выйти из сумки и кормиться самостоятельно. Сейчас сумчатые живут главным образом в Австралии; к ним относятся кенгуру, "медведи" коала и вомбаты. Единственное сумчатое, сохранившееся в Северной Америке, - опоссум, - по-видимому, приспособилось к конкуренции, живя на деревьях. Размножение у сумчатых более безопасно, чем откладывание яиц, потому что развивающиеся детеныш постоянно находится под защитой матери. Но еще более усовершенствовала этот процесс третья группа млекопитающих.

3. Наиболее развиты плацентарные млекопитающие, названные так потому, что у них есть плацента - орган, находящийся внутри матки и напоминающий мембрану, пронизанную многочисленными кровеносными сосудами. Через плаценту эмбрион получает питательные вещества и кислород, и через нее же происходит удаление углекислого газа и отходов. Все это устройство (рис. 53) напоминает амниотическое яйцо (рис. 43), от которого оно, очевидно, и произошло. Но плацента дает млекопитающим преимущества не только по сравнению с яйцекладущими животными, но и по сравнению с сумчатыми. Эмбрион, развитие которого регулируется плацентой, может находиться в матке до своего полного и окончательного развития. Детеныш плацентарных млекопитающих, по крайней мере у большинства родов, после того, как он родится, довольно скоро может заботиться сам о себе. Плацента внесла существенное усовершенствование в процесс размножения.

Рис. 53. Основные черты зародыша и матки у плацентарных млекопитающих (сравните с рис. 43). На ранних стадиях зародыш питается желтком, который затем исчезает. Зародыш получает питательные вещества и кислород и выделяет углекислый газ и отходы через плаценту. Направление этого обмена показано стрелками

Мезозойские млекопитающие

С нашей "позднекайнозойской" точки зрения, современные млекопитающие находятся почти в конце эволюционной линии. Рептилии пермского и триасового периодов, которые походили на млекопитающих, находились на другом конце эволюционной линии. Необходимо помнить, что путь развития организмов от наиболее примитивных млекопитающих до человека не был прямым и это развитие происходило не всегда с одинаковой скоростью. В течение почти 250 миллионов лет мезозоя эволюция млекопитающих не представляла ничего интересного. Можно сказать, что они выжидали своего часа. В то же самое время настоящие рептилии распространились очень широко и приспособились к различным условиям среды в мягком климате. Низменный рельеф и мягкий климат мезозоя способствовали развитию рептилий, но не представляли исключительно благоприятных условий для млекопитающих. Вновь появившиеся млекопитающие должны были выжидать, пока не уменьшились численно и не вымерли динозавры и пока в кайнозое не возникли новые типы природной среды, лишь после чего они в свою очередь смогли сильно распространиться и занять господствующее положение. Все это ясно говорит нам, что эволюционное развитие меняет свое направление в соответствии с меняющимися возможностями, которые предоставляет окружающая среда. Пока происходит движение плит коры и перемещение континентов в более высокие или более низкие широты, а иногда и соединение континентов, будет происходить и изменение условий жизни, создающее новые возможности для эволюции живых организмов.

Вполне вероятно, что предком настоящих млекопитающих мог быть Cynognathus (фото 42) или один из родственных ему видов. А может быть, эта честь принадлежала другой рептилии, еще не обнаруженной в ископаемом состоянии. Это не имеет большого значения, потому что млекопитающие и рептилии, подобные млекопитающим, очень тесно связаны между собой. Какой бы ни была рептилия - родоначальник млекопитающих, - произошедшие от нее млекопитающие имели очень небольшие размеры. Большинство ископаемых млекопитающих, обнаруженных в триасовых, юрских и меловых слоях, были размером с крысу или мышь, а самые крупные не больше кошки. До сих пор не найдено ни одного целого черепа, не говоря уже о скелете, но обнаружено множество мелких челюстей с дифференцированными, как у млекопитающих, зубами и разрозненные кости. Эти кости больше напоминают кости сумчатых или однопроходных, чем плацентарных млекопитающих. В меловых слоях в западной Канаде найдены остатки, принадлежащие, без сомнения, опоссуму.

Небольшие размеры мезозойских млекопитающих указывают на то, что они не могли конкурировать с динозаврами и другими рептилиями, несмотря на имеющийся у них сравнительно большой мозг. Можно предполагать, что млекопитающие занимали подчиненное положение, старались держаться в стороне и, вероятно, питались насекомыми и семенами растений. Так как мы не располагаем целым скелетом, мы не можем представить себе, как они выглядели, но ископаемые черепа позволяют воссоздать внешний вид головы этих млекопитающих (рис. 54).

Рис. 54. Голова позднемезозойского млекопитающего. Остальные части тела реконструировать пока не удается, так как найден только череп

Приспособления к кайнозойским природным условиям

Общий обзор. Таково было положение вещей в конце мезозоя. На сцене начали появляться млекопитающие. С изменением ландшафтов и похолоданием климата динозавры постепенно исчезали, одна группа за другой, оставляя жизненное пространство свободным. Млекопитающие, которым больше не угрожали рептилии, осмелели. Волосяной покров и теплая кровь, а также больший объем мозга давали им возможность выжить в условиях похолодания и приспособиться к новым, более разнообразным природным условиям, на что динозавры оказались неспособны. По мере того как рептилии сдавали свои позиции, млекопитающие занимали освободившиеся территории, где им не угрожала существенная конкуренция. Наконец рептилии исчезли. Единственной опасностью для этих первых млекопитающих были другие млекопитающие. Конечно, среди "других млекопитающих" вскоре появились плотоядные хищники, которые завоевали свое место в пищевой цепи.

В этой истории можно найти сходство с мезозойской историей рептилий. Новая форма распространяется на новые территории и там, встречаясь с различными условиями среды, которую можно заселить, разделяется на несколько разновидностей. Животные одного вида охотятся на других. В результате конкуренции устанавливается своего рода динамическое равновесие видов. Оно "динамично" потому, что при этом одни виды вымирают, другие развиваются. Это равновесие представляет собой бесконечный ряд "битв", в которых перевес получает то одна, то другая сторона.

Если кайнозойскую историю млекопитающих рассматривать в перспективе, она состоит как бы из двух фаз: ранняя фаза экспериментирования природы на млекопитающих и поздняя фаза отработки их деталей, во время которой направления эволюции становятся более отчетливо выраженными. Ранняя фаза продолжалась включительно по олигоцен, поздняя - остальную часть кайнозоя. Конечно, она продолжается и сейчас, но с тех пор, как в конце плиоцена господствующее положение занял человек, путь развития млекопитающих резко изменил свое направление.

Палеонтологическая летопись ранней фазы создает представление, что эволюция довольно часто экспериментировала, временами неудачно, разрабатывала и опробовала различные модели, выбирая те, которые могли бы выдержать конкуренцию и преуспеть в той или иной природной среде. Во многих ранних моделях были обнаружены недостатки, и они были одна за другой отвергнуты. Уцелевшие виды просуществовали всю раннюю фазу и в ходе поздней фазы оформились и развивались по вполне определенным направлениям. Многие из них существуют до сих пор, занимая господствующее положение среди млекопитающих новейшего времени.

Фото 48. Uintatherium, травоядное млекопитающее массивного сложения, высотой около 1,5 м на фоне реконструированного эоценового ландшафта. Его причудливо украшенный череп едва ли был полезен при обороне или при нападении. Возможно, он привлекал особей противоположного пола, а если так, то естественный отбор мог способствовать развитию этих выростов

Ранние неспециализированные группы. Примитивный характер раннекайнозойских млекопитающих (фото 48, рис. 55) объясняется двумя главными причинами. Во-первых, эти млекопитающие происходили непосредственно от позднемеловых видов, которые сами по себе были примитивными. Во-вторых, широко распространенные в это время лесные ландшафты привели к сохранению архаичных форм животных. Вероятно, большая часть раннекайнозойских млекопитающих принадлежала к группе плацентарных. Как правило, они были небольших или средних размеров (хотя один из них достигал величины современного носорога). Ступня этих млекопитающих была плоской или почти плоской (рис. 55, А), а у некоторых массивной, как у слона, и почти все они имели пять пальцев. Среди них были как травоядные (большей частью питающиеся побегами деревьев), так и хищники. Последние выделялись главным образом формой зубов и примитивными когтями, не имея резких отличительных особенностей общего облика. Некоторые из раннекайнозойских млекопитающих, как, например, Uintatherium, показанный на фото 48, обладали странными костными выростами на черепе, а самцы этого вида имели также длинные верхние клыки.

Рис. 55. Четыре представителя ранних и примитивных кайнозойских млекопитающих. A. Patriofelis, хищник. Б. Phenacodus, небольшое травоядное. Один из его родственников, возможно, был родоначальником линии лошадей. В. Coryphodon, травоядное массивного сложения, возможно, обитавшее в болотах. Г. Barylambda, травоядное длиной около 2,5 м

Среда обитания и пища. Один за другим примитивные виды млекопитающих вымирали или в ходе эволюции становились более развитыми формами при определяющем влиянии двух главных факторов - окружающей среды и пищи. В раннем кайнозое были широко распространены леса, редколесья и саванны. В таких условиях листья деревьев и кустарников составляли основную пищу растительноядных животных, медленно передвигающихся от дерева к дереву. От врагов эти животные спасались главным образом за счет "маскировки", поскольку большинство из них не могло бегать на большие расстояния. Здесь встречались и хищники, и они также прибегали к маскировке, выслеживая добычу. Длительного преследования травоядных животных хищниками обычно не происходило.

Напротив, в степях, которые начали появляться в эоценовом периоде и все шире распространялись в остальную часть кайнозоя, травоядные могли питаться только травой и злаками. Такие млекопитающие должны были наклоняться за пищей к самой поверхности земли. Им приходилось постоянно двигаться в поисках свежей травы и воды и, таким образом, перемещаться на далекие расстояния. Им также приходилось спасаться бегством от неизбежных хищников, так как спрятаться здесь было негде. Их шансы на выживание могли увеличиться лишь за счет усиленного размножения или объединения в большие группы или стада. Перед хищниками вставала необходимость "развития" большой скорости, чтобы преследовать добычу, так как они также не могли маскироваться, выслеживая добычу.

Мы знаем, что некоторые млекопитающие всеядны. Например, современные медведи едят плоды, ягоды, муравьев и рыбу. Они могут существовать в различных условиях, обычно там, где есть реки и по крайней мере какие-нибудь деревья, поскольку у них мало врагов и скорость передвижения не имеет для них большого значения.

Мы вправе ожидать, что такие различия в условиях жизни млекопитающих и пищевом рационе существенно повлияли на их форму тела и строение. Это становится ясно, когда мы изучаем ряд ископаемых скелетов, полученных из достаточно полного геологического разреза.

Эволюция конечностей и зубов. Ископаемые скелеты, собранные в различных отложениях мезозоя, обнаруживают прогрессирующие изменения в строении, очевидно связанные со средой обитания и с тем способом питания, который был обусловлен этой средой. Млекопитающие, которые паслись в лесах и редколесьях, сохраняли примитивную, довольно плоскую стопу, которая, как мы предполагаем, была типична для мезозойских млекопитающих. У них сохранялись также неспециализированное коренные зубы, служившие для пережевывания лиственной пищи. Постепенно ноги их удлинялись, что отчасти позволяло им лучше спасаться от хищников, которые постепенно становились более опасными.

У плотоядных животных, которые охотились и выслеживали травоядных, также сначала сохранялась плоская стопа. Но понемногу их конечности приспособились к быстрому бегу на короткие расстояния. Пятка (п) у них отделилась от земли (рис. 56, Б), конечности стали длиннее и легче, и мускулы бедра образовали пучок, необходимый, чтобы обеспечить быстрый рывок в начале преследования. Хорошо развитые когти позволяли схватывать и валить добычу. Заостренные передние зубы давали возможность кусать, а сильные мышцы челюстей грызть добычу.

Рис. 56. Кости конечностей четырех различных видов млекопитающих

Конечности и зубы травоядных млекопитающих также претерпевали изменения, хотя совсем иначе. Так как пасущиеся животные должны были бегать, у них значительно увеличилась длина и бедра и стопы; мускулы стали более сильными. Пятка приподнялась так высоко, что стопа стала почти вертикально (рис. 56, В), а когти на пальцах стали длиннее и толще. Параллельно с этим произошло удлинение отдельных пальцев, так что другие перестали прикасаться к земле, постепенно уменьшились и в конце концов совсем исчезли (рис. 57). Такое изменение уменьшило вес стопы и способствовало увеличению скорости бега у травоядных млекопитающих и дальности их перемещения. Эта эволюция, происходящая более или менее одновременно у различных видов млекопитающих, может служить свидетельством определяющего влияния среды. Однако вследствие дифференциации среды изменение стопы зашло у отдельных видов млекопитающих дальше, чем у других. У свиней "действуют" четыре пальца, у носорогов - три, у верблюдов, оленей и крупного рогатого скота - два, у лошадей - один.

Рис. 57. Кости передних конечностей четырех родов ископаемых лошадей. Через 50 миллионов лет эволюционного развития число пальцев уменьшилось от четырех до одного, а общая длина конечности увеличилась почти в 12 раз

Этот процесс занял долгое время. Например, лошади, впервые появившиеся в эоцене, дошли до своего современного состояния (то есть стали иметь один палец) к раннему плиоцену, а это значит в течение почти 60 миллионов лет. Если поколения лошадей сменяются в среднем через четыре года, то этот процесс охватил 15 миллионов поколений - 15 миллионов возможностей для изменений, причем каждое поколение подвергалось воздействию среды, имевшему то же самое направление развития. Если бы мы взяли 15 миллионов лошадей, по одной от каждого поколения, и выстроили их друг за другом, начиная с небольшой эоценовой лошади и кончая крупной современной, и они проходили бы мимо нас со скоростью около 6,5 километра в час, то этот парад продолжался бы более четырех месяцев. Наблюдая эту процессию в течение часа (в любой момент из этих четырех месяцев), мы не увидели бы заметных изменений в облике животных. Но к концу процессии вместо небольших, питающихся ветками животных высотой около 30-40 сантиметров, передвигающихся, опираясь на четыре пальца, мы увидели бы лошадей, опирающихся на один палец и имеющих высоту в холке до полутора метров (рис. 58).

Рис. 58. Четыре вида лошадей, живших в различные эпохи. Eohippus и Mesohippus в действительности были еще меньше по отношению к более поздним лошадям, чем это показано на рисунке

В ископаемых скелетах степных травоядных заметны и другие эволюционные изменения. У них удлиняются челюсти, причем происходит разделение зубов на резцы, расположенные спереди, и зубы, расположенные сзади и предназначенные для жевания. Но так как степные травы содержат большое количество кремния, а кроме того растительность степи часто покрыта пылью, серьезную проблему представляло истирание коренных зубов мелкими твердыми частицами кремнезема. Ход эволюции привел к видоизменению коренных зубов. У лошадей эти зубы приобрели высокую коронку и складчатые образования эмали (рис. 59), напоминающие модель Аппалачских гор в миниатюре. Эти складки включают твердый слой эмали и прилегающий к ней более мягкий материал. При жевании пыльной травы зубы снашиваются, но эмаль стирается в последнюю очередь и образует выступы, придавая поверхности зуба шероховатость и облегчая перетирание зеленой пищи.

Рис. 59. Коренные зубы млекопитающих. А. Низкий коренной зуб нетравоядного млекопитающего. Б. Коренной зуб травоядного млекопитающего, более высокий и имеющий складчатую структуру; более мягкий материал быстрее истирается, а твердая эмаль (на рисунке показана частой штриховкой) образует небольшие выступы

В отличие от описанных случаев далеко зашедшей специализации, некоторые млекопитающие были очень слабо специализированы. Они не были ни травоядными, ни плотоядными, могли есть и действительно ели все, что попадалось. Они не оказывали четкого предпочтения ни лесу, ни степи, но жили в любом районе, где была хорошая пища в достаточном количестве, будь то насекомые, ягоды или плоды, рыба или мелкие млекопитающие. Они были искателями и скитальцами. Типичными современными примерами таких животных являются медведи, еноты, некоторые виды обезьян. Млекопитающим, ведущим такой образ жизни, не требовалось вследствие условий жизни или пищевого рациона изменять форму своих зубов и конечностей. Они навсегда сохранили примитивную плоскую стопу (рис. 56, Г) и низкие коренные зубы (рис. 59 А).

Эволюция млекопитающих на суше, в море и в воздухе

Если проследить эволюционные линии всех ископаемых млекопитающих, как мы это уже сделали с лошадьми, эти линии, разветвляясь, образуют дерево, подобное схеме развития динозавров. Схема млекопитающих значительно сложнее, но на рисунке 60 дан ее упрощенный вариант, включающий только основные ветви. Однако даже на этой упрощенной схеме видно, что большинство ветвей отделилось от главного ствола в эоцене. История эволюционных изменений основных линий слишком сложна, чтобы излагать ее полностью. Интересно, однако, рассмотреть хотя бы немногие из исчезнувших ныне видов, принадлежавших к заканчивающимся тупиком эволюционным линиям, не показанным на нашей схеме. Некоторые из них изображены на рисунке 61. С нашей точки зрения, они выглядят странно. Но было бы, однако, несправедливо считать эти виды неудачными только на том основании, что они вымерли и, поэтому их облик непривычен для нас.

Рис. 60. Эволюционные линии млекопитающих

В отличие от странных животных, показанных на этом рисунке, крупные хищники сохраняли относительную стабильность, не подвергаясь таким сильным эволюционным изменениям, как лошади. В начале кайнозоя, как было установлено, кошки подразделились на две группы - кошки, к которым относятся львы, тигры и современные домашние кошки, и саблезубые кошки более массивного сложения. У последних (фото 49) верхние клыки были длинными и уплощенными, а челюсти видоизменены таким образом, что могли широко раскрываться. Прыгая на добычу, такая кошка глубоко вонзала свои саблеобразные клыки, а затем вытаскивала их, оставляя глубокие кровоточащие раны.

Рис. 61. Некоторые млекопитающие, обладавшие приспособлениями, оказавшимися неудачными. A. Platybelodon, млекопитающее, похожее на слона, у которого рот напоминал огромный совок; им животное сгребало болотные растения. Миоцен. Б. Dinotherium размером со слона, имел загнутую книзу нижнюю челюсть с клыками. Миоцен.

Рис. 61. Некоторые млекопитающие, обладавшие приспособлениями, оказавшимися неудачными. В. Moropus, похожий на лошадь, но более крупный, - травоядное животное с короткими задними ногами. Его трехпалая стопа была снабжена когтями, возможно, служившими для выкапывания растений. Миоцен. Г. Brontotherium, травоядное длиной более 3,5 м. Олигоцен. Д. Syndyoceras, родственный оленю, но с дополнительным рогом. Миоцен. Е. Epigaulus, рогатый грызун с необычайно длинными когтями. Плиоцен

К олигоцену обе группы кошек так хорошо приспособились к своему хищному образу жизни, что с тех пор они мало менялись. Саблезубый тигр вымер немногим более 10 000 лет назад, но мы не можем считать его неудачной моделью только на том основании, что он вымер. Два или более видов его существовали на протяжении более 30 миллионов лет. И мы не можем считать, что здесь эволюция зашла в тупик. Действительно, вполне может быть, что саблезубые исчезли только потому, что человек каменного века со своими усовершенствованными орудиями охоты успешно боролся с ними за пищу.

Как мы уже видели, кайнозойские млекопитающие повторили ход развития рептилий - подобно им, они увеличивали разнообразие видов и численность и достигли господствующего положения. Как и мезозойские рептилии, они успешно проникли в водную и воздушную среду. У мелких млекопитающих, живущих на деревьях, развились крылья, состоящие из кожистой перепонки, и тем самым было положено начало эволюционной линии летучих мышей. Крыло летучей мыши сконструировано лучше, чем крыло летающей рептилии (рис. 52), но оно уступает крылу птицы по структуре, а также потому, что на нем нет перьев. Может быть, это и есть главная причина того, почему летучие мыши никогда не достигли такого успеха, как птицы.

Фото 49. Сцена времен олигоцена на территории западной части современных Соединенных Штатов; саблезубая кошка (Hoplophoneus) убивает примитивную лошадь (Mesohippus). Реконструкция

В водной среде млекопитающие также повторили путь развивающейся группы мезозойских рептилий. Не успела начаться эоценовая эпоха, как с суши в море переселились наземные хищники, превратившиеся в примитивных китов с острыми зубами. Возможно, они прошли промежуточную стадию, заходя на мелководье и охотясь на рыбу. Один из этих видов развился позднее в настоящих китов, которые разделились на несколько известных сейчас видов. Самое крупное из ныне живущих морских млекопитающих, синий кит, по длине равен самому большому из когда-либо существовавших динозавров, а по весу превосходит его более чем вдвое.

В точности так же, как это произошло у их предшественников - рептилий за 200 миллионов лет до них, у всех морских млекопитающих тело удлинилось и конечности превратились в плавники или ласты. Снова мы с поразительной ясностью видим способность среды изменять форму и строение организмов. Притягательная сила кайнозойских морей действовала не только на китов. В эоцене одно из растительноядных млекопитающих, возможно состоявшее в отдаленном родстве с предками слонов, также погрузилось в воду и присоединилось к обитателям моря, основав линию, которая привела к современным морским коровам и ламантинам. И в довершение к этому в миоцене хищник, предположительно родственный кошачьим, присоединился к прежним обитателям моря и дал линию современных тюленей.

Дальние миграции

Палеонтологическая летопись ясно свидетельствует о том, что млекопитающие неоднократно мигрировали с одного континента на другой. Мы находим один и тот же род или близкие роды на двух разобщенных массивах суши. Как могло произойти такое расселение? Пыльца растений переносится по воздуху на тысячи километров, но пылинки имеют микроскопические размеры. Насекомые заносятся ветром за сотни миль водных пространств. Семена растений могут переноситься течениями через Атлантический океан. Стволы деревьев также проплывают большие расстояния. Известны случаи, когда змеи и крокодилы (и те и другие привычны к водной среде) проплывали сотни километров между отдельными островами. Полярные медведи проходят сотни километров по поверхности морских льдов. Но все это частные случаи, которые не могут объяснить данные палеонтологической летописи, свидетельствующие о том, что десятки видов млекопитающих размерами от мыши до слона переходили с одного континента на другой.

Такие миграции нельзя объяснить с помощью гипотезы движения плит коры, при котором происходит разъединение континентов и отторжение их частей далеко друг от друга, потому что Атлантический океан существовал задолго до начала кайнозоя. Что же касается возможности переплыть морское пространство, то очень мелкие млекопитающие, возможно, и могли переплывать его на стволах деревьев, но для большинства остальных животных единственный путь с одного континента на другой (если не пользоваться целой флотилией ковчегов гораздо большего размера, чем знаменитый ковчег Ноя) - сухопутные мосты. Обратимся к карте континентов (рис. 16), на которой показаны также шельфы. На этой карте, во-первых, видны узкие перемычки суши, существующие сейчас между двумя Америками и между Европой и Африкой, и, во-вторых, мелководные участки, где при довольно незначительных изменениях уровня океана относительно суши два или более массивов суши могут оказаться соединенными (или почти соединенными цепочкой островов между ними). Примером может служить связь Евразии с Северной Америкой через Сибирь и Аляску и Евразии с Австралией через острова Малайского архипелага. Таким образом, при небольших подвижках суши или изменениях уровня моря могут возникнуть или мосты суши, или мелководья, соединяющие между собой все континенты, кроме Антарктиды (отметим, что речь идет лишь о последних 63 миллионах лет).

Мост между Аляской и Сибирью. Перемычка суши между Аляской и Сибирью может быть восстановлена, если суша поднимется или уровень моря снизится всего лишь на 45 метров, Есть основания полагать, что здесь в течение большей части кайнозоя существовал широкий мост суши. По нему происходило перемещение различных млекопитающих в обоих направлениях. Вот почему среди ископаемых млекопитающих Америки и Евразии так много близких форм и почему некоторые из них почти совершенно идентичны. Мы, конечно, не можем считать, что эти млекопитающие обладали таким "интеллектом", что могли "запланировать" и осуществить это длинное путешествие в одну сторону. Они просто перемещались в направлении, где была хорошая, удовлетворявшая их пища и где было не слишком много конкурентов, претендующих на нее. Паразитирующие насекомые переселялись вместе с травоядными животными, а крупные кошки и другие плотоядные играли роль убийц и грабителей на большой дороге.

Две Америки. Иной была история Панамского перешейка, соединяющего сейчас две Америки; она также оказала сильное влияние на развитие млекопитающих в кайнозое. В палеоцене и раннем эоцене перешеек был сушей. Это позволило некоторому количеству очень примитивных, неспециализированных видов просочиться на южный континент. Затем позднее, в эоцене, связь между континентами была прервана в результате опускания перешейка под воду; он оставался погруженным в течение почти 50 миллионов лет, до конца плиоцена. В течение этого времени примитивные млекопитающие (фото 50), в том числе сумчатые, перекочевавшие в Южную Америку до того, как прервалось сообщение между континентами, медленно развивались, защищенные от вторжения более развитых видов из других мест. Но когда мост был восстановлен, огромное количество развитых, современных млекопитающих (включая крупную кошку, называемую ягуаром) нахлынуло сюда с севера и стало конкурировать с более примитивными коренными обитателями. Один за другим местные виды исчезали, и у нас есть основания полагать, что своей печальной участью они были в значительной степени обязаны также первобытному человеку.

Фото 50. Необычайные южноамериканские млекопитающие, обитавшие на территории Аргентины в плейстоцене. Слева - наземные ленивцы, справа - глиптодонты (гигантские броненосцы) с панцирем, как у черепах. Реконструкция

Как и на мосту, соединявшем Аляску и Сибирь, движение с одного американского континента на другой происходило по двум направлениям, но поток, направленный на север, был не столь уж велик. В Северную Америку проникли броненосцы, наземные ленивцы и глиптодонты (гигантские броненосцы), причем первые из них до сих пор обитают в Техасе.

Сумчатые Австралии. Каждый знает кенгуру - этот национальный символ Австралии. Фактически, как и все другие млекопитающие Австралии, кенгуру относятся к сумчатым млекопитающим. Благодаря своему примитивному строению они не могут конкурировать с плацентарными млекопитающими, и, если бы последние смогли появиться в Австралии в большом количестве, они, вероятно, давным-давно вытеснили бы сумчатых. В Северной Америке, где сумчатые и плацентарные одно время конкурировали между собой, все процветавшие ранее сумчатые исчезли, за исключением представителей одной ветви, которая привела к опоссуму, единственному сохранившемуся здесь до сих пор сумчатому.

В Австралии сумчатые жили гораздо лучше, и причиной этого была слабая конкуренция со стороны других наземных животных. Среди современных животных Австралии, помимо сумчатых, встречается только два вида однопроходных, несколько плацентарных грызунов, похожих на крыс, летучие мыши, мелкие рептилии и амфибии. Почти полное отсутствие плацентарных млекопитающих среди местной фауны лучше всего объясняется изложенной ниже гипотезой, которая хотя и не доказана, но очень правдоподобна. На карте (рис. 16) можно видеть, что между Австралией и соседней с ней Азией существует обширное мелководье, на котором так много островов, что проливы между ними нешироки. Предполагается, что в самом конце мелового периода или в начале палеоцена примитивные сумчатые попали в Австралию, "прыгая" с острова на остров, то есть отдельные особи так или иначе случайно преодолевали узкие проливы между островами. Они заселяли один остров, затем происходило новое случайное переселение, и так продолжалось до тех пор, пока сумчатые не достигли Австралии. В течение 20 или 30 миллионов лет ряд таких происшествий должен был произойти неизбежно.

Если мы примем предположение, что австралийские сумчатые произошли от этих путешественников, перебиравшихся с острова на остров, мы должны принять также и гипотезу, что плацентарные млекопитающие могли осуществить это так же, как и сумчатые, если не лучше. Возможно, что, когда Австралия в какой-то момент до начала мелового периода отделилась от предположительно существовавшего тогда древнего большого континента, показанного на рисунке 27, и стала перемещаться к северу вместе с плитой земной коры, на ней уже жили ранние формы сумчатых. Плацентарные млекопитающие в это время еще не появились.

Но какое бы объяснение мы ни приняли, результат остается одним: сумчатые в Австралии были изолированы. Поэтому их развитие могло идти различными путями, избегая губительной конкуренции со стороны более удачливых плацентарных млекопитающих. Развитие сумчатых в основном заключалось в приспособлении к различным типам природной среды, встречающимся в пределах обширного австралийского континента. В пределах каждого типа среды сумчатые приобретали такие формы, которые были лучше приспособлены к данному образу жизни, - формы, напоминающие плацентарных млекопитающих, живущих в подобных условиях. Так, например, в число современных сумчатых входят вомбат, бандикут, сумчатая летяга, сумчатый (тасманийский) волк и сумчатая мышь. Эти животные могут быть сопоставлены соответственно с плацентарными североамериканским сурком, кроликом, белкой-летягой, волком и мышью. Эти сопоставления еще раз показывают сильное влияние условий окружающей среды на ход эволюции; форма тела животного и его способности вырабатываются в соответствии с образом жизни, обусловленным внешними условиями, вне зависимости от того, каким был исходный материал эволюции.

Позднее, уже в кайнозое, появились плацентарные животные, напоминающие крыс, а за ними летучие мыши и змеи. Летучие мыши легко могли быть занесены с ветром во время штормов; остальные могли приплыть на стволах деревьев. Они не представляли сколько-нибудь серьезной угрозы с точки зрения борьбы за существование и, как кажется, не повлияли сколько-нибудь существенно на развитие сумчатых. Жизни сумчатых ничто не угрожало до тех пор, пока сравнительно недавно не появился человек - охотник, и с ним другой охотник - собака. Прибытие европейцев в Австралию имело катастрофические последствия. Сейчас сумчатые один за другим исчезают.

На примере одного из животных, которых завез человек, - кролика (плацентарного) - можно видеть, как происходит расселение новых видов животных на свободной территории. В 1859 г. из Англии в Австралию были завезены две дюжины кроликов. В течение следующих 69 лет потомство этих кроликов распространилось почти по всей Австралии. На площади, составляющей приблизительно 1/3 всей страны, в 1928 г. был сделан подсчет, показавший, что кроликов здесь приблизительно полмиллиарда. Эта цифра помогает понять, как шло расселение рептилий в мезозое.

Заключение. Таким образом, расселение наземных животных во всем мире очень близко к тому, какое должно было бы быть, если бы существовали перемычки суши или цепочки островов между северными континентами и не существовало никаких мостов, по крайней мере в кайнозое, к югу от Австралии или Южной Америки. Эти два континента представляли собой тупики, потому что на них обитают в основном животные, принадлежащие к тупиковым линиям эволюции. Временами, на протяжении 50 миллионов лет или более, на них попадали млекопитающие, но дальше они двигаться не могли. Мостов суши, соединявших их с Антарктидой, не существовало. Благодаря отдаленности и низким температурам антарктического континента животные попадали сюда только изредка и случайно. Даже сейчас высшие животные представлены там только тюленями и пингвинами; и те и другие могли попасть сюда и без всяких мостов.

Значение истории млекопитающих

Кайнозойская история млекопитающих далеко не такая длинная, как история мезозойских рептилий, но для нас она гораздо важнее. Она прослежена на основе гораздо большего количества ископаемых и представляет более разнообразные виды животных. География и природные условия кайнозоя гораздо ближе к современным, чем мезозойские. Таким образом, нам более знакома обстановка, в которой развивались события. Наконец, млекопитающие принадлежат к той же группе, что и мы сами, и потому представляют для нас большой интерес. В развитии млекопитающих мы более ясно видим возникновение особенностей строения и функций, которые существуют и в нашем теле.

В этой главе мы не останавливались на структурных и функциональных особенностях организмов; мы даже не упомянули приматов, особую группу, к которой принадлежим и мы сами, ограничившись указанием ее места в общей системе на рисунке 60. Приматы для нас настолько важны, что они заслуживают особого рассмотрения. После того как мы рассмотрим природные условия позднего кайнозоя и климатическую обстат новку, создавшую эти условия, мы обратимся в главе восемнадцатой к приматам и посмотрим, к чему они пришли в результате своего развития.

Литература

Fentоn С. L., Fеntоn M. A., The fossil book: Doubleday and Co.. Inc. Garden City. N. J.. p. 375-435.

Rоmer A. S., 1959, The vertebrate story: University ot Chicago Press, p. 219-308.

Scott W. В., 1937. History of the land mammals in the western hemisphere: The Macmilan Co., New York.

Глава шестнадцатая. Оледенения

Изменение климата в кайнозое

В кайнозойской эре млекопитающие начали подвергаться воздействию особого фактора, не существовавшего, насколько нам известно, в меловое время. Этот фактор - похолодание климата. Поэтому к отмеченным изменениям, которым подверглись континенты в течение кайнозойской эры, мы должны добавить еще одно - изменение преобладающего климата. Массивы суши стали холоднее. Наиболее сильным было охлаждение полярных районов, самым слабым - экваториальных, но так или иначе оно проявилось повсюду. Влияние этого похолодания распространялось широко и сказывалось не только на млекопитающих, но и на других организмах. Начнем с обзора данных, на которых основан наш вывод об изменении температур, происходившем с начала кайнозоя.

Свидетельства изменения климата. В первую очередь следует отметить три группы фактов.

1. При бурении в глубоководных областях океана в слоях тонкообломочных кайнозойских отложений найдены ископаемые раковины микроскопических беспозвоночных. В некоторых слоях встречены раковины животных, обитающих в холодной воде; выше и ниже залегают слои, содержащие раковины животных, характерных для более теплой воды.

2. В некоторых слоях тонкообломочных отложений, слагающих дно в глубоководных областях океана вокруг Антарктиды, встречены зерна кварцевого песка, несущие на поверхности следы ледниковой обработки. Эти зерна, вероятно, заносились в море с айсбергами, из которых по мере таяния песчаный материал опускался на дно моря. Песчинки такого типа встречены в донных отложениях начиная с эоцена, что указывает на существование ледников в Антарктиде уже в это время. Эти песчинки встречаются в тех же слоях, к которым приурочены ископаемые раковины холодноводных беспозвоночных.

3. В некоторых слоях кайнозойских отложений на континентах найдены ископаемые листья растений, произраставших в холодном климате. Ископаемые растения, характерные для более теплых климатов, найдены в слоях, залегающих и выше, и ниже.

Таким образом, существует три вида данных, различных, но свидетельствующих об одном и том же: понижении температур в кайнозое, наиболее сильно проявившемся в высоких широтах южного полушария. По этим и некоторым другим данным была построена кривая (рис. 62), которая показывает повышения и понижения температуры в течение кайнозойской эры. За исключением ее крайней правой части, кривая построена исключительно на основе перечисленной выше информации. Кривая показывает также, что изменения температур были медленными и постепенными, но отнюдь не постоянными.

Рис. 62. Предполагаемая схема колебаний температур на земной поверхности в течение всего кайнозоя до наших дней. Кривая неточна, так как дана в обобщенном виде для всей Земли. На ней показаны главные эпохи повышения и понижения температур. Более полная информация, возможно, позволила бы выделить множество мелких колебаний, наложенных на крупные, показанные на кривой

Колебания климата: ледниковые эпохи. Изменение климата не было постоянным. Температуры снова и снова колебались, от более теплых к более холодным, и снова к теплым. Похолодание проявилось сначала в Антарктике, затем на Аляске и других районах Крайнего Севера. Но средние широты похолодание захватило лишь около двух миллионов лет назад, и когда это произошло, эффект похолодания был очень сильным и очевидным. В этих широтах происходило накопление снега и образование огромных мощных ледников, покрывших большую часть Северной Америки и северную часть Европы. Сравнительно недавние эпохи, когда огромные покровы льда надвигались на области средних широт, представляют собой то, что мы привыкли называть ледниковыми эпохами; так они и названы на рисунке 62. И все же, строго говоря, в таких районах, как Антарктика и Аляска, подобные ледниковые эпохи имели место на много миллионов лет раньше, чем показано на рисунке. Эти древние ледниковые эпохи гораздо менее известны; они были установлены только в 60-х годах нашего века, и еще не ясно, как изменить определение термина "ледниковая эпоха" так, чтобы оно включало и эти древние события. Однако гораздо важнее то, что в пределах одного только четвертичного периода было несколько ледниковых эпох, возможно даже больше, чем схематически показано извилистой кривой на нашей схеме.

Последняя ледниковая эпоха. Последняя ледниковая эпоха была сравнительно недавно. Она достигла своей наивысшей точки только 20 000 лет назад, когда мощный ледниковый покров, огромный ледник, занял почти всю Канаду и большую часть США; край его заходил далеко на юг от районов теперешних городов Нью-Йорк, Чикаго, Сиэтл. Другой ледник охватил территорию Европы, распространившись к югу до мест, где сейчас находятся города Копенгаген, Берлин и Ленинград. Общая площадь ледников, покрывавших Северную Америку и Европу, превышала 23 миллиона км^2, а толщина льда была более полутора километров, так что лед полностью скрывал под собой почти все горы, расположенные на занятой льдом территории. Таким образом, объем ледников, вероятно, мог достигать 37 миллионов км^3 льда. Сейчас же общий объем ледников в Соединенных Штатах (за исключением Аляски) менее 83 км^3. В настоящее время льды существуют в виде тысячи мелких горных ледничков, большей частью расположенных в штатах Вашингтон и Орегон. В Канаде ныне объем льда гораздо больше, предположительно около 41 000 км^3, потому что Канада частично находится в холодных арктических областях и лед там дольше не тает. Но даже и 41000 км^3 - это лишь ничтожная доля того объема ледяного покрова, который существовал в Канаде 20 000 лет назад.

Когда мы думаем о том поразительном количестве льда, которое так недавно покрывало земную поверхность, у нас возникают два основных вопроса. Во-первых, была ли ледниковая эпоха исключительным явлением, свойственным только кайнозойской эре? И во-вторых, каковы причины возникновения ледниковых эпох? Постараемся ответить на эти вопросы.

Древние ледниковые эпохи. Итак, во-первых, происходили ли оледенения в более ранние геологические периоды, задолго до начала кайнозойской эры? Конечно, да. Доказательства этого неполны, но они вполне определенны, и некоторые из этих свидетельств распространяются на большие площади. Доказательства существования пермской ледниковой эпохи присутствуют на нескольких континентах (не исключено, что в то время эти континенты были частью одного массива суши), и кроме того, на континентах обнаружены следы ледников, относящиеся к другим эпохам палеозойской эры вплоть до ее начала, ранне-кембрийского времени. Даже в гораздо более древних породах, образовавшихся до начала фанерозоя, мы находим следы, оставленные ледниками, и ледниковые отложения. Возраст некоторых из этих следов составляет более двух миллиардов лет, то есть, возможно, составляет половину возраста Земли как планеты. А можно ли утверждать, что не существовало еще более древних, еще до сих пор не открытых ледниковых эпох?

Во всяком случае, даже рассматривая только известные нам оледенения, происходившие на протяжении более двух миллиардов лет, мы должны признать, что они не противоречат принципу актуализма, согласно которому - в применении к геологическим процессам - нет ничего нового под Солнцем. Поэтому ледниковые события, происходившие 20 000 лет назад, - или современное оледенение Антарктиды - всего лишь повторение таких же событий, которые в той или иной форме неоднократно повторялись с тех пор, как существует Земля.

Таков ответ на первый из двух вопросов. Оледенение - это не более необычное событие, чем возникновение огромной горной цепи, - и то и другое повторяется всякий раз,-как создаются соответствующие условия. Этот ответ позволяет легче разобраться во втором вопросе - почему происходят оледенения? Все, что от нас требуется - это определить "соответствующие условия" и затем понять, что же происходит, когда эти условия возникают.

Отчего бывают оледенения?

Основные условия. Ответ на этот вопрос может быть дан только в свете некоторых общих сведений о ледниках. Во многих районах средних широт, как, например, Соединенные Штаты и Европа, часть атмосферных осадков выпадает в виде снега. Даже в высоких горах снегопады происходят в основном зимой. Если зимние температуры достаточно низки, снег остается лежать на земле, но при наступлении весны и лета он тает. Однако в очень высоких горах, как, например, в северной части Скалистых гор, температуры даже летом настолько низки, что отдельные пятна снежного покрова сохраняются в течение всего лета и на следующую зиму покрываются свежевыпавшим снегом. Накапливаясь таким образом год за годом, снег на горном склоне уплотняется и подвергается воздействию силы тяжести, направленной вниз. Это воздействие заставляет его сползать вниз по склону. В процессе этого сползания спрессованный снег становится ледником. Если снегопады достаточно обильны, а температура настолько низка, что снег не тает, ледник может принять языковидную форму и продолжать увеличиваться в длину, перемещаясь вниз по горной долине, подобно водному потоку, но, конечно, гораздо медленнее.

Сотни крупных лопастеобразных языков льда, расположенных рядом друг с другом, можно видеть в горах, например в Альпах. Ледники в смежных долинах сливаются между собой, когда одна долина впадает в другую. У подножия гор весь лед, медленно движущийся вниз по долинам, сливается, распространяясь в виде единого непрерывного ледяного покрова. Что может помешать льду распространяться до бесконечности? Только одно, но очень существенное обстоятельство - таяние. При спуске с гор или переходе в более низкие широты повышается температура. И рано или поздно температура на внешнем крае движущегося ледника повышается настолько - именно настолько, - что весь лед, который приносится сюда в виде медленно движущегося ледяного потока, тает. С этого момента край ледника не может продвинуться дальше. Правда, лед продолжает двигаться, но весь поступающий лед тает по мере поступления и превращается в потоки талых вод.

Таковы условия существования языковидных ледников, которые обычно видят туристы в Альпах, Скалистых горах Канады и других горных районах. Такие ледники занимают горные долины, а положение их нижних концов определяется соотношением скорости течения льда и скорости таяния. При существующих ныне климатах ледники не могут существенно меняться. Но стоит температуре на поверхности Земли хоть немного понизиться, и все они начнут увеличиваться в длину. Если температура в достаточной степени понизится, повторится ледниковая эпоха, когда половина территории Северной Америки была непригодна для обитания человека и большинства животных.

Смысл сказанного сводится к тому, что ледниковая эпоха - это закономерный результат снижения температуры (Непосредственная причина оледенения значительно сложнее - она заключается в увеличении количества твердых осадков, накопленных на суше, что в свою очередь может зависеть от двух различных причин: и понижения температуры, уменьшающей таяние, и повышения температуры (воздух становится влажнее, осадки увеличиваются). - Прим. ред) на Земле всего на несколько градусов. Загадочно в оледенениях не то, откуда берется снег и лед, загадочна причина снижения температуры. Пока сохраняется незыблемым принцип актуализма и пока продолжается круговорот воды в природе, в наиболее холодных местах планеты всегда будут существовать снег и лед. Ледниковая эпоха начинается только тогда, когда температура падает настолько, что на обширных территориях осадки выпадают в виде снега, лето становится прохладным и таяние льда уменьшается.

Это равновесие очень неустойчиво. И сейчас мы не так далеки от оледенения, как это многим кажется. Данные расчетов, основанные на многолетних наблюдениях погоды в горах южной Норвегии, в районе лыжных курортов между Осло и Бергеном, показывают, что снижения средней годовой температуры всего лишь на 3°С в течение длительного периода будет достаточно, чтобы вызвать такие изменения ледников, что в результате начнется новое оледенение Европы. И действительно, большая часть льда, распространившегося в северо-западной части Европы до максимальных пределов около 20 000 лет назад, имела своим источником снегопады именно в этих горах южной Норвегии. Конечно, к этому добавлялся снег, выпадавший на гораздо более обширной площади самого ледника, и, однажды начавшись, оледенение разрасталось, как снежный ком, катящийся по склону.

Совершенно ясно, что состояние ледника зависит в основном от климата. Там, где температуры достаточно высоки, ледников нет. Там, где температуры низки, ледники образуются, но границей их распространения служит линия, где приток льда уравновешивается таянием. Отсюда следует, что ледниковая эпоха, когда ледники велики и многочисленны, является эпохой низких температур и, следовательно, временем, когда выпадение осадков происходит в виде снега. Естественным результатом этого является смещение линии равновесия притока и таяния льда в более низкие широты, так что льды покрывают обширные площади. После достижения "пика" оледенения по мере повышения температур критическая линия смещается обратно в высокие широты, ледники сокращаются и ледниковая эпоха приходит к концу.

К настоящему моменту пик последней ледниковой эпохи остался далеко позади - 20 000 лет назад. Большая часть льдов, достигавших 20 000 лет назад объема более 23 миллионов км^3, растаяла, и талые воды стекли в море. Но даже в настоящее время, через 20 000 лет после момента наибольшего похолодания, лед сохраняется там, где большие высоты или холодный климат препятствуют его таянию. Даже сейчас все еще существует более тысячи ледников в Соединенных Штатах (не считая Аляски) и более 1200 в Альпах. В Гренландии до сих пор существует один большой ледник [ледниковый щит. - Ред.], покрывающий большую часть острова и имеющий 2400 километров в длину и 800 километров в ширину. Объем ледника Гренландии, представляющего самый большой ледяной массив северного полушария, достигает 3,3 миллиона км^3. Весь этот лед образовался в результате того, что когда-то в прошлом здесь выпал снег и до сих пор не растаял.

Обращаясь к южному полушарию, мы видим в самом центре его, как раз вокруг Южного полюса, материк Антарктиду. По сравнению с размерами ледникового покрова этого материка огромная глыба ледника Гренландии кажется ничтожной. Его объем более 20 миллионов км^3 (Объем льда Антарктиды - 24 миллиона км3, Гренландии - 1 миллион км3. - Прим. ред), что составляет более 90% всего льда на Земле и более 75% общих запасов пресной воды как в жидком, так и в твердом виде. Антарктический ледниковый покров занимает почти весь континент, и его площадь почти на 1/3 больше всей площади Соединенных Штатов, включая Аляску. Поэтому справедливо будет считать, что в Антарктиде в отличие от Северной Америки ледниковая эпоха не кончилась. Лед до сих пор почти полностью покрывает этот континент, хотя возможно, что его площадь 20 000 лет назад была еще больше. В Северной Америке оледенение было несколько раз, ледник приходил и уходил, однако, насколько мы можем судить, в течение по крайней мере последних 10 миллионов лет Антарктида была непрерывно покрыта льдами. Ледниковый покров увеличивался или уменьшался в объеме при колебаниях климата, но, вероятно, полностью не исчезал в отличие от ледниковых покровов Северной Америки и Европы. Причина этого различия очевидна, поскольку Антарктида - это самый высокий континент, обладающий наибольшими средними высотными отметками поверхности. Еще более важным обстоятельством является то, что она расположена на Южном полюсе, где постоянно очень низкие температуры. Все осадки выпадают здесь в виде снега и не тают. Поэтому однажды образовавшийся лед сохраняется не только в течение всего года, но и в течение миллионов лет. Он сползает вниз к внешнему краю покрытого им континента, как огромная масса теста на сковороде. При достижении льдом берега, когда он спускался в океан, от него отламывались глыбы, образующие большие плосковерхие айсберги. Несколько измеренных айсбергов оказались огромными. Один айсберг по величине в два раза превосходил площадь штата Коннектикут. Превратившись в плавающий в море айсберг, лед постепенно тает, но движение льда по поверхности континента в направлении к морю происходит непрерывно.

Пульсация. Суммируя основные условия, необходимые для возникновения ледников, заметим, что для этого нужно только, чтобы суша располагалась на достаточных высотах или в достаточно высоких широтах, обеспечивающих настолько низкие температуры, что снег там не тает в течение всего года. Как мы видели, возвышенности образуются при движении плит коры и столкновении континентов. Время от времени при этом образуются высокие горы, но такие движения происходят очень медленно. Измеренная скорость движений плит коры составляет величины порядка нескольких сантиметров в год. Если бы движения плит и образование новых гор были бы единственными причинами оледенений, то оледенение не могло бы (как это было в действительности) закончиться на протяжении всего лишь 20 000 лет или менее того. Если бы все объяснялось движениями плит коры, то ничто не помешало бы однажды образовавшемуся и распространившемуся на большей части континента леднику сохраняться в течение миллионов лет до тех пор, пока горы не будут постепенно снижены эрозией или пока континент, плавающий вместе с плитой коры, не будет медленно перенесен в более теплые широты, где покров льда мог бы таять.

Оледенения, по крайней мере те из них, которые происходили в средних широтах, начинались и кончались гораздо быстрее, чем это могло бы быть, если бы причиной их был медленный и негибкий процесс движения континентов. Изменения происходили в течение не миллионов, а всего лишь тысяч лет. Благодаря многочисленным радиоуглеродным датировкам стало возможным построить приблизительную, но достаточно надежную хронологическую шкалу, воспроизводящую ход стаивания огромной массы льда, занимавшей большую часть Северной Америки только 20 000 лет назад. Процесс разрушения ледника начался приблизительно 15 000 лет назад и закончился около 6000 лет назад. Иначе говоря, таяние всего этого огромного ледяного покрова заняло всего около 9000 лет (рис. 63). При этом около 37 миллионов км^3 льда было превращено в воду, которая стекла в ближайшие реки и через них в океан.

Мало того, что этот процесс продолжался всего 9000 лет, но на начальных стадиях ход его несколько раз прерывался периодами, когда толщина льда увеличивалась и он снова наступал, а затем снова начиналось его сокращение. Такие периоды в Европе, Северной Америке и Новой Зеландии наступали примерно в одно время. Отсюда очевиден вывод, что существует другая причина климатических изменений, которая действует быстро и проявляется одновременно во всем мире и не зависит от горообразования и движения плит коры Земли.

Рис. 63. Схема таяния ледникол Северной Америки в конце последней ледниковой эпохи (главным образом по данным Геологической службы Канады). А. Северная Америка 20 000-15 000 лет назад

Рис. 63. Схема таяния ледникол Северной Америки в конце последней ледниковой эпохи (главным образом по данным Геологической службы Канады). Б. Около 12 000-10 000 лет назад

Рис. 63. Схема таяния ледникол Северной Америки в конце последней ледниковой эпохи (главным образом по данным Геологической службы Канады). В. Около 9000 лет назад

Рис. 63. Схема таяния ледникол Северной Америки в конце последней ледниковой эпохи (главным образом по данным Геологической службы Канады). Г. Около 7000 лет назад

Было сделано много попыток установить эту причину и предложено несколько гипотез, но ни одна из них не является общепринятой среди ученых, изучающих эту проблему. Нам придется довольствоваться одной гипотезой, которая объясняет факты, хотя сама еще не доказана. Эта теория предполагает, что количество тепловой энергии, которую Земля получает от Солнца, изменяется, медленно пульсируя, в результате чего температуры постоянно колеблются в небольших пределах. Идея достаточно проста, но мы еще не располагаем средствами доказать ее правильность или ошибочность. Приняв за неимением лучшей данную гипотезу, мы сможем утверждать, что во время преобладания низменностей и обширных морей (скажем, в меловой период) на Земле могли существовать лишь очень немногочисленцые ледники (или их совсем не было), и, следовательно, предполагаемые медленные пульсации тепловой энергии, поступающей на поверхность Земли, могли оказывать лишь слабое воздействие на климат. Но в то время (предположим, в кайнозойское), когда существовали возвышенности и многочисленные горные области, а значительная часть площади континентов находилась в довольно высоких широтах, на возвышенностях могло существовать много ледников. В таком случае пульсация, которая хотя бы немного понижала температуру, могла привести к катастрофическому увеличению площади ледников. И наоборот, небольшое увеличение температуры могло иметь противоположный, но в такой же степени катастрофический результат. Большего мы пока сказать не можем.

Воздействие ледников на поверхность Земли

Ледниковая эрозия. Составление карты древних ледников возможно главным образом потому, что движущийся лед оставляет заметные следы на поверхности, по которой он движется. Лед выскабливает, полирует и различными другими способами разрушает поверхность, а затем он отлагает продукты разрушения горных пород. В результате часто можно видеть, как на эродированной ледником поверхности, отделенные от нее резкой границей, залегают рыхлыe продукты-отложения ледника. Как скальная поверхность, так и залегающие на ней отложения несут отчетливые, в большинстве случаев легко распознаваемые следы прежнего присутствия ледника.

Обломки породы различного размера, подхваченные движущимся льдом, вмерзают в нижнюю поверхность льда и, как частицы песка на наждачной бумаге, скребут и царапают скальную поверхность, оставляя на ложе ледника множество прерывистых борозд и царапин (фото 51), которые совершенно не похожи на следы, оставленные водными потоками. Местами целые глыбы породы отделяются по трещинам от коренного ложа и уносятся ледником, увеличивая собой количество обломков, вмерзших в подошву ледника.

Фото 51. Ледниковые штрихи и царапины на поверхности песчаников. Обломки оставлены ледником, который двигался в направлении от фотокамеры

Ледниковая аккумуляция. Обломки пород, включенные в лед, разносятся им и отлагаются вдоль пути движения ледника, образуя слой отложений, который местами, ближе к краю ледника, может достигать значительной мощности. Так как лед - это твердое тело, отложение обломков льдом происходит совсем не так, как рекой. В реке отложение частиц происходит в соответствии с их размерами. Отложение же обломочного материала в основании ледника происходит в таком же порядке, как и при переносе, то есть без всякой сортировки, грубые частицы вперемешку с тонкими, валуны рядом с илистыми частицами (фото 52). Образовавшиеся отложения часто выглядят как груда грунта, которую сгреб бульдозер. Кроме того, в отличие от окатанных речных галек, которые поток переворачивает и окатывает, обломки породы в ледниковых отложениях сохраняют неправильную форму и имеют плоские грани, образующиеся при трении о скальную поверхность обломка, вмерзшего в основание ледника (фото 53).

Фото 52. Обломочные отложения времени последнего оледенения, состоящие из неокатанных обломков горных пород различного размера, несортированных и неслоистых. Эти признаки отличают их от водных отложений. Рукоятка ледоруба имеет длину 45 см. Северный склон горы Рейнир, штат Вашингтон

В некоторых местах вдоль внешнего края ледника и вблизи него отлагающиеся обломки перемещаются водой при таянии ледника. В таких местах этот материал теряет типично ледниковый характер и приобретает сортировку и слоистость в результате переработки текучими водами. При этом серии слоистых отложений беспорядочно перемежаются с толщами неслоистого материала.

Фото 53. Шесть галек, произвольно выбранных из ледниковых отложений на территории штата Нью-Йорк. У каждой гальки есть одна или несколько плоских граней, оглаженных ледником

Но независимо от того, есть ли в них слоистый материал или нет, в целом ледниковые отложения имеют тенденцию образовывать большие или малые гряды, расположенные вдоль края ледника. Такая гряда представляет собой конечную морену, характерную форму, создаваемую оледенением. В некоторых районах наблюдается несколько морен, расположенных одна за другой, каждая из которых фиксирует положение края ледника во время ее отложения.

Потоки талых вод, вытекающих из-под края ледника, отмеченного конечной мореной, отлагали в своих долинах гальку и песок, отсортированные и слоистые, как настоящие речные отложения. Некоторые из этих отложений достигают 30 метров мощности или даже больше, а в ширину распространяются на всю ширину долины. Ледниковое происхождение имеют многие пес-чано-галечные отложения вдоль долин рек Огайо или Миссисипи, прослеживающиеся по долине Миссисипи до самой дельты. И все же, несмотря на большой объем этих отложений, даже если мы прибавим к ним ледниковые отложения, распространенные в границах оледенения, далее к северу, общая мощность слоя продуктов выветривания и коренных пород, удаленных огромными ледниковыми покровами, покрывавшими когда-то Северную Америку и Европу, оказывается на удивление мала. Точно мы не знаем, но можем предполагать, что в среднем толщина этого слоя, вероятно, не более 7,5 метра.

Озерные впадины. Более явным результатом влияния ледника, и в частности великих ледниковых покровов, на рельеф было образование больших и малых впадин, многие из которых заполнились водой и стали озерами. На любой хорошей крупномасштабной карте Канады, Соединенных Штатов или Северной Европы можно видеть, что большинство озер сосредоточено в районах древнего оледенения. В одной только Северной Америке число озер исчисляется сотнями тысяч.

Впадины создаются ледником несколькими способами. Одни образуются в результате частичного удаления движущимся льдом трещиноватых коренных пород. Другие представляют собой понижения неровной поверхности ледниковых отложений. Третьи представляют собой речные долины, подпруженные ледниковыми отложениями. (Такое происхождение, по крайней мере частично, имеют Великие озера Америки.) Множество мелких впадин образовалось в результате вытаивания глыб льда размером от нескольких метров до десятков километров в поперечнике, которые были погребены под ледниковыми отложениями. Когда такая глыба вытаивает, образуется впадина, в которую проседают залегавшие ранее на льду отложения. Среди многих тысяч озер штата Миннесота многие именно такого происхождения.

Более слабые колебания климата

Климат после 1800 г. Данные измерений температур, производившихся правительственными учреждениями в большинстве стран, показывают изменения температур с начала XIX в. В самом общем виде эти изменения приведены на кривой рисунка 64. Она свидетельствует о том, что за последние сто лет средние годовые температуры увеличивались более чем на полградуса Цельсия, причем это увеличение шло неравномерно. Оно затронуло большую часть планеты, как тропические, так и высокие широты, как северное, так и южное полушарие. Затем, после 1940 г., начался период похолодания. Температуры понизились, и к 1970 г. достигли того уровня, который наблюдался около 1920 г. Таким образом, устанавливается тот факт, что климаты Земли не являются чем-то постоянным и неизменным, но подвергаются существенным изменениям. Теплые зимы и жаркие летние сезоны, отмечавшиеся в 30-х годах двадцатого века на западе США, представляются частью общего потепления климата, проявлявшегося в широких масштабах.

Не удивительно, что летопись колебаний размеров небольших ледников в горах Северной Америки и в Альпах обнаруживает сходство с температурной кривой (рис. 64). Измерения, проведенные на одних и тех же ледниках в течение ряда лет, показывают, что в промежутке между концом XIX в. и серединой XX в. многие ледники в целом сократились. Но приблизительно с 1950 г. некоторые ледники снова начали увеличиваться. Их режим отражает изменение тенденции, которое устанавливается по температурной кривой, но пока еще прошло слишком мало времени, чтобы можно было судить, изменилось ли направление развития ледников.

Рис. 64. Кривая колебаний температур (средних для периодов в пять лет)

Климат за последнюю 1000 лет. Измерения температур с помощью термометра начали производиться лишь незадолго до начала XVIII в., но общее представление о колебаниях температуры в широких масштабах в Европе, а также в Японии за последнюю тысячу лет можно получить, используя различные косвенные методы. Различные данные показывают, что приблизительно с XI по XIII в. климат был теплее, чем когда-либо с тех пор. Это был "период викингов" - время, когда лето было настолько теплым и сухим и когда северные моря были настолько свободны от плавучих льдов, что норвежцы могли повсюду плавать в небольших лодках. Они даже основали на юге Гренландии колонии с населением в 3000 человек или несколько больше, торговавшие с Европой продуктами сельского хозяйства. Однако приблизительно после 1500 г. торговля прекратилась и сообщение с Европой почти прервалось. Колонии оказались изолированными, и в XVIII в. прибывший туда корабль не обнаружил потомков поселенцев этой некогда процветавшей колонии.

Проведенные в XX в. археологические исследования ста погребений на кладбище одной из колоний помогли восстановить часть позднейшей истории колонии. Грунт в месте захоронений был мерзлым, как это наблюдается сейчас в большинстве арктических районов, хотя очевидно, что в то время, когда производилось погребение, он не был мерзлым. Останки принадлежали молодым людям, что указывает на малую продолжительность жизни, небольшого роста, что в сочетании с деформацией скелетов и необычно сильно разрушенными зубами предполагает плохое питание. Вполне вероятно, что эти люди умирали от болезней, голода и других причин, явившихся результатом длительного постепенного ухудшения климата.

После "периода викингов" и до XVII в. повсеместно в Европе ощущалось общее снижение температуры. В Норвегии и в Альпах жители горных селений были вынуждены отступить перед надвигавшимися ледниками. Снизилась постепенно и нижняя граница древесной растительности в Альпах, перестали давать урожаи и были заброшены виноградники в горах Германии. Зимы стали длиннее и холоднее. Каждый, кто внимательно рассматривал голландские пейзажи XVII в., помнит, что многие из них изображают зимние сцены, где люди катаются на коньках по замерзшим каналам. В наше время такое встретишь не часто.

Суммируя вышесказанное, можно отметить, что летопись изменений климата за последнюю тысячу лет включает как ранний "период викингов", который был теплее современного, так и позднейший холодный период, который был холоднее современного. Потепление, отмечавшееся в начале настоящего столетия, ознаменовало конец этого очень холодного периода. В целом приведенные данные подтверждают изменчивость климатов.

Последние 10 000 лет. В Швеции, Финляндии и других северных странах растительность распределена в виде ясно выраженных зон, которые в основном определяются температурой (вспомним рис. 35). Территория этих стран испещрена озерными впадинами, созданными великими ледниками прошлого, как было описано выше. Возраст почти всех впадин моложе 15 000 лет, а многих моложе 10 000 лет (рис. 63). Некоторые озера целиком заполнились отложениями, преимущественно остатками растений в виде торфа, и превратились в болота. Другие, хотя все еще остаются озерами, постепенно заполняются торфом. Отложения включают не только стебли и листья растений, но также большое количество пыльцы от растений, растущих вокруг озера.

Ученые предполагали, что, пробурив скважину в торфяных отложениях, заполняющих болото или озеро, и определив растения, встречающиеся в каждом слое, они смогут в деталях восстановить смену растительности, окружавшей озеро (рис. 65). Изменение состава растительности при переходе от одного слоя к другому должно было бы отражать изменение климата, начавшееся с таяния ледника. Они ожидали, что растительность будет меняться от тундровой в нижних горизонтах (представленной арктическими травами и кустарниками, произраставшими вблизи ледника) до современной древесной растительности в верхней части разреза.

Рис. 65. Болото, занимающее впадину в ледниковых отложениях, в котором ежегодно отлагается пыльца растений, произрастающих в окрестностях. Постепенно в нем накапливаются слои опавших листьев, стеблей и других растительных остатков, образующие торф

Проделав этот эксперимент, ученые обнаружили и определили ископаемые растения (главным образом по пыльце), но были удивлены изменением растительности снизу вверх. Растительность изменялась от тундровой к еловым и пихтовым лесам, затем к березовым и сосновым лесам и далее к дубу, буку, ольхе и орешнику, показывая, таким образом, постепенное потепление. Но выше, в верхних слоях, эти растения снова сменялись березой и сосной, которые главным образом и произрастают здесь в настоящее время. Дуб, бук и орешник сейчас растут гораздо южнее. Однако радиоуглеродная датировка слоя, содержащего дуб, бук и орешник, показывает, что этот слой образовался около 5000 лет назад.

В таком случае очевидно, что самый теплый климат был около 5000 лет назад (3000 лет до н. э.). В это время средние температуры были выше современных (в тех же точках) приблизительно на 1° С. Затем тенденция изменений климата сменилась на противоположную, климат стал влажнее и холод-неб, дубовые деревья, окружавшие болото, погибли и сменились березой и сосной. Таким образом, мы получили еще одно надежное свидетельство колебаний климата; вместо того чтобы становиться постепенно теплее со времени начала таяния ледников периода великого оледенения, климат 5000 лет назад стал более сухим и теплым, чем в настоящее время. В то время ледники в Альпах и Скалистых горах были менее многочисленны и меньше по размерам. Многие из современных ледников начали образовываться менее 5000 лет назад и, таким образом, представляют собой "современные" ледники, а не остатки ледников последней ледниковой эпохи (Изменения климата и размеров ледников происходят непрерывно. Похолодание и увеличение ледников были в XVIII - начале XIX вв. ("малый ледниковый период"), в 40-60-х годах XIX в. (незначительное), потепление в 1920-1940-х годах, в 1970-х годах (незначительное). - Прим. ред).

Будущее

Ученым, которые занимаются вопросом истории климата, часто задают два вопроса. Первый из них: "Будет ли новое оледенение?", и второй: "Если будет, то когда?" Легче всего ответить на первый вопрос. Большинство ученых согласно с тем, чтобы сказать: "Да, вероятно", потому что за последние два миллиона лет произошло уже несколько оледенений, а главные условия, необходимые для возникновения оледенения, - поднятие суши, многочисленные горы и присутствие обширного ледяного щита на Южном полюсе - все еще существуют.

Гораздо менее ясен будет ответ на второй вопрос. Имеющаяся у нас информация о климатах все еще недостаточно точна, чтобы судить о том, существует ли четкая закономерность в повторяемости оледенений. Если бы мы знали, что такая закономерность существует, и могли бы измерить интервалы между оледенениями прошлого, тогда можно было бы предсказать, что сулит нам климат будущего. Может быть, такое предсказание и станет возможным в будущем, но в настоящее время оно невозможно.

Литература

Flint R. F. 1971, Glacial and Quaternary geology: John Wiley & Sons, New York. Есть русский перевод: Флинт РФ., Ледники и палеогеография плейстоцена, М., ИЛ, 1963.

Hovgaard William, 1925, The Norsemen in Greenland: "Georg. Rev.", v. 15, p. 605-616.

Lamb H. H., 1965, The early medieval warm epoch and its sequel: Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, v. 1, p. 13-37.

Pjst Austin, LaChapelle E. R., 1971, Glacier ice: The Mountaineers: University of Washington Press, Seattle.

Schwarzbach Martin, 1963, Climates of the past: D. Van Nostrand Company, Princeton, N. J. Есть русский перевод: Шварцбах М., Климаты прошлого, М., ИЛ, 1955.

Глава семнадцатая. Природные условия ледниковой эпохи

Перемещение животных и растений

Конечно, в ледниковые эпохи живые организмы испытывали большие трудности. Климат становился все холоднее, ледники возникали и распространялись, и растения и животные были вынуждены переселяться, продвигаясь в районы, где были более благоприятные жизненные условия, и ведя при этом активную борьбу за жизненное пространство. Все это напоминало медленное передвижение беженцев из зоны сражений в безопасные места. Однако в данном случае речь шла не о переселении отдельных особей в течение нескольких дней или недель. Вероятнее всего, лишь отдаленные потомки тех особей, которые начали переселяться, лишь через много поколений, через сотни или даже тысячи лет, достигли места, где они могли наконец обосноваться и не быть вынужденными переселяться еще дальше.

Растения и животные, обитавшие высоко в горах, понемногу спускались вниз по горным склонам, пока не достигали условий, подобных тем, в которых они жили до начала ледниковой эпохи. Те, которые жили на севере, должны были перемещаться на сотни километров к югу, уступая место ледникам. Края огромных ледниковых покровов быстро надвигались на поверхность суши; иногда скорость их продвижения превышала 30 метров в год. Как мы увидим, некоторые млекопитающие приспособились к ледниковым условиям; у них образовался волосяной покров и защитная прослойка жира, что позволило им жить и в холодных местах, но этот процесс происходил медленно, и для его завершения потребовалось две или три ледниковых эпохи.

Переместившись достаточно далеко, большинство организмов в конце концов находило территорию, на которой условия, по крайней мере были близки к тем условиям, в которых они обитали раньше, но она никогда не могла быть в точности той же, уже хотя бы потому, что на ней возникала конкурентная борьба между коренными обитателями, которые никуда не уходили, и пришельцами, которые посягали на их права. Если бы скорость эволюции не была слишком мала по сравнению с продолжительностью ледникового периода, то влияние этого переселения и борьбы за существование выразилось бы в образовании множества новых видов, а не ограничилось бы теми довольно скромными результатами, которые мы находим зафиксированными в палеонтологической летописи. Конечно, то, что мы знаем о природных условиях ледниковой эпохи, как и о более ранних этапах истории, мы узнали, изучая ископаемые остатки.

Природные условия Северной Америки

При создании карты природных условий последней из ледниковых эпох мы определяли ландшафтные зоны прошлого на основании ископаемых остатков растений и животных, находившихся в нашем распоряжении. Хотя и довольно многочисленные, эти ископаемые были из относительно небольшого количества мест, где могут накапливаться и сохраняться остатки наземных организмов, - из болот и торфяников, пещер, речных долин и других подобных мест. В промежутках между точками, где были сделаны находки, мы должны при построении карты основываться на логических предположениях, постепенно совершенствуя и дополняя их.

Область к югу от ледникового покрова. Наиболее важным элементом карты природных условий, существовавших 15 000-20 000 лет назад (рис. 66), является южная граница огромного ледникового покрова, которая протягивалась от подножия Скалистых гор до берегов Атлантического океана более чем на 3000 километров. Край ледникового покрова образовывал огромный широкий уступ; в зимнее время он покрывался снегом, а летом на нем выступал на поверхность грязный сероватый лед. Этот уступ поднимался на высоту 1500 метров на расстоянии первых 80-90 километров, а дальше, поднимаясь более полого, возможно, достигал 3000 метров. Летом по поверхности уступа стремительно стекали небольшие и неглубокие потоки талых вод, местами образуя озера у самого края льда, или продолжая свой путь по ближайшим долинам, идущим от края ледника. Некоторые из самых крупных таких долин показаны на этой карте. Потоки талых вод отлагали на дне долин такое большое количество песка и гальки, что появляющаяся в долинах растительность сразу же оказывалась занесенной. Поэтому, по крайней мере вблизи ледника, днища долин представляли собой обнаженную песчано-галечную поверхность, пересеченную сетью русел. Сами долины были длиннее, чем сейчас, потому что, как мы увидим, Атлантическое побережье располагалось дальше к востоку, чем в настоящее время.

За исключением днищ долин, примыкающая к краю ледника местность была покрыта тундрой с редкими группами ели. Тундровые почвы всю зиму находились в мерзлом состоянии, а летом были очень сильно увлажнены. В начале лета в тундре, вероятно, носились тучи комаров. Зимой вблизи края ледника часто стояла ясная холодная погода, перемежающаяся сильными снегопадами. Летом климат едва ли можно было считать хорошим, потому что постоянно было пасмурно и часто выпадал снег или шел дождь. Довольно неприятный климат был результатом присутствия ледяного покрова, который, можно сказать, приносил с собой непогоду. Этот покров высотой со Скалистые горы представлял собой непреодолимую орографическую преграду для сравнительно теплых и влажных воздушных масс, которые двигались к северу и востоку от Мексиканского залива и в меньшей степени - на восток от Тихого океана. Край ледника представлял собой границу и, как всякая граница, создавал "конфликты". Встречая ледяной барьер, теплый воздух был вынужден подниматься над ним. При этом он охлаждался, влага в нем конденсировалась, образуя облака, и выпадала в виде дождя или снега на ледяном щите или в прилежащей зоне. Некоторые влажные воздушные массы сначала приближались к ледниковому покрову западнее Миссисипи, а потом отклонялись ледяным массивом и двигались к востоку вдоль края льда, и на всем их пути вплоть до Ньюфаундленда из них непрерывно шел снег или дождь.

Возвращаясь к узкой полосе тундры, мы можем видеть, что она образовывала узкий длинный отрог к югу вдоль Аппалачских гор. Сравнительно большая высота этих гор обусловливала холодный климат здесь даже в летнее время.

Южнее от зоны сплошной тундры разрозненные группы елей сливались, образуя тайгу северного типа, протянувшуюся далеко к югу, причем ель постепенно сменялась широколиственными породами деревьев. Восточнее Аппалачских гор, помимо елей, в этих лесах росло много сосен. Еще дальше к югу северные леса постепенно переходили в леса умеренной зоны, состоявшие главным образом из широколиственных пород. Такие леса распространялись от штатов Джорджии и Флориды к западу, переходя где-то западнее Миссисипи в редколесья. Между деревьями произрастали травы и низкие злаки. Сейчас такая растительность покрывает обширные площади в юго-восточной части штата Монтана и развивается в основном там, где климат слишком засушлив и густые леса не могут расти.

Если мы снова посмотрим на рисунок 66 и обратим внимание на общее распределение растительности ледниковой эпохи, которое мы только что описали, мы можем сравнить его с современным распределением растительности, показанным на рисунке 35. Различие в распространении растительности явно отражает более низкие температуры ледниковой эпохи, когда растительные зоны сдвигались к югу и изменяли свою ширину. Там, где сейчас на Великих равнинах простираются естественные степи с редкими деревьями (за исключением искусственных защитных лесных полос), в ледниковую эпоху, вероятно, произрастали леса на севере и сосновое редколесье далее к югу, причем разреженная древесная растительность проникала даже в пределы Мексики. По берегам рек росли галерейные леса - полоски древесной растительности, корни которой достигали воды в любое время года. Такие полоски леса и сейчас растут на засушливых Великих равнинах по берегам рек.

Рис. 66. Облик территории Соединенных Штатов и южной Канады 20 000-15 000 лет назад. Границы между растительными зонами показаны приближенно, особенно на юге и юго-западе

1 - ледниковый покров; 2 - тундра с редкими еловыми деревьями; безлесные пространства; 3 - лес, преимущественно еловый на севере, с небольшой примесью ели на юге; 4 - еловый лес с примесью сосны; количество сосны возрастает к югу; 5 - смешанный лес с широколиственными породами деревьев; 6 - сосновое редколесье с травянистой растительностью; 7 - травянистые пространства с очень редкими сосновыми деревьями; 8 - днища долин, сложенные песчано-галечными отложениями, принесенными ледником (растительность не показана)

Западный район; плювиальные озера. На карте растительности ледниковой эпохи изображена территория США восточнее Скалистых гор; горные территории, расположенные западнее, не показаны отчасти потому, что мы располагаем о них слишком скудной информацией, а также потому, что мы не можем показать имеющиеся у нас сведения на мелкомасштабной карте. В целом в горах растительные зоны, очень узкие из-за крутизны склонов, продвигаются вниз по горным склонам приблизительно на 600 метров по вертикали, а в некоторых районах и на значительно большее расстояние.

Рис. 67. Схема части района Хребтов и Впадин и прилежащей территории, показывающая: А. современные озера, большей частью засоленные и мелководные

Поразительное изменение природных условий происходило в районе Хребтов и Впадин [Запада США. - Ред.]. Большое количество бессточных впадин частично или полностью заполнилось водой и образовало озера (рис. 67). Самое большое древнее озеро Бонневиль достигало более 300 метров глубины и по объему было сравнимо с современным озером Мичиган. В период существования этих озер на них сформировались пляжи и дельты, на дне отлагались осадки, в которых сохранились ископаемые рыбы и другие организмы. Когда вода испарилась и озера высохли, отложения оказались на поверхности, и сейчас среди пустыни они представляют собой удивительное зрелище.

Рис. 67. Схема части района Хребтов и Впадин и прилежащей территории, показывающая: Б. озера, существовавшие 20 000-15 000 лет назад. Увеличение количества озер в северной части района было результатом менее жаркого климата

Типичная впадина в районе пустыни Мохаве в юго-восточной Калифорнии показана на фото 54. Центральная часть ее, сухая, покрытая белой солью и почти совершенно плоская, занимает около 30 км^2. Здесь выпадает очень мало дождей (150-250 миллиметров в год) (По данным справочников даже меньше. - Прим. ред), а летние температуры очень высоки. Очевидно, когда эти впадины были заполнены водой, климат здесь был совсем другим. Было высказано предположение, что различие заключалось в основном в большем количестве выпадавших в то время осадков, и поэтому древние озера получили название плювиальных озер (то есть "озера, образованные дождями"). Это название сохраняется за ними и до сих пор, хотя сейчас стало понятно, что в гораздо большей степени, чем увеличение осадков, на формирование озер влияло снижение температур, которое существенно уменьшало скорость испарения, особенно летом.

Фото 54. Котловина сухого озера Сёрлс, Калифорния. Вид с самолета на юго-восток, на белую засоленную плоскую поверхность, представляющую собой дно высохшего озера. Пунктиром показано наивысшее положение береговой линии древнего озера Сёрлс, почти на 200 м выше современного днища. Когда уровень озера был на этой отметке, вода переливалась по, протоке, теперь высохшей, в другую впадину (левая задняя часть снимка), где образовалось другое, еще более глубокое озеро

Снижение температур (вероятно, на 5-6° С по сравнению с современными), отмеченное в районе Хребтов и Впадин во время существования плювиальных озер, относится к ледниковой эпохе. Радиоуглеродные датировки озерных отложений показывают, что впадины заполнились водой незадолго до того, как великое оледенение достигло максимального своего распространения, а по мере того, как ледники таяли, озера сокращались, и наконец около 6000 лет назад большинство озер высохло. Это не означает, что ледники были причиной образования озер. Скорее, ледники и озера были проявлением реакции среды в различных районах на снижение температур, характерное для ледниковых эпох.

При снижении температуры и увеличении количества воды из-за уменьшения испарения пустынная растительность могла сохраниться только в наиболее жарких и сухих местах. Обширные площади вокруг озерных впадин занимали редколесья из сосны и можжевельника, а выше на горных склонах росли леса из сосны, ели и пихты. Изменение растительного покрова привлекло в эти районы многих животных.

Уровень океана в ледниковую эпоху

Одно из самых ярких изменений в ледниковую эпоху - это снижение уровня океана, вызванное не поднятиями суши, а уменьшением количества воды в океане. Вернувшись к вопросу о круговороте воды в природе (рис. 4), мы сможем понять, почему это происходило. На Земле существует ограниченное количество воды. В любой момент часть ее находится в море, часть - на пути к суше, в виде атмосферной влаги, а часть задерживается на суше в виде озер и ледников или в виде грунтовых вод. Только некоторое количество воды возвращается обратно в море. Уровень моря в любой момент отражает соотношение между количеством воды, находящимся в каждом из этих четырех состояний.

Когда в ледниковую эпоху температуры снижались, большая часть осадков выпадала в виде снега и меньшая - в виде дождя. Образовались ледники. Поскольку в море теперь возвращалось меньше воды, потому что большая часть ее, участвующая в круговороте, накапливалась на суше в виде льда, глубина моря должна была уменьшаться.

Современный уровень моря (рис. 68, А) определяется количеством воды, которое исключается из круговорота и существует в виде ледников Антарктиды и Гренландии, потому что где-либо в других местах льда совсем мало. Но 20 000 лет назад образовавшиеся ледники распространялись в средних широтах так далеко, что на суше существовало огромное количество дополнительного льда. Рассчитав количество этого льда и зная площадь океана, мы можем определить, насколько должен был снижаться уровень моря в это время. Уровень океанд должен был снижаться почти на 90 (По новейшим расчетам - уровень океана понижался на 100 метров. - Прим. ред) метров (рис. 68, Б). Вот почему на рисунке 66 восточный берег Америки показан гораздо дальше к востоку, чем он находится сейчас. Когда береговая линия занимала это положение, большая часть современного континентального шельфа была сушей и представляла собой обширную береговую равнину, покрытую лесами и, возможно, густо населенную животными. В это время река Гудзон протягивалась к востоку от того места, где сейчас находится город Нью-Йорк, еще почти на 160 километров и там впадала в океан. Ее узкая долина до сих пор выделяется на континентальном шельфе. Остров Лонг-Айленд и расположенный восточнее полуостров Кейп-Код, а также небольшие острова соединялись вместе и образовывали часть однообразной равнины, сначала покрытой льдом, а потом, по мере таяния ледника, постепенно появлявшейся на поверхность.

Рис. 68. При современных условиях (А) в средних широтах на суше, почти полностью свободной от льда, вся испаряющаяся с поверхности океана вода возвращается в океан. Но в ледниковую эпоху (Б) большое количество воды задерживалось в замерзшем состоянии на суше. Поэтому в океан возвращалось меньше воды и уровень моря соответственно понижался. И наоборот, если бы в Антарктиде и Гренландии не существовало ледников (как это было в меловое время), уровень океана был бы гораздо выше (приблизительно на 40 м), чем сейчас

Остатки растительности прибрежных лесов и болот, существовавших при более низком уровне моря, были обнаружены в буровых скважинах, заложенных в поисках нефти. Другие подобные остатки встречаются на поверхности морского дна; местами там находят пни и даже вертикально стоящие стволы деревьев а корневой системой. Рыболовными сетями с поверхности шельфа были извлечены зубы и кости животных ледниковой эпохи. Но гораздо большее количество ископаемых остатков погребено под отложениями, накопившимися за то время, пока уровень океана поднимался до своих современных отметок, и теперь они залегают в толще морских отложений.

Гудзон - не единственная река, имеющая глубокую, затопленную долину. Многие другие реки на Атлантическом побережье тоже занимают глубокие долины, которые были врезаны в коренные породы во время гораздо более низкого уровня океана, а потом полностью или частично заполнились отложениями. Подобные затопленные долины нанесены на карты прибрежных областей океана и в других местах.

У тех участков побережья, где сейчас глубины малы, снижение уровня океана в ледниковую эпоху вызвало воссоединение островов с материком. Достоверно установлено, что это произошло с Британскими островами, которые оказались присоединены к Европе широкой равниной, смыкавшейся с Францией на юге и с Данией на востоке. По этой равнине в различное время свободно перемещались крупные млекопитающие - слоны, носороги, бегемоты, - а также и более мелкие. На месте современного пролива Ла-Манш находилась долина реки, текшей к западу, а Рейн продолжался далее к северу, занимая долину, которая сейчас находится на дне Северного моря. Он впадал в океан значительно восточнее северной Англии.

Таким же образом Аляска соединялась с Сибирью, Сибирь - с Японией, Малаккский полуостров - с Суматрой, Явой, Борнео [ныне Калимантан. - Ред.], а Австралия - с Новой Гвинеей и Тасманией. Хотя предположения об этом первоначально основывались только на существовании малых глубин в местах предполагаемых сухопутных мостов, но в большинстве случаев они были подтверждены находками одинаковых ископаемых животных по обе стороны "моста" - таких млекопитающих, которые могли попасть куда-либо только по суше.

Млекопитающие ледниковой эпохи

Северная Америка. Выше были описаны зоны растительности, существовавшие в Северной Америке во время последней ледниковой эпохи. Значительная часть наших знаний о них основана на ископаемой пыльце растений. Теперь мы можем перейти к млекопитающим, которые обитали в этих зонах. Изучение ископаемых остатков животных показало, что их распространение соответствовало распространению растительности. Животные, которые обитали в еловых лесах ледниковой эпохи, принадлежат приблизительно к тем же группам (хотя и не всегда к тем же видам), которые населяют еловые леса сейчас; так же обстоит дело и с остальными растительными зонами. Это соответствие служит подтверждением наших общих выводов о растительности прошлого.

В зоне тундры, расположенной вдоль края ледника, самым крупным и заметным млекопитающим был мамонт (фото 55), который был немного ниже ростом (на 60-90 сантиметров) современного африканского слона и имел короткий хвост. Хотя предки его существовали уже в начале кайнозоя, мамонт как специализированная форма возник недавно и приспособился к очень суровому климату. Длинная ость его шерсти (25-40 сантиметров), напоминавшая по форме огромные крысиные хвосты, выдавалась над густым подшерстком. Сразу же под кожей был слой жира толщиной в 5-8 сантиметров, и жировая подушка покрывала верх черепа. Четырехпалая стопа была очень широкой, и это было очень удобное "приспособление" для заболоченных пастбищ. Благодаря находке одного экземпляра, сохранившегося полностью, вместе с шерстью, кожей и мягкими тканями тела в мерзлом грунте, мы знаем, что мамонт питался тундровой растительностью. Во рту у него сохранилась пища, которую он не успел проглотить, состоявшая из тундровых растений. Коренные зубы, имевшие складчатое строение, как у поздних форм лошадей, были приспособлены для питания травянистой пищей и потому соответствовали условиям тундры.

Хотя часто говорят, что трупы мамонтов с сохранившейся кожей, мясом и т. д. были найдены во льду ледников и что эти животные погибли из-за какой-то неожиданной климатической катастрофы, мы считаем это неверным. Действительно, четыре почти полностью сохранившихся туши мамонта и 35 частично сохранизшихся были найдены в северной Сибири, в зоне вечно-мерзлого грунта. Но данных о том, что все сибирские мамонты погибли в результате катастрофы, нет. Напротив, эти туши свидетельствуют лишь о том, что отдельные животные иногда погибали, или утонув в озере или в болоте, или будучи заживо погребенными при обвале берегового обрыва. Находки замороженных туш мамонтов не противоречат принципу актуализма.

Фото 55. Мамонты, идущие через тундру среди небольших групп еловых деревьев. В ледниковую эпоху в Центральной Европе мамонты были по крайней мере так же многочисленны, как в Северной Америке. Реконструкция

Мамонты очень широко распространились по всей Америке, от Атлантического до Тихого океана, и дальше через перемычку суши в Евразию, где они продвинулись на запад до Атлантического океана. Их было много. В XVIII-XIX вв. только в Сибири было найдено 40 000-60 000 мамонтовых бивней. Они попали на рынок и использовались для изготовления бильярдных шаров, клавишей музыкальных инструментов, шахмат и т. д. до тех пор, пока их не вытеснили пластмассы. Помимо мамонтов, тундру населяли северные олени карибу и мускусные быки, до сих пор живущие в арктической зоне Северной Америки и в Гренландии. Кроме того, там было много грызунов, особенно леммингов.

Самым замечательным обитателем зоны еловых лесов, в которую переходила тундра, был американский мастодонт (Фото 56), коренные зубы которого приспособились к пережевыванию веток деревьев. В тундре он чувствовал себя, вероятно, менее уютно, но он мог прокормиться всюду, где росли деревья. Поэтому мастодонт был распространен почти во всех частях США, покрытых в то время лесом, вплоть до Флориды и даже центральной Мексики на юге. Еще две особенности строения мастодонта, помимо устройства зубов, давали ему возможность жить в лесу: он был меньше мамонтов и его клыки были гораздо короче по сравнению со всем телом. Поэтому он мог легче передвигаться в густых зарослях деревьев.

Фото 56. Американский мастодонт, одно из наиболее обычных млекопитающих Северной Америки в ледниковую эпоху, изображенный на опушке елового леса рядом с болотом

Вместе с мастодонтами в зоне еловых лесов обитали лоси (особенно в заболоченных местах), гигантские лоси, ныне вымершие (рис. 69), вымершее травоядное животное, напоминавшее мускусного быка, которое было приспособлено к обитанию в лесу и в редколесье, необычайный гигантский бобр (фото 57) и другие виды грызунов, оленей, медведей и крупных кошачьих.

Фото 57. Два гигантских бобра, достигавших трех метров в длину и, вероятно, весивших около 225 кг, почти столько же, сколько современный черный медведь. Для сравнения в центре рисунка изображена белка. Реконструкция

В широколиственном лесу, еще более удаленном от ледникового покрова, жили лошади, верблюды, бизоны, крупные кошки, в том числе саблезубые, медведи, волки, по крайней мере два вида слонов (фото 58), не приспособленных к жизни в арктических условиях, и мастодонты. Кроме того, здесь были тапиры, пекари и броненосцы из Южной Америки, а на западе - огромные коробчатые черепахи, достигавшие более метра в длину.

Фото 58. Колумбийский слон (Mammuthus columbi), крупный слон живший в центральной и южной части территории Соединенных Штатов и Мексики. Реконструкция

В лесостепях, покрывавших большую часть Великих равнин, обитали слоны, лошади, верблюды, бизоны, олени, антилопы, волки, наземные ленивцы (фото 50), мигрировавшие сюда из Южной Америки, и множество мелких млекопитающих, главным образом грызунов.

Одно из богатейших местонахождений ископаемых остатков ледниковой эпохи представляет собой ранчо Ла-Бреа, которое ныне входит в город Лос-Анджелес, но сохранено как маленький заповедник и музей. Здесь есть ряд выходов нефти, которая сейчас затвердела в виде асфальта; в жидком виде нефть скапливалась в понижениях, образуя огромные лужи. В зимнее время эти нефтяные озера покрывались слоем воды, привлекавшей большое количество животных. Млекопитающие и даже птицы увязали в нефти (фото 59), то же самое происходило и с хищниками, которые приходили сюда, привлеченные трупами животных. В течение длительного времени, приблизительно начиная с 40 000 лет назад и кончая 15 000 лет назад, в нефтяных озерах происходило накопление почерневших от асфальта костей сотен тысяч погибших животных, в том числе слонов, верблюдов, лошадей, бизонов, наземных ленивцев, волков, кошачьих, в том числе саблезубых тигров, гигантских хищных птиц и множества других животных. Остатков одних только саблезубых тигров было изучено более 2400 штук. Кроме того, были найдены тысячи ископаемых насекомых и ископаемых остатков деревьев -ивы, кипариса и других.

Фото 59. Реконструкция сцены, происходившей в ледниковую эпоху в районе нефтяных выходов ранчо Ла-Бреа. Два саблезубых тигра кормятся падалью, а третий отгоняет голодных стервятников. Слева - волки, ожидающие своей очереди. На заднем плане справа - лошади

В целом во многих частях Соединенных Штатов существовала богатая фауна млекопитающих, приближавшаяся по количеству и разнообразию к фауне до сих пор существующей в Восточной Африке, несмотря на влияние человека, который живет здесь, возделывает землю и охотится. В одном только штате Небраска было собрано и изучено более 85 видов ископаемых млекопитающих ледникового возраста.

Рис. 69. Гигантский лось, живший в ледниковую эпоху в лесах северного типа на востоке Северной Америки

Описание млекопитающих ледниковой эпохи, данное ниже, основано главным образом на находках, относящихся к последнему ледниковому периоду, 15 000-20 000 лет назад. Описание остатков животных более ранних ледниковых эпох потребовало бы от нас множества дополнительных объяснений. Однако мы можем сказать, что по более древним находкам прослеживается такое же перемещение животных в более теплые области во время каждой ледниковой эпохи и обратное перемещение во время более теплых периодов межледниковий. В ходе всего этого процесса передвижения то в одну, то в другую сторону происходила медленная эволюция видов и родов животных.

Евразия и Африка. Сравним теперь условия, существовавшие во время ледниковых эпох в Старом свете - Евразии и Африке, - с теми, которые существовали в Северной Америке. Сейчас для того, чтобы найти в Европе тундру, нам пришлось бы подняться в горы Швеции и Норвегии или отправиться на побережье Северного Ледовитого океана. Но в ледниковую эпоху (рис. 70) тундра и другие безлесные пространства простирались по всей Западной и Центральной Европе и на юге почти достигали берегов Средиземного меря. К северу от широты Альп росло очень мало деревьев. Северная Европа была покрыта льдом, толщина которого местами превосходила три километра. Покрыты льдом были и основные горные области, расположенные южнее. Не только ископаемая растительность, но также распространение и мощность мерзлого грунта в это время свидетельствуют о том, что область Центральной Европы, расположенная к югу от ледника, была холоднее соответствующих областей Северной Америки. Благодаря особенностям распределения суши и моря, различий в системе ветров и наличию Альп и других высоких гор к северу от Средиземноморья лишь небольшие массы теплого воздуха могли достигать центральных областей Европы.

Рис. 70. Карта Европы, Западной Азии и Африки в последнюю ледниковую эпоху; показаны положение европейского ледникового покрова и ледники в Исландии, Пиренеях, Альпах и на Кавказе. Южнее находится пояс сухого климата

Этот необычайный холод в Европе, особенно в Центральной Европе, оказал поразительное влияние на древесную растительность. До начала вторжений ледника в Европе существовала богатая флора, включавшая много видов деревьев. Но в течение каждой ледниковой эпохи происходило вымирание некоторых видов, наиболее чувствительных к холоду. Альпы и другие горы, за которыми находилось Средиземное море, не оставляли деревьям никакого убежища на время оледенений. Поэтому после каждого оледенения на европейской территории древесных пород становилось все меньше. В Северной Европе сейчас существует лишь шесть пород широколиственных деревьев, которые сумели пережить оледенения.

Фото 60. Гигантский олень (Megaloceros giganteus), самый крупный европейский олень ледниковой эпохи. Он достигал размеров лося и имел огромные тяжелые рога, достигавшие почти четырех метров в поперечнике. Этот гигант вымер почти 10 000 лет назад

В Северной Америке все происходило совсем иначе. Несмотря на оледенения, древесная растительность оставалась богатой и разнообразной. Так как между краем ледника и Мексиканским заливом нет горных цепей, деревья могли свободно "смещаться" во время ледниковых эпох к югу, в зону умеренного климата и пережидать там оледенения, а потом "возвращаться" на места своего прежнего обитания. В современной Северной Америке произрастает гораздо больше видов деревьев, чем в Европе. Обширные холодные пространства Центральной Европы, бывшие столь неблагоприятными для произрастания деревьев, напротив, были необычайно благоприятными для обитания здесь мамонтов, северного оленя, мускусных быков и тундрового шерстистого носорога (рис. 34), который почему-то никогда не жил в Северной Америке. Это было травоядное животное, приспособленное к очень холодным условиям, имевшее длинную шерсть и подкожный слой жира, как и большинство мамонтов. К другим тундровым видам принадлежали полярные зайцы, лемминги и многие другие грызуны. В лесах и редколесьях жили лосн, гигантские олени (фото 60), медведи (фото 61) и хищники - крупные кошки и гиены. В более сухих восточных областях, в Центральной Азии, обитали несколько видов антилоп, дикие ослы, грызуны. Так же, как в Северной Америке во всех зонах (от края ледника до Флориды) обитали мастодонты, во всех зонах Евразии - лошади, рогатый скот и европейские бизоны.

Фото 61. Европейский пещерный медведь (Ursus spelaeus), огромное животное ледниковой эпохи, достигавшее размеров ныне живущего на Аляске бурого медведя. В пещерах Европы находятся кости сотен тысяч этих животных. В тех пещерах, где медведи зимовали, скальные стены у входа отполированы их косматыми шкурами

Выше мы отмечали, что, хотя через Панамский перешеек в четвертичное время происходил какой-то обмен фауной между Северной и Южной Америкой, животный мир этих двух континентов существенно различается. Тропические леса, произраставшие на перешейке, хотя и не были непреодолимой преградой, все же представляли собой барьер, в определенной степени препятствовавший миграциям млекопитающих. Другой барьер - пустынная область Сахары - существовал между Европой и южной частью Африки. Область засушливого климата (рис. 70), с осадками менее 250 миллиметров в год, протягивалась почти от Средиземноморского побережья на тысячи километров к югу. С запада на восток она тянулась от Атлантического океана до Красного моря, на протяжении 5200 километров; этот засушливый пояс продолжался и далее, в пределах Аравийского полуострова. Данная зона и сейчас представляет собой действенный барьер, потому что фауна млекопитающих Европы не содержит североафриканских видов. Несмотря на то что по крайней мере иногда во время и после ледниковых эпох в Сахаре возникали плювиальные озера и реки, этот барьер и тогда оставался таким же эффективным. Лишь немногие животные Южной Африки когда-либо достигали берегов Средиземного моря. Фауна млекопитающих к северу и к югу от Сахары существенно различалась.

Во время продолжительных межледниковых периодов некоторые африканские животные, обитавшие к северу от Сахары, проникли в Европу. Среди них были слоны, гиены и крупные кошки, а также в изобилии водившиеся в низовьях Нила всего 3000 лет назад бегемоты, которые проникли на север до южной Англии. Этот и другие факты свидетельствуют о том, что во время межледниковий климат был по крайней мере несколько теплее современного. Подобные свидетельства мы находим и в восточной части Северной Америки, где ламантин, субтропическое морское животное, обитающее сейчас в водах полуострова Флорида и в Мексиканском заливе, проникал во время межледниковых периодов на север до Нью-Джерси. Кроме того, остатки растений и животных, которые в настоящее время не встречаются севернее штатов Мэриленда и Пенсильвании, в ископаемом состоянии найдены в окрестностях города Торонто.

Вымирание. Богатая фауна крупных млекопитающих ледникового времени Северной Америки стоила того, чтобы на нее посмотреть. Но еще более примечательным, чем сама эта фауна, был тот факт, что во время и после таяния ледников 70% родов крупных млекопитающих исчезли. Список жертв включает шерстистого мамонта и двух других североамериканских слонов, мастодонтов, всех верблюдов, всех лошадей, всех крупных кошачьих хищников, за исключением двух, всех бизонов (кроме одного), гигантского лося, гигантского бобра, крупного волка, тапиров, всех наземных ленивцев. Все, что сейчас осталось от богатейшей фауны крупных млекопитающих, - это лось, олень, мелкие антилопы, горный баран, горный козел, бизон, мелкий волк, медведи, пума (горный лев), ягуар, а на севере - лось, карибу, полярный мускусный бык. Морских млекопитающих это вымирание совершенно не затронуло.

Изучая список видов вымерших животных, мы видим, что он состоит из крупных животных, причем почти все они обитали на травянистых равнинах или в редколесьях. В целом мелкие млекопитающие и большинство лесных животных уцелели. Исчезновение крупных животных отличалось от постепенного вымирания динозавров, происходившего в меловое время и занявшего десятки миллионов лет. Оно произошло поразительно быстро. Радиоуглеродные датировки говорят нам, что оно началось около 12 000 лет назад и в основном закончилось 10 000 лет назад, когда, вероятно, из всех этих вымирающих видов остались отдельные особи.

В Северной Америке вымирание животных началось на северо-западе, постепенно распространяясь к югу и юго-востоку, и, перейдя через Панамский перешеек, захватило всю Южную Америку, где последние наземные ленивцы исчезли около 10000 лет назад.

Вопрос о том, каким образом могло произойти такое необычайное исчезновение животных, породил множество споров среди ученых. Одни придерживаются того мнения, что подобное вымирание могло быть вызвано изменениями климата или болезнями, хотя этот взгляд подтверждается весьма немногими фактами. Не найдено также никакого объяснения того, почему окончание более ранних оледенений не сопровождалось подобным вымиранием.

Другую позицию занимают ученые, считающие, что такая массовая гибель могла быть вызвана только каким-то новым фактором, не существовавшим в более ранние эпохи. Они предполагают, что этим фактором могло быть появление в Америке человека. У него были стрелы с режущими краями и острыми наконечниками из кварца. Он использовал метательные орудия, чтобы метать стрелы с большей скоростью. Он мог убивать и другими способами, например сооружая ловушки или загоняя животное в болото или озеро, или гоня стадо животных к обрыву (часто с помощью огня), так что они падали с обрыва и разбивались (рис. 71).

Рис. 71. Охотники каменного века охотятся на животных с помощью огня. Они, держа в руках горящие факелы, гонят стадо диких лошадей к обрыву высотой несколько сот метров. Обезумевшие животные прыгают вниз и разбиваются. Свидетельства такой охоты найдены в различных частях Европы. На юго-востоке Франции у подножия уступа высотой около 300 м обнаружен костеносныи слой мощностью около 2,5 м, в котором, по приблизительным подсчетам, содержатся кости 100 000 лошадей. Возраст слоя - 20 000-15 000 лет

Представляется, что вымирание животных в каком-либо районе происходило вскоре после того времени, как в этот район, судя по имеющимся данным, проникал человек. Согласно этой теории, крупные млекопитающие - коренные обитатели этих мест - не боялись человека, так как он был им неизвестен. Поэтому они не остерегались его. Нападение человека содержало элемент внезапности. Происходило массовое истребление, зачастую превышавшее непосредственную потребность в пище и шкурах. Согласно этой теории, как только крупные травоядные были истреблены, крупные кошки и гигантские волки лишились пищи и вымерли, не выдержав конкуренции с человеком.

Сторонники крайних теорий предполагают, что человек каменного века проник с Аляски, небольшими группами двигаясь к югу у восточного подножия Скалистых гор, по коридору, который освободился ото льда при таянии ледникового покрова на востоке и горных ледников на западе (рис. 63, Б). Попав в страну, изобиловавшую крупной дичью, люди систематически истребляли ее, медленно следуя за ней и перемещая свои стоянки к югу и востоку со скоростью, согласно расчетам составляющей 16-25 километров в год. Двигаясь с такой скоростью, люди могли расселиться по всей Северной и Южной Америке менее чем за 2000 лет. Было найдено множество наконечников стрел и несколько мест массового забоя животных. Костей человека почти нигде не находят, но это может быть следствием того, что население было немногочисленным и подвижным, и если тела умерших не были похоронены, то они уничтожались хищными животными, а кости подвергались химическому выветриванию.

Противники этой гипотезы возражают, отмечая, что не могло существовать настолько многочисленное население, чтобы оно могло истребить такое большое количество крупных млекопитающих. Однако и другое объяснение исчезновения животных - изменение климата или болезни - встречает столько же, если не больше, возражений.

По-видимому, подобные же события произошли несколько раньше в Австралии и существенно позже в Новой Зеландии, хотя, конечно, истреблению там подверглись совсем другие виды животных. В Африке и Евразии истребление животных (рис. 71) началось значительно раньше и происходило более постепенно. Однако, как указывалось, люди каменного века уже жили на этих континентах задолго до того, как началось вымирание животных, и потому не могут считаться главной причиной их гибели.

Сторонники теории, согласно которой виновником гибели животных был человек, не утверждают, что охотники каменного века убили поголовно всех особей этих вымерших видов. Когда число особей данного вида становилось небольшим, то под влиянием естественных факторов оно быстро продолжало уменьшаться, пока не происходило полного вымирания. Ни одна из перечисленных теорий не доказана, и до сих пор для их обоснования требуются новые данные.

В перечне вымерших животных Северной Америки мы упоминали верблюдов и лошадей. Очень немногие представляют себе, что оба этих вида являются исконно американскими. Они возникли в раннем кайнозое и распространились из Америки через континентальный мост в Азию. Верблюды проникли также и в Южную Америку. Когда европейцы начали проникать в область Великих равнин в XVIII-XIX в., они встретили там множество диких лошадей - мустангов. Но это не были потомки плейстоценовых животных. Это были потомки лошадей, завезенных из Испании Кортесом, завоевавшим Мексику в XVI в. В течение всего 250 лет дикие потомки этих лошадей заселили западную часть Северной Америки.

Верблюды, исчезнувшие в Северной Америке, сохранились в Южной Америке; большинство их одомашнено, как, например, лама - верблюд, особенно часто встречающийся в Перу. Эти верблюды невелики и подобно своим североамериканским предкам не имеют горба. Крупные верблюды с горбами, которых мы видим в зоопарках и цирках, - это особые азиатские виды, привезенные в последнее время.

Рассматривая возможные связи человека каменного века с крупными млекопитающими, мы, естественно, приходим к захватывающей истории самого человека, истории, которая связана с оледенениями и природными условиями ледниковых эпох.

Литература

Fаrrand W. R.. 1961, Frozen mammoths and modern geology: "Science", v. 133. p. 729-735.

Flint R. F.. 1971, Glacial and Quaternary geology: John Wiley & Sons, Inc., New York. chaps. 18-20, 23, 28, 29.

Kurten Bjorn. 1968. Pleistocene mammals of Europe: Aldine Publishing Co.. Chicago.

Martin P. S., Wright H. E., editors, 1967, Pleistocene extinctions: the search for a cause: Yale University Press. New Haven. Conn.

West R. G., 1968, Pleistocene geology and biology, with especial reference to the British Isles: Longmans Green and Co., Ltd., London; John Wiley A Sons, Inc., New York.

Глава восемнадцатая. Физическая эволюция человека

Предшественники человека

Более прохладный и сухой климат и более разнообразные природные условия, сложившиеся в позднекайнозойское время, безусловно, способствовали появлению человека. Но основы строения человеческого тела были заложены гораздо раньше, они постепенно складывались и дополнялись в течение долгого времени. Природные условия кайнозоя просто способствовали их усовершенствованию. Дойдя в нашем повествовании до этого места, мы можем перечислить основные достижения эволюции на пути создания человека, которые были налицо, скажем, к началу кайнозойской эры. И можем выделить шесть основных особенностей строения человеческого тела (табл. 4).

Таблица 4. Основные особенности строения человеческого тела и их происхождение

Те усовершенствования, которые отмечены этими чертами, представляют собой крупные вехи на извилистом пути эволюции, который привел к человеку. Каждая из них явилась результатом новых изменений, возникших в окружающей среде.

Происхождение приматов

Мы переходим к приматам, группе млекопитающих, к которой принадлежит и человек. Место, занимаемое этой группой среди млекопитающих, показано на рисунке 60. Для приматов характерны подвижные руки и ноги с пятью пальцами. Большинство приматов живет на деревьях. В начале кайнозоя или чуть раньше эта группа выделилась из насекомоядных - мелких млекопитающих, принадлежавших к наиболее примитивным среди плацентарных, живших, вероятно, на деревьях и питавшихся насекомыми.

На первый взгляд кажется удивительным, что человек, примат, занявший господствующее положение среди млекопитающих, должен в поисках предков обращаться к таким примитивным и скромным существам. Однако наличие таких предков не удивительно, они представляли собой идеальное сырье для формирования человека. Причина заключается в том, что скромные обитатели деревьев были еще настолько примитивны и неспециализированы, что могли в процессе эволюции развиваться в любом направлении. Конечно, существовали еще рептилии и птицы, но они задолго до этого приобрели резко выраженную специализацию. Эволюция каждой из этих групп уже продвинулась далеко в определенном направлении, и они едва ли могли быть подходящим исходным материалом для развития в каком-то другом направлении. Насекомоядные, которые вели незаметное существование в лесах, потенциально были более пластичными и могли использовать случай, который придал определенное направление их развитию.

Среди ранних приматов, уже обособившихся от насекомоядных в отдельную группу, было небольшое животное, называемое нотарктус (Notharctus) (фото 62), которое мы можем считать типичным представителем этих предположительных далеких предков человека. Он обитал в лесных областях вблизи тропиков, в том числе на территории нынешнего штата Вайоминг и, судя по его зубам, питался молодыми листьями и плодами. Он бегал и перепрыгивал с одной ветки на другую. На рисунке ясно видны гибкие конечности, о которых мы уже говорили. На каждой было по пять примитивных пальцев - особенность, которая может быть прослежена в глубь времен до первых девонских амфибий.

Фото 62. Один из ранних приматов, Notharctus, из эоценовых слоев в штате Вайоминг. Размерами он был приблизительно с молодую домашнюю кошку; это один из типичных очень ранних предков человека. Реконструкция

Однажды выделившись в отдельную группу, приматы сами начали разделяться, образуя различные разновидности, развивающиеся в различных направлениях, как можно видеть на рисунке 72. Первыми выделились различные, но довольно примитивные разновидности, такие, как лемуры, которые бегали по ветвям, как белки. Следующими были мелкие обезьяны, постепенно развившиеся во множество видов. После этого произошел важнейший раздел между линией крупных обезьян и линией гоминид (не вполне четкий термин, означающий "человекоподобные"). Представители линии крупных обезьян продолжают жить на деревьях и сейчас, после длительной эволюции, представлены четырьмя близкими родами: шимпанзе, горилла, гиббон, орангутан. Напротив, ветвь гоминид включает не только человека, но также и более ранних человекообразных приматов, которые отличались от обезьян. Как показано на рисунке 72, разделение обезьян и гоминид произошло в олигоцене, около 25-35 миллионов лет назад. После этого долгое время обе ветви продолжали по крайней мере часть времени проводить на деревьях. Тот факт, что примитивные приматы жили на деревьях еще долго после того, как произошло разделение на гоминид и обезьян, был весьма полезен для позднейшей эволюции гоминид. Это преимущество основывалось на четырех особенностях анатомии гоминид:

1. Руки и ноги, уже обладав-Щие гибкостью, как можно видеть на фото 62, не изменились, а сохранили гибкость благодаря постоянной необходимости лазить по деревьям. Это помогло усовершенствовать способность хвататься за ветки, а много позднее - и хватать орудия.

2. Хватанию очень помогало то, что большой палец мог сгибаться в направлении, противоположном направлению остальных согнутых пальцев (рис. 73). Это можно видеть на правой передней конечности (мы почти могли бы сказать - на правой руке) небольшого животного, изображенного на фото 62. Возьмите в руку линейку или толстую палку, и вы убедитесь, как. много дает вам, примату, противопоставленный остальным пальцам большой палец. Белка, которая тоже живет на деревьях и имеет пятипалые конечности, не обладает этой особенностью.

3. Жизнь, требовавшая быстрого перемещения по деревьям, при котором приходилось двигаться по узким проходам в кронах деревьев и избегать веток, была постоянной скачкой с препятствиями. Она требовала очень хорошего зрения. У большинства млекопитающих, живущих на земле, глаза расположены по бокам головы, но у приматов они постепенно переместились к передней части головы. Таким образом, у них поле зрения одного глаза перекрывает поле зрения другого, как в бинокулярном телескопе, что позволяет видеть стереоскопически. Результатом этого явилась способность оценивать расстояние и таким образом получать более точное представление об окружающих предметах.

4. Все эти усовершенствования сопровождались увеличением мозга. Перемещение с одного дерева на другое требовало подвижности и способности мгновенно координировать движения мышц. Поэтому потребовалось улучшение координирующего устройства - мозга.

Рис. 72. Дерево эволюции приматов

Эти четыре усовершенствования: гибкость, хватательные конечности - руки, лучшее зрение и мозг большего размера - в равной степени принадлежали примитивным гоминидам и крупным обезьянам. Но гоминиды обладали еще одним свойством, составлявшим различие между ними и их родственниками - обезьянами. Постепенно вместо йытянутой морды у них начало развиваться лицо. С тех пор как они начали пользоваться для самозащиты руками, у них исчезла необходимость в вытянутой морде с длинными клыками, служившими для кусания и удерживания добычи. Клыки у них стали меньше и короче, а коренные зубы стали расти ближе друг к другу, что обеспечивало лучшее пережевывание разнообразной пищи. Зубы современного человека сейчас деградированы, потому что отпала необходимость пережевывать твердую и грубую пищу. Это изменение явилось результатом использования огня для приготовления пищи. Приготовленная пища приобрела лучшие вкусовые качества и мягкость.

Рис. 73. Человеческая рука с противопоставляющимся остальным большим пальцем - основа трудовой и художественной деятельности человека. Ее способность к захватыванию предметов восходит к предкам, обитавшим на деревьях (фото 62)

Рамапитеки

Укороченный лицевой отдел был характерен уже для древнейшего известного представителя гоминид, обнаруженного в ископаемом состоянии; он жил в миоцене и плиоцене и известен под названием рамапитека, его латинское родовое название - Ramapithecus; первая часть этого названия представляет имя индуистского бога Рама, а вторая часть означает "обезьяна". Впервые его ископаемые остатки были обнаружены в Индии в 1934 г. В это время считалось, что человек существует лишь с начала четвертичного периода. Поэтому естественно, что ископаемый примат из миоценовых отложений был отнесен к древним обезьянам. Но с тех пор ископаемые остатки того же самого рода были обнаружены в Южном Китае, в Европе и Восточной Африке. Детальные исследования показывают, что все эти остатки принадлежат гоминидам.

Первая и более поздние находки представляли собой не целый скелет, а только скопления костей. Однако по ним удалось установить, что рамапитеки обладали укороченной лицевой частью черепа, характерной для гоминид. По костям видно также, что это было небольшое животное, которое, выпрямившись, достигало высоты 90-120 сантиметров (мы не знаем, насколько оно могло выпрямляться). Поза, в которой оно показано на фото 63, представляет собой предположение, как и отсутствие хвоста, который еще у нотарктуса был очень длинным. Но у более поздних гоминид и крупных обезьян хвост отсутствует, хотя он был у всех их предков. По ископаемым костям нельзя подробно рассказать об условиях, в которых жил рамапитек. Но другие ископаемые млекопитающие, кости которых найдены вместе с его костями, относятся к видам, обитавшим в тропических лесах, произрастающих на небольшой высоте. Среди этих остатков обнаружены кости крокодила, а также ископаемые пальмовые деревья. Поэтому вероятно, что гоминиды тоже жили в лесах с теплым климатом. Однако по их зубам можно заключить, что они питались мелкими фруктами, почками, молодыми листьями, личинками насекомых и, может быть, муравьями и термитами. Большая часть этой пищи могла находиться не на самих деревьях, а на поверхности земли. Поэтому можно предположить, что, живя в лесу, рамапитек все же кормился на земле. И это было начало длительного и медленного изменения образа жизни гоминид. Вместо того чтобы спускаться на землю только для еды, они спустились и остались там навсегда.

Фото 63. Реконструкция рамапитека, опирающегося одной рукой на термитник. Это животное могло успешно добывать термитов в лесах подобно современным шимпанзе

Постоянная жизнь на земле

Хотя, подобно своим родственникам - обезьянам, ранние гоминиды продолжали жить в лесу, они должны были все чаще и чаще спускаться с деревьев. В конце концов они навсегда остались на земле, предоставив деревья обезьянам. Это перемещение потребовало некоторого времени, возможно довольно длительного, и закончилось пять миллионов лет назад. Мы знаем 4 это потому, что остатки более поздних гоминид находят совместно с костями млекопитающих, живших не в лесах, а в редколесьях и сухих степях. В середине кайнозоя среда обитания гоминид изменилась, возможно, в результате движения плит земной коры. В это время происходило поднятие больших участков Северной Америки и образование гор. Похолодание и засушливость климата, бывшие результатом этих поднятий, способствовали распространению степей, и тем самым - развитию лошадей и других травоядных животных. Подобные же изменения зафиксированы геологической летописью на территории южной Евразии, Восточной и Южной Африки - районов, где были найдены ископаемые остатки гоминид этого времени. Таким образом, можно предположить, что площадь, занятая лесами, сокращалась и что их место занимали редколесья и степи.

Укороченная лицевая часть черепа гоминид с более эффективными челюстями и зубами позволяла им употреблять и более разнообразную пищу, чем та, которой питались их предки. Поэтому возможно, что, по мере того как открытых пространств становилось все больше, произраставшие на них съедобные коренья, клубни и зерна побудили гоминид спуститься с деревьев и навсегда поселиться на земле за пределами леса. Очень медленно и робко в своих каждодневных поисках пищи они покидали пределы леса и через редколесья переселялись в степи. Где-то на этом пути в "меню" гоминид появилось мясо. Учитывая эти перемены в среде обитания и пищевом рационе, мы можем перейти к рассмотрению более развитой группы ископаемых гоминид - австралопитеков.

Австралопитеки

В 1924 г. в отвалах одного из карьеров Южной Африки был найден хорошо сохранившийся маленький череп. К счастью, череп был послан в Иоганнесбург анатому профессору Р. А. Дарту, который обнаружил, что этот череп принадлежит представителю гоминид - шестилетнему ребенку, у которого еще сохранились молочные зубы (фото 64). Дарт тщательно изучил его и назвал Australopithecus africanus (дословно "африканская южная обезьяна"). Это название, как и название "рамапитек", содержит неточность, потому что австралопитек, подобно и другим ископаемым представителям того же рода, как повсеместно признано, относится к гоминидам, а не к обезьянам.

Фото 64. Череп шестилетнего ребенка австралопитека, который держит в руках профессор Дарт в своей лаборатории в Иоганнесбурге

Конечно, австралопитеки являются гоминидами, как и мы сами, но, кроме того, мы уже можем говорить о них как о людях, первобытных людях, хотя некоторые осторожные ученые предпочитают называть их примитивными человекообразными (Австралопитеков правильнее рассматривать как предшественников людей, а не как людей, представителей рода Homo. - Прим. ред).

С тех пор как они были открыты, были найдены остатки более ста особей, большей частью в различных частях Африки, но также на Ближнем Востоке и в Китае. Хотя ни в одном случае полный скелет не был найден, все же при исследовании формы тазовых костей австралопитека был получен очень важный результат. Эти кости имели такую форму, что их владельцы могли ходить прямо, как ходим мы. Данный факт, представлявший огромный интерес, все же не был удивительным. Этого следовало ожидать, потому что, если гоминиды навсегда оставили деревья и стали жить на открытых местах, вертикальное положение тела было более выгодным, чем согнутое, и естественный отбор способствовал выработке такого положения. И вертикальное положение тела является одним из доказательств, по которым мы считаем их людьми (фото 65).

Фото 65. Реконструкция австралопитека около входа в пещеру на склоне холма в Южной Африке. Сравните его более вертикальное положение с положением тела рамапитека на фото 63. С холма у пещерного входа открывается вид на засушливый ландшафт типа саванны

Другое свойство австралопитека, сближающее его с человеком, - это строение руки. Избавившись от необходимости постоянно хвататься за ветви просто для того, чтобы передвигаться, гоминиды смогли использовать свои руки для более важных целей, включая изготовление и применение орудий труда и оружия. Но, конечно, мастерство рук должно было направляться совершенным мозгом, который мог осуществлять этот контроль. Поэтому новое применение рук требовало и более совершенного мозга, увеличенного по сравнению с прежним. Ископаемые остатки показывают, что австралопитеки обладали мозгом, более крупным по отношению к размерам всего тела, чем их предшественники - рамапитеки. Объем полости в черепе, со державшей мозг, у австралопитеков составлял в среднем около 500 см^3 (приблизительно размером с большой апельсин), в то время как объем мозга шимпанзе составляет около 400 см^3 (размер небольшого апельсина), а современного человека - 1400см^3 (размер большого грейпфрута).

Насколько можно судить по сделанным до сих пор находкам, австралопитеки насчитывали несколько рас. Некоторые из них имели более хрупкое сложение, у других скелеты отличаются большей массивностью и толщиной костей. Их рост редко превосходил 135 сантиметров, они таким образом, были более низкорослыми, чем большинство рас современного человека. Мы можем представить себе, что они были покрыты шерстью (точнее, густыми тонкими волосами), возможно, несколько более редкой, чем у рамапитека. С течением времени волосы заметно редели. Когда австралопитеки бегали по земле - что было совершенно новым для гоминид, - их тело заметно нагревалось, и это тепло должно было рассеиваться как можно быстрее. Поэтому густой волосяной покров являлся уже (за исключением очень холодных районов) недостатком, от которого в ходе эволюции следовало избавиться.

Наиболее ранние ископаемые кости, достоверно принадлежащие австралопитеку, часть челюсти с зубом, найденные в северной части Восточной Африки, согласно радиометрическим определениям, имеют возраст 5,5 миллиона лет. И так как австралопитеки вымерли лишь около одного миллиона лет назад, они в целом, как группа, существовали сравнительно долго. Однако отдельные особи были не так долговечны. О возрасте, в котором человек умер, можно судить по форме и состоянию его костей. Такие оценки, произведенные по костям австралопитеков, показывают, что среди них не было особей, проживших более сорока лет, а средняя продолжительность жизни составляла всего лишь восемнадцать лет. Это напоминает повесть, "рассказанную" скелетами колонистов в Гренландии, вымерших из-за климатических условий (глава шестнадцатая). В обоих случаях кратковременность жизни явилась результатом тяжелых условий. Пища австралопитеков была грубой и ее не всегда было достаточно, к тому же приходилось считаться и с хищниками. Возможно, отчасти из-за этих врагов австралопитеки селились в пещерах, если не постоянно, то по крайней мере временами. Живя в открытой и довольно сухой стране, где растительная пища встречалась в ограниченном количестве, они постепенно были вынуждены перейти на мясо. Возможно, сначала они отгоняли хищников от их добычи, отрывали конечности или головы и уносили их в пещеры, чтобы съесть в сыром виде. Но постепенно они превратились в охотников, хотя им всегда приходилось есть все, что удавалось найти. Установлено, что жившие на одной из ископаемых стоянок Восточной Африки австралопитеки ели лягушек, мышей и других небольших млекопитающих, а кроме того, беспомощных детенышей крупных млекопитающих, например, жираф, которых они могли ловить руками. В одном из пещерных жилищ Южной Африки найдены доказательства того, что австралопитеки убивали бабуинов сильным ударом по голове, возможно, наносившимся бедренной костью другого животного.

Несмотря на то что австралопитеки часто жили в пещерах, у нас нет свидетельств того, что они умели пользоваться огнем. Они, однако, умели изготавливать примитивные орудия и отчасти еще и поэтому мы считаем их людьми, а не просто гоминидами.

Начало изготовления орудий труда представляет собой шаг огромной важности, потому что оно явилось началом производственной деятельности человека, - деятельности, которая в настоящее время достигла уровня, на котором возможно создание сложнейшей электронной аппаратуры. Производственная деятельность и другие роды деятельности человека настолько важны для истории самого человека и истории среды его обитания, что мы рассмотрим их в следующей главе. Возвращаясь к австралопитекам, мы можем суммировать их "вклад" в развитие анатомии человека следующим образом: 1) устойчивый прогресс в увеличении размеров мозга; 2) видоизменение таза, которое позволило перейти к прямохождению; 3) развитие руки, изготавливающей орудие. Этими руками австралопитеки изготавливали примитивные орудия, которые были открыты современной наукой и собраны вместе с останками самих австралопитеков.

Homo erectus

Следующая группа гоминид принадлежала к роду Hоmо, нашему собственному роду. Эта группа называется Homo erectus ("человек прямостоящий"), хотя возможно, что входящие в нее гоминиды были не намного более прямостоящими, чем австралопитеки. Эта группа включает несколько разновидностей, различающихся между собой. Раньше все они носили различные названия, как, например, яванский человек, гейдельбергский человек, пекинский человек, но все они принадлежат к одному виду.

Ископаемые остатки Homo erectus были найдены как в Европе, так и в Восточной Азии (одна из находок на Яве представляла собой череп годовалого ребенка), а также в Северной и Юго-Восточной Африке. Таким образом, похоже, что человек этого вида распространился постепенно на большей части территории Старого Света. В Южной Африке были найдены кости Homo erectus непосредственно среди костей австралопитека. Это означает, что эти две группы жили в этом районе одновременно приблизительно 1-1,5 миллиона лет назад. Homo erectus прекратил существование. 400 000 или даже меньше лет назад. Жизнь этой расы продолжалась уже в пределах последовательности ледниковых эпох, показанных кривой рисунка 62. Homo erectus были немного выше австралопитеков, в среднем их рост составлял полтора метра. Но черепа их указывают на увеличение объема мозга приблизительно до,900 см3, то есть вдвое по сравнению с австралопитеком. Мозг у человека увеличивался быстрее, чем рост. Скелет Homo erectus был сходен со скелетом современного человека, но его череп был меньше, толще и ниже, брови сильно выступали над глазными впадинами (рис. 74).

Рис. 74. Эволюция человеческого черепа за пять миллионов лет. Череп стал больше и более округлым, лицо короче и ближе к вертикальному положению, а надбровные дуги менее выпуклыми. Объем мозга показан штриховкой (масштаб не выдержан)

Большая часть наших сведений об образе жизни Homo erectus получена при изучении древней пещеры около Пекина, которая содержала большое количество костей и отбросов, накапливавшихся в течение огромного промежутка времени. Кости включают части более пятидесяти человеческих скелетов. Люди жили в этой пещере на протяжении по крайней мере полумиллиона лет. Отбросы, которые у них оставались после еды, включали кости оленя, грызунов, лошадей, верблюдов, медведей и других млекопитающих, вплоть до слонов, а также остатки растительной пищи. Тот факт, что в их рацион входило мясо взрослых слонов, указывает на то, что искусство охоты было у них развито лучше, чем у австралопитеков. Последние могли нападать на детенышей крупных млекопитающих, но для того, чтобы успешно охотиться на взрослого слона, требовалась тщательная подготовка и координированные действия всей группы.

Древесный уголь и обугленные кости среди отходов и даже прослои угля, позволяющие предположить наличие очага, который постоянно использовался для приготовления пищи, указывают на то, что эти люди готовили пищу. Это самое древнее свидетельство об использовании огня человеком (фото 66). Возможно, что сначала огонь использовался для обогревания, а затем случайно была установлена возможность приготавливать на нем пищу. Очевидно, "меню" было разнообразным - в четверг жареные крысы, в пятницу бифштекс из мяса слона. Homo erectus пользовался огнем и при охоте, а также, весьма вероятно, во время различных ритуалов. Каменные орудия для разрезания мяса употреблялись уже со времени австралопитеков, но теперь они изготавливались более искусно.

Фото 66. Реконструкция внешнего вида группы Homo erectus, который жил, вероятно, 500 000 лет назад. Мужчина сидит у входа в пещеру, изготовляя грубые орудия из камня. Другой тащит оленя, которого он убил, а женщина собирается приготовить мясо

Хотя точных доказательств по ископаемым черепам получить не удается, считается возможным, что Homo erectus обладал способностью к речи, хотя бы примитивной. Без этого было бы нелегко организовать сложную охоту; имеются доказательства того, что не только жившие вблизи Пекина, но и жившие в Западной Европе люди охотились большими группами, следуя тщательно разработанному плану.

Homo sapiens

Ранние расы. Еще до того, как вымер Homo erectus, появился новый вид Homo. Это был Homo sapiens ("человек разумный") - вид, к которому принадлежим и мы. Время, когда появились древнейшие известные нам представители этого вида, возможно, датируется 400 000 лет назад или несколько ранее. Конечно, эти первые представители относились не к современным, а к более ранним разновидностям нашего вида. Названия, которые им давались, слишком многочисленны, чтобы можно было привести их здесь все, но наиболее широко известны из них неандерталец и кроманьонец. Именно этих двух мы и опишем. Мы не знаем достоверно, как эти разновидности были связаны между собой - были ли они последовательно сменившими друг друга представителями одной и той же линии или просто родственными разновидностями, имевшими общих предков. Например, мы не знаем, был ли неандерталец родным дедушкой кроманьонца или только двоюродным дедом. Однако все они характеризовались более шарообразным черепом, со значительными колебаниями объема мозга, в среднем составлявшим около 1400см^3.

О самых ранних расах Homo sapiens известно очень мало, потому что их остатки (находимые только в Европе) немногочисленны и разрозненны. Реконструкция, воспроизведенная на фото 67, основана главным образом на косвенных данных, но она воспроизводит жизненный эпизод, характеризующий их как искусных охотников. Здесь мы должны вспомнить о трудностях, возникающих при попытках реконструировать вымершее млекопитающее по ископаемым остаткам. Как мы отмечали в девятой главе, тщательное измерение ископаемых костей дает нам надежную информацию о размерах и форме тела особи, которой эти кости принадлежали. Но очертания тела и такие признаки, как глаза, кожа и шерсть, обычно приходится воссоздавать по аналогии с ныне живущими особями. Поэтому ни одна реконструкция не бывает точной, но, видимо, большинство людей согласится, что, несмотря на все ограничения, с помощью хорошей реконструкции можно гораздо лучше понять прошлое, чем без нее.

Фото 67. Реконструкция охоты на оленя группы людей, которые являются одними из самых ранних Homo sapiens. Место действия напоминает современный Сванскомб на берегу Темзы приблизительно в 30 км ниже по течению от Лондона. Время действия более 200 000 лет назад

Может быть, именно эти люди, ранние Homo sapiens, построили первые жилища, которые были уже постройками, а не просто пещерами. По остаткам жилища, открытым на склоне холма вблизи Ниццы на Средиземноморском побережье Франции и раскопанным в 1965 г., установлено, что это сооружение имело около 18 метров в длину и 6 метров в ширину. Крыша поддерживалась древесными стволами, которые играли роль колонн. Внутри этого сооружения были найдены остатки двух очагов с обугленным деревом, кости кролика, кабана, оленя и давно вымершего слона, а также человеческие экскременты. Никаких других человеческих останков найдено не было, но кости слона и другие косвенные доказательства позволяют предположить, что эта постройка могла быть возведена уже около четверти миллиона лет назад. С этого, вероятно, началась деятельность человека-строителя.

Неандертальцы. Мы располагаем скудной информацией о более ранних расах Homo sapiens, однако нам довольно много известно о неандертальцах, расе, которая существовала на отрезке времени от 110000 и до 35000 лет назад. Полные или неполные скелеты более чем ста особей были открыты в Европе, на Ближнем Востоке, в Африке и Китае. Наше название этих людей происходит от долины реки Неандер вблизи Дюссельдорфа (бассейн среднего течения реки Рейн), где такой скелет был найден горным рабочим в 1857 г.

Неандертальцы подразделялись на две расы, из которых особенно выделялась более поздняя. Высота этих людей была всего полтора метра, руки и ноги у них были короткие, большая голова с выступающими бровями посажена на толстой шее. Несмотря на большой размер мозга, череп был несколько уплощен и основная масса мозга концентрировалась в задней части, а лобная часть, где находится центр памяти, была сравнительно небольшой (рис. 74). Живи неандертальцы сейчас, они едва ли могли бы считаться красивыми по нашим стандартам, но ясно, что они были сильными и выносливыми.

На фото 68 мы видим семейную группу на склоне холма. На склоне видны также входы в пещеры, такие, какие обычно занимали неандертальцы, и человеческие фигуры. Отец семейства набросил на себя короткую накидку из звериной шкуры, прежде чем, вооружившись копьем, отправиться на охоту. Мать прикрепляет к земле свежую шкуру, чтобы высушить ее на солнце, а двое ребятишек ведут себя, как все ребятишки. На земле лежат утка и другая птица в ожидании того, что их ощиплют перед тем, как приготовить.

Фото 68. Неандертальская семья, около 100 000-50 000 лет назад. Короткая накидка, возможно, означает, что человек стал носить одежду, так как волосяной покров на его теле постепенно исчезал. Меховая одежда, хотя и простая, должна была подходить к условиям ледникового времени. Реконструкция

Конечно, эта картина может быть обманчивой. Жизнь неандертальцев, по всей вероятности, была совсем нелегкой. Данные, полученные при изучении скелетов, показывают, что больше половины неандертальцев умирало, не достигнув двадцати лет. Такая мрачная статистика напоминает высокую смертность среди колонистов средневековой Гренландии, где условия жизни были очень тяжелы. Жизнь в пещере, особенно во время оледенений, была трудной и полной опасностей. Неандертальцы делали что могли, чтобы как-то "благоустроить" свои пещерные жилища. У входов некоторых пещер обнаружены ряды круглых отверстий, сужающихся книзу и сейчас заполненные грунтом; в них, очевидно, втыкались заостренные шесты, между которыми натягивались шкуры, чтобы защитить жилище от ветра.

Холодный ветер был не единственной опасностью, угрожавшей неандертальцам. В пещере на Ближнем Востоке был найден скелет, у которого одна рука была ампутирована каменным ножом. Мы можем предположить, что этот человек был ранен, вероятно на охоте, и что его сородичи достаточно хорошо представляли себе последствия заражения, чтобы понять, что ампутация была необходима. Радиоуглеродный возраст этого скелета - 44 000 лет. В другом месте той же самой пещеры был найден скелет со следами удара колющим оружием на ребрах. Видимо, эти раны залечивались в течение недели или двух, а затем произошел обвал свода пещеры, убивший этого человека. Это событие произошло 45 000 лет назад.

Находки в других пещерах повествуют о менее мрачных событиях. В пещере на северо-западе Италии найдены кости неандертальцев, каменное оружие и кости пещерного медведя. Пол в одном из помещений пещеры покрыт тонким слоем известняка, отложенного капающей водой. Под этим известняковым слоем залегает влажная мягкая глина. В этой глине сохранились многочисленные следы когтей медведей, которые чистили когти, как это делает домашняя кошка на ковре. Поблизости, у основания стенки пещеры, найдены маленькие шарики глины; неандертальцы скатывали руками эти шарики и бросали их в стену, где они расплющивались и падали на пол. На стенках сохранилась копоть факелов и следы закопченных человеческих пальцев. Наконец, на глиняном полу есть отпечатки человеческих ног (рис. 75), как и другие отпечатки на полу, они хорошо сохранились благодаря защитному слою известняка. Похоже, что неандертальцы здесь играли.

Рис. 75. Гипсовый слепок со следа неандертальца на пластичном глиняном полу пещеры в Италии. Форма ноги более широкая и более неправильная, чем у современного человека

Хотя издавна принято считать неандертальцев звероподобными, они, безусловно, не были такими. Результаты раскопок показывают, что они жили небольшими группами по несколько десятков человек, искусно усовершенствовали каменные орудия, которыми пользовались их предшественники, искусно охотились, регулярно пользовались огнем и украшали свои изделия цветной краской. Своих мертвецов они хоронили вместе с каменными орудиями, тщательно подобранными, и тем, что когда-то было пищей, но теперь сохранилось лишь в виде обугленных костей. Такой похоронный ритуал свидетельствует о том, что у них были какие-то представления о загробной жизни, о душе, которая должна совершить долгое путешествие в иной мир.

Современный человек. Рассматривая весь путь развития живых организмов, мы можем сказать, что современный человек появился на сцене всего лишь вчера, потому что сорок тысячелетий, прошедшие со времени его возникновения, - это ничтожная доля всего геологического времени. Но с точки зрения человеческой истории современный человек прожил уже долгую жизнь - в сорок раз больше того времени, которое прошло со времени вторжения в Англию Вильгельма Завоевателя, в двадцать раз дольше всей новой эры и почти в восемь раз больше, чем прошло со времени зарождения на Ниле египетской цивилизации. За сорок тысяч лет сменилось по крайней мере 1600 поколений; этого было недостаточно для того, чтобы эволюция существенно изменила строение человеческого скелета, но достаточно для того, чтобы Homo sapiens, обладавший самым совершенным мозгом из всех существовавших, добился поразительных успехов в технике и других менее утилитарных областях знания. Видимо, язык возник задолго до появления современного человека. В результате этого приобретенный практический опыт мог легко передаваться от одного народа к другому и от родителей к детям. При этом оставался только один шаг - изобретение письменности - для того, чтобы этот опыт мог быть записан и храниться в библиотеках для будущих поколений. Современный человек сделал этот шаг.

Фото 69. Члены группы кроманьонцев на церемонии погребения одного из них, вероятно убитого на охоте. Тело завернуто в шкуры и украшено ниткой бус из раковин; вместе с ним кладут орудия и бивень мамонта. Перед тем как засыпать могилу, тело посыпают красной охрой (лимонит или гематит). Время действия около 30 000 лет назад. Реконструкция

Самыми ранними представителями современной расы были кроманьонцы, названные так по названию пещеры в юго-западной Франции, где было найдено большое количество их скелетов. С точки зрения анатомии эти люди были более развиты, чем неандертальцы, и выглядели в полной мере современными (фото 69). Они были высокими, выше, чем средний житель современной Европы. Многие из них достигали 180 сантиметров, а один скелет достигал длины почти двух метров. Они были хорошо сложены, с более высокими, округлыми и узкими головами, чем неандертальцы (рис. 74). Не подлежит сомнению, что, если бы мы увидели кроманьонца на улице современного города в такой же одежде, какую носим мы, он не привлек бы особого внимания. Действительно, некоторые ученые полагают, что кроманьонцы были прямыми предками современных североевропейских рас, что они были вытеснены на север и запад позднее вторгшимися в Европу с юго-востока совершенно иначе сложенными людьми ("средиземноморскогр типа") и что люди кроманьонского типа до сих пор могут быть встречены в западной части Британских островов и Норвегии. Что касается происхождения самих кроманьонцев, то мы зшйм только, что они появились в Европе внезапно и очевидно пришли с юго-востока. Приблизительно в то же самое вфемя, 35 000-40 000 лет назад, в Восточной и Юго-Восточной Азии, Австралии и Африке начали появляться другие расы современного человека. По-видимому, на большей части Старого Света происходили миграции человека, хотя, как мы знаем, обе Америки еще не были заселены. Итак, мы прорледили развитие гоминид (рис. 76) и кратко обрисовали облик каждой группы. Но, хотя одной из основных характеристик, выделяющих человека из прочих млекопитающих, является способность изготавливать орудия и создавать произведения искусства, мы почти ничего не сказали об этих орудиях и искусстве. Эти предметы составляют настолько важную часть позднейшей истории человека, что заслуживают, чтобы их рассмотрели отдельно.

Рис. 76. Время существования (жирные линии), средняя высота и предполагаемый облик шести видов гоминид

Литература

Соrnwall I. W., 1968, Prehistoric animals and their hunters: Praeger, New York. Hоwell F. C., Editors of "Life", 1965, Early Man: "Time", Inc., New York. (Life Nature Library).

Hоwells W. W., 1966, Homo erectus: "Scientific Arherican", vol. 215, p. 46-53.

Кurten Bjorn, 1972, Not from the apes: Pantheon Books, New York.

Pilbeam David. 1970, The evolution of man: Funk and Wagnalls. New York.

Rоmer A. S., 1964, The vertebrate story: Univ. of Chicago Press, p. 309-340, 351-411.

Глава девятнадцатая. Доисторическая эволюция культуры

Происхождение человека

Из обзора развития современного человека, данного в предыдущей главе, видно, что этот процесс представлял собой целый ряд изменений. Они прослеживаются в виде непрерывной цепи, хотя ископаемые остатки характеризуют не всю их последовательность. Пока еще очень немногочисленные абсолютные датировки ископаемых остатков помогли расположить их в логическом порядке. При этом оказалось, что остатки самого примитивного строения являются также и самыми древними, а наиболее развитые - самыми молодыми. Летопись ископаемых остатков дошла до нас в отрывочном виде, но мы считаем, что история, рассказанная ею, в общих чертах правильна. И все-таки нам до сих пор еще трудно осознать, что представление о человеке как ископаемом, человеке - изготовителе каменных орудий, человеке, связанном кровным родством с другими млекопитающими, - что это представление сформировалось в умах ученых немногим более века назад начиная с 1860 г. Достоянием же широкой публики этот крупйейший шаг вперед в познании происхождения человека стал гораздо позже.

В течение многих веков люди случайно находили в разных местах каменные орудия. Иногда наиболее проницательные из них догадывались о значении этих орудий. Другие же считали их не изделиями древнего человека, а "громовыми стрелами" или приписывали им магическое происхождение. Но гораздо большее число людей не задумывалось над этим вопросом вообще. В 1857 г., в одной из пещер юго-восточной Англии каменные орудия были найдены вместе с ископаемыми - костями вымерших носорога, гиены и других давно исчезнувших животных. За этой находкой, потрясшей умы ученых, вскоре последовали и другие подобные открытия. Книга Чарлза Дарвина "Происхождение видов", вышедшая в свет в 1859г. и содержавшая изложение теории эволюции организмов путем естественного отбора, открыла многим глаза и постепенно покончила с представлениями о том, что человек появился на Земле только несколько тысяч лет назад. Несмотря на бурные протесты, идея о развитии человека из примитивных гоминид постепенно восторжествовала.

Артефакты и их распространение

Проследив развитие анатомии человека, мы можем проследить эволюцию артефактов - различных предметов, созданных или по крайней мере обработанных человеком. Временами можно видеть, как обезьяна подбирает палку и использует ее, чтобы достать пищу. Но палка - это еще не артефакт, потому что артефакт - это предмет, изготовленный с заранее обдуманной целью. И так как эта цель хорошо известна, артефакт изготавливается по какому-то определенному образцу, и этот образец может быть воспроизведен, и действительно воспроизводится, множество раз. Все молотки, безразлично, сделаны ли они из камня или стали, должны быть твердыми, тяжелыми, прочными, и форма их должна быть удобна для нанесения ударов. Эволюция подобного орудия более чем за миллион лет показывает, что конструкция его в деталях со временем изменилась, но в целом молоток сохраняет свое назначение. Ни обезьяны, ни какие-либо другие животные не могли изготавливать артефакты; единственным исключением является человек. Гибкие пальцы и противопоставленный остальным большой палец, развившиеся на ранних этапах у предков человека для хватания ветвей деревьев, способность к прямохождению, развившаяся позже, когда предки человека уже спустились с деревьев на землю, большой мозг, который может придумывать приспособления для различных нужд, - все это сделало человека единственным, кто может изготавливать орудия и другие артефакты (Ф. Энгельс в своем труде "Диалектика природы" следующим образом характеризует вопрос о происхождении человека: "Под влиянием в первую очередь, надо думать, своего образа жизни, требующего, чтобы при лазании руки выполняли иные функции, чем ноги, эти обезьяны начали отвыкать от помощи рук при ходьбе по земле и стали усваивать все более и более прямую походку. Этим был сделан решающий шаг для перехода от обезьяны к человеку". - Прим. ред).

Наиболее древние артефакты - это орудия, оружие и украшения. Они рассказывают нам об истории людей столько же, если не больше, сколько и человеческие скелеты. И так как артефакты и ископаемые кости человека обычно находят вместе в одних и тех же местах, мы можем установить связь артефактов с людьми, которые их изготавливали и использовали.

Ученые собирают и изучают артефакты так же, как и ископаемые остатки. По артефактам, как и по ископаемым организмам, могут распознаваться слои, в которых они найдены. Но, как правило, это не отложения горных пород. Чаще это слои отходов и мусора, оставленные людьми в древние времена на полу пещеры или ниши. Когда в далеком будущем ученые придут на место свалки отходов большого города, предположим, в Новой Англии, они обнаружат при раскопках, что эта свалка состоит из многих сменяющих друг друга слоев. В одном из слоев, который к тому времени будет залегать довольно глубоко, найдут сломанные телевизоры, радиоприемники, автомобильные шины и разбитые электрические лампочки. Ниже будет идти слой, в котором будут радиоприемники, шины и лампочки, но не будет телевизоров. Еще ниже - слой с электрическими лампочками, но без радиоприемников. Еще ниже - слой с разбитыми светильниками и обрывками лошадиной упряжи. Затем, вероятно, будут попадаться старые щипцы для снятия нагара со свечей и кустарная глиняная посуда. Таким образом, в раскопках будут представлены по крайней мере 150 лет американской индустриальной культуры.

В пещерах, нишах под небольшими скальными выступами (фото 70) встречается множество свалок мусора доисторического человека. Во многих таких местах пол представляет собой верхнюю поверхность свалки - груды мусора толщиной в несколько метров. Эти отходы накапливались в некоторых местах больше 100 000 лет, в течение жизни 5000 поколений людей. В грудах мусора скапливались самые различные вещи, которые падали на пол и затаптывались. Но вещи, состоявшие из дерева и других растительных материалов, кусочки мяса и шкур разложились и сгнили. Сохранились только камни, некоторые кости, зубы, слоновая кость и раковины, смешанные с глиной и песком, принесенными и утрамбованными ногами человека. Время от времени к груде отходов добавлялись глыбы, обваливавшиеся с потолка пещеры. Иногда здесь же хоронили мертвых - мусорные кучи служили также и кладбищем. Это позволяет понять, почему при раскопках в пещерах и изучении слоев отбросов артефакты часто можно сопоставлять со скелетами и даже разрозненными костями и можно узнать, кем были изготовлены артефакты.

Фото 70. Скальный грот под выступом юрского известняка на реке Эн в юго-восточной Франции. В нижней части снимка видны частично вскрытые отложения, выполняющие грот. Они представлены культурными слоями, перемежающимися с включениями песка, который был принесен рекой в эпоху последнего оледенения, когда граница альпийского ледника приблизилась к данному месту. В какой-то момент времени ледник находился всего в 15-30 км, но никогда не достигал грота. Заполнение содержит по крайней мере три слоя, образовавшиеся во время обитания здесь человека приблизительно 20000, 16000 и 7000 лет назад. В каждом слое находятся характерные орудия

Артефакты из всех горизонтов, кроме самых верхних, главным образом представляют собой орудия и оружие, сделанные большей частью из кварца. Этот минерал, и особенно его некристаллическая разновидность - кремень, очень подходит для изготовления орудий. При быстрых ударах, нанесенных под соответствующим углом, от него откалываются тонкие пластинки, образуя вогнутые щербинки, вроде тех, которые мы с неудовольствием видим на краях фарфоровых тарелок. С помощью такой обработки куску кварца можно придать различную форму, в том числе и с острыми краями. Так как кварц очень твердый минерал, тверже обычной стали, он хорошо сохраняет приданную ему форму. Будучи необычайно устойчив химически, кварц хорошо противостоит выветриванию. Он гораздо устойчивее костей, состоящих в основном из фосфата и карбоната кальция. Поэтому артефакты, изготовленные из кварца, уцелели во многих случаях, в то время, как кости, когда-то захороненные вместе с ними, были уже полностью разрушены химическим выветриванием. Можно отметить, что история человечества, кроме самой последней ее части, буквально записана на кварце.

Стратиграфия артефактов

Артефакты классифицируются по способам их изготовления и отраженному в них уровню мастерства. По мере продвижения от более древних к более молодым кайнозойским слоям (частично естественным, частично представляющим собой отходы человеческой деятельности) мы находим артефакты, изготовленные все более искусно. До некоторой степени это напоминает эволюционные изменения ископаемых организмов при переходе от нижних к верхним пластам осадочных пород. Но это сходство лишь частичное. Эволюция ископаемых организмов является непосредственным результатом нецеленаправленного естественного отбора. Эволюция артефактов - результат сознательных усилий человека. По мере того как физические и умственные способности гоминид постепенно совершенствовались естественным отбором, они могли изготавливать орудия все лучше и лучше. Таким образом, ископаемые организмы отражают эволюцию прямо, а артефакты - косвенно.

Артефакты ясно показывают, что мастерство человека совершенствовалось со временем, сначала медленно, а потом все быстрее. Новые навыки в изготовлении орудий переходили из одного района в другой и даже с одного континента на другой. Мы находим артефакты, изготовленные с определенной степенью мастерства, в слоях приблизительно одинакового возраста в достаточно далеко отстоящих друг от друга районах. Благодаря этому артефакты, подобно ископаемым остаткам организмов, позволяют сопоставлять или коррелировать, хотя бы приблизительно, слои отходов человеческой деятельности в отдаленных друг от Друга местах обитания человека.

По данным находок из различных слоев, каждый из которых характеризуется определенным типом артефактов, были составлены схемы, несколько напоминающие геохронологическую шкалу, приведенную в таблице 1. Это сходство объясняется тем, что они были построены и постепенно совершенствовались почти одинаково, путем новых находок и новых радиометрических датировок, а также все более точных корреляций. Таблица представляет собой сильно упрощенный пример такой схемы. Хотя она построена в виде геологической колонки, она основана главным образом на находках артефактов, в то время как собственно геологическая колонка основывается на находках ископаемых организмов. Тем не менее обе колонки могут быть приведены к одному масштабу с помощью радиометрических датировок, что позволяет поместить их рядом и сравнить. Такое сравнение дано в таблице 5. В нижней части эта таблица не ограничена, так как мы пока не знаем, когда были изготовлены первые артефакты. Наиболее древние из найденных до настоящего времени артефактов имеют возраст около двух с половиной миллионов лет и были найдены в Восточной Африке. Так как наиболее древние останки австралопитека более чем вдвое древнее этих артефактов, вероятно, существуют и более древние простейшие артефакты. Но если это так, то их открытие - дело будущего.

Таблица 5 Типы артефактов, культуры, связанные с ними, и некоторые датировки

В нашей таблице, помимо столбца, где указан возраст, есть еще два столбца. В одном из них дан тип артефакта, в другом - название культуры, - интервала времени, в течение которого изготавливались различные артефакты. По своему содержанию культуры аналогичны периодам геохронологической шкалы, например меловой период представляет собой промежуток времени, в течение которого жили определенные виды животных и растений, остатки которых находят теперь в меловых отложениях.

Галечные орудия; начало древнего каменного века

Как мы видим из таблицы 5, наиболее древние артефакты это галечные орудия. Такое название дано им потому, что они представляют собой гладкие, округлые или уплощенные гальки и мелкие валуны, которые гоминиды подбирали в русле ручья или на берегу и грубо обрабатывали так, чтобы придать им острый, хотя и неровный край (рис. 77). Вероятно, обработка вначале осуществлялась с помощью другого камня, который они держали в руке и использовали в качестве отбойника. Позднее с этой же целью могла использоваться берцовая кость животного. С помощью длинной кости мог наноситься более резкий и более точный удар. Полученное галечное орудие, своего рода грубое рубило, могло использоваться для разрубания маленьких палок или мяса и для скобления сырых шкур.

Рис. 77. Два галечных орудия; одно очень грубое, другое сделано более искусно. Полученный при изготовлении отщеп мог использоваться для снятия шкур

И тут закономерно возникает вопрос: а как же первобытные люди сдирали с животных шкуры? Конечно, не с помощью этих обработанных галек. Но вместе с гальками мы находим мелкие тонкие осколки кварца, которые предположительно откалывались от камня в процессе изготовления галечных орудий. Возможно, при обдирании шкур использовались эти отдельные осколки; если это было так, то осколки кварца были древнейшими ножами, использовавшимися человеком.

Хотя галечные орудия были пригодны лишь для самой грубой работы, однако ими пользовались в течение по крайней мере двух миллионов лет, постепенно их совершенствуя. Их использовали в основном австралопитеки, а в конце периода, возможно, и Homo erectus.

Изготовление первых галечных орудий означало начало палеолитического века - древнего каменного века. Этот век охватывает не только начало изготовления таких орудий, но и постепенное их усовершенствование. Но они еще долгое время изготавливались из камня способом обкалывания. Древний каменный век, век обработки кварца путем обкалывания, кончился только немногим более 12 000 лет назад. Это означает, что люди пользовались каменными орудиями в 350 раз дольше, чем металлическими, и что процесс познания шел очень медленно. Однако в течение всего древнего каменного века технический прогресс не стоял на месте. Постепенно в обработку кварца вносились усовершенствования.

Ручные рубила

Наиболее древним усовершенствованием было медленное, долгое превращение простого галечного орудия в ручное рубило. При его изготовлении обкалывание куска кварца производилось не просто с одного края, а по всей поверхности, так что создавалось изделие более плоской формы, которое можно было легко держать в руке (рис. 78). Края его получались прямее и острее, если откалывалось не несколько крупных осколков, а много мелких. При таком мелком обкалывании использовался отбойник, сделанный из небольшой кости, куска рога или палочки.

Рис. 78. Ручные рубила. А. Грубое орудие, использовавшееся около 300 000 лет назад. Б. Улучшенный вариант, использовавшийся около 50 000 лет назад

Люди древнего каменного века изготовляли орудия таким методом без особого труда, потому что они имели соответствующие навыки. Можно сказать, они были специалистами. Без сомнения, дети наблюдали работу своих родителей и подражали им, а затем учились на практике, Некоторые современные антропологи также приобрели практические навыки в этом искусстве. Они доказали, что человек может придать куску кварца форму идеального ручного рубила всего за несколько минут. Немногим больше времени они затрачивали на изготовление более сложных орудий, характерных для позднего отрезка древнего каменного века.

Более поздние артефакты

Описанным выше способом изготовляли орудия вид Homo erectus и расы Homo sapiens, жившие в интервале от одного миллиона лет до 40 000 лет назад. Приблизительно 40 000 лет назад одна из позднейших рас ввела значительное усовершенствование в изготовление орудий, изобретя так называемую отжимную технику. К краю изготавливаемого изделия человек прижимал под точно рассчитанным углом заостренную кость или кусок дерева, напоминавший довольно толстый карандаш. Давление заставляло отделяться от изготавливаемого орудия очень мелкие осколки (отщепы). При этом способе контролировались и величина и положение каждого осколка, что позволяло точно определять форму получающегося орудия. Благодаря такому контролю при использовании отжимной техники стало возможно изготовлять орудия, очень точно подходящие по форме для различных целей. Например, маленький плоский осколок, заостренный с одной стороны, служил шилом для прокалывания дыр в шкурах или в небольших кусках дерева, а заостренные с двух сторон плоские обломки с острым концом изготавливались для того, чтобы укрепляться на конце короткого древка и служить копьем.

Большую роль в изготовлении тонких инструментов сыграл тот факт, что осколки, отделяющиеся при обработке орудий, и сами могли быть обработаны и использованы. Древние мастера научились откалывать от кусков кварца тонкие пластинки длиной десять сантиметров и более и затем изготавливать из них острые ножи, небольшие пилы, скребки для шкур, служащих одеждой, и наконечники копий. Орудия становились постепенно все более разнообразными и специализированными. В интервале между 25 000 и 12 000 лет назад они были окончательно усовершенствованы кроманьонцами. Еще до них поздние неандертальцы начали обрабатывать не только кварц, но также кости и бивни мамонта, но кроманьонцы зашли в этом искусстве дальше. Среди их весьма специализированных инструментов есть даже тонкие костяные иглы с отверстиями (рис. 79). Как можно судить по этим и другим находкам, кроманьонцы, очевидно, носили хорошо сшитые одежды из шкур. Было найдено много захоронений, из которых ясно, что по крайней мере наиболее важных людей хоронили, кладя с ними в могилу пищу, орудия и украшения (сделанные гораздо лучше, чем неандертальские). Это указывает также на то, что кроманьонцы верили в загробную жизнь.

Рис. 79. Образцы орудий кроманьонцев. Специализированные орудия, изготовленные из кварца с помощью отжимной техники (А - В), и орудия из кости и бивня мамонта, обработанные резанием и шлифованием (Г, Д). Представлены: 'серп', 'пила', нож, наконечник гарпуна и игла с ушком

Начало искусства

В период 30 000-15 000 лет назад, в то время когда последнее оледенение достигало максимального распространения, общины кроманьонцев разрастались. В Западной и Центральной Европе люди жили в пещерах, причем во многих из них вход был защищен каменной стенкой. Там, где пещер не было, люди поселялись в жилищах из звериных шкур, натянутых на каркас из кости, бивней или дерева. Хозяйство почти целиком основывалось на охоте, в которой участвовали большие группы мужчин (фото 67), а женщины, вероятно, собирали ягоды, плоды, орехи, семена и корни, какие удавалось найти. Но в основном питание состояло из мяса крупных млекопитающих ледниковой эпохи - северного оленя, лошади, шерстистого носорога и мамонта. Эти же животные давали шкуры для одежды и кость для различных изделий.

Рис. 80. Великолепный рисунок бизона, нарисованный красками на стене пещеры в северной Италии около 15 000 лет назад

Возможно, именно той большой ролью, которую играла охота в жизни этих людей, объясняется развитие искусства. Кроманьонцы не только рисовали превосходные картины на стенках и потолках больших пещер. Они оставили также выразительные резные изображения на кости или мамонтовых бивнях и статуэтки. Их картины изображали главным образом животных, которые шли в пищу, и довольно часто они изображались раненными или убитыми на охоте. Рисунки людей, хищников и мелких животных отсутствуют. В жилых пещерах пол сложен отходами деятельности человека, но в них нет росписей, которые обнаружены только в больших пещерах, где следы жизни человека отсутствуют. Если сопоставить эти факты, кажется правдоподобным, что большие пещеры, украшенные живописью, были ритуальйыми местами (до некоторой степени соответствующими храмам или масонским ложам), где все племя собиралось, чтобы обеспечить успех охоты. Животное, которое они хотели убить, было нарисовано на стене или потолке, и совершался тайный обряд или ритуал, возможно, изображалась сцена самой охоты. Некоторые нарисованные или вырезанные изображения были сделаны с таким талантом и мастерством, что, вероятнее всего, это была работа отдельных членов племени, которые обучались мастерству художника. В это легко поверить, потому что мозг и рука кроманьонца неотличимы от наших. И все же, несмотря на такую специализацию, представляется, что искусство впервые вошло в сферу человеческой жизни не как чистое искусство, а как своего рода прикладное искусство, имеющее весьма практическую цель - увеличение количества пищи путем колдовства.

Рис. 81. Голова лошади, вырезанная из рога северного оленя художником эпохи самого конца позднего палеолита около 10 500 лет назад

Однако живопись и рисунки кроманьонцев отмечены таким высоким мастерством, что они действуют на нас как настоящие произведения искусства. Изображения явились результатом пристального вдумчивого наблюдения за животными, на которых обычно кроманьонцы охотились, и полны силы и энергии. Эти черты отчетливо видны в изображении мамонта (рис. 34) и в более тщательно выполненных произведениях искусства, которые можно видеть на рисунках 80 и 81. Хотя картины обнаруживают замечательные познания их авторов в анатомии животных, в большинстве их отсутствует чувство композиции и компоновки, что опять-таки наводит на мысль, что эти картины создавались для церемониальных целей.

Кроме этих превосходных картин, кроманьонцы создавали украшения для людей. Сначала это были ожерелья из раковин, зубов, медвежьих когтей и резной слоновой кости. Возможно, вначале их носили только вожди во время ритуальных церемоний. Но значительно позднее их стали носить в качестве украшений и женщины.

Новый каменный век

Так или иначе, с помощью колдовства или без него, но кроманьонцы были искусными и удачливыми охотниками. Постепенно они истребили - или способствовали истреблению - крупных млекопитающих в Европе. По костям, найденным в грудах мусора и дополненным радиоуглеродными датировками, можно проследить, как менялся их рацион на протяжении 20 000-30 000 лет. Крупные млекопитающие ледниковой эпохи были истреблены примерно 12 000 лет назад, и люди стали употреблять в пищу главным образом мясо лошадей, оленей и более мелких животных. Количество пищи уменьшалось, а численность населения, питающегося мясом, возрастала. По тщательным расчетам, именно в это время кривая численности населения начала изгибаться ввепх, принимая почти вертикальное положение (рис. 82). За период продолжительностью 24 000 лет - между 30 000 и 6000 лет назад - население, согласно расчетам, возросло более чем в 28 раз (за последние 6000 лет, вчетверо меньший промежуток времени, численность населения возросла еще в 42 раза).

Рис. 82. Рост населения в мире за 300 000 лет. Четыре столбика справа должны быть составлены вместе так, чтобы сформировать единый высокий столбик; полученный высокий столбик будет пропорционален остальным. В 1970 г. в мире было в пять раз больше людей, чем в 1750 г

Когда число ртов стало больше, а крупных или даже средних животных-меньше, люди обратились к более мелким животным, птицам и рыбам. Они пользовались луком и стрелами и охотились меньшими группами, собирали также различные виды растительной пищи, включая семена диких растений. Вскоре люди обнаружили, что, если семена не есть, а посадить в грунт, они превращаются в растения с еще большим количеством семян. Это открытие сделало доступным новый источник пищи - зерно, заменяющее мясо, которого становилось все меньше. В свою очередь посевы привели к появлению нового образа жизни, который начал приобретать определенные черты около 9000 лет назад. Вместо того чтобы жить в пещерах, как охотничьи племена, группы людей постепенно стали возделывать зерновые культуры и жить в жилищах, которые они сами строили непосредственно на обрабатываемой ими земле. Жизнь их стала оседлой, и стали появляться деревни.

Постепенно изменился характер всего общества. Эти изменения начались на Ближнем Востоке, где климат был сравнительно сухой и леса и лесная дичь встречались редко. Позже они распространились и на более влажные, густо заселенные земли Европы, где все еще встречалась какая-то дичь и где для того, чтобы сажать зерновые, приходилось расчищать землю от больших деревьев.

Постепенная расчистка лесов Европы нашла отражение в изменении состава ископаемой пыльцы, которую находят в отложениях, заполняющих мелкие озера и болота (рис. 65). В этих отложениях пыльца древесных пород постепенно уступает место пыльце сорняков, которые произрастают только на расчищенных землях. Даже первобытным "фермерам" сорняки уже доставляли хлопоты.

Переход от чисто охотничьего образа жизни к более оседлой жизни земледельцев вызвал изменения и в используемых орудиях. Орудий охоты становится меньше, а количество хозяйственных приспособлений увеличивается. Из глины люди лепили и обжигали горшки для хранения воды или зерна или для других целей. Топоры и другие каменные орудия теперь не обтесывались, а обтачивались и полировались. Именно такими топорами расчищались леса для первобытного земледелия.

Фото 71. Неолитические жилища, построенные около 5000 лет назад на сваях на озере в Швейцарии. Реконструировано по остаткам дерева, сохранившимся в иле на дне озера. Обратите внимание на сети и лодку

Расчистка лесов и более оседлая жизнь, естественно, привели к одомашниванию животных. Есть доказательства того, что козы были одомашнены уже 8500 лет назад, а вскоре такая же участь постигла овец. И кроманьонцы и неандертальцы охотились на рогатый скот, а затем этот скот был одомашнен и тем самым были заложены основы современной мясной и молочной промышленности.

Все это - керамика, шлифованные каменные орудия, постоянные жилища, построенные из дерева или глиняных кирпичей, домашние животные, тканая одежда и плетеные корзины - характеризует культуру неолита (нового каменного века), который продолжался несколько тысяч лет (табл. 5) (фото 71, рис. 83). К неолитическому времени относится постройка самого древнего из известных нам городов. Иерихон, расположенный немного севернее Иерусалима, уже 8200 лет назад был процветающим городом, построенным из глиняных кирпичей, причем к этому моменту как город он существовал уже очень давно.

Рис. 83. Изделия эпохи неолита из Западной Европы. А. Керамический кувшин с ручкой (Швейцария). Б. Шлифованный топор, изготовленный из куска вулканической породы.'Отверстие сделано для деревянной рукоятки (обозначенной пунктирными линиями) (Австрия). В. Кремневый кинжал с лезвием и удобной рукояткой (Скандинавия)

По мере того как возрастало техническое мастерство неолитического человека, закономерным шагом было открытие руд и разработка способов плавить их и изготовлять из металла более совершенные орудия, чем каменные, и более долговечные сосуды, чем глиняные. Применение бронзы, железа и серебра началось уже 7000 лет назад, и постепенно на смену новому каменному веку пришел век металлов, продолжающийся и до сих пор. Применение металлов для изготовления орудий - это совсем недавнее усовершенствование. Наши предки изготавливали орудия из камня и пользовались ими по крайней мере в 370 раз дольше, чем орудиями из металла, которыми человек пользуется уже в течение 7000 тыс. лет.

Первобытный человек в Америке

В Африке и Евразии первобытный человек широко расселился в конце кайнозоя, однако мы не располагаем какими-либо очевидными данными о том, насколько давно появились люди в Америке. Хотя велись упорные поиски, не было найдено ни остатков человека, ни орудий древнее 14 000 лет.

Древнейшие американские орудия - это маленькие каменные острия, использовавшиеся как наконечники коротких деревянных стрел или дротиков (рис. 84). Они имеют очень характерный облик с тонко обработанными отжимной техникой краями и широкой бороздой или желобком посреди каждой уплощенной стороны, где наконечник укреплялся в расщепе деревянного древка. Благодаря такой форме они получили название "желобчатых наконечников метательных орудий". Стрелы с такими наконечниками выпускались с большой скоростью с помощью метательных палок. Метод изготовления наконечников стрел был подобен тому, которым пользовались кроманьонцы, охотившиеся на крупных животных в Евразии. Считается вероятным, что когда эти люди распространились по всей Северной Азии, следуя за стадами крупных млекопитающих, то некоторые из них - может быть, всего несколько сотен - прошли по перемычке суши, соединявшей тогда Сибирь с Аляской. Так как уровень моря в последнюю ледниковую эпоху снижался, в интервале от 30 000 до 12 000 лет назад здесь существовал широкий сухопутный мост. Может быть, охотники, жившие в конце древнего каменного века, прошли по этой перемычке не все сразу. Возможно, они переселялись небольшими группами, из нескольких семей каждая, в течение долгого времени. Они могли жить на Аляске и охотиться на многочисленных здесь млекопитающих в течение тысяч лет, пока не началось таяние ледяного покрова и не открылся коридор вдоль восточного подножия Скалистых гор (рис. 63). Мы предполагаем, что этот кочующий народ, живший во временных поселениях и искусно охотившийся на крупного зверя в течение тысяч лет в Сибири и на Аляске, двинулся к югу по этому коридору и, достигнув территории теперешнего штата Монтаны, распространился по всей обширной области к югу от ледника. Растительность, которую они там нашли, схематично показана на рисунке66. Среди крупных животных, на которых они охотились, были главным образом мамонты, слоны, мастодонты, бизоны, лошади, верблюды, тапиры и крупный наземный ленивец. Именно эти люди могли быть главной причиной исчезновения крупных млекопитающих за короткое время, согласно вышеизложенной гипотезе. Так ли это было или иначе, этот народ перемещался к югу и за короткое время достиг южной оконечности Южной Америки. И на обеих Америках появились первые обитатели - люди.

Рис. 84. Два типичных наконечника дротиков с желобком и нож, сделанные древнеиндийскими охотниками на крупных животных в Колорадо 10 000 или более лет тому назад

За охотниками каменного века, часто называемыми палео-индейцами, в течение следующих тысячелетий последовали и другие переселенцы из Юго-Восточной Азии. Континентальная перемычка была затоплена талыми водами ледников, которые стекли в океан, но наиболее поздние переселенцы легко могли пересечь Берингово море на примитивных лодках. Это были носители неолитической культуры, и о них часто говорят, как о неоиндейцах. Задолго до их прибытия крупная дичь почти уже исчезла. Некоторые из этих переселенцев охотились на более мелких животных, другие, поселившиеся по побережью, пользовались дарами моря; третьи были земледельцами, а какая-то часть добывала себе средства к существованию всеми перечисленными способами.

Никаких следов позднейшей истории палеоиндейцев не обнаруживается, поэтому мы не знаем, насколько они смешались с позднейшими переселенцами. Но смешивались они или нет, потомки этих групп жили в Северной Америке в течение тысяч лет. Именно их встретили и норвежцы, и Колумб, и пассажиры "Мэйфлауэра", высадившиеся в Америке.

Прошлое и будущее Homo sapiens

Где-то в туманном прошлом, на границе нового каменного века и века металлов, появилась древнейшая известная нам письменность. Располагая письменностью, люди могли накапливать знания и передавать их своим потомкам, исключив потерю информации при устной передаче от поколения к поколению. С этого начинается история, основанная на письменных документах и резко отличающаяся от более длительного отрезка истории, основанной только на ископаемых остатках и других неписьменных документах, которые мы описывали во многих главах.

Мы посвятили истории культуры только одну главу, потому что эта область всем нам гораздо лучше знакома. Мы видим плоды культуры вокруг нас каждый день. Путь, который прошла культура с самого ее возникновения, тянется два или три миллиона лет, в то время как путь эволюции, в тысячу раз более длинный, представляет собой процесс, который сделал возможным в конце концов возникновение культуры. Его следы менее очевидны и не так хорошо понятны. Как представители определенного вида, принадлежащего к определенному роду и определенной группе позвоночных, мы не просто обитатели Земли; мы представляем небольшую часть ее биосферы. Углерод, водород, азот и кислород, из которых состоят наши тела, принадлежат к числу элементов, входящих в состав Земли. Форма нашего тела и наши умственные способности являются продуктами длинной цепи эволюционных изменений, направлявшихся природными условиями, в которых жили наши отдаленные предки (И конечно, на эволюцию человека оказывали воздействие также социальные отношения людей. - Прим. ред).

Эта цепь привела от чисто биологической эволюции к эволюции культуры, в которой век металлов подразделяется на век машин, век электроники, ядерной энергии, все более быстро сменяющие друг друга. В течение последних 30 000 лет численность человечества увеличивается со все возрастающей скоростью. Только недавно мы начали думать об отрицательных сторонах скопления миллионов людей на ограниченной территории. И мы только еще начинаем понимать, что страны с развитой промышленностью нередко нарушают круговорот воды и связанный с ним круговорот химических элементов. Нарушается биологический цикл, загрязняется атмосфера, которая снабжает нас кислородом, и гидросфера, которая дает нам воду, - эти два основные ингредиента жизненного процесса. Мы создаем отходы, которые убивают живые организмы и не могут быть легко разложены на составные компоненты. Проблемы, вызванные к жизни всеми этими нарушениями и загрязнением, огромны. Только человек может решить эти проблемы.

Мы подчеркиваем тот факт, что современный человек, Homo sapiens, представляет собой биологический вид, хотя это не значит, что человек - это животное и ничего больше. Люди отличаются от других животных, так как они появились в результате длительного развития и конкуренции с другими видами за господствующее положение среди живых организмов. Летопись ископаемых остатков говорит нам о том, что до появления Homo sapiens эволюция не имела строгой направленности. Это была серия приспособлений, которые сопровождались изменениями генов и контролировались изменениями условий среды обитания. Но в человеке разумном эволюция сознания зашла так далеко, что мы обладаем уникальной способностью познания, способностью увидеть себя со стороны в связи с окружающей нас средой и остальной вселенной и передать будущему поколению накопленные знания, составляющие основу культуры. Содержание этой культуры определяем мы сами, благодаря нашей способности выбирать и принимать сознательные решения. Отсюда вытекает планирование нашего собственного поведения.

Ясно, что люди больше не формируются под влиянием исключительно среды обитания. Мы в значительной степени можем контролировать среду. Такой властью не обладает ни один другой вид. Но обладание властью всегда связано с ответственностью. Ответственность - это чувство долга, обязанность, в данном случае по отношению к другим людям, к другим существам и к природным процессам, происходящим на Земле, - обязанность защитить нашу среду от разрушения. Способность быть ответственным, которой из всех живых существ обладает только человек, может быть, и есть главная особенность того, что мы называем цивилизацией. Это уникальное свойство имеет длинную эволюционную предысторию, на нашем понимании его основывается этика, философия, базирующаяся на эволюции Земли, которую мы проследили в этой книге.

Благодаря умственным способностям, которые нам дала эволюция, мы можем рассматривать и прошлое и будущее; мы смотрим назад с помощью летописи геологических пластов и содержащихся в них ископаемых. В этой летописи мы находим ключ к пониманию циклов процессов, протекающих на Земле, и к реконструкции событий прошлого Земли. Мы воссоздали историю. Этот обзор прошлого, хотя и неполный,- торжество человеческой мысли, и мы имеем право им гордиться. Нас еще не было - мы не могли видеть этих событий далекого прошлого, мы пережили их только в нашем воображении. И все же мы уверены, что они происходили, потому что можем находить свидетельства их существования, делать на основании этого заключения и таким образом воссоздать длинную историческую последовательность событий, которые происходили задолго до нас.

Та же способность позволяет нам заглянуть в будущее с чувством ответственности, которая лежит на нас по отношению к нам самим, к другим живым существам и к окружающей среде, в которой мы обитаем. Мы можем представить себе ужасные последствия вызванных человеком изменений в циклах природных процессов и исключить те изменения, которые для нас невыгодны. Если это не удастся человеку Homo sapiens, то этого не сумеет сделать никакой другой биологический вид.

Литература

Вraidwооd R. J., 1961, Prehistoric men: Chicago Natural History Museum, Popular Series, "Anthropology", Ms 37. (Paperback.)

Hоwell F. C., Editors of "Life", 1965, Early man: "Time", Inc., New York. (Life Nature Library.)

Jennings J. D., 1969, Prehistory of North America: McGraw-Hill Book Co., New York.

Pilbeam David, 1970, The evolution of man: Funk and Wagnalls. New York.

Uсkо P. J.. Rosenfeld Andree, 1967, Palaeolithic cave art: World University Library. McGraw-Hill Book Co., New York. (Paperback.)

Примечания

1

Р. Ф. Флинт излагает тектоническую теорию плит. Эта теория пользуется большим распространением, но не является единственной. - Прим. ред.

2

Имеются, по-видимому, в виду и леса умеренного пояса. - Прим. ред

Content

История Земли

От редактора

Глава первая. Земля как планета

Планета Земля

Внутреннее строение Земли

Континенты и океанические впадины

Четыре оболочки

Взаимодействие внешних и внутренних процессов

Литература

Глава вторая. Горные породы и геологические циклы

Значение горных пород

Круговорот воды

Три группы горных пород

Круговорот вещества пород

Принцип актуализма

Литература

Глава третья. Слои и геологическое время

Слои и ископаемые остатки

Геохронологическая шкала

Геологическое летоисчисление

Литература

Глава четвертая. Материки смываются в океан

Выветривание

Снос продуктов выветривания

Водотоки

Тесно связанная система

Место потоков в общей схеме

Литература

Глава пятая. Океан: берега и рост континентов

Речные наносы поступают в море

Действие прибоя на береговые скалы

Осадки на дне глубокого моря

Отложения континентальных шельфов

Как растет шельф

Химическая сортировка

Плавающие континенты

Литература

Глава шестая. Происхождение и развитие планеты Земля

Возникновение Земли

Континенты и плиты коры

Заключение

Литература

Глава седьмая. Молодость биосферы

Органическое вещество

Клетки

Три главные группы живых организмов

Определение живого вещества

Древнейшие ископаемые организмы

Теория происхождения биосферы

Обзор

Литература

Глава восьмая. Эволюция живых организмов

Сложная цепь

Доказательства эволюции

Процесс эволюции

Дискуссия

Литература

Глава девятая. Особенности ископаемых остатков

Палеонтологическая летопись

Сохранение органических остатков

Классификация

Ископаемые и стратиграфия

Литература

Глава десятая. Природные условия далекого прошлого

Облик Северной Америки в наши дни

Окружающая среда в прошлом

Реконструкция природных условий

Литература

Глава одиннадцатая. Геологическая история растений

Структура и физиология растений

Древнейшие морские растения

Заселение суши растениями

Покрытосеменные растения

Литература

Глава двенадцатая. Беспозвоночные и рыбы

Основы истории развития животных

Развитие растительного и животного мира

Условия обитания организмов в море

Раковины и скелеты

Краткий обзор эволюции беспозвоночных

Происхождение рыб

Переход к наземной жизни

Литература

Глава тринадцатая. Амфибии и рептилии

Амфибии

Рептилии

Литература

Глава четырнадцатая. Век динозавров

Рептилии на суше

Типы динозавров

Морские рептилии

Рептилии в воздухе

Птицы

Конец огромных рептилий

Литература

Глава пятнадцатая. Млекопитающие

Мезозойские млекопитающие

Приспособления к кайнозойским природным условиям

Эволюция млекопитающих на суше, в море и в воздухе

Дальние миграции

Значение истории млекопитающих

Литература

Глава шестнадцатая. Оледенения

Изменение климата в кайнозое

Отчего бывают оледенения?

Воздействие ледников на поверхность Земли

Более слабые колебания климата

Будущее

Литература

Глава семнадцатая. Природные условия ледниковой эпохи

Перемещение животных и растений

Природные условия Северной Америки

Уровень океана в ледниковую эпоху

Млекопитающие ледниковой эпохи

Литература

Глава восемнадцатая. Физическая эволюция человека

Предшественники человека

Происхождение приматов

Рамапитеки

Постоянная жизнь на земле

Австралопитеки

Homo erectus

Homo sapiens

Литература

Глава девятнадцатая. Доисторическая эволюция культуры

Происхождение человека

Артефакты и их распространение

Стратиграфия артефактов

Галечные орудия; начало древнего каменного века

Ручные рубила

Более поздние артефакты

Начало искусства

Новый каменный век

Первобытный человек в Америке

Прошлое и будущее Homo sapiens

Литература

Примечания