Новая история происхождения жизни на Земле - Питер Уорд

Вопрос же о последствиях массовых вымираний, напротив, является относительно новой научной проблемой, причем одной из основных для эволюционной биологии и палеобиологии. Мы уже знаем, что чем масштабнее вымирание, тем сильнее отличие жизни после него от жизни до него. И речь идет не только о периоде, непосредственно следующем за событием вымирания, — первые несколько тысяч или миллионов лет. Иной раз возникают новые эволюционные направления, генетические ветви, развитие которых занимает потом десятки миллионов лет, и порой эти изобретения эволюции остаются на планете навсегда.

Изменения уровня кислорода лишь недавно признали как важный фактор миграции видов и межпопуляционной гибридизации. Горные цепи зачастую являются барьерами для обмена генами, а это приводит к образованию различных биосистем по разные стороны горного массива. В конце пермского периода обитателям областей непосредственно на уровне моря приходилось дышать так, как если бы сегодня они находились на уровне пяти тысяч метров над уровнем моря (выше, чем гора Реньер в Каскадных горах в штате Вашингтон). Таким образом, даже небольшие высоты в пермский период усиливали «высокогорный» эффект: скромные по высоте холмы являлись областью, неподходящей для обитания животных. В результате животный мир оказался разграничен на множество областей у морских побережий, где обитали эндемичные организмы.

Высокие плато на континентах, возможно, были вовсе необитаемы, исключение составляли самые стойкие к большим высотам животные. Но эта гипотеза противоречит ожидаемому поведению континентов: 250 млн лет назад континенты были объединены в один гигантский суперконтинент Пангея, и Атлантический океан не должен был мешать свободному перемещению наземных животных с одного края континента на другой. Однако существовал другой барьер — большая высота, которая серьезно препятствовала миграции, и новейшие исследования позвоночных того периода доказывают, что свободного перемещения групп организмов тогда не было, но существовали отдельные экосистемы, по крайней мере на суше.

Работы, проведенные в конце XX и начале XXI века многими исследователями — Роджером Смитом, Дженнифер Бота, Питером Уордом (соавтором данного труда) в пустыне Карру, Майком Бентоном в России, Кристианом Сайдором в Нигере[176], — доказывают существование таких, не связанных друг с другом, экосистем, например, в Африке. Данные биологические сообщества являлись весьма специфичными и не походили друг на друга по видовому составу. Получается, что в период низкого уровня кислорода высота над уровнем моря создавала дополнительное препятствие для миграций и потока генов[177]. Совсем по-другому обстояли дела в периоды с высоким уровнем кислорода: фауна не была привязана к отдельным областям, и изолированные сообщества организмов были немногочисленны.

Дефицит кислорода привел не только к ослаблению миграции, но и к тому, что многие области, находившиеся в поздний пермский период и в триасовый период на высоте более тысячи метров над уровнем моря, оказались необитаемы. Этот эффект — влияние высоты на распространение организмов по суше — мог в значительной степени определять жизнь животных в условиях низкого содержания кислорода в атмосфере. Сокращение мест обитания из-за невозможности заселения высотных областей привело к тому, что многие животные либо мигрировали к морям, либо вымерли. Усилилась борьба за территорию и ресурсы, в прибрежных регионах появились новые хищники, паразиты и болезни, что в свою очередь привело к вымиранию некоторых видов и там. Мы подсчитали, что к концу перми более 50 % земной суши из-за своих высотных характеристик оказалось непригодным для обитания. Возможно, вымирание произошло по причинам, давно изложенным в книге Макартура и Уилсона The Theory of Island Biogeography («Теория биогеографии островов»): разнообразие видов имеет отношение к территории обитания, и если остров или какая-нибудь ограниченная территория становится меньше, животные начинают погибать. Влияние высоты на развитие и распространение жизни подтверждает этот научное положение.

Еще один аспект пермского массового вымирания

Питер Уорд, один из авторов данного труда, изучал еще один аспект пермского массового вымирания. Результаты его исследований пока не опубликованы, и мы с удовольствием приводим их здесь, тем более что они имеют непосредственное отношение к предмету обсуждения. Фредерик Дули, аспирант Уорда, совместно с Ли Кампом пришел к удивительному выводу. Но сначала небольшое пояснение: Дули занимается вопросом воздействия сероводорода на растения и некоторых животных, а Камп разрабатывает модели состояния океана в конце пермского периода, и ему необходимо делать расчеты объемов сероводорода в верхних слоях Мирового океана. Результаты вычислений Кампа аспирант Дули использовал в экспериментах с одноклеточным океаническим планктоном, включая самый важный вид океанического зоопланктона — похожих на креветок веслоногих ракообразных-копеподов. Уровень сероводорода в эксперименте был недостаточным, чтобы убить водоросли, — наоборот, к удивлению экспериментатора, водоросли стали расти быстрее. Напротив, веслоногие погибли почти мгновенно. Без веслоногих, поедающих фитопланктон и таким образом контролирующих его размножение, эти крошечные растения погружаются на морское дно и там загнивают, уничтожая и без того небольшой запас кислорода в нижних слоях воды. Это приводит к резкому скачку содержания углекислого газа, а также убивает все виды морских животных в верхних слоях океана. В результате планета задыхается среди гниющих растений и остается почти совсем без животных — в конце пермского периода, по крайней мере в океане, так и произошло. Ситуация на суше напоминала две мировые войны одновременно Роджер Смит обнаружил весьма убедительные доказательства необычайной засушливости и неожиданной жары в Южной Африке 252 млн лет назад. Наши собственные изыскания в пустыне Карру (результаты опубликованы в 2005 году) позволяют подробно описать вымирание сухопутных животных в тот же временной период[178]. Роджер Смит считает, что только засухи и жары уже было вполне достаточно, чтобы вымерло большинство позвоночных. Нам же больше нравится аналогия с мировыми войнами: огромные армии погибают в пустыне и, как во времена Первой мировой, задыхаются под действием отравляющего газа. Только в древности это был не хлор, а ядовитый сероводород в атмосфере и океане.

Глава 13

Триасовый взрыв:

252–200 миллионов лет назад

Одним из самых приятных ощущений от общения в научной среде — будь то в маленьком провинциальном колледже или в одном из крупнейших исследовательских центров мира — является наслаждение чувством коллегиальной солидарности. В Америке это обусловлено еще и самим устройством университетской системы, которая предполагает сперва 6–7 лет работы по временному контракту и только затем постоянную должность. Постоянство! Возможно, из всех профессиональных коллективов университетские факультеты — самые стабильные, и, в сравнении с другими коллективами, в университетах наблюдается относительно небольшая текучесть кадров. В результате складываются коллегиальные дружеские отношения, зачастую весьма продолжительные. В этом плане университеты очень похожи на своих предшественников — семинарии, куда монахи приходили еще молодыми людьми и где проводили всю свою жизнь в среде себе подобных. И так же, как в старинных аббатствах, более молодые коллеги приучались уважать тех, кто был старше и мудрее, и прислушиваться к ним.

Авторам данного труда в 2000-е годы или около того посчастливилось присутствовать на встрече с несколькими старшими коллегами естественнонаучного факультета в Калифорнийском технологическом институте. В числе старших товарищей был знаменитый Сэмюэль Эпстайн — один из наиболее выдающихся ученых в области геохимии. Сэм Эпстайн работал в Университете Чикаго как раз в тот момент, когда нобелевский лауреат Гарольд Юри открыл способ измерения температуры формирования древних карбонатных пород с использованием метода сопоставления изотопов кислорода, обнаруженных в карбонатных отложениях. Соотношение кислорода-16 варьировалось вместе с гораздо более редким кислородом-17 пропорционально температуре формирования пород.

Спустя некоторое время Сэм Эпстайн поступил на работу в Калифорнийский технологический институт и занимался высокоточными измерениями множества образцов, применяя самые разнообразные методы. Однако его первой любовью все же было исследование температур в древности. После замечательной встречи, о которой мы упоминали выше, он пригласил нас, Киршвинка и Уорда, в свою лабораторию, на тот момент уже частично демонтированную. Геохимическое оборудование 1950–1960-х годов (золотые дни Сэма) состояло в основном из самодельных колбочек, стеллажей с тонкими пробирками и трубками, которые, извиваясь спиралями и пересекаясь, образовывали замысловатую стеклянную паутину. В некоторых узлах этой «паутины» находились странные сосуды, вокруг которых вились резиновые трубки, оканчивающиеся краниками замысловатого вида. И все было сделано кустарями от науки, которые в середине XX века двигали исследования только вперед. Они были искусными технарями, целой эпохой, ушедшей по причине экономии бюджета и появления новых исследовательских технологий.