Юрий Угольников

«Троицкий вариант» №3(197), 9 февраля 2016 года

Каковы подлинные причины массовых вымираний биологических видов десятки и сотни миллионов лет назад? Ученые ломают копья, защищая разные гипотезы. На основании последних исследований можно предположить, что вулканы и метеоритные импакты не могли сами по себе погубить динозавров и птерозавров, но могли создать условия, в которых млекопитающим было легче всего вытеснить конкурентов и за довольно короткий по геологическим меркам период свести на нет поголовье бывших хозяев суши.

Мало селена — жизни нет

Ученые из Австралии в сотрудничестве с британскими и немецкими коллегами в журнале Science прямо указывают на связь вымираний с концентрацией минеральных веществ в океанских водах [1]. Минимум трем из пяти крупнейших вымираний в истории Земли (ордовико-силурскому, девонскому и триасовому) предшествует сильное снижение концентрации селена в морской воде. Напротив, периоды высокого разнообразия жизни совпадают с периодами высокой концентрации в морской воде селена, меди, марганца и цинка. Причины изменения химического состава сами по себе неочевидны: снижение концентрации кислорода в атмосфере, изменение подвижности тектонических плит. Возможно, в разных случаях имеют место разные причины или конгломерация причин.

Хочу отметить одно совпадение. Данные этого исследования неплохо согласуются с теорией Хелен Таппан из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе [2]. Она обращала внимание на то, что вымирание морских организмов может быть спровоцировано снижением притока минеральных веществ с суши. Сам же поток минералов с суши в море регулируется распространением наземных растений, предохранявших почву от эрозии. Причем дефицит селена может быть лишь одним из признаков снижения эрозии почв.

Так, середина девона (период, предшествующий девонскому вымиранию, которое, как уже сказано, сопровождалось дефицитом селена) — время сильного повышения разнообразия наземных растений. Собственно, древесные растения только тогда, в девоне, и возникли. В принципе сосудистые растения, видимо, появляются только в позднем силуре. Нельзя сказать, что на Земле совсем ничего не росло: крупнейшими наземными организмами (если это не специфические образования, появившиеся в результате захоронения органики) были огромные лишайники прототакситы, однако в роли борцов с эрозией они, видимо, сильно уступали сосудистым растениям.

Мел-палеогеновому вымиранию, которое вроде бы не сопровождалось дефицитом селена, предшествовало распространение цветковых, склонных к травянистым формам (они как нельзя лучше образуют слои дерна и предотвращают эрозию). Пермскому вымиранию также предшествует изменение характера растительного покрова в пермском периоде — распространение новых древесных растений: хвойных, саговников, гинкговых, заселение водоразделов и прочее торжество сухопутной фитожизни.

Объяснение это не универсальное: материковый растительный покров в ордовике — т. е. накануне ордовик-силурского вымирания — в общем-то, отсутствовал, и ждать, что он сильно затормозит поток минеральных веществ с материков в океан, не приходилось. С другой стороны, всё же и в ордовике уже могли появляться первые «перехватчики» на пути минеральных веществ в океан — например, обитатели пресных водоемов (хотя для существования пресноводной фауны и флоры так же важен относительно низкий уровень эрозии).

Итак, исследование австралийцев посвящено вымираниям вообще, а с вымираниями в частности, в том числе с мел-палеогеновым вымиранием, всё несколько сложней.

Метеорит упал — не страшно, вулкан извергся — переживем

Долгое время импактная теория вымирания соблазняла кажущейся простотой объяснения: всё было хорошо, потом 66 млн лет назад свалилась глыба с неба — и вот началось вымирание [3]. Отметина от глыбы, 180-километровый кратер Чиксулуб, осталась на полуострове Юкатан в Мексиканском заливе и прилегающем к нему морском шельфе. Также в пользу гипотезы говорит повышенное содержание иридия в тонком слое отложений, относящихся к мел-палеогеновой границе.

Однако сейчас защищать эту теорию в чистом виде уже невозможно. Фактов, показывающих, что многие организмы прекрасно себя чувствовали и после того, как на Землю свалилась глыба из космоса, более чем достаточно. На юге нынешней Северной Америки — то есть не так далеко от падения Чиксулубского метеорита, именно там, где всё должно было вымереть в первую очередь бесповоротно и окончательно, — не кто-нибудь, а динозавры (если быть совсем точным, гадрозавры) сохранялись еще в начале палеогена. Об этом свидетельствует единичная находка, но сомневаться в том, что динозавры действительно выжили, не приходится [4]. Герта Келлер, палеонтолог из Стэнфордского университета, исследовала отложения выше иридиевого слоя и показала, что существенных изменений непосредственно после его образования не произошло; напротив, над иридиевым слоем накапливаются осадки, характерные именно для мелового периода, а не для палеогена [5]. Другие исследователи также выявляют области, где мезозойские отложения сохраняются в слоях выше иридиевого слоя (например, остатки, характерные для мезозоя аммонитов, встречаются в бореальных широтах), хотя в основном смена морских отложений довольно точно с иридиевым слоем совпадает. В общем, в одиночку Чиксулубский метеорит с мезозойской биотой никак бы не справился.

Герта Келлер, как истинный геолог и патриот своей науки, всегда была далека от того, чтобы признавать именно биотические факторы решающими в событиях, приведших к мел-палеогеновому вымиранию. Изначально она стояла на позициях чистого и беспримесного вулканизма, полагая, что динозавров и их мезозойских соседей по планете сгубили вулканы. Как раз граница мела и палеогена — время сильнейшего магматизма на территории нынешней Индии. Лава разливалась на огромном пространстве. Именно тогда образовались траппы плато Декан в западной и центральной части Индостана. (В районах траппового магматизма возникает ступенчатый рельеф и часто образуются водопады; термин возник от шведского слова trappa — лестница.)

Впрочем, гипотеза Герты Келлер о вулканизме как основной причине вымирания не подтвердилась. Вулканизм, или, по крайней мере, начало вулканизма, мезозойская живность переживает вполне спокойно (излияние даканских лав начинается где-то за полмиллиона лет до рубежа мела и палеогена). Тогда Герта Келлер выдвинула компромиссную теорию: мезозойскую биоту убивали не сразу, а постепенно, в несколько заходов. Черное дело на границе мезозоя и палеогена одновременно делали и вулканы, и метеориты (которых, вполне возможно, было несколько).

Метеориты и вулканы в сговоре

Недавно опубликованы результаты исследования, вроде бы играющие на руку новой гипотезе, — объяснение того, как были взаимосвязаны вулканизм и падение метеорита [6]. Суть теории проста. Вначале вулканы извергались часто и понемногу — это не приносило биоте никаких существенных неудобств. Но после падения Чиксулубского метеорита происходят серьезные изменения в вулканизме: вместо небольших, но частых извержений начинают происходить редкие, но гораздо более мощные и обильные лавой. Видимо, сейсмические волны от удара метеорита разрушили стенки мелких магматических камер, что привело к образованию огромной единой камеры, в которой магма накапливалась дольше, зато, когда она все-таки изливалась, последствия были намного разрушительней.

Вроде бы всё сходится. Однако не всё и не до конца. Можно сравнить события мел-палеогенового вымирания и вымирания пермского. Во многом они похожи. В пермский период вымирание также сопровождается мощнейшим вулканизмом, намного более мощным, чем во времена мел-палеогенового вымирания. Именно тогда — на границе перми и триаса — образуются сибирские траппы. Значительная часть современной Сибири была залита лавой.

Как и в случае с мел-палеогеновым вымиранием, магматизм в какой-то степени предшествует вымиранию и опережает его. Также характер магматизма мог измениться в результате падения метеорита (возможно, даже нескольких). К границе перми и триаса может быть близко время образования гипотетического кратера, ныне «спрятанного» под ледниковым щитом на территории современной Антарктиды. На этот период приходится и достоверно известный импакт: на территории современной Бразилии обнаружены оставленные им структуры. Кроме того, в геохимических процессах, сопровождавших пермское вымирание, могли участвовать залежи углеводородов и природных солей, с которыми взаимодействовала магма.

Крепкие зубы решают всё

Пермское вымирание оказалось самым грандиозным из когда-либо происходивших на Земле. И всё же его последствия для материковой биоты разительно отличаются от последствий вымирания мел-палеогенового. В результате мел-палеогенового вымирания полностью сменились господствующие классы позвоночных: на суше место прежде доминировавших наземных динозавров занимают представители субдоминантного сообщества — млекопитающие, а в небе птерозавров окончательно вытесняют птицы.

После пермского вымирания всё обстоит несколько иначе: хотя и понеся существенные потери, господами суши остаются терапсиды — предки современных млекопитающих, и лишь постепенно в течение триаса без всякой связи с катастрофами их оттесняют в малый размерный класс завроморфы (предки динозавров, птерозавров и других современных рептилий). И это несмотря на гораздо более катастрофические последствия. Более того, в самом начале триаса — непосредственно после катастрофы — наблюдается невероятное распространение одного представителя терапсид — дицинодонта листрозавра. Почему одна катастрофа не привела к смене господствующих сухопутных позвоночных, а другая привела? Причины надо, видимо, искать не в катастрофах, а в особенностях самих позвоночных и в их взаимоотношениях.

Перестройка в мезозойском материковом сообществе произошла задолго до вулканизма, падений метеоритов и всяческих их последствий. Изменения произошли вместе с распространением цветковых растений: оно привело и к появлению новых насекомых — опылителей, а также листогрызущих насекомых, новых мелких специализированных травоядных позвоночных, специализированных насекомоядных и специализированных на добывании тех и других мелких хищников. Очень широко известны размерами и тем, что не брезговали динозаврятиной, раннемеловые репеномамы. Однако это существа именно из раннего мелового периода: они жили еще тогда, когда динозавры вымирать даже не собирались.

Миллионы лет млекопитающие охотились на динозавровую молодь, но к катастрофическим последствиям это так и не привело. Динозавров, конечно, теснили по мере наступления цветковых, но отдельные их группы (гадрозавры) даже увеличивались в разнообразии. Однако подошла граница мела и палеогена, и всё изменилось. Что именно произошло? И если это связано с вулканизмом, то, спрашивается, как?

Возможно, специализация млекопитающих помогла им вытеснить динозавров. Во-первых, млекопитающие по самой своей природе отлично приспособлены к жеванию: у нас с вами есть приспособленные к перетиранию грубой пищи моляры, есть вторичный челюстной сустав. В общем, мы отличные жеватели. Среди динозавров (птицетазовых динозавров) тоже были формы, умеющие пережевывать пищу (гадрозавры, цератопсы), но не все; у ящеротазовых же динозавров жующих форм, насколько мне известно, не было вовсе. Так вот в кайнозое, как правило, формы млекопитающих с хорошо приспособленными к перетиранию растительного корма зубами (мощными молярами, коренными зубами, чья поверхность выглядит приблизительно как стиральная доска) появляются вслед за распространением лугов и полей. За одним исключением. В Южной Америке, где тогда еще не было никаких пампасов, млекопитающие с высокоспециализированными зубами возникли благодаря вулканической активности (что доказала Каролина Штромберг из Вашингтонского университета), несмотря на то что флора в палеогене там остается вовсе не степной: из-за загрязнения вулканическим пеплом и пылью перетирать их было не менее сложно, чем обильные фитолитами злаки [7].

Если вспомнить историю, то мы увидим: тероморфы подобные загрязнения переносят неплохо; тот же листрозавр распространился в начале триаса, может быть, именно потому, что изначально был прекрасно приспособлен откапывать и поглощать загрязненные землей корешки. После вулканизма конца пермского периода вулканический пепел распространился всюду и везде. Существо, которое и так было приспособлено перерабатывать загрязненные корма, оказалось в крайне выигрышном положении. То же самое можно, видимо, сказать о нижней границе палеогена: на рубеже мезозоя и кайнозоя из-за вулканизма и падения метеоритов практически вся флора на планете была периодически в состоянии немалой запыленности. Растительноядные млекопитающие, занимавшие малый размерный класс, и до того — благодаря распространению цветковых и их травянистых форм — были неплохо приспособлены к переработке требующей тщательного жевания пищи. Растительноядные же динозавры, во взрослом состоянии бывшие гигантами, специализировались, видимо, преимущественно на менее жестких листьях деревьев, а не на злаках или загрязненных пылью кормах.

В этих условиях мелкие растительноядные млекопитающие получили преимущество: у них корма прибавилось, у большинства же растительноядных динозавров — наоборот. К тому же из-за загрязнения атмосферы кратковременно распространились папоротники, на какое-то время вытеснившие даже господствующие к тому времени цветковые. Прежде папоротники ютились в нижних ярусах леса, где им было, несмотря на сумрак, комфортно, после того как они заимствовали (еще в юрский период) ген неохрома, позволяющий вести фотосинтез, используя красную и голубую часть спектра [8]. Так как папоротники населяли самые нижние ярусы леса, с ними были лучше «знакомы» мелкие растительноядные млекопитающие и представители энтомофауны и хуже — «возвышенные» динозавры. Распространение папоротников и сопутствующих им членистоногих также могло послужить неплохой подкормкой для млекопитающих.

Сравнительно мелкие растительноядные и насекомоядные млекопитающие становились всё многочисленней. Вслед за ними увеличивались в численности и охотящиеся на них (также пока некрупные) млекопитающие хищные. Рост численности мелких хищников, специализировавшихся на мелкой же добыче, означал и увеличение давления на динозавровую молодь, которая находилась как раз в том же размерном классе, что и млекопитающие. Так как взрослые динозавры в большинстве своем были, видимо, менее заботливыми родителями, чем птицы и млекопитающие (из-за огромной разницы в размерах между взрослой особью и детенышем), то такого резкого усиления давления на молодь они могли просто не выдержать.

[1] Perkins S. Three of Earth’s largest extinctions may have been caused by loss of essential element // Sciencemag.org. November 5, 2015.

[2] Tappan H. Phytoplankton: below the salt at the global table // Journal of Paleontology. Vol. 60, Issue 03. May 1986. P. 545–554.

[3] Жуков Б. Приказано считать доказанным // Полит.ру. 8 апреля 2010 года.

[4] James E. Fassett. New geochronologic and stratigraphic evidence confirms the paleocene age of the dinosaur-bearing Ojo Alamo Sandstone and animas formation in the San Juan Basin, New Mexico and Colorado // Paleoantologia electronica. Vol. 12. Issue 1. April 2009.

[5] Динозавров погубил не астероид // Аммонит.ру. 30 апреля 2009 года.

[6] Марков А. В. Радиоизотопные датировки подтвердили связь между падением Чиксулубского метеорита и усилением траппового вулканизма // «Элементы». 5 октября 2015 года.

[7] Целиков Д. Обязательность коэволюции трав и зубов млекопитающих подвергнута сомнению // «Компьюлента». 5 марта 2013 года.

[8] Horizontal transfer of an adaptive chimeric photoreceptor from bryophytes to ferns / Ed. by David M. Hillis // Proceedings of the National Academy of Sciences. Vol. 111. № 18. May 6, 2014.