Постоянные естественные изменения, неторопливо протекающие в природе, обычно оставались незаметными для отдельных поколений людей. Их жизнь слишком коротка для этого.
Правда, сейчас, к сожалению, приходится нередко замечать, как под влиянием интенсивной хозяйственной деятельности человека, сравнявшейся по масштабам со стихийными геологическими процессами, меняется лик Земли.
Но в данном случае опять-таки речь о тех переменах, которые в течение тысячелетий происходят в природных ландшафтах. Поговорим об истории болот. Не надо забывать, что проникновение в прошлое даст реальную основу для прогнозирования будущего.
Торфяные болота — самый благодатный объект для изучения прошлого Земли. Ежегодно отмирая, растения болот сохраняются в виде торфяных отложений. Определив по остаткам растений в торфе, к каким видам они принадлежали, можно узнать прошлое болот и условия, в которых они существовали, исследуя их слой за слоем, словно бы читая страницу за страницей. Эту возможность нам предоставляет ботанический анализ торфа. В торфах низкой степени разложения растения сохраняют свой облик почти полностью. Но даже в очень сильно разложившемся торфе находят остатки образовавших его растений: обрывки стеблей и листьев трав и мхов, обуглившиеся кусочки древесины; совершенно неизменными остаются семена.
О климате и растительности прошлых эпох, смене ландшафтов можно узнать и с помощью спорово-пыльцевого анализа, также одного из методов палеоботанических исследований.
Способность растений производить пыльцу и споры поистине изумительна. Одна мужская шишка сосны образует около шести миллионов пылинок, одно соцветие дуба — 500 тысяч. Громадное количество пыльцы уносится ветром и оседает на почву, на поверхность рек, озер, морей и болот. Но лишь в донных отложениях и в болотах оно сохраняется там, куда попало первоначально.
Споры и пыльца — наиболее неизменные из остатков живших когда-то растений. На дне водоемов, в толще ила и песка, пыли, глины или торфа спорово-пыльцевые комплексы сохраняются тысячи и даже миллионы лет.
Первые упоминания об ископаемой пыльце принадлежат немецкому ученому Гепперту и относятся к 1836 г. Методика спорово-пыльцевого анализа была разработана шведскими учеными Лагерхеймом и Ленартом фон Постом.
Ленарт фон Пост посвятил свою жизнь изучению антропогена — последнего в истории Земли геологического периода, который продолжается и сейчас. Великие оледенения этого времени сыграли огромную роль в истории ряда стран. На севере Швеции находился центр, от которого начиналось развитие материковых оледенений, покрывших потом большую часть Европы.
В России спорово-пыльцевой анализ был впервые применен академиком В. Н. Сукачевым. В 1903 г. В. Н. Сукачев стал отмечать наличие пыльцы при ботаническом изучении торфа.
Почти в одно время со шведскими учеными в России работал крупнейший болотовед и палеоботаник В. С. Доктуровский. Изучая болота и различные торфы, он по наличию пыльцы устанавливал присутствие тех или иных растений в отдаленные от нас эпохи. В 1917 г. он впервые начал проводить количественный учет пыльцевых зерен, а в 1923 г. была опубликована его работа «Метод анализа пыльцы в торфе». В ней изложены основные принципы этого метода, даны изображения пыльцы древесных пород, наиболее распространенных в северных широтах. Тогда же В. С. Доктуровский совместно с В. В. Кудряшовым опубликовал определитель пыльцы растений.
В. С. Доктуровский изучал межледниковые отложения и руководил изучением торфяных месторождений во многих географических зонах нашей страны в период, когда развернулись работы по осуществлению ленинского плана электрификации России (ГОЭЛРО).
В развитии палинологии — науки об ископаемой пыльце и спорах — имели значение работы советского торфоведа Д. А. Герасимова. На основе анализа спорово-пыльцевых спектров он сделал интересные выводы о направленности изменения климата и растительности России в голоцене.
Как проводится спорово-пыльцевой анализ? Отдельные пыльцевые зерна имеют небольшую величину; они измеряюся сотыми и тысячными долями миллиметра (микронами). Форма пылинок у разных растений различна. У березы они похожи на диски, сплюснутые по краям, с тремя порами, расположенными по экватору. У сосны — на эллипс с двумя воздушными мешками по бокам. Каждому семейству, роду, а иногда и виду растений соответствует пыльца определенной формы, размеров и строения.
Оболочки пыльцы и спор удивительно устойчивы к внешним воздействиям. Они выдерживают нагревание до 300°, обработку щелочами и концентрированными кислотами. Их не повреждают механические воздействия — удары, перетирания и т. п. Правда, все, что находилось когда-то внутри оболочки,— цитоплазма, ядро, различные органоиды клетки — не сохраняется. Неизменными остаются лишь оболочки — своеобразные наружные скелеты пылинок.
По внешнему облику различаются и споры. Поскольку размеры пыльцы и спор ничтожно малы, их изучают с помощью оптических и электронных микроскопов. Существует целый ряд методик извлечения спор и пыльцы из вмещающих их горных пород и подготовки для дальнейшего определения их систематического положения. Но это уже сугубо специальная область. Стоит лишь отметить, что получаемые в итоге сведения о прошлом растительного мира могут считаться достоверными лишь в том случае, если образцы для анализа взяты вполне квалифицированно.
Исследователи всегда помнят главное требование — брать материал из тех слоев и горизонтов, которые накапливались постепенно и непрерывно. Идеально соответствует этому условию торфяная залежь. Обычно ежегодный прирост торфа — 0,5—1 мм. Нетрудно подсчитать, что для накопления толщи, измеряемой метрами, потребуются тысячелетия. Таким образом, строго последовательное изучение извлеченных из нее спорово-пыльцевых комплексов может дать подробную картину развития растительности интересующего нас района, а также историю формирования болота и окружающего его ландшафта за достаточно длительный промежуток времени.
Образцы на анализ отбирают с различной степенью детальности, с интервалом 1—2, 5—10 и более сантиметров. Иногда отбор ведется и сплошной колонкой — при необходимости установления не только общих закономерностей формирования современных ландшафтов, но и уточнения того, что происходило в какой-то конкретный исторический этап. Например, из древних хроник известно, что середина первого тысячелетия до нашей эры отличалась относительной увлажненностью и похолоданием климата, причем это наблюдалось и в более позднее время, но значительно слабее. Подобные явления не могли не отразиться на развитии растительности, в том числе и болотной, чувствительной к колебаниям влажности. В этих случаях предельно подробное изучение торфяной залежи оказывается необходимым.
Но возвратимся непосредственно к нашим болотам. Независимо от решения задач по изучению глобальных изменений природных условий прошлого спорово-пыльцевой анализ играет существенную роль в исследовании путей формирования конкретного торфяника. Устанавливаются изменения в составе растительных сообществ, происходивших в соответствии с колебаниями климата.
Растения очень чутко реагируют на любое изменение природной среды. Одни виды начинают испытывать угнетение и даже исчезают за сравнительно короткий срок, другие приходят им на смену. Образуются новые растительные группировки. Остатки тех и других сохраняются в залежи торфа и свидетельствуют о минувших событиях. Интересно бывает сравнить данные, полученные при изучении болот на достаточно обширной территории. Это позволяет узнать о прошлом природы ушедших эпох в масштабе целого региона.
Есть возможность установить возраст каждого изученного торфяного слоя в абсолютном летосчислении. Этому помогают археологические находки или применение радиоуглеродного метода.
Радиоуглеродный метод очень молод. Широко применять его стали только после второй мировой войны, хотя первые опыты проводились еще в конце 30-х годов. Определение абсолютного возраста торфяных отложений основано на следующем. В природе встречаются несколько изотопов углерода. В основном его масса состоит из стабильного изотопа С12. Примесь радиоактивного С14 ничтожна, после гибели организма он начинает распадаться.
Период полураспада радиоактивного изотопа С14 — 5780 ±40 лет. Он и используется для исследований. С14 образуется в верхних слоях атмосферы на высоте 12—16 км под действием нейтронов, порождаемых космическими лучами, и распадается с испусканием β-частиц, превращаясь в стабильный изотоп С12.
С14 в атмосфере образуется непрерывно, но непрерывно идет и его радиоактивный распад. Возникает динамическое равновесие, и концентрация изотопа в природе практически остается постоянной.
Как стабильный, так и радиоактивный изотопы одинаково окисляются кислородом атмосферы, превращаясь в двуокись углерода (СО2). Разница только в том, что и последняя тоже будет радиоактивна. И та и другая усваиваются растениями в процессе фотосинтеза, попадают со съеденными растениями в организм животных, растворяются в воде различных водоемов. Таким образом, радиоактивная двуокись углерода равномерно распределяется в атмосфере, биосфере и гидросфере.
Зная период полураспада и определив количество С14 в органических остатках, можно определить время, истекшее с момента гибели организмов.
Таким путем исследователь может достаточно точно установить абсолютный возраст куска торфа, поскольку его масса в основном состоит из остатков растений.