Геохронология — это измерение времени и датирование событий на основе геологической информации. В последние десятилетия было достигнуто согласие относительно возраста Земли, и современная геохронология представила временную шкалу, на которой мы можем расставлять события биологической и даже микробиологической эволюции. Здесь достаточно краткого введения в этот сложный предмет.
Каков возраст Земли? По общему мнению Луна и Земля вместе с остальной Солнечной системой сформировались из солнечной туманности. Луна очень стара: с помощью калий-аргонового, стронциевого, рубидиевого и свинцового методов датирования установлено, что некоторые ее породы имеют возраст более 4 млрд. лет. Изучение лунных пород, полученных в результате осуществления программы «Аполлон», значительно прояснило ранний период истории Солнечной системы. Как полагают, Земля и Луна сформировались как плотные тела приблизительно нынешних размеров около 4600 млн. лет назад. Оба тела подвергались интенсивной бомбардировке метеоритами с того момента, когда они достигли современных размеров, до момента отложения в первичных водах Земли древнейших недислоцированных осадочных пород, т. е. 3900 млн. лет назад. Следы этой бомбардировки на поверхности молодой Земли были стерты последующими процессами, но на Луне, Меркурии и Марсе метеоритные кратеры ясно видны. Нет оснований думать, что град метеоритов, обрушившийся на соседние планеты, каким-то образом обошел Землю стороной. Древние шрамы, сохранившиеся на этих планетах и на Луне, на Земле были уничтожены исключительно активной денудацией, а также горообразованием и другими тектоническими процессами. Эрозию кратеров, образовавшихся при недавних столкновениях, можно наблюдать и сегодня. Например, глубина огромного метеоритного кратера между Уинслоу и Флагстаффом в Аризоне, который образовался около 25 тыс. лет назад, составляет сейчас только половину первоначальной.
В осадочной геологии принято геохронологическое подразделение толщ: можно установить соответствие той или иной серии осадочных слоев и фаций определенному участку хронологической шкалы. Фации-это перемежающиеся массы осадочных пород внутри единого стратиграфического подразделения, различные по литологическим и палеонтологическим особенностям. Выделяют следующие стратиграфические единицы (от больших к меньшим): надгруппу, группу, систему, серию, ярус. Названия соответствующих временных интервалов (от больших к меньшим) — эон, эра, период, эпоха, век. Хотя корреляция время — порода и соответствующая терминология остаются предметом дискуссий, особенно в отношении более крупных единиц осадочных слоев и временных интервалов, все же общепринято называть самое крупное геохронологическое подразделение эоном. Продолжительность каждого зона более 600 млн. лет. Фанерозой, самый последний и наиболее изученный эон, начался примерно 600 млн. лет назад с кембрия — первого периода палеозойской эры. Для самого раннего кембрия характерно массовое появление трилобитов и других представителей пяти или шести главных типов животных, имеющих скелетные элементы. Во многих музеях из всех эонов представлен только фанерозой; более ранние зоны объединяются под названием докембрия. Я предпочитаю более логичный термин Клауда — дофанерозой.
Непрерывные осадочные разрезы, в которых была бы целиком представлена хотя бы эра, крайне редки; один из немногих примеров — палеозойские отложения Большого Каньона в Аризоне.
На Земле не известно ни одного места, где был бы представлен целый эон в виде полной непрерывной серии отложений. Возможно, что целый эон (или по меньшей мере эра) представлен системой Свазиленда — последовательностью древних южноафриканских отложений толщиной 17 км. Период ее формирования оценивают по меньшей мере в 300-500 млн. лет; поскольку в ней нет крупных ископаемых, ее отложения гораздо труднее картировать и сопоставлять с отложениями Большого Каньона. Поэтому хронологию зона приходится конструировать по смешанным геологическим данным, в частности по осадочным отложениям различного возраста (определяемого радиологически) на нескольких континентах. Кроме того, каждый эон характеризуется совершенно особой природой ископаемых остатков. Ископаемые фанерозоя обильны и дают прямые сведения о ходе эволюции, тогда как в дофанерозое ископаемых остатков очень мало. Чтобы понять как сами события дофанерозоя, так и время, когда они происходили, необходимы далеко идущие предположения и экстраполяции. В связи с этим названия и датировка хронологических подразделений дофанерозоя, а также вопрос о положении нижней границы фанерозоя остаются предметом дискуссии. Принятая в этой книге хронология эонов соответствует, с небольшими изменениями, хронологии Клауда и Харгрейвса.
Зон хаоса начался в неопределенно далеком прошлом; это период аккреции и стабилизации Земли, в которой стало возможным узнать планетарное тело. Пород, относящихся к тому времени, нет; событиями, связанными с формированием планеты, занимаются фактически не геологи, а космологи и астрономы. Эон хаоса сменился гадейским эоном (Гадес — в греческой мифологии бог подземного царства) который начался, когда Земля превратилась в сплошное твердое тело, находившееся на расстоянии около 150 млн. километров от Солнца и имевшее примерно такие же диаметр и массу, как и сегодня. Никаких наземных гадейских пород не известно. Однако имеются более или менее непрерывные серии пород и окаменелостей для последующих трех эонов — архея, протерозоя и фанерозоя. Палеонтология и палеоботаника рассматривают почти исключительно самый последний эон — фанерозой, тогда как этапы биологической эволюции протекали главным образом в двух предшествовавших зонах — в архее и протерозое.
Гадейский эон продолжался приблизительно от 4650 млн. до 3900 млн. лет назад. Этот эон, как удачно показывает само его название, был периодом образования концентрической структуры Земли — ее ядра, мантии и коры. Первичная атмосфера, составлявшая часть солнечной туманности, из которой сконденсировались Земля и Луна, была утрачена. Источником вторичной атмосферы послужил летучий материал из недр Земли: произошло первое крупное выделение газов. Вулканы и горячие источники выносили на поверхность газообразный продукт-водяной пар. Таким образом, обширная гидросфера Земли, включающая океаны, моря, озера, реки, ручьи и грунтовые воды, образовалась, как полагают, в гадее. Хотя прямых сведений о роде или количестве газов в гадейской атмосфере нет, принято считать, что по сравнению с современной она была богаче водородом и гидридами и беднее окисленными газами. В течение гадея, вероятно, формировались временные породы земной коры, но они глубоко преобразовывались в условиях высоких температур и давления. Так как сейчас на Земле нет пород, сохранившихся со времен гадея, заключения об этих событиях приходится выводить из моделей, описывающих раннюю эволюцию Солнечной системы. Прямое исследование вещества, доставленного с лунной поверхности по программе «Аполлон», показало, что лунные породы не подвергались переплавке после гадея или раннего архея. Единственными породами гадейского возраста, кроме лунных, являются те, что попадают из космоса, т. е. метеориты. Поскольку метеориты, как полагают, сформировались в гадее одновременно с системой Земля-Луна, их древнейший возраст подкрепляет предполагаемую хронологию гадея.
Архейский эон охватывает период примерно от 3900 млн. до 2600 млн. лет назад, хотя в некоторых местах на земной поверхности типично архейские процессы закончились раньше — около 3 млрд. лет назад. Многие архейские породы уникальны. Это было время мощной магматической активности; массы расплавленных пород интенсивно перемещались под твердой поверхностью Земли. Многие из этих интрузий, по-видимому, не приходили в контакт с атмосферой или водой раньше, чем отвердевали. Есть данные о том, что сильный нагрев привел к значительному метаморфизму в глубоких слоях коры. Для архейских пород характерно то, что они очень мало изменены выветриванием. Эти характерные отложения были названы «незрелыми». Богатые натрием лавы, извергаемые в атмосферу и гидросферу, осаждались вблизи первоначальных мест экструзии. Обломки пород вулканического происхождения формировали собственно вулканические (а не водноотложенные) осадочные породы поблизости от выбросивших их вулканов. Архейские вулканические и осадочные породы, метаморфизованные под действием тепла и давления до метавулканитов и метаосадков, обычно образуют крутые, сложные, сильноскладчатые структуры, протягивающиеся в виде поясов на огромные расстояния. Формации этих в прошлом однажды расплавленных пород были изучены в Канаде, Австралии и Южной Африке. Такие зеленокаменные пояса, как их называют по причине зеленоватого оттенка слагающих их метаморфизованных пород, известны и в менее древних отложениях, но там они не столь обширны. В архейских породах обычны вулканические пробки, богатые магнием и железом. Архей геологически отличается также почти полным отсутствием гранитных и базальтовых магматических пород, богатых калием, которые типичны для более поздних эонов. Большие стабильные открытые водоемы в архее были, вероятно, редки, хотя значительная часть коры была, видимо, покрыта тонким слоем не очень соленой воды.
В архее появляются своеобразные осадочные породы, названные полосчатыми железорудными формациями (ПЖФ), которые состоят из чередующихся окисленных богатых железом и восстановленных бедных железом слоев. После метаморфизма они часто превращались в чередующиеся слои богатого и бедного железом кварцита метаморфизованного песчаника. Дофанерозойские ПЖФ служат источником большей части железных руд во всем мире. Например, ПЖФ, богатые минералом гематитом, встречаются до верхнего протерозоя, однако в более молодых отложениях их нет. Как полагают, существование этих железорудных формаций означает, что восстановленные формы железа, металлические и закисные, были связаны с поверхностными водами. Отложение закисного железа на земной поверхности было бы невозможно, если бы атмосфера, как ныне, была богата кислородом, так как железо быстро переходит в окисную форму даже при очень низких концентрациях свободного кислорода. Таким образом, существование ПЖФ — это общепризнанный прямой довод в пользу отсутствия или чрезвычайно малого содержания кислорода в архейской атмосфере и периодического появления местных источников O2 в моменты формирования определенных отложений.
Некоторые архейские осадочные породы (например, в формации Шеба вблизи Барбертона, Южная Африка), особенно глинистые сланцы, содержат значительное количество органического углерода. Встречаются даже углеобразные и известняковые архейские отложения, хотя они сравнительно редки. Известны характерные ассоциации золота, марганца, меди, алюминия и сульфидов железа с богатыми углеродом осадочными породами архея. Истолковать их трудно. Относительно знаменитых южноафриканских золотых россыпей Витватерсранда высказана мысль, это биогенное отложение органического углерода здесь было непосредственно связано с привносом новых минералов в эти неметаморфизованные осадки.
Протерозойский эон продолжался от 2600 млн. до 600 млн. лет назад. Его можно подразделить на нижний протерозой (2600-2000 млн. лет назад) и верхний протерозой (2000-600 млн. лет назад). Есть убедительные данные о том, что в протерозое уже были обширные гранитные континенты, типичные для современной Земли.
Геологический режим протерозойского типа существовал в некоторых областях Земли уже 3 млрд. лет назад, например в южноафриканском Зулуленде; в других местах, например в северо-западной Канаде, этот режим сложился только 2500 млн. лет назад. Для нижнего протерозоя характерны обильные эпиплатформенные осадки. Платформы — это обширные стабильные участки континентов, и эпиплатформенные отложения образуются за счет выветривания платформ, т. е. не в результате геотермального или океанического выветривания, как архейские зеленокаменные пояса, а из твердых континентальных масс. Эпиплатформенные отложения нижнего протерозоя отличаются от современных тем, что они обычно менее окислены. Однако им сопутствуют и в них внедряются породы, типичные для более молодых отложений, богатые калием граниты и гнейсы. Специфические архейские породы, богатые натрием, уже были к тому времени замещены современными вулканическими и магматическими породами. По-прежнему часто встречались ПЖФ. Отложения верхнего протерозоя содержат обильные окисленные осадки, которые были выветрены из континентальных массивов. Эта окисленность была истолкована как свидетельство повышения концентрации O2 в атмосфере.
Во всех образованиях, сформировавшихся после нижнего протерозоя, главные магматические интрузии представлены богатыми калием гранитами, а метаморфические породы — гнейсами. После среднего протерозоя ПЖФ, содержащие как закисное, так и окисное железо, в основном сменяются отложениями, носящими название красных пластов, которые содержат главным образом окисное железо. Эти пласты богаты оксидами железа, например минералом магнетитом. В верхнем протерозое Западной Австралии, Южной Африки и Канады начинают в изобилии встречаться строматолиты органоосадочные структуры, представляющие собой слоистые породы, которые состоят из известняка (карбоната кальция) или, реже, из богатой углеродом опаловой породы. Строматолиты интерпретируются как фоссилизованные следы главным образом фотосинтезирующих сообществ микроорганизмов. Их находят иногда и в архейских породах, но в протерозое строматолитов гораздо больше и они лучше развиты. Они имеют характерную форму и структуру, что позволяет использовать их в качестве стратиграфических маркеров; геологи пытаются с их помощью идентифицировать геохронологические подразделения протерозоя путем установления корреляций между географически изолированными слоями. В течение верхнего протерозоя разнообразие карбонатных и кремнеземных строматолитов, а также занимаемая ими площадь в огромной степени увеличиваются. Интерпретация строматолитов дофанерозоя как биогенных структур имела большое значение для расшифровки эволюционной истории микробных экосистем.
В отложениях верхнего протерозоя из нескольких далеко отстоящих друг от друга мест были найдены окаменевшие остатки (возрастом около 680 млн. лет) многих мягкотелых животных, относящихся к ряду хорошо известных типов Metazoa. Присутствие представителей остальных царств эукариот-протоктистов, растений и грибов в дофанерозойских слоях пока еще достоверно не установлено. Однако сообщалось об изобилии трудно идентифицируемых микрофоссилий в породах верхнего протерозоя. Среди них обычны следующие своеобразные ископаемые: сферические микрофоссилии, называемые акритархами; луковицеобразные хитинозои; гистрихосферы, которые, возможно, являются остатками цист динофлагеллят. Такие ископаемые могут служить указанием на то, что около 1 млрд. лет назад уже существовали эукариоты.
Фанерозойский эон начался около 600 млн. лет назад и продолжается до настоящего времени. Красные пласты полностью заместили ПЖФ. Для пород фанерозоя характерны окисленные отложения, образовавшиеся из материала крупных континентальных массивов и содержащие остатки животных, растений и протоктистов, часто в огромных количествах. Хотя нам известны и архейские окаменелости, во многих книгах только окаменелости фанерозоя рассматриваются как «палеонтологическая летопись» или «классическая палеонтологическая летопись». Первая эра фанерозоя — палеозойская — выделяется повсеместным появлением многоклеточных животных, обладающих скелетом; ее назвали «веком беспозвоночных». В ранних породах фанерозоя отмечается уменьшение численности и разнообразия строматолитов и соответствующее увеличение распространенности карбонатных рифовых фаций. Эти рифы вначале строились главным образом сообществами губок и других многоклеточных животных с твердым скелетом, а позднее-колониальными кишечнополостными (кораллами). К началу мезозойской эры фанерозоя, около 225 млн. лет назад, тропические океаны изобиловали «современными» коралловыми рифами, которые представляют собой саморегулирующиеся барьерные экосистемы.
В течение фанерозойского зона происходило начавшееся в основном в позднем палеозое перемещение магнитных полюсов Земли и изменение формы и положения континентов, которые в разные времена занимали различное географическое положение и оказывались в разных климатических условиях. Вероятно, такое поведение земной коры установилось еще в дофанерозое, но прямых указаний на это нет. Во всяком случае дрейф континентов в фанерозое существенно повлиял на распространение наземных животных, растений и морских организмов. После выяснения всей истории движения земной поверхности в дофанерозое откроется возможность проследить их влияние на ход дофанерозойской эволюции.
Источник: Л. Маргелис. Роль симбиоза в эволюции клетки. Пер. В.Б. Касинова, Е.В. Кунина. Под ред. Б.М. Медникова. Издательство «Мир». Москва. 1963