Биология

САМОРЕГУЛЯЦИЯ БИОСФЕРЫ И ВЕЛИКИЕ ОЛЕДЕНЕНИЯ

Несмотря на успехи науки и сегодня мы не можем с уверенностью сказать, что станет с земной средой в недалеком будущем. Серьезным сомнениям подвергаются предсказания ее состояния, а тем более проверка надежности тех или иных предлагаемых сценариев развития биосферы. И все же принципиальная возможность экологических прогнозов и проверки высказанных идей существует. Главное здесь - познание по геологическим данным саморегуляции биосферы - механизма ее гомеостаза, благодаря которому поддерживается динамическое постоянство внутренней среды, когда основные параметры находятся вблизи оптимального уровня. Ведь осадочные толщи горных пород представляют собой продукты земной оболочки, охваченной жизнью и являющейся открытой глобальной динамической системой.

БИОСФЕРНЫЕ РИТМЫ

Важнейшие глобальные изменения в фанерозое.

Конечно, без познания механизма гомеостаза (саморегуляции) биосферы нельзя верно реагировать на грядущие изменения природы и климата, а тем более пытаться управлять средой обитания. Как писал академик Владимир Вернадский (1863 - 1945), "биосферу нельзя понять в явлениях, на ней происходящих", если будет забыта ее геологическая история. Однако пока геология такой проблемы перед собой не ставила, хотя изучение механизма гомеостаза биосферы позволяет дать ответ на многие дискуссионные вопросы: о причинах массовых вымираний животных, великих оледенений, периодичности осадко- и рудонакопления и др. Включающая живое вещество, гидросферу, тропосферу и верхнюю часть литосферы, она пригодна для жизни уже около 4 млрд. лет, хотя за это время сильно изменилась. И нет сомнений, что она, как любая самоорганизующаяся система, обладает гомеостазом и для его поддержания вынуждена совершать автоколебания, которые записаны в продуктах, образующихся на ее выходе - осадочных горных породах и полезных ископаемых. Что они собой представляют и каковы их масштабы, позволили выяснить наши исследования периодичности геологических процессов.

Важнейшими особенностями автоколебаний служат причинная обусловленность фаз колебаний и их фрактальность. Любая из фаз становится причиной следующей, а все автоколебания вне зависимости от их размеров подобны друг другу. Таким образом, задача состоит в том, чтобы найти в осадочной толще Земли сходные структуры (фракталы), отражающие глобальные изменения.

Оказывается, они давно известны. Это закономерно сменяющие друг друга углеродистые отложения, карбонаты и соли. Например, в Восточной Сибири мощные углеродистые слои* венда и раннего кембрия (600 - 510 млн. лет назад) сменяются карбонатными породами (известняками и доломитами), а последние - огромными накоплениями солей. На угленосных отложениях ранней (200 - 160 млн. лет назад) и средней юры в Предкавказье и Средней Азии лежат мощные слои позднеюрских (160 - 145 млн. лет назад) карбонатных пород, поверх которых залегают соли. Длительность этих фракталов - около 30 млн. лет. Подобных примеров, которые, несмотря на их региональность, отражают глобальные изменения, можно привести множество. Все они получили название биосферных ритмов и состоят из двух фаз: углеродистой (эвтрофной) и кальциевой (олиготрофной). Первая наступает резко, а переход во вторую идет постепенно, ступенчато. Эвтрофная фаза - это резкая смена декораций: биота начинает сбрасывать "лишний" углерод, климат делается более теплым и влажным, понижаются темпы накопления осадков, развиваются коры выветривания, ослабевает снос с континентов обломков горных пород, а вынос растворенных солей в океан увеличивается. Углеродистые фазы в 3 - 5 раз короче кальциевых.

Следует отметить: подобные фазы - белковая и кальциевая - выделяются и в функционировании живой клетки, свидетельствуя о единстве живого вещества и биосферы. При избытке питания в ней откладываются жиры, а при его недостатке - кальций. При усиленном поступлении питательных веществ (на сушу - углекислого газа, а в зону фотосинтеза океана - азота и фосфора) наблюдается эвтрофия. Усиливается накопление углеродистых толщ, причем важно отметить, что на суше (каменные угли) и в океане (черные сланцы) этот процесс идет одновременно. Когда поступление питательных веществ сокращается (переход к олиготрофии), растет образование карбонатных отложений вплоть до солеобразования в аридных условиях. Биосферные ритмы - от самых длительных (порядка 90 млн. лет) до самых коротких - построены самоподобно. Питательные вещества поступают в зону фотосинтеза из двух источников. Речь идет о выветривании горных пород, магматизме, вулканизме и метаморфизме, связанных с тектонической активностью на материках и в океанах. И параллельно - о богатых питательными веществами глубинных и промежуточных водах океана. В первом случае внешние воздействия на биосферу связаны с ней нелинейно. Второй источник лежит внутри системы и только он может находиться в линейной зависимости от углеродистых фаз биосферных ритмов.

Принципиальные схемы циркуляции вод океана при формировании их стратификации по температуре (А) и солености (В).

Если на суше биопродуктивность ограничена содержанием углекислого газа в атмосфере, то в океане ее уровень определяется концентрацией азота и фосфора в зоне фотосинтеза. Как отмечают океанологи, динамика вод первична в процессах образования районов повышенной биологической продуктивности, т.е. является ее причиной. Логично предположить: периодическое усиление течений, поставляющих питательные вещества в верхние слои океана, а вместе с ними и CO₂ в атмосферу, приводило к одновременному усилению биопродуктивности на суше и в океане. В пользу такого мнения свидетельствует установленная океанологами двойственность поведения межокеанского конвейера**. Тогда углеродистые фазы биосферных ритмов связываются с усиленной работой последнего, а сменяющие их кальциевые фазы - с ослабленной. Процесс же образования углеродистых фаз зависит от периодического формирования несмешиваемых масс океанских вод и их быстрым разрушением, что приводит к временной активизации морских течений.

Такие изолированные массы вод, по данным палео-океанологов, существовали по нескольку миллионов лет. Известны и современные, более кратковременные их формирования типа Великой соленосной аномалии в северной Атлантике. Ее образование в 1959 - 1981 гг. было связано с замедлением глобального конвейера в средних широтах и ослаблением Гольфстрима, тогда как в начале 1950-х и в конце 1980-х годов (т.е. до и после аномалии) в средних широтах шла интенсивная отдача тепла в атмосферу, сопровождавшаяся усилением Гольфстрима. Причем восстановление активной работы конвейера происходило почти в четыре раза быстрее, чем его замедление.

Так как длительность углеродистых фаз биосферных ритмов в 3 - 5 раз короче кальциевых, аномальные массы океанских вод должны формироваться медленно, а разрушаться быстро (кстати, это общий принцип). Так ведут себя системы, способные накапливать и сбрасывать энергию по закону фликкер-шумов (т.е. мощность процессов обратно пропорциональна их частоте). Подобные системы могут обладать высокой чувствительностью к слабым воздействиям. В них часть элементов находится в предпороговом, почти достигшем предела устойчивости, состоянии, и достаточно небольшого толчка, чтобы накопленная энергия высвободилась. Толчок вызывает одновременный ее сброс во всех предпороговых элементах системы, что, в свою очередь, стимулирует сброс энергии и в элементах, удаленных от самого порога устойчивости - эффект увеличивается лавинообразно. При наличии внешних, достаточно сильных и частых воздействий энергия сбрасывается далеко от порога устойчивости, и суммарного ее "рывка" не происходит. Кстати, подобные системы обладают парадоксальным свойством: они дают сильные отклики на редкие и слабые воздействия и малозаметные - на сильные и частые. Вот почему почти все углеродистые фазы биосферных ритмов могут начинаться с внешних воздействий, но не все они предваряют глобальные изменения. Действительно, в последнее время обнаружены иридиевые аномалии, служащие следами падения на Землю крупных космических тел, не связанных с заметными глобальными изменениями***.

ПАРАДОКС КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

В фанерозое (последние 600 млн. лет) известны четыре крупных ледниковых периода: в конце венда - начале кембрия, в конце ордовика - силуре (500 - 415 млн. лет назад), в среднем карбоне - перми (340 - 250 млн. лет назад) и современный. Каждый длился около 90 млн. лет. Между ледниковыми периодами на Земле господствовал теплый безледниковый климат; продолжительность каждого из них была примерно такой же. А наибольшая периодичность в накоплении осадочных горных пород в два раза короче "цикла Бертрана" - периода глобальных тектонических воздействий на биосферу, равного примерно 180 млн. лет.

Климатическая зональность Пангеи во время максимального оледенения начала перми (по Н. М. Чумакову, 2004).

Шесть выделенных периодов в глобальном осадконакоплении фанерозоя построены подобно друг другу. Все они начинаются в условиях, максимально благоприятных для накопления углеродистых отложений, а завершаются мощными толщами карбонатов. С углеродистыми отложениями связаны не только нефть, газ и каменные угли, но и месторождения фосфоритов, цветных, редких и благородных металлов. Так как крупные углеродистые эпохи оказываются сближенными во времени, они образуют ансамбли высокопродуктивных эпох. Наиболее продуктивные из них в истории фанерозоя разделены "пиками" накопления карбонатов и оледенениями. Причем углеродистые эпохи возникают в два раза чаще, чем оледенения, и на них приходятся самые сильные изменения в растительном покрове и животном населении Земли. И чем крупнее оледенения, тем продолжительнее предшествующие им и сопровождающие их высокопродуктивные ансамбли эпох. Скажем, относительно небольшое позднеордовикско-силурийское оледенение (примерно 460 - 420 млн. лет назад) предварялось и сопровождалось менее значительным накоплением осадочных полезных ископаемых.

Сама смена ледниковых и безледниковых эпох выглядит парадоксально. Наступление первых в ордовике (488 - 444 млн. лет назад), в конце раннего карбона (345 млн. лет назад) и в конце мела (65,5 млн. лет назад) происходило на фоне высокого уровня океана и преобладания теплого гумидного климата, когда альбедо Земли было минимальным. Деградация среднекарбонско-пермского (гондванского) оледенения, развитого на юге Пангеи - огромного материка, включавшего все части света, произошла без заметного ее смещения. Ей предшествовало широкое распространение покровного оледенения, резкая аридизация (засушливость) климата, отсутствие зоны влажных тропиков на фоне низкого уровня океана. Естественно, из-за увеличения площади суши, развития пустынных ландшафтов и ледниковых покровов альбедо Земли в конце перми (250 млн. лет назад) было максимальным, а количество поступающей солнечной энергии - минимальным.

Такая парадоксальность свидетельствует о нелинейности явления и его автоколебательной природе. Как ни странно, но переход от теплой биосферы к холодной и наоборот происходил вопреки климатической системе. Выходит, она, хотя и используется во всех климатических моделях, непригодна для объяснения долгопериодических автоколебательных процессов. Поэтому необходимо привлекать внешние воздействия на систему. Для объяснения ледниковых периодов приходится использовать такие факторы, как тектоническая активность, перемещение материков, вулканизм и т.п. Четвертичные оледенения общепринято толковать как результат изменения наклона эклиптики и эксцентриситета орбиты Земли (в соответствии с теорией, предложенной в 1914 г. югославским астрономом Милутином Миланковичем).

Климатическая система построена на основе определения климата как статистического ансамбля многолетнего режима погод и охватывает только верхнюю часть биосферы. Если же рассматривать климат как термодинамическое состояние всей биосферы, то построение модели, вскрывающей причинность глобальных изменений, возможно.

ОКЕАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГЛОБАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ

Климатическая зональность Пангеи в самом начале безледниковой эпохи раннего триаса (по Н. М. Чумакову, 2004).

Общее число опубликованных гипотез, объясняющих сверхдлинные климатические колебания, приближается к сотне. Несостоятельность наиболее популярных из них (изменение макрогеографической ситуации, тектонической активности и горообразования) показана в 2004 г. сотрудником Геологического института РАН, доктором геолого-минералогических наук Николаем Чумаковым, считающим, что основная причина изменений климата в прошлом - вулканизм. Однако с позиций предлагаемой нами модели он является не причиной, а следствием становления и разрушения материковых оледенений.

Естественно, температуры глубинных и промежуточных вод океана в ледниковые периоды были такими же низкими от (-0,5 до +5 °С), как и теперь, а в безледниковые периоды, судя по многочисленным палеоданным, столь же высокими (от 7 - 11 до 20 С), как в мелу. Следовательно, в течение фанерозоя холодный океан несколько раз сменялся теплым, и наоборот; таких переходных периодов было шесть. В эти эпохи откладывались самые богатые горючими и другими полезными ископаемыми осадочные породы. С ними связаны все массовые вымирания животных и растений, в том числе и самые значительные - на рубежах раннего и среднего ордовика (470 млн. лет назад), ордовика и силура (418 млн. лет назад), перми и триаса, триаса и юры (200 млн. лет назад), мела и палеогена. Они могли быть обусловлены резкой сменой в большинстве регионов Земли - в океане и на суше - олиготрофных условий эвтрофными при вступлении углеродистых фаз биосферных ритмов.

Стратификация вод по температуре в периоды развития покровного оледенения, когда весь океан холодный, приводит к приостановке течений, резкой климатической зональности. В низких широтах в условиях усиленного испарения образуются массы теплых, более соленых и плотных вод, которые в глубинах океана порциями проникают в высокие широты, уничтожая покровное оледенение и приводя к расслоению вод по солености. Глубинные воды двигаются от экватора к полюсам, а поверхностные - от полюсов к экватору. После распределения водных толщ по солености наступает фаза стабилизации теплого океана. При этом более плотные воды в низких широтах перестают образовываться, ибо теперь благодаря малому перепаду широтных температур формируется влажный тропический климат. В условиях установившейся общей стратификации вод по солености океанические течения ослабевают. Тепло перестает поступать в высокие широты, и здесь на глубине образуются слои холодных вод. Перемещаясь от полюсов к экватору, они порциями проникают в глубины океана, формируя распределение толщи вод по температуре.

Как видим, в пермском холодном океане из-за сильной зональности климата стратификация вод по температуре могла перейти только в распределение по солености, характерное для теплого мезозойского океана, а в конце мезозоя, в условиях слабой климатической зональности, оно могло перейти только в стратификацию по температуре, характерную для современного холодного океана. Таким образом, смена тепла и холода на Земле происходит в автоколебательном режиме.

Кроме того, неоднократное образование и разрушение материковых оледенений сопровождалось изменениями скорости вращения Земли, что отражалось на активизации вулканизма и тектоники.

Прямым подтверждением состоятельности предложенной модели служат открытия, сделанные микропалеонтологами. Так, кандидат геолого-минералогических наук Олег Корчагин на основании изучения фораминифер**** в 2004 г. установил особую циркуляцию вод океанов: на глубине они перемещались от экватора к полюсам, а на поверхности - в обратном направлении. Он же отметил начало перемещения глубинных вод к экватору, а поверхностных - от него в конце кампана - начале Маастрихта (верхний мел, 70 млн. лет назад), когда началось формирование современного изменения по температуре. Сотрудник нашего института, доктор геолого-минералогических наук Иван Басов в 1995 г. установил факт смены распределения толщи тихоокеанских вод по солености на температурное в начале кайнозоя.

Климатическая зональность Земли перед началом (или в начале) современного ледникового периода (по М. А. Ахметьеву, 2004).

Вымирание животных и растений на границе мела и палеогена было весьма избирательным. Сотрудник Геологического института РАН, доктор геолого-минералогических наук Михаил Ахметьев в 2004 г. выяснил: в большинстве случаев это началось еще в Маастрихте, причем меньше всего пострадали наземные моллюски, пресноводные рыбы и наземная флора. Самые большие изменения биоты происходили в океане, а ведь если бы причиной катастрофы послужило падение космического тела, активизация вулканизма или мощные извержения вулканов, сильнее всего пострадала бы жизнь на суше. Данные явления могли служить пусковым механизмом вступления углеродистых фаз биосферных ритмов, так как последние проявляются лавинообразно (по закону фликкер-шумов).

В последние четыре миллиона лет в биосфере установился определенный ритм ледниковий и межледниковий с астрономическим периодом в 90 - 130 тыс. лет. По всей видимости, механизм их формирования принципиально такой же, как и у больших периодов ледникового и безледникового климатов. В ледниковья в течение 80 - 100 тыс. лет создаются массы холодных вод; в итоге они прорываются в глубины океана, возбуждая межокеанский конвейер. Его резкое усиление ведет к быстрой деградации части ледникового покрова, относительно кратковременному (15 - 20 тыс. лет) потеплению и увлажнению климата. По мере затухания межокеанского конвейера наступает новое ледниковье, достигающее максимума перед самым началом следующего потепления. Сейчас мы живем в самом конце последнего, длящегося уже около 12 тыс. лет.

Согласно предлагаемой модели, на Земле в настоящее время еще не полностью сформировалась стратификация вод океана по температуре, и нашу планету еще ожидает ледниковый максимум.

Поскольку любая система развивается по пути минимальной деятельности, биосфера для иерархического согласования своих ритмов использует космическое "расписание". Поэтому периоды автоколебаний биосферы совпадают или близки по длительности периодам изменения астрономических параметров Земли, Солнечной системы и Галактики.

Таким образом, автоколебательный механизм гомеостаза биосферы порождает биосферные ритмы и служит причиной как великих оледенений, массовых вымираний, периодичности осадко- и рудонакопления, так и эволюции самой системы.

* См.: Б. С. Соколов. Проникая в глубины прошлого. - Наука в России. 2005, N 1.

** См.: А. П. Лисицын, А. М. Сагалевич. Главное открытие в океане. - Наука в России, 2001, N 1.

*** См.: А. К. Литвак и др. Космические странники. - Наука в России, 2003, N 2.

**** Фораминиферы - микроорганизмы, известковые раковины которых образуют значительную часть океанических илов.

Доктор геолого-минералогических наук Юрий МАЛИНОВСКИЙ, Геологический институт РАН