Палеонтология антрополога. Книга 1. Докембрий и палеозой

Конечно, всегда стоить помнить, что ископаемые существа – не копии современных, иногда они бывают оригинальны и на первый взгляд противоречивы. Скажем, халикотерии – представители непарнокопытных, имели на пальцах когти, причём раздвоенные. Если бы были найдены только обломки этих когтей, можно было бы подумать, что они принадлежат хищному зверю. Но нет, зубы и все прочие признаки, без всякого сомнения, относят халикотериев к растительноядным. Когти эти странные животные использовали для пригибания ветвей деревьев. Если же вникнуть в детали строения халикотериевых когтей, то не так сложно понять, что они были всё же ближе к копытам. Прямо противоположный пример: мезонихии имели на пальцах копыта, хотя по всем остальным признакам – особенно по строению челюстей и зубов – они, несомненно, относятся к хищникам.

Вывод прост: чем больше данных, тем лучше. Не стоит делать далеко идущих выводов по единичным фрагментарным находкам, на таком не раз попадались даже лучшие умы прошлого, не надо наступать на те же грабли. Благо, сейчас информации у нас просто гигантское количество, и она продолжает поступать невероятными темпами.

«Взятие в скобки». Изучение древнего организма в сравнении с более и менее примитивными формами. Современная наука уже более-менее разобралась с порядком возникновения разных существ, к тому же, что приятно, многие из них имеют современных потомков. Логично предположить, что промежуточные вымершие формы должны иметь промежуточные черты. Например, среди архозавров крокодилы – очень примитивные, отделились от общего ствола текодонтов весьма рано, птицы – самые продвинутые, обособились последними, а динозавры находятся на филогенетическом древе примерно посередине, хотя они и не потомки крокодилов и не факт, что предки птиц. Ещё есть птерозавры, чья ветка ответвляется после крокодилов, но до динозавров. Зная особенности крокодилов и птиц, можно строить гипотезы об особенностях птерозавров и динозавров. Конечно, такой подход должен учитывать, что современные примитивные формы (те же крокодилы) совсем не копии ископаемых прототипов, а имели свою долгую эволюцию; и уж подавно сильно изменились продвинутые группы.

* * *

Тафономия – раздел палеонтологии, изучающий пути образования ископаемых – фоссилий. Термин введён советским палеонтологом И.А. Ефремовым.

Ископаемые достаются учёным в разном виде.

Окаменение (петрификация) и замещение: в этом случае органика разрушается, а вода, содержащая минеральные компоненты, заполняет все полости и поры, где минералы отлагаются, создавая каменистые фоссилии. Понятно, что обычно окаменевают только самые прочные части, например кости, но изредка, при хорошей концентрации минерального раствора, петрифицируются мышцы и даже такие эфемерные части, как язык, нервы и глаза. Иногда по пути окаменевающие элементы заметно деформируются, искажаются и сплющиваются самым причудливым образом. Качество окаменения бывает разным – от слабооформленных чурок, лишь в общих чертах напоминающих исходный объект, до клеточной точности, что позволяет оценить уровень обмена веществ и даже прикинуть размер генетического аппарата. Чрезвычайно ценный вариант окаменелостей – микрофоссилии: одноклеточные водоросли, микроскопические раковинки простейших, споры и пыльца растений. По ним идеальным образом восстанавливаются климатические колебания; по большому счёту, по ним проводятся и границы геологических периодов.

Фоссилизация

1. Мертвое животное опускается на морское дно.

2. Трупоеды и бактерии вскоре очищают его скелет от плоти.

3. Сверху образуется осадочный слой.

4. Растворенные в воде минеральные вещества просачиваются в горную породу и останки животного.

5. Вода вытесняется из породы. Минеральные вещества замещают костное вещество в костях.

6. Миллионы лет спустя горная порода становится сушей. Стихия разрушает её, обнажая скрытые в ней окаменелости.

Замещающие породы тоже бывают разными. Особенно впечатляют окаменелости, выполненные пиритом – выглядят они, как золотые. В Австралии знамениты переливающиеся всеми цветами радуги кости динозавров, замещённые опалом. В канадской Альберте перламутр аммонитов стал аммолитом – зелёно-жёлто-оранжевым минералом невероятной красоты.

Копролиты – окаменевшие экскременты, то есть какашки – не самый привлекательный, но богатый информацией вид фоссилий. По ним можно проследить детали диеты и иногда поведения древних животных. Часто внутри копролитов сохраняются косточки, чешуя и даже окаменевшие шерстинки, а изотопный анализ позволяет уточнить содержание разных типов органики в пище. Угадать, кто же нагадил миллионы лет назад, бывает непросто. Хорошо с акулами: благодаря спиральному клапану в прямой кишке их завитые копролиты крайне характерны. А вот кому принадлежат копролиты в виде звёздочек из пермских отложений Пермской области – до сих пор неизвестно; зато как красиво можно назвать это таинственное существо – «Астрофекалис мирабилис».

Окаменелый скелет динозавра

Обугливание – довольно частый вариант фоссилизации, при котором нестойкие органические компоненты исчезают, но углеродная, то есть углистая составляющая остаётся. Понятно, что чаще и легче это происходит с растениями: в гигантских залежах бурого и каменного угля регулярно встречаются обугленные стволы, корни и листья деревьев.

Отпечатки образуются, когда организм падает на песок или впечатывается в него; последующие отложения покрывают его, так что, когда палеонтолог раскалывает плитку песчаника, получается отпечаток и противоотпечаток. В зависимости от грубости породы разрешение будет разным. Если осадок был очень мелкий, сохраняются детали строения ножек и крыльев насекомых, мельчайшие прожилки листьев растений, семена и чешуя рыб в желудках животных. На отпечатке мезозойской птицы Archaeorhynchus spathula удалось проследить даже тонкости строения лёгких. Различаются и размеры отпечатков: чаще это не очень большие фрагменты тонких объектов, например, бесскелетных организмов, листьев и кожи, но встречаются и огромные отпечатки листьев, целых ихтиозавров, птерозавров, птиц и зверей. Иногда внутри отпечатка консервируются органические вещества, которые, позволяют, например, определить родство эдиакарских загадочных тварей или цвет кожи и перьев мезозойских рептилий и птиц. Самые знаменитые местонахождения самых впечатляющих отпечатков – Золенгофен и Мессель в Германии и Джехол в Китае.

Отпечаток вендского организма

Полости, слепки и ядра получаются, когда остатки живых существ погружаются в полужидкий осадок, после чего органика сгнивает или растворяется, оставляя полости. Эти пустоты могут сохраниться, а могут заполниться новым плотным осадком. Иногда в последующем разрушается уже окружающая порода, так что нам достаются объёмные слепки древних организмов. Обычно это происходит с раковинами и частями деревьев, но известны прецеденты слепков даже носорогов. Особый вариант слепков – эндокраны – отливки мозговой полости, которые могут образовываться сами собой, а при надобности изготавливаются уже самими палеонтологами. К сожалению, эндокраны не отражают всех деталей строения мозга, на них обычно не видно борозд и извилин, но общую форму и пропорции они передают.

Эндокран древнего человека из Гановце

Следы, ходы и норы изучаются особым разделом – ихнологией. Эта область весьма специфична и очень важна, так как позволяет наглядно увидеть поведение древних животных, например, взаимодействие хищников и их добычи. К сожалению, довольно редко можно соотнести следы ног и отпечатки и кости тех, кто их оставил, так что для следов существует отдельная номенклатура – выделяются ихнотаксоны (кстати, такая же ситуация существует с яйцами – их называют своими именами, которые редко прямо увязываются с теми, кто яйца отложил).

Полости в янтаре – один из самых красивых вариантов фоссилизации. В смоле, вытекавшей из деревьев, вязли древние насекомые, пауки, частички растений, ящерицы, перья птиц и прочие мелкие штуки. Смола затвердевала и становилась янтарём, внутри которого все эти чудеса застыли как пустоты с минимумом высохшей органики. Благодаря идеальному обтеканию смолой в янтаре видны наимельчайшие детали строения. К сожалению, надежды на то, чтобы там сохранилась ДНК, как это показано в фильме «Парк Юрского периода», не оправдались.

Битумизация – консервация в естественном парафине, асфальте и озокерите. Самые известные жертвы асфальта – мамонты, смилодоны, волки и гигантские грифы из Ранчо ла Бреа в Калифорнии. Самые впечатляющие находки – куски туш мамонта и шерстистых носорогов из Старуни на Западной Украине. Правда, они же – и самые несчастные: части мамонта и первого носорога были выброшены на свалку, а из шкур незамысловатые добытчики озокерита, принявшие их за волов, пытались шить обувь. Чуть больше повезло второй туше носорога, почти идеальной сохранности, чучело с которой до сих пор хранится в музее, хотя нормального исследования находки так никогда и не было сделано.

Насекомое в янтаре

Замораживание, высушивание (мумификация), засаливание – почти идеальные варианты. Все слышали про замороженных мамонтов из Сибири, на телах которых сохранились мышцы, кожа и шерсть, в коже – личинки оводов, внутри рта и желудка – трава. Как ни странно, единственное, что так и не сохранилось – это клетки. В процессе заморозки кристаллы льда порвали все мембраны, так что до сих пор ни одной целой клетки так и не было найдено. А это важно, так как цитоплазма столь же необходима для клонирования, как и ДНК, которая для мамонтов уже полностью расшифрована. Конечно, замороженными находят не только мамонтов, но и шерстистых носорогов, бизонов, лошадей, росомах, пещерных львят и прочих существ – в настоящее время таких находок сотни. Просто на мамонтов обращают гораздо больше внимания. Кого привлечёт мороженый суслик? А голая амёба, актиномицет или гигантский вирус? А меж тем все они найдены в плейстоценовых льдах. Самые удивительные находки с Колымы – семена растения смолёвки узколистной Silene stenophylla и нематоды Panagrolaimus aff. detritophagus и Plectus aff. parvus; их удалось оживить спустя, соответственно, 31,8 и 41,7 тысяч лет! Замороженные растения и тела животных найдены и на Аляске, хотя в меньшем количестве (соответственно меньшему размеру самой Аляски).

Маленькая тонкость

Всегда возникает вопрос: если найдены мороженые мамонты, то где мороженые люди? Самый известный и самый древний «ледяной человек» из Альп – Этци – жил 5,3 тыс.л.н. Наверняка живущие и работающие в тайге и тундре люди иногда находят и более древние тела, может быть, даже неандертальцев и денисовцев, но, думается, в этом случае их либо хоронят, не разобравшись, либо стараются никому не сообщать, боясь судебного преследования.

Несколько реже встречаются высушенные мумии – такие известны из пустынь Центральной Америки (куски шкур гигантских ленивцев), а также пещер Новой Зеландии (ноги и головы птиц моа). Засаливание идёт параллельно с высушиванием в пустынях Австралии (части тел дипротодонов) и Центральной Азии (человеческие мумии из Тарима в Китае и Чехрабада в Иране). Такие находки имеют совсем небольшой возраст, обычно уже голоценовый. Впрочем, соляным растворам принадлежит и абсолютный рекорд по консервации древних организмов – галофильных архей Halococcus salifodinae из Австрии, существовавших 250 млн л. н.!

Halococcus salifodinae

Фоссилизация может происходить быстро и медленно, но обычно – быстро, так как иначе бактерии успеют разложить органику на неорганические составляющие. Скорость зависит от специфики вмещающих пород и концентрации минеральных веществ в воде. С одной стороны, отдельные белки могут сохраняться миллионы лет, молекулы ДНК выделены из костей Homo heidelbergensis из Сима де лос Уэсос с древностью 427 тыс.л.н. С другой стороны, порой минерализация занимает считанные дни. Например, в московской канализации в XX веке находились окаменевшие тапочки и кошки того же XX века производства, причём окаменевала даже шерсть бедных животных.

Кроме отдельных фоссилий, тафономия изучает и целые захоронения, особенности их формирования и структуру. Для образования палеонтологического местонахождения необходимы четыре этапа. Во-первых, остатки организмов должны сконцентрироваться в каком-то месте; иногда это происходит во время массовой гибели, иногда остатки просто сносятся водой в какую-нибудь заводь или скапливаются в ямах, оврагах, пещерах, даже пнях. Во-вторых, аккумулированные остатки должны быть достаточно быстро захоронены в осадке. В-третьих, должна произойти фоссилизация – превращение в окаменелости. В-четвёртых, уже в современности вышележащие отложения должны быть так или иначе разрушены, чтобы мы могли добраться до окаменелостей. Все эти этапы обязательны и должны сменять друг друга строго последовательно; выпадение хотя бы одного ведёт к нарушению всего цикла. Например, если организмы не будут быстро захоронены в осадке, то они разрушатся; если они не фоссилизуются, то тоже исчезнут без следа; если разрушение отложений произойдёт до фоссилизации, то мы ничего не найдём.

Ясно, что столь счастливое стечение обстоятельств – чтобы и организм попал куда надо, и никто его не съел, и концентрация минеральных веществ в воде была оптимальной, и всё это пролежало до современности и не развалилось, и оказалось в доступном человеку месте, и мы ещё это нашли, да ещё чтоб нашёл не кто-нибудь, а нормальный палеонтолог – всё это крайне маловероятно. 99,99 % организмов без следа разрушаются, а их вещество возвращается в общий круговорот. Отсюда неизбежно вытекает неполнота палеонтологической летописи. Иначе и быть не может, а то бы мы ходили по скелетам, да и из какого такого вещества состоял бы у нас организм, если бы все предыдущие сохранялись?

Так что, как ни прискорбно, палеонтологам никогда не светит найти представителей всех ископаемых организмов. От большинства видов не сохранилось вовсе ничего, от многих – единичные и притом фрагментарные находки. Впрочем, есть и счастливые исключения, когда обнаруживаются просто грандиозные слои древесины, раковин, скелетов, отпечатков и прочих фоссилий. Некоторые даже добываются промышленным способом. Каждый год в печах сгорают миллионы отпечатков в каменном угле. Известняки, из которых построено огромное количество сооружений по всему миру, не что иное, как концентрат фоссилий. В стенах многих зданий и метро не так сложно найти членики морских лилий, а иногда и раковины аммонитов. Даже банальный писчий мел, изводимый в школах тоннами, – прессованные ископаемые, хотя бы и одноклеточные. Но и крупнокалиберные, вполне коллекционные фоссилии бывают бесчисленны: тысячами на продажу добываются мадагаскарские аммониты, марокканские трилобиты, китайские нотозавры и вайомингские рыбки.

Для обозначения разных фаз и вариантов местонахождения придуманы умные слова.

Танатоценоз – скопление мёртвых организмов или их частей. Танатоценозы могут быть автохтонными – захороненными в месте их гибели, или аллохтонными – перемещёнными к месту захоронения.

Тафоценоз – древний танатоценоз, претерпевший захоронение в породе.

Ориктоценоз – совокупность остатков организмов, изучаемая исследователями. Часто этим же словом обозначают просто список определённых таксонов из конкретного местонахождения. Тонкость в том, что часто какая-то часть тафоценоза до поры до времени ускользает от внимания учёных, в последующем же, с применением новых методик и подходов, ориктоценоз может неожиданно увеличиться, даже без дополнительных раскопок. А может и уменьшиться, если дополнительные исследования покажут, что множество ранее выделявшихся видов на самом деле представляют собой одно и то же. Такое происходит сплошь и рядом.

Геохронологическая, или стратиграфическая шкала – великое расписание времён, последовательность эпох от появления Земли до современности. Всё время существования планеты для удобства делится на отрезки, внутри разделённые на более дробные подразделения.

Маленькая тонкость

Почти любой отрезок делится на «нижний», «средний» и «верхний» или «ранний», «средний» и «поздний». Тонкость заключается в том, что «нижний – верхний» относится к стратиграфии, геологическому расположению в ненарушенных отложениях, а «ранний – поздний» – ко времени. Обычно слова «нижний – ранний» и «верхний – поздний» используются как синонимы, но разницу лучше в уме держать. Аналогично отличаются пары понятий «эратема – эра», «система – период», «отдел – эпоха» и «ярус – век»: первые термины в парах относятся к геологии, вторые – к хронологии. В ярусе окаменелости залегают, в веке существа жили.

Акротемы, или акроны – самые длинные отрезки, выделяющиеся далеко не всегда, актуальные лишь для дремучих докембрийских времён, где их обычно насчитывают два-три: гадей (катархей), архей и протерозой; иногда они не отличаются от эонов.

Эонотемы, или эоны – тоже грандиозные этапы. Иногда их выделяют всего два – докембрий и фанерозой. Впрочем, подразделения докембрия – гадей, архей и протерозой – тоже порой считаются эонами, а иногда за таковые идут внутренние подразделения архея и протерозоя (если их считать акронами) – ранне- и позднеархейский, а также ранне- и позднепротерозойский.

Эратемы, или эры – гораздо более стабильное понятие. Правда, для докембрия по-прежнему есть разнобой в разных схемах, но внутри фанерозоя всеми выделяется три эры – палеозойская, мезозойская и кайнозойская.

Системы, или периоды – самые ходовые отрезки с наибольшей стабильностью в разных схемах. Иногда внутри них выделяются ещё и подсистемы, но тут согласия меньше. Внутри палеозоя шесть периодов: кембрийский, ордовикский, силурийский, девонский, каменноугольный (карбоновый) и пермский. В мезозое три периода: триасовый, юрский и меловой. В кайнозое тоже три: палеогеновый, неогеновый и четвертичный (антропогеновый).

Отделы, или эпохи – ещё более мелкие и на практике не всегда хорошо определимые отрезки. Большинство периодов разделяются на нижнюю, среднюю и верхнюю эпохи; у некоторых нет средней, у некоторых названия оригинальнее; кайнозойские иногда дополнительно делятся на подотделы.

Ярусы, или века – самое мелкое подразделение, длиной от двух – пяти до десяти миллионов лет, редко больше. К тому же они иногда подразделяются на подъярусы, значимые, правда, уже только для региональных шкал. Теоретически ярусы должны быть самыми актуальными измерителями времени, но в реальной работе далеко не всегда возможно установить, к какому ярусу относится конкретный слой или, подавно, отдельная окаменелость. Особенно обидно, что часто возникают сложности соотнесения ярусов, установленных в разных странах по разным критериям.

Всегда важно помнить, что все указанные подразделения в любом случае условны. Лучшее тому доказательство – сравнение хронологической протяжённости разных отрезков: чем период древнее, тем он в среднем длиннее. Например, кембрийский и юрский периоды тянулись по 56 миллионов лет, девонский и карбоновый – по 60, меловой – 79, а эдиакарский и вовсе 94! В то же время вся кайнозойская эра заняла 66 миллионов лет, а четвертичный период длится каких-то несчастных 2,58 миллиона – меньше большинства ярусов. Такая несуразица выросла из двух корней.

Во-первых, границы этапов часто имеют скорее историческую ценность. Геологи XIX века исследовали конкретные местонахождения, описывали их фауну, сравнивали и пытались расположить слои в закономерном порядке. С тех времён сохранились много странных названий, например «четвертичный период». Дело в том, что в некоторый момент история Земли делилась на четыре периода: первичному более-менее соответствует палеозойская эра, вторичному – мезозойская, третичному – первая половина кайнозоя, а четвертичному – антропоген. Первые три названия поменялись (хотя третичный иногда и поминают по старинке), а последнее упорно держится в стратиграфических шкалах, хотя антропологам, понятно, больше нравится новое название. Ясно, что геологи прошлого имели крайне смутное представление о протяжённости выделяемых этапов, считалось, что они укладываются в несколько тысяч или от силы сотен тысяч лет. Ни о какой эквидистантности – равной нарезке по времени – речи не шло.

Вторая причина – неодинаковая осведомлённость учёных о разных эпохах. Очевидно, что про более отдалённые времена известно гораздо меньше, про близкие к нам – больше. Разрешающая способность методов сильно неодинаковая. Разобраться, к какому конкретно отрезку, например, девона или силура относятся отложения, бывает очень непросто, тогда как для неогена и антропогена у нас есть огромное количество надёжных маркёров. Да и просто самих отложений более поздних времён несравнимо больше. Отсюда вырастает «логарифмическое мышление»: недавним событиям придаётся больше значения, а древние сливаются в неразборчивую серую массу. Другое следствие – представление об ускорении эволюции при приближении к современности. Детали событий старины глубокой ускользают, потребности тогдашней жизни могут быть совершенно нам непонятны, тогда как мельчайшие события вчерашнего дня приобретают глубокий смысл и вселенскую важность. Кажется, что в палеозое сотни миллионов лет вяло суетились одинаковые трилобиты и росли одинаковые кораллы, а вот в последние-то сто тысяч лет вон сколько видов млекопитающих поменялось! А то, что трилобиты внутри себя и кораллы друг от друга отличаются порой гораздо больше, чем самые несхожие млекопитающие, понятно только специалистам по трилобитам и кораллам.

Важно понимать и сам принцип проведения границ между эпохами. В подавляющем большинстве случаев это делается по руководящим ископаемым – характерным для разных периодов живым организмам. Чаще всего в качестве таких руководящих выступает какаянибудь многочисленная и быстро эволюционирующая мелочь типа фораминифер, радиолярий, трилобитов, брахиопод, аммонитов, двустворок, граптолитов, конодонтов и спор растений. Например, в касимовском ярусе карбона обнаруживается комплекс аммонитов Dunbarites-Parashumardites, а в гжельском – Shumardites-Vidrioceras; роудский ярус перми содержит зубчики конодонтов Jinogondolella nankingensis, а последующий вордский – Jinogondolella aserrata. Смена родов и видов морских животных чутко отражает изменения температуры воды, иногда её микроэлементного состава, освещённости и прочих показателей среды. Наземная флора и фауна обычно более стабильны, да и материалов по ним меньше, так что они гораздо реже выступают в роли руководящих ископаемых.

В идеале выбираются такие руководящие ископаемые, по которым есть богатые данные о промежуточных предшествующих формах, то есть те, время появления которых гарантировано (привет креационистам, вещающим об отсутствии переходных форм). Определяется только нижняя граница хронологического этапа, то есть время появления нового комплекса организмов (только начало олигоцена маркировано вымиранием фораминифер Hantkeninidae), так как в последующем отдельные виды могут вымереть и не дожить до конца эпохи, а другие, напротив, пережить её и продолжиться в следующей. Это же значит, что важнее присутствие руководящего ископаемого, чем отсутствие: если уж кто-то возник в определённое время, его не найти в более древних слоях; кроме того, руководящие ископаемые просто могут не сохраниться в этом конкретном слое, или мы их пока не нашли. Впрочем, ясно, что нижняя граница одного отрезка автоматически означает верхнюю для следующего.