Нил Шубин - Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей
Внутри этих образцов — слои минералов, состоящие из различных атомов, которые позволяют изучить состав атмосферы, температуру и многие геологические процессы на планете за последние двести миллионов лет. Особенно важны для нас те атомы, которые могут рассказать о содержании кислорода в атмосфере. Главное то, что концентрацию кислорода в атмосфере можно приблизительно оценить по содержанию различных форм углерода. На нашей планете углерод и кислород существуют в равновесии: углерод, выбрасываемый вулканами и поглощаемый живыми организмами и минералами, взаимодействует с кислородом и влияет на его уровень в воде и в воздухе. Измеряя содержание разных форм углерода в каждом слое осадка в керне, можно определить содержание кислорода на планете в некоторую эпоху.
Образцы, которые «Гломар Челленджер» поднял на поверхность, рассказывают о двух разных мирах: один существовал до того, как двести миллионов лет назад начал раскрываться Атлантический океан, а другой возник после. Начиная со времен образования Атлантического океана, содержание кислорода в атмосфере выросло чрезвычайно сильно, так что около сорока миллионов лет назад кислорода в воздухе стало столько, что мы уже могли бы не просто кое-как дышать, но и жить так, как сегодня.
Рифт, начавший раскрываться свыше двухсот миллионов лет назад и расщепивший суперконтинент, создал чрезвычайно протяженную береговую линию. И, как знает каждый обитатель прибрежной зоны, такие области сильно подвержены эрозии. Усиление эрозии запускает цепную реакцию. Представьте себе совершенно новые берега, поставляющие морю осадочные породы. Осадочные породы стали засыпать придонный ил. Он играет в круговороте веществ очень важную роль: каждый день триллионы одноклеточных организмов умирают и опускаются на дно, а при их разложении расходуется кислород. Если этот ил не трогать, он потребляет огромное количество кислорода из воды и, в итоге, из атмосферы. Но когда весь ил оказывается засыпанным осадочными породами, кислород уже не расходуется так быстро. Он сохраняется и в воде, и в атмосфере. Именно к этому и привело появление рифта и новой береговой линии: к повышению уровня кислорода в воздухе за счет погребения потребляющего кислород ила.
Раскрытие рифтов и цепная реакция, приведшая к повышению уровня кислорода в атмосфере, дали нашим предкам шанс преуспеть.
С этого момента на Земле возник новый мир — мир с высоким уровнем кислорода в атмосфере. А с появлением кислорода открылся целый ряд новых возможностей.
Млекопитающие, в том числе люди, тратят чрезвычайно много энергии. Мы сами обеспечиваем себя теплом. Работа наших мышц, а также защитный слой волос, жира и (в нашем случае) одежды поддерживают температуру тела на постоянном уровне вне зависимости от температуры окружающей среды. Холоднокровные существа, такие как ящерицы, тоже умеют регулировать температуру своего тела, но для этого они, например, греются на камнях или прячутся в нору. На холоде ящерицы неактивны. Во время экспедиций на север не приходится опасаться змей: главную опасность здесь представляют белые медведи. Млекопитающие могут вести активный образ жизни в таких условиях, при которых холоднокровные животные погибают. Наша теплая кровь защищает нас от капризов погоды. Но для поддержания этого тепла нужен кислород.
Мы защищены от внешнего мира не только будучи взрослыми. Мы начинаем свое существование в животе у матери, окруженные оболочками, защищающими нас и обеспечивающими связь с материнским организмом. Поскольку плод получает весь кислород от матери, должен существовать механизм передачи кислорода из крови матери к плоду. Этому процессу способствует резкая разница концентраций кислорода в материнской крови и в крови плода, благодаря которой кислород переходит к плоду. Но для этого — что очень важно — содержание кислорода в крови матери должно быть достаточно высоким. Из-за этого ограничения плацентарные животные обычно не могут нормально развиваться на высоте более четырех с половиной тысяч метров над уровнем моря. Но именно такое содержание кислорода было в атмосфере Земли на уровне моря двести миллионов лет назад, до появления Атлантического океана.
За защиту от окружающей среды приходится расплачиваться: крупным теплокровным млекопитающим для поддержания температуры тела, для нормального внутриутробного развития и полноценного существования во взрослом возрасте необходимо топливо. Ключевую роль здесь играет кислород: такие животные никогда не смогли бы появиться на свет в той атмосфере, которая существовала до разъединения континентов. Рифт Мэри Тарп не только создал океан, но и открыл целый мир новых возможностей для наших предков.
Глава 7
Цари горы
«Ну, еще шаг», — твердил Пол Олсен. Он пытался подбодрить меня, но я застыл, словно кот на дереве. Мы были в Новой Шотландии, на берегу, и в перерыве между поиском окаменелостей собирали геологические образцы. Берег здесь сложен из удивительных красных, оранжевых и коричневых песчаников, как в индейских резервациях хопи и навахо в пустынях американского Юго-Запада. Красоту местности подчеркивает вода: отвесные скалы под ее действием превратились в природный сад скульптур с пещерами, арками и колоннами. Пол, геолог из Колумбийского университета, хотел взять образцы песка из светлой полосы, разделявшей нижний оранжевый и верхний коричневый слои. К сожалению, эта полоса светлой породы располагалась на шестидесятиметровой высоте и подобраться к ней было практически невозможно. Кроме того, скала была настолько изъедена, что один неловкий шаг мог закончиться полетом. Чтобы удержаться, мы должны были идти по ступенькам, которые вырубали молотками. Я не альпинист и вообще боюсь высоты, поэтому карабкался, глядя только на собственные ноги, руки и молоток, поскольку даже короткий взгляд вниз вызвал бы головокружение и пригвоздил меня к месту. Прежде во время таких приступов паники мне помогали терпеливые коллеги, которые спускали меня на землю, передавая из рук в руки, как пожарные.
Через час или два уговоров Пол добился своего: я добрался до светлой полосы. Вблизи оказалось, что толщина этого слоя примерно равна человеческому росту. Около часа мы работали молотками, укладывая кусочки породы в надписанные пакетики. Наградой за все неудобства был потрясающий вид на просторы залива Фанди впереди и под нами. Начинался роскошный летний день. Вода стояла высоко, ветер утих. Залив был гладким как зеркало. Великолепие этого места связано с его историей. Форма береговой линии рассказывает о долгом действии ледников и эрозии. Пастбища и человеческие жилища образуют свежий рисунок на этом древнем пейзаже. Слой за слоем история выдает себя (конечно, если знать, как смотреть).
Почему светлая полоса породы привлекла внимание Пола? Состав этой полосы и окружающих ее камней может рассказать о событиях, предопределивших существование человека.
Скалистые берега Новой Шотландии (Канада) издали (слева) и вблизи у белой полосы (справа; фигуры геологов позволяют осознать масштаб).
В результате движения континентов и повышения в атмосфере уровня кислорода около двухсот миллионов лет назад мир стал таким, каким его знаем мы. За исключением одного: миллионы лет самыми крупными обитателями планеты были не млекопитающие, как теперь, а крупные динозавры и их родственники — мозазавры, плезиозавры, крокодилы и птерозавры. Суша, вода и воздух были населены совершенно иными существами, которые успешно развивались: множество этих животных расселилось по разным уголкам планеты. А потом все они исчезли.
Затерянные миры
В 1787 году Уильяма Смита пригласили оценить стоимость одного имения в Сомерсете, в Англии. Смита мало интересовали деньги. Он искал другие сокровища.
Уильям Смит принялся изучать породы, выходившие на поверхность вдоль ручьев, на холмах и в угольных шахтах. В одной из заброшенных шахт он обратил внимание на то, что породы вокруг шахты образуют легко различимые слои разного цвета и текстуры. Каждый слой состоял из особой породы с характерным набором окаменелостей внутри. Сравнив образцы из этих слоев с другими образцами из окрестностей, Смит пришел к выводу, что слои в шахте соответствовали поверхностным слоям в других частях имения. Изучив слои внимательнее, он понял, что может использовать окаменелости для определения соответствия между породами из разных районов: этакий гигантский трехмерный пазл. Натурфилософы, включая Леонардо да Винчи, считали, что можно проводить сравнительный анализ камней, окаменелостей и пластов породы в отдельных местах. Теперь, благодаря своему озарению, Уильям Смит нашел ключ к составлению геологической карты всей Земли: камни и окаменелости организованы пластами.
