20.04.2012

Кембрийский взрыв связан с крупнейшей за миллиард лет геологической аномалией

Так называемый Кембрийский взрыв был спровоцирован быстрым насыщением океана минералами и ощелачиванием воды, считают американские геологи, изучившие большой объем данных по Великому несогласию – крупнейшей за последний миллиард лет геологической аномалии в истории Земли.

Мировой океан кишел жизнью 600 миллионов лет назад, но странные мягкотелые организмы эдиакарского периода, получившие название вендобионтов, совершенно не похожи на предков многоклеточных животных, уже обладавших минеральными скелетами, которые жили в Кембрии. За три десятка миллионов лет, то есть в мгновение ока по геологическим масштабам, в раннем Кембрии (542–510 млн лет назад) произошел взрывной рост таксономического многообразия: в это время появились почти все обладающие скелетами типы животных, известные в настоящее время: членистоногие, в том числе проторакообразные (трилобиты), древнейшие хордовые и различная раковинная фауна.

«Кембрийский взрыв» (впрочем, палеонтологи употребляют этот термин с осторожностью, так как формирование основных типов животных было более длительным процессом, выходящим за рамки этого периода) хорошо документирован в многочисленных ископаемых окаменелостях и отпечатках, но причина и движущая сила взрывного роста сложности океанической биоты в таком узком хронологическом окне до сих пор остается непонятной.

Шэнан Питерс, профессор геологии Университета Висконсина и его коллега Роберт Гейнс из Колледжа Помоны, чью статью журнал Nature выбрал в качестве главной темы последнего номера, считают, что решение загадки Кембрийского взрыва следует искать в универсальной геологической аномалии, которая прослеживается на континентах, составлявших когда-то единый праконтинент Гондвана, и известной как Великое несогласие.

Под несогласным залеганием геологи понимают соприкосновение разновозрастных горных пород, из-за которого возникает провал в последовательной хронологии геологических пластов. Несогласия возникают в том случае, если под действием тектонического сдвига участок земной коры сначала выводится из зоны образования осадков, затем подвергается эрозии, далее опускается, и на нем накапливаются уже более молодые осадки. Так как именно в зоне несогласий залегают нефте- и газоносные пласты, подобные аномалии очень хорошо изучены.

Однако Великое несогласие отличается от многочисленных региональных тем, что прослеживается повсеместно (особенно хорошо и четко в районе американского Большого каньона), а хронологический провал, который оно маркирует, стыкует древнейшие горные породы коры Земли возрастом до 1 млрд лет с молодыми кембрийскими отложениями, которые начали формироваться примерно 500 млн лет назад.

Скрупулезно сопоставив данные стратиграфии и химического состава 21 тысячи образцов, собранных с 800 различных участков, разбросанных по всей территории Северной Америки, авторы статьи в Nature пришли к выводу, что взрывной рост таксономического разнообразия в раннем Кембрии мог быть спровоцирован теми же геологическими процессами, которые привели к аномально несогласованному контакту древнейших с более молодыми кембрийскими породами, сохранившими многочисленные окаменелости и отпечатки первых животных с минеральными скелетами.

«Мировая геологическая летопись не знает других примеров столь масштабной несогласованности слоев. Когда мы сопоставили все данные, мы поняли, что процессы, отвечавшие за формирование этой аномалии, оказывали сильное воздействие на эволюцию химического состава океана именно в тот момент, когда стали развиваться сложные формы жизни», – комментирует результаты статьи Гейнс.

По мнению авторов, механизмы биологической минерализации интенсивно эволюционировали в ответ на резкий приток в океаны продуктов эрозии горных пород на финальных стадиях формирования аномалии.

В раннем Кембрии территория американского континента регулярно затоплялась океаном. Это сопровождалось последовательным размыванием поверхностных и обнажением древних скальных пород, образующих кору Земли. Древние, не контактировавшие с водой и воздухом породы эродировали в два-три раза быстрее поверхностных, высвобождая ионы кальция, калия, кремния, железа и магния, которые смывались в океан, изменяя его химический состав и уровень рН, – морская вода, насыщаемая карбонатами и другими минеральными солями, постепенно ощелачивалась. В дальнейшем эродированные древние породы коры были покрыты молодыми осадочными отложениями кембрийского океана.

Собственно, место их соприкосновения Великое несогласие и маркирует.

С притоком ионов и ростом рН среда обитания морских организмов резко изменилась – по меркам геологического времени, конечно.

«Чтобы функционировать нормально, ваше тело вынуждено постоянно поддерживать баланс этих ионов. Если он нарушается, от излишков ионов следует избавиться, и один из способов, каким можно вывести излишек, – сформировать минерал», – объясняет другой автор статьи Питерс.

Согласно ископаемым данным, три ключевых биоминерала – фосфат кальция, из которого состоят кости позвоночных, слагающий раковины карбонат кальция, а также двуокись кремния, слагающая скелетики радиолярий, – начинают более или менее одновременно накапливаться в то же самое время, в какое формировалось Великое несогласие, притом у самых разных и относительно неродственных организмов.

«Похоже на то, что биоминерализация и возникновение скелетных форм были ответом живой материи на изменение химического состава морской воды в период формирования Великого несогласия. С этого момента эволюция стала развиваться по-другому», – резюмирует Питерс.

Насыщение океана минералами и ощелачивание воды стало фактором, запустившим фазовый переход в экосистеме океана, сложившейся в докембрии: подобно постороннему кристаллу, запускающему каскад быстрых изменений в перенасыщенном растворе, биоминерализация запустила аналогичный процесс в эволюции океанической биоты. Так, отбор и диверсификация видов ускорились с появлением новых твердых органов, позволяющих защищаться (ракушки, панцири), нападать (когти и зубы) и направленно передвигаться в толще воды (хорды).

Некоторые из этих приспособлений стали появляться еще в докембрии, но в раннем Кембрии быстрая химическая эволюция океана придала этим процессам взрывной характер.

«Результаты анализа говорят о том, что процессы, сформировавшие Великое несогласие, могли стать спусковым крючком Кембрийского взрыва. Они объясняют многое и в геологической истории, включая типологию осадочных слоев, и в биологической, маркируя появление первых организмов с минеральными скелетами. Часто говорят, что музыка – это паузы между нотами. То же самое и с Великим несогласием: провал, знаменовавший отсутствие информации, на самом деле несет в себе даже больше информации о процессах, чем последовательные данные стратиграфии», – резюмирует Гейнс.

Дмитрий Малянов

Источники:

1. Газета.Ru