Текст книги "Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей"

И треснул мир

Если идея Вегенера о континентальном дрейфе касается постепенного перемещения, а геопоэзия Гесса вскрывает тонкие взаимосвязи между отдельными частями Земли, то соединение этих двух идей – тектоника – заключает в себе идею, которая переворачивает основы нашего мировоззрения. В 60-х годах XX века произошли революции в музыке и в политике, но, вероятно, самым заметным изменением было зарождение нового восприятия нашей собственной планеты. Непонятные прежде камни и окаменелости приобрели важный смысл. Ученые с воодушевлением пересматривали устоявшиеся догмы, и одним из первых в этом революционном процессе был канадский геолог Джон Тузо Уилсон. Физик по образованию, он отличался такими личными качествами, которые сильно помогали ему в работе. Позднее он так сформулировал свое кредо: “Я получаю и всегда получал удовольствие, нарушая покой ученых”.

В конце XIX века палеонтологам было известно, что в Северной Америке и в Европе существуют характерные горные хребты, пролегающие с севера на юг. В США это Аппалачи, протянувшиеся от штата Мэн до штата Северная Каролина, а в Европе и Африке – каледониды от Шотландии до Марокко. В одном месте на севере Шотландии были обнаружены окаменелости, характерные для Аппалачей, а в некоторых местах в Аппалачах – окаменелости европейского типа. Как живые существа попали из одного места в другое? Можно предположить, что они преодолели это расстояние вплавь, однако большинство этих ископаемых существ жило, прикрепившись к камням на дне, и не могло передвигаться так далеко.

По мнению Уилсона, вооруженного новой теорией, события развивались так, как в игре ребенка с бутербродами с маслом и джемом. Что произойдет, если бутерброд с маслом и бутерброд с джемом сначала сложить, а потом разъединить? Когда бутерброды соединяются, джем и масло слипаются, а когда расходятся, то на масле остаются кусочки джема, а на джеме – кусочки масла.

С точки зрения Уилсона, с Европой, Северной Америкой и Атлантическим океаном произошло примерно то же. Сначала, сотни миллионов лет назад, континенты были разделены океаном. Затем океан закрылся, континенты столкнулись, и образовалась горная гряда. Когда континенты разъединились вновь, эта горная гряда распалась на две части, которые сегодня представляют собой Аппалачи и каледониды. А американские окаменелости в Европе? Это просто фрагменты старого континента, оставшиеся здесь с тех пор, как открылся Атлантический океан.

Джон Т. Уилсон, запечатленный в тот редкий момент, когда он не нарушает покой ученых.

Уилсон, как и многие его последователи, считает, что устройство земного шара, которое мы изучаем на уроках географии, сродни моментальному фотоснимку: в прошлом было великое множество других вариантов, и столько же образуется в будущем. Земная кора состоит из нескольких плит, каждая из которых несет океан, континент – или и то, и другое. Эти плиты перемещаются относительно друг друга по мере того, как конвекция под корой вызывает расширение океанического дна посередине хребтов, обнаруженных Тарп, и его разрушение в глубоководных желобах.

В 1984 году, спустя более полувека после гибели Вегенера, НАСА осуществила первое прямое измерение континентального дрейфа. По всему миру были установлены около двадцати станций, направляющих лазерный луч к спутнику, снабженному отражателями. Расположенный рядом с лазером телескоп собирал отраженный спутником свет. Измеряя время, необходимое лазерному лучу для прохождения от каждой станции к спутнику и обратно, удалось определить расстояние до спутника. Если плиты движутся, расстояние до спутника со временем должно меняться. Так сотрудники НАСА показали, что Северная Америка и Европа удаляются друг от друга со скоростью полтора сантиметра в год. А Австралия приближается к Гавайям со скоростью семь сантиметров в год. Земные плиты движутся приблизительно с такой же скоростью, с какой на нашей голове растут волосы.

За срок жизни человека плиты смещаются незначительно, но в геологическом масштабе это может приводить к чрезвычайным последствиям. В этом танце тектонических плит можно выделить несколько основных элементов. Плиты могут смещаться одна относительно другой. Если они трутся друг о друга, то происходят землетрясения, как в разломе Сан-Андреас в Калифорнии. Некоторые плиты врезаются друг в друга. Если это происходит с континентами, то в результате столкновений образуются новые горные хребты. Тибетское нагорье возникло около сорока миллионов лет назад, когда Индия начала врезаться в Азию. Но плиты могут и расходиться. Если по какой-либо причине конвекционные потоки поднимаются под океаническим дном, возникают рифты и хребты, подобные тем, что обнаружили Хейзен и Тарп. Если такое движение происходит под сушей, то суша может расколоться.

Соединяем по точкам горы и разломы в Северной Америке и в Африке. Заштрихованные области соответствуют породам с одинаковыми характеристиками.

Движение тектонических плит объясняет очень многое. Фариш и его группа попали в Гренландию, как мы видели в главе 1, из-за сходства местных горных пород с породами Коннектикута и Канады. Многочисленные трещины, озерные отложения и песчаники указывают на то, что двести миллионов лет назад в восточной части Северной Америки произошло важное событие: образовался рифтовый разлом. Сходными характеристиками обладают горные породы на противоположной стороне Атлантического океана, в Марокко и в Европе. Характер горных пород и окаменелостей позволяет соединить эти точки: когда-то восточная часть Северной Америки, Гренландия и Марокко составляли единый континент, который раскололся на части в процессе открытия Атлантического океана двести миллионов лет назад.

Карты и рифты, однако, позволяют найти гораздо более глубокие связи, нежели связи между точками на глобусе.

Внутренняя карта

В 1967 году техасская судостроительная компания “Левингстон” начала строительство судна “Гломар Челленджер”, которое выглядело, как любое другое судно, за исключением того, что в центре его возвышалась буровая установка высотой около двадцати метров. В следующие пятнадцать лет “Гломар Челленджер” бороздил моря и бурил дно. За время его эксплуатации было сделано более шестисот скважин. Буровая установка позволяла поднимать керны породы с глубины до шестисот метров под поверхностью дна. Каждый керн поднимали на поверхность в виде пятидесяти или более десятиметровых сегментов камня и морских осадков, по виду напоминавших серо-коричневый флагшток. Всего было поднято почти двадцать тысяч кернов. Настоящее сокровище для ученых: по этим образцам можно узнать возраст, историю и состав морского дна. Сегодня эти образцы все еще лежат в хранилищах по всему миру, и ученые продолжают их изучать, хотя сам “Гломар Челленджер” давно пошел на слом.

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

65 миллионов лет

“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.

Уильям Смит (вверху), Джон Филлипс (внизу) и карта Англии, составленная Смитом.

Смит расширил свои наблюдения, исследовав сначала окрестности города Бат, а затем составив карту всей Великобритании. Для решения такой задачи требовались немалые финансовые средства, а у Смита не было ни академического поста, ни покровителя в академических кругах. Он очень нуждался в деньгах. Со временем Смит сумел убедить около ста человек финансировать его изыскания и принялся изучать страну. Ему повезло с помощником: под его опекой находился племянник, Джон Филлипс, который в возрасте семи лет остался круглым сиротой и с самого детства сопровождал Смита во всех экспедициях. Уже в пятнадцать лет Филлипс удивительно ловко находил окаменелости.

Сегодня для построения геологических карт пользуются аэрофотосъемкой и GPS-навигаторами. Основанием для сравнения служат горные породы, выходящие на поверхность, а также извлеченные из недр буровыми установками. Это большая и сложная наука, которую финансируют нефтяные и горнорудные компании, а также правительства. Геологические карты – это отправная точка всех геологических исследований. В 1815 году Смит выполнил эту задачу в значительной степени своими силами и с помощью самодельных инструментов. Готовая карта (высотой в два метра) стала настоящим триумфом: она отражала относительное расположение основных геологических пластов и окаменелостей на всей территории Великобритании.

К несчастью для Смита, “королем” английской геологии в то время был Джордж Беллас Грино. Без его поддержки карта Смита не могла привлечь внимания профессионалов и, следовательно, быть проданной в достаточном количестве, чтобы покрыть долги. Но Грино не только не поддержал Смита, но и занялся изготовлением собственной карты. И, конечно, его карта оказалась дешевле карты Смита.

Продажа карты Смита шла настолько плохо, что он вынужден был провести одиннадцать недель в долговой тюрьме; вернувшись, он обнаружил свое имущество конфискованным. Смит надеялся сохранить коллекцию окаменелостей, собранную им и племянником во время экспедиций, но вынужден был продать и ее, чтобы уплатить долги. Беда не приходит одна: примерно в это же время жена Смита потеряла рассудок и оказалась в лечебнице.

Несмотря на все неудачи Смита, его вклад в науку достаточно велик. Смит подтвердил, что окаменелости в горных породах изменяются при переходе от самых глубоких (старых) слоев к поверхностным (молодым). Он показал, что окаменелости можно использовать в качестве маркеров для идентификации одинаковых пластов на обширной территории. Кроме того, и это очень важно, он научил своего племянника Джона Филлипса искать окаменелости и различать геологические пласты.

Если Смит был символом неудачливого ученого, да еще и неудачно женившегося, то у Филлипса все было наоборот: он стал благополучным преподавателем Оксфорда и всю жизнь прожил под одной крышей со своей сестрой. Он посвятил жизнь изучению геологических пластов, обнаруженных его дядей. Смит идентифицировал их, а Филлипс вознамерился выяснить их смысл.

Работа с дядей подарила Филлипсу зоркий глаз и навыки, которые позволили ему собрать удивительную, умело организованную коллекцию раковин, костей и отпечатков. Начав работать с картой дяди, он расположил на ней по слоям все известные окаменелости и задался вопросом: что же происходило при смене одного слоя другим?

Филлипс выделил три эры, каждая из которых характеризовалась особым составом окаменелостей. На границах между этими затерянными мирами исчезали одни существа и вдруг появлялись другие. Филлипс считал, что эти три этапа соответствуют трем важнейшим геологическим эпохам, и назвал их палеозойской, мезозойской и кайнозойской эрами. Он опубликовал результаты своих исследований в 1855 году, и если вам интересно узнать, насколько значительным был его вклад в науку, просто сходите в любой естественнонаучный музей. Вы увидите, что эти три великие эры обозначены на временной шкале рядом с ископаемыми акулами, динозаврами, трилобитами.

То был период великих научных открытий. Глядя на камни и окаменелости, люди начали предлагать новые идеи. Из отдаленных уголков планеты корабли везли прежде не известные западной науке минералы, растения и животных. Натурфилософы всех специальностей, которых сегодня мы бы назвали анатомами, палеонтологами и геологами, пытались разобраться в этих диковинках.

Жорж Леопольд Кретьен Фредерик Дагобер Кювье обладал огромным самолюбием, вполне соответствовавшим его длинному имени. Он родился в незнатной семье, а умер бароном и одним из руководителей Музея естественной истории в Париже.

Участники одной из экспедиций привезли в Париж из Южной Африки гигантский, почти двухметровый скелет, напоминавший маленький воинский эшелон. Остов принадлежал существу с массивными костями, тяжелыми челюстями и черепом с уплощенными зубами. Оно было совершенно незнакомо Кювье, однако при тщательном изучении позвоночника и конечностей проницательный анатом узнал в этом странном ископаемом некое подобие ленивца.

Затем внимание Кювье привлекли различные кости, напоминавшие кости слона. Он идентифицировал их как кости нового вида животного – мамонта. Однако эти открытия, чрезвычайно важные для тех, кого интересует биоразнообразие, вызывали тревожный вопрос: а где сейчас живут эти существа?

Кювье пришел к заключению, что, возможно, гигантских ленивцев и мамонтов на планете больше нет, но прежде они на ней жили. Они – представители ушедших, затерянных в прошлом миров. Так родилась концепция вымирания, столь важная для нас и абсолютно чуждая многим мыслителям на протяжении тысячелетий.

Одна за другой появлялись находки. В Германии спелеологи обнаружили на дне пещеры крупные кости. Кто это – дракон? Какое-то неведомое чудище? Анатом с медицинского факультета местного университета понял, что это кости медведя, но настолько огромного и странного, что ничего подобного в Европе не видывали. Несколько лет спустя Томас Джефферсон обнаружил около своего поместья в Виргинии окаменелые остатки гигантских ленивцев, мамонтов и других существ.

Кювье был мыслителем и не удовлетворился описанием найденных костей; на основании своей теории он сформулировал общие закономерности развития природы. Его вывод был таков: вымирание видов – не только реальность, но и достаточно общее явление. Эта идея показалась ему настолько важной, что в одной из своих первых монографий он отметил: “Мне кажется, что все эти факты… доказывают существование мира, предшествовавшего нашему и погибшего в результате какой-то катастрофы”.

Идея Кювье, как прежде и идея Филлипса, заключалась в том, что Землю сформировали катастрофы. Это была передовая гипотеза, подкрепленная доказательствами и авторитетом именитых ученых. И все-таки научный мир почти совершенно игнорировал эту гипотезу более ста лет.

Теория катастроф шла вразрез с научными представлениями того времени. Господствовавший подход казался настолько мощным средством объяснения истории Земли, что не требовал (и не позволял) никакого вмешательства. Лозунгом ученых тогда было: “Смотри на настоящее – и поймешь прошлое”.

Эта идея так проста и элегантна, что принимается без доказательств. Если машина в понедельник припаркована на одной стороне улицы, а в четверг – на другой, то ясно, что кто-то брал ее и припарковал в новом месте. Достаточно трудно представить, что она самовольно перелетела на другое место или что ее перенес какой-то особый ветер. Механизм, действующий сегодня, объясняет то, что случилось вчера, и не следует привлекать для объяснений ни волшебство, ни экстраординарные физические явления.

Тот же метод применим и к истории горных пород и геологических слоев. Главные действующие силы тут ветер, дождь и земное притяжение – проявления обычных физических и химических законов. Если они формируют сегодняшний мир, то они же должны были работать в прошлом. Ясно, что Большой Каньон – глубокий провал, на дне которого течет река Колорадо. Очевидная причина формирования каньона – эрозия под действием воды, благодаря которой русло реки постепенно углублялось, а стены становились все выше. Но это процесс очень медленный. Песок не превращается в камень за одну ночь, и река не может прорыть каньон трехсотметровой глубины за день или даже за год. Из этого следует, что для формирования Большого Каньона и других геологических объектов потребовались миллионы лет.

Концепция постепенного изменения объясняла образование каньонов, коралловых рифов и береговой линии. Современные процессы не только позволяют объяснить историю Земли, но и указывают, что большинство изменений в живой и неживой природе должны быть медленными. Посмотрите на современную планету: вы не сможете представить, а уж тем более увидеть, никаких признаков глобальных катаклизмов, сформировавших жизнь.

Теории катастроф, как те, что были выдвинуты Филлипсом и Кювье, считались странной причудой. Филлипс продолжал работать, но к моменту его смерти (в результате падения с лестницы в оксфордском колледже Олл-Соулз) в 1874 году идея о катастрофах уже ушла в прошлое, побежденная господствующей догмой о постепенных изменениях.