Цвета триасового периода
Роберт Бернер, геохимик из Йельского университета, к началу XXI века значительно усовершенствовал методы измерений уровней кислорода и углекислого газа, и его компьютерные модели стали намного точнее. Теперь можно увидеть изменения уровней этих газов для каждого интервала в 10 млн лет за последние 560 млн лет. Результаты работ Бернера показывают поразительное совпадение: периоды низкого уровня кислорода (или периоды его быстрого снижения) соотносятся с событиями массовых вымираний.
Все три случая массовых вымираний, причины которых не до конца выяснены, характеризуются отложениями, сформированными в условиях с низким уровнем кислорода[189]. При таких обстоятельствах слои отложений обычно становятся черными, потому что содержат минерал серный колчедан (пирит) и другие соединения с серой, что показательно именно для случаев с низким уровнем кислорода в среде формирования отложений.
Также интересен тот факт, что слои периодов тех трех массовых вымираний содержат чрезвычайно тонкие, даже сплющенные, слои осадочных структур. Очень многие организмы питаются органическими остатками или строят в них норы, поэтому отложения пород в океане со времен кембрия подверглись значительной биотурбации — переработке в результате жизнедеятельности многих существ. Если слои осадочных пород очень тонки, это значит, что они формировались в местах и во время полного отсутствия или почти полного отсутствия животных.
Таким образом, у нас есть три аргумента, основываясь на которых мы можем заключить, что пермское, триасово-юрское и мел-палеогеновое вымирания происходили в периоды с очень низким уровнем кислорода: модели Бернера, минералогические факты (цвет пород) и свидетельства тонких осадочных отложений.
Открытие в конце 1990-х годов обратной зависимости уровней кислорода и углекислоты в атмосфере является еще одним важным компонентом в описании всей картины обсуждаемых случаев вымираний. Как и сведения о низких уровнях кислорода, об уровнях углекислого газа можно судить и по моделям Бернера, и по состоянию пород, в данном случае — по состоянию окаменелостей в породах. К сожалению, невозможно точно измерить количество углекислого газа, присутствовавшего в окружающей среде в определенное время в древности. Углекислый газ не влияет на цвет пород и на океанические донные отложения. И все же было проведено одно очень грамотно организованное исследование ископаемых, результаты которого стали настоящим прорывом и позволили узнать относительный объем углекислоты. Благодаря этому методу палеоботаник, например, может определить, увеличивалось ли, уменьшалось или было стабильным содержание CO2 в определенный интервал длительностью один миллион лет. Более того, можно также выяснить, во сколько раз уровень углекислого газа превышал определенный исходный показатель или насколько был ниже его.
Как все гениальное, измерение углекислого газа оказалось простым и понятным. Ботаники, изучая листья современных растений, уже давно проводили эксперименты, в которых определенные виды растений выращивались в закрытых смоделированных условиях, уровень CO2 при этом можно было увеличивать или уменьшать относительно содержания данного газа в сегодняшней атмосфере (это около 360 ppm в те времена, когда такие эксперименты только начали проводить). Как выяснилось, растения крайне чувствительны к уровню углекислоты в атмосфере, даже небольшие концентрации CO2 способны влиять на собственное содержание углерода в растениях, углерод — основной строительный материал живых организмов. Растения получают углекислый газ извне главным образом через устьица в листьях. Вырастая в условиях с повышенным содержанием CO2, растения образуют небольшое количество устьиц, поскольку и малого количества хватает для их жизнедеятельности при высоких концентрациях углекислоты в воздухе. Исследователь с надеждой обращает свой взор к фоссилиям растений, в листьях которых хорошо просматриваются устьица, — и результаты подтверждают данные моделей Бернера.
В конце пермского периода и в течение раннего триаса, как видно по окаменелостям растений того времени, устьиц в листьях было немного. И в периоды всех трех массовых вымираний, которые мы сейчас обсуждаем, картина та же — уровни углекислого газа были очень высоки. Более того, концентрации CO2 в атмосфере вырастали стремительно, не за миллионы — за тысячи лет.
Мы получаем, таким образом, совершенно новое видение случаев массовых вымираний. Каждое событие происходило в мире, который за очень короткий период резко потеплел с увеличением уровня углекислого газа в атмосфере (а также прибавлялось и метана, если судить по результатам соответствующих исследований). Температура была очень высока, а концентрации кислорода — весьма малы, и два этих фактора совпали с массовым вымиранием. Хотя сегодня случаи парникового эффекта не совпадают с падением уровней кислорода (как раз наоборот, из-за фотосинтеза), все же парниковые условия способствуют повышению температуры. Солнечный свет проникает через окна, но затем, когда он отражается обратно в виде волн и теплоты, оконные стекла становятся ловушкой для энергии, благодаря которой увеличивается температура воздуха в помещении. В атмосфере такими стеклами становятся углекислота, метан и водяные пары.
Жара опасна для любого животного. Самая высокая температура, которую может вынести животное, даже вполовину не достигает градуса кипения воды. Большинство животных погибает при 40 °C, а те, кто смог перенести такую температуру, погибают при 45 °C. Известно много несчастных случаев, когда дети погибали в закрытых машинах, что однозначно говорит о смертельной опасности, исходящей от быстрого повышения температуры. Два аспекта физиологической системы — количество кислорода в окружающей среде и количество тепловой энергии — в совокупности создают довольно трудную комбинацию для жизни: при повышении температуры животным требуется больше кислорода.
Из всех трех обсуждаемых случаев массовых вымираний данные об увеличении содержания CO2 во время триасово-юрского вымирания особенно поразительны. Дженни Макэлвейн, палеоботаник из Чикагского университета, собрав и исследовав образцы пород в труднодоступных оледенелых местностях Гренландии в конце XX века, пришла к выводу, что, без всякого сомнения, в конце триаса произошло резкое увеличение содержания углекислого газа в атмосфере при уже весьма низком уровне кислорода.
Триас становится в нашем понимании все больше похож на конец перми. На что он точно не похож, так это на мел-палеогеновое вымирание, когда гибель животных произошла неожиданно и были затронуты практически все группы животных и растений, при этом ни животные, ни растения не смогли «предвидеть» вымирание по экологическим признакам и не успели приспособиться.
В конце триаса, наоборот, все группы, за исключением ящерообразных динозавров, сильно измельчали (при этом, в лучшем случае, не потеряли в разнообразии видов), и размеры уменьшались как до, так и после самого триасово-юрского вымирания, будто животные знали, что грядут еще более трудные времена и малые размеры дадут больше преимуществ для выживания.
Группы с примитивными легкими (земноводные и ранние рептилии) поплатились особенно сильно, и многие группы, которые процветали в раннем триасе, например, фитозавры, вымерли полностью. И земноводные, и архозавроморфы, вероятно, имели совсем простое устройство легкого, которое работало исключительно за счет движений реберной мускулатуры. Млекопитающие и более развитые терапсиды в те времена, по-видимому, уже имели диафрагму, а потому их существование подвергалось меньшей угрозе. Крокодилы, которые ползали на брюхе и предположительно имели «печеночный поршень», напротив, чувствовали себя неважно. Выживаемость ящерообразных в те времена можно объяснить несколькими причинами (особенности питания, стойкость к высоким температурам, способность избегать хищников, эффективная система размножения), однако мы думаем, что они обязаны выживанием своему уникальному устройству легких — в них имеется множество перегородок-лепестков, которые увеличивают площадь поверхности. Эти легкие были намного эффективнее, чем у многих других групп животных, и в условиях низкого уровня кислорода в воздухе (конец триаса — начало юры) такая система дыхания оказалась намного более конкурентоспособной. Вот так ящерообразные стали господствующей группой существ на планете в конце триасового периода и сохраняли свое доминирующее положение в юрском периоде за счет высокоактивного уровня жизнедеятельности.
Сегодня известно, что из всех морфологических типов рептилий среднего триаса ящерообразные динозавры демонстрировали остановку в развитии своего видового разнообразия либо число их структурных типов даже уменьшалось. Также известно, что за последние 500 млн лет содержание кислорода в окружающей среде достигло наименьшего уровня в конце триасового периода. У ящерообразных имелась некая особенность, позволившая им выжить при серьезном дефиците кислорода. Факты говорят, что долгое и медленное падение уровня кислорода достигло своего дна как раз в период триасово-юрского массового вымирания, но следует также учесть, что данное вымирание имело на самом деле два этапа, отделенных друг от друга 3–7 млн лет.
На планете существует несколько мест, где этот временной интервал можно увидеть по фоссилиям многочисленных позвоночных. Нам не известен точный характер вымирания позвоночных, а вот вымирание организмов в океане мы можем представить себе яснее. Нам не известно, как быстро исчезли наиболее заметные жертвы триасово-юрского вымирания: фитозавры, этозавры, примитивные архозавроморфы, тритилодонтовые терапсиды. Однако удалось установить, что ко времени, когда в океане раннего юрского периода появились разнообразные головоногие и оставили нам в юрских породах подтверждения праздничного изобилия жизни, динозавры уже господствовали в мире. Какие же у них были легкие? Определенности тут нет, но мы точно знаем: их легкие и система дыхания хорошо работали в условиях самого ужасного кислородного кризиса за всю историю Земли.
Новое понимание тех событий включает в себя следующее: ящерообразные динозавры подверглись вымиранию в меньшей степени, чем все прочие группы сухопутных позвоночных, благодаря своей более развитой системе дыхания, а именно наличию впервые появившейся в эволюции системы воздушных мешков. Самое потрясающее в динозаврах то, что во время триасово-юрского массового вымирания ящерообразные энергично увеличивали свою численность.