Страница:
Эта стратегия использовалась фитопланктоном на протяжении всего рифея, т.е. почти миллиард лет. В середине рифея (1,4–1,0 млрд лет назад) появляются акритархи размерного класса 60–200 мкм; это может рассматриваться как реакция на появление консументов следующего размерного класса – «коловратка». К концу же позднего рифея (700 млн лет назад) фитопланктонные организмы достигают максимального размера за всю историю: помимо доминирующей размерной группы 200–600 мкм в это время появляются, например, гигантские акритархи диаметром до 2–3 мм – это физиологический предел размера для одноклеточных.[21] Увеличение размера как главная защитная стратегия (при явно подчиненном значении выростов оболочки) свидетельствует о сильном прессе зоопланктона класса «коловратка» (при отсутствии более крупных хищников). Вообще тенденция к однонаправленному изменению размера для жертвы имеет смысл лишь при существовании единственного размерного класса хищников – в противном случае тут же попадешь «из огня да в по?лымя».
А вот дальше произошел вендский фитопланктонный кризис: разнообразие акритарх, достигнув незадолго до появления эдиакарской фауны (600 млн лет назад) своего максимума, резко падает, причем крупноразмерные формы исчезают полностью. Попытки объяснить этот кризис тем, что фитопланктонные сообщества могли столкнуться в это время с глобальным дефицитом СО2 при избытке О2 (такое сочетание действительно угнетает развитие микроводорослей), кажутся довольно наивными. Гораздо убедительнее смотрится гипотеза Бурзина о том, что кризис возник в результате появления консументов следующего размерного класса – «циклоп» (до 2 мм), составляющих основную массу современного зоопланктона. От этого врага уже не могла спасти ставшая стандартной стратегия опережающего ухода в следующий размерный класс, ибо фитопланктон уже «уперся» в физиологический предел размеров тела. Лишь к началу кембрия фитопланктону удалось дать адекватный эволюционный ответ на комбинированное воздействие консументов разных классов: с этого момента (и доныне) доминирующей защитной стратегией для фитопланктоных организмов становится образование шипов, выростов, экваториальной каймы и т.п.
Мы уделили столько внимания этой гипотезе по той причине, что рисуемые ею взаимоотношения хищника и жертвы кажутся резко противоречащими современной экологической парадигме, основанной на так называемых циклических балансовых моделях (типа модели Лотки – Вольтерры). Биомассы предыдущего и последующего трофических уровней соотносятся примерно как 10:1 (принцип трофической пирамиды). Ясно, что именно популяция хищника должна подчиняться изменениям в популяции жертвы, но никак не наоборот. Отсюда, как кажется, естественным образом следует и так называемая филогенетическая реактивность хищника: жертва увеличивает скорость передвижения – хищник вынужден перейти к охоте из засады; жертва одевается панцирем – хищник начинает создавать инструменты для его взлома; именно в таком порядке.
Однако многие палеонтологи (В. А. Красилов, В. В. Жерихин, А. С. Раутиан) приходят в последнее время к выводу о том, что балансовые модели – это путь к познанию функционирования сообществ, но не их эволюции. Все необратимые эволюционные процессы (от глобальных экосистемных кризисов до филогенеза отдельных таксонов) протекают не благодаря, а вопреки сохранению экологического равновесия. Функционирование сообществ основано на циклических процессах, протекающих с отрицательной обратной связью; для того же, чтобы началось развитие, она должна разрушиться и смениться на положительную обратную связь.
Применительно к системе «хищник – жертва» это должно выглядеть так. Любой эволюционный успех жертвы (увеличение скорости передвижения и т.п.) немедленно становится для хищника ощутимым; эволюционные приобретения хищника вообще-то безразличны жертве, поскольку в норме тот все равно изымает лишь небольшую часть ее популяции. До тех пор, пока хищник остается в таком реактивном состоянии, система пребывает в равновесии. Но как только эффективность хищника превысит некое пороговое значение, жертва начинает «замечать» хищника, поскольку теперь он подрывает ее ресурсы. В тот самый момент, когда реактивной становится жертва, а не хищник, в системе и возникает положительная обратная связь по типу «гонки вооружений». Система, выйдя из равновесия, начинает эволюционировать в некоем (совсем не обязательно «правильном») направлении.
На эволюционную роль верхних трофических уровней экосистемы можно посмотреть и с иной точки зрения. Их взаимодействия с нижними уровнями являются не столько энергетическими (описываемыми в терминах трофической пирамиды), сколько информационными. Здесь может быть использована аналогия с постиндустриальным обществом, в котором решающее значение приобретает не уровень производства энергии (как это было в индустриальную эпоху), а оптимизация управления энергопотоками за счет информационных связей. Именно таким «блоком управления» экосистемы и являются консументы, деятельность которых вызывает эволюционные изменения у их жертв. Как заметил А. С. Раутиан, само выражение «эволюционные стратегии хищника и жертвы» не вполне правильно: у хищника стратегия есть, а вот у жертвы – одна только тактика.[22]
О степени же автономности этого «блока управления» дают наглядное представление именно те палеонтологически документированные ситуации, когда он производит чересчур эффективного хищника, который, по выражению А. Г. Пономаренко, «проедает экосистему насквозь» (как это и произошло при возникновении зоопланктона размерного класса «циклоп»). Любой эколог скажет не задумываясь, что «этого не может быть, потому что не может быть никогда!», и будет совершенно прав – но прав именно в рамках своего, экологического, масштаба времени. В эволюционном же масштабе времени такая ситуация (ее можно условно назвать «изобретением абсолютного оружия») не просто возможна – она, как мы увидим далее, служила реальным механизмом запуска целого ряда крупнейших экосистемных перестроек и филогенетических революций.
Глава 7
А вот дальше произошел вендский фитопланктонный кризис: разнообразие акритарх, достигнув незадолго до появления эдиакарской фауны (600 млн лет назад) своего максимума, резко падает, причем крупноразмерные формы исчезают полностью. Попытки объяснить этот кризис тем, что фитопланктонные сообщества могли столкнуться в это время с глобальным дефицитом СО2 при избытке О2 (такое сочетание действительно угнетает развитие микроводорослей), кажутся довольно наивными. Гораздо убедительнее смотрится гипотеза Бурзина о том, что кризис возник в результате появления консументов следующего размерного класса – «циклоп» (до 2 мм), составляющих основную массу современного зоопланктона. От этого врага уже не могла спасти ставшая стандартной стратегия опережающего ухода в следующий размерный класс, ибо фитопланктон уже «уперся» в физиологический предел размеров тела. Лишь к началу кембрия фитопланктону удалось дать адекватный эволюционный ответ на комбинированное воздействие консументов разных классов: с этого момента (и доныне) доминирующей защитной стратегией для фитопланктоных организмов становится образование шипов, выростов, экваториальной каймы и т.п.
Мы уделили столько внимания этой гипотезе по той причине, что рисуемые ею взаимоотношения хищника и жертвы кажутся резко противоречащими современной экологической парадигме, основанной на так называемых циклических балансовых моделях (типа модели Лотки – Вольтерры). Биомассы предыдущего и последующего трофических уровней соотносятся примерно как 10:1 (принцип трофической пирамиды). Ясно, что именно популяция хищника должна подчиняться изменениям в популяции жертвы, но никак не наоборот. Отсюда, как кажется, естественным образом следует и так называемая филогенетическая реактивность хищника: жертва увеличивает скорость передвижения – хищник вынужден перейти к охоте из засады; жертва одевается панцирем – хищник начинает создавать инструменты для его взлома; именно в таком порядке.
Однако многие палеонтологи (В. А. Красилов, В. В. Жерихин, А. С. Раутиан) приходят в последнее время к выводу о том, что балансовые модели – это путь к познанию функционирования сообществ, но не их эволюции. Все необратимые эволюционные процессы (от глобальных экосистемных кризисов до филогенеза отдельных таксонов) протекают не благодаря, а вопреки сохранению экологического равновесия. Функционирование сообществ основано на циклических процессах, протекающих с отрицательной обратной связью; для того же, чтобы началось развитие, она должна разрушиться и смениться на положительную обратную связь.
Применительно к системе «хищник – жертва» это должно выглядеть так. Любой эволюционный успех жертвы (увеличение скорости передвижения и т.п.) немедленно становится для хищника ощутимым; эволюционные приобретения хищника вообще-то безразличны жертве, поскольку в норме тот все равно изымает лишь небольшую часть ее популяции. До тех пор, пока хищник остается в таком реактивном состоянии, система пребывает в равновесии. Но как только эффективность хищника превысит некое пороговое значение, жертва начинает «замечать» хищника, поскольку теперь он подрывает ее ресурсы. В тот самый момент, когда реактивной становится жертва, а не хищник, в системе и возникает положительная обратная связь по типу «гонки вооружений». Система, выйдя из равновесия, начинает эволюционировать в некоем (совсем не обязательно «правильном») направлении.
На эволюционную роль верхних трофических уровней экосистемы можно посмотреть и с иной точки зрения. Их взаимодействия с нижними уровнями являются не столько энергетическими (описываемыми в терминах трофической пирамиды), сколько информационными. Здесь может быть использована аналогия с постиндустриальным обществом, в котором решающее значение приобретает не уровень производства энергии (как это было в индустриальную эпоху), а оптимизация управления энергопотоками за счет информационных связей. Именно таким «блоком управления» экосистемы и являются консументы, деятельность которых вызывает эволюционные изменения у их жертв. Как заметил А. С. Раутиан, само выражение «эволюционные стратегии хищника и жертвы» не вполне правильно: у хищника стратегия есть, а вот у жертвы – одна только тактика.[22]
О степени же автономности этого «блока управления» дают наглядное представление именно те палеонтологически документированные ситуации, когда он производит чересчур эффективного хищника, который, по выражению А. Г. Пономаренко, «проедает экосистему насквозь» (как это и произошло при возникновении зоопланктона размерного класса «циклоп»). Любой эколог скажет не задумываясь, что «этого не может быть, потому что не может быть никогда!», и будет совершенно прав – но прав именно в рамках своего, экологического, масштаба времени. В эволюционном же масштабе времени такая ситуация (ее можно условно назвать «изобретением абсолютного оружия») не просто возможна – она, как мы увидим далее, служила реальным механизмом запуска целого ряда крупнейших экосистемных перестроек и филогенетических революций.
Глава 7
Кембрий: «скелетная революция» и пеллетный транспорт. Эволюция морской экосистемы: кембрий, палеозой и современность.
Итак, мы расстались с вендскими экосистемами в то время, когда они пребывали в состоянии глубочайшего глобального кризиса (глава 6). «Эдиакарский эксперимент» окончился неудачей, и эти загадочные крупноразмерные существа исчезли с лица Земли, не оставив после себя прямых потомков. Фитопланктонный кризис погубил все огромное разнообразие тогдашних акритарх; уцелели лишь немногие, причем морфологически однотипные, формы. В необратимый упадок пришли и бентосные сообщества прокариот-строматолитообразователей; отныне они будут занимать в биосфере подчиненное положение. Хотя тогда появились и некоторые новые группы животных (например, сабеллидитиды, строившие органические трубки), конец венда – это время, когда суммарное разнообразие живых организмов на нашей планете падает до рекордно низкого уровня (рис. 23). И подобно тому, как на развалинах одряхлевшей империи возникает государство молодых энергичных «варваров», на смену докембрийской, прокариотной в своей основе, биосфере стремительно приходит современная, фанерозойская.
Самое же интересное заключается в том, что составляющие эту современную биоту таксоны (а их состав на уровне типов с той поры уже принципиально не менялся!) одновременно обзаводятся минеральным скелетом, причем процесс этот охватывает самые различные группы не только животных, но и водорослей. Вот что пишет, например, один из ведущих специалистов по этому отрезку геологической истории А. Ю. Розанов: «Начнем с того, что поражает любого исследователя, когда он изучает разрезы пограничных отложений докембрия и кембрия. Двигаясь вверх по разрезу от докембрийских пород к кембрийским, мы вдруг обнаруживаем в какой-то момент, что порода насыщена многочисленными и разнообразными остатками организмов, облик которых уже более или менее привычен для нас. Здесь начинают встречаться обычные для всего фанерозоя остатки губок, моллюсков, брахиопод и других организмов. Непривычны только их размеры (первые миллиметры)».
Начать придется издалека. Одной из самых важных задач современной океанологии является детальное изучение морских течений; это, помимо прочего, весьма важно для практики судовождения. С этой целью в воды Мирового океана ежегодно бросают, точно зафиксировав место и время, многие тысячи специальных буев; выловив позже такой буй в другой точке океана, мы получаем представление о направлении и скорости движения переносивших его водных масс. Исследования эти стоят больших денег, а эффективность метода не слишком высока, поскольку подавляющее большинство буев безвозвратно теряется. В связи с этим встал вопрос: нельзя ли вместо буев найти какую-нибудь естественную «метку» для океанских водных масс?
Такая «метка» действительно существует: это просто-напросто... пыль, которая всегда содержится в атмосфере (пыль постоянно оседает не только, к примеру, на мебель в комнате, но и на поверхность океана). Химический состав этой атмосферной пыли в каждой точке Земли свой; на него влияет геохимия соответствующей территории, тип вулканической активности и т.д. А поскольку возможности аналитической химии по нынешнему времени почти безграничны (криминалисты, например, с легкостью определяют, в каком из месторождений мира было добыто контрабандное золото), то для реконструкции картины течений кажется достаточным просто зачерпнуть толику морской воды и установить, в каких именно местах Земли выпадала содержащаяся в воде пыль. Океанологи с энтузиазмом принялись за работу и вскоре с изумлением обнаружили, что атмосферной пыли (равно как и вообще взвеси) в океанской воде практически не содержится; на подоконнике пыль будет скапливаться до тех пор, пока ее не сотрут, а вот из океана она странным образом куда-то исчезает. Быстро осесть на дно пылинка не может (это доказывается простыми физическими расчетами). В чем же дело?
Хорошо известно, какую титаническую работу осуществляют в морях животные-фильтраторы, особенно двустворчатые моллюски. Согласно расчетам, одни только устричные банки (сплошные многослойные поселения устриц) примерно за месяц прогоняют через себя объем воды, равный всему Мировому океану! Однако двустворки очищают придонные слои воды, куда, как мы помним, пылинкам попасть довольно сложно... Вот тогда-то и выяснилось, что планктонные фильтраторы (прежде всего ракообразные) играют в очищении океана роль ничуть не меньшую, чем бентосные. Отсутствие в водах океана сколь-нибудь ощутимых количеств пыли, которая постоянно оседает на его поверхность, является результатом деятельности планктонных ракообразных: они очень быстро отфильтровывают взвесь, упаковывают ее в формируемые их пищеварительным трактом компактные комки отработанной органики – фекальные пеллеты – и отправляют на дно. Без пеллетной транспортировки взвеси мутность воды в океанах была бы несравненно выше.
Именно такая ситуация и должна была наблюдаться в далеком прошлом. Как мы с вами помним, отсутствие в докембрии наземной растительности приводило к многократному усилению эрозии и формированию специфических выположенных ландшафтов – «ни суша, ни море» (глава 5). Сток с континентов был в основном «плащевым» (т.е. по всей протяженности береговой линии), а равнинные реки и озера, являющиеся ныне главными отстойниками взвеси, отсутствовали. Воды, стекавшие с суши, были мутными, причем самой замутненной в итоге оказывалась именно прибрежная часть океана, наиболее богатая биогенами. Это чрезвычайно затрудняло утилизацию биогенов фитопланктоном из-за узости фотической зоны и резко ограничивало общую продуктивность планктонной экосистемы.
С другой стороны, иной оказывалась и организация самой водной массы. В современных океанах имеется верхний слой воды с резко выраженными сезонными колебаниями температуры – эпиталасса (от греческих слов epi – на, над и thalassa – море) – и нижний, где температура на протяжении всего года практически неизменна, – гипоталасса (hypo – под, внизу); в озерах им соответствуют эпилимнион и гиполимнион. На границе между этими слоями располагается узкая зона резкого изменения температуры – термоклин; в современных морях он находится на глубинах от 15 до 100 м. В условиях же замутненной воды солнечная энергия практически не проникает глубже первых метров и термоклин «подтягивается» под самую поверхность; водная масса оказывается жестко стратифицированой, т.е. разделенной на почти не перемешивающиеся между собой слои: узкую перегретую эпиталассу и относительно холодную, но при этом практически лишенную кислорода гипоталассу. Для этого времени были обычны донные осадки, резко обогащенные неокисленной органикой («черные сланцы»), которые считают несомненным показателем придонной аноксии (бескислородных условий); позже (начиная с кембрия) их распространение резко сократится. Ситуация аноксии («заморные обстановки») сильно затрудняла, или даже вообще исключала, существование донной фауны.
И вот на границе венда и кембрия произошло событие, важность которого палеонтологи осознали лишь в самое последнее время (впервые эту идею высказал в 1985 году А. Г. Пономаренко, а теперь она подтверждена геохимическими данными): в составе докембрийско-го зоопланктона (бесскелетного и потому не имевшего шансов захо-рониться – см. главу 6) возникли достаточно эффективные фильтраторы, формировавшие фекальные пеллеты. Единичные фекальные пеллеты были известны и раньше (еще в протерозое), однако именно начало кембрия – это время массового их распространения в морских отложениях.
Следствием этого (вроде бы малозначительного) события стал целый каскад экосистемных перестроек. Уменьшение мутности воды привело к резкому расширению фотической зоны и росту продуктивности экосистем. Расширение же эпиталассы привело к разрушению жесткой температурной стратификации и некоторому обогащению кислородом нижележащих водных слоев. Мало того, мы с вами помним (из главы 6), что именно дисперсная органика, опускающаяся из фотической зоны, является причиной аноксии в придонных слоях, ибо на ее окисление там расходуется кислород; многие исследователи даже употребляют термин «эвтрофный океан». Теперь же эта органика (вместе с неорганическими частичками) стала поступать на морское дно в концентрированном, «упакованном» виде – в пеллетах. Органический детрит, обогащающий донные осадки, – это уже не удушающий эвтрофикатор, а ценный пищевой ресурс; содержание же кислорода в придонных слоях в результате возрастает до уровня, допускающего существование макроскопической донной фауны. Начиная с этого момента в системе возникает положительная обратная связь: придонная фауна, в свою очередь, начинает очищать воду от органической и минеральной взвеси; количество кислорода в итоге опять возрастает; это позволяет еще дальше наращивать разнообразие живых организмов; и т.д.
Количество свободного кислорода на планете тем временем тоже увеличивается. Во второй половине венда в уже знакомых нам амфибиотических ландшафтах («ни суша, ни море») место цианобактериальных матов, с их потрясающим по совершенству балансом в производстве и потреблении органики, занимают сообщества водорослей (главным образом нитчатых), которые иногда называют «водорослевыми болотами». В этих болотах, чрезвычайно широко распространенных во внетропической зоне, захоранивается огромное количество неокисленной органики, а именно такая ситуация (как мы помним из главы 5) вызывает накопление свободного кислорода. По-видимому, сыграло свою роль и крупное Байконурское оледенение, маркирующее границу венда и кембрия; мы помним (глава 6), что наличие льдов и психросферы облегчает «закачку» кислорода в глубокие слои океана, а вентиляция дна благоприятствует развитию бентоса.
И вот наконец содержание свободного кислорода в океанах достигает той пороговой отметки, начиная с которой становится «экономически оправданным» обзаводиться такой дорогостоящей «высокой технологией», как минеральный скелет. Эта возможность немедленно и одновременно реализуется самыми разными группами животных – от простейших (радиолярии[23] и фораминиферы) и губок до членистоногих и моллюсков, а также растениями (известковые водоросли). Начинается «скелетная революция» в собственном смысле. Важная деталь: как отмечает А. Ю. Розанов (1986), химический состав этих скелетов, возникающих в самом начале кембрия, настолько разнообразен, что почти полностью исчерпывает все те варианты, которые будут затем возникать на протяжении всего фанерозоя.
Самым лучшим, уникальным, местонахождением кембрийской фауны считают среднекембрийские сланцы Бёджес, открытые в 1912 году в канадских Скалистых горах (богатейшие местонахождения в Восточной Сибири, Китае и Гренландии изучены пока недостаточно); тип сохранности в Бёджес таков, что там могут захораниваться и «мягкие» организмы, не имевшие скелета. Так вот, оказалось, что число таких бесскелетных форм в кембрийской фауне даже больше, чем в вендской (хотя доля их теперь невелика). Это служит сильным доводом в пользу того, что в кембрии не появляется вдруг, как по мановению волшебной палочки, некая принципиально новая – «скелетная» – фауна (так иногда полагали прежде), а одевается скелетом (как только возникает для этого возможность) та фауна, что уже существует.
Другой неожиданный вывод следует из изучения открытых в конце 80-х годов XX века в Швеции среднекембрийских фосфатных конкреций Ёрстен. При тамошнем типе сохранности фиксируются не покровные ткани (как в Бёждес), а микроскопические щетинки и иные твердые покровные элементы, видимые лишь под сканирующим электронным микроскопом. Оказалось, что в то время существовал многочисленный и очень разнообразный микрозоопланктон – трохофоры (личинки кольчатых червей), зоеа (личинки ракообразных) и т.п. Это позволяет вновь вернуться к гипотезе А. Ю. Розанова (1986) о том, что в кембрии в действительности произошло лишь увеличение размеров уже существовавших на тот момент планктонных организмов, которые по этой причине «выпали в осадок» – перешли к бентическому образу жизни; дополнительные аргументы обретают и построения М. Б. Бурзина (см. выше) об эволюции планктонных экосистем.
Если обратиться к кривой, отражающей изменения таксономического разнообразия на протяжении фанерозоя (рис. 23), то на графике можно выделить три фазы: небольшой острый пик в раннем кембрии, крутой подъем на плато, существующее с ордовика по пермь, и затем, после резкого провала в конце перми, плавный постоянный подъем, длящийся доныне. Как будет видно из дальнейшего, эти фазы реально отражают определенное единство соответствующих морских биот, условно называемых «кембрийской», «палеозойской» и «современной».
Надо заметить, что мир первых скелетных организмов, сложившийся в начале кембрия (немакитдалдынский ярус), был крайне своеобразен и в чистом виде просуществовал очень недолго, лишь до середины этого периода, хотя отдельные его представители дожили до середины ордовика. В это время уже существовали достаточно многочисленные животные, имевшие раковины (моллюски и брахиоподы) и жилые трубки (сабеллидиты, хиолиты); разнообразнейшие мелкие зубчики (конодонты) представляли собой части ротовых органов древнейших вторичноротых – щетинкочелюстных и хордовых. Весьма характерны для этого мира приапулиды (в современных морях эта реликтовая группа насчитывает лишь 20 видов), а также лобоподы (представленные ныне микроскопическими тихоходками и обитающими в подстилке влажных тропических лесов онихофорами); видимо, именно к лобоподам принадлежат многие загадочные кембрийские организмы вроде галлюцигении. Имелись и многочисленные артроподоподобные формы (рис. 24, а–д).
Основу тогдашних экосистем, однако, составляли водоросли, строившие небольшие известковые постройки – биогермы, и чрезвычайно любопытная (как считалось, вымершая) группа организмов – археоциаты. Археоциаты (по-гречески – «древние кубки») похожи на небольшие бокалы (кубки) с двуслойной стенкой (рис. 25); образ жизни – прикрепленный; диаметр колеблется от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, хотя в Сибири найдены и исполинские формы размером до 1,5 м. Природа их долго вызывала споры (неясно было даже, животные это или растения, или вообще отдельное царство), однако в последнее время почти все исследователи согласны с тем, что их следует относить к губкам. Они считались вымершими в середине кембрия, но недавно в Тихом океане была найдена странная глубоководная губка Vacletia, оказавшаяся по рассмотрении дожившим до наших дней археоциатом и пополнившая собой галерею «живых ископаемых» (вроде кистеперой рыбы или гинкго).
Губки занимают совершенно обособленное положение в системе животного царства и могут быть противопоставлены всем остальным многоклеточным животным: есть веские основания считать, что они ведут свое происхождение от иной группы простейших, нежели прочие метазоа. Существует, например, остроумная и неплохо аргументированная гипотеза Й. Райтнера (1991), согласно которой губки возникают как симбиоз бактериальной колонии с хоанофлагеллятными простейшими. (Симбиотические микроорганизмы составляют до 80% объема тела современных губок.) Достигнутый губками уровень организации не позволяет назвать их многоклеточными в строгом смысле («многотканевыми» по Корлиссу), поэтому вроде бы нет ничего удивительного в том, что именно с этой примитивнейшей группы животных начинается фанерозойская летопись. Но это только на первый взгляд.
Самое же интересное заключается в том, что составляющие эту современную биоту таксоны (а их состав на уровне типов с той поры уже принципиально не менялся!) одновременно обзаводятся минеральным скелетом, причем процесс этот охватывает самые различные группы не только животных, но и водорослей. Вот что пишет, например, один из ведущих специалистов по этому отрезку геологической истории А. Ю. Розанов: «Начнем с того, что поражает любого исследователя, когда он изучает разрезы пограничных отложений докембрия и кембрия. Двигаясь вверх по разрезу от докембрийских пород к кембрийским, мы вдруг обнаруживаем в какой-то момент, что порода насыщена многочисленными и разнообразными остатками организмов, облик которых уже более или менее привычен для нас. Здесь начинают встречаться обычные для всего фанерозоя остатки губок, моллюсков, брахиопод и других организмов. Непривычны только их размеры (первые миллиметры)».
Рис. 23. Кривые таксономического разнообразия в фанерозое (по Raup, Sepkoski, 1993)
Пытаясь разобраться в причинах этого события, называемого обычно кембрийской «скелетной революцией», надо иметь в виду следующее. Обзавестись твердым скелетом – дело, конечно, «прибыльное», но весьма «капиталоемкое», требующее от организмов больших «первоначальных вложений» по энергии и веществу. Поэтому строить скелет способны лишь существа с достаточно высоким уровнем энергетического обмена, каковой возможен лишь начиная с некоторого уровня содержания на планете свободного кислорода (о гипотезе «кислородного контроля» см. главу 5). Проанализируем теперь под этим углом зрения докембрийскую экологическую ситуацию.Начать придется издалека. Одной из самых важных задач современной океанологии является детальное изучение морских течений; это, помимо прочего, весьма важно для практики судовождения. С этой целью в воды Мирового океана ежегодно бросают, точно зафиксировав место и время, многие тысячи специальных буев; выловив позже такой буй в другой точке океана, мы получаем представление о направлении и скорости движения переносивших его водных масс. Исследования эти стоят больших денег, а эффективность метода не слишком высока, поскольку подавляющее большинство буев безвозвратно теряется. В связи с этим встал вопрос: нельзя ли вместо буев найти какую-нибудь естественную «метку» для океанских водных масс?
Такая «метка» действительно существует: это просто-напросто... пыль, которая всегда содержится в атмосфере (пыль постоянно оседает не только, к примеру, на мебель в комнате, но и на поверхность океана). Химический состав этой атмосферной пыли в каждой точке Земли свой; на него влияет геохимия соответствующей территории, тип вулканической активности и т.д. А поскольку возможности аналитической химии по нынешнему времени почти безграничны (криминалисты, например, с легкостью определяют, в каком из месторождений мира было добыто контрабандное золото), то для реконструкции картины течений кажется достаточным просто зачерпнуть толику морской воды и установить, в каких именно местах Земли выпадала содержащаяся в воде пыль. Океанологи с энтузиазмом принялись за работу и вскоре с изумлением обнаружили, что атмосферной пыли (равно как и вообще взвеси) в океанской воде практически не содержится; на подоконнике пыль будет скапливаться до тех пор, пока ее не сотрут, а вот из океана она странным образом куда-то исчезает. Быстро осесть на дно пылинка не может (это доказывается простыми физическими расчетами). В чем же дело?
Хорошо известно, какую титаническую работу осуществляют в морях животные-фильтраторы, особенно двустворчатые моллюски. Согласно расчетам, одни только устричные банки (сплошные многослойные поселения устриц) примерно за месяц прогоняют через себя объем воды, равный всему Мировому океану! Однако двустворки очищают придонные слои воды, куда, как мы помним, пылинкам попасть довольно сложно... Вот тогда-то и выяснилось, что планктонные фильтраторы (прежде всего ракообразные) играют в очищении океана роль ничуть не меньшую, чем бентосные. Отсутствие в водах океана сколь-нибудь ощутимых количеств пыли, которая постоянно оседает на его поверхность, является результатом деятельности планктонных ракообразных: они очень быстро отфильтровывают взвесь, упаковывают ее в формируемые их пищеварительным трактом компактные комки отработанной органики – фекальные пеллеты – и отправляют на дно. Без пеллетной транспортировки взвеси мутность воды в океанах была бы несравненно выше.
Именно такая ситуация и должна была наблюдаться в далеком прошлом. Как мы с вами помним, отсутствие в докембрии наземной растительности приводило к многократному усилению эрозии и формированию специфических выположенных ландшафтов – «ни суша, ни море» (глава 5). Сток с континентов был в основном «плащевым» (т.е. по всей протяженности береговой линии), а равнинные реки и озера, являющиеся ныне главными отстойниками взвеси, отсутствовали. Воды, стекавшие с суши, были мутными, причем самой замутненной в итоге оказывалась именно прибрежная часть океана, наиболее богатая биогенами. Это чрезвычайно затрудняло утилизацию биогенов фитопланктоном из-за узости фотической зоны и резко ограничивало общую продуктивность планктонной экосистемы.
С другой стороны, иной оказывалась и организация самой водной массы. В современных океанах имеется верхний слой воды с резко выраженными сезонными колебаниями температуры – эпиталасса (от греческих слов epi – на, над и thalassa – море) – и нижний, где температура на протяжении всего года практически неизменна, – гипоталасса (hypo – под, внизу); в озерах им соответствуют эпилимнион и гиполимнион. На границе между этими слоями располагается узкая зона резкого изменения температуры – термоклин; в современных морях он находится на глубинах от 15 до 100 м. В условиях же замутненной воды солнечная энергия практически не проникает глубже первых метров и термоклин «подтягивается» под самую поверхность; водная масса оказывается жестко стратифицированой, т.е. разделенной на почти не перемешивающиеся между собой слои: узкую перегретую эпиталассу и относительно холодную, но при этом практически лишенную кислорода гипоталассу. Для этого времени были обычны донные осадки, резко обогащенные неокисленной органикой («черные сланцы»), которые считают несомненным показателем придонной аноксии (бескислородных условий); позже (начиная с кембрия) их распространение резко сократится. Ситуация аноксии («заморные обстановки») сильно затрудняла, или даже вообще исключала, существование донной фауны.
И вот на границе венда и кембрия произошло событие, важность которого палеонтологи осознали лишь в самое последнее время (впервые эту идею высказал в 1985 году А. Г. Пономаренко, а теперь она подтверждена геохимическими данными): в составе докембрийско-го зоопланктона (бесскелетного и потому не имевшего шансов захо-рониться – см. главу 6) возникли достаточно эффективные фильтраторы, формировавшие фекальные пеллеты. Единичные фекальные пеллеты были известны и раньше (еще в протерозое), однако именно начало кембрия – это время массового их распространения в морских отложениях.
Следствием этого (вроде бы малозначительного) события стал целый каскад экосистемных перестроек. Уменьшение мутности воды привело к резкому расширению фотической зоны и росту продуктивности экосистем. Расширение же эпиталассы привело к разрушению жесткой температурной стратификации и некоторому обогащению кислородом нижележащих водных слоев. Мало того, мы с вами помним (из главы 6), что именно дисперсная органика, опускающаяся из фотической зоны, является причиной аноксии в придонных слоях, ибо на ее окисление там расходуется кислород; многие исследователи даже употребляют термин «эвтрофный океан». Теперь же эта органика (вместе с неорганическими частичками) стала поступать на морское дно в концентрированном, «упакованном» виде – в пеллетах. Органический детрит, обогащающий донные осадки, – это уже не удушающий эвтрофикатор, а ценный пищевой ресурс; содержание же кислорода в придонных слоях в результате возрастает до уровня, допускающего существование макроскопической донной фауны. Начиная с этого момента в системе возникает положительная обратная связь: придонная фауна, в свою очередь, начинает очищать воду от органической и минеральной взвеси; количество кислорода в итоге опять возрастает; это позволяет еще дальше наращивать разнообразие живых организмов; и т.д.
Количество свободного кислорода на планете тем временем тоже увеличивается. Во второй половине венда в уже знакомых нам амфибиотических ландшафтах («ни суша, ни море») место цианобактериальных матов, с их потрясающим по совершенству балансом в производстве и потреблении органики, занимают сообщества водорослей (главным образом нитчатых), которые иногда называют «водорослевыми болотами». В этих болотах, чрезвычайно широко распространенных во внетропической зоне, захоранивается огромное количество неокисленной органики, а именно такая ситуация (как мы помним из главы 5) вызывает накопление свободного кислорода. По-видимому, сыграло свою роль и крупное Байконурское оледенение, маркирующее границу венда и кембрия; мы помним (глава 6), что наличие льдов и психросферы облегчает «закачку» кислорода в глубокие слои океана, а вентиляция дна благоприятствует развитию бентоса.
И вот наконец содержание свободного кислорода в океанах достигает той пороговой отметки, начиная с которой становится «экономически оправданным» обзаводиться такой дорогостоящей «высокой технологией», как минеральный скелет. Эта возможность немедленно и одновременно реализуется самыми разными группами животных – от простейших (радиолярии[23] и фораминиферы) и губок до членистоногих и моллюсков, а также растениями (известковые водоросли). Начинается «скелетная революция» в собственном смысле. Важная деталь: как отмечает А. Ю. Розанов (1986), химический состав этих скелетов, возникающих в самом начале кембрия, настолько разнообразен, что почти полностью исчерпывает все те варианты, которые будут затем возникать на протяжении всего фанерозоя.
Самым лучшим, уникальным, местонахождением кембрийской фауны считают среднекембрийские сланцы Бёджес, открытые в 1912 году в канадских Скалистых горах (богатейшие местонахождения в Восточной Сибири, Китае и Гренландии изучены пока недостаточно); тип сохранности в Бёджес таков, что там могут захораниваться и «мягкие» организмы, не имевшие скелета. Так вот, оказалось, что число таких бесскелетных форм в кембрийской фауне даже больше, чем в вендской (хотя доля их теперь невелика). Это служит сильным доводом в пользу того, что в кембрии не появляется вдруг, как по мановению волшебной палочки, некая принципиально новая – «скелетная» – фауна (так иногда полагали прежде), а одевается скелетом (как только возникает для этого возможность) та фауна, что уже существует.
Другой неожиданный вывод следует из изучения открытых в конце 80-х годов XX века в Швеции среднекембрийских фосфатных конкреций Ёрстен. При тамошнем типе сохранности фиксируются не покровные ткани (как в Бёждес), а микроскопические щетинки и иные твердые покровные элементы, видимые лишь под сканирующим электронным микроскопом. Оказалось, что в то время существовал многочисленный и очень разнообразный микрозоопланктон – трохофоры (личинки кольчатых червей), зоеа (личинки ракообразных) и т.п. Это позволяет вновь вернуться к гипотезе А. Ю. Розанова (1986) о том, что в кембрии в действительности произошло лишь увеличение размеров уже существовавших на тот момент планктонных организмов, которые по этой причине «выпали в осадок» – перешли к бентическому образу жизни; дополнительные аргументы обретают и построения М. Б. Бурзина (см. выше) об эволюции планктонных экосистем.
Если обратиться к кривой, отражающей изменения таксономического разнообразия на протяжении фанерозоя (рис. 23), то на графике можно выделить три фазы: небольшой острый пик в раннем кембрии, крутой подъем на плато, существующее с ордовика по пермь, и затем, после резкого провала в конце перми, плавный постоянный подъем, длящийся доныне. Как будет видно из дальнейшего, эти фазы реально отражают определенное единство соответствующих морских биот, условно называемых «кембрийской», «палеозойской» и «современной».
Надо заметить, что мир первых скелетных организмов, сложившийся в начале кембрия (немакитдалдынский ярус), был крайне своеобразен и в чистом виде просуществовал очень недолго, лишь до середины этого периода, хотя отдельные его представители дожили до середины ордовика. В это время уже существовали достаточно многочисленные животные, имевшие раковины (моллюски и брахиоподы) и жилые трубки (сабеллидиты, хиолиты); разнообразнейшие мелкие зубчики (конодонты) представляли собой части ротовых органов древнейших вторичноротых – щетинкочелюстных и хордовых. Весьма характерны для этого мира приапулиды (в современных морях эта реликтовая группа насчитывает лишь 20 видов), а также лобоподы (представленные ныне микроскопическими тихоходками и обитающими в подстилке влажных тропических лесов онихофорами); видимо, именно к лобоподам принадлежат многие загадочные кембрийские организмы вроде галлюцигении. Имелись и многочисленные артроподоподобные формы (рис. 24, а–д).
Основу тогдашних экосистем, однако, составляли водоросли, строившие небольшие известковые постройки – биогермы, и чрезвычайно любопытная (как считалось, вымершая) группа организмов – археоциаты. Археоциаты (по-гречески – «древние кубки») похожи на небольшие бокалы (кубки) с двуслойной стенкой (рис. 25); образ жизни – прикрепленный; диаметр колеблется от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, хотя в Сибири найдены и исполинские формы размером до 1,5 м. Природа их долго вызывала споры (неясно было даже, животные это или растения, или вообще отдельное царство), однако в последнее время почти все исследователи согласны с тем, что их следует относить к губкам. Они считались вымершими в середине кембрия, но недавно в Тихом океане была найдена странная глубоководная губка Vacletia, оказавшаяся по рассмотрении дожившим до наших дней археоциатом и пополнившая собой галерею «живых ископаемых» (вроде кистеперой рыбы или гинкго).
Губки занимают совершенно обособленное положение в системе животного царства и могут быть противопоставлены всем остальным многоклеточным животным: есть веские основания считать, что они ведут свое происхождение от иной группы простейших, нежели прочие метазоа. Существует, например, остроумная и неплохо аргументированная гипотеза Й. Райтнера (1991), согласно которой губки возникают как симбиоз бактериальной колонии с хоанофлагеллятными простейшими. (Симбиотические микроорганизмы составляют до 80% объема тела современных губок.) Достигнутый губками уровень организации не позволяет назвать их многоклеточными в строгом смысле («многотканевыми» по Корлиссу), поэтому вроде бы нет ничего удивительного в том, что именно с этой примитивнейшей группы животных начинается фанерозойская летопись. Но это только на первый взгляд.
Рис. 24. Различные кембрийские животные: лобоподы (а–б); членистоногие неясного систематического положения (в–д); трилобиты (е–ж) (по Dzik, 1997): а – Xenusion; б – Aysheaia; в – Wiwaxia; г – Anomalacaris; д – Opabinia; е – Olenoides; ж – Ogygopsis