Размещено на http://www.allbest.ru/

История земли и жизни на ней

содержание

Благодарности

Авторское предуведомление

1. Возраст Земли и Солнечной системы. Абсолютный и относительный возраст. Геохронологическая шкала.

1-а (дополнительная). Несколько слов о методологии науки. Принцип актуализма, «Бритва Оккама» и презумпции. Проверка теории: верификации и фальсификации.

2. Образование нашей планеты: «холодная» и «горячая» гипотезы. Гравитационная дифференциация недр. Происхождение атмосферы и гидросферы.

3. Эволюция земной коры. Дрейф континентов и спрединг океанического дна. Мантийная конвекция.

4. Происхождение жизни: абиогенез и панспермия. Гиперцикл. Геохимический подход к проблеме.

4-а (дополнительная). Термодинамические подходы к сущности жизни. Второе начало термодинамики, энтропия и диссипативные структуры.

5. Ранний докембрий: древнейшие следы жизни на Земле. Маты и строматолиты. Прокариотный мир и возникновение эукариотности

6. Поздний докембрий: возникновение многоклеточности. Гипотеза кислородного контроля. Эдиакарский эксперимент.

6-а (дополнительная). Взаимоотношения хищника и жертвы в экологическом и эволюционном масштабах времени.

7. Кембрий: «скелетная революция» и пеллетный транспорт. Эволюция морской экосистемы: кембрий, палеозой и современность.

8. Ранний палеозой: «выход жизни на сушу». Появление почв и почвообразователей. Высшие растения и их средообразующая роль. Тетраподизация кистеперых рыб.

9. Поздний палеозой - ранний мезозой: криоэры и термоэры. Палеозойские леса и континентальные водоемы - растения и насекомые.

10. Эволюция наземных позвоночных (1): поздний палеозой - ранний мезозой. Анамнии и амниоты. Две линии амниот - тероморфная и завроморфная.

11. Эволюция наземных позвоночных (2): поздний мезозой. Завроморфный мир. Маммализация териодонтов. Динозавры и их вымирание.

12. Мезозойские биоценотические кризисы. «Ангиоспермизация мира» (средний мел) и «Великое вымирание» (конец мела). Импактные и биотические гипотезы.

13. Кайнозой: наступление криоэры. Новые типы сообществ - тропические леса и травяные биомы. Эволюция млекопитающих и появление человека.

14. Четвертичный период (антропоген): Великое оледенение. Ледниковая теория. Перигляциальные сообщества и мамонтовая фауна.

14-а (дополнительная). Историческая биогеография. Викариантная модель и концепция «оттесненных реликтов». Фитоспрединг.

Рекомендуемая литература

Словарь терминов

Словарь названий живых и ископаемых организмов

Сноски

История земли и жизни на ней

Светлой памяти

Сергея Викторовича Мейена -

ученого и Учителя

Благодарности

Пользуюсь случаем выразить глубокую признательность своим коллегам, геологам и биологам - О.А. Афанасьевой, В.Ю. Дмитриеву, А.Ю. Журавлеву, Г.А. Заварзину, Е.Н. Курочкину, А.А. Карху, О.А. Лебедеву, В.М. Моралеву, А.Ю. Розанову, А.Г. Сенникову, М.А. Федонкину, А.Б. Шипунову, чьими консультациями я пользовался в процессе работы. Особую благодарность я хотел бы выразить М.Б. Бурзину, В.В. Жерихину, А.Г. Пономаренко и А.С. Раутиану, взявшим на себя труд прочесть рукопись и высказать о ней ценные критические замечания. Проект был финансирован Московским институтом развивающих образовательных систем (МИРОС). Особо хотелось бы отметить роль московской гимназии № 1543 и ее директора Ю.В. Завельского, предоставивших мне возможность разрабатывать и совершенствовать этот спецкурс в 1995-1999 годах

Авторское предуведомление

Цель настоящего учебного курса мне видится в том, чтобы у ученика возникла максимально целостная картина функционирования биосферы Земли в процессе ее исторического развития. Между тем одно из положений теории систем гласит: систему невозможно оптимизировать по двум независимым параметрам одновременно; в частности, добиваясь целостности рисуемой картины, неизбежно приходится жертвовать ее детальностью, или наоборот. Попытка запихнуть в голову ученика побольше конкретных фактов в отсутствие некоей обобщающей концепции неизбежно приведет нас к созданию ухудшенной копии старого университетского курса палеонтологии - унылого мартиролога вымерших организмов, который по сдаче экзамена следует забыть, как страшный сон. Именно поэтому во многих случаях я вполне сознательно жертвовал палеонтологической и геологической конкретикой в пользу теоретических (иногда к тому же - в достаточной степени умозрительных) обобщений.

Поскольку учебный курс этот предназначен не для «среднестатистического школьника», а для людей, собирающихся связать свою судьбу с наукой, есть смысл по мере возможности демонстрировать здесь всю «научную кухню»: ход рассуждений, приведших исследователя к обсуждаемым выводам, историю борьбы различных теорий, и т.д. При этом я старался честно указывать на слабые стороны не только прошлых, но и ныне господствующих научных концепций; кое-кому это, возможно, покажется «подрывом авторитета науки в глазах школьника», но я думаю иначе. Выбирая форму изложения, я постарался приблизить ее (насколько это возможно) к реальному научному тексту - пускай приучаются.

Эйнштейн как-то заметил (вполне справедливо), что если ученый не в состоянии объяснить ребенку суть своей работы на доступном для того уровне, это свидетельствует о его профессиональной непригодности. Все так, однако по ходу обсуждения у нас иногда будет возникать необходимость обращаться к знаниям, накопленным в иных, чем палеонтология, областях (они излагаются в специальным образом обозначенных «вставных» главах, предназначенных лишь для желающих). Честно говоря, я никак не могу поручиться, что мое изложение, к примеру, принципов неравновесной термодинамики, которая, разумеется, не входит в сферу моих профессиональных занятий, будет достаточно квалифицированным, и уж тем более - доходчивым.

Хочу также предупредить, что в ряде случаев я буду излагать факты и обобщения последних лет, которые в принципе могут быть названы «недостаточно проверенными» или, во всяком случае, «необщепринятыми». По этому поводу придется заметить, что в палеонтологии с «общепринятостью» концепций дела вообще обстоят неважно; вероятно, это общая черта всех наук, имеющих дело с событиями прошлого, - ведь в них прямо подтвердить или опровергнуть некую теорию можно, лишь имея в своем распоряжении пресловутую машину времени. В этой связи мне кажется уместным изложить одну назидательную историю, коей я сам был свидетелем.

Несколько лет назад в Палеонтологическом институте Академии Наук, где я имею честь работать, проходила научная конференция, посвященная климатам прошлого. Присутствовал весь цвет отечественной палеонтологии (а поскольку в этой области Россия, как ни странно, продолжает оставаться одним из признанных лидеров, - то и мировой, соответственно, тоже). При разработке представленных на ней палеоклиматических реконструкций были мобилизованы все возможности современной науки - от тончайшего геохимического и радиоизотопного анализа до новейших методов компьютерного моделирования. Когда дело дошло до обсуждения докладов, на трибуну вышел профессор N, известный едкостью своих оценок, и начал так:

- Глубокоуважаемые коллеги! Я категорически настаиваю на том, что Земля круглая. (Легкий шум в зале.) Я настаиваю также на том, что Земля вертится, а ось ее вращения наклонена относительно плоскости эклиптики. Из этих трех обстоятельств следует, как вам должно быть известно из курса географии для шестого класса средней школы, существование экваториально-полярного температурного градиента, западного переноса в атмосфере и смены времен года. (Шум в зале сменяется полной тишиной.) Так вот, обращаю ваше внимание на то, что в подавляющем большинстве из представленных здесь палеоклиматических реконструкций нарушается по меньшей мере одно из этих исходных условий...

Вряд ли в палеонтологии можно найти реконструкцию, по поводу которой между специалистами наблюдалось бы должное единодушие. И можно сколь угодно глубоко сопоставлять различные точки зрения, основываясь и на литературе, и на личных оценках специалистов в данной области, однако конечный выбор - и сопряженная с ним моральная ответственность - в итоге все равно ложится на плечи составителя курса. Главное же при таком выборе, как я полагаю, - это не забывать хотя бы о том, что «Земля круглая» - и так далее...

1. Возраст Земли и Солнечной системы. Абсолютный и относительный возраст. Геохронологическая шкала

Прежде всего заметим, что для ученых сама по себе постановка вопроса о возрасте Земли была некогда весьма революционной - ибо «возраст» подразумевает наличие «даты рождения». Конечно, в любой из религий соответствующее божество создает Землю с населяющими ее существами из первозданного Хаоса, однако европейская наука унаследовала от античных философов-материалистов принципиально иное видение Мира. Для нее Земля всегда была неотъемлемой частью той самой Вселенной, которая «едина, бесконечна и неподвижна... Она не рождается и не уничтожается... Она не может уменьшаться и увеличиваться» (Джордано Бруно). Но вот в конце Средневековья астрономы открывают существование так называемых новых звезд: оказывается, небеса не абсолютно неизменны, как считалось испокон веков! Следовательно, в принципе возможны и наиболее решительные (с точки зрения Человечества) изо всех возможных изменений: начало и конец существования Земли и видимой части Вселенной. А раз так, то не можем ли мы попытаться установить, когда было это начало и каким будет этот конец - не прибегая к помощи мифологии (шести дням творения, Сумеркам богов, и т.д.)?

Необходимо заметить, что людей первоначально заинтересовал возраст не Земли как небесного тела, а именно обитаемой Земли - как сейчас сказали бы, биосферы. Однако ясно, что, определив время возникновения жизни, мы тем самым получим минимальный срок существования и самой планеты. А поскольку источником жизни на Земле вполне справедливо полагали энергию Солнца, то возраст нашего светила, в свою очередь, даст нам максимальный срок существования биосферы.

Установление же времени существования Солнца - после того как были открыты законы сохранения вещества и энергии - казалось физикам довольно простой задачей. Солнце постоянно излучает энергию в пространство, назад ничего не возвращается, так что, по идее, количество энергии в Солнечной системе должно постоянно убывать. Самый энергетически выигрышный процесс (из известных до XX века) - сжигание каменного угля; тепло и свет при этом создаются в результате химической реакции C+O2 = CO2+Q. А поскольку нам известны и величина Q, и количество энергии, излучаемой Солнцем за единицу времени, и масса Солнца (она была приближенно вычислена еще в XVII веке), то рассчитать суммарное время существования угольного костра таких размеров можно буквально в одно действие. Вот тут-то и выяснилось, что он должен прогореть дотла всего-навсего за полторы тысячи лет. Конечно, существуют вещества более энергоемкие, чем уголь, но это не решает проблему: расчетное время существования Солнца все равно оказывается меньше шести тысяч лет - то есть меньше времени существования человеческой цивилизации; ясно, что это абсурд.

Необходимо было найти источник, питающий своей энергией Солнце - иначе вообще рушился закон сохранения энергии. И вот в 1853 г. Г. Гельмгольцу удалось предложить вполне приемлемую для того времени гипотезу. Он предположил, что Солнце постоянно сжимается - верхние его слои под собственной тяжестью как бы падают на нижние, а их потенциальная энергия при этом убывает (ведь масса слоев постоянна, а высота их «подъема» над центром Солнца уменьшается); именно «теряющаяся» потенциальная энергия верхних слоев и выделяется в виде тепла и света. Возникает вопрос: какая скорость этого сжатия необходима для того, чтобы обеспечить нынешнюю светимость Солнца? Ответ: очень небольшая - за 250 лет (то есть за все время существования современной астрономии) - всего-навсего 37 км; для сравнения: нынешний диаметр Солнца - почти 1,5 миллиона км. Очевидно, что такие изменения диаметра никакими измерительными приборами не ловятся.

Гипотеза эта имела и одно следствие, прямо касающееся возраста Земли. Если считать, что светимость Солнца (и, соответственно, скорость его сжатия) в прежние времена была примерно такой же, как сейчас, то, согласно расчетам Гельмгольца, 18 миллионов лет назад диаметр светила должен был превышать нынешний диаметр орбиты Земли. Следовательно, наша планета никак не старше этих самых 18 миллионов лет. Физиков эта цифра вполне удовлетворила, и они сочли вопрос о предельном возрасте Земли исчерпанным, но вот геологи восстали против такой датировки самым решительным образом.

Дело в том, что геология уже накопила к тому времени огромное количество эмпирических (т.е. основанных на непосредственном опыте) данных о строении поверхностных слоев планеты и о происходящих на ней процессах (например, о движении горных ледников, водной эрозии и т.д.). В 1830 году Ч. Лайелль, исходя из того, что геологические процессы (прежде всего осадконакопление) в прошлом должны были протекать примерно с той же скоростью, что и ныне - принцип актуализма[1] - подсчитал, что время, необходимое для образования одних только доступных для прямого изучения осадочных толщ, должно составлять несколько сот миллионов лет. Расчеты Лайелля основывались на гигантском фактическом материале и казались геологам и биологам гораздо более близкими к истине, чем гельмгольцевы 18 миллионов лет. Однако логика Гельмгольца казалась неопровержимой - с законом сохранения энергии особо не поспоришь... Для того, чтобы возобладала точка зрения геологов (а правильной, как теперь известно, оказалась именно она) необходимо было найти иной, чем гравитационное сжатие, источник энергии для Солнца.

В 1896 году А. Беккерель открыл явление радиоактивности. Радиоактивность оказалась одним из типов ядерных реакций - изменений в комбинациях составляющих атомное ядро протонов и нейтронов; при этих реакциях выделяется неизмеримо больше энергии, чем при любых химических превращениях. В 1905 году А. Эйнштейн установил, что в ядерных реакциях массу можно рассматривать как чрезвычайно концентрированную форму энергии, и вывел свою знаменитую формулу их эквивалентности: Е = mc^2 , где с - скорость света. Величина c^2 чрезвычайно велика, а потому даже небольшое количество массы эквивалентно огромному количеству энергии: 1 г массы = 21,5 млрд ккал (столько энергии выделится, если сжечь два с половиной миллиона литров бензина). Если предположить, что Солнце черпает энергию за счет ядерных реакций (каких именно - пока неважно, эйнштейнова формула справедлива для них всех), то для обеспечения его нынешней светимости необходимо расходовать 4600 тонн вещества в секунду.

Много ли это? Ничтожно мало: расчеты показывают, что происходящее при этом изменение тяготения Солнца приведет к увеличению времени оборота Земли вокруг светила - т.е. удлинению земного года - всего на 1 секунду за 15 миллионов лет, что, разумеется, нельзя установить никакими измерениями. Таким образом, проблема практически неиссякаемого источника энергии для Солнца была решена, и теперь уже ничто не препятствовало принятию геологической оценки возраста Земли - «не менее нескольких сот миллионов лет».

Однако открытие радиоактивности имело и еще одно следствие: это явление само по себе позволило создать новый метод определения возраста планеты, несравненно более точный, чем все предыдущие. Суть его заключается в следующем. Известно, что атом урана нестабилен: он испускает энергию, потоки частиц, и со временем превращается в атом свинца - устойчивого элемента, не подверженного дальнейшим превращениям. Природа этого типа реакций такова, что скорость ядерного распада абсолютно постоянна, и никакие внешние факторы (температура, давление) на нее не влияют. Значит, если экспериментально определить темп этих изменений за короткий промежуток времени, то его можно совершенно точно предсказать и для более длительного промежутка. Так вот, было установлено, что в любой порции урана (точнее - изотопа 238U) половина составляющих его атомов превратится в свинец за 4,5 млрд лет; соответственно, через 9 млрд лет урана останется 1/2 от 1/2, то есть четверть, и т.д. Срок в 4,5 млрд лет называют периодом полураспада 238U.

Пусть мы имеем горную породу, содержащую соединения урана. Если она остается нераздробленной, то все атомы свинца (в которые постоянно превращаются атомы урана) остаются внутри породы, и в результате уран все более «загрязняется» свинцом. Поскольку, как мы помним, внешние факторы не влияют на скорость этого процесса, степень «загрязнения» будет зависеть только от времени, в течении которого порода оставалась монолитной. Последнее обстоятельство весьма важно: таким способом можно устанавливать время образования изверженных пород, но не осадочных - те всегда разрушены, и уран/свинцовое соотношение в них необратимо нарушено миграцией этих элементов в окружающую среду.

Определять возраст изверженных пород уран-свинцовым методом (впоследствии появились калий-аргоновый, рубидий-стронциевый и некоторые другие[2]) начали в 1907 году, и очень скоро обнаружили граниты с возрастом 1 млрд лет. По мере дальнейших поисков этот «максимальный известный возраст» быстро увеличивался, пока не достиг 3,5 млрд лет, после чего, несмотря на все усилия, почти не прирастал; древнейшие же из известных минералов были недавно найдены в Австралии - 4,2 млрд лет (известный Сибирский «рекорд» - 4,5 млрд лет - не подтвердился повторными анализами). Значит, Земля никак не моложе 4,2 млрд лет; но, может быть, она еще старше, и породы с возрастом 7 или, скажем, 20 млрд лет просто пока не найдены? Судя по всему, нет - и вот почему. Дело в том, что возраст всех изученных на этот предмет метеоритов составляет 4,5-4,6 млрд лет; возраст всех горных пород, собранных в девяти районах Луны американскими экспедициями «Аполлон» и советскими автоматическими станциями «Луна», также варьирует от 4 до 4,5 млрд лет. Все это свидетельствует о том, что цифра «4,6 млрд лет» верно отражает реальный возраст не только Земли, но и всей Солнечной системы.

Итак, физики преподнесли геологам поистине царский подарок: стало возможным достаточно точно определить время существования Земли и протяженности различных периодов ее истории (палеозоя, мезозоя, и т.д.). Как же отнеслись к этому геологи? Спокойно, если не сказать - равнодушно: дело в том, что к собственно геологическим проблемам все это, как ни странно, имеет весьма косвенное отношение.

Физики мыслят в категориях абсолютного времени: для них существенно, когда именно произошло некое событие, а главная проблема, которую они при этом решают - это проблема часов (ведь распадающийся уран - это, по сути дела, песочные часы хитрой конструкции). Однако совершенно очевидно, что время существует вне зависимости от того, есть ли у нас приборы для его измерения. Во множестве случаев для нас существенна лишь очередность событий («это произошло после ..., но до ...»), тогда как строгие их датировки куда менее важны; рассказывая о неком происшествии, часто говорят не «в 15 часов», а «после обеда»; не «20 марта», а «как только сошел снег»; не «в 1939 году», а «перед войной» - и в этом есть достаточно глубокий смысл. Любая последовательность событий уже сама по себе является временем - относительным временем. Так вот, геологи всегда работали в мире этого самого относительного времени. Точность, с которой мы можем определить положение некого события на шкале относительного времени, прямо зависит от ее дробности (т.е. числа составляющих шкалу событий) и полноты (события должны распределяться по шкале более или менее равномерно, не оставляя «пустот»). Поэтому геологи видели свою задачу в том, чтобы совершенствовать в указанных направлениях шкалу относительного времени - палеонтологическую летопись (это не художественная метафора, а строгий термин), а не в том, чтобы искать «часы».

Есть два фундаментальных принципа (фактически - это аксиомы, принимаемые без доказательства), которыми пользуются геологи при изучении истории. Во-первых, это принцип Стено, или закон напластования: если один слой (пласт) горных пород лежит на другом, то верхний слой образовался позднее, чем нижний. Во-вторых - принцип Гексли, или закон фаунистических и флористических ассоциаций: слои, содержащие ископаемые остатки одних и тех же видов животных и растений, образовались в одно и то же время. Первый принцип позволяет установить хронологический порядок образования горных пород в одном месте, второй - синхронизировать между собой пласты, залегающие в разных местах.

Принципы эти, казалось бы, предельно просты, однако при их практическом применении нас подстерегает целый ряд ловушек. Так, исходная последовательность слоев в результате тектонических движений зачастую сминается в более или менее горизонтальные складки. Если в дальнейшем вышележащая половинка складки (с «правильной» последовательностью) окажется полностью уничтоженной эрозией, то установить, что в нашем распоряжении осталось лишь искаженное, запрокинутое залегание слоев, будет весьма непросто (см. рисунок 1, б). Еще большие проблемы возникают с законом фаунистических ассоциаций. Синхронные, но пространственно удаленные фауны всегда будут отличаться друг от друга; в частности - они будут иметь в своем составе разную долю реликтов, унаследованных от предшествующих эпох. Представьте-ка себе, что вам предложено «вслепую» сопоставить выборки из современных фаун млекопитающих Европы и Австралии (со всеми ее сумчатыми и однопроходными); много ли у вас будет оснований для заключения об их синхронности? Сведение множества региональных последовательностей фаун и флор в единую глобальную шкалу - одна из основных задач специального раздела геологии, стратиграфии (от латинского «стратум» - слой).

Трудности, возникающие на этом пути, велики - но вполне преодолимы. Последовательное применение принципов Стено и Гексли (плюс накопление огромного эмпирического материала) позволило геологам уже в самом начале XIX века разделить все отложения на первичные, вторичные, третичные и четвертичные; это деление полностью соответствует современному делению осадочных толщ на палеозойские, мезозойские и кайнозойские (объединяющие два последних подразделения). А к 30-м годам прошлого века в составе этих отложений были выделены и почти все принятые ныне системы (юрская, меловая, каменоугольная и пр.); последняя из них - пермская - была выделена Р.Мурчинсоном в 1841 году.

Так была создана всеобъемлющая шкала относительного времени - геохронологическая шкала - к которой может быть однозначно «привязана» любая содержащая ископаемые осадочная порода. Шкала эта оказалась столь совершенной, что двадцатый век не внес в нее сколь-нибудь существенных корректив, за исключением чисто формального изменения ранга некоторых ее подразделений (в пятидесятые годы единый третичный период был разделен на два - палеогеновый и неогеновый, а ордовик, считавшийся частью силура, получил ранг самостоятелного периода)[3], и лишь снабдил ее подразделения абсолютными датировками. Основная проблема, которую с той поры пришлось решать геологам - это создание такой же шкалы для наиболее древних пород, которые считались «немыми» - т.е. лишенными сколь-нибудь сложных (и, соответственно, диагностичных) ископаемых остатков.

Самыми крупными подразделениями геохронологической шкалы являются эоны; хорошо известные вам палеозой, мезозой и кайнозой - это эры, на которые подразделяется последний из эонов - фанерозой (от греческого «фанерос» - видимый, явный, и «зоэ» - жизнь), начавшийся 0,54 млрд лет назад. Эоны, предшествующие фанерозою, - протерозой (0,54-2,5 млрд лет) и архей (2,5-4,5 млрд лет) - часто объединяют под названием криптозой («криптос» - по гречески скрытый), или докембрий (кембрий - самый первый период фанерозоя). Фундаментальное разделение геохронологической шкалы на фанерозой и докембрий основано на наличии или отсутствии в соответствующих осадочных породах ископаемых остатков организмов, имевших твердый скелет. Первая половина архея, катархей - время, из которого осадочные породы не известны по причине отсутствия тогда гидросферы. Последний отрезок докембрия, венд - время появления бесскелетных многоклеточных животных (рисунок 2).

С каждой из единиц, составляющих существующую последовательность осадочных пород, можно однозначное соотнести определенное подразделение временной шкалы - и наоборот; так, все отложения, образовавшиеся на Земле на протяжении юрского периода, образуют юрскую систему, или просто юру. Системы объединяются в группы (юра входит в состав мезозоя), и делятся на отделы (нижняя, средняя и верхняя юра), ярусы (верхняя юра - на келловей, оксфорд, кимеридж и титон) и, далее, на зоны («Cardioceras cordatum»); временным же эквивалентом группы эвляется эра, отдела - эпоха, яруса - век, зоны - время (см. рисунок 3). Названия подразделений геохронологической шкалы обычно происходят от той местности, откуда были впервые описаны «эталонные» для этого времени осадочные породы (пермский период, оксфордский век); исключение составляет низшая единица шкалы, всегда называемая по так называемому «руководящему ископаемому», характерному для этого момента геологической истории (время Cardioceras cordatum).

Итак, например, пермский период следует определить как время, когда на Земле образовывались горные породы такого же типа, что ныне выходят на поверхность в окрестностях уральского города Пермь. Имея дело с геохронологической шкалой, необходимо всегда помнить, что первичен здесь именно определенный тип геологических тел, а время производно, вторично. (Тот же самый принцип используется и в археологии: мезолит или бронзовый век - это время, когда люди делали орудия и украшения определенного типа.) Именно по этой причине геохронология спокойно обходилась и без датировок ее подразделений в миллионах лет, ставших привычными лишь в последние три-четыре десятилетия. Вообще роль абсолютных (радиоизотопных) датировок очень велика для стратиграфии докембрийских толщ, где отсутствуют достаточно сложные ископаемые; радиоуглеродный метод[4] широко применяется для датировки новейших отложений, возрастом менее 40 тысяч лет. В остальном же эти методы играют в стратиграфии сугубо подчиненную роль, и мы в дальнейшем будем в основном обозначать время в терминах не абсолютной, а относительной шкалы.

Однажды академику А.Л.Яншину задали вопрос - в чем состоит разница между абсолютной и относительной геохронологиями? Тот, согласно преданию, ответил: «Главная разница в том, что относительная геохронология точна, а абсолютная - нет». Дело в том, что радиоизотопные методы дают нам датировку с точностью до 1-2 %, которая, на первый взгляд, кажется вполне приемлемой. Не забудем, однако, о том, что на отрезках времени в сотни миллионов лет (которыми оперирует геология), эта погрешность измерения тоже будет исчисляться миллионами лет. Пусть мы определили абсолютный возраст некой осадочной толщи как 154±2 млн лет; в течение этих двух миллионов лет могли накопиться многие сотни метров (или даже километры) осадков. Палеонтологи же способны распознать в этой толще однообразных пород слой толщиной всего в несколько метров, руководствуясь известным им «адресом» - верхняя юра, оксфордский ярус, зона Cardioceras cordatum, ибо только в это «мгновение» геологической истории жил на Земле головоногий моллюск Cardioceras cordatum. Распознать же столь ничтожный отрезок времени методами абсолютных датировок нельзя ни в каком приближении.

Здесь опять напрашивается аналогия с археологией. Предположим, мы обнаружили древеегипетский саркофаг. Можно отколупнуть от него щепку и, путем немалых усилий, установить, что дерево из которого он был изготовлен, срублено 4500±300 лет назад. Археолог же поглядит на орнамент саркофага и без колебаний скажет: «Среднее царство, XIII династия... конец, но не самый». Ну, и какая из датировок, на ваш взгляд, более содержательна?

1-а (дополнительная). Несколько слов о методологии науки. Принцип актуализма, «Бритва Оккама» и презумпции. Проверка теории: верификации и фальсификации.

Принцип актуализма (термин этот был введен в 1830 году Ч.Лайелем) заключается в том, что при любых реконструкциях событий прошлого мы исходим из того, что в те времена должны были действовать такие же законы природы, что и ныне; сам Лайель кратко формулировал его как «Настоящее есть ключ к прошлому». И пускай, к примеру, в докембрии существовали экосистемы, не имеющие современных аналогов - но камень-то, надо думать, и тогда падал на землю с ускорением 9,8 м/сек2, вода замерзала при нуле градусов Цельсия, а молекула хлорофилла исправно поглощала кванты света... А, собственно говоря, почему? Вопрос этот вовсе не так уж прост.

Непосредственно в прошлое заглянуть невозможно, машина времени - это несбыточная мечта человечества. Любые наши суждения о прошлом есть лишь более или менее вероятные предположения, основанные на интерпретации фактов и событий современности. Динозавры (столь полюбившиеся широкой публике после «Юрского парка») - это, вообще-то говоря, лишь куски песчаника, напоминающие своей формой кости современных рептилий; все же остальное - чистые домыслы. Понятное дело, что цена домыслам режиссера С.Спилберга и академика от палеонтологии Л.П.Татаринова несколько разная, однако экспериментально проверить нельзя ни первые, ни вторые - ни сегодня, ни в будущем. Поэтому для начала нам следует решить для себя принципиальный вопрос: познаваемо ли прошлое вообще? При этом необходимо признать, что на логическом уровне проблема неразрешима, то есть это вопрос не разума, а веры.

Если ответ будет «нет», то мы можем дальше по собственному усмотрению населять прошлое атлантами и лемурийцами, разумными спрутами и крылатыми огнедышащими драконами, а можем, наоборот, отрицать существование всего, что не упомянуто - черным по белому - в Ветхом Завете. Пожалуйста; мы теперь находимся в сфере мифологии, можно ни в чем себе не отказывать. Отправившись по этому пути, мы с неизбежностью должны придти к отрицанию существования Хеопса, Ивана Грозного, а то и товарища Сталина - чем они в этом смысле лучше динозавров?

Если же мы примем, что прошлое принципиально познаваемо (а подавляющее большинство людей решают для себя этот вопрос именно так), и останемся при этом на позициях рационального мышления (то есть будем полагаться не на «откровения свыше», а на свои собственные наблюдения и умозаключения), то упомянутый выше кусок песчаника немедленно превратится в бедренную кость тиранозавра. Структура ее поверхности позволит нам сделать выводы о местах прикрепления мышц, и соответственно, о типе походки, скорости передвижения и возможных способах охоты; внутренняя структура кости - о характере кровоснабжения, и соответственно, о возможной теплокровности этих существ. Ископаемая древесина с годичными кольцами позволит заключить, что климат в этом месте тогда был сезонным, а ископаемый коралловый риф - что температура окружающей его морской воды превышала 20 градусов. Все эти выводы будут основаны на аналогиях - на том, как ведут себя кости позвоночных, древесина и коралловые рифы в наши дни. Но вправе ли мы исходить из такой предпосылки? Не только вправе - мы обязаны поступать именно так, и вот почему.

Мы уже оговорили, что действуем в сфере рационального мышления. Рациональный тип мышления - отнюдь не единственно возможный; бывает мышление художественное, мистическое, религиозное, и т.п. Надо отчетливо осознавать, что ни одно из них не «хуже» и не «лучше» остальных - они просто разные, и имеют свои собственные «своды законов». Мы вольны в выборе типа мышления - но, раз выбрав, обязаны будем в дальнейшем подчиняться определенным правилам.

Одним из фундаментальных принципов рационального мышления является «Бритва Оккама» (по имени английского философа XIII века); сам Оккам формулировал его как «Не умножай сущностей сверх необходимого». Применительно к правилам научного исследования это означает следующее: выбирая одну из нескольких гипотез, объясняющих некое явление, надо начинать с самой простой из них, и только убедившись в том, что она «не работает», переходить к более сложной, повторяя эту процедуру до тех пор, пока не будет найдено простейшее удовлетворительное объяснение.

Приведем такой пример. На тихоокеанском острове Пасхи имеются циклопические статуи, которые, казалось бы, не могли быть воздвигнуты примитивным племенем, населяющим остров в наши дни. Можем ли мы высказать гипотезу, что статуи эти поставлены пришельцами с другой планеты? Конечно, можем. Однако, находясь в рамках рационального подхода, мы вправе принять подобное объяснение лишь после того, как будут исчерпаны все более простые - «земные» - гипотезы. Тур Хейердал, сделавший успешную попытку установить пасхианскую статую с помощью лишь тех средств, что есть в наши дни в распоряжении тамошних аборигенов, действовал строго в рамках «Бритвы Оккама» - хотя наверняка не задумывался над этим. Последнее весьма существенно: дело в том, что принцип «Бритвы Оккама» (и впоследствии развившийся из нее принцип парсимонии) для любого ученого, по крайней мере, в сфере естественных наук, настолько фундаментальны, что обычно его просто не замечают - как мы не замечаем воздуха, которым дышим.

Возвращаясь к методам реконструкции картин далекого прошлого, отметим, что с этой точки зрения актуализм - стремление в исторических реконструкциях отталкиваться от современных аналогов - совершенно корректен. Существование же в прошлом принципильно иных, чем ныне действующие, законов природы будет той самой «избыточной сущностью», которую и отсекает «Бритва Оккама». Собственно говоря, прошлое вообще познаваемо ровно настолько, насколько точные аналогии былым ситуациям существуют в современности. Однако в следующих главах мы регулярно будем сталкиваться и с такими совокупностями фактов, для объяснения которых нам придется предполагать, что в природе существовали и ситуации, ныне совершенно немыслимые, как-то: экосистемы, не имеющие в своем составе хищников; ландшафты, которые не являются ни сушей, ни морем, а чем-то средним; атмосферная циркуляция, при которой число конвективных ячеек отлично от нынешнего. Являются ли такие реконструкции отступлением от принципа актуализма? Нет, не являются, и вот почему.

Дело в том, что принцип актуализма не является аксиоматическим утверждением. Аксиома - это принимаемое без доказательств положение, на основе которого строится внутренне непротиворечивая система взглядов. Если мы принимаем аксиому «Через точку, лежащую вне прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной», то получаем внутренне непротиворечивую геометрию Евклида. А если принять, что через такую точку можно провести несколько прямых не пересекающих данную, то возникнет геометрия Лобачевского, столь же внутренне непротиворечивая, что и «нормальная», евклидова.

Выше мы уже сталкивались с одним аксиоматическим утверждением - законом напластования («если один слой горных пород лежит на другом, то верхний слой образовался позднее, чем нижний»), на котором основана такая внутренне непротиворечивая система взглядов, как стратиграфия. Поэтому если бы вдруг удалось доказать (напрягите воображение!) что вышележащий слой может образоваться прежде нижележащего - это означало бы полное разрушение картины Мира, что создана стратиграфией.

Принцип же актуализма принадлежит к совершенно иному типу утверждений - презумпциям. Всем известна используемая в юриспруденции презумпция невиновности. Она может быть сформулирована так: поскольку большинство людей не являются преступниками, то каждый отдельно взятый человек должен считаться невиновным до тех пор, пока не доказано обратное. Последнее - чрезвычайно важно: в презумпции изначально заложена возможность опровержения; она лишь устанавливает очередность, в которой следует рассматривать соответствующие гипотезы (применительно к презумции невиновности это означает, что обвиняемый не обязан ничего доказывать - это дело обвинителя).

Палеонтолог А.П.Расницын показал, что этот тип утверждений используется в естественных науках чрезвычайно широко, хотя практически всегда - в неявном виде. Например, постоянно практикуемое биологами определение степени родства организмов по степени их сходства - не что иное как презумпция, которую можно сформулировать так: «Более сходные между собой организмы должны считаться более близко родственными между собой до тех пор, пока не доказано обратное (т.е. конвергентное возникновение этого сходства)». В дальнейшем мы будем часто сталкиваться с этим типом логических конструкций. Одной из презумпций и является принцип актуализма, который может быть переформулирован таким образом: в процессе исторического исследования мы должны исходить из того, что любые системы в прошлом функционировали так же, как их современные аналоги, до тех пор, пока не доказано обратное.

Раз уж зашла речь о научном мышлении, то следует рассказать о взглядах одного из крупнейших философов XX века, математика по базовому образованию - К.Поппера. Он одним из первых задался вопросом: когда теорию можно считать научной? Поппер сразу уточняет: «Меня интересовал не вопрос о том, „когда теория истинна?“ [...] Я поставил перед собой другую проблему. Я хотел провести различие между наукой и псевдонаукой, прекрасно зная, что наука часто ошибается, а псевдонаука может случайно натолкнуться на истину». Издавна существует стандартный ответ: наука отличается от псевдонауки (или от «метафизики») своим эмпирическим методом, т.е. исходит из наблюдений и экспериментов. Однако такой ответ вряд ли можно счесть исчерпывающим: например, астрология (которая, очевидным образом, наукой в строгом смысле не является) оперирует громадной массой эмпирического материала, опирающегося на наблюдения - гороскопами и биографиями.

Поппер вспоминает, что в 1919 году, когда он начинал учиться в Венском университете, все были увлечены новыми, поистине революционными, концепциями: теорией относительности Эйнштейна, а также историческим материализмом Маркса и новейшими психологическими теориями - психоанализом Фрейда и так называемой «индивидуальной психологией» Адлера. Быстро ощутив - сперва на каком-то подсознательном уровне - некое принципиальное различие между двумя этими группами теорий, Поппер попытался сформулировать для себя: чем марксизм, психоанализ и индивидуальная психология так отличаются от физических теорий - например, от теории относительности? Ясно, что дело тут было не в математическом аппарате (или отсутствии такового), а в чем-то ином, более серьезном.

«Я обнаружил, что те из моих друзей, которые были поклонниками Маркса, Фрейда и Адлера, находились под впечатлением некоторых моментов, общих для этих теорий, в частности под впечатлением их явной объяснительной силы. Казалось, эти теории способны объяснить буквально все, что происходило в той области, которую они описывали. Изучение любой из них как бы приводило к полному духовному перерождению или к откровению, раскрывающему наши глаза на новые истины, скрытые от непосвященных. Раз ваши глаза однажды были раскрыты, вы будете видеть подтверждающие примеры всюду: мир полон верификациями теории. Все, что происходит, подтверждает ее».

Итак, главная черта этой группы теорий - непрерывный поиск верифицирующих их эмпирических результатов (наблюдений): чем больше, тем лучше. Более того: невозможно представить себе, например, такую форму человеческого поведения, которая не укладывалась бы в рамки соответствующей психологической теории. В примере, рассматриваемом Поппером, один человек толкает ребенка в воду с намерением утопить его, а другой жертвует жизнью в попытке спасти этого ребенка: «Каждый из этих случаев легко объясним и в терминах Фрейда, и в терминах Адлера. Согласно Фрейду, первый человек страдает от подавления некоего комплекса (скажем, Эдипова), а второй достиг сублимации. Согласно Адлеру, первый человек страдает от чувства неполноценности (которое вызывает у него необходимость доказать самому себе, что он способен отважиться на преступление); то же самое происходит и со вторым (у которого возникает потребность доказать самому себе, что он способен спасти ребенка).» С такой же легкостью обе эти теории переинтерпретируют и любые другие человеческие поступки.

С теорией относительности дело обстоит совершенно иначе. Как раз во время, описываемое Поппером, А.Эддингтону впервые удалось подтвердить одно из предсказаний, сделанных Эйнштейном. Согласно его теории гравитации, большие массы (такие, как Солнце) должны притягивать свет точно так же, как они притягивают материальные тела. Поэтому свет далекой фиксированной звезды, видимой вблизи Солнца, достигает Земли по такому направлению, что звезда кажется смещенной по сравнению с ее реальным положением. В обычных условиях этот эффект наблюдать невозможно, поскольку близкие к Солнцу звезды совершенно теряются в его ослепительных лучах. Однако эти звезды можно сфотографировать во время полного солнечного затмения, а затем сравнить их положение с тем, что наблюдается ночью, когда масса Солнца не влияет на распространение их лучей. Именно это и проделал Эддингтон, получив в итоге тот самый эффект, что был ранее предсказан Эйнштейном.

«В рассматриваемом примере, - пишет Поппер, - производит впечатление тот риск, с которым связано подобное предсказание. Если наблюдение показывает, что предсказанный эффект определенно отсутствует, то теория просто-напросто отвергается. Данная теория несовместима с определенными возможными результатами наблюдения - с теми результатами, которых до Эйнштейна ожидал бы каждый. Такая ситуация совершенно отлична от описанной мною ранее, когда соответствующие [психологические] теории оказывались совместимыми с любым человеческим поведением, и было практически невозможно описать какую-либо форму человеческого поведения, которая не была бы подтверждением этих теорий.»

Все это и привело Поппера к заключению о том, что подтверждения (верификации) теории недорого стоят - их при желании можно набрать сколько угодно, почти для любой теории. Собственно говоря, принимать во внимание подтверждающее свидетельство следует лишь в тех случаях, когда оно является результатом реальной «проверки теории на прочность» - попытки ее опровергнуть, которая оказалась безуспешной. Теория же, которая не опровергаема никаким мыслимым событием, является ненаучной; принципиальная неопровергаемость представляет собой не достоинство теории (как часто думают), а ее порок. Итак, критерием научного статуса теории является ее проверяемость и принципиальная опровергаемость (фальсифицируемость)[5]. Иными словами, наука (в отличие от псевдонауки) должна делать проверяемые предсказания («Будет так-то и так-то, в противном случае я съем свою шляпу»), причем предсказания эти должны быть рискованными, не очевидными априори (не типа - «Солнце завтра по-прежнему взойдет на востоке»).

Из рассмотренных выше теорий критерию фальсифицируемости отвечает лишь теория относительности: даже если в период ее выдвижения существующие измерительные инструменты не позволяли осуществить проверку, принципиальная возможность опровержения этой теории существовала уже тогда. Случай с астрологией - обратный; астрологи попросту игнорируют неблагоприятные для них свидетельства, а в своих прогнозах прибегают к обычному трюку всех прорицателей: предсказывают события столь неопределенно, чтобы предсказания всегда сбывались, то есть чтобы они были неопровергаемыми. (Помните, в «Ходже Насреддине»: «Буду ли я счастлива в своем новом браке?» - трепетно спрашивала какая-нибудь почтенных лет вдова и замирала в ожидании ответа. «Да, будешь счастлива, если на рассвете не влетит в твое окно черный орел, - гласил ответ гадальщика. - Остерегайся также посуды, оскверненной мышами, никогда не пей и не ешь из нее.» И вдова удалялась, полная смутного страха перед черным орлом, тягостно поразившим ее воображение, и вовсе не думая о каких-то презренных мышах; между тем, в них-то именно и крылась угроза ее семейному благополучию, что с готовностью растолковал бы ей гадальщик, если бы она пришла к нему с жалобами на неправильность его предсказания.")

Сложнее ситуация с марксистской социологией. В ранних своих формулировках она действительно давала проверяемые предсказания (например, Марксов анализ движущих сил и сроков грядущей «социальной революции»), которые все оказались опровергнутыми (революции происходили не в промышленно развитых, а в самых отсталых странах, и т.п.). Однако последователи Маркса, вместо того, чтобы признать это опровержение, переинтерпретировали и теорию, и свидетельства так, чтобы привести их в соответствие. Таким путем они «спасли» свою теорию, но при этом сделали ее неопровергаемой - и тем самым лишили ее научного статуса (в Советском Союзе марксизм превратился уже в чистое богословие - т.е. в комментирование священных текстов). Что же касается двух упомянутых психоаналитических теорий, то они являются изначально непроверяемыми и неопровергаемыми. Как подчеркивает Поппер, «это не означает, что Фрейд и Адлер вообще не сказали ничего правильного [...] Но это означает, что те „клинические наблюдения“, которые, как наивно полагают психоаналитики, подтверждают их теорию, делают это не в большей степени, чем ежедневные подтверждения, обнаруживаемые в своей практике астрологами». Итак, по Попперу: теория относительности - научная и правильная, т.е. не опровергнутая, несмотря на все усилия; марксизм (ранний) - научная, но неправильная; психоанализ - правильная (в смысле - дающая позитивные практические результаты), но ненаучная.

Разумеется, Поппер нарисовал умышленно упрощенную картину. Ведь согласно его методологическим правилам, если теории противоречит некий факт, то она становится фальсифицированной и должна быть немедленно отброшена. Однако в реальности научное сообщество сплошь и рядом вынуждено сохранять заведомо «фальсифицированные» теории до тех пор, пока не появятся новые, более совершенные - «За неимением гербовой...»; с этим был вынужден согласиться и сам Поппер. Попперовский фальсификационализм пережил пик своей популярности в шестидесятые-семидесятые годы, а ныне уступил место более утонченным методологическим концепциям. Тем не менее, главные попперовские положения (что цена непроверяемой гипотезе, сколь бы красива она ни была - пятак в базарный день, и что суть научного исследования не в том, чтобы подбирать примеры, подтверждающие теорию, а чтоб искать всё новые способы для ее критической проверки) остаются в силе. Тем из вас, кто собирается в дальнейшем заниматься наукой, следует иметь это в виду.

2. Образование нашей планеты: «холодная» и «горячая» гипотезы. Гравитационная дифференциация недр. Происхождение атмосферы и гидросферы

Рассказ о происхождении Земли и Солнечной системы нам придется начать издалека. В 1687 г. И. Ньютон вывел закон всемирного тяготения - «каждое тело во Вселенной притягивает остальные с силой, прямо пропорциональной произведению их масс, и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними». Теоретически закон всемирного тяготения позволяет рассчитать движения любого тела во вселенной под влиянием тяготения других тел. Но - увы! - только теоретически: уравнения, необходимые для описания движения всего трех изолированных тел под влиянием тяготения друг друга столь сложны, что их решение не удавалось получить почти три столетия, до 60-х годов нашего века. Понятно, что о полном решении для такой системы тел, как Солнечная система, и говорить не приходится. Что же до приближенных расчетов (которыми занимались многие выдающиеся математики и астрономы - Ж. Лагранж, П. Лаплас и другие), то они показывают, что возмущения в орбитах планет носят периодический характер: параметры орбиты меняются в одном направлении, затем в противоположном, и так до бесконечности. Итак, в самой по себе определяемой тяготением структуре Солнечной системы вроде бы нет ничего, что мешало бы ей существовать вечно; недаром сам Ньютон вопрос о происхождении Солнечной системы вообще не ставил.

Давайте, однако, задумаемся: если бы причиной движения планет было одно лишь тяготение - что с ними произошло бы? Правильно - они «упали» бы на Солнце. Планеты, тем не менее, благополучно двигаются себе по своим орбитам перпендикулярно действующей на них силе тяжести и при этом еще вращаются вокруг собственной оси. Это движение не могло возникнуть - и не возникло! - под влиянием тяготения Солнца; откуда же оно взялось?

Дело в том, что всякое вращающееся тело обладает определенным качеством, которое называется «моментом количества движения» (МКД). Величина МКД зависит от трех параметров: массы тела, его круговой скорости и расстояния до центра вращения. К XVIII веку было установлено, что МКД не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а может лишь передаваться от тела к телу. Это - закон сохранения момента количества движения, принадлежащий к ряду законов сохранения (таких, как законы сохранения вещества, энергии и пр.). А коли так, то любая теория возникновения Вселенной (или Солнечной системы) как минимум не должна ему противоречить.

Итак, все тела, составляющие Солнечную систему, обладают собственным МКД; создать МКД невозможно - откуда же он взялся? Возможен следующий выход из этого тупика. Дело в том, что МКД могут различаться в зависимости от направления вращения: по и против часовой стрелки - положительный и отрицательный МКД. Если телу (или системе тел) сообщить два МКД - равной величины, но разного знака - то оба момента взаимно уничтожатся, и возникнет система, лишенная МКД. Но в таком случае верно и обратное: система, изначально не обладавшая МКД, может разделиться на две: одну с положительным, другую - с равным ему отрицательным МКД. Таким образом, МКД как бы появляется и исчезает без нарушения закона сохранения. Исходя из этого, можно предположить, что Вселенная вначале не обладала МКД, но затем одни ее части получили положительный момент, а другие - одновременно - отрицательный.

Так вот, если посмотреть на Солнечную систему «с высоты» - из некой точки над Северным полюсом Земли (и, соответственно, над плоскостью ее орбиты), то окажется, что Земля, Солнце и большинство иных тел вращаются вокруг своей оси против часовой стрелки; планеты вокруг Солнца и спутники вокруг планет - тоже. То есть - положительные и отрицательные МКД всех тел, составляющих Солнечную систему, отнюдь не уравновешиваются между собой; суммарный МКД этой системы очень велик, и необходимо выяснить его происхождение.

В 1796 году П.Лаплас сформулировал небулярную теорию, согласно которой последовательность событий при образовании Солнечной системы такова. Имеется первичное газо-пылевое облако (туманность - по латыни «небула»), возникшее в результате концентрации рассеянного межзвездного вещества под действием взаимного притяжения его частиц (просто в соответствии с законом всемирного тяготения). Небула не является идеальным шаром , и ее края - просто по теории вероятности - находятся на неодинаковом расстоянии от ближайшей небулы (или звезды), а потому притягиваются той с неодинаковой силой (которая, как мы помним, обратно пропорциональна квадрату расстояния). Этой неравновесности достаточно для того, чтобы наша небула получила первичный толчок, который и придаст ей вращательное движение, пусть и чрезвычайно слабое.