Земля и жизнь - Александр Вологдин

Исследования остатков организмов имеют двойную цель. Во-первых, они помогают различать осадочные отложения различного геологического возраста, т. е. принадлежащие к различным стратиграфическим подразделениям их, образованным в ходе геологического развития земной коры в водных бассейнах или на суше. Во-вторых, остатки организмов, находимые в ископаемом состоянии, показывают ход и характер их эволюционного развития. Они указывают на эволюцию жизни, в разные моменты оставлявшую свой след во вмещающих породах, показывают общий ход эволюции за длительные этапы и поясняют происхождение современного мира животных и растений на Земле.

Чем древнее осадочные породы, тем менее они оказываются похожими на первичные рыхлые осадки древних морских бассейнов или пресноводных бассейнов суши. Известно, что некоторые организмы вообще не могли оставлять следы своей жизнедеятельности в осадочных горных породах. Остатки других иногда изменялись уже в момент их захоронения настолько сильно, что оказывались для палеонтолога весьма трудно распознаваемыми. Все же в прежде известковых илах, известковоглинистых и иных осадках, ставших метаморфизованными породами - кристаллическими известняками и мраморами, кремнистыми сланцами и кварцитами (сливными песчаниками),- иногда сохраняются древние ископаемые остатки. Бережное отношение к этому материалу, внимательное его изучение в специально приготовленных препаратах (прозрачных шлифах и в пришлифовках) позволяет различать эти следы древней жизни.

Одним из важнейших факторов, способствующих сохранению органических остатков в ископаемом состоянии в древних породах, является содержавшееся в них первоначально остаточное органическое вещество. Пока оно не удалено из породы геологическими процессами, органические остатки и структуры не могут быть совершенно уничтожены. Их видно на выветреной поверхности породы и в прозрачных шлифах. Они придают породе часто более или менее темную окраску. При этом применение биологического микроскопа с увеличениями до 2000 раз часто позволяет выявлять очень интересные явления. Оказывается, что остаточное органическое вещество как бесструктурное, рассеянное в породе, так и в остатках организмов при наблюдении его в прозрачных шлифах под микроскопом выражено скоплениями черного, непрозрачного углистого вещества в виде сплетений тонких нитей, имеющих форму бактерий. Создается впечатление, что все органическое вещество при переходе его в ископаемое состояние перед завершением процесса окаменения осадка (литификация, диагенез) становилось объектом освоения бактериями и в виде отмерших клеток попадало затем в твердую породу. Это свойство установлено в массе образцов древних и поздних осадочных пород, включая и древнейшие, так называемые докембрийские, т. е. древнее 570 млн. лет.

Совершенно то же явление, но в несколько иных формах и других размерах микроскопических телец наблюдается в захороненном в осадочных породах железе. Всюду, в самых разнообразных осадочных породах железо представлено сгустками окислов в виде тонких округлого сечения палочек или нитей, напоминающих строение современных железобактерий.

Возможно ли сохранение в ископаемом состоянии остатков бактерий? Сущность явления их сохранности несомненно вполне объяснима. Иногда сгустки органического вещества отмерших клеток проходили стадию минерализации. Чаще они пропитывались известью. Некоторые виды бактерий, способные к использованию закисного железа, создавали чехлики из его гидроокислов, хорошо сохраняющиеся в осадке в породе. Б. Л. Исаченко считает, что отложение углекислого кальция в морских осадках происходит под влиянием бактерий. Установлено также, что некоторые культуры бактерий способны выделять из морской воды также фосфорнокислую известь, фосфорно-аммонийно-магнезиальные соли. В то же время изучение древних осадочных пород морского происхождения с применением биологического и электронного микроскопов позволяет видеть и остаточные клеточные структуры бактериального характера. Поэтому или минерализация остатков, или их отпечатки в структуре цементирующего минерального материала, иногда являвшегося минеральным коллоидом (например, кремниевым гелем), и другие условия захоронения бактериальных клеток несомненно имели широкое распространение в средах геологического прошлого. При этом часто остатки бактерий получали в породах и минералах прочную упаковку.

Большое значение имеют палеонтологические методы для изучения изменений в геологическом прошлом Земли, ее климата и земной поверхности, т. е. для палеогеографии. Материалы палеофитогеографии (истории расселения растений) и палеозоогеографии (истории распространения животных) поэтому являются основой палеогеографического исследования отдельных районов нашей планеты или ее поверхности в целом.

Данные палеонтологии, как мы говорили выше, помогают ученым представить себе последовательность отдельных этапов геологического прошлого Земли. Однако они не могут помочь нам определить абсолютную продолжительность этих этапов, точный возраст тех или иных пород. Поэтому уже давно исследователи искали способ, который дал бы возможность устанавливать геологический возраст отложений в абсолютных единицах. В частности, для этой цели пытались использовать изучение скорости накопления на дне бассейнов различного типа осадков. Этот метод, если его применять к отложениям, образовавшимся из материала, принесенного с суши в моря, дает интересные результаты, например, помогает подсчитать длительность времени отложений, образовавшихся из материала, принесенного с областей бывшего оледенения в морские и внутриконтинентальные водные бассейны.

Принципиально новые способы определения абсолютного возраста горных пород и минералов были получены геологической наукой в результате изучения радиоактивных элементов. Суть этих способов такова.

Ядра атомов всех химических элементов состоят из мельчайших частиц - положительно заряженных протонов и не несущих заряда нейтронов. Масса протона почти равна единице - массе атома водорода (ядро которого и состоит из одного протона). Нейтрон же имеет массу чуть большую, чем протон. Как оказалось, так называемый атомный номер элемента, установленный Д. И. Менделеевым в периодической системе элементов, соответствует числу протонов, или положительному заряду ядра. Нейтроны же присутствуют в составе ядра независимо от атомного номера. Число их в ядре варьирует у различных химических элементов - от атома водорода, не имеющего нейтронов, до атомов плутония и америция, содержащих по 149 нейтронов. Химические элементы, ядра атомов которых имеют одно и то же число протонов и, следовательно, один и тот же положительный заряд, но различное число нейтронов, называются изотопами. В периодической системе элементов они занимают одно и то же место, но вследствие различий в числе нейтронов имеют различные свойства.

Ядра бывают прочными (стабильными), не проявляющими никаких изменений во времени, или нестабильными, неустойчивыми, распадающимися с измеримой. скоростью. Радиоактивность - это и есть распад ядер, который сопровождается различным типом излучения.

Так называемое альфа-излучение представляет собой поток положительно заряженных ядер гелия со значительной кинетической энергией; бета-излучение - это поток отрицательно заряженных электронов; гамма-излучение - аналогично по свойствам лучам Рентгена.

Вое встречающиеся в природе химические элементы, имеющие атомный номер более 80, являются радиоактивными. Они образуют четыре радиоактивных ряда. Иногда эти ряды называются "семействами". Распад атомов исходных элементов - урана-233, урана-235, урана-238 и тория-232 (U233, U235, U238, Th232) - приводит к образованию неустойчивых ядер различной продолжительности существования, в свою очередь распадающихся. Сам процесс распада не зависит ни от каких внешних условий. Он идет с неизменной скоростью различной у различных элементов. Половина всех имевшихся в наличии ядер данного элемента распадается за строго определенный промежуток времени - так называемый период полураспада. Каждый радиоактивный ряд заканчивается образованием одного из трех изотопов свинца с выделением гелия. Эти процессы, и оказались теми "часами" истории Земли, которые позволяют исчислять возраст геологических образований в виде так называемой абсолютной геохронологии.

Что же такое абсолютная геохронология и что она дает к настоящему времени?

Интерес геологов к природным процессам распада радиоактивных элементов связан с тем, что скорость этих процессов, во-первых, постоянна, во-вторых, очень мала. Лабораторные испытания, в которых радиоактивные вещества подвергались воздействию температур от -270 до +7000°С, давлений свыше 200 атм, сильных магнитных полей, бомбардировки космическими лучами не могли изменить нормального хода распада радиоактивных элементов.