2020-06-08
193
Граница между докембрием и кембрием обычно резко выражена не только по степени вторичных изменений осадочных пород, но и по кажущемуся коренному отличию пород кембрия, отложения которого почти всюду охарактеризованы обильными разнородными остатками беспозвоночных, водорослей и др. Поэтому исследователи всего мира занимаются изучением органических остатков из палеозойских и более поздних отложений. Некоторые исследователи уделяют внимание изучению докембрия, его литологии, петрологии, в еще меньшей степени палеонтологии, несмотря на огромное распространение и мощность его осадочных отложений.
В трансваальской серии докембрия Южной Африки остатки водорослей известны в виде мелких строматолитов и онколитов. Абсолютный возраст, определявшийся Ф. Абельсоном и Э. Баргхорном в институте Карнеги в Вашингтоне, дал цифру около 2600 млн. лет. В отложениях кремнистых сланцев гуронского возраста (2000 млн. лет), в районе оз. Онтарио в Северной Америке Э. Баргхорн нашел хорошо сохранившиеся остатки нитчатых синезеленых водорослей и одноклеточных животных.
Таким образом, жизнь на Земле является очень древней, имеющей возраст порядка 3000 млн. лет или более. Следы древнейшей жизни можно наблюдать в некоторых геологических образованиях докембрия, в виде непосредственных морфологических материалов по конкретным группам организмов и в виде косвенных данных.
Существование жизни на Земле можно проследить в ее проявлениях во времени и в пространстве, т. е. в данном случае в разрезах разновозрастных осадочных горных пород, в их довольно большом разнообразии.
Общеизвестно большое распространение в составе отложений архея и протерозоя нормальноосадочных пород терригенного состава. Учитывая степень дифференциации мелкозема, выделение достаточно хорошо отсортированного материала обломочных пород, в частности песков, превращенных в кварциты, приходится допускать на выступах древнейшей суши развитие почвенного покрова.
Как известно, почвообразование идет интенсивно с дифференциацией минерального вещества лишь при участии почвенных микроорганизмов, роль которых в создании почвенного мелкозема обычно в 20 раз превосходит роль почвенных коллоидов химического происхождения. Поэтому почвообразование, связанное с деятельностью микроорганизмов, является, несомненно, процессом очень древним. В связи с этим наблюдение в составе беломорской серии архея Карелии магнетитовых сланцев и кварцитов, первично представляющих собой отложения осадочных железных руд и песчаные отложения, показывает, что они, несомненно, были продуктом развития на смежном выступе суши почвообразовательных процессов с участием почвенных микроорганизмов и железобактерий.
Многими исследователями происхождение тонких морских карбонатных илов рассматривается в связи с жизнедеятельностью некоторых специфических морских бактерий, в частности из группы денитрифицирующих.
Процесс денитрификации водной среды при участии бактерий обусловлен в природе наличием нитратов, усвояемого органического вещества, анаэробных (бескислородных) условий и нейтральной реакции среды. Представление многих авторов о составе древней атмосферы и гидросферы Земли сводится к признанию большой роли там свободного водорода, метана, углекислоты и аммиака. Благодаря высокой растворимости аммиак должен был легко переходить в раствор, чтобы обеспечить развитие денитрифицирующих микроорганизмов, продуктами жизнедеятельности которых могли.быть иловые карбонатные отложения, с превращением их в известняки, доломитизированные известняки (в порядке замещения кальция осадка магнием раствора) и доломиты. Лишь образование магнезитов можно отнести к процессам химического характера, происходившим и происходящим в условиях выпаривания морских вод полузамкнутых лагун.
Наличие кристаллических известняков в беломорской серии архея Карелии Беломорского побережья позволяет предполагать развитие в древнем бассейне соответствующих бактериальных процессов, частичным выражением которых могут быть такие породы.
Имеющиеся цифры абсолютного возраста в 2000‑2300 млн. лет для архея Беломорья некоторые исследователи склонны считать возрастом метаморфизма архейских пород. Таким образом, процессы древнейшего карбонатного осадконакопления при участии бактерий должны быть признаны здесь весьма древними. В некоторых мраморах архея Кольского полуострова, по наблюдениям автора, между зернами кальцита установлено содержание обуглероженных остатков микротел бактериального размера.
Известно широкое распространение в докембрийских отложениях всего мира пластовых железных руд, горизонтов пиритизированных пород, которые можно связать по условиям их происхождения только с жизнедеятельностью ряда групп микроорганизмов.
Прямые морфологические данные мы можем получить, изучая под микроскопом препараты из железных руд осадочного происхождения. Так, автором остатки железобактерий были установлены в ряде образцов докембрийских железных руд, в частности Кривого Рога, некоторых месторождений докембрия Казахстана и Сибири.
На территории Карелии, характеризующейся широким распространением мощных отложений докембрия, был открыт ряд ценных палеонтологических материалов в трех горизонтах ятулия (среднего протерозоя). Р. В. Бутиным и автором описано много видов водорослей, которые сохранились в виде остатков строматолитов и других карбонатных образований. Это свидетельствует о большом разнообразии ценозов водорослей в бассейнах протерозоя Северо‑Запада СССР. С этими открытиями перекликаются открытия остатков строматолитов в слоях серии Хяохе Северного Китая, которые по возрасту относятся также к среднему протерозою. Наряду с местной и временной жизнедеятельностью синезеленых водорослей, в меньшей степени красных водорослей, сыгравших местами роль крупных геологических деятелей, имело место отложение карбонатных илов, что осуществлялось, по‑видимому, при участии денитрифицирующих микроорганизмов.
В ятулии Карелии открыто большое разнообразие проблематических образований, предположительно отнесенных к водорослям или остаткам ряда групп беспозвоночных животных. Не подлежит сомнению, что теперь весь протерозой становится объектом биостратиграфических и палеонтологических исследований. Выделена группа образований, которые можно условно принять за остатки водорослей из группы багрянок ‑ кораллинаией. Некоторые из них отличаются необычайно крупными размерами клеток (?). Возможно, подобные водоросли, описанные из мезозоя, не являются самыми древними на Земле, как это предполагалось. Известны также находки одноосных кремневых спикул губок, остатки радиолярий и др.
Более поздние докембрийские отложения (верхний протерозой ‑ синий, иотний и гиперборей, овруч, бавлы, альгонкий, рифей и др.) богаче остатками организмов, особенно синезеленых и красных водорослей. Так, автором описано более 200 видов водорослей среднепротерозойского и позднепротерозойского (синийского) возраста из отложений Карелии, Средней и Восточной Сибири и Дальнего Востока, а также из отложений КНР, которые он отнес к 80 родам и 20 семействам.
Морфология клеточных колоний, общий, местами хорошо сохранившийся вид талломов, скопления остаточного органического вещества в породе нередко оказываются близкими к современным. Между тем преобладающая часть форм очень своеобразна и потому является хорошим опорным материалом для корреляции вмещающих отложений. Из сотен горизонтов с остатками водорослей пока выявлено в верхнем протерозое до 40, характеризующихся наиболее хорошей сохранностью форм. В среднем протерозое (ятулии) Карелии Р. В. Бутин выявил три водорослевых горизонта.
Установлены случаи дальней миграции некоторых водорослей древнее протерозойского возраста, например: северная часть КНР ‑ Оленекское поднятие, северная часть Сибирской платформы ‑ Кольский полуостров (о‑в Кильдин), Енисейский кряж ‑ Восточное Верхоянье и т. д. Таким образом, выявлены возможности открытия остатков древнейших водорослей в отложениях докембрия как нормального палеонтологического материала. Впрочем, поиски его часто еще не являются систематическими. Открытие их чаще носит случайный характер.
Одним из интересных выводов, полученных при изучении конкретного палеонтологического материала по древнейшим водорослям, было прямое указание на незначительность или отсутствие гнилостных процессов в докембрийских бассейнах. Вследствие этого колонии микроводорослей, выделяя карбонат кальция на поверхности, в условиях среды, богатой бикарбонатами, переходили в ископаемое состояние почти без изменения их морфологии. Минерализацией охватывались сгустки студенисто‑слизистого вещества синезеленых водорослей, оболочки их трихомов и клеточных колоний. Остаточное органическое вещество, в той или иной степени обуглероженное переходило в толщу осадков и в некоторых случаях за счет его могли образовываться скопления нефти и горючего газа. Так образовались нефть и газ в нижнем кембрии Сибирской платформы, такого же происхождения нефть и газ в бассейне верхнего течения р. Лены в Иркутской области. Поэтому проблема шунгита Карелии также может быть решена в связи с водорослевыми ценозами докембрия и соответствующими геологическими условиями.
В случае метаморфизма, как известно, битумы часто бывают выражены скоплениями графита, и потому вкрапленность графита, его тонкие пленки в породах докембрия или более или менее значительные скопления должны указывать на распределение продуктов преобразования исходного органического вещества растительного происхождения в виде одноклеточного или многоклеточного фитопланктона. Поэтому битумы, шунгиты, графиты, скопления обуглероженного вещества следует признать заслуживающими специального изучения с целью выяснения их связи с организмами докембрия. Осадочные железные и марганцевые руды пластового типа, пиритизированные породы и продукты гранулометрической дифференциации материалов сноса с древних выступов суши должны быть признаны связанными с соответствующими жизнепроявлениями в докембрии, как следы этой жизнедеятельности. Специально подготовленные препараты могут позволить обнаружить в этих веществах следы остатков микроорганизмов.
Фации и их осадки составляют единство. Единство составляют также среда и жизнь. Среды прошлого проходили стадии непрерывного и направленного изменения под влиянием общих причин и отчасти при участии самих организмов. Организмы выводили из гидросферы большие запасы углекислоты и бикарбонатов. Они обогащали ее свободным азотом и свободным кислородом. Измененная среда становилась не пригодной для одних организмов и пригодной для других. Поэтому ископаемые организмы можно рассматривать как индикаторы древнейших сред, как свидетели тех или иных геологических процессов, а иногда даже материалов астрономического значения. Так, по проявлениям фототропизма и гелиотропизма древнейших синезеленых водорослей, отраженных в построении специфических строматолитов (параллелофитонов), можно установить положение палеомеридианов. По проявлениям цикличности в строении слоистой карбонатной массы строматолитов можно устанавливать 11‑летние циклы в развитии солнечной радиации. Таким образом были получены данные об абсолютном приросте строматолитов за сезон, о масштабе накопления органического вещества в осадочных толщах докембрия, о длительности существования видов водорослей, о длительности формирования горизонтов и свит.
Остатки докембрийских организмов могут оказать существенную помощь в раскрытии палеоклимата для соответствующих этапов геологического времени, а также палеогеографической эволюции лика Земли в докембрии.
Особое значение имеет в породах докембрия поведение изотопов углерода, кислорода, азота, серы, водорода и их отношений, поскольку известно, что легкие изотопы преимущественно оказываются связанными с жизнедеятельностью организмов, тогда как более тяжелые ‑ лишь с минеральными ‑ химическими процессами.
Остатки организмов в осадочных породах докембрия известны во многих районах мира. Можно отметить находку Дж. Лаусона (1865 г.) Eozoon canadense в районе Оттавы. Л. Кайо (1894 г.) открыл остатки радиолярий, фораминифер, спикул кремневых губок в углистых сланцах докембрия Бретани. Чарльз Д. Уолкотт в докембрии Большого Каньона и в серии Белт в США выявил интереснейшие остатки многощетинковых червей и ряд других организмов.
Известны находки остатков радиолярий в докембрии юга Австралии. Правда, некоторые исследователи, не признали этого открытия, другие склонны относить его к образованиям бактериального происхождения. И. Седерхольм открыл в карельском шунгите остатки проблематического животного Goridum, которого, по‑видимому, следует отнести к проблематическим образованиям.
В среднепротерозойских отложениях Енисейского кряжа Ю. А. Кузнецов обнаружил остатки одноосных спикул кремневых губок. Между тем в бакальской свите позднего докембрия Урала автором были обнаружены предполагаемые отпечатки медуз (?), отчасти подобные найденным в докембрии Большого Каньона в слоях Нанкоуин. В Северо‑Западной Африке (в" Анти‑Атласе) установлены остатки членистоногих в виде разрозненных сегментов. Во многих районах мира известны, правда, еще редкие и случайные находки остатков простейших животных, примитивных целетерат, брахиопод, червей, членистоногих, заслуживающих специального изучения.
Больше всего в мире открыто в докембрийских отложениях остатков фотосинтезирующих организмов ‑ морских водорослей, являвшихся часто активными породообразователями. Изучение таких остатков особенно успешно идет в Советском Союзе. Этот нормальный палеонтологический материал ныне часто обнаруживается в отложениях докембрия и нижнего палеозоя. Он представлен строматолитами, а иногда тонкослоистыми карбонатными породами с "курчавой" текстурой.
Что такое строматолиты и онколиты? Строматолиты и онколиты ‑ это микрослоистые сгустки карбонатного, иногда вторично измененного вещества, находимые в составе преимущественно древнейших морских и пресноводных отложений, формировавшихся в мелководьях в основном синезелеными, реже красными водорослями на твердом субстрате (первые) или на подвижном (вторые) в условиях сильно карбонатной (богатой бикарбонатами кальция и магния) водной среды за длительные этапы времени, измеряющиеся часто сотнями и тысячами лет. В их построении обычно участвовало несколько видов микроскопических водорослей, проявлявших жизнедеятельность одновременно (сосуществование) или в порядке последовательной смены одного вида другим, причем часто через малые промежутки времени (естественный отбор, быстрота темпов эволюции).
Поскольку строматолиты и онколиты представляют собой продукты сложных и длительных процессов и не являются остатками единого конкретного организма, то они не заслуживают применения к ним латинизированной номенклатуры, как это делается некоторыми исследователями. Они являются в геологических разрезах лишь частью того каменного материала, который несет в себе (если этому не мешают вторичные явления) остатки микроскопических породообразующих фотосинтезирующих организмов (синезеленых, реже красных, водорослей).
Поскольку между формами и размерами конкретных видов породообразующих водорослей и формами и размерами включающих их остатки строматолитов непосредственная связь отсутствует, то эти сгустки карбонатного материала, обычно характеризующиеся бесконечным разнообразием по виду, могут знаменовать лишь местную временную фацию, сочетание экологической обстановки с тектоническим режимом области бассейна и не более.
Строматолиты могут указывать на результаты взаимосвязи процессов нарастания элементарных наслоений и накопления биогенного (фитопланктонного) или обломочного материала между ними.
Эти процессы протекали с относительно равными скоростями (нависания и наросты на боковой поверхности строматолитов), с опережением первого процесса (гладкие боковые поверхности или с пережимами экологического происхождения) или отставанием его. Это создавало условия для прекращения развития строматолитов (их сужения, приобретения неправильной общей формы и т. д.). Так шло их местное отмирание.
Естественно, что внешние признаки как‑то отражают особенности их конкретных образователей ‑ водорослей (строение и отчасти форма элементарных наслоений микрослоев, соответствующих накоплению карбонатного материала за сезоны вегетации). Форма наслоений, степень их выпуклости отражают чувствительность водорослевых колоний к свету, степень проявления фототропизма, иногда выражавшуюся в виде прямого гелиотропизма (параллелофитоны).
При условии благоприятной сохранности микроструктур строматолиты и онколиты, находимые в Отложениях различного геологического возраста (от нижнего протерозоя и почти до наших дней), являются ценнейшим материалом для изучения истории развития мира микроскопических водорослей (синезеленых и красных), их эволюции и породообразующей деятельности. В них мы видим свидетелей обстановок далекого геологического прошлого с указанием на палеоклимат, палеотемпературу среды, палеотечения, батиметрические данные, скорости вертикальных движений литосферы и гидрохимию бассейна. Это дает представление о связях между бассейнами и палеогеографических перестройках лика Земли во времени.
Успех исследования строматолитов и онколитов, водорослевых пород вообще как фитогенных образований, требует от исследователей палеоботанического, особенно альгологического изучения и глубоких знаний современных представителей названных типов микроскопических водорослей, их морфологии, экологии, физиологии, биохимии и природного распространения (геоботаники водорослей).
Результаты изучения остатков водорослей из докембрийских отложений СССР показали возможность решения важных вопросов стратиграфии. В частности, отложения протерозоя ряда районов Сибири, часто неправильно сопоставлявшиеся друг с другом, ныне получили определенное положение на основании данных эволюции выявленных видов и родов синезеленых и красных водорослей. Так, морской протерозой Енисейского кряжа оказался более древним по отношению к карбонатным отложениям Туруханского поднятия, древние же карбонатные отложения р. Нижней Тунгуски ‑ более древними по отношению к улунтуйской свите Прибайкалья. Между тем водоросли нижнего кембрия Иркутского амфитеатра оказались генетически связанными с формами, выявленными в улунтуйской свите верхнего синия.
Необходимо отметить полную бесперспективность исследований строматолитов как таковых, без изучения их микроскопических структур. При таком методе изучения строматолитов, связанным с массовым распиливанием каменного материала, уничтожается большое количество материала, который был бы полезен для палеонтологического метода.
Организмы ‑ индикаторы среды. Знание их раскрывает особенности среды, ее обстановку. Поэтому ископаемые организмы как свидетели могут помогать раскрытию природных обстановок геологического прошлого. В связи с исключительной древностью жизни на Земле перед исследователями может раскрыться картина ее развития. По литофациям и органическим остаткам докембрия исследователи несомненно могут вскрыть многие важные детали истории земной поверхности, биосферы и состава и строения земной коры в ее геологическом развитии. Ископаемые водные организмы могут указывать на степень солености среды, температурный режим, глубинность, характер и направления течений, взаимосвязь между древними бассейнами и т. д.
Поскольку древность жизни на Земле доказана, то экологические и другие данные могут быть исключительно полезными для геологии, если учесть, что в дальнейшем на ее основе может разрабатываться стратиграфия осадочных отложений, палеогеография, могут вестись поисково‑разведочные работы. Организмы участвовали и участвуют в накоплении различных минеральных веществ и даже некоторых видов руд.
Палеонтологи и палеоэкологи, занимающиеся изучением палеозойского и более молодого палеонтологического материала, успешно получают соответствующие данные о древней среде и условиях обитания ископаемых организмов. Необходимо применить палеонтологический метод к докембрийским осадочным отложениям. Этому должны способствовать специальные работы литологов по изучению проявлений метаморфизма, восстановлению первичных типов осадков и выявлению биогеохимической роли древнейших организмов.
В настоящее время находки остатков докембрийских животных организмов пока эпизодичны. Наблюдаются огромные пробелы в палеонтологической летописи докембрия. Тем более следует внимательнее относиться к каждой находке и пытаться найти для нее место в общей системе организмов.
Раскрытие физико‑географических условий на границе докембрий ‑ кембрий раньше встречало действительные и кажущиеся препятствия: следы крупных перерывов в осадконакоплении, местная изменчивость состава горных пород докембрия, особенно из‑за обилия вулканогенно‑туфогенных образований и проявлений различной степени метаморфизма первичных осадочных пород.
Открытие органических остатков дает новый материал для изучения истории жизни и ее эволюции в докембрии, что в целом для отдельных районов распространения докембрийских отложений раскрывает перспективы разработки биостратиграфии и палеогеографии.
Органические остатки докембрия помогают выяснить происхождение известных типов животных, растений и бактерий, так как корни их затеряны среди отложений глубокой геологической древности. Изучение особенностей древних фаций по литофациям и организмам способствует выяснению причин изменчивости организмов во времени и пространстве и темпов этой эволюции во времени в конкретных физико‑географических, физико‑химических и других обстановках. Таким образом, изучение древнейших организмов помогает решить целый ряд важных вопросов биологии и геологии.
Палеонтологическая наука в содружестве с геологической дает обильные материалы к истории жизни на Земле в ходе геологического времени, по эрам, периодам и эпохам. Палеонтологи и художники многих стран мира пытаются воссоздать картины среды и жизни на отдельных этапах геологического прошлого. Мы попробуем воспроизвести некоторые из этих картин.
Катархей
Мрачной, еще безжизненной, мертвой была земная поверхность в раннем докембрии ‑ в катархее. Не было еще ни свободного кислорода, ни жизни. Запасов воды было меньше, чем сейчас. Атмосфера, мощная и тяжелая, состояла из обильных паров воды, углекислоты, аммиака, метана, водорода и других газов.
Этот выделенный советскими геологами ранний этап развития Земли, в диапазоне геологического времени 3500‑2700 млн. лет назад, был временем бурной перестройки молодой земной коры, интенсивных проявлений вулканизма и магматической деятельности. Первичные осадочные породы образовывали складки, преобразовывались под влиянием давления и повышенных температур.
Во "вторичной" атмосфере, которой оделась Земля, став планетой, и на ее поверхности, как и в зоне коры, развивались процессы только химические, которые привели к образованию первичных белковых соединений. В парах и водных массах первичных бассейнов интенсивно растворялись и накапливались аммиак и углеводородные газы, которые и преобразовывались в более сложные углеродные соединения. Этому тогда способствовали более высокое давление атмосферы, температурный режим и жесткие космические излучения, которые в большей степени участвовали в преобразовании вещества атмосферы, гидросферы и земной коры, чем позднее, когда на Земле накопились запасы свободного кислорода, выделенного фотосинтезирующими организмами. Углекислый газ, поднимавшийся из недр Земли при вулканических явлениях расходовался и на образование сложных углеродных соединений и известняков.
Именно в этих особых термодинамических условиях из исходных сложных органических соединений возникла простейшая и примитивнейшая жизнь, промежуточным этапом пути к которой были подобные вирусам или микробам организмы.
Архей
Длительность архея, по данным абсолютной геохронологии, составляет 800 млн. лет ‑ от 2700 до 1900 млн. лет назад.
В толщах пород архейского возраста, обычно сильно измененных более поздними процессами, известны осадочные водные отложения ‑ мраморы, песчаники, глинистые сланцы, в которые превратились известняковые илы, пески и глины. Песчинки и глинистые частицы, как известно, образуются преимущественно на суше, откуда они могут быть смыты в моря. Мелкозем на суше образуется под влиянием факторов почвообразования, и это говорит о большой древности на Земле почвенных процессов.
Измельчение пород в почвенных условиях, распад их обломков на мельчайшие частицы, на отдельные минеральные зерна или их части вызывают обычно не только агенты физического выветривания ‑ вода, ветер, температура. Значительно большую роль играют многообразные почвенные бактерии и органические кислоты, Образующиеся за счет разложения вещества почвенных организмов, в основном растений. Их активность в почве примерно в 20 раз сильнее физических агентов. Столь совершенное измельчение материала, из которого часто вынесены в закисном виде железо, марганец, алюминий, с образованием в конечном счете светлоокрашенных песков (кварцитов) явно указывает на то, что почвы на сушах архея уже существовали и интенсивно развивались и что в этом процессе принимали участие почвенные бактерии. В водных бассейнах бактерии отлагали железо, образуя местами крупные месторождения. Бактерии могут проявлять жизнедеятельность в весьма широком диапазоне температур, от отрицательных до +170°С.
Жизнеспособные бактерии можно обнаружить даже в Арктике ‑ в снегу, в погребенных льдах. Б. Л. Исаченко полагал, что развитие бактерий началось еще в докембрии, причем допускал, что первые периоды докембрия были более благоприятными для развития автотрофных организмов, восстанавливавших углекислоту.
Как уже отмечалось, некоторые ученые полагают, что углеводороды и нефть являются компонентами состава протопланетного облака и что на поверхности Меркурия они быстро рассеялись и разложились под влиянием высокой температуры. На поверхности Земли обстановка была для них крайне неустойчивой из‑за действия ультрафиолетового излучения Солнца и окислительных процессов, и они тоже разложились и исчезли.
Длительное время считалось, что живые существа, населявшие кембрийские моря (570‑440 млн. лет), были самыми древними на нашей планете, хотя они нередко и удивляли исследователей разнообразием представленных тогда групп организмов, большой местами густотой населения ископаемых биотопов, их обильными популяциями, в числе которых отмечалось присутствие многих видов археоциат, трилобитов, хиолитов, реже губок, криноидей, червей, в сопровождении разных типов водорослей. Во всем мире, за малыми исключениями, палеонтологи не изучали и не изучают систематически организмы более древнего возраста. Данные региональной геологии, казалось, предрешали неудачу геологов и палеонтологов в поисках органических остатков в более древних, чем кембрий, осадочных горных породах.
Осадочные горные породы докембрийского возраста, исключительно широко представленные на выступах суши нашей планеты, обычно более или менее сильно изменены вторичными процессами по отношению к их первичному облику. Часто это бывает выражено перекристаллизацией вещества пород, с потерей ими частично или полностью первичных признаков. Поэтому у исследователей возникло представление о полном исчезновении в таких образованиях признаков прошлой органической жизни. Поэтому палеонтологи почти не занимались такими породами, проявляя лишь некоторый интерес к строматолитам, своеобразным сгусткам углекислого кальция и магния, природа которых длительно оставалась неразгаданной.
Мощность докембрийских осадочно‑метаморфических, осадочно‑вулканогенных, туфогенных толщ обычно огромна. Местами она достигает многих десятков километров, но точному ее установлению как раз мешает недостаточность или отсутствие критериев для расчленения и корреляции этих толщ, особенно в условиях их интенсивной складчатости. При этом известно, что серии таких образований часто вмещают месторождения весьма разнообразных полезных ископаемых, например руд черных и цветных металлов, редких и рассеянных элементов, золота, фосфоритов, алюминиевого сырья и т. д.
Следы древнейшей органической жизни на Земле ученые устанавливают по присутствию в древнейших горных породах органических веществ и продуктов их изменения, как, например, в виде графита, шунгита и других или же в виде непосредственных остатков организмов, по их отпечаткам на поверхности пород или с помощью того же остаточного органического вещества, обычно сильно обуглероженного. При этом иногда открываются в совместном развитии остатки морских водорослей и простейших животных.
Параллельно с изучением в СССР обильных материалов палеонтологии кембрия автор более 30 лет вел поиски органических остатков и в породах докембрия, в особенности его поздней части ‑ протерозоя (2700‑570 млн. лет), широко представленной во всех горных районах нашей страны. Исследовались некоторые осадочного происхождения руды. Изучению подвергались метаморфические породы, обычно внешне лишенные каких‑либо признаков связи с ними остатков организмов. Еще в 40‑е годы автору удалось собрать большой материал по ископаемым бактериям, оказавшимся и в далеком прошлом важными геологическими "деятелями". Эти работы подтвердили замечательные идеи В. И. Вернадского о роли организмов в геологических процессах Земли, поскольку раскрылась особо важная роль ископаемых микроорганизмов в создании рудных веществ, накоплении различных соединений и химических элементов (железо, марганец, сера, фосфор, алюминий и др.).
Теперь можно сказать, что в породах докембрия, а именно всего протерозоя и частью архея, открыты обильные новые палеонтологические объекты, притом весьма различного уровня развития ‑ от бактериальных и бактериеподобных до сложных многоклеточных, принадлежащих к целому ряду групп беспозвоночных животных. При этом господствующими в количественном отношении оказались представители водорослей различных типов. Так впервые появились данные к биостратиграфии докембрия в частности для районов хребта Малого Хингана, Удокана, Восточного Саяна, Байкальского нагорья, Кузнецкого Алатау, Западно‑Сибирской низменности (по скважинам), Урала, Тимана, Карелии, Кольского полуострова и докембрия Украины и Молдавии. При участии автора подобные материалы были выявлены на территории Китая, Монголии, Польши и Чехословакии.
Таким образом, метаморфический осадочный докембрий оказался способным сохранять остатки организмов в различных его морских и терригенных породах, особенно в кремнистых. Вся северная Евразия стала благодарным объектом для поисков остатков организмов докембрия вплоть до пород, возраст которых достигает 3 млрд. лет. Иначе говоря, выявилась возможность крупного "приращения" (термин М. В. Ломоносова) палеонтологической науки, ранее в данном направлении не развивавшейся. Практическая же геология получила необходимый ключ для расшифровки истории формирования, расчленения и корреляции древнейших осадочных серий. Одновременно открылась возможность прослеживать историю жизни на Земле до самых ее "корней", где‑то около 3,5 млрд. лет до н. э.
Водоросль Kakabekia umbellata Barghoorn. Сев. Америка, сланцы серии Ганфлинт (1800 млн. лет) (по С. Баргхорну)
Особого внимания заслуживают работы Эльсо С. Баргхорна, П. Клода и В. Шопфа, открывших в породах архейского возраста очень интересный комплекс органических остатков. Э. Баргхорн обнаружил в районе оз. Онтарио нити многоклеточных водорослей однорядного строения и остатки каких‑то животных (Kakabekia) типа медуз или гидроидных полипов. Абсолютный возраст вмещающих слоев, определенный по калий‑аргоновому методу, оказался не менее 2000 млн. лет. При изучении доломитовых слоев архея Трансвааля Южной Африки были выявлены остатки организмов возраста около 2600 млн. лет, представленные остатками колоний синезеленых водорослей, выраженных скоплениями графита, а также остатками ископаемых бактерий. В образце породы, имеющей известковый состав, видны строматолиты, по‑видимому, имеющие внешнюю куполовидную форму.
Интересны также остатки бактерий Eobacterium isolatum Barghoornet Schopf и колонии синезеленых водорослей Archaeosphaeroides barbertonensis Schopf et Barghoorn в отложениях группы Фиг‑Три с возрастом 3100 млн. лет в восточном Трансваале (Южная Африка). Менее отчетливые, но не менее интересные остатки водорослей, подобные Archaeosphaeroides barbertonensis, но не имеющие определенного очертания, установлены из отложений группы Онверхват возраста 3200 млн. лет, из наиболее древних строматолитовых пород Буловайна в Родезии, встречены своеобразные шиповатые остатки, выявленные в электронном микроскопе. Одноклеточные синезеленые водоросли описаны профессором П. Клодом и Н. Лайкери из отложений формации Соуден‑Айрен, возраст которой определяется в 2700 млн. лет.
Остатки бактерий (а), колонии Eobacterium isolatum Barghoorn et Schopf и синезеленых водорослей Archaeosphaeroides barbertonensis Schopf et Barghооrn (б). Африка, Восточный Трансвааль, отложения группы Фиг‑Три (3100 млн. лет, по В. Шопфу); шиповатые остатки из строматолитов (в), Африка, Восточная Родезия, отложения группы Буловайан (2800 млн. лет, по Ф. Оберлис и А. Пресновскому)
Остатки бактерий (а), колонии Eobacterium isolatum Barghoorn et Schopf и синезеленых водорослей Archaeosphaeroides barbertonensis Schopf et Barghооrn (б). Африка, Восточный Трансвааль, отложения группы Фиг‑Три (3100 млн. лет, по В. Шопфу); шиповатые остатки из строматолитов (в), Африка, Восточная Родезия, отложения группы Буловайан (2800 млн. лет, по Ф. Оберлис и А. Пресновскому)
Остатки бактерий (а), колонии Eobacterium isolatum Barghoorn et Schopf и синезеленых водорослей Archaeosphaeroides barbertonensis Schopf et Barghооrn (б). Африка, Восточный Трансвааль, отложения группы Фиг‑Три (3100 млн. лет, по В. Шопфу); шиповатые остатки из строматолитов (в), Африка, Восточная Родезия, отложения группы Буловайан (2800 млн. лет, по Ф. Оберлис и А. Пресновскому)
Таким образом, уже в архее, даже в раннем архее, на Земле существовали и многоклеточные водоросли и даже организмы типа медуз или гидроидных полипов, т. е. многоклеточные животные, жизнедеятельность которых при этом, вероятно, обеспечивалась тесным соседством с водорослями, выделявшими свободный кислород.
В общем за последнюю четверть века, а особенно за последнее десятилетие, в поисках следов древнейшей жизни получены замечательные результаты. На территории северной Евразии на разных уровнях стратиграфии докембрия выявлены местами массовые скопления остатков различных организмов, состав которых менялся иногда при мощностях слоев всего в 20‑25 см. На основе каменного материала лабораторным путем можно изучать осадочно‑метаморфическую серию пород докембрия вплоть до магматогенных образований катархея и архея.
Полученный материал не всегда отличается достаточной четкостью, поскольку он действительно местами бывает сильно поврежден вторичными процессами. Главным образом приходится сталкиваться с остаточным органическим веществом в его бесструктурном проявлении, но в большом числе случаев это остатки конкретных организмов с признаками живого вещества (способность к росту особей, к тем или иным способам размножения, проявления биологических связей с сосуществовавшими организмами, срастания, прирастания, проявления наследственности на популяциях и т. д.).
Размеры ископаемых организмов в основном микроскопические. Самые древние в СССР остатки организмов пока обнаружены в слоях беломорской серии архея Кольского п‑ова и в докембрии Украинского кристаллического массива (криворожская серия пород). Наиболее древние органические остатки в настоящее время установлены в докембрии Африканского массива в отложениях группы Онвервахт возраста 3200 млн. лет, группы Фиг‑Три, возраста 3100 млн. лет. Они представлены одноклеточными и колониальными водорослями и бактериями.
Не менее интересна природа тонкозернистых морских карбонатных илов, получивших название дрюитов, которым приписывается минеральное происхождение и коллоидная структура, в действительности, в условиях открытого моря и ненасыщенности вод солями кальция, также являются продуктом жизнедеятельности денитрифицирующих бактерий. Жизнедеятельность этой группы микроорганизмов основана на переводе растворенного в воде бикарбоната кальция в карбонат кальция. При этой реакции выделяется значительное количество энергии.
Следует отметить, что и в настоящее время далеко не все литологи и геологи правильно учитывают вышеприведенные данные, проявляя склонность объяснять происхождение травертинов и известняков с позиций коллоидной или общей химии, что следует считать для условий биосферы ошибочным представлением.
Отметим, что биологический путь осаждения карбоната кальция из водных растворов проявляется в более широких пределах изменения среды (рН от 6 до 9), тогда как химическая садка кальцита идет лишь при рН около 9,5, т. е. в условиях сильного испарения и садки всех солей вообще.
Известно, что отложения карбоната кальция ‑ кристаллические известняки ‑ имеются в составе самых древних образований архея Карелии, Кольского полуострова и в других местах (беломорская серия) среди слюдяных, гранатовых, полевошпатовых и иных гнейсов, которые тоже следует признать первично представленными нормальными осадочными отложениями глинистого или песчано‑глинистого характера с примесью вулканических пород. Для этих отложений первые определения абсолютного возраста дали цифры от 2000 до 2300 млн. лет. Установление в геологическом прошлом массового отложения карбоната кальция в открытых бассейнах гидросферы Земли заставляет нас полагать, что начало массовой жизнедеятельности денитрифицирующих бактерий относится уже к этому раннему этапу формирования земной коры.
На Кольском полуострове выше отложений беломорской серии залегает Кольская серия нормальноосадочных и вулканогенных образований, подвергшихся значительному вторичному изменению. В их составе обнаружены песчаники, превращенные в кварциты, и железистые отложения, превращенные в железные руды (магнетитовые сланцы). Поэтому приходится делать вывод, что на суше тогда уже шли процессы почвообразования, вернее всего при участии микроорганизмов, а в водных условиях временами очень интенсивно проявлялась жизнедеятельность железобактерий.
Известняки и мраморы установлены в обилии в составе архея горных систем Тянь‑Шаня и Памира. Первичнокарбонатные (известняковые) отложения геологи открыли в составе архея Анабарского кристаллического массива на севере Сибири. Карбонатные породы были первично, вероятно, илами бактериального происхождения.
В пределах Енисейского кряжа, в Ангаро‑Питском районе, автор наблюдал очень интересные осадочные железные руды, имеющие нередко лепешковидное строение, что прямо указывало на их бактериальное происхождение. С помощью остатков водорослей из слоев того же разреза автор установил докембрийский возраст этих руд.
Таким образом, древнейшие известные нам остатки организмов относятся еще к архейскому времени и ясно указывают на то, что жизнь на Земле существует не меньше 3000 млн. лет.
Архейская эра представляется важнейшим этапом в истории Земли, когда возникли условия для неизбежного и обязательного происхождения жизни. Вещественный состав нашей планеты, в особенности ее твердой коры, жидкой и газообразной оболочек, и природные энергетические проявления должны были этому способствовать. Именно в это время среда была наиболее обогащена сложными углеродными соединениями. Уже первичная жизнь, используя запасы сложных углеродных соединений, создавшиеся на более раннем химическом этапе истории планеты, израсходовала их настолько, что в последующие времена жизнь уже не могла больше зарождаться.
Жизнь возникла в мельчайшей микроскопической форме, в огромном многообразии биохимических, биогеохимических проявлений. Пластичность живого вещества и естественный отбор обусловили быстрое повышение интенсивности жизнепроявлений, пока они не приобрели планетарного значения.
Протерозойская эра
Огромный этап геологического развития, выделенный под названием "протерозой", соответствует времени 1900‑570 млн. лет. Он представлен в пределах всех выступов суши разнообразными горными породами огромной мощности, в числе которых видное место занимают породы биогенные.
Бактериальная и водорослевая жизнь в протерозое достигла исключительного размаха и представлена многообразными геологическими факторами ‑ породо‑ и рудообразователями. Продуктами этой жизнедеятельности были карбонатные осадки открытых водных бассейнов, железные и марганцевые руды, осадочные сульфидные минералы, отложения кремнезема в виде кремнистых сланцев, силицилитов и т. д.
Осадочное отложение железа происходит на Земле во все геологические времена, от архея до современности. Его сущность давно уже разгадана. Это бактериальный процесс, при котором бактерии используют в качестве энергетической базы растворенные закисные соединения железа. Оказывается, при переводе железа в нерастворимое состояние происходит выделение тепла.
Исследования Н. Г. Холодного показали, что железобактерии необычайно распространены в природе. Они проявляют жизнедеятельность обычно в условиях относительно низких температур (0°‑16°С), при наличии СO2 и карбонатных или иных закисных соединений железа в слабокислых или нейтральных средах (рН от 5,8 до 7,6) в присутствии любой концентрации кислорода. В бедных кислородом средах железобактерии развиваются около колоний водорослей. В органических веществах эти бактерии или не нуждаются совершенно, или относятся к ним безразлично, так же как и к наличию света. Железобактерии превращают бикарбонаты железа в гидрат его окиси, причем углекислота является строительным материалом для вещества их клеток.
Биологическое формирование осадочных месторождений железа в огромных масштабах происходило в особенности в протерозое, т. е. в позднем докембрии. Крупнейшие железные месторождения мира принадлежат к группе отложений этого возраста.
Н. Г. Холодный считал, что железобактерии имеют прямое отношение к поведению железа в биосфере, где они выполняют значительную биохимическую работу по окислению закисей железа и превращению их в нерастворимую гидроокись ‑ в железные руды различных типов, по условиям их образования и последующим химическим изменениям, под влиянием различных геологических обстановок (лимониты, гематиты, гётиты, а также силикаты, фосфаты и сульфиды железа). Эти руды очень часто содержат остаточное органическое, по‑видимому, бактериальное вещество. Докембрийские руды Кирунавары (Швеция), как правило, содержат до 5% этого органического вещества. Богатейшие месторождения Северной Америки в районе Верхнего озера тоже отложились в раннем протерозое.
К отложениям нижнего протерозоя относятся и криворожские железные руды, а также железные руды Курской и Воронежской областей, Прибалтики. Руды кремнистые. В рудах Кривого Рога и в аналогичных кремнистых рудах Кольского полуострова автор наблюдал настоящие бактериальные структуры, лучше различимые именно в рудах, бедных железом, на фоне светлого кремнезема.
Начало отложений курской железорудной серии датируется 2060 млн. лет, а конец ее формирования ‑ 1500 млн. лет.
И почвы на суше, и водные бассейны протерозоя были широкой ареной деятельности целого ряда групп микроорганизмов, из которых уже тогда эволюционно обособились группы автотрофов, приспособившиеся к освоению реакций распада и преобразования ряда минеральных веществ, связанного с выделением свободной энергии. В породах архея мы не находим зерен пирита, но уже в протерозое пирит отлагался в осадочных породах (пиритизация пород). Значит, в это время появились в массовом количестве окислители серы, а затем и сульфатредуцирующие (разрушающие сернокислые соли) бактерии. Вероятно, существовали и денитрифицирующие бактерии, выделявшие элементарный азот в состав древней атмосферы за счет первичного аммиака и соединений азота, возникших на его основе.
Таким образом, органическая жизнь в виде железобактерий была представлена уже более 2000 млн. лет назад. Для существования этих бактерий был нужен, хотя бы в очень малых количествах, элементарный кислород. Часто они его получали от водорослей, вместе с которыми иногда создавали концентрации гидроокислов железа и карбоната кальция. Иногда деятельность бактерий чередовалась с деятельностью водорослей: лето было временем оптимального развития железобактерий. Часто в докембрии так образовывались строматолиты.
Мир водных растений, настоящих фотосинтезирующих, уже в позднем архее был представлен одноклеточными формами. В следующую эру ‑ в протерозое ‑ во всех водных бассейнах Земли развились разнообразные виды многоклеточных, начавших играть важную роль в породообразовании. Лучистая энергия Солнца, особенно красная часть спектра, и значительные запасы углекислоты в биосфере, пополнявшиеся при вулканических явлениях, способствовали развитию водной растительности не только плавающей, но и донной. Воды морей, еще слабо соленые, но богатые бикарбонатами кальция и магния, легко осаждали их химически. Подщелачивая воду, водоросли играли важную роль в осаждении таких карбонатов, образуя строматолиты.
Развитие многоклеточных водорослей произошло более или менее одновременно с появлением в осадках протерозойской эры слоев плотных известняков. Интересная зависимость существует между вспышками вулканизма и количеством растительного водорослевого вещества. Создается впечатление, что временами развитие водных растений на Земле ограничивалось содержанием углекислоты в биосфере, что подтверждается и сокращением отложения карбонатных отложений вообще.
Протерозой ‑ это эра водорослей и бактерий. Лишь к концу ее возникли самые ранние представители многоклеточных животных ‑ черви, губки и археоциаты. Это была также эра одноклеточных простейших животных, пока слабо вскрываемых при исследовательских работах. Но главнейшими видимыми проявлениями жизни в протерозое были водоросли типа пресноводных. Последние, вероятно, участвовали наряду с бактериями и в развитии на суше процессов почвообразования. Перемыв и смыв рыхлых масс почвенного мелкозема уже играл существенную роль в осадочном породообразовании во внутренних и внешних морях того времени. Жизнь по преимуществу захватывала в то время области морских мелководий. Многоклеточные растения еще не выходили на сушу.
В протерозойскую эру на выступах суши, не имеющих растительного покрова, интенсивно шло выветривание горных пород при участии физико‑химических и микробиологических процессов; в морских и пресноводных мелководьях развивались водорослевые банки, часто причудливого облика. Водные растения создавали очень своеобразные накопления известняка и даже древнейшие рифы и банки. "В поле" исследователь далеко не всегда отличит небольшие водорослевые скопления карбонатной породы от вмещающих отложений. Но повторяемость рисунка поверхности породы иногда подсказывает, что найдены остатки ископаемых древнейших водорослей. Порода местами оказывается кривослоистой, и это уже частый признак ее водорослевого происхождения; иногда видны известковые тела, которые при разрушении, при выветривании как бы расслаиваются на отдельные пластинки. Это водорослевые известковые образования ‑ строматолиты, иногда достигающие значительных размеров. Они бывают построены или неправильно, или в виде относительно правильных куполов, состоящих из последовательно наросших друг на друга куполовидных годичных наслоений. В некоторых слоях поперечные сечения водорослевых образований кажутся округлыми, концентрически слоистыми, тогда как в действительности это вытянутые вверх тела, чаще конической формы, до метра в высоту и до полуметра в поперечнике у основания. Иногда это крупные тела с округлой поверхностью, тоже сложенные как будто из отдельных корок. В изломе видно, что первоначально маленькое известковое тело постепенно, слой за слоем, обрастало все больше сверху и с боков, сохраняя почти шаровидную форму. Кое‑где на скалах как будто нарисованы колонки, состоящие тоже из наслоений, тянущиеся в одном направлении и время от времени ветвящиеся. Лишь при более внимательном рассмотрении видно, что местами они срастаются друг с другом, отклоняются в ту или другую сторону. В одном случае колонии водоросли построили слой породы толщиной в 36 м при скорости роста 1 мм за год. Это значит, что данный вид водоросли, с ее микроскопическими колониями, просуществовал 36 000 лет.
Типы проявления жизни в докембрии: остатки червей, синезеленые водоросли в виде лучистых колоний (ув. в 325 раз), спикулы губок и спор (ув. в 725 раз), отпечаток медузы (уменьш. в 2 раза) и строматолиты, образованные известковыми водорослями (по Р. Моору)
Специальное лабораторное изучение показывает, как виды микроскопических водорослевых колоний с течением времени непрерывно сменяли друг друга. Отдельные слои породы могут иметь различное строение и слагаться из водорослевых сооружений разной формы и размеров. Часто геологическая жизнь большей части этих ископаемых видов оказывается относительно короткой: смена одних породообразователей другими иногда происходила через 20‑30 см, или даже менее. При годичном приросте, составлявшем около 0,1‑0,5 мм, длительность жизни видов этих водорослей измеряется всего сотнями лет.
