Авсюк Ю.Н., Геншафт Ю.С., Светлосанова З.П. Внезапно ли вымерли динозавры?

 
 
ВНЕЗАПНО ЛИ ВЫМЕРЛИ ДИНОЗАВРЫ?
 
 
Член-корреспондент РАН Ю.Н. АВСЮК, доктор геолого-минералогических наук Ю.С. ГЕНШАФТ, З.П. СВЕТЛОСАНОВА, научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН 
 
 
«Около 65 млн. лет назад неведомая сила уничтожила половину всего живого на Земле» — так начиналась статья американских ученых У. Альвареса и Ф. Азаро, опубликованная в 1990 г. в журнале «В мире науки». Далее авторы заключили: «Теперь, как нам кажется, тайна разгадана: 65 млн. лет назад гигантское тело — астероид или комета — низринулось с небес, столкнувшись с Землей со скоростью более 10 км/с». Этот эффектный сценарий «убийства» биоты произвел тогда огромное впечатление. Обоснован ли он научно?
 

СЛУЧАЙНОСТЬ ИЛИ ЗАКОНОМЕРНОСТЬ?
 
Главный аргумент авторов в пользу столкновения с космическим пришельцем и последующего исчезновения на нашей планете живших повсеместно динозавров и аммонитов (родственников современных ракушек-наутилосов) — иридиевая аномалия, обнаруженная в отложениях возраста 65 млн. лет: огромное количество этого металла, попавшего на Землю при столкновении ее с астероидом, якобы и убило их. Однако этот аргумент оспаривали другие специалисты: подобные явления отмечены в осадках других возрастов и связаны с активизацией вулканизма на разных этапах геологической истории. Кроме того, большинство палеонтологов считает, что в конце мелового периода (65 млн. лет назад) не все биологические виды вымерли внезапно. По крайней мере в Северной Америке этот процесс занял не менее 12 млн. лет, в течение которых число таксонов динозавров постепенно сокращалось. Есть также стратиграфические материалы, связывающие исчезновение аммонитов с долго длившейся в позднем мелу регрессией (понижением) уровня океана. Так что сценарий «мгновенного» исчезновения огромного числа биологических видов едва ли правдоподобно отражает происходившие события.
 
 

Это можно объяснить только с помощью исторической геологии. Причем нужно сначала воссоздать природные условия, когда было зафиксировано появление того или иного вида в биологическом сообществе. Этот временной рубеж не менее важен, чем граница деградации и вымирания, а потому необходимо проследить эволюцию процессов, изменявших условия обитания, и на этом основании выделить этапы расцвета, увядания и последующего вымирания тех или иных видов животных (в истории Земли известно несколько периодов таких потрясений, один из самых крупных произошел около 250 млн. лет назад, когда она лишилась большого числа живых организмов). Конечно, подобная реконструкция отклика биосферы на изменение хода природных процессов будет спорной и неоднозначной, если останутся неясными первопричины произошедшего. Если же они убедительно объяснены на основании законов физики и подтверждены материалами регистрации временного хода современных природных процессов, то естественным образом воссоздастся и соподчиненность эволюции флоры и фауны климатическим и геологическим изменениям.

В данной статье мы хотим обратить внимание на общепланетарные закономерности орбитально-вращательного движения планет Солнечной системы и одновременно на различие между ними, предопределяющее несхожесть течения природных процессов у этих небесных тел. Например, история развития Земли, имеющей массивный спутник Лупу, масса которой составляет 1/81 земной, должна быть иной, чем у Марса с его малыми спутниками, или у Венеры, вообще их не имеющей.
 
 
ПРИЛИВНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ СИСТЕМЫ ЗЕМЛЯ-ЛУНА-СОЛНЦЕ
 
Изучая длиннопериодные флуктуации в ходе природных процессов, необходимо без упрощений описывать все характеристики исследуемого объекта. Поэтому следует подчеркнуть — Земля принадлежит системе «планета плюс массивный спутник — Луна» и отметить, что годичная цикличность — это период обращения вокруг Солнца центра масс Земля-Луна (барицентра), а эклиптика — плоскость его орбитального перемещения. И наша планета, и ее спутник обращаются с месячной цикличностью по эллипсу, наклоненному к эклиптике на  5 градусов, причем их движение — возмущенное, инструментально регистрируемое астрономами.

Согласно законам механики, орбитальное и вращательное движения небесного тела взаимосвязаны. Следовательно, исследовать особенности вращения Земли во времени необходимо с учетом эволюции ее орбитального движения. Связь этих двух видов движения осуществляют приливные силы, вызванные гравитационным взаимодействием небесных тел.

Установлено: изменение режима вращения Земли происходит из-за колебания величины и ориентации вектора ее осевого вращения. Понятно, что увеличение скорости последнего влечет за собой глобальный сгон воды, содержащейся в гидросфере, из высокоширотных областей в приэкваториальные, а поднявшийся в результате уровень океана в тропиках будет способствовать разливу рек и возникновению обширных зон мелководья. Не случайно палеонтологи отмечают: величайшие из когда-либо найденных скоплений окаменевших остатков динозавров сохранились в осадках огромного низменною региона в западной части США, главным образом на территории современных штатов Юта, Вайоминг и Колорадо.

Но вернемся к приливным силам. Луна, постоянно обращенная к нам одной стороной, служит наглядным примером их регулирующего действия. Ныне она находится в режиме, когда периоды осевого вращения и орбитального движения у нее одинаковы (астрономы это называют резонансом 1:1).

В данном варианте мощность приливного воздействия Земли и Солнца на лунные недра минимизирована, вулканическая активность в них практически прекратилась, а существовавшее 2,5 млрд. лет назад магнитное поле Луны утрачено. Аналогичная синхронизация орбитально-вращательного движения зарегистрирована и у спутников Юпитера, Сатурна. Таким образом, приливное воздействие является механизмом, связывающим два главных вида движения планет и спутников Солнечной системы.

А теперь обратимся к связке Земля—Луна. Изменения скорости вращения первой и орбитальной скорости второй обычно определяют по долготе Солнца и ближайших к нему планет. Затем, отбросив величину короткопериодных вариаций скорости вращения Земли, выделяют ее приливное изменение. Регистрируют также колебания угловой скорости движения ее спутника, и скорость, с которой изменяется расстояние между нею и Луной. По этим данным количественно оценивают момент сил, «управляющий» ходом приливной эволюции системы Земля—Луна, т.е. природным процессом, современная фаза которого поддается инструментальной регистрации.

Здесь нужно сказать несколько слов о модели, обычно используемой для реконструкции орбитально-вращательного движения системы Земля—Луна в масштабе шкалы теологического времени. Первоначальный вариант объяснения механизма, управляющего приливной эволюцией, предложил в XIX в. английский ученый У. Томсон, за научные заслуги получивший титул барона Кельвина. Он считал, что гидросфера, покрывающая однородную земную твердь, под воздействием приливной силы принимает (в грубом приближении) форму эллипсоида. Его большая полуось из-за трения и вследствие того, что скорость вращения нашей планеты больше орбитальной скорости Луны, смещается на некоторый угол по отношению к линии, соединяющей их центры. Но поскольку угол в данной модели знака не меняет, то ход приливной эволюции должен быть однонаправленным, как и изменение силового воздействия. В модели Кельвина (объясняющей механизм перераспределения масс в Солнечной системе) влияние Солнца считалось второстепенным и малозначащим. И хотя это было лишь первое приближение, оно объясняло физическую обоснованность механизма, управляющего приливной эволюцией.

Сохраняя принципиальные положения данной модели, уточним только структурное строение нашей планеты.
Начнем с открытия, сделанного немецкой исследовательницей И. Леманн в 1936 г. Она предположила, что внутри планеты есть заполненная жидкостью полость, в центре которой находится твердое внутреннее ядро. Под приливным воздействием Солнца оно не сохраняет неизменного положения, а перемещается, косвенными подтверждениями чего служат фиксируемые астрономами колебания оси вращения Земли и сейсмологические данные о прохождении через ее ядро упругих волн.

По действующей в центре Земли приливной силе и некоторым характеристикам внутреннего ядра удалось оценить подобные смещения для расстояний Земля-Луна в диапазоне от 20 до 80 земных радиусов, а также соответствующие им колебания силы тяжести на поверхности. Первые достигают 3— 20 м. вторые - 20-100 * 10-6 см/с2. Причем изменения силы притяжения, вызванные смешениями внутреннего ядра, были по величине того же порядка, что и приливное воздействие Луны, т.е. на формировании течений в гидросфере и ее динамической фигуре первые сказываются так же, как и вторые. Выходит, угол смещения к линии, соединяющей центры Земли и Луны (напомним: он имеет постоянный знак в модели Кельвина), меняет знак. А это означает: ход приливной эволюции может быть не однонаправленным, а колебательным. Детальному обоснованию последнего посвящены работы одною из авторов статьи — Ю.Н. Авсюка.

Переходя к сопоставлению материалов биологической стратиграфии и приливной эволюции системы Земля—Луна—Солнце, обсудим ее конкурентоспособность с моделью «тепловой машины», которую обычно привлекают для объяснения процессов в глубинах Земли.
 
 
ПЕРИОДИЧНОСТЬ В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИСТОРИИ
 
В конце XIX в. французский ученый, иностранный член Петербургской АН М.А. Бертран эмпирически впервые выделил ряд геологических циклов: каледонский, герцинский и альпийский. Они охватывают три основные эпохи горообразования за последние 550 млн. лет, приведшие к созданию на Земле трех самостоятельных систем складчатых структур. Продолжительность каждого цикла Бертрана — около 170 млн. лет; впоследствии немецкий геолог X. Штилле выделил внутри каждого из этих циклов фазы тектономагматической активности.
Наши современники академик Е.Е. Милановский, рассматривая эволюцию тектонических структур и движений земной коры, эвстатических (вызванных процессами в самом морском бассейне) колебаний уровня Мирового океана и вулканизма за последние 600 млн. лет, установил существование планетарных циклов их активности продолжительностью в 40—50 млн. лет, а академик Н.Л. Добрецов оценил повторяемость различных геологических явлений за этот период величиной порядка 30 млн. лет.

Не остаются постоянными также напряженность и полярность геомагнитного поля: существуют интервалы длительного сохранения его знака (суперхроны — около 30—40 млн. лет) и быстро изменяющейся полярности (примерно 1— 2 млн. лет — экскурсы). Заметим, что во времени магнитное пате Земли меняется неравномерно, но периоды сто крупных изменений совпадают с циклами эвстатических колебаний уровня океана, а также глобальных вариаций тектономагматической активности земных недр.
Вместе с тем в истории планеты специалисты установили смену холодных климатических периодов более теплыми и отметили корреляцию климагических циклов с геологическими — вулканизмом, горообразованием и др.

Периодичность природных процессов — объективный факт. Что же ею управляет, является первопричиной? Существует несколько концепций, среди которых — модель «тепловой машины». Из нее следует, что тепло, выделяемое при распаде радиоактивных элементов внутри Земли, разогревая недра, создает там тепловую и гравитационную конвекцию перераспределения масс. Последняя проявляется в геологических процессах на поверхности, а они, в свою очередь, влияют на климат и условия обитания органического мира.

Академик Н.Л. Добрецов видит причину периодичности эндогенной активности Земли в неустойчивости течений вещества в нижней мантии. В результате «перегрева» внешнего ядра на его границе с мантией возникает тепловая флуктуация, приводящая к отрыву крупного плюма или группы плюмов (гигантских «капель» расплавленного материала). Они поднимаются вверх и взаимодействуют с вышележащими оболочками мантии, вызывая циклическую тектономагматическую активность планеты. В рамках этих представлений естественно поставить вопрос: почему эти тепловые флуктуации так упорядочены во времени?
Обратим внимание на то, что с точки зрения модели «тепловой машины» нет никакой необходимости обсуждать орбитальное движение планеты; она как бы неподвижна — аналогия с геоцентрической системой мира, которой пользовались астрономы, пока на смену не пришла гелиоцентрическая. То же самое можно сказать и о применении этой модели к широко распространенной ныне концепции тектоники литосферных плит. Она ориентирована, главным образом, на обоснование «плаванья континентов», их столкновений, наддвигов друг на друга, т.е. поверхностной тектоники. Проблему же глобального изменения климата модель «тепловой машины» не объясняет. Открытым остается вопрос и о механизме генерации геомагнитного поля, и причинах цикличности различных его параметров. А происходит это потому, что совершенно игнорируются влияния на них системы Земля—Луна.
 

ПРИЛИВНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ И ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ
 
Модель приливной эволюции системы Земля—Луна—Солнце не только соответствует общим закономерностям движений тел Солнечной системы, но и объясняет цикличность поверхностных и глубинных земных процессов. Следовательно, размер орбиты Земля—Луна изменяется циклически, значит, в определенные интервалы времени спутник находится от нашей планеты дальше или ближе. Если ближе — угол наклона экватора к эклиптике меньше современного — наступает похолодание; если дальше — угол наклона больше — потепление.

Древние оледенения относятся к наиболее ярким событиям в истории Земли — они фиксируют узловые точки колебаний климата. Следовательно, изменение наклона экватора под действием притяжения Луны можно рассматривать как правдоподобное объяснение похолоданий. В качестве ледниковых периодов климатологи рассматривают как минимум три эпохи: переход от альгонка к кембрию (около 540 млн. лет назад), от карбона к перми (около 295 млн. лет) и четвертичный период (последние 2 млн. лет). Периоды, разделяющие последовательные оледенения, составляют 200-250 млн. лет.

Приняв эту величину за продолжительность цикла и зная скорость крашении Земли и орбитальную скорость Луны, а также величину кинетической энергии вращения (2 - 1012 Вт), можно оценить диапазоны следующих изменений: расстояние Земля—Луна -+8R (при современном его значении 60R, где R — радиус Земли), угол наклона экватора к эклиптике — ±6°; продолжительность суток — ± 10 мин и т.д.

С помощью этих оценок можно проследить ход изменения каждого из параметров, начиная с поздней перми и кончая настоящим временем. Этот интервал очень подробно изучен геологами и в нем укладывается полный период приливной эволюции.

Пермское время — этап наибольшего сближения Луны и Земли. Согласно приведенным оценкам, угол наклона экватора к эклиптике тогда был порядка 17 градусов. По мнению климатологов, малые углы наклона благоприятствуют материковому оледенению, поскольку, когда они приближаются к нулю, разность температур между полюсом и экватором становится максимальной. В то же время почти исчезают сезонные различия. Инсоляция (облучение земной поверхности солнечной радиацией), как функция угла наклона, с пермской эпохи возрастает, достигая максимума в поздней юре (наклон =30 градусов, все широты должны получать в среднем за год одно и то же количество солнечной энергии). После этого снова наступает фаза уменьшения угла наклона экватора к эклиптике. Следующий после перми минимум наклона приходится на конец третичного — начало четвертичного периода.

Внутренняя структура земных недр также связана с циклическими изменениями скорости вращения Земли и угла наклона к экватору. Последние должны вызывать неоднородные течения на границах мантия-ядро, внешнее—внутреннее ядро, создающие геомагнитное поле, а также влиять на состояние земной коры, вызывать вулканизм. На схеме эволюции можно выделить временные интервалы быстрого и медленного перемещения оси. Первым будут соответствовать периоды активизации вулканизма, образования складок и разрывных нарушений, вторым — фазы медленной переупаковки блоков земной коры, проявляющейся в ее сейсмическом «потрескивании».

Характерное время, разделяющее периоды активного вулканизма и складкообразования, согласно модели приливной эволюции, составляет 40—60 млн. лет. Эти периоды близки к тем, которые получили эмпирическим методом академики Н.Л. Добрецов и Е.Е. Милановский.
Есть основания рассматривать современный этап эволюции системы Земля—Луна как время отхода от планеты ее спутника после наибольшего сближения, относящегося к концу третичного — началу четвертичного периода.
 

БИОГРАФИЯ ДИНОЗАВРОВ
 
Специалисты считают, что как самостоятельный класс они появились в среднем триасе (примерно 225 млн. лет назад) и расцвет их пришелся на юрскую эпоху (200— 135 млн. лет), а на границе мел-третичный период (65 млн. лет) перестали существовать. Попробуем сопоставить историю их развития со схемой приливной эволюции системы Земля—Луна, совмещенной с геохронологической шкалой. По ней средний триас был периодом увеличения скорости вращения Земли и, соответственно, сгона воды из высокоширотных областей к экватору. При этом увеличивался угол наклона экватора к эклиптике, а следовательно, расширялась зона тропиков и объем теплой гидросферы. Из-за поднятия уровня океана в приэкваториальных областях планеты разливались впадающие в него реки и образовывались обширные области мелководья, а потому изменялась растительность и, соответственно, животный мир.

Палеонтологи отмечают реконструируемую по окаменелостям тенденцию изменения размеров тела динозавров. Самые первые из них были по существу мелкими животными. Но в юре и мелу они стали значительно крупнее. Ученые пока не нашли убедительного объяснения тенденции роста. С позиции же приливного изменения скорости вращения Земли ответ прост: в этот период изменялась площадь и средняя глубина пресноводных водоемов, к чему флора и фауна должны были приспосабливаться. О реальности такой ситуации свидетельствуют карта затопления территории суши в верхнемеловую эпоху или палеогеографическая схема территории Мексики в верхнеюрскую.

В соответствии со схемой приливной эволюции, условия обитания флоры и фауны в юрский период (60 млн. лет) изменялись незначительно. Но сама по себе данная эпоха была достаточно продолжительной для формирования узкоспециализированных видов. Тогда, очевидно, и появились биологические гиганты: травоядный ящер диплодок достигал в длину более 20 м, а бронтозавр весил больше, чем пять современных слонов. Самые крупные жили на мелководье, где архимедова выталкивающая сила снимала громадные перегрузки на суставы их конечностей. Они не испытывали затруднений при добыче пищи из водоемов, к тому же были защищены от хищников: незаметно подкрасться или внезапно наброситься на жертву в обширных мелководных водоемах практически было невозможно.

На протяжении мезозоя (230-65 млн. лет) неоднократно изменялись и видовой состав динозавров, и места их обитания; отдельные группы вымирали, на смену им появлялись новые.

Очевидно, с уменьшением скорости вращения Земли гидросфера начинала мигрировать в обратном направлении — из низких широт в высокие. При этом ранее обнаженные шельфы постепенно затоплялись, исчезали сухопутные мосты, соединяющие, например, Азию с Америкой. В тропических районах стали медленно сокращаться плошади мелководья, отступать в сторону океана береговая линия. В результате стали вымирать узкоспециализированные виды животных, среди других пресмыкающихся — и динозавры. Сначала исчезли водные гиганты — зауроподы, затем и сухопутные. В эпоху мезозоя, примерно с середины юры, вращение Земли и наклон экватора к эклиптике начинают медленно уменьшаться. В связи с этим в климатических и гидрологических условиях начинает проявляться тенденция к похолоданию и уменьшению площади водоемов.

С концом мела, как показывают исследования, действительно совпадают многие крупные изменения среды обитания различных фаунистических групп: более чем на 100 м понизился уровень моря (по сравнению с современным), что резко сократило морское экологическое пространство. Кроме того, произошла перестройка океанских течений, быстро изменилась температура морской волы, а возможно, и ее химический состав, уменьшилось содержание кислорода в придонном слое и во всей водной толще. А большинство динозавров вело полуназемный, полуводный образ жизни. К тому же на протяжении всего позднемезозойского периода на Земле господствовал теплый и влажный климат, что, скорее всего, снижало адаптивную способность различных фаунистических групп и, видимо, не в последнюю очередь динозавров.

Сопоставление природных процессов, связанных с приливным изменением скорости вращения Земли, и зафиксированных учеными изменений течений в гидросфере (трансгрессии—регрессии океана), колебаний климата, активизации горообразования и вулканизма позволяют говорить об адаптивности биоты к изменившимся условиям. Это были не катаклизмы, а медленные изменения среды обитания. Значит, кризисы в жизни биоты, скорее всего, создают не какие-то внезапные «сильные» события, а длительный период измененных условий, к которым адаптируются привыкшие к «комфорту» организмы. При последующем таком же медленном исчезновении этих условий они уже не могут перестроиться из-за своей устойчивой узкоспециализированной морфологии. Виды же с «гибким» строением организма преодолевают такую перестройку без существенных потерь.

Именно с границами трансгрессивно-регрессивных циклов обычно совпадают эпохи массовых вымираний. «Комфортные» условия обитания динозавров в мелу — теплый и влажный, достаточно равномерный климат вплоть до самых высоких широт (остатки динозавров найдены даже на Шпицбергене), обилие растительной пищи, мелководье на обширных участках — сменили сильно ухудшившиеся: затопление высокоширотных зон, резкий  континентальный климат, появление отчетливой широтной зональности, проявление интенсивного вулканизма (с ним, кстати, могут коррелировать иридиевые аномалии в отложениях, о которых говорилось в начале статьи). Следовательно, для динозавров, как и других групп животных, не нужно искать каких-то особых, уникальных причин гибели, во всяком случае, нет необходимости «гасить» солнечный свет взрывами метеоритов. Они исчезли так же, как и другие представители фауны на протяжении, по крайней мере, последних 540 млн. лет.

Рассматривая проблему исчезновения аммонитов и динозавров, известный американский ученый Н.Д. Ньюэлл в 60-х годах XX в. писал: «...Для того, чтобы сделать правильные выводы, необходимо найти общие причины событий подобного рода. В соответствии с принципом экономии доводов гипотеза считается верной, если она удовлетворяет максимальному количеству наблюдений при минимальном количестве допущений». Модель приливной эволюции системы Земля—Луна—Солнце в полной мере соответствует принципу экономии доводов.
 
"Наука в России" . - 2002 . - № 2 . - С. 34-42.