ПАЛЕОНТОЛОГИЯ И ЕЕ ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ

Палеонтология (в буквальном переводе - наука о древней жиз­ни) — биологическая наука, изучающая органический мир прошлых геологическихэпох и закономерности его исторического развития, воссоздающая историю эволюции жизни на нашей планете во всем ее многообразии. Большинство представителей животного и раститель­ного мира прошлого можно найти только в ископаемом состоянии, но некоторые виды, появившись в отдаленном прошлом, без види­мых изменений дошли до наших дней.

По объектам изучения палеонтология может быть подразделена на палеозоологию и палеоботанику. Первая объединяет палеозооло­гию беспозвоночных и позвоночных животных. Палеозоологические объекты могут быть доступны непосредственному визуальному изу­чению; но известны микроорганизмы, сохраняющиеся в больших ко­личествах в ископаемом состоянии, изучение которых невозможно без микроскопов, в том числе и новейших, электронных. Исследо­ванием подобных микроорганизмов занимается микропалеонтоло­гия. Палеоботаника также является чрезвычайно дифференцирован­ной отраслью палеонтологии. Одни исследователи изучают остатки ископаемой древесины, другие - листья или ископаемые споры и пыльцу.

Поскольку палеонтология является биологической наукой, овла­дение ею невозможно без знания основ зоологии и ботаники. Для чего же изучение палеонтологии необходимо геологу, специализирующе­муся в области поисков и разведки месторождений полезных иско­паемых, работающему над составлением геологических карт? Извест­ный советский ученый, основатель Палеонтологического института АН СССР, академик А.А. Борисяк называл палеонтологию "служан­кой геологии". Чем это вызвано?

По­верхность континентов причудливо раскрашена различными цвета­ми. Это объясняется тем, что все породы, независимо от их происхож­дения (генезиса) различаются по возрасту; породам каждого возраст­ного интервала придается на геологических картах определенный цвет.

По выражению академика Б.С. Соколова, "стержнем геологии яв­ляется геохронология". С помощью быстро развивающихся радиоизо­топных методов определения возраста минералов и горных пород ус­тановлен возраст нашей планеты — 4,5 млрд. лет. Но почти на всем этом гигантском интервале шкала геологического времени составле­на в соответствии с эволюцией живых организмов - от цианобактеий (водорослей?) до высокоорганизованных позвоночных — и изменениями окружающей среды обитания этих организмов. Эта шкала называется геохронологической (табл. 1). Земля является единствен­ной планетой Солнечной системы, обладающей стратисферой (лат. - stratum слой; стратисфера - часть литосферы Земли, образованная осадочными и сформировавшимися в результате их изменения мета­морфическими породами). История стратисферы делится во времени на две неравных части: криптозой (время скрытой жизни, греч. - криптос скрытый), длившийся около 4_млрд. лет, и фанерозой (время явной жизни, от гр. фанерос — ясный, четкий), абсолютная продолжительность которого составляет примерно 570 млн. лет. Наиболее полно исследована фанерозойская история Земли. В познании криптозойской истории сделаны только первые шаги, хотя и очень успеш­ные.

Таблица 1. Геохронологическая шкала фанерозоя

Криптозой подразделяется на архей и протерозой, которые считаются эрами, хотя абсолютная их продолжительность в 4—5 раз превышает продолжительность эр в фанерозое. Поздний протерозой именуется рифеем. Завершается криптозой периодом, который получил назва­ние венда, его абсолютная продолжительность составляет 100—110 млн. лет.

Таким образом, одна из основных задач палеонтологии заключа­ется в установлении возраста горных пород. Решение этой задачи име­ет большое практическое значение при геологическом картировании, поисках и разведке различных полезных ископаемых. Для иллюстра­ции сказанного приведем несколько примеров.

При маршрутных исследованиях в бассейне р. Колымы геологи описали чередующиеся выходы песчаников, сланцев, пластов углей (рис. 1). В данном геологическом разрезе породы падают на северо-восток под углом 28-32°. Необходимо было выяснить, повторяет­ся ли в разрезе один и тот же пласт угля, смятый в складки, или здесь фиксируется несколько разновозрастных пластов. Только тщатель­ные сборы растительных остатков в угольных пластах, моллюсков в песчаниках и сланцах, вмещающих угольные пласты, позволили ус­тановить, что породы залегают моноклинально, и с запада на восток древние пласты сменяются более молодыми. Это дало возможность правильно оценить перспективы угленосности района.

Еще один пример. В процессе составления геологической карты в одном из районов восточного склона Северного Урала были обна­ружены два выхода пласта бокситов, залегающих на светлых массивных и шестиках и покрывающихся темно-серыми слоистыми известняками. И в данном случае точно определить, имеем мы дело с одним или с двумя выходами бокситов, можно, изучив фауну и выяснив воз­раст подстилающих и перекрывающих известняков.

Рис. 1 Геологический разрез пермских отложений в долине р.Колымы

1 – каменный уголь, 2 – конгломераты, 3 – песчаники, 4 – глинистые сланцы.

Вторая, не менее важная задача палеонтологии — способствовать восстановлению условий, в которых происходило образование тех или иных полезных ископаемых и вмещающих их пород. При реше­нии этой задачи палеонтолог, изучающий ископаемые жизненные фор­мы, использует метод аналогии. Так, в пластах каменных углей карбонового периода встречается большое количество стволов древовид­ных растений. Что можно сказать об условиях, в которых существо­вали эти растения? Очевидна, климат в период произрастания этих деревьев был теплым, влажным, почти тропическим. Это можно зак­лючить потому, что стволы лишены годичных колец, присущих сов­ременным деревьям умеренного климата; кроме того, клетки дре­весины ископаемых стволов характеризуются относительно крупны­ми размерами, что также типично для тропической растительности. Рассмотрим пример с морскими отложениями. На юге европей­ской части СССР широко распространены отложения мелового перио­да, представленные толщами писчего мела. Если изготовить из мела тонкую прозрачную пластинку, то под микроскопом при увеличении от 20 до 50 раз мы увидим, что мел состоит из мелких раковинок фораминифер (тип простейших). О чем это говорит геологу? Меловые отложения сформировались в теплом морском бассейне, где средне­годовая температура была не ниже 20 °С - только при этой темпера­туре простейшие могут использовать карбонат кальция, находящий­ся в растворенном состоянии в морской воде, для создания наружно­го скелета — раковины. Остается неясным, на какой глубине накап­ливались эти осадки. Долгое время считалось, что толщи писчего мела образовывались на больших глубинах, что это аналоги современных глубоководных илов. Однако в меловых осадках были обнаружены крупные раковины двустворчатых моллюсков (род Inoceramus), достигающие длины 20-30 см. Эти моллюски вели придонный образ жизни. Наличие их в морских меловых осадках позволяет считать эти отложения мелководными.

Выявление условий осадконакопления не самоцель - оно позво­ляет целенаправленно вести поиск различных полезных ископаемых. Так, было определено, что нефтепроявления в Ферганской долине свя­заны с ископаемым морским бассейном палеогенового периода. Как обнаружить его береговые границы? Они четко фиксируются по на­ходкам скоплений раковин ископаемых устриц (тип моллюсков), которые обитали в опресненных участках моря вблизи береговой ли­нии. Эта закономерность была установлена советскими учеными Р.Ф. Геккером, А.И. Осипрвой, Т.Г. Вельской при изучении палеоге­новых отложений Ферганы.

ОБЪЕКТЫ ПАЛЕОНТОЛОГИИ

Палеонтология - изучает сохранившиеся в ископаемом состоянии остатки животных и растений, окаменелости, или фоссилии (от англ. fossilia). К окаменелостям относят также следы жизнедеятельности организмов (следы ползания и других видов перемещений, сверле­ния) . Следовательно, окаменелости представляют собой следы про­цессов, происходивших с организмами после их смерти.

Процесс фоссилизации (окаменевания) очень сложный; в послед­ние годы его все чаще называют процёссом биоминерализации. Раз­витие биоминерализации в геологическом прошлом можно изучать с помощью аналитических химических методов, благодаря чему па­леонтология становится экспериментальной наукой. В настоящее вре­мя известно около 30 минералов, которые образуются организмами. Эти минералы обычно не могут формироваться и длительно сущест­вовать вне органической среды.

Выделение биоминералов может происходить внутриклеточно (у бактерий), вне - и межклеточно (большинство водорослей). Живот­ные обладают "матрицируемым" типом биоминерализации. Матри­цей, или основой будущего скелета, является органическое вещест­во, строение которого определяет структуру будущего скелета, сох­ранившегося в ископаемом состоянии и служащего объектом иссле­дования в палеонтологии.

В Мировом океане обитают мельчайшие одноклеточные животные с наружным скелетом, сложенным минералом целестином (SrS0₄). Именно эти микроорганизмы способствуют накоплению целестина в морях, где он не может возникать неорганическим путем и длитель­но сохраняться. Ниже определенного критического температурного уровня в морях не происходит отложение карбоната кальция (при t ~ +20°С). Однако многие моллюски, морские ежи и лилии обра­зуют и накапливают после своей смерти в осадках кальцит и араго­нит на глубине более 7000 м. Магнетит (Fe₃O₄) формируется преи­мущественно неорганическим путем, чаще всего при гидротермаль­ных процессах. Но он синтезируется и в результате процессов биоми­нерализации в клетках бактерий, в челюстях некоторых моллюсков, в височных отделах черепов некоторых птиц.

Важной особенностью биоминерализации является преобладание среди ее продуктов кальцийсодержащих минералов. Биохимические исследования в последние годы выявили значительную роль кальция в развитии внутриклеточных структур, в передаче нервных импульсов и т.д. В каких же формах сохраняются скелетообразующие организ­мы, или что же изучает палеонтология?

ФОРМЫ СОХРАННОСТИ

Переход организмов из био- в литосферу называется фоссилизацией. Этот переход очень сложен и проявляется в совокупности фи­зико-химических и биохимических процессов. После гибели живот­ных и растений мягкие ткани довольно быстро разрушаются — сгни­вают, разлагаются и пожираются трупоедами. Лишь сравнительно не­большое количество животных сохраняется полностью — только в случаях скорейшего погребения их под осадком, предохраняющим организм от дальнейшего разложения. Наиболее часто в ископаемом состоянии встречаются скелеты и их части, внутренние и внешние ядра, отпечатки, следы жизни, или биоглифы; изучаются также особые формы сохранности растений и животных.

Скелеты и их части. Наружные скелеты (известковые, кремневые, реже органические - хитиновые, хитино-фосфатные, тектиновые) сох­раняются либо полностью (полипняки кораллов, раковины брахиопод, моллюсков, панцири морских ежей), либо в виде отдельных фраг­ментов (спикулы губок, крышечки, прикрывающие устья раковин многих моллюсков, членики стеблей морских лилий, иглы морских ежей). Внутренние скелеты позвоночных наблюдаются в ископаемом состоянии чаще всего в виде разрушенных костей.

Внутренние и внешние ядра. Внутреннее ядро представляет собой слепок— внутренней полости раковины, формирующийся при заполне­нии "осадком полости, освобожденной от мягкого тела; нередко оно отражает наружную скульптуру.

Внешние ядра возникают после разрушения раковины, когда на месте "створок- образуются тонкие полости, заполненные впоследствии осадком. В основном они бывают песчаными, известковыми или фос­фатными.

Отпечатки. Отпечатки скелетов или частей скелетов встречаются довольно часто. Они появляются в результате полного уничтожения скелетов. Отпечатки мягкого тела наблюдаются относительно редко, в связи, с чем имеют значительную научную ценность. Наиболее древ­ние отпечатки медуз, кольчатых червей, некоторых членистоногих и других групп животных были описаны впервые в Южной Австралии из отложений, возраст которых оценивается от 0,6 до 1 млрд..лет. В более молодых отложениях также известны отпечатки медуз, каль­маров и т.д.

Следы жизни, или биоглифы. К ним относятся все проявления жизнедеятельности. Следы могут быть оставлены как на поверхности осадка – экзоглифы и проникать внутрь его — эндоглифы. Экзоглифы — это следы ползания, лежания. К эндоглифам принадлежат норки зары­вающихся организмов (некоторых губок, червей, моллюсков).

Следами жизнедеятельности являются также копролиты - ископаемые экскременты животных, которые дают ценный материал для изучения пищи некоторых позвоночных, поскольку в последние годы выяснилось, что в них хорошо сохраняются семена, пыльца и споры. Следовательно, копролиты могут служить источником информации о наземной растительности пресных эпох.

Хемофоссилии, или молекулярные ископаемые. Это наиболее устойчивые фрагменты крупных органических молекул, ранее входив­ших в состав организмов, а затем распавшихся в процессе фоссилизации. Хемофоссилии обнаружены даже в породах, возраст которых примерно 3 млрд. лет.

Особые формы сохранности. Остатки растений, стволы, листья, плоды и семена встречаются в углефицированном состоянии. Процесс углефикации чрезвычайно сложен: он заключается в последователь­ном преобразовании растительных остатков в торф, бурый уголь, ан­трацит и графит. По мере увеличения степени углефикации происхо­дит обогащение растительных фоссилий углеродом. В углях и вме­щающих отложениях нередки унифицированные отпечатки листьев, остатки стволов, плодов и семян. Благодаря специальным методам исследования стало возможным не только изучение их внешних признаков, но и особенностей анатомического строения.

Одной из своеобразных форм сохранности являются включения насекомых в янтаре. В янтаре - окаменелой смоле сосны - наблю­даются различные насекомые, цветы, плоды. Иногда редкие, уникаль­ные формы сохранности позволяют палеонтологу сделать интересные выводы об условиях обитания тех или иных форм.

Фоссилий встречаются преимущественно в осадочных породах (пес­ки, песчаники, глины, аргиллиты, алевролиты, известняки, мергели и т.д.), в метаморфических (мраморы и сланцы), где сохранность их хуже. Окаменелости обнаруживают также в вулканогенных породах (туфы, лавы, туфопесчаники), довольно часто - в бокситах, медно-колчеданных рудах, пластах угля. Их собирают в естественных и ис­кусственных обнажениях (береговых обрывах, стенках карьеров, же­лезнодорожных и шоссейных выемках, керне буровых скважин, раз­личных горных выработках). При сборах совершенно необходимо с помощью топографической карты определить точное местоположение находки. Кроме этого, следует точно указать, в каком именно слое содержались данные окаменелости (привязать к слою). Особенности сбора и методы изучения будут охарактеризованы при описании каж­дой группы.