Ископаемые, также известные как фоссилии, иногда обнаруживаются совершенно неожиданно. Например, находка камешка с отпечатком древней улитки на морском берегу или даже на обычной равнине позволяет ощутить связь с событиями и организмами, существовавшими в глубокой древности. Это можно рассматривать как записи, которые наша планета ведет на протяжении сотен тысяч лет. Однако, изучение таких следов прошлого может быть и полезным.
«Известно, что большая часть территории России состоит из осадочных пород, по которым мы передвигаемся. Мы не имеем возможности ступать на кристаллический фундамент, образовавшийся в процессе формирования планеты и земной коры. Исключение составляют лишь некоторые районы, такие как шельф Северного Ледовитого океана, где можно встретить другие типы пород. Здесь преобладают глины, которые в геологической терминологии именуются аргиллитами. Помимо них, присутствуют песчаники, алевролиты (посредственная форма между глиной и песчаником, то есть сильно глинистый песчаник), карбонаты, гипсы и другие горные породы, возникшие под воздействием температуры, давления и тектонических движений земной коры. — Так начал свое выступление сотрудник кафедры «Нефтегазовые технологии» Пермского национального исследовательского политехнического университета, кандидат технических наук, ведущий инженер отдела геофизики ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» Андрей Сергеевич Чухлов.
Широкое распространение окаменелых раковин и скелетов рыб объясняется особенностями геологических пород и условий окружающей среды, в которых они сохранились. Процесс преобразования останков в окаменелости – это сложная последовательность физико-химических изменений, для которых необходимо редкое сочетание факторов. Ключевые условия для сохранения организма в окаменелом виде включают быстрое захоронение остатков под слоем осадков – ила, песка или вулканического пепла, что изолирует их от разрушения, кислорода и падальщиков. Также важна прочность биологических структур, таких как раковины, кости, хитиновые покровы или древесина.
«В середине и конце прошлого столетия были начаты масштабные исследования и сбор палеонтологических коллекций. В советский период перед геологами стояла задача всесторонней геологической съемки всей территории Советского Союза. В связи с этим по всей стране работали многочисленные экспедиционные группы, использующие для передвижения вертолеты или суда, и осуществляющие сбор образцов. В ходе картирования территории отмечалось неравномерное распределение фаунистических остатков, что приводило к выделению опорных разрезов. Так, например, могли быть обнаружены скалы с обнажениями слоев, насыщенных окаменелостями и представляющих собой значительный временной промежуток, которые впоследствии подвергались детальному изучению. В те годы не представлялось сложным организовать поездку, например, на север, заказать вертолет и доставить несколько ящиков ископаемых. Это был масштабный период освоения и накопления материалов. Собранные материалы обрабатывались, описывались на уровне родов, видов и семейств, и определялся их возраст. Главной целью было обеспечение геологосъемкой обширных территорий и проведение первичных исследований) Всеволод Даниилович Ефременко.
«Наиболее распространенный процесс образования окаменелости заключается в том, что животное погибает, заносится в осадочные породы, а сверху на него отлагаются новые слои — песчаника или глины. Органическое вещество не способно сохраняться бесконечно (за исключением исключительных ситуаций, таких как асфальтовые карманы или торфяники). При образовании окаменелостей органические компоненты постепенно вымываются и заменяются минералами, циркулирующими в земной коре. В итоге остается отпечаток, представляющий собой структуру, замещенную неорганическими веществами. Извлечь ДНК из окаменелости невозможно, но внешний вид часто хорошо различим. Иногда сохраняются покровные структуры и волосы, однако чаще всего остается лишь отпечаток, подобный чеканке, сохраненной в земной коре без органики. Подобным образом происходило и продолжает происходить формирование окаменелостей, по словам А.С. Чухлова.
Окаменелости представляют наибольший интерес для палеонтологов, которые применяют их в качестве руководящих ископаемых. Суть подхода заключается в том, что виды, существовавшие короткий период времени, но имевшие широкое распространение, позволяют с высокой точностью устанавливать относительный возраст осадочных пород и сопоставлять их, даже если они находятся на разных континентах. Этот метод называется биостратиграфией. Ископаемые также являются индикаторами прошлых условий окружающей среды: находки кораллов в арктических регионах свидетельствуют о более теплом климате в прошлом или о смещении континентов. Состав ископаемых сообществ, обнаруженных в породе, дает возможность реконструировать характеристики водоема, такие как глубина, соленость, температура, а также сезонные изменения, несмотря на то, что прошло уже много тысячелетий с момента их возникновения.
«Организмы, населявшие планету – будь то обитатели морей или сухопутные животные – вели свой жизненный цикл, питались, умирали и оказывались погребенными под слоем отложений. Если в конкретный период времени в определенной местности располагалось море или глубоководный океан, там создавалась морская фауна. Например, территория Перми в девонский период была покрыта морем, а в нижнем каменноугольном периоде находилась на дне океана, где формировались карбонатные отложения, известные нам как мел. Следовательно, обнаружение окаменелости в карбонатных породах указывает на то, что в тот момент на этой территории существовало глубокое море. Каждый слой накапливал останки: живые существа умирали, опускались на дно и оказывались погребенными. После этого наступали другие эпохи. Отступление моря приводило к формированию песчаников, алевролитов и аргиллитов – геологических формаций, характерных для речных условий, болот и лиманов. Таким образом, обилие глинистых пород может свидетельствовать о наличии болота в тот период времени в данной местности. Соответственно, организмы, погребенные в песчаниках и алевролитах, связаны с этими периодами», — заключил А.С. Чухлов.
Окаменелости – это гораздо более обширное понятие, чем просто скелеты рыб и раковины. Эти наиболее узнаваемые образцы, известные как эуфоссилии, включают в себя кости, раковины, зубы, а также отпечатки растений и животных. Наряду с окаменелостями существуют субфоссилии – более свежие остатки, в которых сохраняются не только кости, но и слабо измененные органические вещества, в редких случаях даже ДНК. Ценную информацию предоставляют и ихнофоссилии – следы, оставленные организмами в процессе их жизни, такие как норы, следы передвижения по древним отложениям, отпечатки лап динозавров, а также прогрызенные отверстия в раковинах или древесине. Также выделяют копрофоссилии (окаменелые фекалии) и хемофоссилии – молекулярные «следы» древней жизни, представляющие собой устойчивые органические соединения (биомаркеры), свойственные определенным группам организмов. Эти последние, в частности, позволяют восстановить окраску пернатых динозавров и древних птиц.
В настоящее время организация геологической экспедиции, особенно в районы за Полярным кругом, сопряжена со значительными финансовыми затратами, а в некоторые области попросту невозможна. Для проведения подобных исследований требуется крупное финансирование, поэтому исследователи сосредоточили свое внимание на более глубоком анализе уже имеющихся материалов. Существуют обширные коллекции, по которым уже проведена предварительная обработка, и теперь можно переходить к решению более сложных задач. На начальном этапе работы определяли виды, семейства и филогенетические связи – то есть, устанавливали происхождение видов, отслеживали эволюционные процессы, изучали пути распространения и особенности палеобиогеографии. Теперь появилась возможность углубиться в палеобиологию, что дает ученым шанс выявлять даже ранее не известные древние виды. Недавно ученые из Института геологических наук Геологического института СО РАН открыли новый вид позднедевонских конодонтов юга Западной Сибири.
«Существуют, к примеру, научные коллективы в Москве, в частности, возглавляемые Александром Александровичем Мироненко, которые занимаются изучением патологий аммонитов. Это весьма узкая, палеобиологическая специализация. Исследователи обнаруживают аммонитов, страдающих от болезней или травм, экземпляров, подвергшихся нападению хищников, и изучают древние клювы и челюсти этих моллюсков. Я же провожу исследования белемнитов – ископаемых головоногих моллюсков, схожих с кальмарами по экологии и морфологии. Их отличительная черта – наличие внутреннего скелета, состоящего из массивного куска карбоната кальция, что обеспечивает превосходное сохранение в геологических отложениях. Моя диссертационная работа посвящена северосибирским белемнитам мелового периода. В моей коллекции их достаточно много: мы описываем новые виды, анализируем их распространение в слоях горных пород и сейчас изучаем палеоэкологические аспекты – как происходила миграция определенных видов, как мигрирующие виды взаимодействовали с местными сибирскими. Таким образом, мы пытаемся определить не столько возраст слоев, сколько особенности жизни этих животных и то, как их существование зависело от условий окружающей среды, которая в древности могла меняться довольно стремительно, — отметил В.Д. Ефременко.
Как удается выяснять подробности о жизни этих древних существ? Прежде всего, для вымерших организмов существует принцип актуализма. Исследователи изучают современных животных, которые выполняют аналогичные экологические функции или обладают схожим строением, и переносят эти знания на прошлое. Так, белемниты и кальмары демонстрируют схожие закономерности: кальмаров чаще всего можно встретить в прибрежной зоне, в то время как в открытом море их встречается меньше. То же самое наблюдается и у белемнитов — в открытом море их находят реже, чем в прибрежных отложениях.
Восстановление прошлого требует не только обнаружения и идентификации ископаемых остатков, но и понимания условий их жизни. Для этого применяются как палеонтологические, так и непалеонтологические подходы. Среди палеонтологических методов выделяется изучение микроокаменелостей, которое даёт возможность детально реконструировать характеристики окружающей среды, включая температурный режим и наличие течений. Также исследуется бентос – сообщество организмов, живущих на дне водоёма, включающее иглокожих, морских ежей, лилий, двустворчатых и брюхоногих моллюсков. Эти организмы тесно связаны с условиями своего обитания. Анализ древних сообществ бентосных организмов, учитывая видовой состав, позволяет реконструировать условия среды: одни виды предпочитают сильные течения, другие – среду, богатую кислородом, третьи – песчаное дно.
Для анализа также применяют более сложные методики, такие как изотопный анализ, в котором используются раковины морских организмов. Существуют способы определения палеоклимата на основе ископаемой пыльцы и спор растений, которые переносились в море с материка. Совокупность этих данных дает возможность воссоздать условия, в которых существовали организмы, и понять, как различные группы реагировали на изменения окружающей среды.
«Я специализируюсь на изотопных методах исследования. Белемниты обладают массивным скелетом, состоящим из карбоната кальция. После их гибели скелет оседает на дне, покрывается осадком и сохраняется. Благодаря своим габаритам, он нередко избегает значительных изменений после захоронения и сохраняет первоначальный минеральный состав. В процессе жизни белемнит формирует свою раковину из элементов морской воды, находящихся в равновесии с ней. Анализ химического состава раковины позволяет реконструировать изотопный состав воды того времени. К примеру, изотопы кислорода ( O-16 и O-18). Когда климат становится теплее, интенсивность испарения океана возрастает, и более легкий изотоп кислорода ( O-16) вода в условиях пониженной влажности испаряется быстрее. При понижении температуры она скапливается. Анализ изотопного состава кислорода в раковине позволяет реконструировать температуру воды, в которой обитал белемнит. Хотя каждый белемнит живёт всего два-три года, отбор образцов из большого количества экземпляров, найденных в разрезе, охватывающем миллионы лет, даёт возможность создать подробную палеоклиматическую летопись», — пояснил В.Д. Ефременко.
А.С. Чухлов, специалист по изучению скважин, более подробно рассказал о практическом применении фоссилий: «Одним из наиболее непосредственных методов исследования скважин является отбор керна – фрагмента горной породы, который добывается бурением с глубины от 2 до 5 км, в зависимости от геологических условий региона. Я регулярно посещаю кернохранилища и непосредственно вижу отобранные образцы керна. Обычно они имеют небольшой диаметр, стандартизированный размер около 21 см (215,9 мм). В керне, помимо основных пород, довольно часто обнаруживаются фрагменты окаменевших древних животных и растений. Мне доводилось видеть участки керна длиной около полутора метров, содержащие окаменелое дерево, известные как дендриты. Такие находки не редкость. Встречаются также ракушки и аммониты. В некоторых районах эти породы с остатками животных достигают поверхности благодаря тектоническим движениям или эрозии, что позволяет собирать их непосредственно в местах естественного обнажения».
Микроокаменелости, такие как фораминиферы, радиолярии и конодонты, используются в качестве биостратиграфических индикаторов при изучении кернов, извлеченных из глубоких скважин. Анализ видового состава и распределения этих организмов по слоям позволяет с высокой точностью определять возраст осадочных пород и сопоставлять нефтеносные горизонты между различными скважинами, что имеет решающее значение для оценки запасов углеводородов. Кроме того, окаменелые остатки растений, например, древовидных папоротников и плауновидных лепидодендронов, обнаруженные в угольных пластах, свидетельствуют о формировании торфяников в условиях болотистых тропических лесов в период каменноугольного периода. Эта информация способствует прогнозированию качества угля и его зольности.
«А.С. Чухлов отметил, что при добыче углеводородов определенные виды живых организмов тесно связаны с конкретными породами, поскольку они образовались одновременно. Эти организмы оказывают помощь в проведении фациального анализа, позволяющего установить условия, существовавшие на поверхности Земли в прошлом. Некоторые из них выступают в качестве индикаторов конкретной фациальной обстановки, что могло способствовать формированию залежей углеводородов. В качестве примера можно привести нумулитид, брахиопод и илоедов, таких как лингулы, которые помогают определить фациальную обстановку, то есть особенности формирования конкретного участка в определенный период времени.
В научном познании не существует единого подхода. Палеонтология представляет собой дополнительный метод изучения прошлого, а окаменелости служат ценными источниками информации. Благодаря им мы можем обнаруживать месторождения нефти и угля, реконструировать ландшафты, растительный и животный мир минувших эпох. Это наглядно демонстрирует, насколько изучение древности может быть полезным для современного мира.
Материал создан при содействии Российской академии наук