Окаменелости. Отпечатки древних организмов, полезные нам и сегодня

Окаменелости, иначе называемые фоссилиями, можно найти совершенно случайно. Камешек с отпечатком древней улитки, обнаруженный на берегу моря или, что неожиданно, посреди обыкновенной равнины, прочно связывает нас с событиями и существами далекой древности. Дневник, который наша планета ведет сотни тысяч лет, переполнен такими отметинами. Но поиск подобных отпечатков истории может нести и практический смысл.

«Не секрет, что территория России в основном сложена осадочными горными породами, по которым мы и ходим. Мы не ступаем по кристаллическому фундаменту, сформированному во время образования планеты и земной коры. Лишь за редким исключением, например на шельфе Северного Ледовитого океана, встречается что-то иное. Основные породы здесь — это глины, которые в геологии называются аргиллитами. Есть также песчаники, алевролиты (это промежуточная стадия между глиной и песчаником, сильно загрязненный песчаник), еще встречаются карбонаты, гипсы и другие породы, сформированные под влиянием температуры, давления и подвижек земной коры», — начал рассказ сотрудник кафедры «Нефтегазовые технологии» Пермского национального исследовательского политехнического университета, кандидат технических наук, ведущий инженер отдела геофизики ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» Андрей Сергеевич Чухлов.

Почему одни из самых распространенных окаменелостей — раковины и скелеты рыб? Ответ на этот вопрос лежит буквально в недрах Земли: все зависит от пород и условий, в которых погиб тот или иной организм. Процесс фоссилизации — это целый ряд сложных физико-химических метаморфоз, требующий уникального стечения обстоятельств. Главные условия сохранения организма таким образом — быстрое захоронение останков под слоем осадков (ила, песка, вулканического пепла), изолирующим их от разложения, кислорода и падальщиков, а также наличие прочных биологических структур: раковин, костей, хитиновых покровов или древесины.

«Изначально массовые изучение и сбор палеонтологических коллекций были проведены в середине и конце прошлого века. В советские времена стояла задача масштабной геологической съемки всей территории Советского Союза. Поэтому повсюду ходили многочисленные отряды — кто на вертолетах, кто на кораблях — и собирали материал. В процессе картирования выяснялось, что в каких-то местах фауны больше, в каких-то меньше, и возникали так называемые опорные разрезы. Например, находилась скала, в которой вскрываются слои, богатые окаменелостями, охватывающие огромный временной интервал. Их потом и переизучали. В то время не было большой проблемой уехать, например, на Север, заказать вертолет, привезти пару ящиков ископаемых. Это был глобальный этап освоения и коллекционирования материалов. Материалы собирались, обрабатывались, описывались на уровне родов, видов, семейств, определялся их возраст. Задачей было просто покрыть огромные территории геологосъемкой и провести первичные исследования», — объяснил младший научный сотрудник лаборатории палеонтологии и стратиграфии мезозоя и кайнозоя Института нефтегазовой геологии и геофизики имени А.А. Трофимука Сибирского отделения РАН (ИНГГ СО РАН) Всеволод Даниилович Ефременко.

«Самый простой способ формирования окаменелости: органическое животное умирало, попадало в толщу пород, на него накладывались новые слои — песчаника или глины. Органическое вещество не может оставаться законсервированным вечно (если не брать особые случаи вроде асфальтовых ям или болот). В случае окаменелостей органическое вещество постепенно вымывается и замещается минералами, циркулирующими в земной коре. Остается след, замещенный неорганическим веществом, — отпечаток. ДНК оттуда не взять, но внешний вид часто виден хорошо. Иногда сохраняются покровы, волосы, но чаще всего остается просто слепок, как чеканка, сохраненный в земной коре без органики. В принципе, так все это формировалось и продолжает формироваться сейчас», — отметил А.С. Чухлов.

Окаменелости интересны главным образом ученым-палеонтологам. Они используют их как руководящие ископаемые. Идея в том, что виды, существовавшие недолго, но распространенные широко, позволяют точно определять относительный возраст слоев осадочных пород и сопоставлять их даже на разных континентах, что называют биостратиграфией. Фоссилии служат и индикаторами древних условий среды. Находки кораллов в арктических широтах указывают на теплый климат прошлого или движение континентов. Состав ископаемых сообществ в породе позволяет реконструировать тип водоема (глубоководный или мелководный), соленость, температуру и даже сезонные колебания, хотя со времен этих колебаний прошло уже много тысячелетий.

«Живые организмы, обитавшие на планете, плававшие в морях или бегавшие по суше, жили, питались, умирали и погребались под слоем осадков. Если в определенный период в определенном регионе были море или глубокий океан, там формировалась морская фауна. Например, территория Перми была покрыта морем в девонском периоде, а в нижнем каменноугольном находилась на дне океана, где формировались карбонатные породы, тот самый кальцит, что мы знаем как мел. Поэтому, когда мы находим окаменелость в карбонатах, мы понимаем, что в тот момент на этом месте было глубокое море. Слой накапливал обитателей: жившие тогда организмы умирали, падали и были погребены. Затем эпохи сменялись. Когда море отступало, формировались песчаники, алевролиты, аргиллиты — эти геологические фации соответствуют речным условиям, болотам, лиманам. Так что изобилие глинистого материала может указывать на болото в тот момент времени в этом месте. Таким образом, организмы, погребенные в песчаниках и алевролитах, относятся к этим периодам», — продолжил А.С. Чухлов.

Окаменелости — понятие куда более широкое, чем одни только скелеты рыб и раковины. Такую «классику» называют эуфоссилиями: кости, раковины, зубы, отпечатки растений или животных. Помимо окаменелостей есть субфоссилии — относительно «молодые» остатки, у которых сохранились не только кости, но и слабоизмененные органические компоненты, иногда даже ДНК. Важную информацию также несут ихнофоссилии — следы жизнедеятельности организмов, такие как ходы норок, следы передвижения по древнему илу, отпечатки лап динозавров, сверления в раковинах или древесине. Выделяют также копрофоссилии (окаменелые экскременты) и хемофоссилии — молекулярные «призраки» древней жизни, устойчивые органические соединения (биомаркеры), характерные для определенных групп организмов. Последние, например, позволяют реконструировать окраску пернатых динозавров и древних птиц.

В данный момент организовать геологическую миссию, например, за Полярный круг очень дорого, а в некоторые точки практически невозможно. Для экспедиции нужен большой грант, и поэтому внимание исследователей переключилось на более детальное изучение уже собранного материала. Есть многочисленные коллекции, с которыми уже проведена первичная работа и можно приступать к выполнению вторичных задач. Изначально определяли виды, семейства, филогению — то, как одни виды происходили от других, как шла эволюция, как осуществлялось расселение, какова палеобиогеография. Теперь можно углубиться в палеобиологию, что позволяет ученым обнаруживать даже ранее неизвестные древние виды. Например, не так давно ученые из ИНГГ СО РАН  открыли новый вид позднедевонских конодонтов юга Западной Сибири.

«Есть, например, коллективы в Москве, в частности под руководством Александра Александровича Мироненко, который изучает патологии аммонитов. Очень конкретная, палеобиологичная специализация. Ученые находят аммонитов, которые чем-то болели, травмированных аммонитов, тех, кого пытались съесть, изучают древние клювы аммонитов, челюсти. Я занимаюсь исследованиями белемнитов. Это ископаемые головоногие моллюски, по экологии и морфологии похожие на кальмаров. Отличие в том, что у них есть внутренний скелет — достаточно массивный кусок карбоната кальция, который прекрасно сохраняется в летописи. Моя диссертация посвящена северосибирским белемнитам мелового периода. Их у меня довольно много: мы описываем новые виды, их распределение по разрезу, а сейчас смотрим на палеоэкологические аспекты — как мигрировали определенные виды, как взаимодействовали виды-мигранты с местными сибирскими. То есть мы выясняем не сколько лет слоям, а как жили эти животные, как их жизнь зависела от условий среды, которые в древности менялись иногда довольно быстро», — подчеркнул В.Д. Ефременко.

Как удается уточнять детали жизни этих древних животных? Во-первых, для вымерших животных есть метод актуализма. Ученые берут современных животных, занимающих схожую экологическую нишу или имеющих схожую морфологию, и экстраполируют это на прошлое. Например, белемниты и кальмары. Мы знаем, что кальмаров много в шельфовой зоне, а в открытом море — меньше. То же самое и с белемнитами — в открытом море их находят меньше, а в прибрежных отложениях больше.

Реконструкции упираются в то, что мы должны не только найти ископаемое и определить его, но и понять, в каких условиях оно жило. Для этого используются палеонтологические и непалеонтологические методы. Из палеонтологических — это, например, изучение микрофоссилий, которое позволяет детально восстанавливать характеристики среды: было холодно или тепло, активная или пассивная присутствовала гидродинамика. Изучается также бентос — организмы, обитающие на дне: иглокожие, морские ежи, лилии, двустворчатые и брюхоногие моллюски. Они сильно привязаны к условиям обитания. Исследуя древние сообщества бентосных организмов, можно по совокупности видов восстановить, что это были за условия: одни таксоны любят активную гидродинамику, другие — богатую кислородом среду, третьи — песчаный грунт.

Можно использовать и более сложные методы, например изотопные, для которых берутся раковины организмов. Есть методы, позволяющие восстановить палеоклимат по ископаемой пыльце и спорам растений, которые попадали в море с континента. Все эти данные в совокупности позволяют реконструировать условия обитания и то, как конкретные группы организмов реагировали на изменения среды.

«Я как раз занимаюсь изотопными методами. У белемнитов есть мощный скелет из карбоната кальция. Когда они умирают, он падает на дно, перекрывается осадком и сохраняется. Из-за своих размеров он часто не подвергается сильным послеморфным изменениям и сохраняет первичный минеральный состав. Когда белемнит живет, он строит раковину из элементов морской воды в равновесии с ней. Изучая химический состав раковины, можно восстановить изотопный состав воды того времени. Например, изотопы кислорода (O-16 и O-18). Когда климат теплеет, океан сильнее испаряется, и легкий изотоп кислорода (O-16) испаряется быстрее. Когда холодает, он накапливается. По соотношению изотопов кислорода в раковине можно восстанавливать температуру воды в то время, когда жил белемнит. Каждый белемнит живет два-три года, но, если взять выборку из множества экземпляров из разреза, охватывающего миллионы лет, можно получить детальную палеоклиматическую запись», — объяснил В.Д. Ефременко.

Чуть больше о практическом применении фоссилий рассказал А.С. Чухлов: «Я специалист по исследованию скважин. И один из самых прямых способов их исследовать — это отбор керна, фрагмента горной породы, который бурят с глубины 2 км, 3 км, даже 5 км, в зависимости от региона. Я периодически бываю в кернохранилище и вижу отобранный керн. Он небольшого диаметра, стандартно около 21 см (215,9 мм). Очень часто в керне помимо изучаемых пород встречаются фрагменты окаменевших древних животных и растений. Лично я видел около 1,5 м керна, в котором было окаменелое дерево — так называемые дендриты. Такие вещи встречаются. Конечно, в керне могут быть и ракушки, аммониты. Где-то эти породы с останками животных выходят на поверхность из-за тектонических подвижек или эрозии, и их можно собирать в местах естественных выходов».

Микрофоссилии (фораминиферы, радиолярии, конодонты) служат биостратиграфическими маркерами при анализе кернов глубоких скважин. Их видовой состав и распределение по слоям позволяют точно датировать осадочные толщи и коррелировать нефтеносные пласты между скважинами, что критически важно для оценки потенциала месторождений. К тому же ископаемые растения (древовидные папоротники, плауновидные лепидодендроны) в угольных пластах указывают на условия формирования торфяников в болотистых тропических лесах каменноугольного периода. Это помогает прогнозировать качество угля и зольность.

«С точки зрения добычи углеводородов существует определенный набор живых организмов, которые сопутствуют конкретным породам, так как формировались вместе с ними. Они помогают проводить фациальный анализ — определять, что происходило на земной поверхности в тот момент. Определенные организмы служат индикаторами конкретной фациальной обстановки, которая могла быть благоприятной для формирования залежей углеводородов. Есть прямая привязка. Даже если просто посмотреть, нумулитиды, брахиоподы, илоеды (например, лингулы) помогают определить именно фациальную обстановку, то есть как все было сформировано в конкретном месте в то время», — подвел итог А.С. Чухлов.

Наука не работает на основании одного метода. Палеонтология — это еще один инструмент изучения истории, а окаменелости — отличный свидетельствующий материал, ведь с их помощью мы находим нефть, уголь, восстанавливаем пейзажи, флору и фауну далекого прошлого. И это яркое доказательство того, что исследование древности может очень многое дать в настоящем.

Статья подготовлена при поддержке Российской академии наук

Источник фото на главной и на странице: freepik / Freepik