Изменения климата – двигатель эволюции
Глава четырнадцатая
Важны не только кости: воссоздание окружающей среды как ключ к пониманию эволюции
Изучение человеческой эволюции – это история масштабных раскопок и невероятных открытий. В центре внимания практически всегда стоят удивительные окаменелости, например древний череп, благодаря которым у нас возникает ощущение, что мы буквально смотрим нашим предкам в лицо. Так, и исследователи часто направляют все свои усилия на то, чтобы найти и самостоятельно изучить останки гоминин. В принципе, это понятно, ведь только благодаря этим находкам можно получить сведения об изменениях, которые наши предки претерпевали с течением времени, и только эти находки могут содержать древний генетический материал – один из важнейших источников информации для современного палеоантрополога[126].
Однако для полноценного понимания эволюционных процессов требуются более обширные исследования, которые никак не ограничиваются только изучением окаменелостей. Зубы и кости являются лишь частью решения доисторической загадки. Так как же палеонтологи и палеоантропологи достигают результатов? Какие методы помогают им воссоздать мир, в котором жили наши предки, если в их распоряжении имеются только немногочисленные и часто неполные находки? В основе любого исследования лежит детальная датировка. Без точного определения возраста [окаменелостей] ничего не выйдет! На наглядном примере мы попробуем показать, почему опасности подстерегают ученых уже на этой стадии.
Предположим, что во время плиоцена – то есть в эпоху, когда жила Люси, – за 2000 лет случилось шесть событий, имевших кардинальные последствия. На поверхность Земли упал астероид, произошло извержение крупного вулкана, образовалась огромная пустыня, резко сократилась популяция наших предков, а выжившие были вынуждены искать себе новую среду обитания, и вымерло множество видов млекопитающих. Даже если бы мы могли датировать эти события с точностью до 1000 лет – а до этого нам еще далеко, – складывалось бы впечатление, что они произошли почти одновременно. В таком случае, применив «научную смекалку», можно было бы установить между этими событиями причинно-следственную связь и воссоздать глобальную катастрофу доисторической эпохи, которая могла бы выглядеть следующим образом. Падение астероида и вызванное им крупное извержение вулкана стали причиной резких изменений климата во всем мире. В результате во многих регионах планеты ухудшились условия обитания для многочисленных видов животных, которые впоследствии вымерли. Нашим древним предкам также пришлось бороться за выживание. Их изначальная среда обитания превратилась в огромную пустыню, и многие из них пали жертвой этого климатического кризиса. Однако те, кто выжил, мигрировали на новые земли и успешно их заселили. Подобное развитие событий кажется вполне правдоподобным.
Тем не менее в силу недостаточной точности существующих методов датировки мы не можем разграничить события, которые произошли в эпоху плиоцена с разницей в несколько сотен лет, поэтому вполне возможно, что описанные выше явления не имели никакого отношения друг к другу. Убедиться в этом можно, взглянув на последние 2000 лет нашей истории, за которые действительно произошли шесть сходных по своей значимости событий, не имевших, однако, никакой связи между собой. В июне 1908 года в Сибири упал Тунгусский метеорит, из-за извержения индонезийского вулкана Тамбора 1816 год стал для Европы «годом без лета», за которым последовали ужасные неурожаи, и множество людей, спасаясь от голода, вынуждены были эмигрировать в Северную Америку; в XIV веке чума выкосила почти треть населения Европы; в IX веке в Европе вымерли львы, в 1627 году такая же участь постигла тура, а в 1936 году – австралийского сумчатого волка[127]; в промежутке между IV и VI веком целые племена покинули Центральную Азию и переселились в Европу, ознаменовав тем самым Великое переселение народов; наконец, около 2000 лет назад после длительной засухи на севере Африки приобрела свои сегодняшние очертания пустыня Сахара.
Все эти события можно с точностью датировать, большинство из них даже зафиксировано в письменных источниках. И все же причинно-следственной связи между ними нет.
В таком случае, может быть, и вовсе нельзя утверждать ничего определенного в отношении этапов развития нашей планеты, от которых нас отделяют миллионы лет? Ведь чем дальше мы стремимся заглянуть, тем менее четкой становится картинка. И все же это возможно, потому что на сегодняшний день в нашем распоряжении имеется широкий спектр методов, позволяющих определить возраст [находок] и воссоздать условия окружающей среды, даже если речь идет о столь далеком прошлом. И кроме того, не всегда между значимыми событиями проходило так мало времени, как в нашем примере. Те же изменения климата, если их причиной являются не природные катаклизмы, часто протекают медленно. Так какие же методы помогают ученым, изучающим эволюцию человека, ответить на вопросы «когда?», «как?» и «почему?»?
Изощренные методы датирования
К наиболее важным методам датирования относятся так называемые радиометрические методы, среди которых самым известным является радиоуглеродный анализ[128]. Он основан на измерении содержания углерода (химического элемента, обозначаемого буквой С) в окаменелых останках или горных породах. Как правило, атомное ядро этого элемента состоит из шести протонов и шести нейтронов, поэтому его обозначают как С12. Однако в земной атмосфере содержится также разновидность (изотоп) углерода с восемью нейтронами вместо шести – С14. Он постоянно образуется в атмосфере за счет воздействия космических лучей. С14, обладающий незначительной радиоактивностью, однако, является нестабильным элементом и с одинаковой скоростью распадается на свои составляющие компоненты. В течение периода своей жизни растения за счет фотосинтеза регулярно поглощают изотоп С14 из содержащегося в воздухе углекислого газа и встраивают его вместе с изотопом С12 в структуру своих тканей. Таким образом, соотношение изотопов С14 и С12 в растениях и травоядных животных всегда остается постоянным. Однако после смерти организма запускаются своего рода атомные часы. В силу того, что «поставка» изотопа С14 после этого прекращается, радиоактивный распад приводит к постепенному снижению его содержания. Этот процесс протекает совершенно равномерно, что позволяет без особых трудностей подсчитать количество времени, прошедшее с момента смерти. Поэтому этот изотоп используют для определения возраста окаменелостей.
Однако у радиоуглеродного анализа есть один недостаток. Из-за сравнительно высокой скорости распада изотопа С14 его количество в окаменелых останках сокращается вдвое каждые 5730 лет. Приблизительно после 50 000 лет его остается настолько мало, что для точной датировки этого уже недостаточно.
По этой причине палеонтологи используют и другие радиометрические методы, ведь им хочется заглянуть значительно дальше в прошлое. Анализ распада урана до тория, например, позволяет датировать окаменелости и горные породы, возраст которых составляет до 500 000 лет. В данном случае преимущество заключается в том, что уран обладает более длительным периодом полураспада. При помощи других методов, например уран-свинцовой или калий-аргоновой датировки, можно определить возраст находок, принадлежащих значительно более древним эпохам. Но не всегда имеется возможность провести радиометрические измерения.
Например, если в останках или в горной породе, в которой они находятся, не содержится нужных элементов, то нужно прибегнуть к другим методам, скажем к уже упомянутой магнитной стратиграфии, то есть к анализу магнитных свойств горной породы. В данном случае определяется направленность крошечных намагниченных частиц породы, которые, словно «окаменелый компас», сохранили информацию о направлении магнитного поля Земли на момент образования горной породы. За счет того, что на протяжении миллионов лет магнитное поле Земли постоянно смещалось и неоднократно даже полностью меняло свою полярность, этот метод позволяет определить промежуток времени, в течение которого образовалась горная порода и содержащиеся в ней окаменелости. Для датировки грекопитека наряду с прочими методами мы применяли и магнитную стратиграфию.
Другие способы основываются на циклических процессах, протекающих через точно известные промежутки времени. Речь идет как о смене дня и ночи или летних и зимних циклов, так и колебаниях солнечного излучения. Из-за воздействия существующих в нашей Солнечной системе гравитационных сил солнечное излучение циклически варьируется в любой точке Земли. В низких и средних широтах этот цикл длится 20 000 лет, в верхних широтах, вблизи полюса, продолжительность цикла увеличивается вдвое. В силу того, что солнечное излучение является значимым фактором, определяющим климатические процессы, естественные изменения климата часто также происходят в циклическом порядке. А эти естественные изменения климата, в свою очередь, сказываются на свойствах горных пород. Например, в теплом климате образуются не такие осадочные отложения, как в холодном. Поэтому свойства горных пород, которые зависят от климатических условий, также можно использовать для определения их возраста.
Итак, в нашем распоряжении имеется весьма широкий спектр различных методов датировки, правильное применение которых позволяет определить возраст находок с погрешностью менее одного процента. Например, событие, произошедшее миллион лет назад, можно датировать с погрешностью в 10 000 лет. Иными словами, события вчерашнего дня можно воссоздать с точностью до четверти часа.
Крошечные следы крупных событий
Однако одной лишь точной датировки находок недостаточно, чтобы вписать их в контекст истории развития Земли. Такой же важностью обладает и воссоздание окружающей среды тех времен на основе прочих органических и неорганических элементов, содержащихся в горных породах. Конечно, окаменелости и сами являются органическими останками, только особенно крупными и заметными. Но наряду с ними в горных породах имеются и другие источники информации, которые во время исследований часто не принимаются во внимание. Так, микроскопические ископаемые нередко рассказывают нам о прошлом больше, нежели крупные кости. Например, одноклеточные водоросли дают нам сведения о качестве воды в прошедших эпохах, а в крошечных известковых скелетах животного планктона содержится информация о температуре древних океанов, содержании в них соли и направлении течений. Сегодня можно выявить в породе даже отдельные органические молекулы. Часто они являются единственными сохранившимися следами, которые оставили после себя наиболее древние живые организмы, населявшие нашу планету.
Невероятно важным источником информации является также окаменелая пыльца. Она помогает не только опознать отдельные виды растений, но и воссоздать всю растительность экосистем прошлого.
Если нежная органическая пыльца, содержавшаяся в отложениях, до нашего времени не дошла, то для анализа всегда можно использовать фитолиты – микроскопические кварцевые частицы, которые присутствуют в клетках большинства растений. По сравнению с пыльцой они обладают более прочной структурой и часто лучше сохраняются на протяжении длительных промежутков времени. Из сгоревших элементов растений также можно получить множество сведений. Например, даже благодаря крошечным частицам древесного угля можно выяснить, как часто в регионе случались пожары и какие именно растения становились жертвой огня.
Столь же полезными могут оказаться и органические остатки на орудиях труда или в сосудах, которыми пользовались люди. Проанализировав их, можно понять, мололи ли наши предки зерно при помощи того или иного каменного инструмента или резали им мясо, и определить, что именно они хранили в глиняном горшке – кровь, молоко, мед, вино или даже сыр. Часто для этого достаточно одного глиняного черепка.
Если внимательнее изучить неорганические элементы, содержащиеся в породе, то перед нами откроются новые пути к пониманию прошлого. К примеру, размер, форма и слоистость отдельных частиц горной породы подскажут нам, образовались ли осадочные отложения в море или озере, нанес ли ветер материал из пустыни или же он сформировался в почве густого леса, принес ли его стремительный ручей или ленивое течение. Даже крошечные пылинки могут нам кое-что поведать: если когда-нибудь в прошлом их принесло штормом, на их поверхности останутся особые царапины, которые можно будет увидеть под микроскопом. Подробнее мы это рассмотрим в следующей главе, посвященной среде обитания грекопитека.
Химический состав минеральных компонентов горных пород также раскрывает ценную информацию о палеосреде. Так, за счет обмена веществ бактерий во влажной почве скапливаются намагниченные частички оксида железа. Исследовав их при помощи магнитометра, можно получить сведения об интенсивности осадков в течение некой эпохи. В свою очередь, анализ свойств изотопов кислорода, содержащихся в кальците, дает представление о температуре почвы и химическом составе дождевой воды, характерных для давно прошедших стадий развития Земли. Таким образом можно определить даже высоту региона, в котором некогда образовались ископаемые останки.
Благодаря внедрению этих методов сегодня раскопки проводятся совершенно иначе, чем раньше. Усилия исследователей теперь направлены на то, чтобы вписать находки в их геологический контекст, и поэтому все связанные с ними обстоятельства необходимо тщательно фиксировать. По этой причине прежде чем извлечь ископаемые останки из фундамента, ученые измеряют их положение при помощи тахиметра[129]. Кроме того, нужно брать многочисленные пробы почвы и детально изучать условия образования пластов породы над находкой и под ней. Затем необходимо сделать снимки окаменелостей in situ, то есть на месте находки, чтобы зафиксировать их состояние. Хрупкие образцы часто заливают гипсом еще в земле и только позднее, уже в лаборатории, их извлекают из этой защитной оболочки. Новые методы, например лазерное сканирование, позволяют также воссоздать место находки на компьютере, как это сделали при изучении следов, найденных на Крите. Любая деталь, любое наблюдение, сделанное в процессе полевых работ, могут оказаться значимыми спустя некоторое время. Все, что не было задокументировано и зафиксировано, утрачивается навсегда, потому что в ходе раскопок неизбежно разрушается контекст находок. Поэтому серьезные раскопки в большинстве случаев мало чем напоминают захватывающую погоню за ископаемыми.
Важна каждая деталь
В том, что касается проведения раскопок с использованием современных методов и техник, палеонтологам, то есть исследователям вымерших животных, многому еще можно поучиться у археологов, работающих с предметами человеческой культуры [kulturelle Hinterlassenschaften]. Дело в том, что часто археологические раскопки проводятся значительно тщательнее. Если взглянуть на коллекции ископаемых останков, хранящиеся в музеях и исследовательских институтах, то складывается впечатление, что наши предки и их родственники оставили после себя только зубы и иногда кости. Среди прочего это объясняется тем, что благодаря прочной эмали зубы гораздо устойчивее к разрушению, чем более мягкие кости, и поэтому лучше сохраняются на протяжении длительных промежутков времени. Так, на сегодняшний день нам известны около 100 вымерших видов людей и человекообразных обезьян, а кости скелета, по-моему, были обнаружены лишь в случае четверти случаев.
И все же по собственному опыту я знаю, что весьма распространенной причиной подобного пробела являются ошибки, допущенные во время полевых работ. Сегодняшнюю ситуацию в области палеонтологии я часто сравниваю с той, которая характеризовала археологию в XIX веке, когда, следуя примеру Шлимана, все искали только драгоценные предметы[130]. Поэтому палеонтологов все еще часто называют «охотниками за ископаемыми». Точно так же, как и обычный охотник, который по собственному усмотрению выбирает добычу (например, стреляет только в оленей с рогами в шесть ветвей), охотник за ископаемыми ищет только то, что хочет найти; или вовсе ничего не находит.
При таком подходе в расчет идут только трофеи, и ценностью они обладают совершенно разной. Найти зуб престижнее, чем кость; останки обезьяны важнее останков лошади; млекопитающие имеют большую значимость, чем рыбы, не говоря уже о растениях. Ну а на самой нижней ступени такой иерархии находятся горные породы и осадочные отложения. Из-за подобного субъективного отбора невозможно проводить дальнейший анализ окаменелостей, ведь иногда по его вине исследователи и вовсе не находят кости скелета, играющие ключевую роль в интерпретации останков. Во время раскопок Удо, нашей обезьяны из региона Алльгой, мы обнаружили не только голень, локтевую кость и позвоночник, но и кости запястья, а также фаланги пальцев. Как правило, непосредственно во время раскопок невозможно определить, кому именно принадлежали настолько мелкие кости или их фрагменты. Только в лаборатории, после соответствующей очистки и анатомического исследования, можно сказать, соответствуют ли кости запястья скелету обезьяны или это и вовсе кости оленя, только после тщательного анализа можно определить, принадлежат фаланги пальцев или коленная чашечка хищнику или нет. Даже в случае с Удо большую локтевую кость и голень мы опознали лишь в лаборатории.
В «кузнице» мы обнаружили даже тазовую кость новорожденного слоненка – первую в мире находку такого рода. По размеру она немногим больше ладони, и во время раскопок мы приняли ее за часть панциря черепахи. Однако мы аккуратно извлекли эту хрупкую кость, и теперь благодаря ей и остальным элементам скелета слона можно получить ценные сведения о биологических особенностях этого вида и о возможных причинах его вымирания.
Поэтому проводя раскопки в поисках ископаемых останков, я придерживаюсь нескольких основополагающих принципов. Без сомнения, самый важный из них гласит: нет ни плохих, ни хороших находок. Все их нужно извлекать и документировать с особой тщательностью. Кроме того, следует фиксировать все наблюдения, сделанные в ходе полевых работ, потому что любое из них может оказаться значимым. Интенсивные раскопки всегда должны находиться в приоритете по отношению к экстенсивным поискам, или, говоря точнее, охоте. Насколько многогранное и наглядное представление об истории развития человека можно сформировать, следуя этим принципам, мы продемонстрируем на примере воссоздания среды обитания грекопитека.