Геотоксикология, как фактор глобальной эволюции.

Геологическая наука детально понимает и знает, что такое планетарная экологическая катастрофа или биосферная катастрофа. Она фиксируется «в камне», косном веществе и неоднократно.

На сегодняшний день считается, что возраст Земли, составляет 4,537 млрд лет [Broad bounds on Earth’s accretion and core formation constrained by geochemical models; http://www.nature.com/ngeo/journal/v3/n6/full/ngeo872.html].

Первичная атмосфера Земли была восстановительной, анаэробной. Первые признаки живого вещества на Земле принято связывать с формацией Исуа (Isua) в Гренландии, где были обнаружены углеродистые прослои органического (бактериального) происхождения. Возраст первых отложений органического вещества - около 3,7 млрд. лет [Сообщение «Evidence for biogenic graphite in early Archaean Isua metasedimentary rocks», http://www.nature.com/ngeo/journal/v7/n1/full/ngeo2025.html].

Этими организмами были фотоавтотрофы, т.е. древнейшие организмы из формации Исуа, которые использовали в качестве источника энергии солнечный свет, в качестве питательного материала неорганические вещества, преимущественно углекислый газ и воду. В виде отходов они выделяли смертельный для них кислород - побочный продукт деятельности фотосинтезирующих организмов. Поступавший в атмосферу свободный кислород практически полностью связывался в окислительных реакциях. Атмосфера на протяжении, как минимум, полутора миллиардов лет оставалась анаэробной. За исключением небольших «кислородных оазисов» - предвестников будущей геотоксикологической катастрофы.

Начало архейской эры. Воды на Земле мало, вместо единого океана – глинистое болото. Температура воды, около 70-90⁰C, воздуха – около 120⁰C, плотная углекислотная атмосфера. Онколитический курорт!

Австралийский строматолиты. Дожили до наших дней.

Возник и свыше полутора миллиардов лет существовал удивительный мир прокариотных организмов, грибов, бактерий и цианобактерий. Строматолиты, онколиты и другие живые организмы потребляли в качестве питательных веществ цианосоединения, при этом выделяли в качестве отходов токсичные кислородсодержащие вещества. В итоге они произвели такое количество кислорода, которое уничтожило всю привычную палеобиоте биосферу. Это событие принято называть «кислородной катастрофой» или «кислородной революцией», т.е. глобальное изменение состава атмосферы Земли, произошедшее в самом начале протерозоя, около 2,4 млрд. лет тому назад. Океаны потеряли большую часть растворённого в воде железа, а на планете Земля образовалась насыщенная кислородом атмосфера, которую мы имеем практически в том же составе и на сегодняшний день.

Коренным образом изменился геохимический состав биосферы Земли. Как итог - катастрофа древних экосистем. Это и есть первая геотоксикологическая катастрофа известная нам в истории Земли. Из былого многообразия форм – выжили только единичные островки строматолитов. И как следствие долгое-долгое возникновение практически новой биосферной среды и новых существ.

Массовые вымирания большинства видов происходят время от времени. Эти процессы хотя и имеет катастрофические последствия для сложившейся биосферы, но растянуты на значительное время, как правило миллионы лет. Основным палеонтологическим признаком вымирания является резкое снижение биологического разнообразия таксонов суши и моря, а также существование значительного количества незаполненных долгое время биологических ниш.

Биосфера до Ордовикско-силурийского вымирания [©Getty Images]

Из сопоставления состава газов атмосферы в ключевых точках известной нам истории развития Земли следует, что геотоксикология является фактором глобальной эволюции. Перечислим эти ключевые точки:

• первые отложения органического вещества (появление жизни на планете) - около 3,7 млрд. лет;
• начало рифейской эпохи датируется – около 1,6 млрд. А рубеж рифея и венда (примерно 0, 68 млрд. лет) отмечается резким обеднением фитопланктона, что было связано с величайшим в истории Земли оледенением (0,7–0,6 млрд лет). После оледенения появились разнообразные крупные многоклеточные, которые повсеместно и очень быстро распространились, однако, практически полностью вымерли в начале второй половины вендского периода, то есть около 0,675 млрд лет);
• Ордовикско-силурийское вымирание, начало палеозоя. Вероятно, крупные тектонические потрясения, связанные с движением суперконтинента Гондвана – (сдвинулась близко к южному полюсу) привело к глобальному похолоданию, и как следствие, падению уровня мирового океана. В результате вымерло более 60% видов морских беспозвоночных, т.е. основных таксонов, населяющих Землю. – около 0,57 млрд. лет;
• Девонское вымирание, средний палеозой. Высокая вулканическая активность Земли привела к изменению уровня мирового океана и его кислородному обеднению. В результате вымерло 50% всех существовавших родов и почти 20% всех семейств. Два этапа - 374 и 359 миллиона лет назад.
• Великое Пермское вымирание, начало мезозоя. Граница пермского и триасового периодов. Вымирает 96% морских и более 70% наземных видов животных. Ни до, ни после на нашей планете не фиксируется столь масштабное опустошения биосферы. Этот период принято называть Великим вымиранием – около 252 миллионов лет назад;
• Триасовое вымирание, граница триаса и юрского периодов. Самое скоротечное из известных нам массовых вымираний. За 10 тыс. лет вымерло около 50% палеонтологически известных видов. Известно, что это время - начала распада сверхконтинента Пангея на отдельные континенты. Около 200 миллионов лет назад;
• Мел-палеогеновое вымирание, начало кайнозоя. Граница мелового и палеогенового периода. Около 65 миллионов лет назад фиксируется самое обсуждаемое в масс-медиа великое вымирание. Вымирают динозавры, морские рептилии, в том числе мозазавры и плезиозавры, летающие ящеры, многие моллюски, в том числе аммониты и белемниты, и множество мелких водорослей. Вымерло 16 % семейств морских животных (47 % родов морских животных) и 18 % семейств сухопутных позвоночных – около 65 млн. лет;
• Эоцен-олигоценовое вымирание, конец палеогена – начало неогена. Довольно «мягкое вымирание». Мы знаем о нём, благодаря хорошей сохранности палеонтологического материала. Оно незначительно превосходит фоновые значения смены видов. Процент вымирания видов в несколько раз превысил «фоновый» уровень – более 3% против 0,7%, что на порядок слабее мел-палеогенового вымирания. Эоцен-олигоценовое вымирание принято связывать, как с падением двух крупных астероидов 35 млн лет назад (~5 и ~4 км в диаметре соответственно), так и со значимой глобальной вулканической активностью 35-29 миллионов лет назад на всех Американских материках, а также в Африке и на Ближнем Востоке. Известно, что значительные площади в Северной Америке покрыты километровыми слоями отложений туфа и пепла эоцен-олигоценового возраста. Около 35-30 миллионов лет назад;
• Голоценовое вымирание. 11 000 лет назад, биосфера Земли начала переживать очередное «Великое вымирание» в своей истории. Здесь мы можем «гордится». Масштаб эоценового вымирания преодолён благодаря виду homo sapiens. Видовое разнообразие фауны нашей планеты к концу XXI века, по оценкам ряда ведущих университетов снизиться на 50%, в т.ч. для земной флоры более чем на 80%. 11 000 лет назад – настоящее время.

Сергей Германович Неручев

В начале 1980-х гг. С.Г. Неручев обратил внимание на то, что повторявшиеся в фанерозое с цикличностью ~30 млн лет биосферные кризисы и эпохи активизации геодинамических процессов сопровождались заражением вод Мирового океана ураном и другими редкими химическими элементами [Неручев С.Г. Уран и жизнь в истории Земли. - Л.: Недра. 1982. - 208 с.].

Следы Великого Пермского вымирания. Траппы Сибири. На поверхность Земли было вынесено около 5 миллионов кубических километров лавы на месте современной северной части Сибири. Этого достаточно, чтобы покрыть всю поверхность Земли 10 метровым слоем лавы.

Излияние лавы

В результате Сергей Германович сформулировал тезис, о том, что массовые вымирания биоты и последующие обновления ее видового разнообразия вызваны действием на живые организмы радиоактивных и других мутагенных элементов. Эти элементы циклически поступают из недр на поверхность в результате эндогенной активности Земли [Неручев С.Г. Преобразование планеты Земля живым веществом биосферы, Нефтегазовая геология. Теория и практика. – 2013, т.8, №1].

Это классические вопросы геотоксикологии. Перечислим все геотоксикологические события, связанные с массовыми вымираниями, включая вывод С.Г. Неручева о периодическом заражении бассейнов седиментации и биосферы:

• крупные ударные события внеземных тел;
• крупные вулканические пароксизмы;
• суперплюм, т.е. сверхпоток аномально нагретого глубинного вещества, струи которого в виде "мантийных плюмажей (плюмов)" поднимаются от ядра Земли;
• периодическое заражение бассейнов седиментации и биосферы в целом эндогенным ураном и тяжелыми металлами токсикантами;
• дегазации ядра Земли.

По соотношению эндогенных, экзогенных и космогенных факторов каждое массовое вымирание было абсолютно индивидуально и уникально.

Утраченная биосфера. [©Wikimedia Commons]

При каждом периоде массового вымирания существенно менялась геохимия биосферы, т.е. геотоксикологические признаки исчезновения видов на планете Земля – очевидны.

Развивая это направление было выполнено исследование «Геолого-геохимические закономерности распространения углеводородного сырья с потенциально-токсическими свойствами компонентов-примесей» [С.П. Якуцени. Распространенность углеводородного сырья, обогащенного тяжелыми элементами-примесями. Оценка экологических рисков. Недра, СПб, 2005, 372с].

В основе геологических условий накопления углеводородного сырья с токсическими свойствами лежит весь цикл онтогенеза органического вещества и углеводородов в осадочном чехле, а также рудная специализация осадочных пород, сформировавшаяся до или во время прохождения нефтематеринскими отложениями главной фазы нефтегазообразования.

Доказано, что тяжёлые элементы-примеси, основная часть которых токсична для биоты, накапливаются в надкларковых количествах в углеводородах только в тех нефтегазоносных бассейнах в которых процессы активного рудогенеза (эндогенного, экзогенного) опережали во времени главную фазу нефтегенерации или совпадали с нею.

Таким образом, на базе обширного фактического материала, представленного в исследовании, мы можем утверждать наличие генетической связи живого вещества при накоплении им токсичных элементов в ключевых точках известной нам истории развития Земли и последующего вымирания живого вещества в соответствии с геотоксикологическими факторами, как минимум в фанерозое. Это органическое вещество депонировало в себе токсичные компоненты, послужившие причиной геотоксикологических катастроф.

За геологически ничтожный срок существования технической цивилизации, человечество переместило и изменило такое количество планетарного вещества, что поставило под угрозу наше существование, как биологического вида. Пример из докембрийского времени со строматолитами и прокариотными сообществами для человечества является неожиданно актуальным. Либо мы вырабатываем механизмы самоспасения, либо, сформулированный Стругацкими принцип: «Будущее создается тобой, но не для тебя» и являющийся в эволюции биосферы фундаментальным проверим на себе уже в XXI веке.

Москва Постапокалипсис. Катастрофа комфортной нам экосистемы. Вороны так же не выживут.

Одним из сценариев дальнейшего развития биосферы Земли в зависимости от дальнейших изменений в геохимическом составе биосферы может быть сценарий ползучего отравления биосферы за счёт массового и одномоментного, в рамках геологического времени, освобождения токсических компонентов. Фактически мы стоим перед очередным коренным изменением геохимического состава биосферы Земли. Как итог - катастрофа комфортной нам экосистемы.

В настоящее время активное освоение человечеством депонированных в минеральных ресурсах, в том числе и органическом веществе токсикантов, приводит к проявлению негативной биологической активности продуктов рассеяния токсоэлементов в окружающей среде. Меняется геохимический облик целых регионов планеты.

При этом встаёт дилемма – какой сценарий развития будет нами сознательно выбран. Необходимо определить приемлемый для человечества баланс между «нишей выживания» и «нишей развития». Где «консервация» - это потеря пластичности вида и все риски, связанные с этим, а «неограниченное развитие» - перспектива надрыва, в т.ч. срабатывание невозобновляемой для человека ресурсной базы.