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 [1]. 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. Зеленокаменный пояс Исуа — это архейский зеленокаменный пояс на юго-западе Гренландии. Его возраст составляет от 3,7 до 3,8 миллиарда лет, рис. 1.

Рис. 1. Зеленокаменный пояс Исуа, архейский пояс на юго-западе Гренландии возрастом от 3,7 до 3,8 миллиарда лет [2].

Возраст первых отложений органического вещества - около 3,7 млрд. лет [3]. 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.

Рис.2. Так выглядят древнейшие строматолиты — наслоения бактериальных матов, в которых органические слои (сами маты) чередуются с неорганическими (осадками). На этих фотографиях строматолиты возрастом 3,48 млрд лет из формации Дрессер в Западной Австралии. Постройки имеют остро-коническую форму (слева) или форму пологого колокола или купола (справа). Фотографии из статьи M. J. Van Kranendonk et al., 2011. Morphology as an Indictor of Biogenicity for 3.5–3.2 Ga Fossil Stromatolites from the Pilbara Craton, Western Australia

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.

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, рис. 3.

Рис. 3. График изменения концентрации кислорода в атмосфере Земли. Первый резкий подъём – собственно «кислородная революция». Внимание! Любое деление использованной на иллюстрации логарифмической шкала соответствует порядковому (в десять раз) изменению значения.

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.

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.

Кроме того, около 50 миллионов лет назад открылся пролив Дрейка и примерно в это же время между Антарктидой и Австралией образовался Тасманский проход, в результате Антарктида была изолирована от остальных континентальных блоков, рис. 4. Всё это создало условия для формирования вокруг Антарктиды замкнутого потока холодных океанских вод. Хронологически полное отделение Антарктиды совпадает с началом устойчивого глобального похолодания. Начался рост ледников, материк покрылся льдами, ледяной щит эффективно отражал значительную часть солнечного излучения, региональное похолодание стало влиять на весь планетарный климат. Фиксируется значительное похолодание в Северной Америке, понижается уровень мирового океана, климат в Азиатской части становится пустынным. Леса в высоких широтах начали сменяться тундростепями, а углекислого газа стало не хватать. Причем эти события случились, по геологическим меркам, почти одновременно, с точностью до 100 тысяч лет [4]

Рис. 4. Основные течения и фронты в Южном океане и субантарктическом регионе: Антарктическое циркумполярное течение (AAC), Антарктическое прибрежное течение (ACoC), Антарктическая дивергенция (AD), Антарктическая конвергенция (AC), Субтропическая конвергенция (STC).

− 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.

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 [5]

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, рис. 5 [6].

Рис. 5. Тихоокеанский вулканический пояс. Камчатский полуостров. Фотография Сергея Якуцени ©.

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.

Всегда важно понимать, что наука не застыла в своём развитие, а продолжает жить, предполагать, устанавливать новые факты и ниспровергать старые. Интересная, полная приключений научная жизнь и жизнь Земли в её отражении. Вот и геотоксикология, как фактор глобальной эволюции, получила новое топливо для развития и дискуссии. Обсуждаем последствия взорвавшейся звезды Supernova 1987A и драматические изменения в кольце вещества вокруг погибшей звезды, рис. 6 и 7. Обсудим влияние подобных бесконечно далёких событий на нашу вполне земную жизнь.

Рис. 6. Сверхновая 1987A в Большом Магеллановом Облаке, соседней галактике с нашим Млечным Путем. Далекие звезды служат фоном для сверхновой 1987A, расположенной в центре изображения. Яркое кольцо вокруг центральной области - драматические изменения в кольце вещества вокруг взорвавшейся звезды Supernova 1987A. [7]

Рис. 7. Научная визуализация, основанная на данных компьютерного моделирования, показывает сверхновую 1987A как светящееся кольцо вещества, которое мы видим сегодня. Симуляция С. Орландо (INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo) [7]

В журнале «Ежемесячные извещения Королевского астрономического общества» (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) 12 марта 2025 г. опубликован пресс-релиз Королевского астрономического общества (RAS PR 25/10) «Сильные сверхновые «вызвали по меньшей мере два вымирания на Земле» (Violent supernovae 'triggered at least two Earth extinctions'): «Исследователи из Килского университета говорят, что эти сверхмощные взрывы, вызванные гибелью массивной звезды, могли ранее лишить атмосферу нашей планеты озона, вызвать кислотные дожди и подвергнуть жизнь вредному ультрафиолетовому излучению от Солнца. Они считают, что взрыв сверхновой вблизи Земли может быть виноват в событиях вымирания в позднем девоне и ордовикском периоде, которые произошли 372 и 445 миллионов лет назад соответственно. Ордовикское вымирание убило 60 процентов морских беспозвоночных в то время, когда жизнь в основном ограничивалась морем, в то время как поздний девон уничтожил около 70 процентов всех видов и привел к огромным изменениям в видах рыб, которые существовали в наших древних морях и озерах» [8]. Ордовикская и девонская биосфера, рис. 8 и 9.

Рис. 8. Живые существа ордовикского моря. Изображение в Киевском университете [9].

Рис. 9. Ракоскорпионы и грибные леса. Иллюстрация Юрия Приймака [10].

Таким образом список С.Г. Неручева может быть дополнен ещё одним возможным геотоксикологическим событием - сверхмощные взрывы, вызванные гибелью массивной звезды.

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

При каждом периоде массового вымирания существенно менялась геохимия биосферы, т.е. геотоксикологические признаки исчезновения видов на планете Земля – очевидны. Тектоническая и магматическая активность Земли и в настоящее время весьма высока. Наглядно это иллюстрирует рис. 10, где на поверхность модели Земного шара вынесены все наблюдаемые землетрясения в период с июля 2017 года по июль 2018 года [11].

Рис. 10. Наблюдаемые землетрясения в период с июля 2017 года по июль 2018 года [11]

Развивая это, направление было выполнено исследование «Геолого-геохимические закономерности распространения углеводородного сырья с потенциально-токсическими свойствами компонентов-примесей» [12].

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.

В результате 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.

Рисунок - 11. Распределение высоковязкой нефти в Евразии, Африке (а) и России (б) по глубине залегания [13]

Рисунок 12 - Распределение высоковязкой нефти Евразии и Африке по геологическим эрам (а) и стратиграфическим подразделениям (б) [13]

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.

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.

Список литературы

1. Rudge, J., Kleine, T. & Bourdon, B. Broad bounds on Earth’s accretion and core formation constrained by geochemical models. Nature Geosci 3, 439–443 (2010) doi:10.1038/ngeo872. В ссылке: URL http://www.nature.com/ngeo/journal/v3/n6/full/ngeo872.html

2. Зеленокаменный пояс Исуа. В ссылке: https://www.foxnews.com/science/are-these-earths-oldest-fossils-of-life-dispute-has-e-t-implications

3. Ohtomo, Y., Kakegawa, T., Ishida, A. et al. Evidence for biogenic graphite in early Archaean Isua metasedimentary rocks. Nature Geosci 7, 25–28 (2014) doi:10.1038/ngeo2025. В ссылке: URL http://www.nature.com/ngeo/journal/v7/n1/full/ngeo2025.html

4. Dorien de Vries, Steven Heritage, Matthew R. Borths, Hesham M. Sallam & Erik R. Seiffert. Widespread loss of mammalian lineage and dietary diversity in the early Oligocene of Afro-Arabia. Communications Biology | (2021) 4:1172

5. Неручев С.Г. Уран и жизнь в истории Земли. - Л.: Недра. 1982. - 208 с.

6. Неручев С.Г. Преобразование планеты Земля живым веществом биосферы, Нефтегазовая геология. Теория и практика. – 2013, т.8, №1

7. Supernova 1987A in the Large Magellanic Cloud, a neighboring galaxy of our Milky Way. В ссылке: URL: https://science.nasa.gov/missions/chandra/the-dawn-of-a-new-era-for-supernova-1987a/

8. Violent supernovae 'triggered at least two Earth extinctions'. В ссылке: URL: https://www.eurekalert.org/news-releases/1076684

9. An artist's rendering of fish-type creatures swimming on the seafloor. © Киевский национальный университет. В ссылке: URL: https://digg.com/2015/the-sixth-mass-extinction

10. Журавлёв А.Ю. «Сотворение Земли», Издательство «Альпина нон-фикшн», 2018. Серия: Библиотека фонда «Траектория», Страниц: 514, ISBN: 978-5-91671-902-4. Иллюстрация Юрия Приймака.

11. Землетрясения в период с июля 2017 года по июль 2018 года. Визуализация. В ссылке: URL http://glowy-earthquakes.glitch.me/

12. Якуцени С.П. Распространенность углеводородного сырья, обогащенного тяжелыми элементами-примесями. Оценка экологических рисков. Недра, СПб, 2005, 372с

13. Полищук Ю.М., Ященко И.Г. Высоковязкие нефти: анализ пространственных и временных изменений физико-химических свойств. Нефтегазовое дело, 2005. В ссылке: URL http://ogbus.ru/files/ogbus/authors/PolishukYu/PolishukYu_1.pdf