книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

i. Экологические кризисы в истории Земли

Биологическая эволюция — это процесс целенаправленного последова­ тельного приобретения экосистемами необратимых и устойчиво воспроизво­ дящихся свойств с целью адаптации к постоянно изменяющимся природным у с л о в и я м . Естественно полагать, что этот процесс постепенный. Однако ок­ ружающая среда может испытывать стремительные изменения, и тогда ряд экосистем оказываются не готовыми к столь быстрой перестройке и вынуж­ дены уходить со сцены эволюции. Масштабные ситуации, которые негатив­ но затрагивают множество экосистем, принято называть глобальными биоти­ ческими кризисами. Фактически это критические периоды (10—15 млн лет) перестройки структуры всей биосферы. Важнейшей составной частью та­ ких кризисов являются массовые вымирания биоты. На освободившихся экологических нишах происходит «омоложение» сообществ различного уров­ ня, что обеспечивает ускоренную эволюцию всей биосферы в целом [Алек­ сеев А.С., 1989].

Наиболее чутким показателем состояния биосферы является таксономи­ ческое разнообразие всей биоты. Оно зависит прежде всего от устойчивости среды. Например, современные фауна и флора, свойственные полярным об­ ластям (неустойчивая среда), характеризуются низким таксономическим разнообразием, тогда как в тропиках и в океане, где постоянство условий су­ ществования сообществ выдерживается достаточно длительное время, раз­ нообразие максимально [Алексеев А.С., 1989]. Следовательно, любая значи­ тельная дестабилизация окружающей среды будет приводить к снижению разнообразия биоты и даже к глобальному биотическому кризису. На рис. 1 приведены изменения таксономического разнообразия морской биоты на уровне семейств в фанерозое. Наибольший интерес при изучении биоти­ ческих кризисов представляют массовые вымирания (МВ) — более или менее одновременное в глобальном масштабе исчезновение многих так­ сонов высокого ранга, принадлежащих различным группам организмов, и резкое сокращение численности тех таксонов, которые полностью не исчезают.

Среди них отчетливо выделяются 4—5 наиболее крупных вымираний. Они настолько резко запечатлены в палеонтологической летописи, что стали одной из причин разделения фанерозоя (600 млн лет) на три эры: палеозой­ скую, мезозойскую и кайнозойскую. Кроме того, легко распознаются еще около 15 событий меньшей амплитуды и продолжительности. Всего же, по наиболее оптимистичным оценкам, можно насчитать до 29 событий МВ. Первый вывод, напрашивающийся из этого анализа: всей природе имманент­ но присуще нестабильное развитие. Оно изобилует резкими изменениями в процессе эволюции.

Цель каждого ученого — найти главную причину столь значимых ка­ тастрофических событий, чтобы владеть волшебным «зеркалом» прогноза. Попробуем оценить реалии.

И

Введение

Для наиболее крупных вымираний указаны проценты исчезающих семейств. Условные обозначения: £ — кембрий; О — ордовик; S — силур: D — девон; С — карбон; Р — пермь; Т — триас; J — юра; К — мел; Р — палеоген; N — неоген; п — число семейств.

Рис. L Динамика вымирания семейств морских организмов в фанерозое [Алек­ сеев А.С., 1989]

12

I. Экологические кризисы в истории Земли

Большие массовые вымирания

Наиболее полный анализ по данному вопросу сде­ лан А.С. Алексеевым (1989 г.). Мы частично воспользуемся его данными, чтобы сопоставить причины вымирания.

Ордовикско-силурийское МВ. Только в конце ордовика исчезло свыше 40% родов морских организмов. Согласно подсчетам Д. Раупа и Дж. Сепкоски (1986), скорость вымирания составила 19,3 семейства за 1 млн лет. В качестве причины обычно указывают оледенение с центром, располо­ женным в Северной Африке, которое вызвало глобальную регрессию (по­ нижение уровня) моря.

Пермско-триасовое МВ. Исчезло около половины семейств и свыше 90% родов морских животных. Фактически почти исчезли палеозойские живот­ ные. В качестве причины чаще всего рассматривается сильнейшая регрессия в течение второй половины пермского периода, когда шельфы либо полно­ стью осушились, либо были заняты эвапоритовыми (солеными) бассейнами, кроме того, нарастала сезонность климата с элементами кратковременных похолоданий. При этом отметим, что максимальное число животных и рас­ тений обитает в зоне проникновения солнечного света, т.е. на шельфе.

Триасово-юрское МВ. По имеющимся оценкам [Рауп Д.М., Сепкоски И.И., 1982], на переходе от палеозоя к мезозою (норийский век) скорость вымирания морских животных составила 10,8% семейств за 1 млн лет. Причины данного МВ пока полностью не ясны.

Мел-палеогеновое МВ. Фиксируется на всех таксономических уровнях. Только в маастрихтском веке перестало существовать 16,3% семейств, исчез­ ло 43,9% родов. В целом уровень вымирания видов из 9 групп достигает 90%. Отмечается падение продуктивности фотосинтезирующих организмов на протяжении нескольких миллионов лет в палеоцене. Основная гипотеза, претендующая на главную причину: падение крупного астероида на поверх­ ность Земли. В тонких прослоях глин этого периода обнаружено повышен­ ное содержание осьмия и иридия — редких химических элементов в земных породах. Повышенное содержание их связывают в основном с космиче­ ским происхождением.

Малые массовые вымирания

Франско-фаменское МВ. Уровень вымирания семейств морских живот­ ных оценивается в 13,2%. В этот период зафиксированы следы развития обстановок без кислорода, похолодания и вулканической активности.

13

Введение

Фаменско-турнейское МВ. Уровень вымирания семейств морских жи­ вотных оценивается в 14%. Для этого периода характерна глобальная пере­ стройка среды. В это время в морских бассейнах развились безкислородные, застойные обстановки.

Серпуховско-башкирское МВ. Уровень вымирания составляет около 35%. Причины неясны.

Сеноманско-туронское МВ. По данным А.С. Алексеева, вымирание для морских и наземных животных на уровне семейств составляет 5,2%. Однако в это же время появляется 18,5% новых семейств. Наиболее популярными объяснениями МВ являются резкие колебания уровня океана и развитие безкислородных обстановок.

Эоценово-олигоценовое МВ морских животных оценивается в 2% на уров­ не семейств. Отмечено также вымирание млекопитающих животных в на­ земных биоценозах. В качестве причины рассматривается глобальное похо­ лодание. Считается, что именно с этого времени возник современный океан с холодными придонными водами, сформировалось оледенение.

Плейстоценово-голоценовое МВ (10—11 тыс. лет назад) и современные МВ. Исчезло большое число родов и видов преимущественно крупных млекопитающих. Диахронность этого события на разных материках увязы­ вается с заселением человеком неосвоенных пространств и с истреблени­ ем крупных животных в результате быстрого роста человеческого населе­ ния и хищнического обращения человека с природой.

Все это обусловлено также техногенным совершенствованием деятель­ ности человека. Самое массовое вымирание, по-видимому, еще впереди. По имеющимся оценкам, дождевые леса могут исчезнуть к 2050 г., а вме­ сте с ними — множество обитающих там видов. Современные вымирания удобно разделить на несколько экологических кризисов. Это связано с тем. что человеческая популяция не испытывала в это время сильных сокраще­ ний. Все зависело от нескольких параметров: роста численности человече­ ских групп, их оснащенности оружием для охоты и способности мигриро­ вать на новые территории, что давало возможность для более широкой адаптации. Наиболее полный анализ этого периода приведен у Н.Н. Ворон­ цова в работе «Экологические кризисы в истории человечества» (1999 г.). Ограничимся кратким изложением этого раздела.

Первый экологический кризис. Характеризуется вымиранием мамонтов, шерстистого носорога, пещерного медведя и пещерного льва. На Пржедмостской стоянке палеолитического человека (Чехия) были найдены останки тысячи мамонтов. Под Новосибирском на стоянке Волчья Грива обнаруже­ ны кости мамонтов от 2 тыс. особей (возраст 12 тыс. лет).

В декабре 1994 г. французские спелеологи открыли пещеру Шове — древ­ нейшую из известных галерей верхнепалеолитического искусства. Возраст ее

14

1. Экологические кризисы в истории Зелии

фресок — 31 тыс. лет! Пещера Шове открывает новый спектр изображе­ ний млекопитающих того времени. Наряду с относительно редкими ри­ сунками мамонта (среди них изображение мамонтенка, поразительно на­ поминающее обнаруженного в вечной мерзлоте Магаданской области ма­ монтенка Диму), альпийского козерога в пещере есть много изображений двурогих носорогов, нешерстистых носорогов, пещерных медведей, пещер­ ных львов, тарпанов. Уничтожены были мамонты, пещерный лев и пещер­ ная гиена. Исчез пещерный медведь, который по размерам вдвое превышал бурого медведя. Этот вид был приурочен к карстовым ландшафтам и стал не только конкурентом человека по использованию убежищ, но и важным объектом охоты. Массовому уничтожению подверглись зубры.

Загонно-облавная охота на крупных млекопитающих могла прокор­ мить ограниченные по численности популяции человека. Согласно расче­ там В.М. Массона, во времена верхнего палеолита в эпоху ашель в ПрутоДнестровском междуречье могли существовать 10—12 охотничьих орд об­ щей численностью 250—300 человек. В эпоху мустье население этой терри­ тории возросло на треть и составило 320—370 человек. В пищу в основном использовалось мясо пещерного медведя, тарпана, зубра, северного оленя, на долю которых приходилось до 83% добычи. Увеличение численности на­ селения усиливало антропогенный пресс и привело практически к полному истреблению пещерного медведя. На территории Молдавии известны па­ леолитические стоянки времен ашеля и мустье, где найдены останки до 6 тыс. особей пещерного медведя. К концу верхнего палеолита пещерный медведь исчезает из рациона первобытного человека и на Кавказе. Интен­ сивный антропогенный пресс испытали и другие виды млекопитающих, хотя они и не были полностью уничтожены. На стоянке Солютре (середи­ на верхнего палеолита) во Франции были найдены останки около 10 тыс. диких лошадей — тарпанов. На Амвросиевской стоянке на Украине были найдены останки тысяч зубров.

Постепенный рост численности населения в верхнем палеолите, ис­ требление человеком одних видов и сокращение популяции других приве­ ли человечество к первому в истории экологическому и экономическому кризису. Загонно-облавная охота на многих копытных животных равнин­ ных и горных ландшафтов не была эффективной, так как их трудно до­ быть с помощью копья. Кардинальный выход из этого экологического кризиса был найден в ходе неолитической революции.

Второй экологический кризис относится к мезолиту. В это время был изобретен лук, что способствовало расширению охотничьих приемов, на­ пример, возникла охота с собаками. На рисунках мезолита впервые появля­ ются сцены сражений. В жизнь человечества вошли войны. Расселившийся по Ойкумене человек продолжал и в мезолите наступление на природу. Од­ ной из первых жертв береговых поселений зверобоев на тихоокеанском по­

15

Введение

бережье Америки и на Алеутских островах стала морская корова. Этот круп­ нейший вид сирен обитал от севера Хоккайдо через Курилы и юг Камчатки к Командорам, Алеутским островам и по тихоокеанскому побережью Север­ ной Америки. Известны находки черепов этого вида сирен близ Сан-Фран­ циско, датируемые по радиокарбону возрастом в 22,5—19 тыс. лет. Еще 12 тыс. лет назад морская корова встречалась на Алеутах. С появлением позднепа­ леолитических и неолитических зверобоев она исчезала. На Командорах она дожила до экспедиции Беринга и была полностью истреблена русскими зве­ робоями за 27 лет. То, что морская корова дожила на Командорах до XV11I в., служит косвенным свидетельством заселения человеком Северной Америки через Берингийский мост, а не через Командоро-Алеутскую гряду.

За мезолитом (в разные сроки на разных территориях) наступил не­ олит. Для этого периода характерным является изготовление шлифованных каменных орудий, изобретение сверления камня, появление топора, изо­ бретение формовки и отжига глины для изготовления посуды. Соответст­ венно выделяют докерамический и керамический неолит.

Главным событием эпохи неолита была так называемая неолитическая революция — переход от собирательства и охоты к растениеводству, связан­ ному с возникновением культурных растений, и животноводству, связанно­ му с одомашниванием животных. Для домашних животных требовались па­ стбища, и дикие животные вытеснялись с мест своего коренного обитания.

Итогом неолитической революции стало возникновение сельского хо­ зяйства, которое распространялось в страны Средиземноморья, юга Евро­ пы и далее на восток. Возник сильнейший антропогенный пресс на паст­ бища и пашни.

Перейдя от собирательства и охоты к земледелию и животноводству, человечество стало обеспечивать себя продуктами питания, в результате его численность росла. Одновременно быстро увеличивалось поголовье до­ машних животных — это миллионные популяции домашних коз и овец, несколько десятков тысяч голов крупного рогатого скота, лошадей, ослов и верблюдов. С целью расширения земледельческих угодий наши предки сжигали леса и на пожарищах разбивали поля. Из-за примитивного земле­ делия земля быстро истощалась, тогда сжигались новые леса. Сокращение площади лесов вело к снижению уровня рек и грунтовых вод.

Крупнейшим экологическим результатом неолитического скотоводст­ ва стало возникновение пустыни Сахара. Как показали исследования французских археологов, еще 10 тыс. лет назад на территории Сахары бы­ ла саванна, в ней жили бегемоты, жирафы, африканские слоны, страусы. Человек в результате перевыпаса стад крупного рогатого скота и овец пре­ вратил саванну в пустыню. Пересохли реки и озера — исчезли бегемоты, погибла саванна — исчезли жирафы, страусы, большинство видов антилоп. Вслед за гибелью североафриканских саванн исчез и некогда многочислен­ ный здесь крупный рогатый скот.

16

/ . Экологические кризисы в истории Зеши

Важным результатом освоения земледелия стало появление рядом с че­ ловеческими поселениями синантропных животных. На запасах зерна кор­ мились домовые мыши. От дикоживущих видов домовых мышей в течение 10—12 тыс. лет обособились синантропные виды, живущие в домах. Позд­ нее, с развитием крупного зернового хозяйства, появились курганчиковые мыши, которые жили в зерновых полях, создавая в своих курганчиках за­ пасы зерна.

Опустынивание обширных территорий в неолите стало причиной вто­ рого экологического кризиса. Из него человечество вышло двумя путями: 1) за счет продвижения на север, где по мере таяния ледников освобожда­ лись новые территории; 2) за счет перехода к поливному земледелию в до­ линах великих южных рек — Нила, Тигра и Евфрата, Инда и Ганга, Янц­ зы и Хуанхэ. Именно там возникли древнейшие цивилизации.

Поливное земледелие было несомненным прогрессом. Повысилась уро­ жайность, увеличились поселения человека, возросло число ирригационных каналов. Однако рост численности домашних приводил к опустыниванию около населенных пунктов. Козы уничтожали деревья. Перевыпас способ­ ствовал сведению кустарников и лесов вокруг поселений. Выбивание паст­ бищ вело к возникновению песчаных пустынь. Ирригация сопровождалась засолением почв и способствовала развитию глинистых и солончаковых пу­ стынь на залежных землях.

Расширение поливного земледелия в предгорных районах потребовало террасирования склонов, что преобразило исходный ландшафт. На рисо­ вых полях возникли благоприятные условия для развития личинок маля­ рийного комара. Если до поливного земледелия с малярийным комаром со­ прикасались лишь охотники и рыболовы во время посещения плавней, то в связи с появлением цивилизаций на берегах Нила, Месопотамии, Мургаба и Амударьи, Инда, Хуанхэ и Янцзы такой контакт стал постоянным, что способствовало распространению малярии. По-видимому, в то время на­ чался эффективный отбор мутантных гемоглобинов человека. Ирригация приводила к смыву почв, заиливанию русел и устьев рек, расширению дельт. Увеличение производства риса в Китае и Юго-Восточной Азии привело в действие новые антропогенные факторы: возросло поступление в атмосфе­ ру метана за счет сеяния риса и углекислого газа, за счет сжигания лесов под пастбища. На нашей планете впервые возник парниковый эффект — проблема, которая со всей остротой встала перед человечеством в послед­ ней трети XX в.

Советский ученый А.В. Шнитников, американский ученый А. Идде ус­ тановили прямую связь между изменением солнечной активности, содержа­ нием в атмосфере Земли изотопа углерода 14С и циклическим изменением климатических особенностей на Земле. Так, помимо 11-летнего солнечного цикла, ими установлено наличие 1850-летнего цикла: в течение примерно 300—500 лет на Земле господствует прохладно-влажная фаза, затем пример-

17

Введение

но 1000 лет — сухая и теплая фаза, остальные годы — переходные. В допромышленный период хозяйственная деятельность сильно зависела от климата.

Минимум

Условные обозначения: 1 — гипотетическое изменение солнечной активности; 2 — максимумы солнечной активности; 3 — минимумы солнечной активности.

Рис. 2. График солнечной активности [Эдди Дж., 1978] изменения индекса поч­ вообразования в течение последних 5000 лет [Иванов И.В., Лисецкий Ф .Н., 1994]: а — солнечная активность (по содержанию 14С в кольцах деревьев; б — солнечная активность (по огибающей числа солнечных пятен); в — значение индекса почво­ образования

18

1. Экологические кризисы в истории Земли

Периоды формирования и расцвета цивилизаций приходятся в основ­ ном на фазы «весен» и «осеней» климатических циклов, т.е. на переходы от влажности и холода к сухому и теплому климату и наоборот. Техноло­ гия хозяйствования высоких цивилизаций не выдерживала напора стихии, и цивилизации гибли. В то же время варвары, жившие по окраинам циви­ лизаций, адаптировавшиеся на худших условиях, спокойно воспринимали эти периоды и укрепляли свое состояние за счет разрушения цивилизаций. В итоге новая цивилизация возникала в новом месте (рис. 2).

Экологические последствия эпохи Великих географических открытий

За 500 лет, прошедших со времени первого плава­ ния Колумба, мир неузнаваемо изменился. Список вывезенных из Америки и завезенных туда видов культурных растений, домашних животных, синантропных видов огромен. Многие акклиматизированные виды на новом ме­ сте играют большую экологическую, экономическую и культурную роль, чем у себя на родине. Сейчас трудно представить себе Россию без картофе­ ля, Украину — без подсолнечника и кукурузы, Болгарию — без томатов, Грузию — без фасоли и чая, Узбекистан — без хлопчатника. Канада немыс­ лима без пшеницы, Дикий Запад США или Аргентина — без крупного ро­ гатого скота и лошадей, Австралия и Новая Зеландия — без овец.

Интенсивное внедрение новых видов животных и растений, развитие земледелия и животноводства вновь привели к наступлению на дикую природу. Численность населения Земли к 1500 г. составила около 350 млн человек, среди них охотников, рыболовов и собирателей было 1%. После­ дующее освоение США, Канады, Бразилии, Аргентины, Сибири, Австра­ лии привело к существенной гибели природы этих стран, резкому сокра­ щению численности аборигенов, уничтожению многих видов животных. Вместе с тем благодаря новым растительным ресурсам, все большему ос­ воению территорий под животноводство резко возросла численность на­ селения на планете. Внедрение новых видов растений в культуру сыграло не меньшую роль, чем неолитическая революция и «зеленая» революция второй половины XX в. Численность крупного скота достигла нескольких сотен миллионов голов, а мелкого скота — нескольких миллиардов. Никог­ да ни один вид диких млекопитающих не достигал сопоставимой численно­ сти. Сегодня на Земле, по данным ФАО, насчитывается 2,2 млрд голов круп­ ного рогатого скота. Объем образующегося от них метана существенен, он должен учитываться в моделях глобального потепления. Таким образом, до­ машние животные становятся глобальным отрицательным экологическим фактором.

19

Введение

Моряки Колумба привезли в Европу из Вест-Индии сифилис. Испан­ ские конквистадоры завезли в Америку оспу. С испанскими мореплавате­ лями в Америку из Европы была завезена черная крыса. Ее расселению по Африке и Западной Индии способствовали португальцы. (Крысы, бегущие с тонущего корабля, — это именно черные крысы.) Мореплаватели ЮгоВосточной Азии завезли на острова Океании восточноазиатский вид чер­ ной крысы. Вместе с товарами человек расселил по свету и не слишком любящую морские путешествия серую крысу, или пасюка. Из Евразии рас­ пространились по миру синантропные домовые мыши. Для борьбы с крыса­ ми, мышами и змеями на тропические острова завозили из Индии мангустов. Мангусты успешно съедали крыс, потом уничтожали эндемичные виды гры­ зунов и птиц, а затем вымирали сами.

Особенно ранима фауна островов. На Мадагаскаре мальгаши в X—XII вв. уничтожили гигантских нелетающих страусообразных птиц эпиорнисов. В Новой Зеландии маорийцы уничтожили гигантских моа. К XVII в. на ост­ рове Маврикий был уничтожен гигантский нелетающий голубь дронт, или додо. В XVIII в. русские уничтожили морскую корову на Командорских ост­ ровах, в XIX в. европейские колонисты уничтожили аборигенов Тасмании, а в XX в. из-за конкуренции с завезенными сюда собаками (динго здесь не было!) исчез сумчатый волк.

В настоящее время человечество наконец начинает осознавать масшта­ бы происходящего ныне экологического кризиса. При существующих тем­ пах рубки лесов к 2061 г. на Земле могут полностью исчезнуть сомкнутые леса. Катастрофически падает биологическое разнообразие планеты, а вме­ сте с этим снижается устойчивость экосистем. Именно поэтому важно оце­ нить уроки былых экологических кризисов в жизни Земли.

Если попытаться провести анализ причин массовой гибели животного мира, то мы не получим однозначного ответа. Одни ученые склоняются к точке зрения, что в периоды 250 млн (граница перми и триаса) и 65 млн лет назад (граница мела и палеогена) причиной гибели могли быть гигантские взрывы от падения астероидов или крупных кусков комет (кратеры ~ 50 км в диаметре) (см. табл. 1).

Из табл. 1 совершенно очевидно, что нет ни одного случая четкой связи возникновения кратера диаметром 50 км и более с кризисами биоты. Сейчас возлагаются надежды на кратер Чикскулуб, обнаруженный на дне моря у бе­ регов Америки. Предполагаемый диаметр кратера 250 км. Однако почти та­ кой же по размерам кратер До Лунь в Китае (диаметр 180 км) в относитель­ но близком времени от его возникновения не имеет никаких вымираний. Кратер Попигай, имеющий диаметр около 100 км и расположенный на тер­ ритории России, также не связан с массовыми вымираниями.

Анализ воздействия оледенений в истории Земли показывает анало­ гичную картину, т.е. существует только два близких совпадения.

20