Доктор геолого-минералогических наук Алексей ГЕРМАН, Геологический институт РАН

Климат нашей планеты постоянно менялся в течение геологической истории и наиболее контрастно в арктических широтах, охватывающих значительную часть территории России. Во второй половине мелового периода (99,6 - 65,5 млн. лет назад) он разительно отличался от нынешнего. Другим был растительный и животный мир.

"ПЛАТАНЫ" В 1000 КМ ОТ ПОЛЮСА

Современная Арктика летом - это незаходящее солнце, необычно голубое яркое небо, чистейшие ручьи, текущие со снежников, не успевающие растаять зеленовато-голубые наледи на реках. Зимой - долгая полярная ночь, снег, закованный в ледовый панцирь океан. А еще эти края ассоциируются с бесчисленными стадами северных оленей*, тучами комаров, низкорослой растительностью**. Весной она бурно расцветает, чтобы за короткое лето произвести на свет семена, которые, перезимовав, дадут начало новой жизни. Но так было не всегда.

В позднемеловую эпоху глобальный климат Земли был необычно теплым. Ледовые полярные шапки тогда если и существовали, то по размерам значительно уступали современным. Теплолюбивые животные и растения проникали далеко в высокие широты Северного и Южного полушарий, леса распространялись вплоть до 85° с.ш. Словом, климат Арктики был схожим с современным умеренно-теплым гумидным: температуры наиболее теплого месяца, рассчитанные по строению листьев произраставших на этих территориях двудольных, составляли 17 - 22°С, наиболее холодного - от -2 до + 9, среднегодовые -в пределах 7 - 14°С, а среднемесячное количество осадков за вегетационный период колебалось в пределах 100 - 160 мм***. Но наиболее удивительно то, что все это сочеталось с резкой световой сезонностью: наклон земной оси и 100 млн. лет назад, скорее всего, мало отличался от современного, и, значит, в высоких широтах солнце зимой надолго, как и сейчас, скрывалось за горизонтом.

За год суммарное количество солнечной энергии в приполярных широтах ныне примерно вдвое мень-

* См.: Е. Е. Сыроечковский. Проблема северного оленя. - Наука в СССР, 1990, N 2 (прим. ред.).

** См.: В. Н. Большаков. "Зеленая горка" на Полярном круге. - Наука в России, 2004, N 5 (прим. ред.).

*** См.: А. Герман. Палеоботаника и древний климат Земли: воспоминания о будущем. - Наука в России, 2006, N 1 (прим. ред.).

Статьи данной рубрики отражают мнения авторов (прим. ред.)

стр. 36

Приток солнечной радиации на горизонтальную поверхность на разных широтах (без учета поглощения и рассеяния атмосферой) в зимнее и летнее полугодия и суммарный за год.

Очертания Западного внутреннего пролива в Северной Америке в коньякском веке мелового периода (87 млн. лет назад).

ше, чем в приэкваториальных, к тому же там наблюдается явный дефицит света зимой. Летом же его почти столько, как в низких широтах, за счет длительности дня, достигающей 3 - 5 месяцев. Кроме того, в высоких широтах выше содержание рассеянного света - он лучше чем прямой поглощается при фотосинтезе. Преобладание первого объясняется относительно низким положением солнца над горизонтом, а значит, и большей толщиной слоя воздуха, через который проходят лучи, высоким содержанием водяных паров в атмосфере, частой облачностью и туманами. Два фактора - долгий непрерывный день и обилие рассеянного света - создавали в теплой и влажной Арктике в эпоху позднего мела очень благоприятные условия для развития растительности.

И действительно, по всему северу Сибири, на северо-востоке России и на севере Аляски встречаются богатые захоронения древних растений этого возраста, причем наиболее северное из них на острове Новая Сибирь располагалось, судя по реконструкции положения полюса в меловом периоде, на северной палеошироте 82°. Новосибирская флора (возраст 89 - 93 млн. лет) отличалась богатством и разнообразием видов, среди которых преобладали родственники современных платанов с необычно крупными листьями. Растительность напоминала современные леса юга нашей страны, вот только располагалась она менее чем в тысяче километров от полюса!

Позднемеловой климат Арктики, таким образом, характеризовался умеренно теплыми температурами, большим количеством осадков и значительной световой сезонностью. Аналогов ему нет на современной Земле, его с полным правом можно назвать "вымершим". Он, вероятно, обеспечивал бурное развитие трав и деревьев летом, что давало обильный корм для крупных растительноядных динозавров, остатки которых находят в породах той эпохи на Чукотке и на севере Аляски. Высокая продуктивность растительности, видимо, способствовала и широкому распространению угленакопления в приполярных областях Азии и Северной Америки. В частности, ресурсы, сформировавшиеся в это время на северном побережье Аляски, оцениваются в 2,5*10¹² т высококачественных углей, что составляет около трети их запасов в США. Отложения такого рода известны также на севере Сибири и северо-востоке России, огромны запасы углей мелового периода и в бассейне реки Лены.

ТЕПЛЫЕ ТЕЧЕНИЯ

Что же поддерживало сравнительно высокую, положительную температуру в течение долгой полярной ночи в Арктике? Можно предположить: на этот показатель здесь главным образом влиял теплый Арктический бассейн, в котором льды если и образовывались зимой, то лишь в небольшом количестве. Да и был он гораздо теплее нынешнего Северного Ледовитого оке-

стр. 37

ана, о чем красноречиво свидетельствует отсутствие верхнемеловых ледниковых отложений в Северной Евразии. Арктический бассейн, по-видимому, демпфировал сезонные колебания температур вблизи побережья, существенно повышая их зимой и не давая им опускаться ниже нулевой отметки.

Чем же объяснить существование тогда необычно теплого Арктического бассейна, изолированного в то время от древнего Тихого океана Берингийской сушей, соединявшей Евразию с Северной Америкой? Автор статьи и английский палеоботаник и палеоклиматолог Роберт Спайсер предположили: он "подогревался" водами, поступавшими из приэкваториальных широт по Западному внутреннему проливу на Североамериканском континенте. На всем протяжении этот пролив был сравнительно мелководным, длина его составляла приблизительно 4800 км, ширина в фазы трансгрессии* достигала 1600 - 1800, а при регрессиях сокращалась до 800 км. Столь крупное образование российский геолог Дмитрий Найдин предложил именовать морем-проливом. О связи Западного внутреннего пролива с Арктическим бассейном и далее с Западно-Сибирским морем и более южными районами Азии свидетельствует распространение некоторых морских моллюсков, остатки которых найдены в указанных регионах.

Что же приводило в движение этот мощный поток вод? На наш взгляд, в роли "двигателя" оказывалось Северопассатное течение, пересекавшее в низких широтах океан Тетис и акваторию нынешней Центральной Атлантики с востока на запад. При встрече с материковым барьером в виде южной оконечности Северной Америки и цепей островов и отмелей между последней и северной частью Южной Америки оно поворачивало по часовой стрелке. Из-за этого происходило "подпруживание" в районе Карибского бассейна и возникал сильный сток в северном направлении вдоль восточного края Западного внутреннего пролива. По-видимому, наряду с этим мощным потоком существовало более слабое противотечение с севера на юг вдоль западного края пролива. Об этом красноречиво говорит распространение в Северной Америке крупных нелетающих зубастых морских птиц - гесперорнисов. Поданным доктора геолого-минералогических наук Льва Несова, опубликованным в конце XX в., они размножались скорее всего в высоких широтах: остатки молодых особей обнаружены лишь в Арктике, а на широте Канзаса встречаются только кости взрослых. Молодь, по-ви-

* Трансгрессия - наступление моря на сушу в результате опускания последней, поднятия океанического дна или увеличения объема воды в океаническом бассейне (прим. ред.).

стр. 38

Гипотетическая реконструкция основных морских течений (показаны стрелками) в Северном полушарии в позднем мелу. АО - Арктический океан, HS - Гудзонов пролив, NPC - Северопассатное течение, RS - Русский пролив, TS - пролив Тейхерта, TuS - Тургайский пролив, WIS - Западный внутренний пролив, WSB - Западно-Сибирский бассейн. Желтым обозначена суша, голубым - мелководные морские бассейны, синим - глубоководные.

димому, мигрировала к югу вдоль пролива по его западной стороне, и южных пределов своего распространения достигали птицы, за время долгого плавания становившиеся взрослыми. Обратная их миграция к северу перед периодом размножения проходила, очевидно, вдоль восточного края Западного внутреннего пролива.

Отток вод из Арктического бассейна предположительно происходил по узкому Атлантическому проливу между Фенноскандией и Гренландией (Атлантический океан в то время не существовал) и проливам, соединявшим Западно-Сибирский бассейн с Тетисом, о чем свидетельствует связь позднемеловых фаун Западно-Сибирского и Восточно-Европейского (или Русского пролива) бассейнов. Связующим звеном выступал Тургайский пролив, причем обмен водными массами и фаунами по нему происходил как в северном, так и в южном направлениях. По этому же проливу, вероятно, молодь гесперорнисов мигрировала на юг из области их размножения в Арктическом бассейне на севере и северо-востоке Фенноскандии. По восточной стороне пролива между Скандинавией и Британией, где, возможно, существовало течение с юга на север, эти птицы могли опять, будучи уже взрослыми, попадать в Арктический бассейн.

Таким образом, приведенные выше палеонтологические данные говорят: в течение всего позднего мела (исключая самый его конец) Арктический бассейн был относительно тепловодным, что предположительно является следствием более интенсивного, чем ныне, переноса тепла морскими течениями из экваториальной области по Западному внутреннему проливу-морю, и в конце мелового периода - по Тургайскому проливу.

КАК ПЕРЕЖИТЬ ТЕПЛУЮ ПОЛЯРНУЮ ЗИМУ?

На современной Земле аналога позднемеловой флоры Арктики нет. Глобальный климат теплее нынешнего существенным образом сказался на распределении типов растительности. Листопадные хвойно-лиственные леса в Арктике - одна из особенностей биосферы того периода, свидетельство влажного умеренного или умеренно-теплого климата высоких широт. Приполярные растения, по-видимому, не испытывали недостатка тепла и влаги в течение длительного (5 - 8 месяцев) вегетационного периода, а благодаря продолжительному дню и повышенному содержанию рассеянного света в общем потоке солнечной радиации получали достаточную для эффективного фотосинтеза энергию, вполне сопоставимую с получаемой

стр. 39

растениями низких и средних широт. Следовательно, вопреки распространенному мнению, не недостаток света летом, а недостаток тепла ныне ограничивает распространение лесов в Арктике.

Позднемеловая флора произрастала здесь в условиях резко сезонного по световому режиму климата. Сейчас на 75° с.ш. "глухая" полярная ночь длится около шести недель, до и после которых в течение еще примерно трех недель в дневное время суток наступают сумерки - солнце не поднимается над горизонтом. Средняя температура наиболее холодного месяца, реконструируемая по морфологии листьев покрытосеменных растений, редко опускалась ниже 0°С, для большинства из них была положительной и составляла 4 - 7, доходя почти до 9°С. Как известно.

скорость метаболизма, как и всех химических реакций, пропорциональна температуре. Следовательно, отсутствие света зимой в комбинации с положительной зимней температурой ставило флору Арктики в сложные условия, когда фотосинтез невозможен, а температура воздуха недостаточно низка для существенной приостановки метаболизма в листьях. Такие условия могли вести к чрезмерному расходу ресурсов растений, что особенно пагубно для молодой поросли. Организовать зимний покой в условиях сравнительно высоких температур растениям значительно труднее, чем при низких температурах. Как же такая задача решалась в Арктике?

В большинстве своем деревья были ветко- и листопадными, т.е. сбрасывали листву и даже облиствен-

стр. 40

Цикадофит Nilssoniocladus, остатки которого найдены на северо-востоке России и севере Аляски (возраст 99,6 млн. лет): А - строение удлиненного побега; В - укороченный побег с прикрепленными к его верхушке листьями; С - реконструкция растения.

ные укороченные побеги в неблагоприятный для роста период. Это относится к таким голосеменным древесным растениям, как кейтониевые, гинкговые, чекановские, многие хвойные. Вероятно, и цикадофиты (класс голосеменных древовидных растений) приполярных районов, вопреки распространенному мнению, не были вечнозелеными.

В Арктике в позднемеловую эпоху смена летнего радиационного режима (длинный световой день) на зимний (сумерки и полярная ночь) происходила, очевидно, как и ныне - всего за несколько недель. Поэтому листопадные растения выработали приспособительный механизм, позволявший им быстро избавляться от нежелательной зимою листвы и тем самым резко снижать метаболизм на время полярной ночи. Видимо, у арктических цикадофитов таким механизмом оказалась способность сбрасывать в конце вегетационного периода не только отдельные листья, но и укороченные побеги. То же происходило и у многих хвойных.

Среди покрытосеменных той эпохи отсутствуют достоверные представители современных вечнозеленых таксонов и близких к ним форм, что позволяет считать их листопадными. Тафономические* особенности захоронений подтверждают этот вывод: часто в местонахождениях встречаются прослои, состоящие из плотно наслоенных друг на друга отпечатков листьев. Известный российский палеоботаник Всеволод Вахрамеев (член-корреспондент АН СССР с 1979 г.) полагал, что это захороненный "листопад", т.е. остатки листьев, сброшенных в конце вегетационного периода.

Листопадность позднемеловых растений Арктики была одной из стратегий преодоления ими продолжительных теплых полярных ночей. Она позволяла им экономить ресурсы в зимний период за счет прекращения метаболизма в листьях, а весной затрачивать запасенную энергию на формирование новых крон.

Некоторые хвойные и цикадофиты были, по всей вероятности, вечнозелеными: в захоронениях их остатки иногда представлены толстыми и явно многолетними облиственными побегами, к тому же сброшенных годичных побегов не обнаружено. Характерно, что эти растения, как правило, обладали мелкими чешуевидными или жесткими крючковидными листьями - такие признаки часто встречаются у обитателей засушливых районов. Однако ксероморфизм (приспособленность к жизни в засушливых местообитаниях) был все же связан не с сухостью климата, а с иной стратегией перезимовки, без сбрасывания листьев или облиственных побегов в неблагоприятный для роста период. В этом случае растения теряли часть своих ресурсов за счет не прекращавшегося в теплый зимний период метаболизма, но экономили их весной, поскольку им не приходилось вновь формировать фотосинтезирующие органы. Естественно,

* Тафономия - раздел палеонтологии, изучающий закономерности процессов естественного захоронения организмов и образования местонахождений ископаемых остатков этих организмов. Заложил основы тафономии (и предложил термин) палеонтолог и писатель Иван Ефремов (1907 - 1972) (прим. ред.).

стр. 41

при такой стратегии было необходимо максимально снизить зимний метаболизм. Скорее всего, приобретение ксероморфных признаков способствовало предотвращению чрезмерной потери влаги в течение зимы, и растения тем самым достигали снижения интенсивности функционирования корневой и проводящей систем.

Интересно, что у современных вечнозеленых кустарничков (рододендрон, брусника, вереск), широко распространенных в зонах северных таежных и хвойно-лиственных лесов и зимующих под снегом в облиственном состоянии, ксероморфизм листьев связан с иной причиной, а именно с недоступностью воды зимой из-за ее замерзания.

Следовательно, позднемеловой флоре Арктики были присущи две стратегии перезимовки: в безлистном и в облиственном состоянии. Каждая из них обладала своими преимуществами и недостатками, и пока трудно сказать, при какой экономия ресурсов была больше. В древних высокоширотных флорах, не подвергавшихся в неблагоприятный сезон значительному стрессу, способному погубить листву (например, морозу при отсутствии снежного "укрытия"), преимущества листопадности над вечнозеленостью можно ожидать там, где зимы были относительно теплыми, а в вегетационный период растения не испытывали недостатка в ресурсах или тепле, необходимых для формирования новой кроны. Соотношение листопадных растений к вечнозеленым в таких флорах, вероятно, отражает доступность ресурсов в начале вегетационного периода, а реальное преобладание первых свидетельствует о том, что ус-

стр. 42

ловия для интенсивного роста весной были благоприятны. Напротив, преимущества перезимовки без опада листьев возможны там, где зимние температуры снижались до отметок, при которых существенно замедлялся метаболизм.

ЗАЧЕМ НУЖНЫ КРУПНЫЕ ЛИСТЬЯ?

Еще одной удивительной особенностью позднемеловых растений Арктики было наличие необычно крупных широких листьев, порой достигавших в длину 40 см и более. Распространение в позднем мелу в приполярных районах Азии и Северной Америки крупнолистных покрытосеменных растений можно объяснить особенностями высокоширотного климата того времени. В рассеянном солнечном свете почти полностью отсутствуют инфракрасные лучи, практически не поглощаемые хлорофиллом, но способные вызвать перегрев и гибель крупных листьев. Давно замечено: у многих современных видов Северного полушария листья крупнее у особей, растущих на более северных территориях. Объяснение этому ботаники видят в более продолжительном воздействии освещения небольшой интенсивности. Сильный прямой солнечный свет задерживает рост побегов. У большинства растений листья, развившиеся в затененном месте, шире и крупнее выросших на свету, а наиболее крупнолистные обитают под пологом леса в

стр. 43

тропических дождевых лесах, где преобладает слабый рассеянный свет и прямые солнечные лучи почти полностью отсутствуют. Изучение фотосинтеза у широколиственных деревьев показало: интенсивность этого процесса достигает максимума при относительной освещенности 30% от полной и даже меньше.

Помимо количества и качественного состава света, важна и влажность: формирование крупных листьев возможно лишь при высоком ее уровне, что ограничивает испарение ими влаги, и при обильном снабжении растений водой, обеспечивающим интенсивный рост. Арктические аналоги не испытывали недостатка в увлажнении: среднемесячное количество осадков за вегетационный период, как упоминалось, составляло 100 - 160 мм.

Следовательно, широкое распространение в позднем мелу в Арктике покрытосеменных растений с необычно крупными листьями можно объяснить особенностями высокоширотного климата того времени - он был влажным, теплым и характеризовался продолжительным в течение суток, сравнительно слабым и преимущественно рассеянным освещением в летний вегетационный период.

Сейчас уже ясно: в позднемеловую эпоху в высоких широтах Северного полушария климат, ландшафты и биота были существенно иными, чем в современной Арктике. Чем важен этот вывод? Не следует забывать, что климатическая система планеты динамична, находится в постоянном развитии. За последнее столетие мощным фактором, влияющим на нее, стала деятельность человека. Техногенное глобальное потепление климата и влияние этого процесса на биосферу Земли все больше и больше тревожит умы не только академических ученых*.

Сведения о климатах геологического прошлого, особенно в высокоширотных областях, дают нам бесценные материалы для лучшего понимания того, что ожидает человечество в будущем. Речь, конечно, не идет о появлении в обозримое время платановых лесов где-нибудь на широте Тикси, но представление о биоте Арктики в геологические эпохи глобального потепления позволит оценить характер, масштабы и возможные последствия климатических изменений, с которыми может столкнуться цивилизация.

Иллюстрации предоставлены автором

* См.: Ю. А. Израэль. Грозит ли нам климатическая катастрофа? - Наука в России, 2004. N 4 (прим. ред.).

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: