Геология – это язык, на котором говорит Земля. Это также философия и поэзия, которые предлагают взглянуть на время – прошлое, настоящее и будущее – через почти бесконечные циклы катаклизмов, изобилия и разрушения. Многие читатели, возможно, даже и не задумывались о геологии, за исключением тех случаев, когда, увидев камень необычной формы или яркий ландшафт, задавались вопросом, откуда взялись такие особенности. Но эта наука не ограничивается горными породами и минералами, а дает целостное представление о Земле. Геология раскрывает подробную летопись планеты и обращается к действующим процессам, взаимосвязи всех систем и истории жизни. В этой книге строение Земли рассматривается понятно и содержательно. Книга проиллюстрирует динамическое взаимодействие между планетой и населяющими ее живыми организмами на протяжении огромных периодов в истории Земли – эонов.
С современной точки зрения облик Земли кажется постоянным: континенты находятся на своих местах, горные гряды поднялись навсегда, а широкие океаны отделяют Северную и Южную Америки от Европы, а Африку и Азию – от обеих Америк. Однако эта картина значительно отличается от снимков из прошлого планеты. Процессы, происходящие на Земле, могут казаться медленными и размеренными, но трансформация не всегда происходит постепенно, и со временем изменения выходят на поверхность в виде внезапных взрывов со страшными последствиями.
Астероид размером с Эверест врезался в Землю 66 млн лет назад и не только серьезно изменил облик самой планеты, но и вызвал массовое вымирание множества видов, включая нептичьих динозавров[1], которые господствовали на планете почти 200 млн лет. Недавно, в 2004 г., в результате сдвига тектонических плит в Индийском океане произошло понижение океанского дна, приведшее к возникновению стены воды – цунами, которое унесло жизни четверти миллиона человек. В наши дни ледниковые щиты и ледники, сформировавшиеся сотни тысяч лет назад, тают и могут исчезнуть в течение жизни следующего поколения. Если не принять меры и каким-то образом не замедлить этот процесс, то он приведет к поднятию уровня моря, затоплению прибрежных городов, засолению пресных вод и разрушению сельскохозяйственных угодий, в том числе низменностей в дельтах рек, которые обеспечивают продовольствием значительную часть мира.
Геологические процессы действовали не когда-то на заре существования Земли и завершились к настоящему времени: они продолжаются в наши дни и будут продолжаться в будущем. Есть искушение забыть об этом факте из-за существенных различий в продолжительности человеческой жизни и продолжительности жизни Земли – геологической истории планеты, – но человеческие временные рамки представляют собой всего лишь иллюзию. Наука геология предлагает уникальные знания о мире, почерпнутые из глубокого колодца геологического времени, – взгляд на самый длинный период в планетарных масштабах, продолжительностью 4,6 млрд лет. Геология дает четкое представление о будущем жизни на Земле и самой Земли. Геологические условия, наблюдаемые сегодня, – это всего лишь одна страница в книге, состоящей более чем из 4 млрд страниц, – столько лет существует наша планета.
Изучение Земли представляет собой отдельную область науки, хотя она и связана с астрономией, биологией, физикой и химией. Геология – это наука, которая подходит для использования повествовательного метода. Популяризаторы науки, такие как Джефф Додик и Шломо Аргамон, утверждают, что наука о Земле занимается исследованием «первопричин, которые часто кроются очень далеко в прошлом, и их следствия можно выявить только через очень длинные и сложные причинно-следственные цепочки промежуточных событий»[2].
Как научная дисциплина геология относительно молода: ее становление и оформление происходило в западном мире во время научной революции XVII в. Другие общества, в частности культуры коренных народов, обладали глубокими знаниями о Земле, геологических процессах и способах взаимодействия с окружающей средой благодаря индуктивным умозаключениям (на основе наблюдений). Такие практики и знания заслуживают уважения, но в этой книге мы их рассматривать не будем.
На написание этой книги меня вдохновили мои студенты-геологи, и именно им и будущим студентам, тем, кто еще учится в школе, и тем, кто ее уже окончил, но любит учиться, она посвящается. Мой собственный путь начался с глубокого интереса к миру природы, который привел меня сначала к изучению археологии, а затем геологии. Проработав гидрологом и геологом в Геологической службе США, я стала профессиональным геологом с лицензией и начала преподавать: так я обрела вторую профессию по призванию. Этот путь заставил меня осознать, что моим студентам требуются более серьезные знания основ геологии и обоснование, почему эта наука так важна, поэтому и появилась эта книга. Один из методов преподавания наук, связанных с историей, и в частности геологии, заключается в использовании рассказов, которые позволяют разобраться в геологических процессах и хронологии сквозь призму повествования. Когда я говорю с людьми о геологии, то рассказываю им истории о Земле, и зачастую для них удивительно осознавать, что даже их дворик за домом свидетельствует о миллионах лет истории планеты. Точно так же, когда, гуляя по лесу, мы вдруг натыкаемся на обнажение давно образовавшихся слоев горных пород, мы на самом деле получаем возможность общаться сквозь время, если научимся их читать.
Книга начинается (главы 1 и 2) с истории становления геологии, которая представлена в виде повествования о жизни отдельных ученых в эпоху Просвещения и после нее. Некоторые читатели могут задать вопрос: почему бы не начать с первых лет после рождения планеты? Одна из причин краткого изложения биографий ученых заключается в том, что для того, чтобы проникнуть в глубину веков и разобраться в биографии Земли, понадобились сотни лет работы многих поколений геологов. Другая причина состоит в том, что нам необходимо осознать, какова роль людей в интерпретации истории Земли и каково их влияние на судьбу планеты.
В двух первых главах рассматриваются следующие важные вопросы: как геологи раскрывали тайны наблюдаемых ими явлений, чтобы выяснить, что происходило с планетой со временем? Как они выяснили, каково было положение континентов на протяжении длинной истории Земли? С помощью каких методов геологи начали разбираться в процессах, приведших к современному облику планеты? Как они выделили эоны, эры и периоды в истории Земли? Биографии ученых представлены таким образом, чтобы выделить самую суть и подчеркнуть, какие огромные усилия и образное мышление были нужны, чтобы понять Землю с научной точки зрения. Поэтому в рассказах сохраняется исторический контекст и подчеркивается как вклад отдельных ученых, так и важность сотрудничества между теми, кто работал над одними вопросами.
Затем мы углубимся в историю и принципы трех всеобъемлющих концепций геологии: геологического времени – главы 3 и 4; недавно открытой тектоники плит – главы 5 и 6; изменений организмов в процессе эволюции – глава 7. Эти теории понятно объясняют процессы, происходящие с Землей. В главах 8–11 дается представление о каждой геологической эпохе – докембрийского суперэона и фанерозойского эона, включающего палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры – с рождения Земли до настоящего времени. В этих главах обсуждается биография нашей планеты. Наконец, в главе 12 дается краткое заключение и рассматриваются точки пересечения геологии и интересов человечества: как Земля влияет на живые организмы и как живые организмы влияют на Землю, причем особое внимание уделяется изменению климата и глобальным процессам. Геология может предложить возможные варианты дальнейших действий в том, что касается представлений о планете и решения существующих проблем, таких как масштабные изменения климата, влияющие на все регионы Земли.
Казалось бы, события геологической истории отделены от индивидуального человеческого опыта. Тем не менее геология присутствует повсюду: геологические процессы создают саму почву, воду и воздух, необходимые для жизни. Знания о Земле востребованы в разных сферах. Это важно для выявления месторождений природных ресурсов и оценки их площади, определения вероятности геологических и связанных с ними природных катастроф, а также для понимания, как на все это, в свою очередь, влияет человек. Благодаря знаниям о происхождении и циклах промышленных минералов можно улучшить методы управления, защиты и рационального использования этих природных ресурсов. Большинство землетрясений, цунами и извержений вулканов происходит не в произвольных местах, а на границах литосферных плит, скольжение и столкновения которых с образованием разломов и складок связаны с действием тектонических сил. Появление карстовых воронок и проседание грунта, особенности специфических грунтов, наводнения, излучение радона, лавины и оползни – все это можно понять с помощью геологии. Такими знаниями можно руководствоваться при выборе деловой недвижимости или фермы, места для жилья, территории для строительства дороги или дамбы, а также при принятии множества других решений, в том числе при разработке мер по предотвращению стихийных бедствий. Изучение геологических процессов в местных, региональных, национальных и мировых масштабах делает взаимоотношения людей с планетой более тесными.
Кроме того, множество эффектов, связанных с изменениями климата, напрямую направлены на людей и другие живые организмы на Земле. По международным оценкам[3], такие изменения приводят к тяжким последствиям, которые непосредственно влияют на все факторы, важные для обеспечения жизни. К таким факторам относятся воздух, которым мы дышим, чистая вода, необходимая всем живым организмам, пахотные земли, обеспечивающие продовольствием растущее население планеты (численность которого, по оценкам ООН, достигнет 10 млрд человек к 2050 г.)[4]. Словом, на современное состояние и будущее самой жизни на Земле влияют нынешние и будущие изменения климата и сегодняшние поступки людей.
Геология предлагает пути выхода из грядущего климатического кризиса. Ценой тяжелого труда геологи воссоздали хронику событий на Земле на протяжении всей ее долгой истории. Климатические события прошлого оставили свой след в летописи горных пород, в том числе теплые и жаркие периоды, когда возрастала концентрация углекислого газа и других газов в атмосфере, и периоды великого холода, когда почти вся поверхность Земли замерзала. Оба типа событий, особенно последние из упомянутых, влияли на то, какие биологические виды выживали, а какие – нет. Извлечение уроков из данных геологии во многих отношениях представляет собой возврат к самой природе человечества, так как показывает основу, из которой произошла жизнь, и предлагает общую схему действий для решения современных проблем, связанных с изменением климата.
Кроме того, в горных породах и истории Земли скрыты тайны и ключи к преодолению нынешних проблем во всех средах обитания живых организмов – воздушной, водной, наземной, – возникших в результате неустойчивости глобальных круговоротов из-за изменений климата. Более того, наш мир, если не вся Вселенная, не только является отражением таких циклов, но и адаптируется к ним: Земля вращается, поэтому солнце восходит и заходит, чтобы вновь взойти; происходят извержения вулканов, поэтому суша поднимается и опускается, только чтобы вернуться в магму и вновь восстановиться. Представление о цикличности и о том, что в масштабах геологического времени можно назвать астрономическим или планетарным непостоянством, может способствовать построению новых, более плодотворных взаимоотношений с планетой: возможно, более глубокому пониманию, уважению и проявлению заботы о нашей общей среде обитания.
В книге проводятся аналогии с мелодией и гармонией для объяснения широкой взаимосвязи между живыми организмами и Землей в наши дни и на протяжении геологического времени. Результаты недавно проведенных исследований показывают, что такая аналогия, возможно, имеет физическую основу в виде гармонических колебаний Земли, которые можно представить как «музыку сфер». Магнитосфера планеты, которая порождается жидким внешним ядром внутри твердой Земли, не только служит щитом, защищающим организмы на поверхности планеты от повреждающих лучей за счет магнитного поля, но, по-видимому, действует и как музыкальный инструмент.
Ученые обнаружили, что магнитное поле реагирует на поток плазмы, идущей к Земле из Солнечной системы, в виде колебаний, во многом напоминая барабан[5]. На колебания реагирует не только магнитосфера: в атмосфере Земли тоже возникают колебания, которые называются резонансами Шумана (шумановскими резонансами). Теорию таких колебаний разработал в 1952 г. немецкий физик Винфред Отто Шуман[6]. Но лишь в середине 1960-х гг. ученым удалось обнаружить эти низкочастотные радиоволны[7]. Волны распространяются от поверхности планеты в ионосферу на высоту 96 км. Некоторые ученые утверждают, что живые организмы реагируют на частоту колебаний[8].
Сами атомы нашего тела состоят из звездного вещества, и, как сказал знаменитый планетолог Карл Саган, «азот наших ДНК, кальций наших зубов, железо нашей крови, углерод наших яблочных пирогов созданы в недрах сжимающихся звезд. Мы сотворены из звездного вещества»[9][10]. Сама Земля состоит из звездного вещества, поскольку планета образовалась 4,6 млрд лет назад в результате объединения массы расплавленного вещества. Таким образом, исходя из происхождения наших атомов и молекул, материя жизни берет свое начало в самой глубине времен. Планета Земля (см. цветную вклейку 1.1) – это неотъемлемая составляющая всего живого, в том числе людей, так же, как живые организмы представляют собой неотъемлемую часть нашей планеты, и эти части единого целого существуют в динамическом взаимодействии, перемежающемся катастрофами и спокойными временами, которые сформировали современный облик Земли и живых организмов. Моя книга рассказывает историю этого путешествия.