19.11.2015

Геотоксикология, как фактор глобальной эволюции

 Акционерное Общество 

«ГЕОЛЭКСПЕРТИЗА»

Якуцени Сергей Павлович (Россия)

Геотоксикология, как фактор глобальной эволюции

«Будущее создается тобой, но не для тебя» А. и Б. Стругацкие

    Тезисы: Практически все известные к настоящему времени глобальные экологические катастрофы Земли – великие вымирания – связаны с изменением геохимического состава биосферы Земли. Выполнена оценка изменения геохимического состава биосферы под влиянием современной жизнедеятельности человечества. Дана оценка возможных сценариев дальнейшего развития биосферы Земли в зависимости от имеющихся и дальнейших изменений в геохимическом составе биосферы Земли.

Мы с Вами находимся в удивительной уверенности, что все вопросы, связанные с развитием гоминид, находятся в цепких лапах вида homo sapiens. То, что любой биологический вид существует в окружающей его среде, это нашу «святую» уверенность никак не нарушает. Однако, как не прискорбно, развитие жизни на Земле определяется не разумностью либо неразумностью нашего вида, а совершенно иными процессами. Об этом и о нашей роли в этих процессах – предлагаемый Вам доклад. 

Геологическая наука детально понимает и знает, что такое планетарная экологическая катастрофа. Правильнее сказать – биосферная катастрофа. Мы фиксируем её «в камне». В косном веществе. Причём – 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, а как отходы, выделяли смертельный для них кислород - побочный продукт деятельности фотосинтезирующих организмов. Однако, до поры до времени свободный кислород, поступавший в атмосферу практически полностью связывался в окислительных реакциях. Наиболее явным подтверждением этого всепланетного процесса является образование железных руд. 3,1 млрд. лет назад, состоящих из гематита (Fe₂O₃) и магнетита (Fe₃O₄), что прямо указывает на появление на Земле глобального источника молекулярного кислорода - продукта жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов. Тем не менее, атмосфера на протяжении как минимум полутора миллиардов лет оставалась анаэробной. За исключением небольших «кислородных оазисов» - предвестников будущей геотоксикологической катастрофы. Их границы определяются по осаждению железа в окисной форме. 

Таким образом возник и свыше полутора миллиардов лет существовал удивительный мир прокариотных организмов, грибов, бактерий и цианобактерий. Те времена, когда по блестящему предположению палеонтолога А.Г. Пономаренко (1993) понятие «море» и «суша» в докембрийское время неприменимы к их современному образу, на окраинах континентов существовали обширные мелководные бассейны с постоянно меняющимся уровнем воды и практически без береговой линии. Именно в этом палеоландшафте, не являющемся ни сушей, ни морем в современном смысле, и процветали строматолитовые экосистемы и плавали онколиты. Особые прокариотные сообщества, имевшие облик плавающих в толще воды шаров.

Строматолиты, онколиты и др. потреблявшие, как питательные вещества цианосоединения, также выделяли в качестве отходов токсичные для них кислородсодержащие вещества. И выделили в итоге такое количество кислорода, что уничтожили всю привычную палеобиоте геохимическую обстановку. 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 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. 

Причины массовых вымираний – объект пристального внимания учёного сообщества. Первым учёным сформулировавшим материалистические представления о массовых вымираниях был великий натуралист и естествоиспытатель член Французского Географического общества Жорж Леопольд Кювье, основоположник палеонтологии. В 1812 году он приступает к изданию своей классической работы «Исследование ископаемых костей четвероногих» [«Recherches sur les ossements fossiles», 4-ое издание в 12 томах в 1830—37 г.] являющейся первой научной публикацией теории биосферных катастроф, выполненной исключительно на палеонтологическом материале. Следующие классические работы по этому вопросу были выполнены нашим соотечественником, членом и одним из основателей Русского географического общества Карлом Максимовичем Бэром в 1859-1861 годах [«О черепах ретийских романцев». 1859 г., «О древнейших обитателях Европы». СПб, 1863; К. М. Бэр. История развития животных. Том 1,2. Серия "Классики науки". — АН СССР, 1950. — Т. 1,2. — 475 с.]. Отечественным учёным принадлежит и абсолютный приоритет в разработке тематики биосферных катастроф. В первую очередь это исследования Дмитрия Николаевича Соболева, сформулировавшего в 1924 году теорию и сценарий биотического кризиса [Д.Н. Соболев. «Начала исторической биогенетики» (Харьков, 1924. 202 с)] и Бориса Леонидовича Личкова в 1945 г. вписавшего в русскую научную литературу термин «массовое вымирание» и доказавшего их периодический характер [Б.Л. Личков. «К основам современной теории Земли» - Ленинград: издательство Ленингр. университета, 1965. - 119 с.]. Автор доклада благодарен судьбе, что читал на кафедреБориса Леонидовича, кафедре гидрогеологии Ленинградского, а затем и Санкт-Петербургского государственного университета ряд лекционных курсов. 

В целом, исследованиям в области массовых вымираний посвящено не менее пяти тысяч научных публикаций и к настоящему времени мы опираемся на надёжный и массовый научный и фактографический фундамент, позволяющий нам анализировать причины глобальных экологических катастроф в истории Земли [А.С. Алексеев]. Однако, палеонтологические исследования весьма приблизительно и фрагментарно характеризуют органический мир прошлого. Чем старше эта выборка, тем менее представительны её результаты. Соответственно детальный и количественный, и качественный анализ причин массовых вымираний на основании исключительно палеонтологического материала – недоступная для современной науки роскошь. 

Попробуем оценив качественные геохимические показатели для существования большинства видов, сопоставить их с изменениями геохимического облика планеты и сравнить с периодами известных нам массовых вымираний. Сама природа планеты сужает нам поле исследования. Ни атмосфера, ни гидросфера не способны сохранить и передать знания о изменении их геохимического облика. Магматические, изверженные и сильнометаморфизованные породынесут информацию, в существенно искажённом виде. Остаются толщи осадочных пород. Именно они и содержат наиболее полную информацию о геохимической обстановке иных эпох и их смене. И последствиях этой смены для таксонов, царивших на суше и море. 

Как показали работы С.Г. Неручева, С.А. Алексеева и ряда других авторов [] фоновое вымирание биологических видов происходит более или менее постоянно. Однако, время от времени происходят массовые вымирания видов. Процесс этот хоть и имеет катастрофические последствия для сложившейся биосферы, но растянут на значительное время, как правило миллионы лет, и, как основной признак, содержит резкое снижение биологического разнообразия таксонов суши и моря, а также существование значительного количества незаполненныхдолгое время биологических ниш. 

Таким образом, чтобы показать, что геотоксикология является фактором глобальной эволюции необходимо укрупнённо сопоставить состав газов атмосферы в ключевых точках известной нам истории развития Земли:

• первые отложения органического вещества (появление жизни на планете) - около 3,7 млрд. лет;
• начало рифейской эпохи (рубеж рифея и венда отмечается резким обеднением фитопланктона, что было связано с величайшим в истории Земли оледенением. После оледенения появились разнообразные крупные многоклеточные, которые повсеместно и очень быстро распространились, однако, практически полностью вымерли в начале второй половины вендского периода) – около 1,6 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. Вымираютдинозавры, 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 пеплаэоцен-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 флорыболее 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 [С.Г. Неручев. Уран и жизнь в истории Земли]. В результате сформулирован тезис, что массовые вымирания биоты и последующие обновления ее видового разнообразия вызваны действием на живые организмы радиоактивных и других мутагенных элементов, которые циклически поступают из недр на поверхность в результате эндогенной активности Земли [С.Г. Неручев. Преобразование планеты Земля живым веществом биосферы]. Это классические вопросы геотоксикологии.

Практически все геологические события, связанные с массовыми вымираниями можно привести к следующим факторам:

• 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 [С.Г. Неручев];
• дегазации ядра Земли.

Каждое массовое вымирание было абсолютно индивидуально, и по соотношению эндогенных, и экзогенных, и космогенных факторов. Т.е. каждое событие уникально, но находится в пределах тех или иных пропорций сформулированных выше причин. В целом, мы можем сказать, что при каждом периоде массового вымирания существенно менялась геохимия биосферы, т.о. геотоксикологические признаки исчезновения видов на планете Земля – очевидны. 

Развивая это направление автором доклада 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 УВ 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 УВ только в тех НГБ 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.

Человечество, за геологически ничтожный срок существования технической цивилизации, переместило и изменило такое количество планетарного вещества, что пример со строматолитами и прокариотными сообществами является актуальным. Либо мы вырабатываем механизмы самоспасения, либо, сформулированный Стругацкими принцип: «Будущее создается тобой, но не для тебя» и являющийся в эволюции биосферы фундаментальной закономерностью - 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 отравление биосферы за счёт массового и одномоментного, в рамках геологического времени, освобождения токсических компонентов для существующей биоты, при разработке недр. Фактически мы стоим перед возможным очередным существенным 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 проявления негативной биологической активности продуктов рассеяния токсоэлементов в окружающей среде при его извлечении из недр. Меняется геохимический облик целых регионов.

При этом встаёт другая 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. 

Заключение.

Как мы видим исходя из изложенных позиций, у человечества, в целом, не так много возможных вариантов развития. 

Первый. Найти пространство идеального равновесия между доступными нам биосферными ресурсами планеты Земля и собственным потреблением. Т.е., согласно трудам Л.Н. Гумилёва, впасть в гомеостаз и превратиться в индейцев Северо-Американского континента живших в идеальном равновесии с природой до прихода западноевропейских колонизаторов. В нашем случае, неких инопланетных «рапторов» или выращенных внутри себя экстремистских сообществ. Безусловно этот сценарий неприемлем. 

Второй. Глобальный пересмотр методов, способов технического и экономического освоения биосферных ресурсов. 

Третий. Направить экспансию человеческого общества на гидросферу – моря и океаны Земли и в космическое пространство. Освоить новую ресурсную составляющую для нашего вида. Какова будет эволюция homo sapiens в новых условиях – вопрос фантазийный, но, тем самым снимаются риски застоя и человечество, как биологический вид, получает возможность осваивать новые, поистине космические горизонты собственного развития и потребления. 

Отсюда и абсолютно не геотоксикологический, а скорее социальный вывод: 

Сегодняшняя геополитическая составляющая – это борьба за лучший гомеостаз усечённой части вида homo sapiens – «золотого миллиарда» современного человечества, прямо на наших глазах потрясаемого новой великой миграцией народов. Это путь в никуда. Путь пустого растрачивания энергии и ресурсов нашего вида на взаимное сдерживание и истребление.

Есть только один путь – сосредоточение общей видовой энергии на освоение новых пространств. Это и есть ключевой вывод. Именно таков наш взгляд из России.