Читай!
Влияет ли магнитное поле Земли на эволюцию морских организмов?

Влияет ли магнитное поле Земли на эволюцию морских организмов?

Земная жизнь возникла и развивалась в среде геомагнитного поля, которое экранирует Землю от «солнечного ветра» и сохраняет атмосферу. Геомагнитное поле непрерывно изменяется. Колеблется его напряженность, полюса перемещаются, иногда вплоть до полной смены полярности (инверсии). При ослаблении напряженности поля возможно усиление облучения Земли космическими лучами, что может вызывать генетические мутации. Показана связь эволюционных изменений океанского микропланктона с геомагнитными инверсиями в течение 2 млн лет. Изменения геомагнитного поля являются элементами сложной системы изменений среды (вулканизма, климата, последствий импакт-событий и др.), которые приводят к вымираниям и стимулируют эволюцию.

Земная жизнь возникла и развивалась в среде геомагнитного поля, которое экранирует Землю от «солнечного ветра» и сохраняет атмосферу. Геомагнитное поле непрерывно изменяется. Колеблется его напряженность, полюса перемещаются, иногда вплоть до полной смены полярности (инверсии). При ослаблении напряженности поля возможно усиление облучения Земли космическими лучами, что может вызывать генетические мутации. Показана связь эволюционных изменений океанского микропланктона с геомагнитными инверсиями в течение 2 млн лет. Изменения геомагнитного поля являются элементами сложной системы изменений среды (вулканизма, климата, последствий импакт-событий и др.), которые приводят к вымираниям и стимулируют эволюцию.

Автор: М.С. Бараш

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН (Москва, Россия)

Ключевые слова: изменчивость геомагнитного поля, эволюция морских организмов, океанический микропланктон.

Работа выполнена в рамках государственного задания ФАНО России (темы № 0149-2014-0027 и № 0149-2018-0016) при частичной поддержке программы № 0149-2015-0042.

Все живое на Земле возникло и развивалось в среде геомагнитного поля. Оно экранирует Землю от смертоносных космических лучей и от «солнечного ветра», потока мегаионизированных частиц, в основном гелиево-водородной плазмы, истекающего из солнечной короны со скоростью 3001200 км/с в окружающее космическое пространство. Геомагнитное поле сохраняет атмосферу Земли (рис. 1). При ослаблении напряженности геомагнитного поля под действием солнечного ветра молекулы O2 диссоциируют на атомы, ионы O+ утекают в межпланетное пространство. По современным представлениям, геомагнитное поле генерируется у границы ядра и мантии Земли, на глубине около 2900 км.

Рисунок 1. Земля в потоке «солнечного ветра». Геомагнитное поле экранирует Землю и сохраняет атмосферу.

Исследования Марса зондом НАСА «Mэйвен» (Maven) и марсоходом «Кьюриосити» показали, что 3.5–4.0 млрд лет назад объем атмосферы Марса был близок к объему атмосферы Земли. Достаточно теплый климат обеспечивал существование жидкой воды. Было возможно возникновение живых организмов. Однако, по данным изучения изотопов аргона, из-за слабого магнитного поля под действием «солнечного ветра» Марс потерял 80–90% своей атмосферы. Климат стал очень холодным и сухим [7]. Возникновение и развитие живых форм не состоялось.

Изменчивость геомагнитного поля: «блуждания», экскурсы, инверсии

Геомагнитное поле непрерывно изменяется. Колеблется его напряженность, перемещаются полюса. Северный магнитный полюс «бродит» в Северном Ледовитом океане сравнительно недалеко от географического, что позволяло мореплавателям использовать для ориентации магнитный компас. Положение полюса подвержено большим или меньшим изменениям. В дни спокойного состояния магнитного поля северный магнитный полюс, по данным обсерватории в Новосибирске, описывает по часовой стрелке петлю, вытянутую примерно на 10 км в направлении с юго-востока на северо-запад. А во время мощнейшей магнитной бури 29 октября 2003 г. быстрые «блуждания» полюса, по данным обсерватории Резольют-Бей в Канаде, достигали тысячи километров. В 1904 г. впервые было зафиксировано, что полюс начал сдвигаться в северо-западном направлении примерно на 15 километров в год, а в 2007 году скорость его перемещения от островов Канадской Арктики в сторону Сибири достигла 55–60 километров в год (рис. 2). Одновременно наблюдается ослабление напряженности — за последние полтора века на 10%.

Рисунок 2. Перемещение северного геомагнитного полюса с конца XVI века по настоящее время. Красными кружками обозначены места, обнаруженные прямыми наблюдениями, синие кружки — вычисленные по моделям [4].

Изменения геомагнитного поля в геологическом прошлом Земли фиксируются остаточной намагниченностью минералов в осадках океанов, морей, озер, в лессовых толщах и в лавовых потоках по мере их накопления. Иначе говоря, магнитные минеральные зерна во время попадания в осадок или застывания в лаве ориентировались согласно положению геомагнитного поля и сохраняли уровень его напряженности. Послойное исследование магнитных характеристик в отложениях показало, что полюса перемещались, иногда вплоть до смены знака на противоположный. Это так называемые инверсии (переполюсовки). Образовались относительно продолжительные интервалы преимущественно прямой (как современная) или обратной полярности (хроны, субхроны). Кратковременные (обычно несколько тыс. лет) отклонения магнитных полюсов от географических на угол больше 40° определяются как экскурсы.

Современная направленность геомагнитного поля, которую принято считать нормальной, положительной, началась около 780 тыс. лет назад. Это так называемый хрон Брюнес (назван по имени геофизика, открывшего в 1906 г. смену магнитных полюсов). Этому интервалу предшествовал хрон преимущественно обратной (отрицательной) полярности Матуяма, также названный по имени геофизика (рис. 3).

Рисунок 3. Палеомагнитные интервалы в течение последних 2.7 млн лет [5]. Современный хрон положительной полярности Брюнес, хрон противоположной (отрицательной) полярности Матуяма и в нем субхроны положительной полярности Харамильо (J) и Олдувей (O).

В течение всей предшествующей геологической истории происходили многочисленные смены полярности, экскурсы и колебания геомагнитной напряженности. В пределах хрона Брюнес происходили экскурсы длительностью до нескольких тысяч лет. Обычно полагают, что их было 12–14. А во время хрона Матуяма были относительно короткие интервалы положительной полярности: субхроны Харамильо, Олдувей и другие.

Первый экскурс был обнаружен в 1967 г. в лавах и вулканическом пепле в Центральном французском массиве у городков Лашамп и Олби. Направление палеомагнитного диполя отличается здесь от современного на 160°, а напряженность поля составляет менее 1/6 современного значения [9].

Рисунок 4. Движение виртуального магнитного полюса во время экскурса Лашамп, около 41 тыс. лет назад [6]. Показано положение геологических разрезов, в которых были определены направления намагниченности, и траектории полюса по этим определениям. Большая красная стрелка иллюстрирует последовательное петлеобразное движение полюса по часовой стрелке.

Экскурс Лашамп длился около 1.5 тыс. лет во время межледникового потепления (изотопно-кислородная стадия 3) (рис. 4). А по данным недавних исследований в осадках Черного моря [8], экскурс проходил еще быстрее — всего 250 лет, а напряженность поля падала до 5% современного значения. Земля почти полностью лишалась защиты от космической радиации. Интересно, что близко к этому времени, 39400 лет назад, произошло крупнейшее за последние 100000 лет извержение супервулкана около Неаполя. При этом было выброшено около 350 км3 лав и пепла. Продукты извержения распространились по всему восточному Средиземноморью и обнаружены в восточной Европе. (Временнáя корреляция геомагнитных изменений, климатических колебаний и вулканизма оказалась характерной и для многих других инверсий и экскурсов.)

Изменения геомагнитного поля и эволюция организмов

Итак, геомагнитное поле является одним из условий среды, в котором обитает все живое на Земле. Поле очень изменчиво. При ослаблении напряженности уменьшается, а местами почти пропадает защита от космической радиации и «солнечного ветра». Усиливается радиационное облучение организмов, что может приводить к генетическим мутациям, а возможно и к гибели. Влияют ли изменения геомагнитного поля на процессы эволюции, вымирания и возникновения новых видов, с колебаниями биоразнообразия? Данные по этим вопросам противоречивы.

Возможность влияния космического излучения на генетический материал была подтверждена экспериментально [2]. Исследование проводилось во время интенсивной активности вспышек на Солнце в октябре 1989 г. в приполярной области, где геомагнитное поле мало противодействует проникновению излучения. На клеточных структурах была обнаружена корреляция массового слияния клеток с вариациями активности облучения, что, по мнению авторов, показывает процессы реорганизации генетического материала, которые могут приводить к эволюционным изменениям.

В ряде публикаций проводится корреляция изменений геомагнитного поля и этапов эволюции человека [3]. Время разделения генетических линий шимпанзе и человека, определенное разными методами, оценивается в 4.5–5.2 млн лет. В этом интервале произошло чередование нескольких инверсий. Homo erectus (человек прямоходящий) возник 1.9 млн лет назад во время события Олдувей. Разъединение между линиями человека и неандертальца (по митохондриальной ДНК) произошло около 0.66 млн лет назад, что близко к возрасту экскурса Биг-Лост в пределах хрона Брюнес. Примерно во время экскурса Лашамп (0.041 млн лет) произошла мутация генов, отвечающих за объем головного мозга человека и обеспечивающих речевые и творческие способности. Рассматривается и корреляция с геомагнитными событиями эволюции ряда наземных животных — слонов, медведей, антилоп, птиц. Следует только оговориться, что время возникновения видов, в том числе предков современного человека, вряд ли можно считать окончательно установленным, оно постоянно уточняется.

Инверсии и эволюция океанского микропланктона

В нашей Лаборатории палеоэкологии и биостратиграфии Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН была проведена специальная работа по исследованию возможного влияния изменений геомагнитного поля на эволюцию морских организмов. Результаты были представлены на 27 Международном геологическом конгрессе [1]. Была составлена сводка своих и опубликованных мировых данных по распределению в осадках Мирового океана четырех основных групп микропланктона. Это фораминиферы, известковый нанопланктон, диатомеи и радиолярии (рис. 5). Эти микроорганизмы, простейшие одноклеточные животные и водоросли, размером в доли миллиметра, имеют известковые или кремневые панцири или раковинки. Они населяют воды океана, а после отмирания организмов их скелетные элементы падают на дно. Год за годом, миллионы лет они накапливаются в осадках, часто составляя основную их часть. Эволюционируя, они представляют собой удобнейшие объекты для определения геологического возраста отложений.

Рисунок 5. Основные группы океанского микропланктона:
а — фораминиферы,
б — известковый нанопланктон,
в — диатомовые водоросли,
г — радиолярии.

Для стратиграфических исследований часто используются так называемые «датировочные уровни» (от англ. datum levels — опорные уровни или уровни отсчета). Они отражают хронологические моменты эволюционного и миграционного появления или исчезновения из разрезов отложений конкретных видов, а также заметные уровни их резкого изменения, вспышек развития. На протяжении последних 2 млн лет в составе основных групп океанского микропланктона было выявлено более 140 датировочных уровней (рис. 6).

Рисунок 6. Количественное распределение датировочных уровней океанского микропланктона в течение 2 млн лет [1]. Рассчитывалось число уровней в интервалах по 100 тыс лет. n — число уровней; интервалы положительной геомагнитной полярности: B — Брюнес, J — Харамильо, O — Олдувей.

Их количественное распределение на хронологической шкале с шагом 0.1 млн лет показывает важные закономерности связи с изменениями геомагнитного поля. Три пика максимального количества изменений в составе планктона соответствуют началу интервалов прямой полярности (Олдувей — 23 уровня, Харамильо — 12 уровней и Брюнес — 17 уровней). После максимума, приуроченного к началу Олдувея, количество изменений последовательно сокращается и в середине периода обратной полярности между субхронами Олдувей и Харамильо (1.4–1.2 млн лет назад) достигает минимума (2 уровня). Другой минимум (2 уровня) отмечается также в период обратной полярности (0.9–0.8 млн лет назад) между субхроном Харамильо и хроном Брюнес.

Эти данные свидетельствуют об определенной корреляции между инверсиями магнитного поля и развитием океанского микропланктона. Сравнительно высокое количество изменений на протяжении всей эпохи Брюнес (5–10 уровней в 0.1 млн лет) могло быть связано с сильными климатическими колебаниями, а также с экскурсами геомагнитного поля. В упомянутой работе учтена лишь та небольшая часть видов микропланктона, которая подверглась эволюционному процессу. Изменения геомагнитного поля являются элементами сложной системы изменений среды (вулканизма, климата, последствий импакт-событий и др.), которые приводят к вымираниям и стимулируют эволюцию.

Список литературы

Бараш М.С., Дмитренко О.Б., Казарина Г.Х., Кругликова С.Б., Мухина В.В. Стратиграфия четвертичных отложений океанов // 27 Междунар. геол. конгресс. Четвертичная геол. и геоморфология. Секция С.03. Доклады. Т. 3. М.: Наука, 1984. С. 36–48.
Белишева Н.К., Гак Е.З. Значение вариаций космических лучей для функционирования биосистем // Сб. научных докл. VII Межд. конф. «Экология и развитие Северо-Запада России». Санкт-Петербург. 2002. С. 118–129.
Кузнецова Н.Д., Кузнецов В.В. Инверсии и экскурсы геомагнитного поля: геофизические факторы видообразования // Вестник Томского гос. ун-та. 2012. № 354. С. 199–204.
Северный магнитный полюс.
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=46888403.
Gradstein F.M., Ogg J.G., Schmitz M., Ogg G. (Eds) The Geologic Time Scale. 2012. Elsevier.
Laj C., Channell J.E.T. Geomagnetic excursions // Treatise on Geophysics. Amsterdam: Elsevier, 2007. Vol. 5. Geomagnetism. P. 373–416.
NASA. March 30, 2017. Release 17-033. NASA's MAVEN Reveals Most of Mars' Atmosphere Was Lost to Space.
https://www.nasa.gov/press-release/nasas-maven-reveals-most-of-mars-atmosphere-was-lost-to-space
Nowaczyk N.R., Arz H.W., Frank U. et al. Dynamics of the Laschamp geomagnetic excursion from Black Sea sediments // Earth and Planetary Sci. Lett. 2012. P. 351–352.
doi:10.1016/j.epsl.2012.06.050
Roperch P., Bonhommet N., Levi S. Paleointensity of the Earth's magnetic field during the Laschamp excursion and its geomagnetic implications // Earth and Planetary Science Letters. 1988. V. 88. P. 209–219.