Как составляется летопись

Мы уже говорили о первом этапе в работе палинолога - изучении пыльцы под микроскопом. Каждая отдельная пылинка или спора, которую мы сумели "узнать" на предметном стекле, всего лишь одна правильно прочитанная буква в многотомной истории растительного мира. Когда же мы сумеем расшифровать все виды встречающихся в одном образце пылинок и спор, это будет означать, что мы прочитали в ней несколько слов. Во всяком языке место словам указывает грамматика, и у тех, кто читает книгу природы, также есть своя "грамматика". Вот в чем она заключается.

Образцы, которые исследуют при помощи пыльцевого анализа, дадут нам возможность составить летопись растительного мира только тогда, когда они будут взяты согласно определенной методике. Образцы следует брать в таких геологических отложениях, которые в течение длительного периода постепенно, из года в год, наращивали свою мощность. Наиболее удобными для этого объектами являются горизонты, обогащенные материалом органического происхождения: торф, глины, угли, мелкоземистые осадки водоемов (илы, сапропели), а также образующиеся из них горные породы (аргиллиты, алевролиты). В современных болотах мы часто обнаруживаем многометровые толщи торфа, а прирост его в год составляет всего лишь 0,5-1 мм. Еще большую мощность имеют осадочные породы дочетвертичного возраста. Следовательно, для их образования потребовались колоссальные периоды времени, которые измеряются тысячами и миллионами лет.

Анализируя пыльцу и споры в образцах, взятых последовательно от основания разреза естественных обнажений или специальных выработок (шурфов, скважин) до дневной поверхности, ученые могут получить представление об истории растительности за этот период.

Выполненные в последние годы работы показали, что изучение морских осадков также представляет особый интерес для палеоботанических и биостратиграфических исследований, так как, изучая их, ученые могут сопоставить данные по одновозрастной фауне и флоре.

Еще в 1892 г. известный русский геолог И. А. Андрусов, изучая илы Черного моря, обнаружил в них большое количество пыльцы хвойных. В 1951 г. сотрудники Института океанологии обнаружили пыльцу наземных растений в Тихом океане, на глубине более 10 тыс. м (Филиппинская впадина). В 1953-1963 гг. исследование поверхностных морских отложений со дна Охотского моря и Тихого океана позволили Е. В. Кореневой составить карты и схемы количественного распределения и качественного состава пыльцы в отложениях дна моря и океана.

Развивающиеся сейчас исследования донных отложений океанов и открытых морей в значительной мере облегчают труд исследователей, применяющих метод спорово-пыльцевого анализа при биостратиграфических работах в тех районах, где распространены древние морские отложения.

В различных породах пыльца и споры содержатся не в одинаковом количестве. Так, в 1 г образца торфа или сапропеля может их оказаться до 10-20 тыс., в минералогенных осадочных породах может быть несколько зерен. Поэтому и размеры образцов для спорово-пыльцевого анализа должны быть различны по весу: образцы минеральных пород берут весом от 100 до 200 г, а иногда и значительно больше, органических - от 5 до 100 г.

Образцы отбираются через различные интервалы в зависимости от характера и мощности отложений: в суглинках и глинах - через 20-25 см, в торфах - через 5-10 см и больше, иногда берут образцы без интервалов в виде маленьких монолитов длиной 20-30 см и сечением приблизительно 3 × 4 см. В разрезах, где однообразные породы слагают слои в сотни метров мощностью, приходится отбирать на анализ пробы через большие промежутки.

При изучении обработанных проб под микроскопом также следует придерживаться определенной последовательности, т. е. начинать аналитическое изучение с самых древних слоев. На геологическом языке в таком случае говорят: "снизу вверх". Это поможет лучше представить последовательное изменение растительности за время образования анализируемой толщи.

Читая специальную литературу по методике спорово-пыльцевого анализа или работы геолого-географического профиля, в которых приводятся палинологические данные, можно встретить выражения: "спорово-пыльцевой спектр" или "комплекс пыльцы и спор". Что же эти выражения означают?

Изучая под микроскопом препарат за препаратом, патинолог отмечает в книге анализов каждую встречаемую пылинку или спору. В результате получается длинный список наименований и против каждого из них стоит серия черточек. Каждая черточка - это зафиксированная находка пыльцы определенного вида растения. При обработке полученных данных подсчитывается общее число пыльцевых и споровых зерен, обнаруженных во всех изученных препаратах, относящихся к одному образцу горной породы. А потом вычисляется процентное соотношение отдельных представителей. Состав пыльцы и спор, выделенных из образца горной породы, характеризующий какой-то определенный горизонт изучаемого разреза, представленный в виде процентного соотношения, принято называть спорово-пыльцевым спектром.

Перечень видов пыльцы и спор (безразлично, по какой из принятых систем - искусственной или естественной - определены эти виды) без указания процентных соотношений может быть назван комплексом. Термин "комплекс" может быть применен и в более широком смысле, при перечне основных видов пыльцы и спор, которые характеризуют отложения целой группы слоев или флору определенного отрезка геологического времени.

Спорово-пыльцевые спектры - это основной элемент статистических данных. Изменения в составе спорово-пыльцевых спектров снизу вверх по разрезу отражают изменения в составе растительности в продолжение того времени, когда формировалась изучаемая горная порода. Если спорово-пыльцевые спектры относятся к одному, небольшому промежутку времени, комплекс их может указывать на характер растительного покрова всего этого времени.

Суммарные данные анализа спектров иногда изображают в виде круговых диаграмм. Для наглядности за 100% принимается площадь круга, разделенного на секторы, площади которых относятся друг к другу так же, как проценты пыльцы и спор различных групп растений (древесных, травянистых или же семейств, родов и т. п.).

В качестве примера приведем спорово-пыльцевой комплекс, характерный для растительности древнего голоцена северных районов Европейской части СССР и в Прибалтике (рис. 5). Схема показывает, что в первом случае господствующее положение в этот период занимала ель (в Прибалтике был, видимо, более влажный климат), а березы было меньше. Во втором случае в древнем голоцене господствовала сосна.

Рис. 5. Пыльцевые спектры древнего голоцена (по М. И. Нейштадту): А - центр Европейской России; Б - Прибалтика; 1 - ель, 2 - сосна, 3 - береза, 4 - ольха

Для того чтобы наглядно представить данные спорово-пыльцевых анализов по всему разрезу, вычерчивают "пыльцевые диаграммы"^*. Они строятся по такому принципу: с левой стороны в виде колонки дается литологическая характеристика отложений по горизонтам разреза (скважины). Параллельно колонке на оси ординат сверху вниз откладываются глубина взятия проанализированных образцов, а по оси абсцисс, слева направо, - состав спорово-пыльцевых спектров. Для того чтобы было ясно, пыльца каких растений представлена на диаграмме, ее обозначают определенными, твердо установленными символами (для групп растений, составляющих элемент ландшафта, также установлены специальные символы). Изучив значение этих символов, специалист может "читать" диаграмму - небольшой кусочек летописи геологического и физико-географического прошлого Земли. В качестве примера приведем спорово-пыльцевую диаграмму отложений 19-метровой террасы р. Ии, притока Ангары (рис. 6).

^* (Есть несколько способов составления диаграмм. Мы останавливаемся на более распространенном способе изображения результатов анализа, предложенном Л. Постом.)

Рис. 6. Спорово-пыльцевая диаграмма террасы р. Ии (по М. П. Гричук): 1 - сумма спор; 2 - пыльца древесных растений; 3 - пыльца травянистых и кустарничных растений; 4 - ель; 5 - пихта; 6 - кедр; 7 - сосна; 8 - береза; а - песок с галькой; б - песок; в - суглинок легкий; г - суглинок тяжелый

Как видно на диаграмме, во время формирования всей толщи осадков существовала лесная растительность, но состав леса в разные периоды был различен. Во время накопления горизонта песков преобладала пыльца хвойных. Причем пыльца кедра составляла 35 %, пыльца ели - 16% от суммы пыльцы древесных, небольшой процент занимала пихта. Береза составляла лишь 7%. Единично встречена пыльца липы и дуба.

В отложениях суглинков состав пыльцы изменяется. Исчезают широколиственные породы и ель, кедр встречается единично. Береза занимает первое место. В соответствии с изменением лесного покрова менялся и состав травянистых ассоциаций, а также состав споровых растений.

Однако данных, полученных на основе изучения одного разреза или скважины, еще мало для того, чтобы составить правильное представление о смене растительных сообществ на исследуемой территории. Результаты анализов одного разреза или скважины можно сравнить с одним предложением из летописи растительного мира. Чтобы осветить ее более или менее полно, необходимо изучить большое количество разрезов или скважин, заложенных в различных местах и отложениях интересующего нас периода. Выводы следует сопоставить с данными по истории растительности и климата, полученными на основе изучения листовых отпечатков, ископаемых плодов и семян, анатомии ископаемой древесины и даже в некоторых случаях ископаемых остатков диатомовых водорослей.

По результатам исследования большого количества разрезов в определенной зоне строят схематизированные пыльцевые диаграммы отложений обширного района. Примером может служить схематизированная пыльцевая диаграмма для четвертичных отложений Приангарья (рис. 7). Такие диаграммы используют для сравнения результатов спорово-пыльцевых анализов, проведенных другими исследователями, и установления стратиграфической принадлежности того или иного горизонта. Диаграммы позволяют также сделать выводы об изменениях в растительном покрове за определенный промежуток времени.

Рис. 7. Схематизированная пыльцевая диаграмма для четвертичных отложений Приангарья (по М. П. Гричук)

Понятно, что восстановление истории растительности по данным палеоботанических находок представляет собой довольно трудное и сложное дело. Некоторые исследователи скептически относились к попыткам представить достаточно полно историю растительного и животного мира. В прошлом веке немецкий ученый Гёбель высказал даже мысль, что палеоботанический и палеонтологический материалы подобны библиотеке, которая подвергалась пожару, потом наводнению, затем была разъедена мышами и развеяна ветром. Однако прогресс науки опроверг это пессимистическое заключение и дал возможность прочитать историю растительности нашей планеты от самых древних эпох. Важную роль в этом сыграл наряду с другими метод спорово-пыльцевого анализа.

Для правильного чтения пыльцевых диаграмм и для правильного понимания данных спорово-пыльцевого анализа молодых (четвертичных) отложений большое значение имеют работы по сопоставлению современной растительности с составом спорово-пыльцевых спектров из современных же напочвенных проб. Исследования показали, что для каждого типа растительного покрова (лес, степь, пустыня, тундра, лесостепь) характерен своеобразный состав спорово-пыльцевых комплексов и что на основании данных спорово-пыльцевых анализов можно прекрасно представить себе, в какой растительной зоне располагался тот район, где отлагались изучаемые осадки. Так восстанавливаются картины далекого прошлого Земли. Однако при изучении изменения растительного и животного мира в прошлом нужно всегда иметь в виду, что лик Земли также непрерывно изменялся, и очертания суши были иными. Современные материки и острова могли в прошлом представлять одно целое и, напротив, отдельные части ныне существующих континентов могли быть разделены морями и проливами. Таким образом, эволюция растительного мира протекала, как это остроумно подметил английский ученый А. Г. Съюорд, как бы на сцене с постоянно меняющимися декорациями. Это обстоятельство всегда нужно учитывать при восстановлении ландшафтов, климатов и растительного покрова в прошлых периодах.

Именно пыльца и поры, во все века в массе производимые растениями и сохраняющиеся в любых типах осадков, помогают нам уловить эти "смены декораций": неоднократные изменения лика Земли и растительных сообществ в связи с общими изменениями геологической и физико-географической обстановки.

Применяя сравнительный метод для расшифровки данных спорово-пыльцевого анализа, не следует, однако, им увлекаться. Метод актуализма^* в некоторых случаях может быть опасен. Чем дальше мы спускаемся по лестнице времени вниз, тем менее и менее непохожими на современные становятся конфигурация материков и климаты, животный и растительный мир. Да и масштабы времени, с которыми нам приходится иметь дело, различны. Вспомним замечательное высказывание академика А. Е. Ферсмана о соотношениях во времени различных этапов геологической истории: "Если мы примем условно продолжительность истории Земли от начала археозоя до наших дней в 24 часа и уменьшим соответственно продолжительность всех эр, вычисленную по радиоактивному методу, то на наших часах докембрий будет длиться 17 часов, палеозой - 4 часа, мезозой - 2 часа, кайнозой - 1 час. Человек появляется на арене жизни за 5 минут до полуночи"^**.

^* (Актуализм - одна из форм исторического метода в геологии, который исходит из принципа: "Настоящее есть ключ к пониманию прошедшего", т. е. изучение физических, химических и геологических процессов, происходящих в настоящее время на земном шаре, принимается как исходный пункт для суждения о процессах и физико-географических условиях минувших геологических периодов. В советской геологии принцип актуализма приобретает качественно новую форму, опирающуюся на глубокий исторический метод диалектического материализма.)

^** (А. Е. Ферсман. Занимательная геохимия. М., 1948, стр. 35.)

Естественно, что при оценке данных спорово-пыльцевого анализа, полученных при изучении отложений древних эпох, мы и мыслить должны значительно более крупными масштабами, чем это делается для четвертичного времени, а тем более для голоцена^*. Поэтому и графическое изображение данных спорово-пыльцевого анализа отложений древних эпох, в особенности палеозоя и мезозоя, выглядит по-иному, чем диаграмма для четвертичных и голоценовых отложений. При определении ископаемых пыльцы и спор уже трудно бывает определить по составу комплексов тип растительного покрова, так как не всегда можно определить принадлежность того или иного вида пыльцы или спор к древесным или травянистым растениям.

^* (Голоцен - верхний отдел четвертичной системы, охватывающий отложения после вюрмского оледенения; соответствует современному отделу четвертичной системы.)

Читая результаты спорово-пыльцевого анализа, например, нижнетретичных (палеогеновых) и более древних отложений, мы раскрываем историю изменения целых флор, обнаруживаем выпадение древних или появление совершенно новых растительных родов, видов или отмечаем особенно широкое развитие какой-нибудь группы родов. Все это изображается в виде схем.

На основе многочисленных данных спорово-пыльцевых анализов определенного периода иногда даже удается составить карты распространения растительности на большой территории. Так, имеющиеся данные позволили И. М. Покровской создать картографические схемы распределения растительности в третичном периоде (рис. 8).

Рис. 8. Схема распределения растительности на территории СССР в олигоценовое время (по И. М. Покровской). Европейская провинция: 1 - широколиственно-таксодиевые леса (северная подпровинция); 2 - хвойно-широколиственные леса со значительным участием вечнозеленых субтропических и тропических пород (южная подпровинция); 3 - Урало-Западносибирская провинция - широколиственные леса с участием таксодиевых; 4 - Казахстанская провинция - широколиственные леса с участием вечнозеленых субтропических пород; 5 - Дальневосточная провинция - широколиственные леса разнообразного состава

Метод спорово-пыльцевого анализа совершенствовался и развивался параллельно с разработкой стратиграфии; этому содействовали также разнообразные исследования, связанные с прикладной геологией и палеогеографией.

Постепенно задачи, возлагаемые на этот метод, усложнялись, так как усиливалась детальность исследований.

История развития растительного мира Земли, талантливо нарисованная в общих чертах крупнейшим палеоботаником нашего времени А. Н. Криштофовичем, показывает нам, насколько сложно и разнообразно происходило становление растительного покрова на различных континентах древнего лика Земли, как отличались флоры различных материков и ботанико-географических областей земного шара. Он сделал это в основном на данных по макроскопическим остаткам флоры. С помощью пыльцевого анализа внесено много дополнений в познание ископаемых материалов, расширяющих наши представления о растительном мире прошлого; а также заполнены те "пробелы в летописи" истории флоры, которые были неизбежны, так как макроскопические остатки встречаются значительно реже и приурочены лишь к континентальным отложениям. Да и количество представленных ими видов ограниченно. Например, еще 20 лет тому назад возраст отложений па Шпицбергене, в которых были найдены отпечатки широколиственных растений (липы, ольхи, ильма и др.), по аналогии с такими же отпечатками флоры из миоценовых^* отложений Швейцарии относили также к миоцену. А после того как известный скандинавский палинолог С. Манум в 1962 г. произвел детальный спорово-пыльцевой анализ тех же самых пород, в которых были найдены эти отпечатки, обнаружил, кроме пыльцы перечисленных пород, еще массу пыльцы других растений, принадлежавших уже давно вымершим видам, появилась возможность переопределить возраст вмещающих пород, признав его гораздо более древним, а именно, палеоценовым^**. При этом ученый имел уже возможность провести сравнение между одновозрастными флорами Шпицбергена, Аляски, Гренландии, восточных окраин Сибири, Исландии и других континентов и отметить их сходство и отличие.

^* (Миоцен - верхний отдел третичной системы; флора уже близка к современной.)

^** (Палеоцен - самый нижний отдел третичной системы.)

Сейчас для пыльцевого анализа уже нет "белых пятен". Споры и пыльца (или только споры) известны из самых молодых и самых древних геологических эпох.

Обратимся к геохронологической таблице и проследим по ней, как развивался растительный мир Земли (на рис. 9 изображена схема В. В. Друшиц).

Рис. 9. Схема распространения основных групп растений в различные геологические периоды: 1 - диатомовые, 2 - харовые, 3 - моховидные (кукушкин лен), 4 - плауновидные (сигиллярия), 5 - членистостебельные (каламит), 6 - псилофитовые (псилофитон), 7-8 - папоротники, 9-14 - голосемянные, 15 - покрытосемянные

До сравнительно недавнего времени полагали, что наземная растительность появилась довольно поздно, а в протерозое и кембрии растительный мир был представлен исключительно водорослями. Возражая против распространенного в то время мнения, академик Л. С. Берг в 1947 г. писал, что "едва ли имеются основания признать кембрийские материки совершенно безжизненными". И действительно, в 1949 г. С. Н. Наумова сообщила о нахождении в отложениях силура и нижнего кембрия Прибалтики многочисленных и разнообразных (более 100 видов) спор наземных растений. Это была первая находка следов наземной растительности в отложениях этого возраста.

В 1951 г. С. Н. Наумовой, а в 1955 г. - Б. В. Тимофеевым были обнаружены споры в еще более древних отложениях (в докембрии) (рис. 10). Это выдающееся открытие имело большое теоретическое и практическое значение. Оно внесло серьезные поправки в существовавшие прежде представления и отодвинуло время появления наземной растительности на значительно более ранний период.

Рис. 10. Споры наземных растений 1-6 - силур, 7-11 - кембрий, 12-16 - протерозой

С другой стороны, благодаря этому открытию, споровый анализ начал играть в расчленении докембрия большую роль, так как другие биостратиграфические методы не давали положительных результатов.

Постепенно, шаг за шагом, составляется схема вертикального изменения (во времени) состава спор и пыльцы в различные геологические эпохи. Для многих из них найдены свои группы руководящих видов, родов и целых комплексов. Найдены коренные различия в составе ископаемых флор различных континентов прошлого, а также установлено, что крупные и значительные перемены в флористическом составе растительного мира часто происходили одновременно на обширных территориях. Переломы эти можно уловить для разных районов по смене различных видов, родов ископаемых растительных остатков, в частности и пыльцы. Причем морфологическое строение как спор, так и пыльцы значительно усложняется, что хорошо видно на рис. 11.

Рис. 11. Эволюция морфологических признаков спор и пыльцы: 1 - споры самых древних наземных растений; 2 - споры древних папоротников; 3 - пыльца древних покрытосемянных растений; 4 - пыльца современных растений

На основе многочисленных данных анализа спор и пыльцы, а также отпечатков растительных остатков, удается даже восстановить ландшафты некоторых периодов. Если растительность девонского периода представлена растительностью низкорослой и большей частью водной, то в каменноугольной эпохе преобладали довольно крупные деревья и древовидные папоротники.

Продолжая путешествие через века, перенесемся теперь в более близкий нам четвертичный период.

Четвертичный, или антропогеновый, период (как его называют в честь главного события, которое произошло примерно миллион лет назад, когда на Земле появился человек) - самый короткий из всех периодов геохронологической шкалы. И несмотря на это, данный период ознаменовался резким изменением среды, в связи с общим похолоданием и увеличением климатических контрастов. Северное полушарие пережило многократные материковые оледенения. Как показывают исследования последних лет, проведенные с помощью радиоактивного углерода С¹⁴, через каждые три - пять тысячелетий льды то наступали, то снова отходили на север. Самое холодное время было около 20 тыс. лет назад, а затем льды начали свое окончательное отступление и приблизительно 12 тыс. лет назад они почти освободили наш континент от своего мощного покрова. Насколько мощным был этот покров, можно судить по толщине льда на Русской равнине, которая, как показывают подсчеты, достигала 4-5 км.

Периодические похолодания и потепления (чередование ледниковых и межледниковых эпох) приводили к миграциям животных и растений. Об изменениях в растительном покрове этого времени имеется большое число специальных работ, в том числе и написанных на основании данных спорово-пыльцевого анализа.

По схеме, предложенной В. П. Гричуком в 1955 г., отмечается, что в течение четвертичного периода в северной части Прикаспийской низменности дважды расселялась распространявшаяся с севера древесная растительность, что в центральных частях Русской равнины происходило многократное чередование теплолюбивой и холодостойкой растительности, причем флоры более теплолюбивые, чем современные, появлялись на этой территории не менее двух раз.

Наиболее полно исследован самый последний период четвертичного времени - голоцен. Большой интерес к нему объясняется тем, что без знания процессов, протекающих в этом отрезке геологической истории, не может быть понято становление современных природных условий. Многочисленные данные по составу растительности этого периода в разных районах (полученные на основе спорово-пыльцевых анализов), позволили М. И. Нейштадту составить в 1955 г. подробные палеогеографические карты древнего, раннего, среднего и позднего голоцена для всей территории СССР.

Карты показали, что за этот сравнительно короткий период границы природных зон значительно изменялись: в раннем голоцене граница тундры была значительно сдвинута на север, а темнохвойная тайга заходила на левобережье Волги и далее к Балтийско-Черноморскому водоразделу. В середине голоцена на Кольском полуострове тундра и лесотундра отступили на самый север, а область распространения широколиственных пород проходила тогда на 300 км севернее современной.