Анализ взаимосвязи изменений биоразнообразия, содержания кислорода в атмосфере и массы углерод-водородной оболочки литосферы в фанерозое

УДК 575.8:551.7.03

Ю. М. Полищук, И. Г. Ященко

АНАЛИЗ ВЗАИМОСВЯЗИ ИЗМЕНЕНИЙ БИОРАЗНООБРАЗИЯ, СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА В АТМОСФЕРЕ И МАССЫ УГЛЕРОД-ВОДОРОДНОЙ ОБОЛОЧКИ ЛИТОСФЕРЫ В ФАНЕРОЗОЕ

Изучена взаимосвязь изменений биоразнообразия, содержания кислорода и массы углерод-водородной оболочки в фанерозое. Динамика биоразнообразия представлена циклическими изменениями родового разнообразия морских животных в фанерозое, информация о которых была взята из базы данных Дж. Сепкоски. Установлена взаимосвязь между изменениями содержания кислорода в атмосфере, массы углерод-водородной оболочки литосферы и биоразнообразия морских животных в фанерозое на основе статистического анализа временных рядов вышеуказанных величин. Данная взаимосвязь подтверждена корреляционными расчетами.

Ключевые слова: фанерозой, биоразнообразие, число родов морских животных, атмосферный кислород, углерод-водородная оболочка Земли.

В работах А. Б. Ронова, А. А. Трофимука, В. И. Молчанова и В. В. Параева [1—3] показана взаимосвязь изменения содержания кислорода в атмосфере с массой углерод-водородной (УВ) оболочки в стратисфере Земли, которыми обусловлена цикличность нефтенакопления в осадочной оболочке Земли. Изменение содержания кислорода в атмосфере в фанерозойский период объясняется в работах А. Б. Ронова [1], Н. Л. Добрецова с соавторами [4] и В. К. Бахнова [5] эволюционными процессами биосферы, в частности, изменением биологического разнообразия. Однако количественно взаимосвязь изменений биоразнообразия с изменением содержания освобожденного кислорода, накопленного в атмосфере, и массы углерод-водород-ной оболочки в фанерозое практически не исследована, что и явилось основной целью настоящей работы. В качестве показателя палеобиоразнообразия было использовано число родов морских животных, наиболее полная информация об изменении которых в истории Земли содержится в уникальной базе данных американского палеонтолога польского происхождения Дж. Сепкоски [6; 7]. В качестве информации о циклических изменениях накопленного атмосферного кислорода и массы углерод-водородной оболочки использованы временные ряды этих показателей, представленные в вышеназванных работах [2; 3].

Анализ взаимосвязи изменений биоразнообразия с содержанием атмосферного кислорода и массы углерод-водородной оболочки в фане-розое

Систематическая смена географического положения континентов в геологической истории Земли ставила их в различные климатические условия и способствовала эволюции живых организмов. Этому помогали и процессы распада континентов, так как их зоны хорошо прогревались глубинным теплом и здесь активно развивалась жизнь. В связи с этим представляет интерес изучение взаимосвязей изменений биологического разнообразия в фа-

нерозое и циклических изменений содержания кислорода в атмосфере и массы УВ-оболочки как основного фактора нефтеобразования и разведанных запасов нефти в качестве количественного показателя нефтенакопления.

По данным исследований Н. В. Лебедевой,

Н. Н. Дроздова и Д. А. Криволуцкого [8], число видов организмов в истории Земли в среднем оценивается величиной 400-500 млн. При этом считается, что в настоящее время могут существовать не менее 10-35 млн видов растений, животных и микроорганизмов, хотя научно описаны около 1.8 млн видов. Ввиду отсутствия количественных оценок планетарного биоразнообразия в фанерозойской истории Земли в качестве показателя биоразнообразия для проведения анализа указанной взаимосвязи будем использовать число родов морских животных, изменения которого можно изучать с использованием палеонтологической летописи родов морских животных, представленной информацией из базы данных Дж. Сепкоски [6; 7]. На ее основе приведены графики временного хода изменения родового разнообразия морских животных в фанерозое (рис. 1 и 2).

Анализ взаимосвязи изменений биоразнообразия, массы углерод-водородной оболочки и атмосферного кислорода (АК) проведен путем сравнения трендов изменения данных показателей в фа-нерозое. Графики их временного хода приведены на рис. 1, где жирными прямыми линиями показаны линейные тренды трех указанных показателей. Как видно из рис. 1, линии трендов, определенные с помощью программы Excel MS 2007, соответствуют эмпирическим данным. Все линии трендов показывают, что в фанерозойский период биоразнообразие, масса УВ-оболочки и АК проявляют одинаковую тенденцию, т. е. в среднем увеличиваются со временем.

Следовательно, проведенный анализ выявляет взаимосвязь исследуемых показателей, проявляющуюся в том, что рост содержания кислорода в ат-

сферы, сопровождавшиеся вспышками видообразования, принято рассматривать как экологические катастрофы. Судя по графикам на рис. 1 и 2, катастрофическими периодами в полной мере можно назвать: ордовик, в котором наблюдается всплеск родового разнообразия и массовое вымирание (ордовикская радиация); карбон - всплеск родового разнообразия и рост числа вымерших родов морских животных и мел, где также можно отметить рост разнообразия морской биоты и массовое вымирание родов.

Рис. 1. Изменения биоразнообразия морских животных, массы углерод-водородной оболочки и освобожденного кислорода в атмосфере Земли

мосфере сопровождается увеличением биоразнообразия и массы УВ-оболочки.

Приведенные выше графики временного хода биоразнообразия, массы УВ-оболочки и АК (рис. 1) позволяют выявить еще одну взаимосвязь изменений рассматриваемых показателей. На фоне отмеченных ранее тенденций увеличения в среднем числа родов морских животных виден рост их родового разнообразия в ордовике (появилось много новых классов животных и были освоены другие места обитания), карбоне, меловой системе и кайнозое, глубокий спад в силуре и триасе. График изменения общего количества родов морских животных (рис. 1) позволяет подразделить фанерозой-скую историю морской биоты на отчетливые периоды с выраженным ростом количества родов в ордовикской, каменноугольной и меловой системах, совпадающие по времени с серединами геотектонических циклов (каледонским, герцинским и альпийским). А спады в численности родов морских животных (рис. 1) совпадают с переходными периодами на границах геотектонических циклов, а именно: в интервале времени «венд - кембрий» (байкальского и каледонского циклов), «силур -девон» (каледонского и герцинского циклов) и в триасе (герцинского и альпийского циклов).

Аналогичная закономерность проявляется и в динамике вымирания морской биоты, показанной на графике (рис. 2), с выраженными периодами крупных вымираний родов морских животных, совпадающими по времени также со срединами геотектонических циклов. В экологической литературе такие периоды значительных вымираний биологических видов и родов, во время которых происходили изменения направления развития био-

С Р Тг J К Pg ^ Стратиграфические системы

Рис. 2. Изменение количества исчезнувших родов морских животных в фанерозое

Известно, что в эти периоды фанерозоя происходили наиболее значительные изменения в биологическом разнообразии: в ордовике - экспансия водорослей и быстрое распространение беспозвоночных с твердым скелетом, в карбоне - экспансия наземной растительности, в юрском и меловом периодах - расцвет и экспансия теплолюбивых растений, заселение континентов животными. В геологической истории осадочная оболочка Земли интенсивно и в возрастающем темпе обогащается мертвой органикой, следовательно, прогрессирует рост массы углерод-водородной оболочки. Действительно, как видно на рис. 1, рост массы УВ-обо-лочки, определяющей нефтепроизводящий потенциал земных недр, подобно изменению общего количества родов морских животных, наблюдается в ордовике, карбоне и меловой системе.

Анализ взаимосвязи изменений биоразнообразия, массы углерод-водородной оболочки и уровня Мирового океана в фанерозое

Трансгрессии и регрессии Мирового океана, изменяющие площадь водной поверхности планеты и, следовательно, величину отражательной способности земной поверхности, существенно влияли на планетарные климатообразующие факторы. Эпохи максимального уменьшения уровня Мирового океана соответствуют периодам похолодания климата и наступления оледенений. Похолодание на планете приводило к уменьшению биопродуктивности растительности и глобальным вымираниям родов

животных, что сопровождалось уменьшением массы УВ-оболочки и снижением интенсивности процессов нефтеобразования. Эпохи глобального похолодания называются «глобальными геологическими зимами» [З]. В истории Земли «глобальные зимы» со скудной растительностью и слабой интенсивностью увеличения массы УВ-оболочки (рис. З) сменялись эпохами глобального потепления климата и буйного расцвета биосферы, которые именуются «глобальным геологическим летом» [З] и характеризуются ростом массы УВ-оболочки и повышением интенсивности нефтеобразования.

Стратиграфические отделы

“1-ї-II. ю ш а л п морей, млн. км “

“♦“Общее количество родов морских животных -•-Масса углерод-водородной оболочки *10 т

Рис. 3. Связь цикличности изменений числа родов морских животных, массы УВ-оболочки и трансгрессий Мирового океана в фанерозое по данным проведенных исследований [1; 2; 6]

На рис. З отражены периоды максимального и минимального обогащения литосферы органическим веществом, обусловленные формированием УВ-оболочки [2; З], а также циклические изменения уровней затопления суши в фанерозое [1]. Из рисунка видно, что изменения уровня Мирового океана, количества родов морских животных и массы УВ-оболочки обнаруживают цикличность, периоды которой соответствуют продолжительности галактического года (около 180 млн лет). Ритмы падения и роста рассматриваемых показателей отчетливо согласуются с коренными изменениями природной среды и палеоклимата в фанерозойский период. Так, снижение массы УВ-оболочки и понижение уровня Мирового океана совпадают с эпохами глобального похолодания в периоды: венд - кембрий, силур - девон, пермь - триас и палеоген (рис. З).

Анализ и интерпретация результатов Вышеизложенное показывает, что все рассмотренные в статье фанерозойские временные ряды количества существовавших и вымерших родов морских животных, массы углерод-водородной оболочки литосферы и атмосферного кислорода проявляют циклический характер с периодами ро-

ста в серединах геотектонических циклов и падения на границах этих циклов. Такая дружная согласованность (скоррелированность) изменений во времени количественных показателей разнородных геосферно-биосферных процессов подтверждается высокими значениями коэффициентов парной корреляции, результаты расчета которых приведены в таблице.

Значения коэффициентов корреляции

Показатели Масса УВ-оболочки по [2, З] Число родов морских животных по [5, 6] Число вымерших родов морских животных по [5, 6] Масса кислорода по [2-4]

Масса УВ-оболоч-ки по Г2, 31 1 0.40 0.56 0.99

Число родов морских животных по Г5, 61 0.40 1 0.82 0.41

Число вымерших родов морских животных по Г5, 61 0.56 0.82 1 0.58

Масса кислорода по Г2-41 0.99 0.41 0.58 1

Как видно из таблицы, все рассмотренные показатели биоразнообразия, массы УВ-оболочки и кислорода в атмосфере демонстрируют скоррелированность их изменений во времени фанерозойской истории Земли. Это является отражением существенного влияния изменений биоразнообразия на формирование УВ-оболочки стратисферы Земли и накопление кислорода в атмосфере. Высокий коэффициент корреляции (0.82) между числом существовавших и вымерших родов животных, по нашему мнению, можно объяснить большим значением глобальных экологических катастрофических явлений в биосфере на структурную перестройку биоразнообразия в серединах геотектонических циклов. Как видно из рис. 1 и 3, рост массы углерод-водородной оболочки и кислорода в атмосфере в фанерозое, как и рост общего количества вымерших родов морских животных, наиболее отчетливо проявляется в периоды, совпадающие по времени с серединами геотектонических циклов. Спад всех показателей наблюдается в переходные периоды на границах геотектонических циклов.

Проведенное исследование показало, что в среднем увеличение биоразнообразия сопровождается ростом массы УВ-оболочки и содержания кислорода в атмосфере. Анализ циклических изменений рассматриваемых показателей демонстрирует их важную взаимосвязь, проявляющуюся в том, что рост биоразнообразия, массы УВ-оболочки и АК наблюдается в ордовикской, каменноугольной и меловой системах, совпадающих по времени с серединами геотектонических циклов (каледонским, герцинским и альпийским). А спады в численности морских животных совпадают с пере-

ходными периодами на границах геотектонических да и массы углерод-водородной оболочки в фане-

циклов. розойской истории Земли расширяют теоретиче-

В заключение отметим, что полученные в дан- ские представления об эволюции биосферы и цик-

ной работе результаты исследования взаимосвязи личности глобальных геосферно-биосферных произменений биоразнообразия, содержания кислоро- цессов в фанерозое.

Список литературы

1. Ронов А. Б. Стратисфера или осадочная оболочка Земли. М.: Наука, 1993. 144 с.

2. Трофимук А. А., Молчанов В. И., Параев В. В. Биогенный кислород атмосферы - эквивалент углеводородной оболочки во взаимодействии внешних геосфер // Вестн. Отделения наук о Земле РАН. 2000. № 3

3. Молчанов В. И., Параев В. В. Переломные рубежи в истории развития земного вещества и определяющие их геобиологические факторы // Там же. 2003. № 1 (21). URL: http: //www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2003/scpub-1.pdf

4. Добрецов Н. Л., Кирдяшкин А. Г., Кирдяшкин А. А. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «ГЕО», 2001. 409 с.

5. Бахнов В. К. Почвообразование - один из ведущих биосферных механизмов // Вестн. Томского гос. пед. ун-та (Tomsk State Pedagogical University Bulletin). 2008. Вып. 4 (78). С. 11-14

6. Марков А. В., Коротаев А. В. Динамика разнообразия фанерозойских морских животных соответствует модели гиперболического роста // Журнал общей биологии. 2007. № 1. С.1-12.

7. Sepkoski J.J. Limits to randomness in paleobiologic models: the case of Phanerozoic species diversity // Acta palaeontol. polon. 1994. V. 38. № 3-4. Р. 175-198.

8. Лебедева Н. В., Дроздов Н. Н., Криволуцкий Д. А. Биологическое разнообразие. М.: Издат. центр «ВЛАДОС», 2004. 432 с.

Полищук Ю. М., доктор физико-математических наук, профессор.

Институт химии нефти Сибирского отделения Российской академии наук.

Пр. Академический, 4, Томск, Россия, 634021.

E-mail: yuri@ipc.tsc.ru, yupolishchuk@gmail.com

Ященко И. Г., кандидат геолого-минералогических наук, зав. лабораторией.

Институт химии нефти Сибирского отделения Российской академии наук.

Пр. Академический, 4, Томск, Россия, 634021.

E-mail: sric@ipc.tsc.ru

Материал поступил в редакцию 13.03.2012.

Y. M. Polishchuk, I. G. Yashchenko

ANALYSIS OF RELATIONSHIP OF CHANGES OF BIODIVERSITY, OxYGEN CONTENT IN ATMOSPHERE AND MASS OF CARBON-HYDROGEN STRATUM OF LITHOSPHERE IN THE PHANEROzOIC

Relationship between changes of biodiversity with oxygen content in atmosphere and mass of carbon-hydrogen stratum in the Phanerozoic is studied. Dynamics of biodiversity is represented by the cyclical changes of species diversity of sea animals in the Phanerozoic. Information about changes of sea animal biodiversity in the Phanerozoic was taken from Sepkosky database. The relationship between cyclical changes of oxygen content in atmosphere, mass of carbon-hydrogen stratum and changes of sea animal biodiversity in the Phanerozoic is revealed on base of temporal sets analysis of the above mentioned quantities. The revealed relationships were proved by correlation calculations.

Key words: Phanerozoic, biodiversity, number of sea animals species, oxygen in atmosphere, carbon-hydrogen stratum of lithosphere.

Polishchuk Y. M.

Institute of Petroleum Chemistry, Siberian Branch of RAS.

Pr. Academichesky, 4, Tomsk, Russia, 634021.

E-mail: yuri@ipc.tsc.ru, yupolishchuk@gmail.com

Yashchenko I. G.

Institute of Petroleum Chemistry, Siberian Branch of RAS.

Pr. Academichesky, 4, Tomsk, Russia, 634021.

E-mail: sric@ipc.tsc.ru