За миллионы лет до нас… Что и как изучает палеонтология?

В глубине нашей планеты скрыто множество ценной информации о биоразнообразии, эволюционных путях, климате, культуре и других секретах древнего мира. В числе множества наук, изучающих прошлое нашей планеты, едва ли не самая увлекательная — палеонтология, входящая в число наук о жизни. Палеонтологи стремятся восстановить облик и подробности жизни существ, обитавших миллионы, а иногда и миллиарды лет назад. В этой статье мы погрузимся в мир палеонтологии, узнаем историю ее развития и современные достижения, а также приведем несколько занимательных фактов об этой науке.

Что изучает палеонтология?

Палеонтология изучает живые организмы, обитавшие на Земле в прошлом. В научной практике зачастую используется условная граница, отделяющая древних животных от современных — 11 700 лет назад. Примерно в то время завершился последний на текущий момент ледниковый период, что ознаменовало наступление эпохи голоцена, в которую живем и мы с вами. Название науки образовано от 3 древнегреческих слов: «παλαιός», «ὄντος» и «λόγος» (прим. ред.: «палеос», «онтос» и «логос»). В переводе на русский язык это означает «учение о древних существах».

Основным объектом изучения палеонтологии являются окаменелости, которые также называют ископаемыми остатками, или фоссилиями. Фоссилизация — это процесс, при котором погибшие живые организмы сохраняются в породах или других структурах. Давайте рассмотрим основные типы фоссилизации, чтобы понять, какие именно окаменелости могут изучать палеонтологи.

• Перминерализация — вещества твердых органических остатков, таких как кости, зубы или раковины, постепенно замещаются минералами, при этом сохраняя свою первоначальную структуру. Большинство обнаруженных скелетов динозавров уцелели именно благодаря перминерализации.
• Карбонизация — в процессе разложения органических веществ в мягких тканях остается только углерод. Из него формируется тонкая пленка, предотвращающая деформацию. Карбонизация характерна для таких остатков, как перья, кора и листья.
• Субфоссилизация — редкое явление, при котором могут сохраняться как части скелета, так и мягкие ткани. Функцию консервирующей среды могут выполнять ледники, битумы или же вулканический пепел. Самым распространенным примером являются мамонты, остатки которых сохранились в вечной мерзлоте. Также к субфоссилиям часто относят насекомых, застывших в янтаре. Однако они доступны лишь для внешнего осмотра, так как попытки извлечь организмы из янтарной смолы вроде тех, что так живописно, но увы, недостоверно, показаны в знаменитом фильме «Парк юрского периода», приводят к их разрушению.
• Ихнофоссилии — к этому типу относятся не сами остатки, а следы жизнедеятельности древних организмов. В процессе разложения они часто оставляют в породах отпечатки, например, следы лап и другие пустые пространства, которые со временем заполняются минералами и сохраняют свою форму. Ихнофоссилии нередко дают больше информации, чем окаменевшие скелеты, ведь они наглядно демонстрируют внешний вид организма в целом, а не только его кости.

Основные разделы палеонтологии и ее взаимодействие с другими науками

Многие воспринимают палеонтологию как коллекционирование окаменелостей, однако ее цель значительно шире. Ученые стремятся реконструировать прошлое Земли, понять, как организмы эволюционировали и взаимодействовали друг с другом, почему одни существа вымирали, а другие оказывались приспособленными к изменившимся условиям. При этом в общей структуре палеонтологии как науки существуют специализированные дисциплины, тесно связанные друг с другом.

Одним из самых обширных разделов, который зачастую используют как синоним палеонтологии, является палеобиология. Ученые-палеобиологи через изучение внешнего вида древних существ формируют представление об их происхождении и эволюции, а также адаптационных функциях и поведении. Палеобиология включает 3 основных подраздела:

• палеозоология — изучает ископаемых животных;
• палеоботаника — фокусируется на растениях прошлого;
• микропалеонтология — исследует окаменелости микроорганизмов.

Палеонтологию нельзя назвать обособленной наукой, ведь она находится в тесной связи с другими дисциплинами. В значительной степени это касается геологии, ведь слои горных пород представляют собой основное поле деятельности палеонтологов. Сочетание исследовательских методов из разных научных областей дает ученым возможность точнее определять возраст как самих пород, так и заключенных в них ископаемых остатков.

Кроме того, палеонтологические открытия вносят значительный вклад в развитие биологической систематики, распределяющей живые организмы по классам, отрядам, семействам и другим таксономическим рангам (прим. ред.: таксоны — это иерархические группы живых организмов, объединенных по общим признакам). Важную роль в этом вопросе играет генетика, с помощью которой ученые могут сравнивать геномы современных и ископаемых существ, корректируя структуру эволюционных ветвей.

Палеонтологию часто объединяют с антропологией и археологией, так как представители всех трех дисциплин участвуют в раскопках, используют схожие методы и стараются понять что-либо о далеком прошлом. Однако главный объект изучения как антропологии, так и археологии — это современный человек, Homo sapiens.

Чтобы лучше понять, чем эти науки отличаются от палеонтологии и в чем с ней сходны, давайте определим их ключевые особенности.

• Антропологи исследуют происхождение и биологическую природу человека, а также развитие культуры и социальных структур.
• Археологи делают акцент на материальных ценностях человечества, изучая древние сооружения, орудия труда и предметы быта.
• Палеонтологи изучают древнюю жизнь во всем ее многообразии, не фокусируясь исключительно на человеке.

Древние представления об окаменелостях и первые палеонтологические гипотезы

Люди начали находить окаменелости еще в доисторические времена, задолго до того, как сформировались первые цивилизации. Десятки тысяч лет назад фоссилии могли использоваться как религиозные артефакты или предметы декора. Первое задокументированное упоминание ископаемых остатков относится к VI веку до н.э. Древнегреческий философ Ксенофан писал о том, что вдали от моря ему приходилось видеть камни в форме раковин и морских гребешков. На этом основании он делал вывод, что в прошлом эта суша была покрыта водой.

В мифологиях самых разных древних культур, не контактировавших друг с другом, появлялись легенды о драконах — гигантских огнедышащих летающих существах. Согласно распространенной гипотезе, прообразом всех этих вымышленных созданий могли служить ископаемые остатки динозавров и других вымерших рептилий. Считается, что циклопы появились в древнегреческих мифах благодаря фрагментам черепов мамонтов, носовые отверстия которых сильно напоминали глаз, расположенный по центру головы.

Человеком, предвосхитившим возникновение палеонтологии как науки считается выдающийся деятель науки и искусства эпохи Ренессанса Леонардо да Винчи. В то время, т.е в конце XV - XVI века распространение окаменевших морских организмов было принято объяснять библейским Всемирным потопом или же «шутками природы» — многие отказывались признавать связь окаменелостей с живыми организмами. Однако да Винчи разработал собственную гипотезу, которую изложил в трактате «Лестерский кодекс», написанном с 1504 по 1510 год. В нем Леонардо приводил следующие аргументы.

• Из-за потопа раковины не могли бы равномерно распределиться по породам на разных высотах. Скорее всего, в прошлом они накапливались на морском дне, которое впоследствии становилось частью суши, в том числе и гор.

• Организмы, которые когда-то были живыми, покрывались грязью и илом, что обеспечивало их сохранность, а когда уровень моря становился ниже, они постепенно высыхали и со временем превращались в камни.
• На раковинах остаются отверстия, подобные тем, что насекомые-древоточцы оставляют внутри древесины, а значит, это служит доказательством прошлой жизнедеятельности организма и опровергает гипотезу неорганического происхождения.

Зарождение палеонтологии как науки

В становлении научного палеонтологического подхода значительную роль сыграл датский католический священник Нильс Стенсен, который также проявил себя как геолог, врач-анатом и кристаллограф. В 1667 году он провел исследование и сообщил о сходстве акульих зубов с каменными образованиями, которые часто находили в породах и называли «каменными языками». Стенсен сделал вывод, что при окаменении химический состав остатков может меняться, а их форма — сохраняться. Кроме того, Нильс Стенсен вывел три принципа, определивших развитие геологии и палеонтологии.

• Принцип суперпозиции — чем ниже расположен пласт пород, тем раньше он сформировался. Стенсен считал, что при формировании каждый слой являлся верхним, так как вещество поверх него находилось в жидком состоянии. В наши дни этот принцип применяется к осадочным породам и позволяет восстановить последовательность существования живых организмов.
• Принцип изначальной горизонтальности — слои пород откладываются горизонтально, а затем деформируются под воздействием различных факторов. Современные ученые знают, что пласты могли формироваться и под углом, однако некоторые из них действительно меняли свою ориентацию в пространстве, например, под воздействием тектонической или вулканической активности. Принцип позволяет реконструировать изначальное расположение пластов и точнее определить возраст заключенных в них ископаемых остатков.
• Принцип преемственности слоев — в прошлом пласты могли простираться далеко за пределы тех границ, где они заканчиваются сейчас. Стенсен использовал этот принцип для сопоставления скальных пород по разные стороны речной долины, а впоследствии он помог установить взаимосвязь между континентами, которые ранее были единым целым. Именно поэтому окаменелости близкородственных видов животных находят в похожих пластах Европы и Северной Америки, а также Южной Америки, Африки и Австралии.

Хотя вклад Стенсена в становление науки был поистине велик, «отцом-основателем палеонтологии» все же называют французского натуралиста Жоржа Кювье. Отправной точкой стал доклад 1796 года, в котором ученый сравнил остатки индийских и африканских слонов с окаменелостями мамонтов, доказав факт вымирания на конкретном примере. Так он опроверг концепцию «вечности видов», согласно которой все созданные животные существуют до сих пор. Метод Кювье, при котором ископаемые виды сопоставляются с ныне существующими, лег в основу палеонтологической диагностики.

Также Жорж Кювье разработал первую методологию палеонтологической реконструкции. Реконструкция — это процесс восстановления внешнего вида древнего животного по фрагментам окаменелостей. Кювье пользовался принципом корреляции органов, согласно которому все части организма образуют взаимосвязанную систему. Например, имея зуб хищника, он понимал, что животное должно было иметь мощные челюсти для разрывания мяса, скелет, приспособленный к быстрому перемещению, и развитые органы чувств.

В историю вошла цитата Кювье: «Дайте мне кость, и я восстановлю все животное». Он был убежден, что вся организация тела животного, от скелета до мельчайших деталей, подчинена функциональной адаптации к определенной экологической нише, а потому между разными органами создаются тесные взаимосвязи. Пользуясь собственной теорией Кювье смог достаточно достоверно, с учетом научных знаний того времени, реконструировать внешний вид нескольких десятков видов животных.

Открытия первых ископаемых рептилий и млекопитающих

Первые значительные открытия, связанные с ископаемыми животными, также были сделаны Жоржем Кювье. В 1804 году он описал 2 фрагмента скелетов, извлеченных из более глубоких слоев, чем обнаруженные ранее остатки мамонтов. Он точно определил, что кости принадлежали млекопитающим, обитавшим более 30 млн лет назад, тогда как известные в то время мамонты жили не раньше 200 000 лет назад. Кювье описал 2 рода: палеотерии (Paleotherium), похожие на современных тапиров, и аноплотерии (Anoplotherium), более близкие к лошадям или верблюдам.

В начале XIX века случился самый настоящий переворот, определивший развитие палеонтологии и изменивший ее восприятие в обществе. Ученые начали открывать древних рептилий, которые населяли Землю задолго до млекопитающих современного типа. Более того, стало понятно, что эти рептилии занимали различные экологические ниши — например, мозазавры (Mosasaurus) были водоплавающими, а птеродактили (Pterodactylus) имели способность к полету.

Когда преподаватель геологии в Оксфорде Уильям Баклэнд приобрел окаменевшие фрагменты челюстей и бедренной кости, он не знал, во что выльется их изучение. Несколько лет ушли на тщательное исследование остатков, но отнести их к какому-то виду ученый не решался: слишком сильно отличались остатки от других обнаруженных ископаемых видов. В 1818 году Оксфорд посетил Жорж Кювье, который предположил, что окаменелости принадлежат гигантской хищной рептилии, передвигавшейся на двух ногах. Так был открыт мегалозавр (Megalosaurus) — первый динозавр, получивший официальное название. В 1824 году Баклэнд сделал доклад на собрании Королевского геологического общества, где сообщил о своем открытии.

Вскоре после открытия Баклэнда другой британский ученый — Гидеон Мантелл — описал еще одну крупную древнюю рептилию, которая была растительноядной и могла одновременно использовать как четвероногий, так и двуногий способ передвижения. Исходя из сходства зубов с зубами игуаны, Мантелл в 1825 году назвал животное игуанодоном (Iguanodon). Реконструкция внешнего вида игуанодона стала одним из первых резонансных курьезных случаев в палеонтологии — Мантелл разместил костяной шип на голове, а если точнее, на носу животного, в виде рога. Спустя более 40 лет бельгийский палеонтолог Луи Долло провел анализ новых находок и определил правильное расположение шипов — это были большие пальцы, располагавшиеся на передних лапах игуанодона.

Вдохновившись многочисленными открытиями в разных частях света, Гидеон Мантелл в 1831 году опубликовал статью, в которой ввел в употребление термин «эпоха рептилий» и разделил ее на 3 геологических периода. Спустя 10 лет древних рептилий объединили в общую эволюционную группу (или кладу) динозавров (прим. ред.:в переводе с древнегреческого «динозавр» — «ужасный ящер»), а эпоха рептилий была выделена в мезозойскую эру, состоящую из триасового, юрского и мелового периодов.

Развитие палеонтологических методов в XX веке

XX век в палеонтологии стал временем перехода к комплексному изучению жизни прошлого. Важным шагом стало открытие методов радиометрического датирования. Анализируя долю содержания радиоактивных изотопов урана в породах, а впоследствии и изотопов углерода в окаменелостях, ученые получили возможность точно определять их возраст. Это поспособствовало принятию единой геохронологической шкалы с эонами, эрами и периодами. Предложенная гипотеза тектоники плит, хотя и была принята научным сообществом только в 1960-х годах, уже в начале столетия объясняла географическое распределение вымерших животных.

Развитие рентгенографии, электронной микроскопии, молекулярной биологии и генетики позволяло ученым более детально воссоздавать облик живых организмов прошлых эпох. Это способствовало расширению понимания эволюционных связей, открытию общих предков и переходных звеньев для различных групп вымерших и современных растений и животных. Например, исследования 1970-х годов подтвердили, что археоптериксы (Archaeopteryx) служат доказательством эволюционной связи между птицами и двуногими динозаврами-тероподами.

История палеонтологии в России

Одним из первых российских исследователей окаменелостей считается историк Василий Татищев. Особый интерес он проявлял к костям мамонтов, с которыми было связано множество народных легенд. Во время своих поездок по России Татищев систематически собирал фрагменты черепов, бивней и других костей, делая тщательные описания. В 1725 году он опубликовал первую в истории научную статью о мамонтах, в которой предположил, что они представляют собой особый вид животных, отличавшихся от современных слонов.

Официально становление палеонтологии в России произошло в то же время, что и во всем мире — на рубеже XVIII и XIX веков. Русский ученый немецкого происхождения Пётр Паллас более 6 лет участвовал в экспедициях, в ходе которых систематически связывал окаменелости с геологическими слоями. Русский палеонтолог Владимир Ковалевский ( при.ред.: муж известной своими математическими достижениями Софьи Ковалевской) во второй половине XIX века провел колоссальную работу по определению эволюционных путей лошадей, связав переходные черты их предков с изменениями среды обитания.

В 1916 году в Петрограде начало работу Русское палеонтологическое общество — междисциплинарная организация, позволившая объединить разрозненные исследования в научную систему. При непосредственном участии общества были открыты самые разные ископаемые животные, обитавшие на современной территории России, среди которых:

• русские плиозавры (Pliosaurus rossicus) — массивные морские рептилии с 4 ластами, вытянутыми черепами и короткими хвостами. Обитали около 150 млн лет назад. Русские плиозавры были обнаружены в Саратовской области;
• иностранцевии (Inostrancevia alexandri) — четвероногие саблезубые хищники, относящиеся к обширной эволюционной группе синапсид, в которую впоследствии вошли и все млекопитающие. Исчезли в ходе пермского вымирания около 252 млн лет назад. Остатки иностранцевии впервые нашли в Оренбургской области;

• большерогие олени (Megaloceros giganteus) — парнокопытные, похожие на современных оленей, но имевшие впечатляющий размах рогов длиной более 3,5 метров. Существовали 120 000 – 7 700 лет назад. Большерогие олени обитали на большой территории, от Уральских гор до побережья Черного моря.

Современные палеонтологические исследования

Современная палеонтология — это высокотехнологичная наука, которая использует широкий спектр методов. При этом важно отметить, что многие фундаментальные принципы, которые мы описывали в предыдущих разделах, дошли до наших дней без изменений или с минимальными корректировками. Помимо классических методов, таких как корреляция органов, сравнительная анатомия и анализ отпечатков, в XXI веке преобладают следующие основные направления палеонтологических исследований.

• Молекулярная палеонтология и палеогенетика. Ученые не только выделяют ДНК ископаемых животных, но и реконструируют другие древние биомолекулы, в частности, белки и жиры. Это помогает установить родственные связи между разными эволюционными группами, а также определить особенности физиологии и рациона питания древних существ.
• Трехмерная визуализация. Комплексное сканирование окаменелостей позволяет определять их внутреннюю структуру, не повреждая бесценные образцы. Полученные данные ложатся в основу построения цифровых трехмерных моделей, реконструкций мягких тканей и симуляций движения древних живых организмов.

• Геохимические исследования. Анализ химического состава как самих окаменелостей, так и окружающих их пород дает ценную информацию о климате прошлых эпох, особенностях метаболизма и даже миграциях животных — по единству природных компонентов, вовлеченных в круговороты веществ.
• Комплексные реконструкции. В наши дни ученые стремятся восстановить не только внешний облик существ, но и понять, как работали экосистемы и как строились пищевые цепочки. Зачастую для этих целей привлекаются системы искусственного интеллекта, способные объединять массивы разрозненных данных по различным локациям.

Интересные факты о палеонтологии

• К самым ранним палеонтологам можно условно отнести неандертальцев. Еще 400 000 лет назад несколько неандертальцев, обитавших в испанской пещере Прадо-Варгас, собирали необычные для них каменные безделушки с узорами в форме звезды. В 2024 году ученые провели исследование и поняли, что эти реликвии представляют собой окаменелости морских ежей.

• Основатель палеонтологии Жорж Кювье был активным противником идей об эволюционном развитии живых организмов, однако именно он поспособствовал их научному становлению. Выделяя четкие границы таксонов, Кювье стремился доказать принцип неизменности видов. Однако Чарльз Дарвин во многом пользовался данной систематикой при разработке своей эволюционной теории. Более того, разработанный Кювье принцип корреляции органов до сих пор является основой эволюционной палеонтологии.
• Мы привыкли считать, что пласты пород содержат в себе подробную «летопись» жизни на Земле. Однако парадокс в том, что формирование окаменелости — это очень редкое событие, для которого необходимы специфические условия. Абсолютное большинство живых организмов разложилось и исчезло, не оставив на нашей планете какого-либо следа. Таким образом, реконструированная жизнь прошлых эпох представляет собой случайную и далеко не полную выборку.

***

Палеонтология прошла грандиозный путь от первых догадок Леонардо да Винчи до высокотехнологичных цифровых реконструкций и генетических анализов. Главные открытия палеонтологии заключаются в том, что жизнь отдельных видов в планетарном масштабе мимолетна и полностью зависит от условий меняющейся окружающей среды. При этом массовые вымирания являются не столько катастрофами, сколько двигателями эволюции, открывающими дорогу для новых форм жизни. Одно из таких вымираний 66 млн лет назад завершило историю динозавров, но дало возможность развиваться млекопитающим, что привело к возникновению человека.

Автор текста Иван Стефанов

Изображение на обложке: Freepik