С конца XVIII в. геологи стали применять биостратиграфические методы и реже литостратиграфические для установления принадлежности комплексов горных пород геологическим периодам. Смитсоновский принцип последовательности фауны, наряду с работами Жоржа Кювье, Александра Броньяра и Луи Агассиса об ископаемых и вымирании, был исключительно важен для понимания того, как определенные ископаемые связаны с конкретными пластами. Шкала геологического времени сначала была основана на этих принципах.

Тем не менее соотнесение последовательности ископаемых и изменений организмов с хроностратиграфическими событиями – не простая задача. Первоначальная среда, в которой жили организмы, отличается от места к месту и содержит совершенно разные биологические виды. Фоссилизация – довольно редкий процесс, требующий наличия специальных условий, при которых тела не разрушаются и не размываются; более того, сохранность увеличивается, если материал подлежит быстрому захоронению при малой концентрации кислорода или при полном его отсутствии. К тому же через миллионы лет необходимо определить местоположение отложений и извлечь их.

Руководящие ископаемые – это особые виды ископаемых, которые стратиграфы и геологи используют в качестве ключей, так сказать, для раскрытия последовательности горных пород на протяжении времени. Руководящие ископаемые представлены конкретными животными или растениями, которые населяли обширный географический район на протяжении относительно короткого времени, отличались от других видов или подвидов, были широко распространены и легко идентифицируются. Ключевые признаки руководящих ископаемых позволяют геологам разделять слои на основе их морфологии (формы) и распространения.

Например, давно вымершие трилобиты (группа морских артропод, класс Trilobita) считаются основными руководящими ископаемыми палеозойской эры. Существовали тысячи видов этих морских беспозвоночных, которые со временем менялись определенным образом (рис. 3.1, слева). Господство трилобитов закончилось с самым крупным когда-либо зафиксированным вымиранием, свидетельства которого обозначают завершение палеозойской эры и четко определяют границу пермского периода с последующим триасовым. Точно так же основными руководящими ископаемыми мезозойской эры являются аммониты с их спиральными раковинами (рис. 3.1, справа). Аммониты были плодовитыми животными, давшими начало множеству видов, которые позволяют геологам идентифицировать и соотносить геологические слои, а их вымирание знаменует окончание мезозоя.

Рис. 3.1. Слева: трилобит среднего кембрийского периода, гора Стивенс, Британская Колумбия (Mark A. Wilson, 2009); справа: аммонит, Лайм-Реджис, побережье Дорсета, Великобритания (Fluffybiscuit, 2010)

Как мы видели, работы палеонтолога Мэри Эннинг наряду с работами других ученых, в том числе немецкого палеонтолога Фридриха фон Квенштедта и его ученика Альберта Оппеля в 1850-х гг., стали основой для разработки аммонитовых зон – картографированных зон, определяющих возраст комплекса горных пород на основе изменений аммонитов. Аммонитовые зоны калиброваны для отложений по всему миру, в том числе в слоях Западного Внутреннего пролива мелового периода – крупного внутреннего моря, которое когда-то простиралось от Канады до Мексики и на протяжении более 30 млн лет разделяло Северную Америку на два массива суши.

Аммониты быстро скользили сквозь воды Западного Внутреннего пролива, в то время как на его берегах оставались дорожки следов динозавров и их скелеты. Над его широкими солеными потоками летали птерозавры. Там, где сегодня на высоте 1,5 км возвышается Денвер и Скалистые горы, когда-то, в зависимости от периода времени, глубина пролива составляла от 182 м (ровное дно) до 200–500 м (дно с котловинами). Дно было сложено из бедного кислородом ила с промежуточными слоями песка, что создавало идеальные условия для сохранения ископаемых останков. В конечном итоге материал литифицировался, превращаясь в сланцы Пирр, формацию Ниобрара и другие комплексы. Эти горные породы оказались подняты наверх примерно 40–70 млн лет назад вместе с молодыми Скалистыми горами в результате процесса горообразования, который называется ларамийским орогенезом.

Геологи определили возрастные зоны в сланцах Пирр, рядом с Лавлендом, штат Колорадо, на основе распределения различных видов аммонитов (см. цветную вклейку 3.2); зона карты, обозначенная голубым цветом, представляет самый молодой возраст, характеризующийся одним видом из рода Sphenodiscus[128]. Геологи также используют для разграничения времени виды головоногих моллюсков с прямой раковиной – белемнитов.

И аммониты, и белемниты могут дать дополнительную информацию об условиях среды, в которой они жили. В частности, белемниты выстраивались вдоль течения, следовательно, их ископаемые раковины, которые называются рострами, указывают направление движения воды. Исследования раковин аммонитов и ростров белемнитов раскрывают и другие климатические параметры, такие как температура воды.

Иногда, поскольку одна и та же экосистема включала множество животных, геологи рассматривают группы существ и их ископаемые остатки, которые называются ассоциацией, или комплексом ископаемых. Примером ассоциации ископаемых может служить та, в которой сохранились обитатели морского дна и толщи воды над ним, включая знаменитые отложения кембрия в сланцах Бёрджесс в Британской Колумбии. Ассоциации ископаемых, найденные в этих горных породах, включают трилобитов; крупных артропод странного вида – аномалокарисов, Anomalocaris, известных также как «странная креветка»; древних, похожих на губок существ; брахиопод, Brachiopoda, – беспозвоночных с раковинами, состоящими из двух соединенных створок; первое известное животное с хордой – пикайю, Picaia; протокрабов; червей и, помимо прочих, предков мечехвостов[129]. Ученые наносят на карту распределение этих ископаемых и таким образом сопоставляют горные породы на протяжении больших участков для составления шкалы геологического времени. При интерпретации комплексов ископаемых требуется осторожность, потому что потоки воды и другие силы могли передвигать останки животных после смерти, но они подходят для корреляции пластов горных пород.

Используя методы определения относительного возраста, геологи были способны установить последовательность событий временной шкалы, но лишь благодаря достижениям физики и химии и их применению по отношению к горным породам стало возможным четко определить границы между эонами, эрами, периодами и эпохами. Эти нововведения в конце концов превратили умозрительные теории эволюции и геологического времени в области науки, имеющие удивительно широкую доказательную базу.

Разработка шкалы геологического времени

Отчасти в связи с промышленной революцией и стремлением добывать ценные минералы и другие полезные ископаемые, такие как уголь, геологи и минералоги в конце XVIII в. пытались предсказывать местоположение таких важных отложений за счет организации известных геологических пластов во временной последовательности. В частности, немецкий геолог и профессор минералогии Абраам Вернер предпринял одну из первых попыток сформировать шкалу геологического времени, по крайней мере, пластов, которые содержат ископаемые, – тех, что находятся в границах фанерозойского эона. Возраст самых древних горных пород, которые в основном не содержат ископаемых и относятся к докембрийскому суперэону, будет определен гораздо позже с помощью количественных методов.

Абраам Вернер и первая шкала геологического времени

Вернер первоначально разделил горные породы у поверхности Земли на четыре подразделения, или периода[130]: примитивные, вторичные, аллювиальные и вулканические. Потом он добавил пятое