Событийный анализ в науках о Земле: Методические указания для студентов 5 курса специальности 013600 ''Геоэкология''

Министерство образования и науки РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Д.А. Рубан

Событийный анализ в науках о Земле: методические указания для студентов 5 курса специальности 013600 «Геоэкология» (дневное отделение)

г. Ростов-на-Дону 2006

Рассмотрено, одобрено и рекомендовано для издания на заседании кафедры геоэкологии и прикладной геохимии. Протокол № 5 от 19 декабря 2005 г.

Рецензент – профессор кафедры геоэкологии и прикладной геохимии, кандидат геолого-минералогических наук Ю.И. Холодков. Редактор – заведующий кафедрой геоэкологии и прикладной геохимии, доктор геолого-минералогических наук, профессор В.Е. Закруткин.

Д.А. Рубан. Событийный анализ в науках о Земле: методические указания для студентов 5 курса специальности 013600 «Геоэкология». Ростов-на-Дону. УПЛ РГУ. 2006. 18 с.

3

ВВЕДЕНИЕ Событийный анализ находит широкое применение в науках о Земле (особенно в геологии) в настоящее время. Научная грамотность геологами, географа или геоэколога в том числе предполагает и умение эффективно использовать его в своих исследованиях. В настоящих методических указаниях суммируются современные представления о методике этого анализа. В качестве примера рассматривается анализ одних из наиболее ярких событий в истории Земли – массовых вымираний. Методические

указания

предназначены

для

студентов

V

курса

специальности 013600 «Геоэкология» и могут использоваться ими в качестве дополнительного учебного пособия к курсу «История и методология наук о Земле». Базовые представления о научной методологии в целом представлены в ранее изданном пособии к данному курсу (Закруткин, Рубан, 2005). 1 ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СОБЫТИЯХ И СОБЫТИЙНОМ АНАЛИЗЕ Определение события тесно связано с истолкованием таких важнейших философских понятий как развитие, время и прогресс. Развитие - это достижение объектом, системой или всей материей более высокого уровня организации, обеспечивающего менее противоречивое ее состояние.

Изначально

противоречивое

состояние

и

необходимость

его

последующего устранения - основа всякого развития. Развитие реализуется путем изменения объекта, системы или всей материи. Изменение - это реализация ранее возникших ("накопленных") тенденций. Тенденция - возможный путь ликвидации того или иного противоречия или суммы противоречий. Совокупность множества одинаковых изменений, происходящих со всеми объектами, системами и материей в целом составляет время.

4

Таким образом, развитие не просто реализуется во времени, оно реализуется им; время производно от развития. Если мы рассматриваем отдельно две различные системы или два объекта и принимаем их условно раздельными и несосуществующими, то время для них будет протекать по разному в силу различной последовательности их изменения. Развитие во времени может быть по сути своей или прогрессивным, или стабильным. Если имеет место обычная последовательность изменений, когда за каждым отдельным из них следует аналогичное последующее, то происходит стабильное развитие. Если же каждое изменение само по себе усиливает последующее, то имеет место прогресс. Развитие всегда тенденциозно направлено к совершенствованию, т. к. ликвидация противоречий выводит объект, систему или материю на принципиально новый уровень, когда вновь возникшие противоречия уже менее значительны в сравнении с предыдущим уровнем. Развитие в рассмотрении отдельно для каждого объекта, системы или материи в целом имеет свои начало и конец. Начало развития - это появление данного объекта или системы, а конец достижение ими состояния ликвидации собственных противоречий. Любое материальное развитие тенденциозно должно реализовываться во времени по одной и той же схеме. Оно проходит 4 стадии, длительность каждой из которых, определяемая числом изменений, сокращается. При этом уровень развития возрастает от стадии к стадии: сначала быстро, прогрессивно, а затем все медленнее, практически не изменяясь на последней стадии. Событие – это реализация изменения, затрагивающего те или иные объекты, системы или материю в целом. В общем, понятия “событие” и “изменение” тождественны в том отношении. В упрощенном виде, можно говорить о том, что время состоит как из совокупности изменений, так и из совокупности событий. События, связанные с развитием Земли и ее подсистем, крайне разнообразны, а потому необходимо их классифицировать. Первым критерием для этого может служить отнесенность события к одному из аспектов развития – 5

например, к биологической эволюции, к изменениям климата и т.д. Исходя из иерархического положения объектов и систем, участвующих в том или ином событии, последнее может иметь различный ранг, территориальный охват и т.д.

Рисунок 1 – События по их временному выражению Принципиальной видится классификация событий по их временному выражению. Прежде всего, следует различать события, проявляющиеся дискретно (например, дизоксии, аноксии, эвксинии в водных бассейнах) и составляющие непрерывную последовательность (например, климатические события). Также могут различаться событие-уровень (СУ), событие-эпизод (СЭ) и событиенаведенный эпизод (СНЭ) (Рисунок 1). СУ – это достаточно краткое, в первом приближении мгновенное событие, отвечающее определенному временному срезу. СЭ охватывает некоторый в той или иной степени длительный интервал времени. Относительно реальной длительности СНЭ мы точных сведений не 6

имеем, но, зная, что оно проявилось в течение того или иного интервала, приписываем это событие всему этому интервалу.

Рисунок 2 – События по их отношению к тенденциям изменения Также события можно классифицировать по их отношению к тенденциям изменения (Рисунок 2). В соответствие с этим выделяются ординарные события (ОС), которые образуют непрерывные последовательности, трансформационные события (ТС) и прерывающие события (ПС). При этом трансформационные события могут знаменовать как усиление или ослабление тенденций (ТС-1), так их их полное изменение (ТС-2). Особым видом являются экстремальные события, которые могут быть трансформационными (Э-ТС) и прерывающими (Э-ПС). Однако не каждое трансформационное или прерывающее событие является экстремальным. Примерами экстремальных событий являются глобальные

7

аноксии, резкие похолодания, потепления климата и оледенения, массовые вымирания, космические импакты и т.п. Смысл событийного анализа заключается в эффективном и точном выделении событий в общей временной последовательности (также именуемой летописью событий) и определении их классификационного вида. Это имеет огромное значение в науках о Земле потому, что и геологоия, и геоэкология, и, во многом, география рассматривают планету и ее подсистемы именно в динамическом, историческом аспектах. Результаты событийного анализа могут использоваться для самых различных целей, включая проведение полноценного изучения эволюции объектов и систем, а также их сопоставление. Особо заметную роль событийный анализ играет в геологии. Он стал одним из основных инструментов стратиграфии (современная хроностратиграфия по сути становится событийной стратиграфией, а стратиграфическая корреляция полностью основана на сравнении событийных последовательностей регионов) и палеобиологии. 2 ИЗУЧЕНИЕ МАССОВЫХ ВЫМИРАНИЙ В ИСТОРИИ ЗЕМЛИ – ПРИМЕР СОБЫТИЙНОГО АНАЛИЗА Одним из наиболее заметных направлений развития наук о Земле во второй половине XX и в начале XXI века стало изучение массовых вымираний – одних из наиболее ярких событий в эволюции органического мира, которые служат предметом

рассмотрения

как

геологии

и,

в

частности,

палеонтологии,

стратиграфии, палеоэкологии и палеобиологии, так и геоэкологии. Последнюю интересует абстрактное экологическое моделирование кризисов и обсуждение вопросов, связанных с возможным влиянием человека на исчезновение видов фауны и флоры. Кроме того, изучая массовые вымирания, мы тем самым касаемся возможных сценариев отдаленного будущего человечества. В настоящее время идентифицировано достаточно большое количество массовых вымираний. При этом среди них есть как особо крупные события, 8

например, имевшие место на границах перми/триаса или мела/палеогена, так и менее масштабные, например, происходившие на рубеже плинсбаха/тоара, юры/мела или сеномана/турона. Хотя совершенствование палеонтологической летописи в дальнейшем, несомненно, приведет к пересмотру существующих представлений и исключению некоторых биотических событий из числа собственно массовых вымираний, все-таки общий их список, скорее всего, возрастет, т. к. некоторые массовые вымирания в силу тех или иных причин, вероятно, до сих пор остаются неидентифицированными. Вымирание - это окончательное исчезновение таксона определенного иерархического

уровня.

Видится

необходимым

отметить,

что

термин

"вымирание" применим именно к таксонам, а не к отдельным особям. Важно также подчеркнуть, что любое исчезновение не является вымиранием. Исчезнув на определенном стратиграфическом рубеже, тот же самый таксон может появиться через некоторое время вновь. Это так называемый эффект Лазаруса. В целом, вымирание - это неотъемлемая составляющая динамики таксономического разнообразия в эволюции как биоты в целом, так и отдельных ее групп. Вымирание таксонов земной биоты происходит постоянно, то усиливаясь, то, наоборот, замедляясь. Такое изменение скорости вымирания определяется числом вымерших таксонов в определенном интервале геологического времени. К массовым вымираниям относится все, сказанное выше. Однако это понятие по своему смыслу значительно "уже". Отличительной чертой этих событий является предполагаемая для них катастрофичность. Масштабы ее таковы, что массовые вымирания выступают в качестве одних из наиболее экстремальных, критических "точек" в геологической истории. Катастрофичность предполагает ряд признаков, которыми должны характеризоваться массовые вымирания. Они одновременно являются и некими критериями для отнесения событий в эволюции биоты к числу последних.

9

Во-первых, массовым вымираниям подвергаются группы ископаемых организмов, играющие приоритетную роль в структуре биоты на интервале времени, предшествующем катастрофе. Во-вторых, вымереть должна не одна, а несколько групп организмов. Структура биоты довольно сложна, а потому гибель только лишь одной эволюционной ветви не означает глобальной, "массовой" катастрофы. В-третьих, вымирание должно охватить значительную, часто бóльшую часть таксонов, входящих в группы организмов, подвергшихся вымиранию.

В-четвертых,

вымирание

должно

быть

глобальным,

т.

е.

проявленным по всей планете или на большей ее части. В-пятых, вымирание должно затрагивать группы, характеризующиеся большими таксономическим разнообразием,

численным

обилием

и

широким

пространственным

распространением. В-шестых, одним из важнейших признаков катастрофичности следует

считать

реализовываться

кратковременность за

массовых

сравнительно

короткие

вымираний.

Они

промежутки

должны времени,

представляющимися весьма малыми в сравнении с интервалами, на которых происходит такое же количество изменений, но при постепенной эволюции. Наконец, в-седьмых, массовые вымирания должны индицировать общий биосферный (биотический) кризис, часто параллелизуемый с глобальными катастрофическими событиями в палеосреде, например, аноксиями, усилением вулканической активности, резким изменением уровня моря, импактами и т.д. Что

касается

расположения

массовых

вымираний

в

общей

последовательности событий эволюции биоты, то они, в отличие от вымираний вообще, происходят дискретно во времени. Они зачастую знаменуют не смену, а лишь нарушение генеральных эволюционных тенденций. Массовые вымирания в подавляющем большинстве случаев не приводят к полному и окончательному исчезновению групных групп ископаемых организмов, для которых характерно "сквозное" существование в фанерозое (фораминифер, брахиопод, двустворчатых моллюсков и т.д.). Если это и имеет место, то массовые вымирания по сути лишь 10

завершают длительный процесс деградации группы. Вместе с тем, всегда имеет место сильное сокращение таксономического разнообразия. Идентификация массовых вымираний возможна на основании анализа динамики

таксономического

признается

большинством

разнообразия исследователей.

ископаемых Вместе

с

организмов. тем,

подходы

Это к

идентификации массовых вымираний весьма разнообразны. Для выбора действительно правильного пути необходимо четко понять, что есть динамика таксономического разнообразия и каковы ее составляющие. Под динамикой таксономического разнообразия в целом можно понимать изменение одного или нескольких показателей, учитывающих численность таксонов в интервалы или моменты геологического времени. К этим показателям необходимо, прежде всего, отнести общее число таксонов, число появившихся, новых, исчезнувших, вымерших, краткоживущих и транзитных таксонов. Кроме того, от перечисленных могут быть получены некоторые производные или комплексные показатели, например, отношение новых к вымершим таксонам. Рассчитываются и более сложные индексы, в т. ч. учитывающие и обилие таксонов, например, α-Fisher. Однако основной составляющей динамики таксономического разнообразно следует считать изменение общего числа таксонов, а также новых (таксонообразование) и вымерших (вымирание таксонов, собственно вымирание) таксонов. Необходимость отличия двух последних от соответственно появившихся и исчезнувших таксонов продиктована частым проявлением

упоминавшегося

выше

Лазарус-эффекта.

Таксон

может

на

определенное время исчезнуть, но затем появиться вновь, т. е. он не исчезает окончательно (не вымирает) и не впервые появляется (не возникает как новый). Именно по указанным трем главным составляющим динамики таксономического разнообразия следует проводить идентификацию массовых вымираний. Вполне очевидно, что для собственно идентификации массовых вымираний не

имеет

большого

смысла

принимать 11

во

внимание

динамику

таксонообразования, хотя она необходима для изучения их механизма. Может возникнуть впечатление, что наиболее логичным будет обратиться к анализу динамики вымирания таксонов. Однако насколько это будет верным? Собственно вымирание происходит, как говорилось, на протяжении всего развития органического мира и любой взятой в отдельности группы. Оно то усиливается, то, наоборот, замедляется. На каком-то определенном интервале оно может резко увеличиться. Но если далее возрастет и таксонообразование, то последнее может вполне компенсировать потери и общая численность таксонов не отразит усиления вымирания. Основным критерием идентификации массовых вымираний является их катастрофичность. Если образование новых таксонов покрывает вымирание, то насколько допустимо говорить о катастрофе? Даже если рассматриваемая группа организмов была затронута вымиранием весьма глубоко, ее одновременное восстановление свидетельствует либо о высокой скорости трансформации группы, либо о том, что группа способна ответить всего лишь крупной трансформацией на критические внешние условия, т. е. она устойчива к катастрофическому воздействию. Однако даже в том случае, когда вымирание оказывается

некомпенсируемым,

представляется,

что

о

действительной

катастрофичности событий можно судить именно по изменению общей численности таксонов. Это весьма важно, т. к. зачастую пик собственно вымирания и минимум разнообразия несовпадают во времени. Следовательно, при идентификации массовых вымираний наибольшее значение имеет изучение изменения численности таксонов (общей динамики разнообразия). На кривых

изменения

численности

таксонов

массовые

вымирания

проявлены в той или иной степени резко выраженными отрицательными пиками (Рисунок 3). Таким образом, массовые вымирания должны рассматриваться как экстремальные эволюционно-диферсификационные события.

12

Рисунок 3 – Массовые вымирания Надо отметить, что изменение таксономического разнообразия как для отдельных групп, так и для биоты в целом происходит крайне неравномерно, часто с попеременным чередованием минимумов и максимумов. Необходимо отметить, что пики массовых вымираний на кривых изменения разнообразия должны отличаться от остальных существенно большей интенсивностью. Вместе с тем, вряд ли допустимо говорить о возможности определения четкого количественного критерия, который бы позволил отличить массовое вымирание от ординарного снижения разнообразия. Правильным будет в каждом конкретном случае принимать конкретное решение относительно возможности отнесения 13

данного события, фиксируемого кривой изменения общей численности таксонов, к массовому вымиранию. Датировка массового вымирания включает в себя определение его начала, конца и собственно пика. Выше говорилось, что последний соответствует отрицательному экстремуму на кривой изменения общей численности. Однако о начале массового вымирания и его прекращении можно судить также и по кривым таксонообразования и вымирания, анализируя начало инициации и терминации процессов, знаменующих его начало и конец. Датировка массового вымирания неразрывно связана с анализом его механизма реализации. Последний предполагает изучение взаимосвязи динамики таксонообразования и собственно вымирания и их влияния на общее разнообразие. Начало массового вымирания необходимо датировать на самому первому появлению признаков его подготовки на кривой одной (любой) из составляющих динамики разнообразия. Конец, соответственно, - по окончательному исчезновению признаков влияния массового вымирания. Длительность массового вымирания может быть различной. Они могут фиксироваться в интервале от долей зоны до эпохи. Достоверно длительность массового вымирания оценить трудно, особенно при анализе динамики разнообразия по суммарному числу таксонов в интервалах. Чем более детально во времени рассматривается разнообразие, тем более достоверно будет определена длительность массового вымирания. Надо отметить, что при увеличении детальности рассмотрения, массовое вымирание может оказаться более кратким. Иногда при снижении детальности оно не будет фиксироваться вовсе. Вполне очевидно, что массовые вымирания проявляются различным образом на разных уровнях организации биоты. Представляется вполне очевидным предположить, что с увеличением ранга анализируемых таксонов степень выраженности массового вымирания на кривой их разнообразия будет уменьшаться. С другой стороны, таксоны любого ранга реальны, следовательно, и 14

системы их могут рассматриваться как самостоятельные образования. Это предопределяет различия в проявленности массовых вымираний в динамике разнообразия таксонов разных рангов с необязательным соблюдением указанной выше закономерности. К

сожалению,

недостаточное

внимание

уделяется

обычно

пространственному проявлению массовых вымираний, хотя эта проблема является во многом ключевой. Выводы относительно проявленности массовых вымираний, сделанные для отдельных регионов могут существенно отличаться, т. к. мало какое событие в истории планеты проявляется равномерно в пространстве; отличаться они могут также и от результатов глобальных исследований. При сравнении проявленности массовых вымираний в динамике таксономического разнообразия в разных регионах и для планеты в целом необходимо исходить из следующих соображений. Во-первых, массовое вымирание

как

глобальное

событие

должно

быть

зафиксировано

в

общепланетарном изменении численности таксонов ископаемых организмов. Если такового для данного временного интервала не наблюдается, но экстремальное событие было идентифицировано при анализе региональных данных, то либо оно является только региональным, либо глобальная палеонтологическая летопись для данного интервала содержит дефекты (что, кстати, весьма вероятно). Во-вторых, если изменение численности ископаемых организмов в данном регионе происходит без резких экстремумов, но для того же времени при анализе глобальных данных было установлено массовое вымирание, то это вовсе не должно рассматриваться как свидетельство неправильности идентификации последнего (хотя и это вероятно). Возможно, массовое вымирание не проявилось в данном регионе. Наконец, в-третьих, массовое вымирание в конкретном регионе может проявиться не в виде экстремального события, а только лишь как небольшое снижение численности таксонов или некоторое усиление собственно вымирания таксонов. 15

Из такого несоответствия результатов региональных и глобальных исследований можно извлечь и достаточную пользу, а именно сделать заключение о пространственной проявленности массовых вымираний и даже создать количественную модель неоднородности этих событий. При этом очевидно, что чем более неоднородно проявлено массовое вымирание в палеопространстве и чем меньше "ареал" его максимального воздействия, тем слабее оно должно быть проявлено в глобальном изменении разнообразия биоты. При различных сравнениях результатов изучения массовых вымираний видится необходимо также учитывать и то, что это - селективные явления. Причем избирательность по отношению к различным группам может проявиться различно в разных регионах. Этому способствует, во-первых, то, что сама по себе селективность достаточно случайна, а, во-вторых, - что сообщества организмов в различных регионах находятся в несколько отличном состоянии и обладают различным же потенциалом противостояния катастрофе, от чего во многом зависит проявление последней. Существуют

два

принципиальных

подхода

к

изучению

массовых

вымираний. Наиболее достоверно массовое вымирание может быть установлено при интерпретации событий глобальной палеонтологической летописи, т. е. при рассмотрении динамики таксономического разнообразия всей биоты Земли. Далее изучение динамики разнообразия отдельных групп ископаемых организмов и в отдельных регионах (или даже в представительных разрезах) позволяет скорректировать

представления

о

данном

массовом

вымирании

и

его

проявленности в пространстве и/или для отдельных составляющих биоты. Второй подход предполагает обратную процедуру. В отсутствии, сложности интерпретации или неоднозначности глобальных данных массовое вымирание может быть идентифицировано при изучении изменения разнообразия для отдельных групп ископаемых организмов и/или отдельных регионов (или 16

представительных разрезов). Однако в каждом таком случае может быть сделан вывод о в той или иной степени выделяющемся событии или о кризисе, который лишь гипотетически может представляться массовым вымиранием, тогда как вывод о наличии последнего может следовать только после сопоставления результатов по нескольким регионам или нескольким группам организмов. Далее привлечение новых данных по регионам или отдельным группам организмов позволит

обсудить

проявленность

данного

события.

Окончательная

его

валидизация может быть связана с проведением анализа глобальной динамики разнообразия биоты. Хотя массовых вымираний на памяти человека не было, вопрос о возможном влиянии антропогенной деятельности на биоразнообразие остается открытым. С одной стороны признается, что некотролируемая эксплуатация природных ресурсов может действительно привести к массовому исчезновению большого количества видов. С другой стороны, на протяжении истории человечества,

когда

его

хозяйственная

деятельность

не

лимитировалась

природоохранными мероприятиями, достоверно известно об ичезновении всего нескольких видов, тогда как о массовом вымирании можно было бы говорить только в том случае, если бы биоразнообразие сократилось хотя бы на 10-20%. Учитывая появление эффективных сдерживающих механизмов и реализацию огромного комплекса природоохранных мероприятий, можно утверждать, что антропогенная деятельность в обозримом будущем не может в принципе вызвать массового вымирания земной биоты.

17

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Закруткин В.Е., Рубан Д.А. Методические указания для студентов III-V курсов

специальности

013600

"Геоэкология"

по

организации

научно-

исследовательской работы. – Ростов-на-Дону, УПЛ РГУ, 2005. – 40 с. 2.

Марков

А.В.,

Наймарк

Е.Б.

Количественные

закономерности

макроэволюции. – М., ГЕОС, 1998. – 318 с. 3. Рубан Д.А. Некоторые представления об эволюции земной биоты и особенностях анализа биоразнообразия // В сб.: Ученые записки геологогеографического факультета [Ростовский государственный университет]. – Ростов-на-Дону, Диапазон, 2004. – С. 268-278. 4. Courtillot V. Evolutionary Catastrophes: The Science of Mass Extinction. – Cambridge, Cambridge University Press, 1999. – 237 p. 5. Hallam A., Wignall P. B. Mass Extinctions and their Aftermath. – Oxford, Oxford University Press, 1997. – 320 p. 6. Jablonski D. The Future of the Fossil Record // Science. – 1999. – Vol. 284. – P. 2114-2116. 7. Raup D.W. De l'extinction des especes. – Paris, Gallimard, 1993. – 233 p. 8. Sepkoski J.J. Ten years in the library: New data confirm paleontological patterns // Paleobiology. – 1993. – Vol. 19. – P. 43-51. 9. Sepkoski J.J.Jr. Biodiversity: past, present, and future // Journal of Paleontology. – 1997. – Vol. 71. – P. 533-539. 10. Taylor P.D. et al. Extinctions in the History of Life. – Cambridge, Cambridge University Press, 2004. – 191 p. 11. Walliser O.H. Global Events and Event Stratigraphy in the Phanerozoic. – Berlin, Springer Verlag, 1996. – 333 p.

18

СОДЕРЖАНИЕ С. Введение

3

1. Основные представления о событиях и событийном анализе

3

2. Изучение массовых вымираний в истории Земли – пример

7

событийного анализа Список литературы

17

19