История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет

Хейзен Роберт

Дом ведет себя подобно Земле, ее сложным взаимосвязям, которые проявляются порой удивительным и неожиданным образом, проходя циклы как с положительной, так и с отрицательной обратной связью. В холодный зимний день, когда мы ощущаем дискомфорт от низкой температуры, срабатывает термостат, включая обогреватель, – и воздух в доме нагревается. Как только дом прогреется, обогреватель отключается. В жаркие летние дни подобным же образом ведет себя кондиционер, который включается, когда температура поднимается слишком высоко. Земля тоже использует циклы отрицательной обратной связи, что позволяет планете поддерживать более или менее устойчивый температурный режим, влажность и состав приповерхностной среды. Например, стоит океану слишком нагреться, как появляются тучи, отражая солнечную энергию и тем самым позволяя воде охладиться. Повышенное содержание в атмосфере углекислого газа вызывает глобальное потепление,

ускоряющее процессы выветривания горных пород, что, в свою очередь, приводит к постепенному поглощению избытков углекислого газа, и в результате атмосфера снова охлаждается.

Иногда в домах усиливается положительная обратная связь, что может сопровождаться нежелательными последствиями. В холодный зимний день ваша отопительная система выходит из строя, могут замерзнуть и лопнуть трубы, затопляя дом холодной водой, отчего в доме становится еще холоднее и неуютнее. Многие колебания современного климата суть не что иное, как положительная обратная связь с ее нежелательными последствиями. Подъем уровня воды в океане приводит к затоплению побережья, что может привести к большему испарению и более интенсивному выпадению осадков, что, в свою очередь, ведет к еще большему затоплению побережья. Потепление воды вызывает обширное таяние метаносодержащих льдов на и под дном океана, отчего парниковый газ метан поднимается в атмосферу и вызывает еще большее потепление, что может вызвать увеличение содержания метана в атмосфере. Стоит только взглянуть на последствия парникового эффекта на планете-сестре Венере, где образовалась плотная углекислая атмосфера с температурой на поверхности планеты порядка 500 °С, чтобы представить себе возможные катастрофические последствия неуправляемой позитивной обратной связи.

«Скучный» миллиард, если его вообще стоит считать скучным, был следствием многих плодотворных эффектов отрицательной обратной связи, благодаря чему изменения удерживались под контролем. Несмотря на перемещение континентов в глобальном масштабе и суперконтинентальные циклы в течение всего этого долгого периода, климат на планете, по-видимому, оставался стабильным. Великих оледенений не происходило. Химический состав бескислородного, сернистого океана практически не менялся; жизнь развивалась без каких-либо резких скачков. Появлялись новые разновидности минералов, но не было каких-то драматических событий в бытие воздуха, суши или моря.

Все изменения произошли после раскола Родинии.

Разделение

Разительный контраст с загадочно спокойным промежутком времени – от 1,85 млрд до 850 млн лет назад – составили следующие за ним несколько сот миллионов лет, когда произошли самые стремительные и чрезвычайные в истории Земли флуктуации в приповерхностной области. Около 850 млн лет назад большая часть земной суши была все еще собрана поблизости от экватора в засушливый и абсолютно безжизненный суперконтинент Родиния. Необъятный океан Мировия, над которым кое-где возвышались небольшие вулканические островки, окружал со всех сторон этот голый, ржаво-красный мегаконтинент. Негостеприимная атмосфера содержала ничтожное, по нынешним меркам, количество кислорода, явно недостаточное для образования сколь-нибудь значительного озонового слоя, который мог бы обеспечить защиту от ультрафиолетового излучения. Путешественник во времени, снабженный запасом кислорода и солнцезащитного крема, мог бы выжить на побережье, питаясь исключительно водорослями, но жизнь не показалась бы ему приятным пикником в этом пустынном мире неопротерозоя.

Неравновесное противостояние Родинии и океана не могло продолжаться бесконечно. Большую часть земной истории климат на планете поддерживался на умеренном уровне за счет отрицательной обратной связи. Разумеется, перемены климата имели место, но колебания редко достигали крайней степени, которая угрожала бы жизни. Однако около 850 млн лет назад начались изменения, нарушившие более или менее устойчивое равновесие и приведшие к переломному моменту в истории планеты. Самым важным из этих изменений было медленное и постепенное раскалывание экваториальной Родинии. Первая трещина возникла 850 млн лет назад и была сравнительно небольшой: кратоны Конго и Калахари (ныне части Южной Африки) начали отрываться к юго-востоку от остального, пока еще целого суперконтинента. Около 800 млн лет назад новая небольшая трещина отколола Западно-Африканский кратон, который двинулся на юг от материка; 750 млн лет назад распад Родинии шел уже полным ходом, и в это же время земную кору изрезали трещины, сопровождавшиеся извержением вулканов и потоками базальтовой лавы. Суперконтинент раскололся пополам с севера на юг, и на запад двинулся Ур, а на восток – Лаврентия, Балтика, Амазония и скопление кратонов помельче.

Раскалывание суперконтинента создало новую береговую линию на тысячи километров и вызвало стремительный размыв побережья. В межкратонных водах формировались динамичные осадочные бассейны, что обозначило конец длительному застою в истории горных пород Земли – паузе в отложении осадочных пород, которая началась в мезопротерозойскую эпоху и длилась почти четверть миллиарда лет. В новом подвижном, меняющемся мире процветали микроорганизмы. Размывание суши поставляло минеральный корм для водорослей, которые долго держались на скудном питании, состоявшем из небольших запасов фосфатов, молибдена, марганца и других основных элементов. Палеонтологи говорят о времени песчаных шельфов приливных зон, покрытых толстыми слоями скользких зеленых нитчатых бактерий, и об открытой воде, по которой плавали груды зловонных водорослей.

Под воздействием тектонических процессов менялись океаны, атмосфера и климат. Росло содержание кислорода в атмосфере за счет буйного роста прибрежных водорослей, а также за счет того, что увеличение биомассы водорослей вело к стремительному связыванию – погребению в осадках органического углерода. На протяжении всей земной истории богатая углеродом биомасса является главным потребителем кислорода. Чем больше гниющей биомассы, тем быстрее расходуется кислород. (Лесные пожары представляют собой чрезвычайно ускоренный вариант такого процесса поглощения кислорода.) По той же причине чем быстрее захороняется в осадках углеродосодержащая биомасса, тем активнее возрастает уровень кислорода в атмосфере. Но откуда нам известно, что биомасса погребалась? Оказывается, красноречивая запись этого процесса содержится в известняке, слои которого образуются в результате постепенного оседания на мелководное дно океана углеродистых минеральных веществ.

Изотопы углерода в известняке указывают на изменения скорости воспроизводства водорослей. Важнейшие химические реакции в органическом веществе – например, превращение воды и углекислого газа в сахарозу в процессе фотосинтеза – всегда накапливают изотоп углерода-12, более легкий по сравнению с углеродом-13. Поэтому углерод, содержащийся в биомассе (в живых и мертвых водорослях), отличается наличием более легких изотопов по сравнению с неорганическим углеродом, входящим в состав известняка. В обычные времена, когда процветают микроорганизмы, а легкий углерод берется из океанской воды, известняк отличается большим содержанием тяжелого углерода. Но во времена необычно интенсивного захоронения биомассы, когда легкий углерод в еще большем количестве систематически изымается из океанской воды, остатки углерода в составе известняка в среднем становятся тяжелее. Действительно, известняк, отложившийся вдоль берегов Родинии от 790 до 740 млн лет назад, отличается необычайной тяжестью. Должно быть, в этот период водоросли разрастались и захоронялись с небывалой скоростью.

Такой невиданный расцвет жизни оказал значительное воздействие на климат Земли. Микроорганизмы поглощают углекислый газ, который постоянно выбрасывается в атмосферу действующими вулканами. В обычные времена обмен углекислого газа в атмосфере сбалансирован и остается относительно стабильным, но стремительный рост водорослей в эпоху неопротерозойской активности способствовал падению уровня углекислого газа в атмосфере, что, в свою очередь, ослабляло парниковый эффект. Такая обратная связь с содержанием углекислого газа, возможно, ускоряла остывание Земли. Раскалывание Родинии значительно увеличило количество подводных вулканов, формировавших раскаленную кору пониженной плотности на дне океана. Плавучая кора усилила обмеление океанов по сравнению с предыдущими периодами и подняла соответственно уровень моря. Отсюда можно сделать вывод, что начиная с 750 млн назад образовалось много внутренних морей. Появление большого количества внутренних морей привело к увеличению испарения воды и количества осадков, результатом чего стало ускорение эрозии горных пород, выходящих на поверхность. Этот процесс сопровождался усиленным поглощением углекислого газа, а снижение уровня углекислого газа, в свою очередь, привело к глобальному похолоданию.

Дополнительную роль в изменении климата на планете сыграло и расположение континентов и океанов до и во время раскалывания Родинии. Вода и суша разительно отличаются друг от друга по альбедо – способности отражать солнечные лучи. Темный океан отличается низким альбедо; он поглощает большую часть солнечной энергии и при этом теплеет. Сухая, бесплодная суша по большей части, напротив, отражает солнечные лучи. Засушливый, пустынный континент вроде Родинии отражает солнечный свет, возвращая его в космическое пространство. Такое соотношение полярных океанов и экваториальных континентов способствовало глобальному похолоданию, поскольку экватор получал больше солнечной энергии, чем полюса.