Летающие жирафы, мамонты-блондины, карликовые коровы... От палеонтологических реконструкций к предсказаниям будущего Земли
Шрифт:
Вообще вся эта история с динозаврами — явно с душком, пусть даже и метановым. А хочется вздохнуть полной грудью. Сохранись до наших дней тот высокий уровень углекислого газа, что был в начале палеозойской эры, нам бы пришлось непросто. Но на помощь пришли другие существа…
Внушительные меловые утесы и кремнистые скалы, облака, парящие в небесной выси, и тропические циклоны, смывающие приморские города и деревни, — все эти поражающие воображение разнородные явления обязаны существованием одной мелочи, которую не в каждый микроскоп разглядишь. Ведь даже организм размером в миллиметр выглядит среди них как секвойя на травяной лужайке. Группа климатологов во главе с Анандом Гнанадесиканом из Национального управления США по океану и атмосфере установила с помощью компьютерного стимулирования: одно из самых грандиозных на Земле явлений — тропические циклоны — зависит от одного из самых микроскопических — а именно от планктонных водорослей. Эти свободно парящие в океане одноклеточные организмы, подобно деревьям и травам, развиваются благодаря преобразованию солнечной энергии в пигментах — таких, как хлорофилл. Пигменты [25] названы так не случайно: многомиллиардные скопления планктонных водорослей придают поверхности океана более темную окраску. Если планктон отсутствует, солнечный свет коротковолнового диапазона рассеивается в глубинах, не влияя на температуру вод, а в местах таких скоплений поверхность океана нагревается. Этот и есть одно из важных условий для зарождения циклона. Поскольку планктон отнюдь не однороден, а состоит из весьма «пестрых» групп водорослей, приспособленных к разным глубинам обитания и другим особенностям среды, то изменение состава планктонных сообществ может влиять на место зарождения циклона и на его силу.
25
Лат. pigmentum — краска.
Ураганы — далеко не единственное явление на планете, за которое отвечают планктонные водоросли. Облака, казалось бы зависящие лишь от воли ветра, более всего нуждаются в пылинках или капельной взвеси (аэрозоли). Без такой затравки облако само по себе никогда не появится. Четверть века назад метеоролог Роберт Чарлсон из Университета штата Вашингтон и химик Джеймс Лавлок, разрабатывавший инструментальные программы для НАСА, предположили, что затравкой могут служить капельки органических кислот на основе серы и метана. Эти кислоты образуются в нижних слоях атмосферы при распаде диметилсульфида. Название подсказывает, что основу молекулы этого вещества составляет ион серы, к которому присоединены две метильные группы (СН3). И хотя органические вещества не обязательно создаются организмами, диметилсульфид накапливается именно в ходе роста одноклеточных водорослей. После отмирания живых клеток диметилсульфид попадает в воду и, испаряясь вместе с ней, оказывается в атмосфере. Потому скопления планктонных водорослей в океане оказываются одновременно районами образования облаков. Затем вместе с потоками воздуха облака перетекают (именно перетекают, поскольку состоят из воды) в сторону суши и проливаются дождями. Более трети облаков, проплывающих над континентами и приходящих со стороны океана, появляется благодаря морским водорослям. Так необходимую влагу получают наземные растения. Чтобы понять масштабы этого явления, достаточно обратиться к цифрам: в пересчете на объемы серы, водоросли в 1,7 раза более значимы для появления облаков, чем вулканы. И хотя одноклеточные организмы уступают по этому показателю человеческой деятельности (в 8,3 раза), благодаря своему океаническому положению именно они в первую очередь отвечают за возникновение и рост облаков. В любом случае до появления человека планктонные водоросли были самой влиятельной силой в формировании облачного покрова.
Но и это еще не все. Есть такое понятие «альбедо», смысл которого скрывается в его латинском корне albus — белый; альбедо характеризует способность поверхности отражать падающий поток излучения. Именно благодаря белому цвету облачный покров прекрасно отражает солнечные лучи, а водоросли, таким образом, влияют на земное альбедо. Ведь, если бы не они, облачный покров был бы тоньше, и солнечное излучение сильнее бы нагревало земную поверхность, а не рассеивалось бы в космосе. А так мы живем при довольно комфортной температуре, в среднем на 1,3 °C ниже, чем было бы без водорослей. По мере утолщения облаков все меньше солнечной энергии достигает поверхности океана, а значит, условия роста водорослей ухудшаются, они меньше образуют различных органических веществ, и цикл замыкается.
Состав планктонных водорослей не однороден. Сейчас среди них преобладают кокколитофориды, динофлагелляты и диатомовые, причем только первые две из этих групп отвечают за образование серосодержащих соединений. Конечно, самим водорослям подобные вещества необходимы совсем не для влияния на погоду: они нужны для регулирования давления в клетке (чтобы держаться на плаву), для окисления продуктов обмена веществ и многого другого. Различаются водоросли по набору фотосинтезирующих пигментов, архитектуре раковинки, набору органелл, количеству и строению жгутиков.
Так «кокко-лито-фориды», что в переводе с греческого означает «зерна из камня несущие» (соответственно , и ), по цвету дополнительного (к хлорофиллам) пигмента относятся к золотистым водорослям и имеют два-три жгутика. Это одно из самых мелких живых существ: в литре морской воды может поместиться до 200 миллионов особей этих одноклеточных. Диатомовые [26] водоросли, наоборот, являются довольно крупными по меркам микромира существами — до миллиметра в поперечнике. Эти организмы лишены жгутиков на зрелой стадии развития, окрашены в коричневатые тона и строят округлые или удлиненные двустворчатые раковинки, своего рода коробочки с крышечками, из опала (легко растворимой разности кремнезема). Когда клетка размножается бесполым путем, она делится — рассекается надвое, и одному потомку достается половинка побольше (крышечка), а другому — поменьше (коробочка). Потомок, получивший большее наследство, пристраивает к своей половинке вторую поменьше, а маленький — еще меньшую. Так из поколения в поколения отпрыски последнего продолжают мельчать, но до определенного предела. В конце концов, чтобы разомкнуть странную цепочку, наследники находят себе партнеров, и у «папы» с «мамой» появляется потомство нормального размера. Диатомовые удивительно живучи и могут размножаться и в горячих источниках, и в Заполярье, придавая снегу красноватый оттенок, они прижились в почве и даже на деревьях. При обильном развитии — цветении — некоторых видов этих водорослей выделяется сильно ядовитая домоевая кислота. Яд поглощается моллюсками, которые, попав на обеденный стол, вызывают потерю памяти у гурманов (страдают ли потерей памяти сами моллюски, пока никто не изучал).
26
От греч. — рассечение.
Динофлагелляты, что означает «вертящие жгутиком» [27] , используют два разных по длине жгутика для движения — один, расположенный продольно, в качестве руля, другой, поперечный, — как мотор. Поперечный жгутик волнообразно изгибается вокруг клетки, создавая волну, на «гребне» которой клетка и плывет, вращаясь. Панцирь у динофлагеллят — гибкий, органический; состоит он из отдельных пластинок, образующих нечто вроде рыцарского шлема странной формы. Именно эти микроскопические (0,005–2 миллиметра) существа устраивают восхитительные зеленоватые световые представления в морской воде среди ночи. Но они же вызывают губительные «красные приливы» (по цвету пигментов), поскольку во время цветения динофлагеллят, что теперь нередко происходит в дельтах рек и полузамкнутых морских заливах, загаженных отходами человеческой деятельности, гибнут рыбы, раки, моллюски. Некоторые динофлагелляты еще помнят о своем хищном прошлом — ведь предки всех одноклеточных водорослей были хищниками — и, убивая рыбу своим ядом, потом питаются ее мясом.
27
От греч. — вертеть и лат. flagellum — плеть, кнут.
Не всегда эти три группы были на первых ролях среди водорослей. Появились они, по геологическим меркам, сравнительно недавно — в мезозойскую эру и впервые отметились в ископаемой летописи примерно 250 (динофлагелляты), 227 (кокколитофориды) и 205 (диатомовые) миллионов лет назад. Эти водоросли, по словам океанографа Пола Фалковски из Университета имени Ратджерса в Нью-Джерси, совершили в океане «красную революцию», поскольку их предшественники использовали для фотосинтеза зеленые пигменты — хлорофиллы а и b, а не хлорофилл с и каротиноиды, придающие клеткам золотисто-оранжевый или красноватый оттенок. Сама по себе цветная красная революция не удивительна — ведь пигменты, обеспечившие ее, более выгодны для фотосинтеза в тусклых водах океана. Удивительно то, что произошла она довольно поздно. Может быть, океан стал другим? Например, потерял значительную долю растворенного кислорода, что действительно могло случиться в странном пермо-триасовом мире (250–205 миллионов лет назад), когда жизнь была сосредоточена в полузамкнутом океане Тетис, сильно обогащенном биогенными веществами и, видимо, нередко «цветущем»? Потому преимущество и получили те, кто мог выжить в почти бескислородных условиях.
Появившись на свет, новый водорослевый планктон буквально горы своротил. Из раковинок диатомовых образовались кремнистые горные породы, а из чешуек кокколитофорид — гигантские залежи писчего мела. Ныне и те, и другие предстают перед нами в виде гор и морских утесов. Но чтобы горы выросли, раковинки простейших уходили на дно океана, а вместе с ними — и часть атмосферного углекислого газа. Дело в том, что этот газ растворяется в океане и включается водорослевым планктоном в обмен веществ, причем 15 процентов органического вещества, которое образуется при фотосинтезе из этого газа, погружается вместе с отмершими клетками в холодные глубины океана и возвращается обратно лишь через сотни лет, а небольшая доля органики попадает на дно. За десятки миллионов лет эта «незначительная доля» преобразуется в горные породы, которые становятся значительными источниками нефти и газа. Так водорослевый планктон изъял существенную часть двуокиси углерода из атмосферы и способствовал наступлению позднекайнозойского похолодания и последнего ледникового периода. Органическое вещество погребалось на дне океана без доступа кислорода, и повышение содержания этого газа в атмосфере оказалось побочным, но очень важным для нас эффектом, связанным с этим процессом. По мере накопления в атмосфере кислорода на Земле появлялись все более совершенные млекопитающие с обменом веществ, требующим больших объемов кислорода, и все более крупным мозгом…
На глобальные климатические изменения и на геологические процессы влияют и наземные растения. Тропический дождевой лес недаром носит свое имя: здесь не просто всегда сыро, здесь очень мокро. Кажется, что вода льется не только с неба, но с самих деревьев, многочисленных лиан и эпифитов — грибов и растений, которые живут на других растениях, и нередко за их счет. Это впечатление не столь обманчиво, как может показаться.
Известно, что мельчайшие (до 0,15 микрона в диаметре) органические частицы, плавающие в плотном, окутывающем амазонскую сельву тумане, служат затравкой для образования дождевых капель. Неясным оставалось происхождение этих частиц. Полевые исследования специалиста по химии атмосферы Кристофера Пёлькера из Института химии имени Макса Планка в Майнце и его многонациональной команды, проведенные в лесах Бразилии, и последующий микроскопический анализ помогли разгадать эту загадку. Оказалось, что основу таких частиц составляет калиевая соль. Конечно, калий может попасть в атмосферу с испарениями океана или во время лесных пожаров вместе с сажей. Но химики выяснили, что изученные соли наряду с ионами хлорида и калия содержат углеводороды, источником которых могут быть лишь грибы. Наличие в составе частиц обильных грибных спор подтверждает эту идею. Такие летучие углеводороды, как изопрен, выделяемые растениями при фотосинтезе, благодаря окислению в атмосфере превращаются в аэрозоли уксусной и муравьиной кислот, которые ускоряют конденсацию дождевых капель. Попутно изопрен нейтрализует приземный озон — газ, разрушающий листовую мякоть.
Так дождевой тропический лес сам поддерживает влажные условия, необходимые для существования. Одновременно эта самая богатая видами растений и животных экосистема служит одним из источников дождевых облаков над сушей наряду с водорослевым планктоном. И такой лес — только один из растительных биомов суши. Есть еще тундра, тайга, степь, другие растительные сообщества. Каждая травинка, дерево, кустик по-своему делают погоду. Скажем, поверхность листьев европейских деревьев и кустарников в четыре раза больше площади самой Европы, а поверхность корней превышает последнюю в 400 раз. И это не просто площадь, а весьма активный интерфейс, где при разложении листового опада и прочей отмершей органики выделяются сильные органические кислоты, способствующие химическому выветриванию, и куда напрямую подводится углекислый газ, изъятый из атмосферы. Замерить количественные характеристики этой взаимосвязи оказалось непросто, но в итоге удалось. Выяснилось, что наземные растения, несомненно, способствуют химическому выветриванию: на облесенных пространствах выветривание происходит в 3–10 раз быстрее (в зависимости от типа растительности), чем на голых площадях. Но все это только наши современники, появившиеся на Земле совсем недавно — несколько миллионов лет назад, но уже успевшие поспособствовать наступлению последнего ледникового периода.