Летающие жирафы, мамонты-блондины, карликовые коровы... От палеонтологических реконструкций к предсказаниям будущего Земли
Шрифт:
500 миллионов лет назад на суше вообще не было никаких сосудистых растений, и лишайники, наверное, не росли; 400 миллионов лет назад не появились деревья; 200 миллионов лет назад еще не возникли цветковые, составляющие основу современного биоразнообразия наземных растений. И с приходом каждой новой группы растений, началом их господства мир навсегда менялся, порой катастрофически…
Не случайно три интервала наиболее резкого падения уровня углекислого газа в атмосфере — позднеордовикский (444 миллиона лет назад), позднедевонский-раннепермский (364–256 миллионов лет назад) и позднекайнозойский (35 миллионов лет назад — ныне) — приходятся на время наиболее существенных изменений в наземной растительности. Позднеордовикское оледенение вообще было парадоксальным событием: уровень углекислого газа в атмосфере превышал нынешний в 14–22 раза (по разным расчетам) и обрушился в 2–4 раза менее чем за 500 тысяч лет. Это привело к падению среднегодовой температуры на 3,5–7,2 °C в разных климатических поясах. Причина? Появление и распространение наземных растений, которые от двух до десяти раз повысили скорость выветривания для разных биогенных элементов: фосфора, калия, кальция, магния и железа. Эксперименты, проведенные группой биогеохимика Тимоти Лентона из Университета Экстера на мхах (их предшественники и появились в ордовикском периоде), показали, что эти невыдающейся биомассы растения значительно — в 1,5 и 5,5 раза — ускоряют разрушение гранита и андезита, извлекая из прочных горных пород кальций и магний. В свою очередь, биогены ускоренными темпами поступают в океан, где этого только и дожидаются планктонные цианобактерии и водоросли, отметившиеся в ископаемой летописи положительными углеродными изотопными аномалиями. Это значит, что на дно морей уходили значительные объемы органического вещества, увлекая с собой углерод, захваченный из углекислого газа.
Водорослевый планктон нуждается не только в биогенах, но и в двуокиси углерода, без которой не может идти фотосинтез. Но чтобы оказать заметное воздействие на уровень углекислого газа, водоросли должны получать «подкормку». Опыты по рассеиванию железа, проведенные в конце 1980-х — начале 1990-х годов под руководством океанографа Джона Мартина из морских лабораторий Мосс-Лендинга (Калифорния) в акваториях Тихого океана, где обычно наблюдается дефицит этого элемента, привели к быстрому росту биомассы водорослей и одновременному падению содержания углекислого газа в атмосфере. На волне успеха Мартин даже заявил: «Дайте мне полтанкера железа, и я устрою вам ледниковый период». Необходимость подобных опытов, названных геоинженерией, была обоснована грядущим ростом содержания углекислого газа в атмосфере (в два раза к концу нынешнего столетия) и потеплением. Предполагалось, что отмирающие водоросли будут уносить излишки углерода на дно океана. В 2009 году в рамках международного проекта LOHAFEX [28] за сорок дней в южной части Атлантики вывалили десять тонн сульфата железа, рассчитывая в дальнейшем удобрить все воды Антарктики и предотвратить потепление…
28
От хинди «лоха» — железо и аббревиатуры «фертилизационный эксперимент».
Получилось не все: водорослевый планктон благоденствовал, но хоронить органическое вещество не спешил. Востребованный водорослями и бактериями углекислый газ вскоре возвращается обратно. Ведь растут и размножаются не только они: активизируется зоопланктон (рачки копеподы и амфиподы), питающийся этими организмами, и далее все звенья пищевой цепочки вплоть до деструкторов (грибов и бактерий), которые разлагают многократно употребленную органику на исходные составляющие. Добиться направленного изъятия двуокиси углерода из оборота можно, только удаляя органическое вещество — превращая его в осадочные отложения, причем в неокисленном виде, что и происходило в конце позднеордовикской эпохи, а также позднее — в позднедевонскую эпоху и во второй половине кайнозойской эры.
Для этого необходимы подлинные инновации: создать в глобальном масштабе нечто такое, чего планета еще не изведала, как это было в конце девонского — середине каменноугольного периодов, когда леса смогли вырваться из влажных низин на сухие возвышенности и захватили три четверти площади континентов. По всему теплому югу Лаврентии (континент, объединявший Северную Америку и Европу), Сибири и северу Гондваны (в состав которой входили Южная Америка, Африка, Индия и Австралия с Антарктидой) распространились восьмиметровые папоротники, а в умеренных и высоких широтах — прогимноспермовые (Archaeopteris) — растения с перистыми вайями, как у папоротников, но с древесиной, корнями и семенами, как у голосеменных. Корни, гораздо глубже запущенные в землю, и связанные с ними микоризальные грибы начали закачивать углекислый газ из атмосферы в почву. Почва же образуется благодаря разрушению — выветриванию горных пород, для чего и нужен углекислый газ, и с грибами почвообразование идет куда как быстрее, чем без них, — в 4–30 раз.
До недавнего времени считалось, что минеральные кристаллы разрушаются в основном органическими кислотами, которые накапливаются при разложении грибами опавших листьев и другой отмершей органики. Но оказалось, что гриб дробит кристаллы и механически: биогеохимик Стив Боннвиль из Брюссельского свободного университета выяснил, что гифы грибницы свинушки тонкой, которая сосуществует с сосной обыкновенной, расслаивают кристаллы слюды, нагнетая давление до одного миллипаскаля. То есть на один-два порядка выше, чем любой другой микроорганизм. На особых участках гифов — аппрессориях — давление может достигать и восьми миллипаскалей. И пока грибы дробили горные породы, усеянные устьицами листья стали распылять влагу, остававшуюся в почве, в атмосферу [29] . Над сухими прежде континентами поплыли облака, а временные пересыхающие потоки превратились в полноводные реки, которые, совершая плавные повороты, несли в моря свои воды, насыщенные биогенами. Облака изменили альбедо планеты: больше солнечного тепла стало рассеиваться, не достигая поверхности Земли. А уровень углекислого газа упал в три раза.
29
Ныне 40 процентов годовых осадков происходят из влаги, испаренной через устьица растениями.
В отличие от позднеордовикского эпизода новое похолодание длилось более 100 миллионов лет: на суше появлялись все новые растения: древовидные хвощи и плауны, позднее разнообразные голосеменные. Многие из них отличались устойчивой к разрушению древесиной и корой, а максимальная ширина листовой пластины возросла на порядок. Этот показатель влияет сразу на два важных события: увеличивается число устьиц, вдыхающих углекислый газ, и рост продуктивности. К тому же эти деревья гораздо экономнее расходовали биогены. В итоге огромная биомасса легла мощными пластами каменного угля, что дало название целому периоду в истории Земли. Скорость захоронения неокисленного углерода с конца девонского к середине каменноугольного периода возросла в два раза, атмосфера как никогда — на 30 процентов — насытилась кислородом, а значительная часть суперконтинента Пангеи, собравшего воедино и Лаврентию, и Сибирь, и Гондвану, покрылась с юга ледяным щитом.
Последняя — позднекайнозойская — холодная волна накатила во время становления лесных биомов, состоящих из покрытосеменных деревьев, обладающих мощнейшей корневой системой и микоризой, и трав, накапливающих опаловые фитолиты и тем самым ускоряющих выветривание кремнеземсодержащих горных пород. Растительноядные млекопитающие быстро переводили всю эту гигантскую биомассу в то, что в конечном счете становилось гумусом. Биогенные вещества выносились в океан, где царили новые группы водорослевого планктона, которым была посвящена предыдущая подглавка, но особенно нуждавшиеся в кремнеземе диатомовые.
Глобальные модели изменений уровня содержания углекислого газа в атмосфере Земли неплохо согласуются с характером ее растительного покрова в течение последних 450 миллионов лет — с того рубежа, когда растения начали осваивать сушу. Очень возможно, что и самые древние и суровые оледенения — в середине палеопротерозойской эры (2,1 миллиарда лет назад), криогенном [30] периоде и начале эдиакарского периода (850–640 миллионов лет назад) — тоже связаны с эволюцией водорослей.
30
От греч. — холод.
В совокупности наземные растения с микоризальными грибами и водорослевый планктон снизили содержание углекислого газа в пять раз. Потому и вся биосфера планеты стала иной: в океане преобладают организмы с арагонитовым скелетом, сушу заселили животные с постоянной температурой тела и развитым мозгом, а также растения, приспособленные к жизни при пониженном содержании двуокиси углерода в атмосфере (с иными циклами фотосинтеза). К ним относятся, например, важные для человечества культуры: амарант, сорго, кукуруза. Подобные растения составляют всего три процента видового разнообразия, но пятую часть растительного покрова. У большинства наземных растений реакция фотосинтеза проходит по так называемому С3– пути, в котором важную роль играет фермент рибулозобифосфаткарбоксилаза (или сокращенно рубиско), ответственный за присоединение молекул углекислого газа к органическим молекулам. Однако при низком уровне этого газа в жарком климате данный фермент перестает распознавать, что за молекула перед ним — углекислый газ или кислород. И растения, не добирая до 40 процентов необходимого углерода, начинают дышать в дневное время — поглощать кислород вместо двуокиси углерода. Поэтому травы саванн и прерий пошли другим — С4– путем: у них углекислый газ запасается в особых органах листа, что препятствует его потерям. Саванные травы — не единственные растения, сумевшие приспособиться к нынешней атмосфере. Обширную группу составляют кактусы и некоторые другие суккуленты (алоэ, агавы, «живые камни» Южной Африки), сумевшие наладить свой тип фотосинтеза (CAM-путь) в очень засушливых условиях. Газообмен у них происходит по ночам, благодаря чему сберегаются и влага, и углекислый газ. Именно потому эти растения, как выяснили Моника Аракаки и ее коллеги из Университета имени Брауна в Провиденсе, изучив геном их хлоропластов, и породили огромное разнообразие форм, которые так любят коллекционеры.
Общие изменения в наземной флоре, произошедшие за последние 8 миллионов лет, сопоставимы с мезозойской революцией, когда цветковые сильно потеснили голосеменные растения. Современный же «ледниковый период» представляет собой лишь часть последней холодной эры, начавшейся примерно 35 миллионов лет назад. Не обязательно заключительную…
Серьезные ученые давно подозревали, что экономика не подвластна не только отдельно взятым президентам и премьер-министрам, но и самим экономическим законам. Дэйвид Чан из Гонконгского университета и его коллеги, представляющие другие китайские институты, обнаружили, что войны и народные возмущения — крайние проявления экономического краха — напрямую зависят от погоды. Так, похолодание, охватившее Европу в 1560–1652 годах, привело к многолетним неурожаям, значительному росту цен на зерно и, как следствие, — голоду, недовольству населения действиями местных и верховных властей, стихийным миграциям. Эти процессы вызвали эпидемии, войны и снижение средних показателей здоровья, что в итоге привело к общему резкому сокращению популяции европейцев. На Руси на середину этого периода пришлись голодные бунты, закончившиеся падением династий Рюриковичей и Годуновых и Смутным временем.