Новая история происхождения жизни на Земле

Киршвинк Джозеф

Питающиеся листьями пантодонты, размерами от собаки до быка, разделились на несколько эволюционных ветвей: полуводных существ типа бегемотов и животных, обитающих на деревьях или передвигающихся на четырех лапах по подлеску. Пантодонты были плотного телосложения, коротколапые, и следует признать, что по сравнению с современными травоядными они были крайне неуклюжими и передвигались очень медленно. Они являлись самыми крупными сухопутными животными палеоцена, но позже к ним присоединились другие травоядные — диноцераты, которые были еще больше, на голове у них было множество наростов и рога, выглядели они как огромные носороги.

В пограничных отложениях между палеоценом и эоценом наблюдается некоторое уменьшение количества видов, но затем, правда не сразу, появляются кости новых животных. Многие происходят от форм,

более-менее привычных для нас. Сначала появились парнокопытные и непарнокопытные. Затем пришли те, кто ими питается — плотоядные формы, уже похожие на современных и относящиеся к современным таксономическим группам. И всем им пришлось адаптироваться к явлению, изменившему мировой климат. Урок прошлых массовых вымираний: новые морфологические формы появляются, только если им откроет дорогу значительная по масштабам гибель предыдущих организмов. В конце палеоцена так и случилось.

Наша коллега Франческа Макинерни предоставила замечательную обобщающую статью, написанную на основе ее исследований на северо-западе Америки, — это очень помогло нам описать позднепалеоценовый термический максимум. Во-первых, она отмечает, что такое явление чрезвычайно актуально для нас, людей, поскольку количество углерода, выброшенного в атмосферу (примерно 12–15 тыс. гигатонн), близко к тому, которое поступило в атмосферу в результате промышленных выбросов. Изменения, спровоцированные парниковыми газами, в период позднепалеоценового термического максимума привели к повышению общемировой температуры на 5–9 °C по сравнению с современным показателем. Само явление длилось приблизительно 10 000 лет. Растения того периода отличались и от более ранних, и от тех, что появились после него — во время позднепалеоценового термического максимума исчезли голосеменные. В регионе, который изучала Франческа Макинерни, по данным другого палеонтолога, Скотта Уинга из Смитсоновского института, растения того периода были в основном представлены формами, произраставшими в более низких широтах, а значит, при более высоких температурах. По окончании позднепалеоценового термического максимума ранние формы растений вернулись, вместе с ними вернулись и насекомые, существовавшие до температурного ада на Земле. Но не млекопитающие. Позднепалеоценовый термический максимум полностью изменил млекопитающих Северной Америки.

И еще одно: полярные шапки при таком значительном потеплении обязательно должны растаять, а это приведет к подъему уровня океана. В этом и заключается опасность современного потепления, вызванного деятельностью человека, — таяние антарктических и гренландских льдов рано или поздно приведет к затоплению больших территорий пахотной земли. По прогнозам, самый высокий подъем воды приходится на Южный Китай, а это один из самых густонаселенных регионов мира, в котором как раз на уровне моря располагаются рисовые поля.

Пастбища и млекопитающие постепенно холодающего кайнозойского мира

Начиная с эпохи эоцена и до начала миоцена (23,5 млн лет назад) мир постепенно охлаждался. В течение эоцена это похолодание почти не ощущалось, планета все еще оставалась большим тропическим лесом, а в том месте, где сегодня находится Северный полярный круг, жили крокодилы. Но в олигоцене процесс похолодания ускорился, началось становление нового климата, однотипный мировой климат постепенно сменялся на четкое разграничение времен года. В то же время в Антарктиде и, вероятно, в Гренландии стали формироваться гигантские пространства континентального льда. Нарастание ледяных пространств привело к быстрому и значительному понижению уровня моря. Во многих регионах высоких широт леса понемногу уступали место травяным лугам и саваннам. Происходили изменения и в атмосфере, что в дальнейшем имело серьезнейшие последствия для развития жизни на Земле.

Растениям нужен углекислый газ. Хотя за миллиарды лет существования нашей планеты количество углекислого газа то уменьшалось, то увеличивалось, но в общем все это были этапы одной общей истории с одной общей тенденцией — концентрация углекислого газа в атмосфере Земли постепенно уменьшалась, и планета постепенно охлаждалась (особенно за последние 40 млн лет). Впрочем, на эволюцию растений в кайнозое значительно серьезнее повлияло не изменение температуры. Возможно, намного более важным стало эволюционное образование более эффективного типа фотосинтеза — C₄, который у многих растений заменил более древнюю форму — C₃ (цифры 3 и 4 в этих наименованиях показывают различные химические преобразования, возникающие, когда солнечный свет и углекислый газ соединяются при формировании живых клеток и тканей растения). Фотосинтез-C₄ необычайно быстро закрепился в растительном царстве, если судить по количеству растений, усвоивших этот тип преобразования. Растения, использующие фотосинтез-C₃, оставляют изотопный показатель углерода, отличный от фотосинтеза-C₄. Не только растения оставляют такие следы, но и животные, поедающие растения. Таким образом, мы можем узнать по останкам травоядных, каким типом растений они питались — с фотосинтезом-C₃ или C₄, а возможно, и тем и другим.

Существуют две возможности определить, когда впервые возник фотосинтез-C₄. Первая — молекулярные часы. Сравнивая геномы растений с разными типами фотосинтеза, генетики установили, что различия довольно велики, и механизм C₄ мог появиться не позднее чем 25 млн лет назад (мог и раньше — 32 млн лет назад). Однако палеонтологическая летопись показывает совершенно другие цифры — первые ископаемые растения с фотосинтезом-C₄ относятся к периоду 12–13 млн лет назад.

Появление фотосинтеза-C₄ не являлось единичным неожиданным экспериментом эволюции, который потом распространился на многие растения. На самом деле данный тип фотосинтеза возникал, скорее всего, около 40 раз у разных групп растений и в различные моменты истории их развития. Растения с фотосинтезом-C₄ приобрели способность противостоять огню и обезвоживанию, адаптировавшись, таким образом, к жаркому и сухому климату.

Для экологии самыми важными растениями с фотосинтезом-C₄ оказались травянистые растения, поскольку именно они являются основной пищей травоядных животных — больших существ, пасущихся на лугах, и имеют большое значение для многих птиц, включая гусей, которые встречаются повсюду, даже на газонах городских парков. Снижение уровня углекислого газа, особенно за последние 20 млн лет, произошло во многом благодаря травянистым растениям с фотосинтезом-C₄ [225] . Многие травы не могут существовать под лесными деревьями, где прохладные и тенистые условия мешают их росту и развитию.

225

M. D. Hatch, «C(4) Photosynthesis: Discovery and Resolution,» Photosynthesis Research 73, nos. 1–3 (2002): 251–56.

Впрочем, отступление лесов открыло новые годные для трав пространства. Первоначально полагали, что быстрая эволюция травянистых растений с фотосинтезом-C₄ стала возможной благодаря длительному снижению уровня углекислоты, однако существует и другая — новая — теория, согласно которой для бурного развития данного типа растений не менее важным, а возможно и более важным, является изменение лесного покрова планеты. Но что же вызвало уменьшение лесного покрова? Вероятно, лесные пожары.

Лесные пожары — незаслуженно игнорируемый фактор развития жизни на планете, покрытой растениями. Пожары, разумеется, зависят от уровня кислорода в атмосфере. В периоды с большими концентрациями атмосферного кислорода, например, в меловом периоде 320–300 млн лет назад, лесные пожары были, вероятно, постоянными. Если бы в тот период можно было посмотреть на Землю из космоса, то мы бы увидели, что атмосфера плотно задымлена, настолько плотно, что солнечный денек был редкостью. Такая дымовая завеса над большей частью материков серьезно влияла на глобальные температуры: большая часть дыма от лесных пожаров светлая с внешней, «космической», стороны и поэтому способна отражать больше солнечного света обратно в космос, чем при других обстоятельствах, а значит, менять альбедо — степень способности Земли отражать солнечные лучи.