Летающие жирафы, мамонты-блондины, карликовые коровы... От палеонтологических реконструкций к предск - Журавлёв Андрей Юрьевич
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.
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…
