Летающие жирафы, мамонты-блондины, карликовые коровы... От палеонтологических реконструкций к предсказаниям будущего Земли

Стоматы

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…

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.