Каким образом жизнь на Земле смогла сохраниться во время чудовищных похолоданий, несколько раз охватывавших нашу планету 600–800 миллионов лет назад? Испытала ли Земля тотальное оледенение — вплоть до установления ледового покрова на всей акватории океана?
Модель, предложенная канадскими исследователями, показывает, что океан, по-видимому, никогда не замерзал полностью, а Земля представляла собой не ледяной шар, а «слякотный». Резкие колебания климата в ту далекую эпоху были результатом взаимодействия чисто физических процессов и жизнедеятельности бактерий, которые осуществляли минерализацию (окисление) растворенного в океане органического вещества. Похолодание способствовало обогащению кислородом водной толщи, а тем самым создавались благоприятные условия для бактерий, которые, перерабатывая органику, поглощали кислород и выделяли углекислый газ. Попадая из воды в атмосферу, углекислый газ создавал парниковый эффект, то есть удерживал тепло у поверхности.
В истории Земли был период особенно холодный, отличавшийся самыми мощными оледенениями. Это время так и называют «криогенный период неопротерозойской эры». Продолжался он довольно долго — 220 миллионов лет (850–630 миллионов лет назад) и характеризовался чередованием небольших потеплений и сильнейших похолоданий. На суше, представленной остатками древнейшего материка — Родинии, толщина льда в некоторых местах достигала 6 км, а сами льды доходили до тропических широт. Уровень океана тогда понижался на километр (для сравнения скажем, что в последнее значительное оледенение, имевшее место 20 тыс. лет назад, он снижался только на 120 м). Некоторые исследователи полагают, что во время неопротерозойских оледенений лед покрывал не только сушу, но и весь океан.
Образ замороженной Земли (Snowball Earth). Толстый слой льда, покрывающий Землю, исключает возможность фотосинтеза. Конечно, современных материков, изображенных на картинке, в неопротерозое еще не было.
Белая поверхность нашей планеты, напоминавшей в то время снежный ком (см.: гипотеза «снежной Земли», «Snowball Earth hypothesis»), хорошо отражала падающий на нее солнечный свет и, соответственно, почти не нагревалась. Такое холодное состояние Земли было весьма устойчивым. Объяснить же, каким образом планета смогла из него выйти, было непросто. Обычно предполагали, что произошло это благодаря серии мощных извержений вулканов, сопровождавшихся выбросом в атмосферу огромного количества парниковых газов (прежде всего СО2), выпадением на белую от снега и льда поверхность Земли пепла и кислых дождей. Увеличение содержания в атмосфере парниковых газов позволяло удерживать тепло, а пепел препятствовал отражению солнечных лучей, что и приводило к постепенному оттаиванию поверхности Земли. Жизнь в это время была представлена только обитавшими в океане бактериями и мелкими одноклеточными водорослями. Первые крупные многоклеточные (так называемая эдиакарская фауна) появились только в самом конце неопротерозоя. Хотя бактерии и протисты значительно устойчивее к неблагоприятным воздействиям, чем многоклеточные, возможность их выживания в условиях длительного глобального оледенения весьма сомнительна.
На отполированном шлифе( см. рис.) — порода, образовавшаяся в неопротерозое (материал из Бразилии). Темные, напоминающие веера структуры (их высота 5–8 см) — кристаллы карбоната, образовавшиеся на морском дне и свидетельствующие о том, что в это послеледниковое время в воде содержалось большое количество неорганического углерода. Более светлые участки — также карбонаты, но из мелких зерен. Рыжеватые полосы свидетельствуют о наличии оксидов железа, сформировавшихся при обилии кислорода. Изотопный состав таких карбонатов позволяет судить о цикле углерода в давние эпохи. Рис из статьи Кауфмана Palaeoclimate: Slush find (Nature. 2007. V. 450. P. 807–808).
Однако трудностей традиционно предлагаемого объяснения удалось избежать в рамках новой модели, которую уже окрестили как «слякотная Земля» (Slushball Earth) — в отличие от Земли «снежной» (Snowball Earth). Авторы этой модели, канадские исследователи Ричард Пельтье (Richard Peltier), Йонганг Лиу (Yonggang Liu) и Джон Краули (John W.Crowley) — все с физического факультета Торонтского университета (Онтарио, Канада), — предположили, что океан никогда не замерзал целиком. В нем всегда оставались достаточно большие открытые участки, где продолжался фотосинтез фитопланктона и где происходил интенсивный газообмен между водной толщей и атмосферой. При построении модели использованы как данные по физическим процессам, определяющим климат, так и представления о жизнедеятельности организмов, обитавших в океане.
О масштабах образования органического вещества в отдаленные геологические эпохи обычно судят по «изотопике» — по относительному содержанию в осадочных породах стабильного изотопа углерода 13C. Дело в том, что в процессе фотосинтеза фитопланктонные организмы (а в последствии — и растения) потребляют преимущественно более распространенный легкий изотоп углерода 12C. Соответственно, если где-то осаждается органическое вещество, то оно оказывается обедненным 13C. А в воде, где жили фотосинтезирующие организмы, содержание более тяжелого изотопа 13C оказывалось, наоборот, повышенным. Если же там образовывались карбонаты, то они также отличались повышенным содержанием 13C (собственно, по этим карбонатам мы и судим о составе воды много миллионов лет тому назад).
Изменение содержания стабильного изотопа углерода 13C в карбонатах, образовывавшихся за последний миллиард лет. Увеличение этой величины свидетельствует об усилении масштабов захоронения органического вещества в воде (ведь тогда более тяжелый изотоп 13C остается неиспользованным в процессе фотосинтеза, и из воды переходит в карбонаты). Рамкой выделен участок, приходящийся на очень холодный (криогенный) период неопротерозоя. Голубыми полосами выделены особо сильные оледенения — Стертовское и Варангерское (Sturtian and Marinoan/Varanger glaciations). Считается, что именно во время этих оледенений Земля могла достигать состояния «снежного шара» (Snowball event). Между оледенениями — аномалии (крайне низкие значения содержания 13C), свидетельствующие о проникновении кислорода в океан. Самая последняя аномалия — Шурамская — вывела систему из циклического режима. На верхней шкале — чередование холодных и теплых эпох, а чуть ниже — судьба континентов: образование Родинии, ее распад, образование Пангеи и ее разделение. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature.
Органическое вещество, синтезированное фитопланктоном, после отмирания клеток выпадает в осадок или же остается в толще воды в виде растворенного органического вещества, которое оценивают обычно как растворенный органический углерод — Dissolved Organic Carbon (DOC). В океане и сейчас углерода в такой форме значительно больше, чем связанного в телах организмов или находящегося во взвешенных частицах детрита. А в эпоху неопротерозоя, когда не было еще планктонных животных, потребляющих фитопланктон, такого растворенного органического вещества было существенно (на порядки) больше. Но растворенное органическое вещество — это пища для бактерий, которые при наличии в среде кислорода осуществляют его разложение (минерализацию). В процессе дыхания бактерий выделяется углекислый газ СО2, который может диффундировать в атмосферу.
Циклические колебания состояния климата (оледенений), предсказываемые моделью Пельтье и др. a. Изменения температуры (в °C) на поверхности земли (Tsurf ) показаны как функция количества углекислого газа — точнее, связанного с парниковым газом теплового потока drad (в ваттах на м2). До ситуации полностью замерзшей Земли (Hard snowball) дело не доходит — в дело вступают регуляторные механизмы. В основном цикл проходит по траектории, обозначенной римскими цифрами I, II, III, IV. b. Траектория решения модели, объединяющей климат и цикл углерода. На панелях справа — предсказанные моделью циклические изменения: c — площади ледового покрова океана, d — содержания СО2 и e — объема льда на суше. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature.
В своей модели Пельтье и его соавторы исходят из того, что похолодание способствует обогащению поверхностных вод океана кислородом — в холодной воде кислород как и другие газы, растворяется гораздо лучше, чем в теплой. А чем больше кислорода, тем эффективнее протекает деятельность бактерий, минерализующих растворенное органическое вещество и выделяющих углекислый газ, который, попадая из океана в атмосферу, создает парниковый эффект и не позволяет океану остывать слишком сильно. Таким образом работает обратная связь, не допускающая крайнего необратимого охлаждения.
Предсказанные моделью схемы распределение льда по планете. Четыре карты соответствуют углам траектории, показанной на предыдущем рисунке, и обозначенные теми же римскими цифрами I, II, III, IV. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature.
Модель (состоящая на самом деле из нескольких блоков: для каждого бока своя подмодель) предсказывает устойчивые колебания только в том случае, когда чисто физические процессы теплообмена увязаны с процессами минерализации органического вещества, осуществляемыми бактериями. Не исключаю, что модель Пельтье скоро будет подхвачена сторонниками гипотезы Геи (когда-то выдвинутой Джеймсом Лавлоком). Ведь в соответствии этой моделью получается, что организмы в ходе своей жизнедеятельности поддерживают планету (Гею) в состоянии, пригодном для дальнейшей жизни. По сути, это одно из краеугольных положений концепции Геи.
Автор: Алексей Гиляров
Источник: W. Richard Peltier, Yonggang Liu, John W. Crowley. Snowball Earth prevention by dissolved organic carbon remineralization // Nature. 2007. V. 450. P. 813–818
Комментарии 0
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы оставить комментарий