02.02.2012

Первые примитивное растения спровоцировали глобальные оледенения в палеозое

Глобальное похолодание на Земле 455 млн. лет назад, когда почти вся жизнь была сосредоточена в океанах, спровоцировали мхи, считают британские ученые, четыре месяца наблюдавшие за ящиком с камнями.

На протяжении 45 млн. лет ордовика, следующего за кембрием, периода раннего палеозоя (488—444 млн. лет назад), климат Земли характеризовался постепенным снижением температуры, кульминацией которого стала серия так называемых позднеордовикских оледенений. Последние происходили при концентрации углекислоты в атмосфере в 14—22 раза превышавшей нынешнюю, что ставит палеоклиматологов в тупик, поскольку, согласно накопленным данным по эволюции литосферы и созданным на их основе геохимическим и газодинамическим моделям, оледенения в ту эпоху могли быть «запущены» лишь при намного меньшей (примерно в 8 раз превышавшей нынешнюю) концентрации углекислого газа.

Какие процессы могли вызвать в ордовике резкое падение концентрации парникового углекислого газа в атмосфере — согревающей Землю «тепловой подушке»?

При эрозии слагающих литосферу твердых пород происходит высвобождение ионов кальция и магния, связывающих углекислый газ с образованием карбонатов. Но, даже учитывая такие факторы, как интенсивное горообразование в раннем и среднем ордовике, когда резко увеличилась площадь эродирующих пород и дрейф древних континентов через зону тропической конвергенции с ее интенсивными ливнями, где горные породы разрушались быстрей, это дает снижение концентрации углекислоты до уровня, превышающего нынешний лишь в 12 раз, никак не в 8.

Геологический механизм, таким образом, ордовикские оледенения объяснить не может.

Другим механизмом связывания атмосферной углекислоты как напрямую — через трансформацию двуокиси углерода в процессе метаболизма, так и косвенно — посредством той же эрозии твердых пород, содержащих необходимые для жизни минералы, является биологический.

В пользу биогенной гипотезы позднеордовикских похолоданий свидетельствуют карбонатные отложения ордовика с пиковым содержанием ¹³С — изотопа углерода, маркирующего их биологическое происхождение. В ордовике зафиксировано два пика ¹³С, притом оба попадают в ледниковое окно и, что интересно, совпадают с пиковыми отложениями фосфатов — еще одним важным биомаркером: высвободившийся в результате эрозии твердых силикатов (составляющих 90% литосферы) фосфор попадал в океан, где в то время была сосредоточена основная часть активно потребляющей этот элемент биоты.

Предполагается, что взрывное распространение высших растений, увеличивающих скорость эрозии каменных пород до 10 раз, было, по всей видимости, одним из факторов глобального девонского похолодания 400—360 млн. лет назад, сопровождавшегося оледенением полюсов.

Однако в более древнем ордовике растения только начали появляться, притом высшие, сосудистые растения — лишь на исходе этого периода. Скудный растительный мир ордовика — это, по большей части, примитивные мхи, не обладающие способной «вгрызаться» в камень развитой корневой системой. Вряд ли они могли существенно повысить темпы разрушения твердых силикатов, изменить углеродный цикл и в конечном итоге повлиять на глобальный климат планеты, где большая часть жизни была сосредоточена в океане, а не на суше.

Но теперь, похоже, точка зрения, исключающая примитивные растения ордовика из галереи факторов глобального похолодания, должна быть пересмотрена.

Создатели биогеохимической модели COPSE, описывающей планетарный оборот кислорода, углерода, фосфора и серы в файнерозое (геологическом эоне, включающем палеозой, мезозой и кайнозой — эру, в которую мы живем), профессор Тим Лентон из Университета Экзетера и профессор Лайам Долан из Оксфордского университета опубликовали в Nature статью, где описывают результаты опытов над зеленым мхом Physcomitrella patens.

Этот мох, хоть и отличается от своих далеких эволюционных предков, произраставших на камнях ордовика, является удобной и вполне адекватной моделью дососудистых растений раннего палеозоя.

Поместив мох на четыре месяца в два герметичных инкубатора с кусочками гранита и андезита, Лентон и Долан, вооружившись серьезным прибором — плазмо-атомным эмиссионным спектроскопом, выяснили, какое точно количество кальция, магния, фосфора и железа выделилось за это время с поверхности камней и было поглощено мхом.

Полученные в результате измерений коэффициенты эрозии, которые оказались неожиданно высокими, были экстраполированы в модель COPSE. Далее, варьируя различные параметры модели (разная начальная концентрация СО₂ в атмосфере, разная площадь покрытия континентов мхами и т. д.), авторы попытались выяснить, могла ли эрозия твердых силикатов, вызванная распространением мхов, повлиять на концентрацию углекислого газа в атмосфере и, таким образом, на глобальный климат.

Расчеты показали, что даже в большом диапазоне «плавающих параметров» (точное значение которых определить сложно из-за недостатка данных и влияния пока неизвестных факторов) высвобождение кальция и магния при эрозии твердых пород, продолжавшейся десятки миллионов лет, даже такими примитивными растениями, как мхи, способно существенно понизить глобальную температуру.

При включении же в модель циклов фосфора и железа, интенсифицирующих биогенез в океанах и скорость карбонатных отложений, еще больше связывающих углекислоту, температура понижалась еще больше.

Первый максимум смоделированного похолодания, когда количество фосфора, поступающего в океан, увеличилось вдвое, сопровождался понижением температуры на пять градусов и соответствует первому пику ¹³С, то есть оледенению Гуттенберга (455 млн. лет назад). Второй, когда растительный мир усложнился с появлением первых высших растений, а приток фосфора в океаны вырос втрое, следующему пику ¹³С и Хирнантскому оледенению (445 млн. лет назад).

Таким образом, на основе смоделированных данных, совпадающих с геологическими, авторы делают вывод, что одним из ключевых факторов, вызвавших два фазовых перехода в климате ордовика, могло быть появление и распространение мхов, а позже и сосудистых растений. Способность даже низших растений повлиять на циркуляцию фосфора и углерода объясняет, почему последующие глобальные изменения температуры происходили регулярно, но не строго периодично — факт, очень осложняющий все попытки обнаружить какую-либо закономерность в поведении климата на больших временных дистанциях (а также прогнозировать его в будущем). Похоже, поведение климата определяется помимо всего прочего и капризным поведением планетарной биомассы — ее расцветом и ее депрессиями.

Дмитрий Малянов

Источники:

1. Газета.Ru