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

Температурные контрасты между нынешними Чукоткой и Якутией и их геологическим прошлым определяются разными причинами. Полмиллиарда лет назад Якутия действительно находилась почти у экватора, а 70 миллионов лет назад было теплее на всей планете. Но как отличить одну причину от другой и какие силы предопределяют климатические колебания?

Как вообще измерить температуру на Земле в былые эпохи? С помощью змеи. Берем змею и меряем. И это не шутка: чем теплее, тем длиннее может вытянуться такое пресмыкающееся. Поэтому, зная, что палеоценовая змея из Колумбии была 13 метров длиной (нынешний рекордсмен — сетчатый питон — уступает ей три метра) и весила более тонны, можем рассчитать, как это сделал палеоклиматолог Джейсон Хед из Торонтского университета и его коллеги, что 60 миллионов лет назад среднегодовые температуры умеренных широт достигали 32–33 °C. Заметно теплее, чем сейчас. Оказалось, что в змеях или крокодилах температуру можно измерить гораздо точнее, чем с помощью главного индикатора палеоклимата — формы листьев, занижающих этот показатель на 6–8°.

Крокодилы очень теплолюбивы: разные виды развивают активность при температурах от 30 до 40 °C, а если столбик термометра опускается ниже 5 °C (для некоторых видов — всего 25 °C), обычно гибнут. Бывают, правда, случаи, как в американской Пенсильвании, когда сбежавший крокодил протянул на воле семь лет при зимних температурах до -6 °C, но размножаться он все равно не мог, даже если бы ударился в бега с партнером противоположного пола. Поэтому ископаемые крокодильи кости, обнаруженные в приполярных широтах, доказывают: прежде климат здесь бывал и жарче, например в эоценовую эпоху (50 миллионов лет назад), когда эти пресмыкающиеся поселились на острове Элсмир в Арктической Канаде. А морские крокодилы процветали лишь в самые жаркие времена. В отличие от ихтиозавров и плезиозавров, как считает биогеохимик Кристоф Лекюе из Лионского университета, крокодилы никогда не обладали способностью регулировать температуру тела, о чем свидетельствует изотопный состав их костей — такой же, как у холоднокровных рыб. В течение 200 миллионов лет своего существования бороздившие моря и океаны крокодилы неоднократно вымирали, а затем «нарождались» — происходили заново от пресноводных видов. Ныне подобных рептилий всего две: гребнистый крокодил и острорылый, но в открытом море они не встречаются (один населяет побережье Юго-Восточной Азии и Северной Австралии, другой — Центральной Америки).

Итак, змеи и крокодилы показывают, что в палеоценовую и эоценовую эпохи на Земле действительно было жарче, причем не только в умеренных и полярных широтах, как принято считать, исходя из модели термостата. Эта модель предполагает, что если где-то прибавилось (в Заполярье), то где-то должно убавиться (в тропиках), и получается, что перепад температур от полюса к экватору был не таким резким, как в наши дни. Однако в теплые времена, подобные юрскому — палеогеновому периодам, и разница температур была заметной, и их среднегодовые значения повсеместно выше — на 10 °C.

Если говорить серьезно, то, конечно, палеоклиматологи для подобных реконструкций одной змеей не довольствуются. Палеотемпературы измеряются с помощью океанического растительного планктона; обитавших на дне морей одноклеточных — фораминифер и многоклеточных — брахиопод и двустворок; плававших в толще вод головоногих моллюсков, зубастых акул и ящеров. Главное, чтобы у этих организмов была раковина или зубы, в которых за время жизни их хозяев накапливаются сведения обо всех изменениях среды, в том числе температуры. Самый простой и достаточно надежный способ измерить температуру у организма, которому и градусник вставить некуда, и в живых давно (несколько десятков — сотен миллионов лет) нет, придумал Гарольд Юри, нобелевский лауреат, который советовал геологам собирать тектиты, а астронавтам — лунный грунт. Это соотношение стабильных изотопов кислорода: 18О к 16О. Оба изотопа входят в состав молекул воды. Но облегченные молекулы испаряются быстрее, и потому большая их часть в виде пара находится в атмосфере и выпадающих оттуда осадках (в этом случае в метеорологическом смысле, а не в геологическом), а также в ручьях и реках, льдами и снегами питаемых. В холодные времена, когда значительные массы атмосферных осадков ледяными шапками застывают в полярных областях и ледниками расползаются оттуда до умеренных широт, океан обогащается тяжелым изотопом. А значит, в избытке получат его и все живущие в равновесии со средой организмы. Есть, правда, и такие, которые сами влияют на кислородный баланс в своем скелете, но методом проб (из этого самого скелета) и ошибок (в расчетах) палеоклиматологи смогли выбрать лучших из лучших. Ими и оказались выше перечисленные организмы. Правда, работая с палеозойскими слоями, приходится резко ограничивать круг избранных, поскольку скелеты, построенные из нестойких карбонатных минералов, закономерно преобразуясь в стойкие, увы, теряют первичный изотопный сигнал. Так что самые точные палеозойские термометры — это раковины брахиопод (низкомагнезиальный кальцит и фосфат) и зубы позвоночных (фосфат).

Исходя из примерного соответствия температур уровню углекислого газа в атмосфере, можно измерить этот показатель и другими методами. Например, по плотности устьиц на листовой пластинке, которая тем меньше, чем выше парциальное давление двуокиси углерода. Эти органы растений осуществляют пассивный газообмен со средой: при обильном углекислом газе много устьиц не требуется, а вот при низком уровне, когда на счету каждая молекула, их нужно как можно больше. Значит, сгущение устьиц указывает на падение температуры, и наоборот. Можно прикинуть палеотемпературы по соотношению стабильных изотопов углерода в почвенных минералах или по соотношению стабильных изотопов бора в раковинках планктонных фораминифер, отражающему кислотность среды. Все эти показатели тоже напрямую зависят от парциального давления углекислого газа.

А самый «простой» способ определить если и не абсолютные температуры в градусах, то время наиболее масштабных климатических сдвигов — по карбонатным минералам, в первую очередь скелетным. Еще 20 лет назад из учебников, в том числе университетских, можно было узнать, что химический состав вод Мирового океана отличается завидным постоянством вот уже 2 миллиарда лет. Однако седиментолог (специалист, изучающий закономерности формирования осадочных пород) Филип Сэндберг из Иллинойского университета показал, что по крайней мере в отношении двух таких важных ионов, как Са 2+и Mg 2+, это утверждение неверно. Изучая распределение в ископаемой летописи нескольких разностей карбоната кальция, а именно, устойчивого низкомагнезиального кальцита (≤4 мол.% Mg) и легкорастворимых высокомагнезиального кальцита (>4 мол.% Mg) и арагонита, он заметил, что за последние 500 миллионов лет временные интервалы, когда преобладал более стабильный кальцит, чередовались с теми, когда образовывались две другие его разности. Первые он назвал «арагонит-подавляющими», а вторые — «арагонит-благоприятствующими» эпохами. Ныне эти два состояния Мирового океана именуют «кальцитовыми» и «арагонитовыми» эпохами. В «арагонитовые» — преобладали морские животные и водоросли с арагонитовыми или высокомагнезиально-кальцитовыми скелетами, в «кальцитовые» — доля таких организмов снижалась. Так же ведут себя две примечательные разности морских карбонатов: оолитовые пески, состоящие из мелких известковых шариков, и первичные морские цементы (известковые оторочки, заполняющие полости в рифах или в уже затвердевшем осадке).