Айзек Азимов - Загадки мироздания

Может показаться, что фотосинтез должен был лишь ускорить процесс распада воды и приблизить тем самым переход от восстановительной атмосферы к нейтральной. Но нет, фотосинтез способен на большее!

Теперь стадия нейтральной атмосферы перестала быть конечной для эволюции. После окончательного формирования нейтральной атмосферы и появления излишков кислорода в свободном виде в верхних слоях атмосферы действительно сформировался защитный кислородный, а затем и озоновый слой. Ультрафиолетовое излучение перестало достигать поверхности планеты, и фотодиссоциация прекратилась. Но видимый свет по-прежнему продолжал проникать в глубь атмосферы, и фотосинтез продолжался. Фотосинтез, в отличие от фотодиссоциации, не саморегулирующийся процесс в этом отношении. В воздух выделялось все больше и больше кислорода, и атмосфера Земли, пройдя стадию нейтральности, стала окислительной.

Пусть так, но почему углекислый газ, накапливаясь в атмосфере, не привел к парниковому эффекту и земные океаны не закипели, подобно венерианским?

К счастью, распад молекул воды не единственная химическая реакция, вызываемая фотосинтезом. Образующиеся в результате распада молекулы водорода не попадают в атмосферу, чтобы потом постепенно улетучиться в космос. Вместо этого, водород принимает участие в ряде химических реакций, заканчивающихся соединением его с углекислым газом для образования крахмала и других составляющих растительных клеток.

Таким образом, фотосинтез, хоть и приводит к выбросу в атмосферу кислорода, не выбрасывает при этом и водород, а использует его для очистки атмосферы от углекислого газа. В итоге земная атмосфера стала практически полностью состоять из азота и кислорода.

Когда именно все это происходило — точно неизвестно. Самые правдоподобные предположения, основанные на химическом составе древних камней, говорят о том, что свободный кислород появился в атмосфере один-два миллиарда лет назад, а жизнь на Земле к тому моменту уже существовала еще один-два миллиарда лет.

Примерно 600 000 000 лет назад количество кислорода в атмосфере составляло уже как минимум одну десятую от сегодняшнего. Это вызвало биологическую революцию, и наступил, по терминологии геологов, кембрийский период.

До кембрийского периода, когда в атмосфере не было или почти не было кислорода, простейшие формы жизни получали энергию из сложных органических молекул путем разложения их на более простые без произведения каких-либо принципиальных изменений в их химическом строении. Такой процесс называется «ферментация».

Однако, когда в атмосфере появилось более-менее значительное количество кислорода, живые существа, в метаболизме которых используется объединение питательных веществ с атмосферным кислородом, смогли получать из того же количества питательных веществ в двадцать раз больше энергии.

Получение доступа к такому объему энергии стало для жизни сильнейшим толчком к развитию. За сто миллионов лет кембрийского периода появились первые сложные живые формы и разнообразие их многократно возросло.

Возникли первые многоклеточные организмы из собравшихся воедино клеток. Оказавшись в составе таких организмов, определенные группы клеток получили возможность специализироваться. Некоторые из них научились быстро сокращаться, другие — проводить электрические импульсы. Так появились мышцы и нервы. Для придания организму структуры, не позволяющей погибнуть под собственной тяжестью, а заодно и для защиты от внешних воздействий появились раковины и другие жесткие конструкции. Казалось, нет предела изобретательному разнообразию форм жизни, получившей наконец-то доступ к настоящим объемам энергии.

Эти раковины и другие жесткие конструкции оставались и после смерти самого организма и за тысячи лет окаменели. Камни кембрийского периода хранят очень много подобных останков, именуемых «окаменелостями», в то время как в камнях, датируемых более ранними периодами, окаменелости отсутствуют.

Предположительно, примерно 400 000 000 лет назад содержание кислорода в атмосфере достигло сегодняшнего уровня. Озоновый щит прочно прикрывал планету, и ультрафиолетовые лучи достигали ее поверхности в столь малом количестве, что живые формы вполне могли долго находиться на открытом солнце без вреда для себя.

Тогда живые существа впервые в истории вышли на сушу, чтобы заселить континенты.

Но эволюция атмосферы не закончилась, придя к сегодняшнему состоянию. Содержание то одного, то другого вещества в ней периодически колебалось, и самые важные последствия имели колебания содержания углекислого газа.

Сегодня углекислый газ составляет лишь 0,03 процента атмосферы, но его значение непропорционально велико. Не только потому, что он представляет собой единственный продукт питания всей растительной (а следовательно, и животной) жизни на Земле, но и ввиду обеспечиваемого им парникового эффекта. Даже небольшие колебания концентрации углекислого газа могут оказывать сильное влияние на температуру Земли.

В истории были периоды, когда благодаря вулканической активности по всей планете в воздух выбрасывалось необычно большое количество углекислого газа и его концентрация несколько повышалась. В атмосфере накапливалось при этом чуть больше тепла, и Земля начинала нагреваться. В тепле и в условиях большого количества углекислого газа по всей планете начинался расцвет растительной жизни, сушу устилали густые леса. Именно после таких периодов и появлялись угольные и нефтяные месторождения, обязанные своим происхождением живым существам таких лесов.

А бывало и так, что в периоды активного горообразования огромные объемы каменистой породы выталкивались из недр Земли на поверхность. Вещества этих новых гор, ранее никогда не входившие в контакт с воздухом, начинали вступать в соединение с атмосферным углекислым газом для образования карбонатов. В результате количество свободного углекислого газа в атмосфере падало, парниковый эффект ослабевал и Земля остывала. Если она остывала ниже определенного порога, начинался ледниковый период. Сейчас мы находимся в конце затянувшегося периода горообразования и нашествия ледников.

Однако теперь человечество и само, посредством собственных технологий, оказывает влияние на климат.

Человек добывает из земли уголь и нефть, которые откладывались миллионами лет, и сжигает все за пару веков. При этом снова образовывается углекислый газ, тысячи лет назад встроенный растениями в собственные ткани, ставшие потом углем и нефтью.

Ежегодно сжигается шесть миллиардов тонн угля, нефти и природного газа, и уровень углекислоты в атмосфере медленно растет (несмотря на то что в основном она растворяется в океане и потребляется растениями). Подсчитано, что если темпы производства человеком углекислого газа останутся на прежнем уровне, то к 2000 году его будет содержаться в атмосфере на 25 процентов больше, чем сейчас, а к 2300 году — вдвое больше.