Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

Небольшой шахтерский городок Болсоувер в Дербишире (Англия) неожиданно прославился в 1979 г., когда в угольном пласте на глубине около 500 м шахтеры обнаружили гигантскую окаменелую стрекозу с размахом крыльев около полуметра — примерно как у чайки. Эксперты из Национального музея истории в Лондоне подтвердили, что окаменелость относится к каменноугольному периоду (около 300 млн лет назад). Находку назвали Болсоуверской стрекозой. Это прекрасно сохранившийся и очень старый образец, но он далеко не единственный. Французский палеонтолог Шарль Броньяр еще в 1885 г. описал похожие окаменелости из угольных шахт в центре Франции, а позднее гигантских ископаемых стрекоз находили в Северной Америке, в России и в Австралии. Удивительно, но гигантизм был весьма распространенным явлением каменноугольного периода.

Болсоуверская стрекоза принадлежит к вымершей группе гигантских хищных насекомых ( Protodonata ), возможно, произошедших от того же предка, что и современные стрекозы ( Odonata ). Как и их современные родственники, Protodonata имели длинное узкое тело, огромные глаза, мощные челюсти и цепкие лапы, которыми хватали добычу. Почетное место среди когда-либо живших насекомых занимает колоссальная стрекоза Meganeura с размахом крыльев до 75 см и диаметром грудного сегмента тела около 3 см. Для сравнения, самая крупная современная стрекоза имеет размах крыльев 10 см и диаметр грудного сегмента 1 см. Главное отличие гигантских стрекоз от их современных родственников заключается в структуре крыльев, а именно в числе и расположении жилок. В 1911 г. французские палеонтологи Арле предположили, что из-за гигантского размера и примитивных крыльев Meganeura не могла бы летать в современной атмосфере. Они считали, что такой гигант мог подняться в воздух только в очень плотной атмосфере с содержанием кислорода выше 21% (если к имеющемуся количеству азота добавить больше кислорода, общая плотность воздуха увеличится). Это поразительное заявление отзывалось эхом на протяжении всего ХХ в. и многократно и яростно опровергалось сообществом палеонтологов. В 1966 г. датский геолог М. Г. Руттен, используя несколько старомодный стиль, который теперь навсегда исчез из научных журналов, писал следующее:

«В верхнем каменноугольном периоде насекомые достигали метрового размера. Учитывая их примитивный способ дыхания посредством трахеи через внешний скелет, пожалуй, они могли бы существовать только в атмосфере с высоким уровнем О 2. Будучи геологом, автор весьма удовлетворен этой линией доказательств, чего нельзя сказать о других геологах. И у нас нет способов, чтобы убедить оппонентов».

Механизм полета насекомых чрезвычайно сложен. Знаменитая, но выдуманная история 1930-х гг. рассказывает об одном швейцарском ученом, специалисте в области аэродинамики, который на основании расчетов доказал, что шмели не могут летать (на самом деле он доказал, что шмели не могут планировать, что правда). Однако не будем презрительно посмеиваться — с тех пор наши знания расширились весьма незначительно. В подробном обзоре о полете стрекоз, опубликованном в 1998 г., Дж. М. Уэйклинг и К. П. Эллингтон заключили, что наше представление об аэродинамике полета стрекозы ограничено недостаточным пониманием взаимодействия между двумя парами крыльев, и признали, что мы не можем создать достоверную модель ее полета. Ввиду такого значительного недостатка информации вряд ли можно прийти к надежным выводам относительно состава древней атмосферы только на основании теоретических расчетов механики полета.

Однако идея о том, что гигантским насекомым для полета требовалась более плотная, насыщенная кислородом атмосфера, так никогда и не была опровергнута. Мы увидим, что там, где не сработала теория, может сработать эмпирический подход. Есть и другие признаки колебаний уровня кислорода в современную эпоху (см. рис. 1). Геологические данные недвусмысленным образом указывают на то, что в океанах на больших глубинах содержалось мало растворенного кислорода, по крайней мере какой-то недолгий отрезок времени, соответствующий массовому вымиранию животных в конце пермского периода 250 млн лет назад. Причиной этого, скорее всего, стало падение уровня кислорода в атмосфере. Напротив, если принять во внимание закон сохранения массы (см. глава 3), приходится заключить, что гигантские залежи угля (представляющие собой главным образом органическое вещество, захороненное на протяжении каменноугольного и начала пермского периода) практически наверняка указывают на рост концентрации кислорода. Вопрос заключается в величине этого эффекта [24] Руттен приводит старый довод: поскольку в основном фотосинтез осуществляет океанический планктон, мы не можем сказать, действительно ли флора каменноугольного периода производила измеряемое количество дополнительного кислорода. Но этот аргумент ошибочен. Нужно учитывать не абсолютную продуктивность, а количество захороненного органического материала . Полное разложение планктона означает, что в море захоронено меньше yглepoдa, чем на cyшe, поскольку наземные растения разлагаются хуже. .

Основная трудность в определении состава воздуха в тот или иной период заключается в дискриминации причинных и тривиальных факторов. Ранние модели эволюции атмосферы показывали, что уровень кислорода на протяжении истории Земли колебался практически от нуля до современных значений. Эти исследования показали наше полное непонимание механизмов, контролирующих содержание кислорода в атмосфере. Трудности моделирования эволюции атмосферы могут объясняться ошибочностью исходных предпосылок: изменения в действительности происходили совсем не в то время, что мы предполагали. Но, прежде чем сказать, что мы сами создали себе проблему, следует отметить, что такая же сложность возникает и при создании стационарных моделей, в которых концентрацию кислорода считают постоянной. Мы не знаем, за счет чего в воздухе поддерживается постоянная концентрация кислорода, тогда как другие условия меняются.

Что, к примеру, происходит при пожарах? Поскольку при горении потребляется кислород, считается, что пожары ограничивают накопление кислорода в атмосфере. Без вмешательства человека источником огня в природе обычно являются разряды молнии. В современных условиях в большинстве случаев разряды молнии не приводят к пожарам из-за влажной растительности, особенно если грозы сопровождаются проливными дождями. Но, как нам говорят, органическое вещество легко загорается на воздухе при содержании кислорода выше 25%, значит, при таких условиях молния может стать причиной пожара даже в дождевых лесах. Чем выше содержание кислорода, тем больше вероятность возгорания, а распространяющийся огонь потребляет кислород. Если содержание кислорода достигает очень высокого уровня, пожары восстанавливают баланс.