Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

Уникальные события обычно лучше всего объясняются необычным стечением обстоятельств. Наиболее правдоподобное объяснение высокой скорости захоронения углерода на протяжении каменноугольного и в начале мелового периода заключается в совпадении геологических, климатических и биологических факторов. Важнейшую роль, вероятно, сыграли два фактора. Во-первых, незадолго до рассматриваемого нами периода образовался единый низколежащий суперконтинент Пангея. Обширные поймы с влажным климатом создали оптимальную среду для возникновения угольных болот. Во-вторых, появление крупных древесных растений — первых деревьев — около 375 млн лет назад способствовало распространению растительности на возвышенностях, в болотах и на побережьях. Структурный каркас древесных растений состоит из лигнина. Даже современные бактерии с трудом перерабатывают лигнин, но во время каменноугольного и пермского периодов древесные растения наверняка производили намного больше лигнина, чем могли расщепить бактерии.

Таким образом, высокая скорость образования угля во время каменноугольного и пермского периодов объясняется очень большой разницей между скоростями синтеза и расщепления лигнина, а также практически идеальными условиями сохранения органического материала. Мы не знаем механизма, который мог бы остановить рост концентрации кислорода в таких условиях, так что нам остается заключить, что уровень кислорода в это время должен был увеличиваться и, возможно, весьма существенно. Как и М. Г. Руттена, меня вполне удовлетворяет такая линия рассуждений, но остается открытым вопрос, как сильно выросла концентрация кислорода.

Баланс фотосинтеза таков, что при захоронении определенного количества органического углерода в воздухе сохраняется фиксированное количество кислорода (глава 2). В принципе, чтобы рассчитать содержание кислорода в воздухе, нам нужно знать только количество захороненной в прошлом органической материи. Из этой величины нужно вычесть количество захороненного вещества, которое впоследствии подверглось эрозии и вернулось в атмосферу в виде углекислого газа. При расчете баланса мы не делаем различия между углеродом, вернувшимся в атмосферу в результате эрозии, и углеродом, окисленным для получения энергии и немедленно вернувшимся в воздух в виде углекислого газа. Однако важно иметь в виду разницу скоростей этих процессов. Уголь, который сейчас добывают и сжигают, сформировался во время каменноугольного периода и 300 млн лет пролежал в земле, и его захоронение способствовало росту концентрации кислорода в атмосфере в то время (а его сжигание помогает снижению содержания кислорода сегодня — хотя всего на 2 ppm в год при базовом уровне 210 000 ррm).

Возможно, вам покажется, что оценить скорость захоронения углерода и скорость эрозии в отдаленном прошлом — задача невыполнимая, однако геохимик Роберт Бернер из Йельского университета и его бывший аспирант Дональд Кенфилд с помощью некоторых приближений смогли определить несколько важных параметров. Они считают, что, поскольку основная масса органического вещества откладывается в виде угольных пластов, наносных отложений в устьях рек и на континентальном шельфе, мы можем не учитывать процесс образования горных пород в глубинах океана. Таким образом, задача формулируется прямо и скучно: нужно определить состав различных континентальных осадочных пород, что делается с помощью любой подробной геологической карты. Содержание органического вещества в этих породах можно измерить напрямую. Труднее всего рассчитать скорость эрозии. Если предположить, что старые породы полностью уничтожены в результате эрозии и метаморфизма, тогда выходит, что более молодые породы, расположенные ближе к поверхности, с большей вероятностью подвергаются эрозии сейчас. Кроме того, необходимо учесть локализацию исходного захоронения: это могла быть местность с хорошим потенциалом для сохранения материала, как в угольных болотах (многочисленных в каменноугольном периоде) или зоны с высокой скоростью эрозии типа наносных равнин (более распространенных в пермском периоде).

Оценивая скорость захоронения углерода и эрозии горных пород, Бернер и Кенфилд рассчитали вероятные изменения концентрации кислорода в атмосфере за последние 600 млн лет. Получившийся график вызвал бурную реакцию в среде геологов. Выходило, что уровень кислорода в каменноугольном и в начале пермского периода вырос до 35%, а к концу пермского периода упал до 15%, вызвав невиданное ранее массовое вымирание живых организмов. Позднее, во время мелового периода (конец эпохи динозавров), уровень кислорода вновь увеличился, достигнув 25 — 30% (см. рис. 5).

Логика этих рассуждений кажется неоспоримой, но большинство людей с недоверием воспринимают результаты, которые противоречат интуиции. Может быть, именно поэтому выводы о состоянии атмосферы, полученные с помощью компьютерного моделирования, не принимаются научным сообществом. Многие ученые не доверяют математическим моделям и философским рассуждениям, не подкрепленным эмпирическими наблюдениями (гуру в области эволюционной биологии Джон Мейнард Смит называл такую науку «наукой без фактов»). Знаменитый пример бессмысленной логики — задача древнегреческого философа Зенона Элейского, которая столетиями мучила логиков, но не представляла никакой проблемы для математиков. Зенон заявил, что движение невозможно, поскольку, чтобы сделать шаг, сначала нужно преодолеть расстояние в полшага, потом преодолеть половину оставшегося расстояния, потом еще половину, и так до бесконечности. Как экспоненциальная кривая никогда не достигнет бесконечности, так и бесконечное число половинных шагов не приведет к целому шагу. Хотя модель Бернера и Кенфилда не в такой степени противоречит интуиции, как парадокс Зенона, а расчеты выполнены на основе экспериментальных данных, их выводы настолько невероятны, что возникает подозрение, будто какой-то очень важный фактор остался неучтенным.

Единственный очевидный способ подтвердить или отклонить гипотезу о том, что уровень кислорода в атмосфере когда-то повышался до 35%, заключается в прямом измерении. Где бы взять мешочек древнего воздуха, чудесным oбразом сохранившийся на протяжении нескольких сотен миллионов лет? Идея кажется безумной, но полярные исследователи уже на протяжении многих лет занимаются анализом кернов арктического и антарктического льда, чтобы прочесть сохранившиеся летописи климатических изменений. Эти исследования помогли нам очень многое узнать о скорости и величине климатических изменений в далеком прошлом, а также о степени промышленного загрязнения атмосферы во времена древних римлян и позднее. К сожалению, анализ кернов льда позволяет нам отправиться в прошлое лишь на 200 тыс. лет [28] На сегодняшний день старейший вырубленный ледяной керн имеет возраст 800 тыс. лет. — Примеч. пер. . А это всего лишь 0,0007% интересующего нас пути.