Текст книги "Большая история"

5
Мелкие формы жизни и биосфера

Потом, чтобы Эста и Рахель учились видеть все в мудром свете исторической перспективы… [Чакко] рассказал им про Землю-Женщину. Вообразите, потребовал он, что Земля, которой на самом деле четыре миллиарда шестьсот миллионов лет, – это сорокашестилетняя женщина… Вся жизнь Земли-Женщины ушла на то, чтобы она приобрела свой теперешний вид. Чтобы разверзлись океаны. Чтобы воздвиглись горы. Земле-Женщине было одиннадцать лет, сказал Чакко, когда появились первые одноклеточные организмы[72]72
  Перевод Л. Мотылева.


[Закрыть].

Арундати Рой, «Бог мелочей»

Земля и все живое вместе составляют биосферу[73]73
  Об идее биосферы см.: Vaclav Smil. The Earth’s Biosphere: Evolution, Dynamics, and Change. Cambridge: MIT Press, 2002. Также см. революционную работу Владимира Вернадского «Биосфера» (Vladimir Vernadsky. The Biosphere. Göttingen, Germany: Copernicus, 1998) с предисловием Линн Маргулис. Короткое описание истории биосферы см.: Mark Williams et al. The Anthropocene Biosphere // Anthropocene Review (2015). P. 1–24. doi: 10.1177/2053019615591020.


[Закрыть]. Это слово придумал австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831–1914). Зюсс видел Землю как несколько пересекающихся и иногда взаимопроникающих сфер, в число которых входят атмосфера (сфера воздуха), гидросфера (сфера воды) и литосфера (жесткие верхние части Земли, включая земную кору и верхние слои мантии). Но то, что сфера живого определяет историю планеты не меньше, чем другие, неживые сферы, первым показал русский геолог Владимир Вернадский (1863–1945). Биосферу можно представить себе как тонкий слой живой ткани (а также ее остатков и следов), который оборачивает Землю, простираясь из глубин океана до ее поверхности и выше до нижних слоев атмосферы. В 70-е годы XX века Джеймс Лавлок и Линн Маргулис показали, что биосферу можно рассматривать как систему со множеством механизмов обратной связи, позволяющих ей стабилизироваться в отсутствие больших потрясений. Лавлок назвал эту огромную саморегулирующуюся систему Геей, по имени греческой богини земли.

Жизнь начала развиваться не сразу, так что сперва рассмотрим планету Земля как чисто геологическую систему – декорации на сцене, когда актеры еще не пришли. Так будет проще вникнуть в сложное действие, которое позже станут разыгрывать живые организмы.

От бурных процессов аккреции и дифференциации, в которых была выкована молодая Земля, остался богатый химическими элементами шар вещества, разделенного на отдельные слои. Здесь было горячее, наполовину расплавленное ядро, состоящее в основном из железа и никеля, которое создало вокруг Земли защитное магнитное поле. Вокруг ядра находился слой газа, воды и полурасплавленных горных пород в 3000 километров толщиной – мантия. Самые легкие породы поднялись на поверхность и образовали земную кору. Пузыри газов и водяного пара выходили из вулканов и сформировали первую земную атмосферу и океаны. С метеорами и астероидами прибывали грузы новых пород, минералов, воды, газов и органических молекул.

Около 3,8 млрд лет назад, когда космические бомбардировки поутихли, главным двигателем геологических изменений стал жар, заключенный в земном ядре. Тепло просачивалось через мантию в кору и дальше в атмосферу, перепахивая вещество в каждом слое, изменяя его химически и перемещая в больших, медленных циклах конвекции огромные количества газа и других веществ. Как и эволюция звезд, геологическая эволюция нашей планеты протекала в первую очередь под действием простых процессов, черпающих энергию из некоего первоначального, невозобновляемого запаса. Земля потела, выделяя жар из ядра через мантию и кору в пространство вокруг, и при этом менялась.

Жар ядра продолжает управлять многими геологическими процессами и будет делать это еще миллиарды лет. Но ученые лишь в 60-е годы XX века выяснили, как действует эта гигантская геологическая машина. В основе новой концепции геологии лежит одна из главных современных научных парадигм – тектоника плит.

Человек смог получить визуальное представление о поверхности Земли лишь в последние 500 лет, когда люди научились обходить ее по морю. Но большинство продолжало считать, что география мира в основном более-менее постоянна. Бывает, что извергаются вулканы и меняют русло реки, но очертания континентов и океанов, гор, рек и пустынь, ледников и каньонов, конечно, остаются неизменными. Впрочем, кое у кого появились сомнения. А когда Дарвин показал, что на протяжении эонов живые существа претерпевали глубокие изменения, стали накапливаться данные о том, что и у Земли есть история подобных перемен.

В 1885 году Эдуард Зюсс предположил, что около 200 млн лет назад все континенты были соединены в один суперконтинент. Теперь мы знаем, что он был абсолютно прав. Через 30 лет Альфред Вегенер, немецкий метеоролог, проводивший исследования в Гренландии, собрал множество подтверждений идеи Зюсса. Он опубликовал эти данные в 1915 году, во время Первой мировой войны, в книге под названием «Происхождение континентов и океанов» (The Origin of Continents and Oceans; вероятно, реверанс в сторону «Происхождения видов» Дарвина). Дарвин предположил, что живые организмы эволюционировали, а Вегенер точно так же предположил, что эволюционировали континенты и океаны – с помощью механизма, который он назвал континентальным дрейфом. Когда-то объединенные в суперконтинент Пангея или Пан-Гея («вся Земля» в переводе с греческого), материки постепенно разделились и переместились на свои нынешние места.

Вегенер представил массу доказательств. На карте мира многие части выглядят так, как будто когда-то были соединены, и люди это замечали со времен создания первых подобных карт в XVI веке. Незадолго до 1600 года голландский картограф Абрахам Ортелий писал, что Америку[74]74
  Здесь и далее в книге под Америкой подразумевается часть света, объединяющая Северную и Южную Америку.


[Закрыть], по-видимому, «оторвало» от Европы в результате какой-то катастрофы[75]75
  David Christian, Cynthia Stokes Brown, Craig Benjamin. Big History. P. 46.


[Закрыть]. Посмотрев на современную карту мира, вы увидите, что плечо, где находится Бразилия, прекрасно умещается под мышку Западной и Центральной Африке, а Западная Африка выглядит так, как будто могла бы плотно прилегать к огромной дуге Карибского моря. В 60-е годы XX века геологи заметили, что еще лучше материки подходят друг к другу, если рассматривать края континентальных шельфов.

Вегенер показал, что останки древних рептилий в Южной Америке и Центральной и Южной Африке почти одинаковы. Немецкий ученый начала XIX века Александр фон Гумбольдт, автор одной из первых современных историй происхождения мира, основанных на научных данных, также отмечал сходство между береговыми растениями в Африке и Южной Америке[76]76
  Andrew Wulf. The Invention of Nature: The Adventures of Alexander von Humboldt, the Lost Hero of Science. London: John Murray, 2015, loc. 2368, Kindle.


[Закрыть]. Были упомянуты пласты пород, которые, казалось, начинались в Западной Африке и как ни в чем не бывало продолжались в Восточной Бразилии. Как метеоролога Вегенера особенно занимали климатические данные. В тропической Африке можно найти красноречивые царапины и трещины, оставленные движением ледников. Возможно ли, что когда-то она проплывала над Южным полюсом? В Гренландии Вегенер нашел останки тропических растений. Несомненно, в далеком прошлом что-то перемещалось на большие расстояния.

Но для хорошей научной гипотезы недостаточно одних косвенных данных. Публикациям Вегенера не пошел на пользу их выход в разгар Первой мировой войны, а немецкое происхождение и то, что он не был геологом, окончательно определило судьбу его идей в англоговорящем мире, где мало кто из ученых принял их всерьез. Может ли в самом деле быть такое, чтобы целые континенты бороздили океаны? Вегенер оказался не способен объяснить, какая сила могла бы ими двигать, и в глазах большинства профессионалов этого хватило, чтобы сбросить его гипотезу со счетов. В ноябре 1926 года теорию континентального дрейфа, предложенную Вегенером, решительно отвергла влиятельная Американская ассоциация геологов-нефтяников. Вот, казалось бы, и всё.

Вот только отдельных геологов эта идея все же заинтриговала. Британский ученый Артур Холмс в 1928 году доказывал, что внутренности Земли могут быть достаточно горячими, чтобы действовать как медленно текущая жидкость, как лава. Если так, не исключено, что движение вещества внутри Земли может заставить плавать по земному шару целые континенты. Но лишь в 50-е годы XX века появились новые данные, которые показали, что геологическое чутье не подвело Вегенера, Холмса и других сторонников идеи континентального дрейфа.

Здесь на сцену выходит гидролокатор. С помощью этого прибора можно находить под водой объекты и определять их местоположение, анализируя отраженные от них сигналы, которые возвращаются эхом. Так делают многие животные, в том числе дельфины и летучие мыши. Человеческие гидролокаторы, как и радиометрическое датирование, были разработкой военных времен, в данном случае – результатом попыток обнаруживать вражеские подводные лодки. Гарри Хесс, профессор геологии в Принстоне, во время Второй мировой войны был командующим на флоте и использовал этот прибор, чтобы следить за немецкими подводными лодками. После войны он стал составлять с его помощью карту морского дна – территории, с которой морские геологи все еще были незнакомы. Большинство предполагало, что дно плоское и покрыто илом, вымываемым с континентов. Вместо этого Хесс обнаружил, что через Тихий океан тянутся вулканические горные цепи. Такого не ожидал ни один геолог. Найдя в начале 50-х годов похожую горную цепь в середине Атлантического океана, ученый стал разрабатывать теорию, которая объяснила бы появление срединно-океанических хребтов. В этом деле ему помогал палеомагнетизм, или исследования намагниченности морского дна. Уже было известно, что северный и южный магнитные полюса Земли неоднократно менялись местами с периодичностью до нескольких сотен тысяч лет. Следы этих переключений остались в лаве, которая просачивалась сквозь дно океана и затвердевала в соответствии с направлением магнитного поля. Оказалось, что направление магнитного поля в горных породах по обе стороны от вулканических хребтов по мере удаления от последних отражает серию переключений между севером и югом. Хесса это озадачило.

В конце концов Хесс понял, что подводные горные цепи образованы магмой, которая просачивалась через трещины в океанической коре. Это звучало разумно, потому что океаническая кора тоньше континентальной, так что горячей магме пробиться через нее легко. Пробираясь через подводные трещины, она расталкивала кору и формировала новое дно, где отпечатались следы магнитного поля, каким оно было в это время. Разная намагниченность срединно-океанических горных пород позволила датировать образование подводных горных кряжей.

В этих открытиях скрывалась причина континентального дрейфа, которую тщетно искал Вегенер. Горные цепи, континенты и морское дно образовались и перемещались благодаря тому, что из мантии Земли поднималось и просачивалось через глубоководные трещины в коре гигантское количество горячей магмы. Магму подогревали радиоактивные элементы и тепло земного ядра, где сохранилась бóльшая часть энергии, запасенной в ходе бурных процессов аккреции и формирования Земли. Здесь, в ядре планеты, и скрывалась недостающая движущая сила. Подобно термоядерным реакциям в центре звезды, жар, проникающий из середины Земли, управляет большинством важных геологических процессов на поверхности.

Сегодня есть масса свидетельств того, что земная кора, как океаническая, так и континентальная, разбита на отдельные плиты и те толкаются в борьбе за место, потому что полурасплавленная магма, на которой они плавают, таскает их туда-сюда. Скрытая корой горячая магма в глубине Земли циркулирует, как вода, кипящая в кастрюле. Эти конвекционные потоки полужидких каменных пород и лавы и есть то, что движет тектоническими плитами на поверхности. Внимательно исследуя палеомагнитные полосы, ученые сумели проследить за движением плит на протяжении сотен миллионов лет, и в итоге мы получаем все более точное представление об изменениях географии Земли примерно за последний миллиард лет. Теперь мы знаем, что благодаря этому движению несколько раз циклически образовывались и разделялись суперконтиненты, такие как Пангея, и этот процесс, вероятно, идет с начала протерозойского эона, уже около 2,5 млрд лет. До того, скорее всего, крупных континентов не было. Однако некоторые геологи считают, что механизм тектоники плит мог запуститься гораздо раньше. Есть относящиеся к гадейскому эону данные, которые предполагают, что в некотором виде тектоника плит действовала уже 4,4 млрд лет назад, когда сформировались отдельные слои Земли[77]77
  Jeffrey Bennett, Seth Shostak. Life in the Universe. 3rd ed. Boston: Addison-Wesley, 2011. P. 130.


[Закрыть].

Как и космология Большого взрыва, тектоника плит оказалась сильной объединяющей идеей. С ее помощью удалось объяснить и продемонстрировать связи между множеством разных процессов, начиная с землетрясений и заканчивая образованием гор и движением континентов. Она позволяет понять, почему столько мощных геологических явлений наблюдается в местах, где тектонические плиты встречаются и прокладывают себе дорогу друг мимо друга, друг по другу или друг под другом. Тектоника плит также объясняет, почему поверхность планеты столь динамично меняется – ведь она постоянно обновляется поступающим из мантии новым материалом, а то, что покрывает ее поверхность, в свою очередь, опускается в недра Земли.

Чтобы лучше разобраться в том, как действует тектоника плит, нужно рассмотреть границы между ними. На дивергентных границах, подобных тем, что описал Гарри Хесс, вещество из мантии поднимается и отталкивает плиты друг от друга. Но в другом месте, на конвергентных границах, плиты друг к другу подталкиваются. Если у двух плит примерно одинаковая плотность – скажем, это две гранитные литосферные плиты, – они встают на дыбы, как два моржа в схватке за самку. Так образовались Гималаи: за последние 50 млн лет стремительная Индийская плита прошла из Антарктики на север и врезалась в Евразийскую плиту. Но если у двух сближающихся плит разная плотность, например одна состоит из тяжелых базальтовых пород океанической коры, а другая – из более легких континентальных гранитов, все будет иначе. Более тяжелая океаническая плита в зоне субдукции нырнет под более легкую. Она переместится вниз, как сорвавшийся лифт, который проламывает бетонный пол, и унесет породы коры обратно в мантию, где они растворятся. Погружающаяся плита, пытаясь пробурить себе путь в мантию, создаст такое сильное трение и нагрев, что может расплавить и разделить кору над собой, выдавив вверх новые цепи вулканических гор. Так образовались Анды, когда Тихоокеанская плита ушла под ту, что несет на себе западный берег Южной Америки.

Наконец, существуют трансформные границы. Здесь плиты впритирку проходят мимо друг друга, как два кусочка наждачной бумаги, которые плотно соединили и тянут в разные стороны. Трение будет сдерживать скольжение плит, а затем давление вырастет настолько, что неожиданно произойдет резкий рывок. По этим причинам нарастает давление вдоль разлома Сан-Андреас на западном побережье Северной Америки (когда я одно время жил в Сан-Диего, то периодически чувствовал толчки, и, как и многим в Калифорнии, мне пришлось купить страховку от землетрясений).

Циркуляция веществ между атмосферой, поверхностью и мантией Земли серьезно повлияла на химический состав верхних слоев планеты. Она привела к появлению новых типов горных пород и минералов. К тому времени, как жизнь заселила сушу, в результате химических процессов в мантии образовалось уже 1500 отдельных видов минералов[78]78
  Robert M. Hazen. Evolution of Minerals // Scientific American, March 2010. P. 63.


[Закрыть]. Благодаря тектонике плит планета Земля исключительно динамична химически и геологически.

Тектоника плит также повлияла на температуры на поверхности молодой планеты, а мы уже видели, какую роль они играют в истории жизни на Земле. Средняя температура ее поверхности определяется двумя основными факторами – теплом внутри планеты и солнечным теплом. Их можно примерно рассчитать. Но состав атмосферы позволяет определить, сколько тепла остается на поверхности Земли, а сколько уходит в космос. Особенно важна доля парниковых газов. Это такие газы, как углекислый газ и метан, которые удерживают энергию солнечного света, а не отражают ее. В целом, если парниковых газов много, на Земле становится теплее. От чего же зависит их количество?

Астроном Карл Саган (один из великих первопроходцев в создании современной истории происхождения мира) отмечал, что ответ на этот вопрос жизненно важен, потому что он может разрешить другую загадку. Такие звезды, как наше Солнце, по мере старения испускают все больше энергии, и количество тепла, поступающего на Землю, постепенно увеличивается. Когда планета была молодой, Солнце излучало на 30 % меньше энергии, чем теперь. Так почему же в начале своего существования Земля не была ледяным шаром, слишком холодным, чтобы на нем могла возникнуть жизнь, таким как нынешний Марс? Карл Саган назвал это парадоксом слабого молодого Солнца.

Как оказалось, ответ состоит в количестве парниковых газов в древней атмосфере. Их было столько, что Земля смогла нагреться достаточно для появления жизни. Едва ли в первой ее атмосфере был свободный кислород, но парниковых газов было много, особенно водяного пара, метана и углекислого газа – их извергали из мантии вулканы или поставляли астероиды. Парниковая атмосфера была еще одним важным условием Златовласки для жизни на молодой Земле.

Но насколько эта древняя парниковая атмосфера была стабильна? Или, если обобщить, что позволило поверхности Земли остаться в магическом диапазоне температур между 0 и 100 °С, когда Солнце стало излучать больше энергии? В 70-е годы XX века Джеймс Лавлок и Линн Маргулис утверждали, что, по-видимому, Землю удерживали в диапазоне Златовласки мощные механизмы саморегуляции. Как мы видели, они назвали эти механизмы Геей. Гею образовывала совокупность взаимосвязей между геологией Земли и ее живыми организмами, благодаря которой планета оставалась благоприятной для жизни. Многие ученые по-прежнему скептически относятся к гипотезе Геи. Тем не менее очевидно, что механизмы обратной связи в биосфере существуют и многие из них действительно действуют как термостаты, частично регулируя температуру поверхности планеты. Часть этих механизмов геологические, но в других задействованы живые организмы.

Один из важнейших термостатов имеет чисто геологическую природу, так что он должен был начать работать еще до появления жизни на Земле. Он объединяет тектонику и другой двигатель изменений на планете – эрозию. Если благодаря тектонике горы образуются, то эрозия их разъедает. Ветер, вода и разнообразные потоки химических веществ разрушают горные породы и перемещают их в океаны в соответствии с гравитационным градиентом. Благодаря эрозии горы такие, какие они есть, а не гораздо выше; благодаря тектонике они все вообще не исчезли, превратившись в одну огромную мировую равнину. Конечно, сама по себе эрозия – это побочный продукт тектоники, потому что и ветер и дождь – это порождения недр Земли. А образование гор может ускорить эрозию, потому что гравитация превращает высокогорные реки в разрушительные потоки, которые пропахивают землю и стремительно уносят почвы к океану.

Геологический термостат действует следующим образом. Углекислый газ, один из самых мощных парниковых газов, растворяется в дождевой воде и попадает на Землю в виде углекислоты. Она разъедает горные породы, и побочные продукты этих реакций с высоким содержанием углерода смывает в океан. Здесь часть углерода остается в карбонатных породах. В местах, где в зоне субдукции тектонические плиты погружаются обратно в мантию, часть его (в основном в форме известняка) может оказаться погребена в ней на миллионы и даже миллиарды лет. Таким образом, тектоническая конвейерная лента уносит углерод из атмосферы, в результате чего содержание углекислого газа должно уменьшаться, вызывая похолодание климата. Теперь нам известно, что в мантии захоронено гораздо больше углерода, чем можно найти на поверхности Земли или в ее атмосфере.

При этом, конечно, если бы под землей оказалось слишком много двуокиси углерода, планета бы замерзла. Этому препятствовал (бóльшую часть времени) второй принцип геологического термостата. Под действием тектоники плит (на ледяном Марсе этот механизм, скорее всего, не работает) углекислый газ может вернуться в атмосферу в зонах дивергенции, где вещества мантии, в том числе захороненная двуокись углерода, поднимаются на поверхность через вулканы[79]79
  Jeffrey Bennett, Seth Shostak. Life in the Universe. P. 134.


[Закрыть]. Две части этого механизма находятся в равновесии, потому что повышение температур увеличивает количество дождей, это ускоряет эрозию, и в мантию уходит больше углерода. Но когда Земля остывает слишком сильно, дожди иссякают, под землю попадает меньше двуокиси углерода, содержание углекислого газа растет, потому что его накачивают в атмосферу вулканы, и все снова нагревается. Геологический термостат подстраивается под разогревающееся Солнце уже более 4 млрд лет[80]80
  David Grinspoon. Earth in Human Hands: Shaping Our Planet’s Future. N. Y.: Grand Central Publishing, 2016. P. 204.


[Закрыть].

На других планетах Солнечной системы мы ничего подобного не наблюдаем. По Венере можно судить, какой была бы Земля, если бы в атмосфере оставалось слишком много углекислого газа. Сегодня в атмосфере Венеры его огромное количество, и эта планета, по-видимому, пострадала от неуправляемого парникового эффекта. Ее поверхность такая горячая, что на ней испаряется вода и плавится свинец. Марс пошел по другой, тоже неверной дорожке. Он был слишком мал, чтобы его гравитация могла удерживать парниковые газы, так что те улетели; планета остыла, и бóльшая часть воды на ней сейчас представлена в форме льда. Марсоход Curiosity, пробираясь по поверхности Марса, показал, что когда-то, миллиарды лет назад, по нему текли воды и на нем могли процветать простые формы жизни. Но те времена давно прошли. В любом случае ни на Марсе, ни на Венере, по-видимому, нет тектоники плит, и потому они лишены основной детали термостата, действующего на нашей планете. Марс был слишком мал, чтобы удерживать внутреннее тепло, необходимое для тектоники, а Венера, где выкипела бóльшая часть воды, возможно, лишилась водной смазки, которая способствует продольному движению плит и субдукции[81]81
  Обсуждение этих механизмов см.: Ibid. P. 44 et sec.


[Закрыть].

Геологический термостат был далек от совершенства, и порою над ним нависала угроза, которая могла бы повлечь для биосферы плачевные последствия. Но в конце концов образовались другие, запасные термостаты. Они возникли благодаря деятельности живых организмов. Так что нам пора вернуться к тому, какую роль сыграла жизнь, образовавшаяся в биосфере, когда живые существа вышли на геологическую сцену Земли и стали осваивать и в конечном итоге трансформировать ее многочисленные, разнообразные экологические уголки и закоулки.