Датировка «Снежного кома»

Начнем, однако, издалека – с самих извержений. Они бывают большие, а бывают – громадные. Например, на Деканском плоскогорье в Индии лавовые поля, оставшиеся после древнего извержения, произошедшего 65-66 млн лет назад, покрывают площадь в 500 тысяч кв.км, и имеют объем в 1 млн куб. км (первоначально, как считают геологи, эти цифры были в полтора раза больше). А в Сибири такие же поля (древностью в 250-252 млн лет) занимают вчетверо большую площадь и первоначально имели вчетверо больший объем. Деканское извержение ученые считают вторым (наряду с ударом астероида) виновником гибели динозавров, а Сибирское – причиной величайшей в истории Пермской биологической катастрофы.

Геологи условились считать катастрофическими те извержения, при которых объем выброшенной лавы превышал 1 млн куб.км. Недавно, в том же марте 2017 года, в журнале Nature появилась статья канадского геолога Эрнста, в которой впервые собраны данные обо всех таких извержениях за последние 2.5 млрд лет. Вообще-то расположение больших лавовых полей на карте Земли известно. Но в силу движения континентальных плит некоторые из этих полей (особенно самые древние) разорваны так, что отдельные их куски оказались сегодня на разных континентах и это создает путаницу. Эрнст и его группа изучили радиальные «лучи» лавы, идущие от мест ее выхода к периферии, и по особенностям этих «лучей» собрали разорванные извержения. Вот их результаты.

 Полюбуемся на эту картинку, посочувствуем Земле-многострадалице и перейдем к упомянутому выше «Снежному кому». Кто это вообще придумал, что Земля когда-то покрывалась льдом от полюсов до экватора? Как такое могло случиться, а тем более – в результате извержения, выбрасывающего на поверхность миллионы кубокилометров раскаленной лавы?

Впервые это еретическую предположение высказал в 1964 году кембриджский геолог Харланд. Изучая древние скалы Гренландии на предмет их магнетизма, он заметил, что отдельные слои этих скал прерываются крупными блоками особого типа (тиллитами), которые обычно несут с собой ледники. А вот палеомагнетизм тех же скал соответствовал магнитному полю, каким оно было на экваторе во времена их появления. На основании этих данных Харланд выдвинул утверждение, что ледники в ту пору продвинулись до самого экватора.

Это утверждение было встречено с недоверием, потому что показалось слишком фантастичным. К тому же непонятно было, как, однажды замерзнув, Земля могла оттаять. Однако в 1992 году американский геолог Киршвинк возродил и подкрепил гипотезу Харланда. Он, во-1х, указал на возможный механизм оттаивания «снежного кома». По мнению Киршвинка, обледенение лавовых полей должно было привести к интенсивному выделению из лавы заключенного в ней углекислого газа, что, в свою очередь, могло со временем вызвать ультра-тепличный эффект. А во-2х, Киршвинк указал на второй (после данных палеомагнетизма) факт, говорящий в пользу гипотезы Харланда - существование многочисленных красных полос железистых окислов на дне океана. Датировка этих полос говорит о том. что они появились в т.н. Криогенный период (720-635 млн лет назад).

Многочисленное появление таких полос было вызвано соединением железа океанов с кислородом. Для такой бурной реакции в океанах должно было накопиться много железа. Оно могло накопиться, не окисляясь, только если вплоть до начала реакции в океанах не было свободного кислорода, а для этого должна была существовать какая-то «преграда» между океаном и атмосферой. И такой преградой мог быть только глобальный ледяной покров.

Рассуждения Киршвинка побуждают думать, что в Криогенный период Земля пережила один из эпизодов глобального обледенения с последующим оттаиванием. (Второй возможный такой эпизод, видимо, произошел много раньше - 2.4-2.1 млрд лет назад, когда на Земле, благодаря цианобактериям, впервые появился свободный кислород, что также сопровождалось появлением красных железистых полос).

Дополнительным аргументом в пользу обледенения в Криогене является т.н. Кембрийский биологический взрыв, – первое и бурное появление в океане многоклеточных форм жизни. Оно началось примерно 600 млн лет назад и могло быть вызвано глобальным таянием «снежного кома».

После работ Киршвинка гипотеза Харланда приобрела статус «вполне вероятной» и ее сторонники втянулись в продолжающийся до сих пор спор о возможных причинах глобального обледенения. Всем ясно, что механизм его состоял в положительной обратной связи: чем больше на Земле становилось снега и льда, тем больше они отражали солнечный свет, тем больше охлаждалась Земля, и это вело к еще большему расширению снегов и льдов.

Но с чего все началось? Было выдвинуто несколько предположений (спад солнечной активности, возмущения земной орбиты и т.д.). Профессор Макдональд относился к тем, кто считал первопричиной извержение супер-вулкана. В пользу такого объяснения говорил почти точное совпадение двух дат – начала Криогенного обледенения (примерно 720 млн лет назад) и т.н. Франклиновского супер-извержения (725 млн лет назад), лавовые поля которого покрыли всю северную Канаду, от Аляски до Атлантического океана.

 Но как извержение раскаленной лавы могло вызвать охлаждение Земли? Поначалу Макдональд думал, что магний и кальций, в обилии содержавшиеся в этой лаве, энергично связывали углекислый газ атмосферы, вступая с ним в химическую связь и тем самым уменьшая тепличный эффект. дали Землю. Но расчеты показали, что такой процесс запуска положительной обратной свази потребовал бы многих миллионов лет, а между тем даты Франклиновского извержения и Криогенного охлаждения, как мы видели, почти совпадали.

Тогда Макдональд решил проверить другое предположение. Он обратился к гарвардскому планетологу Вордсворту с вопросом: могут ли аэрозоли охладить целую планету? Ответ был: могут, но при определенных условиях. Должно произойти мощное извержение, причем его лава должна по пути на поверхность пройти через очень богатые серой слои. Тогда образуется много сернистого газа, частицы которого, выйдя в стратосферу, станут энергично отражать солнечный свет и тем самым охлаждать Землю. Так случилось, например, в результате мощного извержения вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году, когда в атмосферу было разом выброшено 10 млн тонн серы. После этого температуры на Земле целый год были на 1 градус ниже средних.

Кажется, Макдональд угадал. Ибо исследования Франклиновских лавовых полей показали, что лава и здесь вырывалась через осадочные слои, богатые серой. Выполнялось и другое условие: заброс частиц сернистого газа в тропосферу, где они могут сохраняться до года и более, непрерывно охлаждая Землю. На такую высоту их могут забросить только очень сильные извержения. Но Франклиновское извержение как раз и было одним из таких.

Более того – в ту пору, когда оно произошло, нынешняя северная Канада была на экваторе, куда поступает больше всего солнечного света. Резко увеличившееся отражение света на экваторе должно было вызвать особенно резкий спад глобальных температур. И наконец, догадка Макдональда объясняет, почему Фраклиновское извержение, в отличие от вышеупомянутого филиппинского, привело к устойчивому охлаждению, перешедшему – благодаря механизму положительной обратной связи – в глобальное обледенение. Просто это извержение – как и все, ему подобные, - продолжалось сотни тысяч, а то и миллионы лет. Макдональд и Ворлдсворт считают, что оно достигло максимума 717 млн лет назад, после чего началось великое обледенение, продолжавшееся добрых 50-60 млн лет с перерывами.

А потом льды окончательно растаяли и началась наша веселая многоклеточная жизнь.

**********************************************************************************************************************

                                         Злаки и их поры

Одно из недавних открытий в биологии относится к травам, что заставляет нас, не-ботаников, прежде всего выяснить, что именно ученые называют травами.

Если заглянуть в справочники, можно узнать, что т.н. «травы» относятся к огромной группе (классу) растений, именуемых монокотами по-английски, однодольными по-русски и отличающихся от всех прочих тем, что их семя содержит один зародышевый листочек, из которого потом разовьются листья взрослого растения. Самым большим семейством в этом классе являются орхидные с их сложными красивыми цветами– их на земле 27 с лишним тысяч видов, а вот на втором месте, с 11-ю тысячами видов, находятся интересующие нас травы, которые в русских справочниках именуются «злаковыми». Это семейство славится, прежде всего, разумеется, такими важнейшими для человека растениями как пшеница, рожь, рис, кукуруза, ячмень, сахарный тростник и так далее, но оно содержит также огромное число тех видов, которые мы, в своем ботаническом невежестве, называем просто «трава».

Хотя по числу видов злаковые уступают орхидным, они никому не уступают по распространенности. Травы растут не только на лужайках усадеб и в парках городов – они покрывают огромные пространства степей, прерий, памп, саванн – в целом, по скромным подсчетам, 40% земной суши и около 30% всей земной биомассы. И составляют основную пищу множества жвачных животных (включая, конечно, наших коров и коз и не-наших слонов). И уникальны в том, что хотя их непрерывно кто-нибудь на земле жует, они не только выживают, но выживают всюду (даже в Антарктиде нашли два вида). А выживают потому, что в отличие от других растений рост листа у них начинается у основания, а не у верхушки; поэтому жвачное может сжевать почти весь листок – вырастет новый.

По мнению специалистов, одной из причин такого успеха трав является их способность лучше удерживать воду. Как известно, практически все растения живут за счет т.н. фотосинтеза – они используют энергию света для синтеза углеводов. Этот процесс начинается с разложения воды на кислород и водород, после чего водород соединяется с СО2, образуя, для начала, простейшие органические молекулы. Понятно, что способность лучше удерживать в себе необходимую для фотосинтеза воду во время поглощения СО2 является важнейшим залогом успеха растения. И вот в этом деле травы, как оказалось, являются непревзойденными мастерами. Естественно, ученых давно интересовало – почему? Открытие, с которого я начал, как раз ответило на этот вопрос.

Растения впитывает СО2 из воздуха, через т.н.устьица («стоматы») - особые поры, расположенные на изнанке листьев. Поры эти расширяются, как зрачок, под влиянием перемен в освещенности, влажности, температуре. Происходит это благодаря тому, что по обе стороны поры находятся два «сторожа» - две клетки, способные расширяться и опадать, как надувные шарики. Меняя свой объем, они меняют меру открытия поры. Но у трав дело обстоит несколько иначе: их сторожевые клетки (имеющие вид гантелей), с боков соседствуют с двумя вспомогательными клетками. И было подозрение, что это как-то помогает травам в их фотосинтезе.

Теперь открытие, ради которого я плел весь этот рассказ, подтвердило это догадку. Ученые Стэнфордского университета (Бергман и др.) установили, что вспомогательные клетки сами имеют способность несколько сминаться, что дает «сторожам» (а через них – и порам) возможность дополнительного расширения. Что интересно – появление этой помощи связано с благотворной мутацией в неком гене MUTE.  Если мутацию подавить, вспомогательные клетки вообще не образуются. Это означает, что когда в далеком прошлом случайность эволюции наградила какое-то растение этой мутацией, оно стало родоначальником всех «злаковых», которым столь многим обязана вся прочая жизнь на Земле.

Рафаил Нудельман

"Окна", 10.08.2017