• а вот углерод – то самое "С" в молекуле СO2 – база, на которой построены молекулы живых организмов. Органическая химия возможна благодаря способности атомов этого углерода образовывать очень большое количество сочетаний с атомами других химических элементов.
Иначе говоря – наша форма жизни была создана из того набора элементов, который находился в праатмосфере. Что было в воздухе – из того жизнь и появилась.
Справедливости ради надо отметить, что та атмосфера, что Земля имеет сегодня, – не есть ее "естественная", природная атмосфера. Изначально примитивная атмосфера планеты состояла из тех же легких (летучих) газов, из которых состояла сама туманность, ставшая Солнечной системой – из водорода, гелия и аргона.
Эту атмосферу Земля потеряла. Предполагают, что в результате ужасной катастрофы – столкновения с другой планетой или неизвестным космическим "телом", размерами примерно с Марс. Столкновение это превосходит любую научную фантазию, поэтому никто и не пытается его восстановить, но вот последствия его для появления жизни чрезвычайно важны:
• во-первых, у Земли появилась Луна, которая есть не что иное, как оторванный и выброшенный на орбиту кусок нашей планеты, благодаря которому с завидной регулярностью прибрежная зона имеет приливы и отливы (где жизнь и появилась);
• во-вторых, от удара сама планета "накренилась на бок", и так и осталась вращаться "лежащей на боку", то есть солнечная радиация распределяется неравномерно (об этом позже).
Это и другие столкновения – в те древние времена в небесной механике было немало хаоса, – а также сильный солнечный ветер содействовали тому, что атмосфера Земли потеряла большую часть летучих газов атмосферы первичной, и на ее место пришла "вторая" атмосфера.
Считается, что примерно в это же время на планете появился океан. Откуда на планете появилось столько воды – до сих пор большая загадка. Наиболее распространенная версия – бомбардировка либо гравитационный захват большого количества осколков комет (которые действительно могут состоять изо льда). А может, то самое небесное тело, что оторвало будущую Луну от Земли, и было огромной космической "ледышкой" (его следов ведь пока не обнаружили)… По другой версии вода появилась из реакции первичной атмосферы (там было много водорода с кислородом). В общем, все гадают, но никто не знает.
Вторая атмосфера Земли – ее еще называют "вторая примитивная праатмосфера" – для живых организмов тоже была непригодна. Восстановить ее состав с высокой степенью точности невозможно, но предполагается, что она напоминала атмосферу других теллурических планет Солнечной системы сегодня – таких как Марс и Венера (которые тоже пережили немало космических коллизий и также потеряли первую атмосферу). То есть в основном она состояла из эмиссий газов от горячей коры планеты – из того же углекислого газа – СO2, а также из азота – N2, аммиака – NH3, серных газов – таких как SO2, и еще паров воды – Н2O.
Ату атмосферу, которую мы имеем сегодня, наша планета "создала" сама за более чем 4 миллиарда лет, выпаривая океаны, извергая пар, а потом терпеливо выкачивая из нее тот самый СO2 растущими растениями и планктоном. Процесс биологического роста растений (известный нам со школьной парты фотосинтез) связывает углерод в биомассе, то есть основная "пища" растений – это углекислый газ СO2. "Поедая" СO2, растения накачивают атмосферу кислородом O2, освобожденным в фотосинтетическом процессе.
Почему я так подробно об этом пишу – хочется, чтобы читатели понимали, что климат и жизнь на нашей планете есть одна, нераздельная система.
Не будем исследовать сейчас научные и ненаучные теории происхождения жизни [1] . Отметим только, что сегодня мировое научное сообщество предпочитает теорию "примитивного супа", предложенную нашим с вами соотечественником – советским ученым Александром Ивановичем Опариным (умер в 1980 году). По этой теории, растворенные в горячей воде элементы второй атмосферы под воздействием ультрафиолетовых лучей и сильнейших электрических разрядов произвели сложную химическую реакцию, в результате которой получились молекулы органической химии – аминокислоты (из которых состоят протеины).
Эта часть теории была подтверждена известными всему миру экспериментами Стэнли Миллера, который в 1953 году в Чикаго слил в пробирку нечто, напоминающее по составу примитивный суп и в течение недели пропускал через суп разряды тока в 60 тысяч Вольт. Результаты потрясли научный мир – Миллер (ему тогда было всего 23 года) получил из "примитивного супа" многочисленные аминокислоты. Вторая часть теории Опарина – появление в "примитивном супе" гетеротрофов (организмов, способных синтезировать органические элементы из минеральных) – пока экспериментами не доказана.
Мы знаем, что климат на Земле в эпоху зарождения жизни был суровый. Солнце тогда грело Землю гораздо меньше – планета получала примерно на четверть меньше солнечной радиации, чем в наше время. Как ни парадоксально, но на ней не было холодно: геологи и палеоклиматологи не находят следов оледенения на геологических формация тех времен. Этот феномен назвали "Парадоксом слабого Солнца" (Weak Sun Paradox).
Предполагается, что, во-первых, собственное излучение молодой Земли в инфракрасном диапазоне было более сильным, а во-вторых, концентрация углекислого газа и паров воды в атмосфере примерно в 100 раз превышала ту, что мы имеем сегодня. Результатом этого была высокая влажность и высокая температура у поверхности планеты – около 60 градусов Цельсия. Что (по теории Опарина) и являлось одним из факторов создания на поверхности нашей планеты "примитивного супа" из углеродных соединений.
Некоторые следы той жизни на нашей планете можно увидеть и сегодня – на юго-востоке Гренландии (местечко Изуа). Это "поля" странного вида скал, похожих на круглые столбики – на самом деле, это окаменевшие остатки колоний простейших живых организмов. Это были колонии примитивных анаэробных бактерий (прокариотов), питавшихся… углекислым газом. Прокариотами их называют по причине простейшего строения клеток – нет отделения ядра от цитоплазмы.
С этого момента связь жизни и климата постоянна – живые организмы начинают активно менять облик своей планеты и ее климат. На смену прокариотам (неспособным выделять кислород) пришли и заполонили океан колонии микроскопических сине-зеленых водорослей (огромные слои осадочных пород карбоната кальция на дне океанов свидетельствуют об этом). Жизнь научилась использовать для питания фотосинтетический процесс и начала насыщать атмосферу кислородом. Гораздо позже (около двух миллиардов лет назад) появились более сложные организмы – эвкариоты (имеющие более сложное строение: ядро и оболочку, наполненную цитоплазмой).
За 2 миллиарда лет биосфера планеты (Жизнь) "выкачала из атмосферы" и захоронила в виде океанских осадочных пород (карбонатов и кальция) около 80 миллиардов тонн углерода (почти все, что было) и взамен насытила атмосферу кислородом до 18 % – 20 %, сделав ее пригодной для нового типа жизни – одной из двух ветвей эвкариотов – животных, к которому и мы с вами тоже относимся. То есть благодаря активным жизненным процессам простейших водорослей и огромному количеству выброшенных ими в атмосферу "отходов жизнедеятельности" – кислорода, если бы мы с вами попали на Землю 2 миллиарда лет назад – мы бы уже могли дышать.
Именно эта чрезвычайно активная химическая деятельность примитивной жизни очень сильно изменила климат: на планете стало гораздо прохладнее.
Надо понимать, что именно жизнь, связавшая углерод в белки и углеводы, и выкачивающая его миллионами тонн из атмосферы, предотвратила превращение Земли во "вторую Венеру" с точки зрения климата. 4 миллиарда лет назад "стартовые условия" на Венере были очень похожие на земные, но Жизнь на Венеру не попала (или не зародилась), и эта спираль нагревания не остановилась. Поэтому сегодня температура на поверхности Венеры достигает 450 градусов Цельсия.
Возраст первого оледенения датируется (с большой погрешностью, конечно) как раз около 2 миллиардов лет назад. Причины его неизвестны, предполагается сочетание многих факторов: жизнь (переход углерода из атмосферы в связанное состояние) изменила состав атмосферы, изменение альбедо планеты (отражающую способность поверхности), но этого для оледенения не было бы достаточно. Поэтому предполагаются еще и сочетание факторов геологических (массовые извержения вулканов и формирование гор – атмосфера запыляется, а в горах рождаются ледники) и астрономические (изменение орбиты Земли) и даже проход Солнечной системой через облако "звездной пыли". В общем, почему это произошло – никто не знает, но доказано, что около 2 миллиардов лет назад большая часть нашей планеты (а может быть, и вся Земля) была покрыта льдом толщиной в несколько километров. Длилось это оледенение очень долго – планета замерзла почти на 400 миллионов лет.
Но Жизнь, зародившаяся в воде, в водной среде и выжила (слава богу, океан промерз не до дна).
Потом (причин изменения мы опять не знаем) наступило потепление, которое длилось… почти миллиард лет до начала второго ледникового периода.
Примерно миллиард лет до нашей эры что-то существенное опять на задворках вселенной, где мы с вами проживаем теперь, произошло, и Земля опять вся покрылась толстой коркой льда – еще раз на долгие 400 миллионов лет.
Гипотеза об оледенениях, связанная с периодическим прохождением нашей звездной системы через облака звездной пыли (то есть фактор внешний, относительно нашей звездной системы), пока является единственным научным объяснением. Тут нужно понимать, что наука просто не может найти даже в теории какой-либо другой фактор, находящийся на планете или даже внутри Солнечной системы, проявляющийся на такой гигантской шкале времени.
Период второго оледенение может быть изучен несколько лучше первого. Он тоже длился около 400 миллионов лет (как и первый), но мы знаем, что он делится на 3 внутренних цикла "замерзание – потепление", каждый из которых длился примерно по 100 миллионов лет. Этот "циклизм" (большой цикл в 400 миллионов лет и малый цикл в 100 миллионов лет) и дал начало астрономической теории климата Миланковича (о ней, как и о других факторах глобального изменения климата на планете, мы будем говорить в отдельной главе).
Надо сказать, что в то время (эпоха Палеозоя – "древней жизни") планета выглядела несколько по-другому. На ней был один огромный континент, один гигантский океан, уровень которого превышал сегодняшний… почти на километр, а Южный полюс планеты находился где-то на территории современного Конго, поэтому Сахара того времени очень напоминала современную Антарктиду (только лед был еще толще, и было там еще холоднее…).
Итак, 700 миллионов лет назад наша планета опять была полностью покрыта льдом и снегом.
Шансов у жизни становилось все меньше и меньше, так как полностью "белая" планета отражала все солнечные лучи. Тепла от Солнца не было.
Но что-то опять произошло в небесных или в подземных сферах, многокилометровый лед стал "быстро" таять, и довольно скоро половина Африканского континента уже была залита водой.
Основным объяснением этого потепления на планете считается начало периода активной тектонической и вулканической деятельности. Почему он начался – ученые объяснить не могут, поскольку понимание ядра, мантии и коры планеты и их взаимодействия у людей очень приблизительные. Предполагается, что масштабы тектоники были настолько сильны и трещины в коре Земли настолько велики, что своим внутренним теплом раскаленной лавы Земля растопила льды, а вулканическая пыль, осевшая на лед, позволила солнечным лучам наконец-то оставаться на планете и работать "на потепление".
Интересным "совпадением" является тот факт, что именно 700 миллионов лет назад в истории Земли существует одна из крупнейших "астроблем" – след столкновения с крупным небесным телом, чему свидетельство кратер Земли Уилкеса в Антарктике диаметром… в 240 километров.
Ученые не исключают, что именно столкновение с гигантским метеоритом и вызвало этот взрыв вулканической активности, освободивший планету от ледовых оков.
Масштабы этих изменений, действительно поражают воображение: древний праконтинент Родония раскололся на большое количество кусков, "дрейф" которых вокруг экватора закончился "группированием" двух "суперконтинентов" – Лауразию (обьединяющую Гренландию, Северную Америку, Скандинавию и Россию) и Гондвану (Африку, Южную Америку и все остальное). Между Лауразией и Гондваной находилось огромное море – древнее море Тэтис. Многие из читателей в нем купались, кстати, да – да. То, что сегодня очень даже неспроста называется морем "Средиземным" – и есть остатки древнего Тэтиса, "сжавшегося" из-за столкновения двух суперконтинентов.
Дрейф континентов продолжался и дальше. Прежде чем планета получила тот облик, который мы видим на школьном глобусе, все континенты еще раз были "собраны" вместе – в единый континент Пангея, который, по теории дрейфа континентов Альфреда Вегенера, опять раскололся около 250 миллионов лет назад.
Но все это произошло позже, а 200 миллионов лет после падения того самого гигантского метеорита в Антарктике (то есть уже 500 миллионов лет назад) на планете уже было жарко и океан был теплым. Тропический и субтропический климат установился почти везде. Жизнь всегда любила тепло, а поэтому забила ключом. Не только в переносном смысле, но и в прямом тоже, потому что она была тогда возможна только в ВОДЕ.
А огромные материки – куски Родонии – были мертвы: на суше все зачатки жизни безжалостно уничтожались ультрафиолетовыми лучами, которыми Солнце щедро поливало Землю, не имеющую тогда еще озонового слоя атмосферы (о котором вы уже знаете).
Но море, судя по окаменелым остаткам того времени просто кишело разной живностью, представители которой делали всевозможные эволюционные усилия, дабы оказаться на вершине пищевой пирамиды и не быть съеденными. Эту эпоху называют "царством ракушек": трилобитов, морских звезд, ежей, кораллов, тысяч видов разнообразных моллюсков, хищных и не очень. На самом деле, поддоная живность, лишенная возможности получать углерод непосредственно из атмосферы и вынужденная забираться в воду поглубже (где концентрация СO2 меньше) занялась "каннибализмом" – то есть научилась поедать себе подобных для получения уже готовых белков и углеводов.
В борьбе за выживание в водном мире живность наращивает мускулы и укрепляет кости, и примерно 400 миллионов лет назад уже появляются первые позвоночные предки рыб.
Но в этот момент радости морской жизни на Земле опять наступает резкое похолодание и оледенение – следы огромного ледника той эпохи видны на всех современных континентах, входящих в суперконтинент Гондвану.
Резкое похолодание вызывает массовую экстерминацию всего живого на планете: всего за 10 миллионов лет вымирает около 90 % видов растений и животных! Тем не менее, от 1 до (примерно) 10 видов каждой семьи (вспомним, что были сотни видов) выживает в экваториальных водах.
Подобная "полная" экстерминация жизни далеко не единственная в истории нашей планеты – мы увидим, что впереди будут еще и другие биоклиматические катастрофы.
Совместной жизни бинома "планета и ее биосфера" можно посвятить отдельную книгу, но пока вкратце.
Мы уже читали о том, как 2 миллиарда лет назад метаболизм миллиардов поколений простейших анаэробных бактерий радикально изменил состав земной атмосферы.
Прокариоты и эвкариоты со своей задачей справились – выкачали из атмосферы почти весь углекислый газ.
Пришедшие им на смену водоросли, а за ними и более сложные растения, выделяя кислород, сделали атмосферу пригодной для дыхания. То есть они подготовили ее для иного вида жизни – жизни двигающейся. А также выделенный ими кислород взаимодействуя с солнечной радиацией, создал озоновый слой, что позволило впоследствии растениям (часто посредством животных) колонизировать континенты.
Нельзя не отметить, что самыми первыми животными, вышедшими на сушу, были "морские насекомые", похожие на скорпионов – дальние предки пчел, муравьев и других "друзей растений". Особенностью всех насекомых (а также их близких родственников омаров и раков, которые так и остались жить в воде, и теперь расплачиваются за это в человеческих ресторанах) является то, что их организм спрятан внутри панциря из хитиновых чешуек. И именно этот панцирь позволял предкам насекомых 400 миллионов лет назад возвращаться в море живыми из "зоны высокой радиации", иначе говоря – с суши. Озоновый слой был тогда очень слабым. В морской экологической нише в те времена доминировали крупные хищные моллюски, напрочь съедавшие ракообразных, вот те, которые были помельче и подвижнее, и "сбежали" от хищников на сушу.
Интересно, что с этим знаковом явлением – "выход жизни из воды на сушу" совпадает очередная экологическая катастрофа, которая 350 миллионов лет назад вызвала массовую гибель почти всех видов морской жизни: 75 % видов (и в первую очередь пострадали доминирующие виды брахиоподов (те самые хищные моллюски, 90 % видов которых погибло).
О причинах и ходе катастрофы можно только гадать. Как обычно, предлагаются две версии. Астероидная – действительно, в породах этой эпохи есть следы многочисленных падений крупных метеоритов, в том числе и одна "астроблема" – (кратер в Швеции диаметром более 50 километров). Другая версия – геологическая (вулканы, тектоническая активность).
Но, несмотря на непонятые причины, факт остается фактом – 350 миллионов лет назад на Земле резко похолодало, океан перестал быть теплым. Все, кто жил и питался в воде – умерли.
Выжили только те, кто научился спасаться от хищных брахиоподов на суше – некоторые виды морских пауков, скорпионов и мириаподов (многоножек). А также примитивные амфибии.
Амфибии (в недалеком прошлом – просто рыбы) на сушу попали от страха: спасаясь от хищников, выпрыгивали из воды. Сначала все погибали (воздушная среда плюс губительный ультрафиолет). Потом кто-то из них смог продержаться на суше чуть дольше других. Может, у него чешуя потолще была, может, кислорода "в жабры" набрал побольше… – неважно. Главное – он понял, что на суше можно атаку хищников пересидеть. А дальше этому трусу даже не нужно было быть особым красавцем или доминирующем альфа-самцом, чтобы массово распространить свой генофонд. Прожорливые брахиоподы, активно колонизирующие прибрежную экологическую нишу, сами все сделали за него. А он чуть что – прыгал из воды на сушу и тихо и "хладнокровно" там ждал в кустах, пока всех его более храбрых родичей безжалостные хищные моллюски сожрут. Да, природа любит пошутить. Знал бы царь динозавров – тираннозаврус рекс с зубами по 20 сантиметров, – кем на самом деле был его дедушка…
Так вот, продолжаем историю связи между климатом на Земле и эволюцией живых существ: когда в море стало совсем холодно, этот боязливый и его многочисленные дети были одни из тех, кто смог после похолодания на суше погреться под лучами солнца, не боясь ультрафиолета.