Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен

и выбрасывается из извергающихся вулканов. Атомы углерода сначала осаждаются в виде твердых горных пород из океанов и воздуха, а потом выветриваются из этих твердых пород, чтобы вернуться в океаны и воздух. Однажды высвободившись, атомы углерода омывают Землю в неторопливых океанических течениях и дрейфуют по земному шару в составе изменчивой атмосферы. В то же время живые клетки — от микробов до растений и людей — снова и снова используют атомы углерода, причем со скоростью, которая намного превосходит циркулирование шестого элемента в любом известном неживом мире. Редко найдешь атом углерода, который хоть на недолгое время оставался бы выключенным из этого глобального круговорота длительностью 4,5 млрд лет.

Описанные выше итальянские насыщенные углекислым газом вулканические эманации — убивающие время от времени собак и их хозяев — выходят, когда из глубин поднимается раскаленная углеродсодержащая магма. Какие-то порции этой магмы взаимодействуют с погребенными толщами карбонатных минералов, которые распадаются под действием высокой температуры, при этом происходит смешение углекислого газа мантии и коры. И это тоже часть большого углеродного цикла Земли — цикла, который создал атмосферу и продолжает ее пополнять.

У всех химических элементов Земли есть циклы, и углерод не исключение. Цикл углерода — главная тема ознакомительных курсов и научно-популярных веб-сайтов — это совокупность различных резервуаров атомов углерода, а также перемещений этих атомов между резервуарами{83}. Поищите словосочетание «изображения углеродного цикла» на YouTube, и поиск выдаст вам океаны и атмосферу, известняк и ископаемое топливо, животных и растения — все с маленькими стрелочками, показывающими, как углерод движется от одного резервуара к другому. К некоторым из этих изображений также добавлен дымящийся вулкан, намекающий на более глубокие процессы, но глубинный углерод Земли — основной источник атмосферного — редко рассматривается подробно.

Причины такого пренебрежения легко понять. По сравнению с быстрым оборотом углерода возле поверхности Земли глубинный цикл этого элемента медленный. Пройдет много миллионов лет, прежде чем атом углерода погрузится глубоко в недра планеты и снова вернется на поверхность, а подробности этих процессов остаются во многом скрытыми и непонятными. Никто не знает, сколько углерода там, внизу, нет у нас и никакой определенности по поводу разнообразных форм, которые он принимает.

Что нам действительно известно — так это грандиозный глобальный механизм, посредством которого углерод циркулирует из воздуха глубоко в Землю и обратно. Черные базальты и другие породы, выстилающие дно земных океанов, — холодные и плотные, плотнее, чем горячая мягкая мантия под ними. Когда огромные плиты океанической земной коры опускаются в процессе субдукции на сотни километров, неся с собой слои осадочных отложений и базальта, насыщенные карбонатными минералами и разлагающимися органическими остатками, побеждает гравитация. Углерод неумолимо уносится с поверхности, погружаясь все глубже и глубже в недоступные недра Земли.

Если бы перемещение поверхностного углерода происходило только таким образом, без пополнения его резервуаров, земная кора могла бы полностью лишиться шестого элемента за несколько сотен миллионов лет. Понесшая такую утрату, зависимая от углерода биосфера разрушилась бы. К счастью для нее, то, что уходит вниз, потом поднимается наверх. Когда насыщенные углеродом субдуцирующие породы нагреваются, карбонатные минералы и органические вещества начинают распадаться на углекислый газ и другие небольшие молекулы. Некоторые из них освобождаются из своих каменных гробниц, образуя восходящие флюиды, которые меняют курс и поднимаются к поверхности Земли. Извергающиеся вулканы — самые очевидные места высвобождения этих глубинных газов, но еще больший их поток может быть связан с широко распространенным рассеянным просачиванием глубинного углерода из недр в воздух, пусть даже объем его сложно оценить — и поэтому он до сих пор не определен.

Понимание этого глобального углеродного цикла, который в основном сокрыт от глаз, было одной из основных целей Обсерватории глубинного углерода с самого ее основания{84}. Это насыщенная и разнообразная работа, в которой участвуют сотни ученых, решающих разноплановые и бросающие нам вызов проблемы на полевых станциях и в лабораториях по всему миру. Целью их исследования активного глубинного углеродного цикла являются ответы на три вопроса: что уходит вниз? Что происходит с углеродом там, внизу? Что возвращается обратно наверх?

Что уходит вниз?{85}

Подавляющее большинство атомов углерода на Земле — более 99,9% — погребено под поверхностью и заперто на миллионы лет в коре и мантии. Многие атомы углерода хранятся в огромных слоистых залежах известняка, иные — в похороненной биомассе угля, нефти или еще каких-то черных насыщенных углеродом отложениях. А подвижная доля этого скрытого углерода заключена в базальтах и осадочных отложениях дна океанов, погружающихся глубоко в мантию Земли в зонах субдукции.

Как же так получается, что атомы углерода с изменчивой, залитой солнцем поверхности Земли, некогда столь подвижные в воздухе, или в океанах, или в живых клетках, оказываются запертыми в твердом камне, неумолимо уходящем вглубь? Дело в химических реакциях — как абиотических, так и связанных с жизнью. Об абиотических идет речь, когда углекислый газ атмосферы и океанов с готовностью вступает в реакции с атомами кальция и магния в только что излившемся вулканическом базальте и других породах, образуя карбонатные минералы. Эти реакции обычно проходят невидимо для глаз глубоко в океане или под почвами, но там, где поверхностные воды богаты кальцием или магнием, время от времени можно наблюдать, как кристаллы карбонатов растут в реальном времени, по мере того как углекислый газ жадно забирается из воздуха.

Жизнь научилась этому приему — создавать карбонатные минералы — сотни миллионов лет назад. Какое-то время карбонатная биоминерализация происходила исключительно в мелких прибрежных водах, рядом с надежными источниками питательных веществ для минералов. Кишащие кораллами, моллюсками и другими несущими раковины животными массивные рифы, простиравшиеся на сотни километров, пленили огромное количество углерода. Когда клетки погибали и захоранивались на суше или в море, атомы углерода обосабливались в биомолекулах и продуктах их распада.

Жизнь за свою историю, хорошо задокументированную в окаменелостях и осадочных отложениях, где они упокоились, неоднократно наблюдала драматические изменения в природе и размахе углеродных захоронений. Расцвет фотосинтезирующих водорослей 2,5 млрд лет назад, вероятно, вызвал первый крупный всплеск накопления биомассы в отложениях, когда водорослевые маты, цветущие в мелких, пронизанных солнечным светом водах, умирали и погружались на дно океана. Появление карбонатных раковин более полумиллиарда лет назад внесло свою лепту в запасы углерода, захороненного на дне моря.

Новые повороты подповерхностного углеродного цикла связаны с жизнью, которая вышла на сушу более 400 млн лет назад. Деревья и другие растения содержат много углерода; когда они захораниваются, то образуют толстые залежи насыщенных углеродом торфа и