История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет - Роберт Хейзен

Неравновесное противостояние Родинии и океана не могло продолжаться бесконечно. Большую часть земной истории климат на планете поддерживался на умеренном уровне за счет отрицательной обратной связи. Разумеется, перемены климата имели место, но колебания редко достигали крайней степени, которая угрожала бы жизни. Однако около 850 млн лет назад начались изменения, нарушившие более или менее устойчивое равновесие и приведшие к переломному моменту в истории планеты. Самым важным из этих изменений было медленное и постепенное раскалывание экваториальной Родинии. Первая трещина возникла 850 млн лет назад и была сравнительно небольшой: кратоны Конго и Калахари (ныне части Южной Африки) начали отрываться к юго-востоку от остального, пока еще целого суперконтинента. Около 800 млн лет назад новая небольшая трещина отколола Западно-Африканский кратон, который двинулся на юг от материка; 750 млн лет назад распад Родинии шел уже полным ходом, и в это же время земную кору изрезали трещины, сопровождавшиеся извержением вулканов и потоками базальтовой лавы. Суперконтинент раскололся пополам с севера на юг, и на запад двинулся Ур, а на восток – Лаврентия, Балтика, Амазония и скопление кратонов помельче.

Раскалывание суперконтинента создало новую береговую линию на тысячи километров и вызвало стремительный размыв побережья. В межкратонных водах формировались динамичные осадочные бассейны, что обозначило конец длительному застою в истории горных пород Земли – паузе в отложении осадочных пород, которая началась в мезопротерозойскую эпоху и длилась почти четверть миллиарда лет. В новом подвижном, меняющемся мире процветали микроорганизмы. Размывание суши поставляло минеральный корм для водорослей, которые долго держались на скудном питании, состоявшем из небольших запасов фосфатов, молибдена, марганца и других основных элементов. Палеонтологи говорят о времени песчаных шельфов приливных зон, покрытых толстыми слоями скользких зеленых нитчатых бактерий, и об открытой воде, по которой плавали груды зловонных водорослей.

Под воздействием тектонических процессов менялись океаны, атмосфера и климат. Росло содержание кислорода в атмосфере за счет буйного роста прибрежных водорослей, а также за счет того, что увеличение биомассы водорослей вело к стремительному связыванию – погребению в осадках органического углерода. На протяжении всей земной истории богатая углеродом биомасса является главным потребителем кислорода. Чем больше гниющей биомассы, тем быстрее расходуется кислород. (Лесные пожары представляют собой чрезвычайно ускоренный вариант такого процесса поглощения кислорода.) По той же причине чем быстрее захороняется в осадках углеродосодержащая биомасса, тем активнее возрастает уровень кислорода в атмосфере. Но откуда нам известно, что биомасса погребалась? Оказывается, красноречивая запись этого процесса содержится в известняке, слои которого образуются в результате постепенного оседания на мелководное дно океана углеродистых минеральных веществ.

Изотопы углерода в известняке указывают на изменения скорости воспроизводства водорослей. Важнейшие химические реакции в органическом веществе – например, превращение воды и углекислого газа в сахарозу в процессе фотосинтеза – всегда накапливают изотоп углерода-12, более легкий по сравнению с углеродом-13. Поэтому углерод, содержащийся в биомассе (в живых и мертвых водорослях), отличается наличием более легких изотопов по сравнению с неорганическим углеродом, входящим в состав известняка. В обычные времена, когда процветают микроорганизмы, а легкий углерод берется из океанской воды, известняк отличается большим содержанием тяжелого углерода. Но во времена необычно интенсивного захоронения биомассы, когда легкий углерод в еще большем количестве систематически изымается из океанской воды, остатки углерода в составе известняка в среднем становятся тяжелее. Действительно, известняк, отложившийся вдоль берегов Родинии от 790 до 740 млн лет назад, отличается необычайной тяжестью. Должно быть, в этот период водоросли разрастались и захоронялись с небывалой скоростью.

Такой невиданный расцвет жизни оказал значительное воздействие на климат Земли. Микроорганизмы поглощают углекислый газ, который постоянно выбрасывается в атмосферу действующими вулканами. В обычные времена обмен углекислого газа в атмосфере сбалансирован и остается относительно стабильным, но стремительный рост водорослей в эпоху неопротерозойской активности способствовал падению уровня углекислого газа в атмосфере, что, в свою очередь, ослабляло парниковый эффект. Такая обратная связь с содержанием углекислого газа, возможно, ускоряла остывание Земли. Раскалывание Родинии значительно увеличило количество подводных вулканов, формировавших раскаленную кору пониженной плотности на дне океана. Плавучая кора усилила обмеление океанов по сравнению с предыдущими периодами и подняла соответственно уровень моря. Отсюда можно сделать вывод, что начиная с 750 млн назад образовалось много внутренних морей. Появление большого количества внутренних морей привело к увеличению испарения воды и количества осадков, результатом чего стало ускорение эрозии горных пород, выходящих на поверхность. Этот процесс сопровождался усиленным поглощением углекислого газа, а снижение уровня углекислого газа, в свою очередь, привело к глобальному похолоданию.

Дополнительную роль в изменении климата на планете сыграло и расположение континентов и океанов до и во время раскалывания Родинии. Вода и суша разительно отличаются друг от друга по альбедо – способности отражать солнечные лучи. Темный океан отличается низким альбедо; он поглощает большую часть солнечной энергии и при этом теплеет. Сухая, бесплодная суша по большей части, напротив, отражает солнечные лучи. Засушливый, пустынный континент вроде Родинии отражает солнечный свет, возвращая его в космическое пространство. Такое соотношение полярных океанов и экваториальных континентов способствовало глобальному похолоданию, поскольку экватор получал больше солнечной энергии, чем полюса.

Эти глобальные процессы и сложные обратные связи в какой-то мере сохраняются и сегодня, но совершенно очевидно, что в эпоху неопротерозоя Земля после длительного периода относительной стабильности подверглась значительным изменениям.

Земля-снежок – Земля-парник

Три четверти миллиарда лет назад Земля вошла в период нестабильности климата, невиданной ни до того, ни после. Началось все с сурового ледникового периода.

Ледники наложили несомненный отпечаток на осадочные породы. Прежде всего это толстые неровные слои характерных пород, именуемых тиллитами, сохранивших хаотическое смешение песка, гравия, грубообломочных фрагментов горных пород, равно как и очень тонкую пыль. Ледники также оставили после себя выглаженные обнажения коренных пород, исцарапанных и отполированных медленно ползущими пластами льда. Помимо беспорядочно разбросанных валунов и бугристых морен дополняют перечень доказательств оледенения варвиты – тонкослоистые отложения, образующиеся в результате сезонного поступления осадка в приледниковые озера.

По всему миру, почти всюду, где бы ни искали, полевые геологи обнаруживали признаки ледниковых отложений возрастом между 740 и 580 млн лет. Данные о резком изменении климата около 740 млн лет назад уже накапливались десятилетиями, когда Пол Хоффман в соавторстве с тремя коллегами из Гарварда и Университета Миннесоты опубликовал короткую, но возбудившую всеобщий интерес статью «Ледяная Земля в эпоху неопротерозоя» (Science, 28 августа 1998 г.). Хоффман с соавторами сформулировал весьма прогрессивную идею: за этот период Земля не просто дважды пережила оледенение, но и покрывалась льдом полностью, от полюсов до экватора. Их точка зрения основывалась на тщательных полевых исследованиях целого ряда разрезов осадочных толщ в районе Берега Скелетов в Намибии: мощные ледниковые тиллиты и палеомагнитные данные из них свидетельствуют о том, что ледники почти достигали экватора, доходя примерно до 12° широты. И это не были горные ледники, венчающие вершины: тиллиты накапливались в заведомо прибрежно-морских мелководных условиях, на уровне моря. Это означает, что климат вблизи экватора был очень холодный. По сравнению с ним в эпоху последнего ледникового периода ледники не продвигались южнее 45° северной широты, а характер окаменелостей указывает на наличие сравнительно теплой тропической зоны даже в самый пик оледенения. Гарвардская команда представила неопровержимые доказательства присутствия неопротерозойских ледников на уровне моря вблизи экватора. Следовательно, ледяной покров окутывал всю Землю.

Для многих читателей статьи Хоффмана 1998 г. неопровержимым доказательством внезапного и катастрофического изменения климата Земли послужили изотопы углерода. Миллионы лет до предположительного первого ледникового периода – т. е. более чем 740 млн лет назад – стремительный рост водорослевой биомассы способствовал накоплению легких изотопов углерода. Известняки, сформировавшиеся в это время в прибрежных водах вокруг распадавшейся Родинии, отличались наличием тяжелого углерода. Но если рост микроорганизмов замедляется или прекращается, в известняке должны появиться легкие изотопы углерода. Именно это и обнаружил Хоффман с коллегами: снижение доли тяжелого углерода более чем на 1 % непосредственно перед и сразу после появления ледниковых отложений около 700 млн лет назад.