Конец прекрасной эпохи. Какой будет лебединая песня биосферы

12 миллиардов лет истории Земли поделены на 12 часов. В 0:00 Земля обретает форму. Без десяти час или чуть раньше на ней появляется жизнь. Около 2:00 происходит кислородная катастрофа. В 3:42 появляются животные, а чуть позже — наземные растения. Наше время — 4:29. В полшестого вымирают растения и почти сразу — животные. Около 6:30 исчезают последние водоемы на поверхности. К 7:15 поверхность полностью стерильна. В 12:00 Земля прекращает свое существование.

Мастера выживания

Наш путь к пониманию того, какой конец ждет биосферу, начинается с пристального наблюдения за способностями различных существ к выживанию.

Земные организмы отличаются колоссальным разнообразием — насчитывается более 1,5 млн открытых видов и, предположительно, до сотни миллионов неоткрытых. Естественно, при таком их количестве конкуренция загоняет некоторых в условия, которые человек никогда не назовет комфортными, — притом что сами организмы в них процветают. Именно экстремофилы позволяют нам задать пределы, в которых может существовать жизнь.

Интересующие нас границы таковы: определенные археи могут осуществлять свой жизненный цикл при температуре 122 °C, тогда как известный верхний предел для эукариот составляет 60 °С. Нижняя граница полноценной жизни — −20 °С, хотя теплокровные животные могут выжить и при куда более низких температурах. Предельное значение pH от −7 до 11, ионизирующего излучение — свыше 16 кГр. И это лишь то, что известно сейчас. Скажем, нет каких-то принципиальных ограничений для жизни и при 150 °С (при условии соответствующих адаптаций, конечно). Естественно, среди экстремофилов доминируют рекордсмены по какому-то одному параметру, но есть и полиэкстремофилы, способные выдерживать «огонь, воду и медные трубы» сразу.

Читайте также

«Внутри ужаса можно найти радость». Философ Тимоти Мортон — о том, как стать экологичным и принять собственное несовершенство

Вот почему биосфера как таковая пережила все предыдущие катастрофы, случившиеся с Землей, — каждая из них ухудшала условия не для всех организмов, а лишь для некоторой их части. И всё же есть кое-что посерьезнее астероидов, гигантских вулканов и проблем, к которым приводит сама жизнь. Имя ему Солнце.

Гори-гори ясно?

Солнце, по сути, довольно простой объект. Звезды — это шары из плазмы, жизнь которых управляется происходящими в их центре термоядерными реакциями. Судьба каждой звезды определяется лишь тремя параметрами — начальным химическим составом, начальной массой и тем, одиноко ли новое светило или родилось в дружной семье. Поэтому в галактике одномоментно существуют десятки тысяч звезд, как клоны похожих на Солнце. Зная ядерную физику и термодинамику, мы можем определить и начальный состав, и возраст Солнца, а главное — точно предсказать его эволюцию, используя в качестве теста нашей теории далекие солнца, среди которых есть те, что старше, и те, что моложе нашего.

Излучение Солнца возникает в результате превращения ядер водорода — то есть протонов — в ядра гелия через протон-протонную цепочку ядерных реакций, сопровождаемых рождением света. Эти реакции с момента образования Солнца идут только в его ядре, где температура и давление таковы, что энергия атомных ядер и вероятность их столкновения достаточно велики. Однако сами температура и давление не остаются абсолютно стабильными.

На протяжении 4,6 млрд лет — именно столько Солнце уже существует — его светимость, то есть скорость отдачи энергии, непрерывно возрастает. Причины просты. По мере выгорания водорода в ядре Солнца накапливается более тяжелый гелий. Плотность ядра возрастает, что приводит к увеличению внутри него давления и температуры и, как следствие, к увеличению энергии протонов. Это делает их столкновения друг с другом более вероятными и ускоряет производство энергии, а также накопление гелия, что еще больше повышает эффективность процесса. В результате этой положительной обратной связи Солнце становится ярче. Очень медленно, но верно. И, конечно же, температура атмосферы и поверхности Земли неизбежно будет расти вслед за увеличением светимости Солнца и в итоге дойдет до значений, делающих невозможным существование жидкой воды и жизни.

То, что именно это определяет срок существования жизни на Земле, впервые осознал немецкий астрофизик Альбрехт Унзольд в 1967 году.

Он предсказал, что средняя температура Земли превысит точку кипения воды, когда светимость Солнца будет на 40% выше, чем сейчас, а именно через 3,5 млрд лет.

Конечно, это была лишь самая первая и самая грубая оценка. Земля — очень сложная система взаимодействующих друг с другом оболочек, которые соединены многочисленными обратными связями, причем каждая оболочка реагирует на внешние космические воздействия по-своему. С 1960-х годов понимание этой системы и пределов ее устойчивости значительно возросло.

Может быть интересно

Мыслящий тростник: как растения меняют наши представления об интеллекте

Давайте включим воображаемую машину времени и посмотрим, как наша планета будет реагировать на возрастающее излучение Солнца. А чтобы легче было ориентироваться, время на часах будем отмерять в миллионах и миллиардах лет от настоящего момента (от н. м.).

Начало конца

Смерть биосферы, какой мы ее знаем, начинается с постепенного вымирания растений.

Одним из главных биогеохимических циклов на Земле является цикл углерода, в котором условно можно выделить «фотосинтетическую» и «нефотосинтетическую» стороны. Цикл происходит между поверхностью и атмосферой, с одной стороны, и недрами Земли, с другой.

«Фотосинтетические» процессы заключаются в высвобождении углерода (в форме углекислого газа CO₂) через дыхание живых организмов и разложение их останков и в связывании его через фотосинтез и захоронение органических осадков (например, каменного угля).

«Нефотосинтетическая» сторона цикла сосредоточена вокруг карбонатов и вкратце заключается в следующем. Атмосферный углекислый газ растворяется в дождевой воде, образуя угольную кислоту. Она реагирует с силикатными породами, давая ионы кальция и кремнезем. Также кислота попадает в океан, где ряд микроорганизмов использует ее и ионы кальция, чтобы строить свои известковые оболочки, то есть те самые карбонаты. Часть их оседает на дно океана, где движение тектонических плит рано или поздно уносит их в мантию, и карбонаты при высоких температурах реагируют с кремнеземом, снова превращаясь в силикаты и углекислый газ. Наконец, при посредничестве извергающихся вулканов CO₂ вновь попадает в атмосферу. Цикл замыкается.

Именно в этот цикл недавно вмешался человек, начав активно сжигать ископаемое топливо (те самые биогенные осадки), что в самом ближайшем, по геологическим масштабам, времени грозит нам всем крупными неприятностями. Но сам по себе углекислый газ необходим для биосферы, поскольку используется как главное сырье в фотосинтезе.

Скорость, с которой силикаты превращаются в карбонаты (забирая при этом углекислый газ из атмосферы), зависит от доли суши, тектонической активности в земной коре и температуры. Последняя до некоторой степени регулируется этим циклом, ведь CO₂ — парниковый газ. Но в случае с будущей Землей эта «саморегуляция» постепенно перестанет работать. Высокие температуры, вызванные всё большей светимостью Солнца, приведут к увеличению скорости фиксации углекислоты. Падение роли CO₂ в атмосфере с лихвой будет компенсировано ростом содержания в ней водяного пара, испаряющегося с поверхности нагретых океанов. Глобальное потепление не замедлится.

Тем временем из-за ускоряющегося испарения океанов в них будет становиться всё меньше и меньше воды. А ведь вода — это смазка, позволяющая тектоническим плитам двигаться, и именно благодаря этому карбонаты попадают в горячие недра. Чем меньше воды, тем хуже двигаются плиты, тем меньше карбонатов «вернут» свой углерод в атмосферу. Как итог, содержание углекислоты в ней начнет неуклонно падать. Для фотосинтеза это плохие новости.

Как известно, сейчас разные растения пользуются тремя разными «модификациями» фотосинтеза: С3, С4 и CAM. С3-путем пользуется большинство растений, в нем углекислый газ сразу связывается ключевым ферментом рубиско и в виде молекулы с тремя атомами углерода (отсюда С3) поступает в цикл Кальвина. Проблема в том, что рубиско может фиксировать не только углекислоту, но и кислород, что порождает неприятный для растений феномен фотодыхания, оборачивающийся потерями CO₂. Кроме того, из-за необходимости обеспечивать достаточно высокую концентрацию CO₂ в клетках с рубиско С3-растения вынуждены держать устьица своих листьев открытыми как можно дольше, а еще лучше — всё время, что оборачивается потерей в окружающую среду до 97% воды, которую дают корни.

С4- и CAM-растения обладают множеством отличий, от биохимии до морфологии листьев. В них углекислый газ сначала превращается в промежуточное соединение с четырьмя атомами углерода (отсюда С4), которое затем переносится и высвобождает CO₂ уже в месте наибольшей концентрации фермента рубиско. Фотодыхания нет, эффективность использования имеющейся в воздухе углекислоты максимальна, а вода не испаряется наружу зря, ведь фотосинтез идет и при отсутствии контакта с атмосферой, если углекислый газ был запасен заранее. Отсюда целый ряд преимуществ — большая устойчивость к повышенной температуре и засухе, большая продуктивность при меньшем расходе азота и т. д. С точки зрения эволюции С4- и САМ-растения — это последний писк моды: упомянутые механизмы возникли независимо в десятках разных групп растений в последние 30 млн лет.

И именно тут мы можем почувствовать, насколько близок, в геологических масштабах времени, коллапс привычных нам экосистем по независящим от нас причинам. Если в настоящий момент С3-растения составляют 95% всей растительной биомассы, то в будущем по мере увеличения температуры и, главное, падения концентрации CO₂ простое выживание станет для них всё труднее и труднее. Уже через 170 млн лет от н. м. парциальное давление углекислого газа упадет ниже 0,15 мбар, что приведет к вымиранию всех С3-растений. Если посмотреть на 170 млн лет назад, мы увидим эпоху расцвета динозавров, а само появление наземных растений произошло 500 млн лет назад.

Получается, что С3-растения к настоящему моменту прожили три четверти отпущенного им срока.

После этого начнется длительная эпоха доминирования С4- и САМ-растений. Типичные сообщества отныне будут напоминать саванны и пустыни, где сейчас эти растения в основном и обитают. Но придет и их черед. Произойдет это через 0,8–1 млрд лет от н. м., когда уже они будут «задыхаться» от недостатка углекислого газа.

Читайте также

Бактерии, растения, люди: как живые организмы научились дышать кислородом и создали нефть

Поскольку остальные аэробные организмы кислород лишь потребляют, гибель всех растений приведет к довольно быстрому падению содержания кислорода до нуля в течение всего нескольких миллионов лет, что означает вымирание животных за этот же срок. На фоне высоких температур первыми уйдут крупные теплокровные животные — млекопитающие и птицы. Последние — чуть позже первых благодаря своему меньшему размеру, меньшей потребности в кислороде и куда большей мобильности. Еще дольше будут бороться за существование рептилии.

Можно предположить, что последние рефугиумы позвоночных останутся на горных вершинах, где малочисленные популяции птиц и рептилий будут доживать свой короткий век.

Несмотря на одни и те же условия для жизни, непосредственные причины вымирания могут быть совершенно разные. Так, у некоторых рептилий пол определяется температурой среды во время инкубации яиц. При постоянно увеличивающихся температурах противоположный пол просто перестанет рождаться. Хотя скорость испарения океанов на данном этапе пока что умеренная, повышенная температура воды означает повышенный метаболизм и высокую потребность в пище. Как следствие, морские обитатели, вероятно, вымрут от банального голода. Пресноводные рыбы и амфибии столкнутся с исчезновением водоемов на суше. Последними животными здесь будут беспозвоночные, некоторые из которых (например, ряд жуков-притворяшек) способны выдерживать температуры до 56 °С.

Может быть интересно

Эдемские сады докембрия. Когда и как возникли сложные экосистемы

Со смертью наземных экосистем резко упадет и продуктивность океанов. Однако вода сама по себе способна до некоторой степени смягчить эффект растущих температур, а что еще важнее, в океанах существуют сообщества, не зависящие от фотосинтеза, — экосистемы, связанные с гидротермальными источниками. Именно эти сообщества будут финальными бастионами высокоорганизованной земной жизни

Вымирание высшей жизни, включая большинство эукариот, будет похоже на перемотку пленки назад. Животные становятся всё мельче и «проще», а крупные группы уходят со сцены в порядке, обратном их появлению на ней.

В конечном счете совокупность всех факторов сделает невозможным выживание животных, и примерно через 1,2 млрд лет от н. м. Земля, как и миллиарды лет назад, снова станет планетой микробов.

Следуй за водой

Вспомним вновь, что водяной пар — это мощнейший парниковый газ, куда более эффективный, чем CO₂. Чем больше насыщается водяным паром атмосфера, тем больше нагревается поверхность океана, порождая еще большее количество водяного пара, — это положительная обратная связь. Одновременно, однако, становится всё больше облаков, действующих как зеркало, отражающее часть солнечного излучения обратно в космос.

Рассчитать картину баланса между этими процессами в течение сотен миллионов лет чрезвычайно трудно. Но ясно одно — когда водяной пар становится доминирующим газом тропосферы, наступает так называемый влажный парниковый эффект, который резко ограничивает излучение энергии планетой в космос. Как только растущее поступление энергии от Солнца превосходит этот предел, температура начинает возрастать еще быстрее, водяной пар уходит в стратосферу, где солнечное излучение разбивает молекулы воды на кислород и легкий водород, улетающий в космическое пространство. Всё это приводит к быстрому испарению всей оставшейся поверхностной воды. Приблизительно через 1 млрд лет от начала этого процесса Земля станет полностью иссушенной планетой. Температура на поверхности к этому моменту (около 3 млрд лет от н. м.) уже достигнет 100 °C.

Логично предположить, что потеря воды не будет одинаково быстрой по всему земному шару. Последние водоемы станут одновременно и последними местами обитания живых существ на умирающей планете. Где же они будут находиться?

На первый взгляд, очевидными кандидатами являются океанические впадины, чья глубина намного превосходит среднюю глубину океана. Напрашивается аналогия с кратерами — благодаря тени от стенок температура в них вроде как должна быть ниже, чем в среднем по планете. Но с плотной горячей атмосферой такая логика не сработает. Ситуация будет обратной: и без того горячий воздух в глубоких впадинах под давлением будет разогреваться еще сильнее. В результате океанические впадины станут самыми горячими местами на планете (если они вообще на тот момент сохранятся при «выключившейся» тектонике плит).

Наземные пещеры тоже будут плохими убежищами. Температура среды внутри большинства из них соответствует средней температуре воздуха снаружи. Некоторые пещеры функционируют как «холодовой мешок». Это одновходовые пещеры, в которых сразу за входом, ниже него, имеется большой зал. Зимой холодный наружный воздух втекает в этот зал и в расположенные далее ходы, но из-за объема пространства не только не выходит из «мешка», но и препятствует в дальнейшем поступлению теплого летнего воздуха, поскольку тот легче.

Сейчас в таких пещерах круглогодично лежит лед. Однако этот лед всё равно должен восполняться. Исследования «холодовых мешков» в Альпах показали, что в условиях современного антропогенного глобального потепления масса льда в них неуклонно уменьшается.

По-видимому, ледяные пещеры будущего смогут охлаждаться лишь до температуры самого холодного месяца в году, что в условиях бьющейся в парниковой лихорадке атмосферы уже не поможет.

Иная ситуация будет складываться вокруг поверхностной жизни на полюсах планеты. Если там будут горы, то на их вершинах микроорганизмы имеют шансы прожить почти на миллиард лет дольше, чем на экваторе. Конечно, поскольку плиты больше не двигаются друг относительно друга, скорость выветривания уже существующих гор намного превзойдет скорость их роста (которая в итоге станет равной нулю). Впервые в истории Земля может быть везде ровной, покрытой слоем воды одинаково малой глубины.

С другой стороны, всё по той же причине у вулканов может «сорвать тормоза» — земная кора, на которой они стоят, больше не будет двигаться относительно их истинных источников, мантийных плюмов. Если через 2 млрд лет Земля будет иметь на Северном или Южном полюсе свой Олимп, то он, скорее всего, будет обитаем.

Последние пассажиры корабля «Земля»

Неумолимое ухудшение условий для жизни на Земле приведет к массовому исчезновению целых ветвей эволюционного Древа Жизни, сохранятся лишь полиэкстремофилы.

Последние озерца воды, где бы они ни находились, скорее всего, будут обладать рядом общих черт. Они окажутся горячими, изолированными друг от друга и крайне солеными. Поверхность этих водоемов будет подвергаться воздействию жесткого ультрафиолетового излучения, ведь защитный озоновый слой исчезнет вслед за кислородом, из которого озон образуется.

С другой стороны, поскольку при отсутствии углекислого газа типичный фотосинтез станет невозможным, создание новой органики будет идти лишь за счет хемосинтеза и использования естественных градиентов энергии, например, в гидротермальных источниках. Таким образом, важнейшими экологическими группами микробов спустя 1,5 млрд лет от н. м. станут термогалофилы и хемоавтотрофы.

Уже сегодня мы можем представить, как будут выглядеть эти экосистемы, поскольку на современной Земле есть места, напоминающие какой-нибудь типичный «оазис» на Земле будущей. Например, Милосское гидротермальное поле на дне Эгейского моря, где соленость воды превосходит среднюю океаническую в 2,5 раза. В таких условиях в непосредственной близости от гидротермальных источников процветают лишь микробиальные маты, сложенные слоями экологически различных видов бактерий и архей с «разделением труда».

Другой пример — относительно недавно открытые сообщества на некоторых из высочайших вулканов в пустыне Атакама. Они существуют на высоте более 6000 м над уровнем моря при крайне интенсивном солнечном излучении, высоких (более 60 °C) суточных перепадах температуры и почти полном отсутствии влаги. Обитатели названных экосистем являют собой современные модели организмов, которые унаследуют поверхность Земли после вымирания всех эукариот.

Последние остатки воды исчезнут отовсюду, где есть прямой доступ к поверхности, через 2,8 млрд лет от н. м., когда светимость Солнца достигнет отметки 130% от современной, а температура под открытым небом — 227 °C. На Земле останется единственное место, где жизнь еще сможет существовать. Толща земной коры.

Читайте также

Космические заблуждения. Как и почему возникали ошибки в науке о Вселенной

Обычно предполагается, что под Землей температура равномерно увеличивается — чем ближе к мантии, тем горячее, с прибавкой в 30 градусов с каждым километром глубины. При этом ученые уже нашли живые микроорганизмы в вулканических породах на глубине 5,3 км и косвенные свидетельства жизни на еще больших глубинах, что как бы намекает на относительность упомянутого геотермального градиента.

В зависимости от природы окружающих пород в земной коре могут, в принципе, сохраниться уголки, которые изолируют местных микробов от кромешного ада на поверхности. Жизнь здесь будет крайне неторопливой, и даже деление клетки окажется для последней эпохальным событием, происходящим лишь каждые 10 000 лет. Если им очень-очень повезет, то здесь, в тишине и темноте, едва проявляя себя, последние живые существа на Земле встретят грандиозную смерть нашей планеты.

Всё это время Солнце не только увеличивало свою светимость. Оно расширялось. Накопление в его ядре гелия переместило ядерные реакции в слой между ядром и атмосферой. Последняя, принимая всё возрастающее тепло, «раздувалась» в космическое пространство. Прямо перед тем, как Солнце достигнет абсолютного максимума своего размера, через 7,59 млрд лет от н. м., его расширяющаяся фотосфера поглотит Землю, завершая ее потрясающую историю.

Перед полуночью

Давайте отодвинемся назад. Если представить всю историю Земли в виде циферблата, то люди появляются в районе половины пятого, а смерть всех высших организмов наступает, самое позднее, в 5:35, причем люди не смогут жить на разогретой планете уже задолго до этого. Вся история растений и животных — это яркие, но сравнительно недолгие два часа, и мы, Homo sapiens, живем почти в середине этой эпохи, самой интересной в истории Земли.

Как уже упоминалось, Земля — сложная система, и ее трудно смоделировать без упрощений. Конкретные сроки для указанных этапов гибели биосферы в разных работах достаточно сильно варьируются в зависимости от принятых авторами моделей коры, атмосферы, биосферы и цикла углерода в них. Самая интересная возможность, которую допускают используемые учеными модели, заключается в резком замедлении фиксации углерода из атмосферы уже после гибели высших растений, которые играют в этом процессе огромную роль. В условиях продолжающейся дегазации вулканов содержание СО₂ в атмосфере может резко повыситься, и фотосинтез вновь будет возможен. Эволюция опять сможет, пусть на мгновение, породить сложные организмы, на иной основе, со странными адаптациями, вроде органов, защищающих от жесткого излучения, а быть может, и использующих его (представьте себе, например, «черепаху» с металлическим и при этом фотосинтезирующим панцирем!).

Важным моментом также является влияние Луны. Как известно, она медленно удаляется от Земли. Примерно через 1 млрд лет от н. м., когда расстояние между ними превысит 67 земных радиусов, Луна перестанет регулировать угол наклона земной оси. Земля войдет в режим, когда для нее не будут странными колебания в пределах угла наклона от 20 до 60 и даже до 90 градусов. Высшим организмам это не поможет, а, скорее, добьет постоянно меняющимся климатом. Но пещеры в определенных регионах смогут охлаждаться до температур, которые, возможно, продлят в них существование «поверхностных» водоемов (и микробной жизни) до 2,8 млрд лет от н. м. Конечно, это лишь отложит печальный финал, по существу не повлияв на него.

Но, как это ни фантастично звучит, на него можем повлиять мы. Человечество уже занимается геоинженерией, хотя в этом мы пока похожи на ребенка, беззаботно играющего с газовой плитой. В будущем наши технические возможности могут возрасти многократно. Вдруг мы сможем, к примеру, запустить гигантское зеркало в точку Лагранжа между Землей и Солнцем, которое будет отражать лишнюю светимость? А пока это зеркало дает нам отсрочку, переселить земные организмы и нас самих на Марс — а затем и дальше, и еще дальше, позволив нашей биосфере не только избежать «неминуемого» космического конца, но и колонизировать Вселенную. Более высокое предназначение трудно себе вообразить. Давайте постараемся.