Молодая Солнечная система насчитывала несколько планет, а также вокруг Солнца вращался космический мусор в большом количестве, который не участвовал в планетообразовании. Но не все орбиты этих небесных тел были устойчивыми эллипсами, как сегодня. Многие были очень искривлены, многие проходили между вращающимися планетами и Солнцем. Солнечную систему, таким образом, бороздили многочисленные объекты, и длилось это около 4,2–3,8 млрд лет назад. Если принять во внимание широко известную гипотезу о том, что эти космические «путешественники» содержали в себе воду, целые океаны воды, то становится понятно, какую чрезвычайно важную роль сыграли в последующей истории жизни на планете эти кометы и астероиды, непрерывным дождем падавшие на Землю, некоторые совсем крошечные, а некоторые — настоящие монстры до 500 км в диаметре. Кометы приносили с собой не только воду, но и другие важные для жизни элементы, включая соединения углерода. Земле не нужно было далеко ходить за необходимыми для жизни продуктами — она получила их доставкой на дом.
Но за все приходится платить, и жизни тоже пришлось. Ученые из NASA составили математические модели для таких «отчислений». Столкновение с Землей небесного тела в 500 км в диаметре привело почти к невообразимым последствиям. Огромные участки твердой земной поверхности превратились в пар, образовав облако страшно горячего — несколько тысяч градусов — «естественного» газа, испарений. Именно эти испарения в атмосфере привели к тому, что весь океан превратился в пар, улетев вверх и оставив дно, покрытое солью. В конце концов произошло охлаждение, но новый океан обрушился дождем на Землю не раньше чем по крайней мере через несколько тысяч лет. Такие большие астероиды и кометы размером со штат Техас могли выпарить океан глубиной три километра и уничтожить все живое на поверхности Земли[32].
Изменение во времени концентрации углекислого газа (в миллиардах лет) с приблизительными расчетами на будущее. Ноль обозначает настоящий момент времени.
Около 3,8 млрд лет назад самые ужасные метеоритные атаки остались позади, и все же в то время различные астрономические бедствия обрушивались на планету значительно чаще, чем в более близкие к нам периоды истории. Долгота дня тоже была не такая, как сегодня — не более 10 часов, потому что Земля тогда вращалась быстрее. Скорее всего, Солнце было не таким ярким — возможно, красным и не таким горячим, поскольку не только горело с меньшей энергией, но и его лучам приходилось пробиваться сквозь ядовитые, мутные клубы паров углекислого газа, сероводорода и метана, а кислорода ни в атмосфере, ни в океане не было. Небо, по всей вероятности, было оранжевым и красно-кирпичным, а моря, которые предположительно покрывали всю земную поверхность, были коричневой грязью. Тем не менее это был полный комплект газов, жидкой воды и твердой земной коры со множеством минералов, пород и сред, включая и те, которые необходимы для развития жизни в два этапа: добыть много «запчастей» и свалить их в одном месте для дальнейшей сборки.
Системы, необходимые для существования жизни, и их история
Одним из исключительно важных факторов возникновения жизни на Земле стало то, что атмосферные газы достаточно «поредели», что позволило сформироваться «первичному бульону» — добиологическим молекулам, строительному материалу живых организмов. (Здесь стоит вспомнить об окислительно-восстановительной реакции: возникают либо потери от окисления, либо добавление электронов при восстановлении.) Электроны — как деньги, их можно обменять на энергию, при окислении электроны теряются с приобретением энергии, при восстановлении приобретение энергии — это как если бы деньги попали в банк. Например, нефть и уголь «восстановлены», то есть в них накоплено много энергии, которую можно использовать-высвободить, если воздействовать на них окислением, что и происходит, когда мы их сжигаем и получаем энергию.
Состав древней атмосферы на Земле — противоречивая и бурно обсуждаемая область. Если количество азота, наверное, совпадает с сегодняшним, то кислорода либо не было, либо он присутствовал в очень малом объеме, и на это многое указывает. Углекислого газа, однако, было намного больше, чем теперь, и это создавало настоящую баню посредством парникового эффекта с углекислотой, в 10 000 раз превышающей сегодняшний уровень[33].
Наша сегодняшняя атмосфера на 78 % состоит из азота, на 21 % — из кислорода и менее чем на 1 % — из углекислого газа и метана, и этот состав относительно нов. Становится все более очевидным, что наша атмосфера может меняться весьма стремительно, особенно этот обманчиво небольшой 1 %, включающий два газа, ответственных за парниковый эффект (и еще водяные пары) — углекислый газ и метан, которые могут (и это важно) значительно превысить свои нынешние объемы.
Круговорот веществ и мировые температуры
Человеческое тело требует множества сложных процессов, чтобы поддерживать то загадочное состояние, которое мы называем жизнью. Многие из этих процессов включают в себя перемещение углерода. Аналогично круговорот углерода, кислорода и серы есть ключевое условие для поддержания подходящей для жизни среды на Земле. Углерод, конечно же, самый важный.
Углерод претерпевает активное преобразование твердого, жидкого и газообразного состояния. Перемещение этого элемента между океаном, атмосферой и жизненными формами называется «круговорот углерода», и именно это движение углерода и производит самое главное воздействие на изменение планетарной температуры за счет изменений в концентрации парниковых газов.
То, что мы называем «круговоротом углерода», на самом деле состоит из двух пересекающихся процессов: краткого цикла и долгого цикла[34]. Краткий цикл регулируется растениями. Углекислота включена в фотосинтез, и часть углерода остается в живых тканях растений — результат восстановительной реакции. Таким образом накапливается энергия, которая ждет своего высвобождения. Когда растение погибает или опадают листья, этот углерод переходит в почву и может быть преобразован в другие углеродные соединения в телах почвенных микроорганизмов, других растений или животных, и тогда происходит окисление восстановленного углерода с высвобождением энергии, которой пользуется организм, поглощающий (окисляющий) этот углерод. В то же время организмы также преобразуют другие молекулы углерода в восстановленное состояние, снова запасая энергию. Проходя по пищевой цепочке животных, этот самый углерод в восстановленном состоянии может быть окислен, и его выдыхают в виде углекислого газа — цикл возобновляется. Впрочем, случается, что заключенный в ткани растения или животного углерод — наполненный энергией, восстановленный — сжигают, и он, таким образом, не поглощается другим организмом и не попадает обратно в мировой запас углерода. Такой углерод больше не входит в краткий цикл круговорота.
Долгий цикл углеродного круговорота предполагает совершенно другие типы преобразований. Основное отличие в том, что долгий цикл обеспечивает перемещение углерода из горных пород в океан или атмосферу и обратно. Временные периоды этих перемещений в основном измеряются миллионами лет. Перемещения углерода из твердых пород и обратно могут привести к куда более серьезным изменениям в земной атмосфере, чем в кратком цикле, поскольку в породах содержится во много раз больше углерода, чем в океане, атмосфере и биосфере вместе взятых. Это может показаться странным, учитывая, что сам по себе объем одной только живой материи огромен. Однако Боб Бернер из Йельского университета подсчитал, что если все растения на нашей плане вдруг одновременно сгорят, то весь углерод, попавший из них в атмосферу, увеличит содержание углекислого газа за счет краткого цикла лишь на 25 %. Для сравнения: долгие циклы в прошлые периоды истории Земли приводили к изменениям в 1000 % — как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения.
32
Наши студенты часто улыбались, когда мы заговаривали об испарении океанов из-за «астероидов размером с Техас». В те времена еще Джордж Буш-младший был президентом. С тех пор, однако, наша концепция приобрела немного другой, научный оттенок. Понятным языком об этом написано здесь: www.breadandbutterscience.com/CATIS.pdf.
33
Концентрация углекислого газа в составе ранней атмосферы Земли — вопрос довольно трудный. На данный момент не существует каких-то прямых методов определения этих концентраций. Источник: Walker, «Carbon Dioxide on the Early Earth,»
34
Питер Уорд посвятил этой теме отдельную книгу (P. Ward,