Озеленение суши и кислородизация атмосферы

На фоне резких изменений раннего фанерозоя зрела новая биосфера. В связи с распространением растений, грибов и животных на суше преобразилась поверхность Земли. Особенно важно было распространение фотосинтезирующих растений, потому что они поглощали гигантское количество углекислого газа и выделяли огромные объемы кислорода. Благодаря этому изменились настройки термостатов биосферы и возник новый климатический режим с более высоким содержанием кислорода и низким содержанием углерода, чем когда-либо ранее. По большому счету, этот режим длится до сих пор.

Колонизировать сушу было очень трудно – примерно как колонизировать новую планету. Жизнь развивалась и процветала в воде 3 млрд лет. Все клетки появились в соленых водоемах. Организмы плавали в жидкости, выделяли из нее необходимые газы и химикаты и вылавливали себе пищу. Вдали от воды им требовались вспомогательные системы, хитроумные, как космический скафандр. Нужна была плотная кожа, которая удерживала бы влагу и не давала телу высохнуть. При этом она должна была быть достаточно проницаемой, чтобы пропускать углекислый газ или кислород. Тут необходим тонкий баланс. Чтобы удовлетворить эти противоположные требования, листья используют крошечные поры, устьица, которые пропускают углекислый газ внутрь, а воде позволяют просачиваться наружу. Размер и количество устьиц зависит от окружающей температуры, влажности и содержания углекислого газа.

Как организмам размножаться вне воды? Как уберечь яйца или детенышей от страшной участи засыхания? Кроме того, вода обеспечивала плавучесть, которой на суше явно не хватает. Для крошечных насекомых, таких как блохи, это было не важно. Они слишком легкие, чтобы волноваться о гравитации, поэтому блоха может спокойно спрыгнуть со скалы. Но для крупных организмов гравитация все же была проблемой. Чтобы встать, им требовалась поддержка каркаса из костей или древесины. А стоя они нуждались в хитроумной водопроводной системе, по которой жидкость циркулировала бы вопреки гравитации так, чтобы поступать к каждой клеточке тела. Растения обеспечивали циркуляцию жидкости по корням и внутренним каналам, пользуясь способностью воды взбираться вверх по узким протокам с помощью капиллярного эффекта. У животных развились специальные насосы (они же сердца), которые помогают обеспечивать циркуляцию жидкостей и питательных веществ и удалять токсины.

Всерьез многоклеточные стали колонизировать сушу после позднего ордовикского вымирания, 450 млн лет назад. Именно тогда несколько бесстрашных групп растений и животных впервые выбрались из океанов на берег, вероятно воодушевленные мощным потоком энергии, который был вызван ростом содержания кислорода в атмосфере.

Первые сосудистые растения, по тканям которых могли циркулировать жидкость и питательные вещества, обнаружились на суше около 430 млн лет назад. Вскоре за ними последовали грибы и животные. Простые, похожие на скорпионов членистоногие уже могли процветать здесь тогда же, когда и первые сосудистые растения. Древнейшие амфибии точно расхаживали по земле 400 млн лет назад – так датированы ископаемые следы подобных животных в Ирландии и Польше. В амфибий превратились рыбы, способные дышать вне воды и ходить по мелководью высыхающих озер и рек, как современный рогозуб. Но всем им приходится оставаться рядом с водой, куда они откладывают яйца. Это были первые крупные сухопутные позвоночные. Некоторые из них были размером с нас с вами.

Сухопутные растения оказали особенно большое воздействие на атмосферу, потому что вдыхали углекислый газ и выдыхали кислород. Количество кислорода в атмосфере после ордовика быстро росло и увеличилось примерно с 5–10 % до уровня значительно выше нынешнего, вероятно до 35 %, а затем стабилизировалось. Начиная с отметки примерно в 370 млн лет назад уровень кислорода в атмосфере в основном составлял от 17 до 30 %[106]. Нам это известно, потому что ученые видят свидетельства спонтанных пожаров на протяжении всего этого времени, а огонь не может вспыхнуть при содержании кислорода намного ниже 17 %. Вероятно, самым высоким оно было в пермский период (от 300 до 250 млн лет назад).

Одним из показателей роста уровня кислорода было появление коралловых рифов, которым его нужно очень много. Первые большие коралловые рифы появились в ордовике. На самом деле кораллы – это громадные симбиотические колонии крошечных, генетически идентичных беспозвоночных животных. С некоторой натяжкой их можно считать огромными расползшимися животными с жестким, но несколько бесформенным скелетом. В любом коралле живут колонии одноклеточных фотосинтезирующих организмов, которые поставляют ему энергию. Коралловые рифы предлагали уютное жилье многим крупным организмам, включая трилобитов, губки и моллюсков.

Рост уровня кислорода стимулировал в девонском периоде вторую волну колонизации суши многоклеточными, которая началась около 370 млн лет назад. Первые растения с древесными скелетами, позволявшими сопротивляться гравитации, появились около 375 млн лет назад, и вскоре после этого выросли первые леса. Путем фотосинтеза они расправились с огромным количеством углерода, так что, когда Земля зазеленела, уровень углекислого газа упал, наверное, до одной десятой от прежних значений[107]. Первые леса оказали особенно большое воздействие, потому что на тот момент еще не было организмов, способных разлагать в древесине лигнин. Вот почему деревья каменноугольного периода (начался 360 млн лет назад и закончился 300 млн лет назад) в основном погребены в почве вместе с углеродом, который они высосали из атмосферы. Со временем они окаменели и превратились в угольные пласты, послужившие двигателем промышленной революции. Около 90 % нынешних залежей угля были захоронены в период высокого содержания кислорода, примерно 330–260 млн лет назад. При таком изобилии этого газа лесные пожары легко вспыхивали от удара молнии. Так что в каменноугольном и пермском периодах мир, несмотря на прохладу, вероятно, был пропитан едким запахом горящего леса, который невозможно уловить на других планетах Солнечной системы, потому что там недостаточно кислорода и нет источников древесного топлива, необходимых, чтобы мог распространиться огонь.

Каменноугольные леса, вероятно, повысили уровень фотосинтеза вдвое, а это фактически удвоило общий энергетический бюджет биосферы, благодаря чему смогло появиться множество новых организмов[108]. Растения скорректировали работу геологического термостата Земли, потому что ускорили выветривание горных пород, перемалывая и превращая их в почвы, которым легче уносить захороненный углерод в океан; оттуда часть углерода ушла в мантию. Погребенный углерод уже не мог вступать в реакцию с кислородом и образовывать углекислый газ, так что уровень кислорода вырос. Таким образом, количество свободного кислорода в определенной мере зависит от количества углерода, ушедшего в мантию, то есть уровни атмосферного кислорода и углекислого газа стремятся двигаться в противоположных направлениях. Благодаря росту уровня кислорода также стали возможны новые химические реакции в коре, в результате чего возникли многие из 4000 разных типов минералов, которые сегодня можно найти на Земле[109].

С конца ордовика до начала пермского периода (450–300 млн лет назад) леса и сухопутные многоклеточные преобразовали поверхность Земли, озеленили континенты и перенастроили термостаты биосферы, в результате чего установился атмосферный режим позднего фанерозоя с высоким уровнем кислорода и низким содержанием углекислого газа.