Глава 20
Варианты познаваемого будущего.
Будущее недостижимо, за ним не угнаться, его не поймать. Чему нас точно научила история развития жизни, так это тому, что наравне с эволюцией другим участником игры на выживание всегда является случай. Случайность делает довольно ненадежными все прогнозы будущего хода игры. Замечательный ученый и блестящий писатель Дон Браунли из Вашингтонского университета все же попытался бросить вызов этой неопределенности будущего. Браунли считает, что существует так называемое познаваемое будущее, и что будущие события, как это ни парадоксально, тем более познаваемы, чем в более далеком будущем они могут произойти. По этому поводу Браунли выступал с сообщением о предсказуемых физических изменениях, которые ожидают нашу планету и Солнце. Один из примеров познаваемого будущего, которое можно довольно точно предсказать, — дальнейшая история развития нашего Солнца. Нам известно, что оно станет красным гигантом, его диаметр окажется больше земной орбиты и, вероятно, больше орбиты Марса, и, таким образом, Земля и Марс будут поглощены Солнцем через 7,5 млрд лет плюс-минус четверть миллиарда.
Изучение биологической эволюции на Земле углубляет знания ученых о событиях прошлого, способствуя таким образом пониманию возможного будущего. Например, мы знаем, что на эволюцию влияет не только взаимодействие форм жизни (конкуренция и хищничество), но в значительной степени также и события физической истории нашей планеты, ее атмосферы и океана. Хотя многие события по-прежнему будут диктоваться случаем, — скажем, интенсивностью взаимодействия Земли с космическими объектами, — тем не менее мы действительно можем довольно точно оценить вероятность изменения мировых температурных режимов, химии атмосферы и океана, крупномасштабные геологические события, которые непременно будут происходить в будущей истории Земли.
Понятие «обитаемая планета» предполагает, что формирование небесного тела имеет особенности, совокупность которых в конечном итоге приводит к появлению жизни. Мы уже рассматривали аспекты развития самых важных элементов и систем: энергетические (пищевые) компоненты, поддержание температурного режима, и изменения внутри этих систем или полное прекращение существования некоторых систем (например, расширение Солнца) вполне предсказуемы. Для развития жизни наиболее существенную роль играют циркуляция и трансформация таких элементов, как углерод, азот, сера, фосфор и разнообразные следовые элементы. Энергетические основы различных систем во многом определяются двумя источниками: Солнцем и теплом, которое образуется вследствие распада радиоактивных материалов в недрах Земли. Из этих двух источников энергии главным является Солнце, поскольку именно его воздействие обеспечивает процесс фотосинтеза.
Солнце — мощнейший ядерный реактор, но его стабильность сомнительна. По мере развития Солнца количество частиц в его ядре уменьшается, поскольку атомы водорода превращаются в атомы гелия. Парадоксальным при этом кажется то, что количество атомов в ядре Солнца уменьшается, но количество испускаемой им энергии (свет и тепло) медленно, но неуклонно увеличивается.
Все звезды типа Солнца обладают таким же признаком. Яркость Солнца за последние 4,5 млрд лет увеличилась на 30 %. Усиление яркости повышает и интенсивность освещения планет. Если процесс увеличения яркости Солнца продолжится, то исчезнут океаны, и на Земле воцарятся адские условия, сходные с теми, что сейчас существуют на Венере. Конечно, океаны не «выкипят», как это представлено на некоторых страшных изображениях будущего, но постепенно молекулы воды потеряют водород, который поднимется высоко в атмосферу, кислород при этом останется внизу.
Земля на протяжении всего своего существования находится в «умеренном поясе» Солнечной системы, то есть на «правильном» расстоянии от Солнца, и поэтому температуры на поверхности планеты благоприятны для существования океанов и животных — они не замерзают и не сгорают. Обитаемый пояс распространяется от известного предела непосредственно внутри земной орбиты до своей не до конца изученной внешней границы возле Марса или, возможно, дальше него. Обитаемый пояс расширяется по мере усиления яркости Солнца, и в будущем Земля окажется вне его пределов. По сути, она превратится в современную Венеру. Внутренняя граница обитаемого пояса находится всего в 15 млн км от нас, быстро приближается и достигнет Земли через 0,5–1 млрд лет (возможно, и быстрее). После этого Солнце станет слишком ярким для существования жизни на нашей планете…
Постоянно увеличивающийся объем солнечной энергии, который поступает на Землю в течение последних 4,567 млрд лет, уже давным-давно должен был убить все живое на планете, как, например, это случилось на Венере (если предположить, что там когда-либо существовала жизнь). Исключением была бы одна, но очень важная система, поддерживающая жизнь на Земле, — планетарный «термостат», описанный в первой главе. Более трех (возможно, и четырех) миллиардов лет данная система поддерживала баланс средних мировых температур между температурами кипения и замерзания воды (за исключением периодов «Земли-снежка»). Благодаря этому на Земле в течение весьма длительного времени стало возможно существование важнейшего элемента, необходимого для жизни, — жидкой воды. Также важно то, что живым формам, появившимся внутри ограниченного температурного диапазона, удалось поддержать свои физиологические и химические процессы, протекание которых серьезно зависит от температурного режима. Повышение температуры на планете под воздействием возрастающей солнечной энергии и, в том числе, увеличение углекислого газа в атмосфере — вот два процесса, которые в совокупности самым значительным образом повлияют в будущем на эволюцию живых организмов.
Периоды увеличения и снижения концентрации углекислого газа в природе за последние 500 млн лет (время появления и развития животных) сегодня хорошо изучены и задокументированы, однако животным, конечно же, необходим кислород. Мы описали изменения в соотношении этих двух газов в прошлом, и будущее поведение углекислого газа и кислорода так же хорошо предсказуемо, как и интенсивность увеличения яркости Солнца.
Долговременный прогноз в отношении поведения углекислого газа заключается в том, что продолжится та же тенденция, которая наблюдается на протяжении последнего миллиарда лет, — концентрация данного газа будет уменьшаться. Сокращение количества данного газа происходит из-за процессов и в самой живой природе, и в тектонике плит: чем больше потребляется CO2 для формирования скелетов живых существ, особенно в океане, тем меньше его в атмосфере. Если эти скелеты остаются в океане, заключенный в них углерод (теперь в форме карбоната кальция) вступает в процесс круговорота углерода. Однако тектоническое движение приводит к увеличению общей площади континентов, и известняк — могила атмосферного CO2 — накапливается на суше как осадочная порода.
Можно подумать, что долговременное снижение уровня углекислого газа неизбежно приведет к образованию «Земли-снежка» Но не похолодание из-за недостатка атмосферного CO2 ждет Землю в будущем. Будет жара. Повышение температуры как следствие воздействия Солнца сведет на нет процессы, ведущие к похолоданию, — уменьшение концентрации углекислого газа в атмосфере и парниковый эффект. Когда средняя температура на земном шаре достигнет примерно 50–60 °C, океаны начнут улетучиваться в космос.
Впрочем, на поверхности суши жизнь все равно исчезнет задолго до того, как исчезнут океаны — примерно через 2–3 млрд лет, потому что фотосинтезирующие организмы — от микроскопических форм до гигантских растений — не смогут выжить в условиях недостатка углекислоты. Убывание атмосферного CO2, источника углерода, в дальнейшем приведет к сокращению пригодных к обитанию зон на самой планете, поскольку кислорода тоже станет меньше.
Эти процессы можно наблюдать уже сейчас. Когда сосудистые растения только появились на поверхности Земли около 475 млн лет назад, атмосфера была насыщена углекислым газом. Не было необходимости накапливать углерод в физиологических процессах. Сегодня многим видам растений требуется как минимум 150 ppm углекислого газа, а вот Джеймс Кастинг в своей статье (1997 год) отмечает, что существует довольно большая группа растений, включающая, например, многие распространенные травянистые растения средних широт, которые используют совершенно другой тип фотосинтеза и могут выживать при более низком содержании CO2 в атмосфере, иногда даже при показателе 10 ppm, — это растения с фотосинтезом-C4, описанные в одной из предыдущих глав нашей книги. Такие растения просуществуют намного дольше, чем их коллеги, зависимые от высоких концентраций углекислого газа, и, конечно, эти более выносливые растения значительно продлят жизнь биосферы, даже когда уровень углекислого газа упадет намного ниже современных показателей.
Мы с уверенностью можем предсказать, что эволюция растений пойдет по пути развития форм, приспособленных к условиям с низким уровнем углекислоты. Кроме того, из-за повышения мировых температур растениям станет сложнее удерживать воду. У растений есть две противоборствующие потребности: дать возможность углекислому газу проникнуть внутрь и обеспечить фотосинтез и в то же время избежать чрезмерного испарения воды, при этом оба процесса происходят по одному и тому же каналу — через отверстия во внешнем покрове, устьица. Скорее всего, флора будущего будет состоять из плотных восковистых растений, полностью закрывающих свои устьица в темное время, когда солнца недостаточно для фотосинтеза.
Листья, по крайней мере в их сегодняшней форме, вероятно, исчезнут, то же самое произойдет и с травой. Узколистные травы и тонкие листья иных растений будут обречены из-за огромной потери воды. Все эти изменения неизбежно повлияют и на жизнь животных.
Через 500 млн лет, хотя, может быть, и через 1 млрд лет, уровень углекислого газа в атмосфере достигнет показателей, при которых привычная для нас растительная жизнь станет невозможной. Поначалу все будет не так уж драматично. Растения начнут погибать постепенно, планета не станет бурой за один день. На смену вымершим группам растений быстро придут другие, которые не будут разительно отличаться от погибших предшественников. Тем не менее типы фотосинтеза старых и новых растений будут совершенно разными. После этой перестановки жизнь на планете продолжится, наверное, почти в том же виде, в каком она существовала до изменения господствующего типа фотосинтеза. Продолжится еще какое-то время…
Существует вероятность, что растения разовьют и другие, пока неизвестные типы фотосинтеза, чтобы компенсировать недостаток углекислоты. В таком случае некоторые группы растений смогут выживать при самых минимальных концентрациях углекислого газа в окружающей среде. Однако рано или поздно погибнут даже самые стойкие. Все теоретические модели показывают, что количество CO2 будет неуклонно сокращаться до критического показателя 10 ppm.
Одной из главных проблем развития жизни в будущем является биоразнообразие — количество видов организмов на Земле. Возникают два вопроса: во-первых, будет ли видов больше, чем сейчас, и во-вторых, если их будет больше, то как долго это продлится? Чтобы ответить на эти вопросы, снова следует обратиться к прошлому.
Дефицит углекислого газа окажется опасным не только для растений. Крупные морские растения и, возможно, планктон также сильно пострадают. В конце концов изменениям подвергнутся все морские сообщества, поскольку пищевая основа большинства морских экосистем — фитопланктон, одноклеточные растения, плавающие в толще воды. Уменьшение количества углекислого газа повлияет на фитопланктон самым непосредственным образом. Но и без этого исчезновение сухопутных растений нанесет сокрушительный удар по объему биомассы морского планктона.
Морской фитопланктон очень уязвим в отношении своих ресурсов питания. Когда в морскую воду поступают нитраты, железо и фосфаты, фитопланктон бурно расцветает. Однако источником этих нитратов и прочего являются гниющие сухопутные растения, которые приносят в океан реки. Если на суше количество растений сократится, то и нитраты иссякнут. Моря ждет голод, количество планктона катастрофически уменьшится, а последствия этой катастрофы уже никогда не будут устранены. Даже если сухопутные растения продолжат свое существование в том режиме, как описывалось чуть выше, невозможно будет наполнить океан тем огромным количеством питательных элементов, которое поступает в моря, например, в современном мире в отсутствие дефицита углекислого газа.
Основы пищевых цепей в том виде, в каком они существуют сегодня, исчезнут. Потеря растений приведет к упадку биологической продуктивности — мере общего количества живых организмов на планете. Жизнь тем не менее еще не погибнет окончательно — массы бактерий, например, синезеленые водоросли, продолжат существовать, поскольку эти одноклеточные способны жить при таких показателях углекислого газа, которые для прочих — многоклеточных растений — слишком малы для поддержания жизни. Кроме того, синезеленые водоросли не нуждаются в кислороде.
Гибель растений до неузнаваемости изменит сухопутные организмы и всю природу на поверхности планеты. Исчезнут корни, и поверхностные слои суши станут неустойчивыми, изменится характер рек. Большие извилистые реки, какими мы их знаем, начали формироваться со времен силура (около 400 млн лет назад), когда появились наземные растения, поскольку для образования берегов требовались корни, сдерживающие породу. Когда растений нет — из-за крутого склона, неблагоприятной почвы или других причин, — образуются реки совершенно иного рода: потоки со множеством рукавов, как это бывает в аллювиальных дельтах или на границах ледников — то есть в среде того типа, где существование растений с развитой корневой системой затруднено или вовсе невозможно. Такова была природа рек на поверхности планеты до распространения сухопутных растений, такой она станет и в случае, если растения исчезнут из-за нехватки углекислого газа.
Выветривание почв также может стать неизбежной и грустной потерей. С исчезновением почв обнажатся горные породы. Когда на поверхности планеты начнется этот процесс, изменится альбедо — отражательная способность земной поверхности, и больше света начнет отражаться обратно в космос, а это, в свою очередь, повлияет на температурный режим Земли. Атмосфера, теплообмен в ней и режим осадков полностью изменятся. Ветер начнет переносить частицы песка, образованного совокупным воздействием жары, холода и воды на обнаженные горные породы. Механическое выветривание создаст огромные массы песка, несмотря на то что воздействие химического выветривания вследствие исчезновения почв снизится. Поверхность планеты покроется бесконечными барханами.
Хотя этот период и станет провозвестником окончательного вымирания растений на суше (а возможно, и в океане), но скорее всего растения продолжат свое существование еще долгое время, может, сотни миллионов лет — пока будет позволять количество углекислого газа в атмосфере. Гибель растений приостановит выветривание, а углекислый газ снова начнет накапливаться в атмосфере, позволяя некоторым сохранившимся семенам и корешкам прорасти и пожить, по меньшей мере, еще несколько тысячелетий, хотя численность растений будет гораздо меньше прежней. Как только растения снова распространятся на суше, усилится выветривание, а углекислый газ из атмосферы станет уходить интенсивнее.
Жизнь животных зависит от уровня кислорода в атмосфере. Практически не существует животных, которые могли бы существовать в условиях отсутствия кислорода или при наличии очень небольшого его количества в окружающей среде (в 2010 году в глубоководной области Средиземного моря были обнаружены беспозвоночные, способные жить бес кислорода). Дэвид Катлинг из Вашингтонского университета предположил, что примерно через 15 млн лет после исчезновения растений в атмосфере останется всего 1 % кислорода.