Зачем нужна геология - Дуг МакДугалл

четко установленного суперконтинента, которое началось примерно 2,1 миллиарда лет назад, а также образование первых колоссальных горных цепей, подобных Андам. Ему также соответствуют первые окаменелости эукариотов, которым 1,8 миллиарда лет.

Трудно переоценить важность того эволюционного шага, который привел к появлению эукариотов. Биологи считают это одним из важнейших шагов в эволюции жизни. Без него некому было бы читать эту книгу. Данные ДНК показывают, что эукариоты несут гены обоих типов организмов, существовавших до них — и бактерий, и архей. Каким-то образом одна разновидность этих предков-прокариотов проглотила или захватила другую, но вместо того, чтобы уничтожать друг друга, они построили своеобразные симбиотические отношения. По-видимому, так возникли внутренние структуры эукариотов, например, митохондрии (заключенные в мембраны крохотные органеллы, производящие энергию). Митохондрии (которых в одной клетке могут быть тысячи) позволили эукариотам обрести размеры намного большие, чем у предков-прокариотов, поскольку теперь реакции, вырабатывающие энергию, шли внутри клетки с помощью множества митохондрий, а не через внешнюю клеточную стенку (когда клетка увеличивается в размере, ее объем увеличивается быстрее, чем площадь поверхности, а поэтому клетка-прокариот без митохондрий быстро достигнет точки, где ей уже не будет хватать энергии для функционирования). Наличие различных внутренних структур (в частности, ядер и митохондрий) также позволило эукариотам образовывать многоклеточные организмы и развивать в разных клетках специализированные функции. Это подготовило почву для эволюции сложных растений и животных, хотя до нее оставался еще миллиард лет.

Примерно в то же время, которым датируют первые останки эукариотов, 1,8 миллиарда лет назад, Колумбия достигла своего максимального размера. Как уже говорилось, спустя несколько сотен миллионов лет суперконтинент распался, и образовавшиеся мелкие материки дрейфовали по планете, пока не стали собираться во второй великий протерозойский суперконтинент — Родинию. Этот процесс начался примерно 1,3 миллиарда лет назад. Затем — ближе к концу эона — произошел всплеск геологической активности. Очень быстро (с геологической точки зрения), в течение 300 миллионов лет, Родиния стала распадаться, а на планете началась серия оледенений, два из которых были очень серьезными (Земля-снежок). В то же время уровень кислорода в атмосфере, который в период скучного миллиарда колебался, но оставался низким, подскочил почти до современной величины, и на морском дне распространились новые сложные животные. Мы снова можем задать вопрос: есть ли связь между этими вроде бы не имеющими друг к другу отношения событиями? Ответ большинства геологов, тщательно изучавших эти факты — осторожное «вероятно».

Окончательный распад Родинии произошел между 850 и 800 миллионами лет назад, и почти одновременно на планете резко похолодало. Геологические свидетельства оледенения настолько масштабны, что интервал между 850 и 635 миллионами лет назад называется криогений (это не официальный период геологической шкалы, но термин широко используется учеными). Считается, что в этот промежуток времени было как минимум два глобальных ледниковых периода, когда лед простирался до тропиков, и, возможно, замерзали даже значительные части океана. Чтобы описать эти события, предложен термин Земля-снежок (или Земля — снежный ком).

Читать геологическую летопись возрастом в 800 миллионов лет гораздо проще, чем извлекать информацию из сильно метаморфизованных архейских или ранних протерозойских пород, и в результате о Земле-снежке мы знаем довольно много. Существуют косвенные, но довольно правдоподобные свидетельства, что после распада Родинии выветривание новых материков забрало достаточно много углекислого газа из атмосферы: парниковый эффект ослаб, и на Земле наступило похолодание, апогеем которого стали морозы криогения. Уникально то, что все эти материки находились на низких или средних широтах (подобное расположение с тех пор не повторялось), и их окружали относительно теплые океаны. Из-за обильных источников влаги и температур, находившихся в диапазоне от умеренных до тропических, выветривание (и связанное с ним удаление из воздуха углекислого газа) шло быстро. Это необычное скучивание континентов в низких широтах имело и другие последствия. Суша отражает солнечную энергию сильнее, чем вода, особенно при отсутствии растительности, как это было 800 миллионов лет назад. Поскольку все материки находились там, куда падает максимум солнечных лучей, то в космос отражалось больше энергии. Хотя к тому времени поток энергии от Солнца значительно усилился по сравнению с начальными этапами истории нашей планеты, он все еще был примерно на 6 процентов слабее, чем сегодня. Это способствовало понижению температуры во всем мире и подтолкнуло Землю к продолжительному холодному промежутку времени, отмеченному ледниковыми периодами, один или несколько из которых, вероятно, были самыми суровыми в истории нашей планеты.

Главным ключом для определения низкоширотного положения материков криогения, на которые разделилась Родиния, стали магнитные свойства горных пород. Когда стало ясно, что оледенение было распространено на всех континентах, некоторые геофизики отнеслись к этому скептически. Еще труднее было согласиться с данными, что как минимум часть этих ледниковых отложений образовалась на уровне моря, а не высоко в горах. Ледники в низких широтах существуют и сегодня, но только на больших высотах в горных системах вроде Анд и Гималаев. Однако в криогении ледниковые щиты соскребали обломки с континентов, текли к береговой линии и дальше и сбрасывали беспорядочные ледниковые отложения прямо на мелководье континентального шельфа. Как такое могло происходить в тропиках? Снова возникло предположение, что специалисты по палеомагнетизму всё путают, и в действительности во время ледниковых периодов материки находились в высоких широтах. Но несмотря на сотни исследований, направленных на поиск ошибок в палеомагнитных измерениях, никаких изъянов там не нашлось.

Компьютерное моделирование показывает, что ледники на материках в средних широтах вкупе с морским льдом вокруг полюсов могут отражать в космос столько солнечных лучей, что Земля перейдет в стадию бесконтрольного замерзания. Конечно, эти модели зависят от предполагаемых начальных условий — например, от концентрации парниковых газов в позднем протерозое. Мы не знаем этих величин наверняка, но их можно оценить, и полученные модели говорят, что Земля-снежок могла получиться: ледники могли быть даже в тропиках, а части океана могли замерзнуть.

Вот аргумент против такого сценария: если ледники распространились по тропикам, то солнечные лучи стали бы отражаться еще больше, и в результате планета попросту осталась бы замороженной. Как при таких условиях ей снова нагреться?

Ответ (или, по крайней мере, ответ, который соответствует данным из летописи горных пород) снова обращает наше внимание на важность парниковых газов для климата Земли. Джозеф Киршвинк, профессор геобиологии из Калифорнийского технологического института, придумавший в 1992 году термин «Земля-снежок», первоначально скептически отнесся к идее тропического оледенения во время криогения. Но когда его переубедили, ученый высказал предположение, как такой суровый ледниковый период мог завершиться. Киршвинк указал, что даже на замерзшей Земле вулканы продолжат извергать лаву, содержащую газы, в том числе и углекислый. При