«В оледенениях «виновата» биосфера»

Научный руководитель ГЕОХИ РАН, академик Эрик Михайлович Галимов - «В оледенениях «виновата» биосфера»

– Эрик Михайлович, недавно вы вернулись из Перми, где проходил большой научный форум. Что это за мероприятие?

– Это был научно-просветительский форум, смысл которого в том, чтобы познакомить научную общественность, в данном случае Уральского региона, с передовыми идеями и положениями в науке, о которых могли бы рассказать люди, которые эту науку делают. Был приглашен ряд, на мой взгляд, активно работающих ученых. Темы были совершенно разные. Например, выступил академик Валерий Анатольевич Рубаков, известный физик. Александр Олегович Глико, академик-секретарь Отделения наук о земле, сделал интересный, даже неожиданный ретроспективный доклад о том, как возникала современная геофизика от начала ее зарождения до сегодняшних дней. Был интересный доклад известного генетика Николая Казимировича Янковского, в недавнем прошлом директора института общей генетики РАН. Ну и ряд других докладов. Так что диапазон тем был обширным.  Зал вместительный, большой, был заполнен главным образом молодыми людьми, хотя приглашались все желающие.

– На какой площадке все это проводилось?

– Организовывал все это Пермский научный центр под руководством академика Валерия Павловича Матвеенко, он сам энтузиаст такой просветительской деятельности. Mы должны быть благодарны таким людям, которые берут на себя труды заниматься организацией подобных мероприятий. Научная программа оказалась очень сильной. В перерывах демонстрировали документальные фильмы, тоже достаточно интересные. Культурная программа была координирована с заявленным профилем. Словом, это было очень интересное и полезное мероприятие, и я считаю, что их надо проводить как можно чаще. И не только в Перми.

– Давайте остановимся на вашей лекции. Насколько я знаю, вы преподнесли свои новые идеи.

– Я коснулся причин оледенений в истории Земли. Размышлял я об этом давно. Тема сама по себе чрезвычайно любопытна. Речь идет не об оледенениях последнего времени, которые сменяют периоды потепления и документируются, в частности, ледовыми кернами. Речь о другом. В истории Земли, на протяжении четырех с половиной миллиардов лет, не раз случались периоды оледенений. Небольшое оледенение отмечено в геологической летописи 2,7 миллиарда лет назад. Но через некоторое время, 2,4 миллиарда лет назад, возникает грандиозное по масштабам оледенение, которое длится почти 200 миллионов лет. То есть, Земля представляла собой  ледяной шар. Затем наступило потепление, и целых полтора миллиарда лет никаких оледенений не было.

А потом они опять начались. 730 миллионов лет назад – опять оледенение. Потом потепление, потом – 600 – опять потепление. И так далее.

– То есть, они сокращаются, эти периоды?

– Нет, длительность оледенений более или менее одинаковая. Промежутки не то чтобы равные, но не значимо отличающиеся друг от друга по длительности. И это происходит до Пермского времени.

– Так вот почему именно в Перми вы решили об этом рассказать.

– Похоже, да. Так совпало. В общем, получается замысловатая картинка. Каковы причины такой странной неравномерности? Называют самые разные: от космических до геологических. Однако факторы, действующие в одном случае, никак не проявляют себя в другое время.

– Неужели вам удалось выяснить причину такого характера оледенений?

– Я считаю, что во всём этом «виновата» биосфера и низкая светимость Солнца.

– Каким же образом «виновата» биосфера? И разве Солнце недостаточно горячее?

– Астрофизики обычно обсуждают явление низкой светимости Солнца применительно к моменту, когда звезда только зажигается. Она сначала имеет относительно низкую светимость, а потом постепенно разогревается, и поток энергии, идущий от нее, увеличивается. Но дело в том, что Солнце вообще никогда не обеспечивало температуру на поверхности Земли выше нуля. Никогда. У нас сегодня средняя температура на Земле плюс 15 градусов. Но если мы возьмем солнечную радиацию, идущую на Землю, то она обеспечивает температуру на Земле только минус 18 градусов.

– А остальное за счет биомассы?

– Нет, совсем нет. Остальное за счет того, что на Земле есть атмосфера, и она включает так называемые парниковые газы – CO2, метан, что всем известно. Мы боремся за то, чтобы снизить выбросы этих газов в атмосферу, поскольку это перегревает планету. Но именно наличие CO2 и метана обеспечивает климатический режим. Если это убрать, будет минус 18 градусов, все замерзнет, а Солнце, несмотря на то, что от него энергия всё же идет, не обеспечивает эту температуру. А если взять раннее Солнце, то тогда температура была бы вообще минус 40 градусов.

– Ужас, мы не выжили бы.

– Да, все живое бы замерзло. Вернее, оно бы и не родилось. Но была атмосфера, которая защищала Землю. В Архее, а это 3,5-4 миллиарда лет назад, климат теплый, была жидкая вода, океан. Никакого замерзшего шара.

– Но, тем не менее, всё замерзло, как вы говорите, 2,4 миллиарда лет назад.

– И вот здесь – центральная мысль. Дело в конфликте между ролью CO2 как парникового газа, защищающего от космического холода, и его ролью как источника углерода биосферы. Через фотосинтез этот углерод переходит в биосферу. Уменьшение содержания СО2 в атмосфере приводит к охлаждению. Холод, оледенение угнетают жизнь. Содержание CO2 возрастает. Возвращается теплый климат. Идея состоит как раз в том, что на фоне низкой светимости Солнца оледенения возникают именно потому, что есть конфликт между ролью CO2 в качестве парникового газа и его ролью в качестве источника биосферы. Они борются, по сути дела, за это, и эта борьба в ту или иную сторону приводит к изменениям климата. Но почему тогда нет простой периодичности? Почему было тепло в течение почти всего Архея? Откуда катастрофическое 200 миллионолетнее гуронское оледенение? И почему 1.5 миллиарда лет без оледенений?

– Почему же?

– Потому что не всегда роль ведущего парникового газа играл диоксид углерода – СО2. Было время, когда эту роль исполнял метан. Американец Тобиас Оуэн, которого я хорошо знал, еще лет 40 назад произвел расчеты и показал, что при давлении больше 0.3 атмосферы (сегодня оно в тысячу раз меньше, три сотых процента атмосферы) даже при низкой светимости раннего Солнца, 4 -4.5 миллиарда лет назад, температура на поверхности Земли была бы выше нуля. Дефицит солнечной радиации был бы компенсирован парниковым эффектом.  Правда, позже другой американский ученый, Джеймс Кастинг, указал на то, что при таком давлении, например, в условиях Марса СО2 должен сконденсироваться и не может обеспечить парниковый эффект. А известно, что на Марсе тоже была жидкая вода. Такую роль мог бы играть метан. Но в то время считалось, что метан быстро подвергается фото-распаду и поэтому не может долго оставаться в атмосфере.

Поворот наступил, когда Карл Саган где-то в 1997 году опубликовал статью, в которой показал, что с метаном не так все просто. Дело в том, что, когда он разлагается, возникает аэрозоль, который защищает его в тех частях спектра, которые как раз являются убийственными для метана. Метан как бы самоэкранируется. Так он был реабилитирован в качестве возможного парникового газа.  

Приблизительно в то же время я в журнале “Icarus”, в котором велись эти дискуссии, опубликовал статью о том, что на Марсе была метановая атмосфера, исходя из изотопного состава углерода марсианского метеорита.

– У вас? В вашем музее внеземного вещества?

– Да, как ни странно, хотя космические аппараты не доставляли на Землю вещество с Марса, мы располагаем им. Это так называемые марсианские метеориты – куски марсианских пород, выбитые с поверхности Красной планеты ударами астероидов и попавшие, в конечном счете, на Землю. Есть достоверные доказательства того, что это именно так. В том числе марсианский метеорит, возраст которого 4,5 миллиарда лет – Allan Hills 840011. В этом образце есть карбонатные включения. Они имеют совершенно аномальный изотопный состав углерода, плюс 40 промилле. Такие цифры могут быть объяснены только в том случае, если атмосфера в то время была метановая. Не менее 90% должно быть метана для того чтобы карбонат имел такой изотопный состав.

– А на Земле атмосфера тоже могла быть метановой?

– Именно этот вопрос меня больше всего и интересовал. Когда я начинал заниматься вопросами происхождения жизни, было принято считать, что атмосфера метановой быть не могла. Я и сам считал, что весь химизм процессов об этом говорит. Поэтому я со своими представлениями и с существующей парадигмой входил в противоречие. Это вынудило меня заняться вопросом метана. А для этого пришлось копать, что называется, глубоко – в земную мантию.

Дело в том, что мантия Земли окислена. То есть, она имеет кислородный потенциал более чем восстановленный. В равновесии с этой мантией метан не может быть. А вот CO2 может быть. Это было одним из очень важных факторов, что земная мантия не в состоянии быть в равновесии с метаном, следовательно, метановой атмосферы не могло быть.

– У нас? 

– Поскольку геохимия развития планет более-менее одинаковая, то если нет на Марсе, то логично предположить, что нет и у нас. Но всегда ли так было? И я стал заниматься вопросом: всегда ли мантия была окислена? Сегодня установлено, что она окислена, начиная с четырех миллиардов лет. Но что было до четырех миллиардов лет, мы не знаем. У нас нет данных.

– Ни одного свидетеля не сохранилось.

– Да. А могло ли быть так, что мантия была раньше восстановленной, то есть, в равновесии с метаном, а только потом стала окисленной? У меня была на эту тему опубликована работа в журнале Earth and Planetary Science Letters, где я показывал, что сначала она была восстановленная, а потом стала окисленной. Следовательно, метан был раньше, и жизнь возникла в метановой (восстановительной) атмосфере, что для меня было важно. Все начинается с метановой атмосферы на планете.

– А в какой момент появляется кислород?

– До кислорода ещё очень далеко. Вначале атмосфера была абсолютно бескилородная. Вначале парниковым газом, который обеспечивал теплое начало Земли, несмотря на дефицит солнечной энергии, был метан. Но потом произошло окисление, и уже в Архее должен быть CO2. И теплое море. В это время метан уже не может быть. И тут появляется работа еще одного американца, который занимался почвами. Он изучает, в частности, почвы в архее. И выясняется, что в почвах в Архее нет сидерита, это FeCO3. А сидерит обязан быть, если давление CO2 будет выше определенной величины. А этой величины не хватает, чтобы компенсировать дефицит солнечной энергии.

– Опять парадокс.

– Да, парадокс. Но его решает упомянутый мной Джеймс Кастинг. Он говорит: «Ладно, пусть это будет метан». Почему нет? Это отлично согласуется и с моим ходом мыслей. Жизнь зародилась в метановой атмосфере, значит, первыми и наиболее распространенными организмами были метаногены, то есть, там должен быть метановый метаболизм. Это были микроорганизмы, которые продуцируют метан.

А кислорода нет, он появится позже, когда будет фотосинтез. И в этой бескислородной атмосфере хозяйствует метан. Это очень логично. Метан в Архее – это очень трудно воспринять, ведь это не такое уж давнее время, у нас уже есть породы. Но как раз эти-то породы и говорят, что не CO2, а именно метан.

– И сколько же мы так жили без кислорода?

– Терпение, и будет вам кислород. Так все продолжается до 2,7 миллиарда лет. То есть, почти два миллиарда лет главенствовал метан. Но как себя ведет биосфера? Это тоже связано с философией моих представлений о происхождении жизни. Я не считаю, что дарвинизм является решающим в эволюции жизни, как, впрочем, сейчас и многие. Дарвинизм – это теория адаптации, и здесь это правильно. Но это не теория эволюции. Эволюция – это усложнение жизни от микроорганизма до сегодняшних представителей, до нас с вами, и это не результат естественного отбора.

– А результат чего?

– Если в двух словах – это результат упорядочения вещества. В термодинамике есть такое базовое представление – это так называемый второй закон термодинамики, когда все, что предоставлено самому себе, должно разупорядочиться. Ничего не может вдруг создаться само по себе, без того, что вы предлагаете к этому какую-то работу. Поэтому все, что упорядочено – это кем-то упорядочивалось, потому что само по себе оно должно разупорядочиться. Второй закон термодинамики безупречный.

Но дело в том, и в этом тонкость, что, если есть два процесса, сопряженных, неразрывно связанных между собой, то может быть одновременно то и другое – разупорядочивается, а это же время упорядочивается. В сумме всё идет согласно второму закону. Но вот слагаемые могут вести себя так, что один чуть больше разупорядочен, другой меньше. Жизнь собой представляет эту тонкую струйку порядка в беспорядке. Она в этом беспорядке рождается и развивается. И она ведет к упорядочиванию все большему и большему.

– Гомеостаз растёт, энтропия падает.

– Совершенно верно. Рождение негэнтропии за счет увеличения энтропии в целом – и есть жизнь. Это моя концепция происхождения жизни вообще, независимо от среды. Но вот по каким путям жизнь будет искать возможность этого упорядочения? Оказывается, это упорядочивание приводит к тому, что самой удобной формой является фотосинтез.

– Фотосинтез удобен эволюции?

– Да. Существование и развитие метаногеновой жизни было вполне возможно, но если использовать квант света, то оказывается, энергетически это целесообразнее.

– И вот тут появляется кислород.

– Появляется фотосинтез. А фотосинтез, действительно, приводит к тому, что образуется молекула кислорода. Есть вода, есть CO2, и тут возникает органическое соединение плюс кислород. Сначала кислород сидит локально. Первое образование жизни – это строматолиты, слоистые образования. Это прокариоты, то есть, очень примитивные организмы, часть из которых является метаногенами, а часть – фотосинтетиками. Они выделяют кислород, но он мгновенно потребляется в этой же среде. Он пока никуда не уходит, он весь в строматолитах.

– Это переходный организм?

– Да. Но, поскольку прокариоты, которые выделяют кислород, фотосинтетики, они не нуждаются в сообществе строматолитов. И фотосинтетики стали потихонечку уходить из строматолитов, распространяться в океане и выделять кислород. И вот с этого момента начинается появление кислорода, но не в атмосфере, а в океане.

Это  происходит 2,7 миллиарда лет назад. Мы видим кислород по возникновению изотопного фракционирования серы.

– Когда же он появился в атмосфере?

– Кислород не может сразу появиться в атмосфере, потому что океан набит буфером восстановленных соединений. Вода океана имела в растворенном состоянии колоссальное количество FeO. Как только кислород выделяется, FeO его прихватывает, становится Fe2O3 – окисляется. Fe2O3 нерастворим – он уходит в осадок. Это продолжается очень долгое время. Fe2O3 образует колоссальные руды джеспилитов. Это период между приблизительно 2,7 миллиарда лет назад и 2,4. Он характерен гигантскими накоплениями железных руд. Это важное свидетельство. В это время огромные накопления руд происходят в мире. В Австралии Хамерсли, Лабрадор в Канаде, наша Курская магнитная аномалия. Колоссальные железные руды, накопленные в это время, и образовались они из того FeO, который был растворен в воде. И вот 2,7 миллиарда лет, как мы уже говорили, происходит первое небольшое, понгольское, оледенение.

– Неужели потому, что кислород пошел в атмосферу?

– Да, слегка пошел. Но ещё совсем немного, еще не случилось никакой катастрофы.

– Поэтому и оледенение маленькое?

– Да, маленькое. Пока океан держит кислород. Потом FeO кончился, и кислород рванул в атмосферу. Присутствие метана в кислородной среде противопоказано, и его содержание в атмосфере стало быстро падать. А ведь именно метан был главным утеплителем. Но он ушел из атмосферы. Содержание CO2 за это время тоже росло. Но не доросло до того уровня, который достаточен для компенсации дефицита солнечной светимости. Метан ушел, CO2 не дорос – и вот температура на Земле упала. Началось колоссальное гуронское оледенение. Есть очень четкий геохимический индикатор, так называемый не масс-зависимый изотопный эффект серы. Он проявляется только в атмосфере, лишенной кислорода. 2,4 миллиарда лет назад этот эффект исчез.

С этого момента в следующие 200 миллионов лет Земля остается беззащитной. Тем временем содержание CO2 постепенно растет: за счет выноса из недр, за счет окисления органического углерода. В конечном счете, его содержание достигает уровня, достаточного для компенсации низкой светимости Солнца. Возвращается теплый климат. Он держится полтора миллиарда лет. Жизнь, как только теплый климат появился, стала процветать. Но объем биомассы и биопродукции еще долгое время, те самые полтора миллиарда лет, оставались несопоставимо малыми в сравнении с резервуаром углерода СО2 атмосферы.

И только 730 миллионов лет назад, после полутора миллиардов лет, количество потребляемой CO2 из атмосферы становится достаточным, чтобы  его содержание опустилось ниже уровня компенсации светимости. И тогда опять наступает оледенение. Но как только наступает оледенение, проседает биосфера, и CO2 поднимается до своего уровня. Начинается потепление.

– Значит, оледенения – это саморегуляция биосферы планеты?

– Саморегуляция началась с момента 730 миллионов лет назад. И так пошло, одно за другим. Но потом всё опять затормозилось. Почему? Потому что теперь жизнь вышла на сушу. До этого момента она все время была в океане. Но когда жизнь вышла на сушу, эта налаженная система периодичности, равновесной борьбы за CO2, опять изменила свой характер, потому что огромное количество углерода оказалось теперь на суше, которая имеет совершенно другой оборот веществ, чем морская среда.

Сейчас в атмосфере сосредоточено 590 миллиардов тонн CO2. А в океане только четыре миллиарда тонн живого вещества при 70 миллиардах тонн производимой продукции. На суше сосредоточено 750 миллиардов тонн углерода. То есть, появился совершенно другой цикл углерода. Жизнь все время складирует углерод в осадочной оболочке. Его содержание там то и дело растет, а возможности дегазации Земли сокращаются. Поэтому дело идет постепенно к неизбежному и необратимому охлаждению.

– И что же делать в столь драматической ситуации?

– Это тренд, который растянут на миллионы лет. От нас вами он далек. Если говорить о близких перспективах – наша озабоченность современным потеплением из-за выброса СО2 правильна. Из-за резких изменений климата происходят катастрофические явления. Речь идет о потеплении в масштабе десятилетий, столетий. А то, о чем я говорю, – это масштаб миллионов лет. То есть, в масштабе миллионов лет нам надо заботиться о том, чтобы не замерзнуть. А в масштабе десятилетий – чтобы не переутеплиться.

– Как же решить это противоречие?

– Надо просто иметь в виду одно, когда делаешь другое. Нужно знать, что общая геологическая тенденция связана с существованием самой биосферы. Она состоит в том, что геологически Земля охлаждается. Надо изучить потоки, надо просчитать скорость этого охлаждения, оценить масштаб антропогенного влияния. Мы должны это достаточно хорошо изучить, понимая, что такая проблема есть.

Это одна сторона дела. А вторая – рассматривать то, с какой скоростью мы влияем на все эти процессы, с нашими выбросами, с нашей промышленностью, и как это соотносится со всем происходящим. Нужно поставить всё это на научную основу, сделать расчеты, и тогда будет ясно, что надо делать.

– Мы опять приходим к тому, как важна фундаментальная наука.

– Это именно то, что я пытаюсь все время сказать.

– Эрик Михайлович, но ведь существуют планеты, где светимость звезд может быть выше. Там всё может развиваться совсем по другому сценарию?

– Это хороший вопрос. Что было бы, если бы с самого начала светимость Солнца была достаточной? Тогда бы температура была выше нуля, а газы типа CO2, метана, подняли бы эту температуру еще выше. Тогда бы вода вскипела, превратилась в пар, и  фотолиз привел бы диссоциации H2O, водород уходил, оставался кислород, который бы углерод окислял. Тогда у нас была бы CO2-атмосфера, теплая и очень плотная. Что это вам напоминает?

– Венера?

– Да. Это сценарий Венеры.

– А если бы светимость, наоборот, была еще ниже?

– Тогда медленнее достигался бы уровень компенсации, и гуронское оледенение длилось бы не 200 миллионов лет, а два миллиарда лет. И тогда к сегодняшнему дню мы имели жизнь на уровне примитивных, простейших организмов, микробов, не более.

– Выходит, нам повезло?

– Да, нам очень повезло с нашей светимостью Солнца, именно такой,  дефицитной, которая оказалась достаточной, чтобы на хрупком равновесии поддерживать долгое развитие жизни.

Беседу вела Наталия Лескова.