Неизвестная Земля: путешествие в историю со скафандром
Система двух лун
Ваши ноги утопают в серой пыли, поверхность до горизонта испещрена кратерами, а над головой, несмотря на день, – черное звездное небо. Может показаться, что вы на Луне, но, попытавшись найти на небе Землю, вы обнаруживаете низко висящий гигантский полумесяц. Диаметр ее диска гораздо больше солнечного.
Добро пожаловать на Землю ясельного возраста – эон катархей. Это так называемая догеологическая эпоха, самый первый период жизни Земли, а если по-научному – геологический эон. Он начался с зарождения Голубой планеты – около 4,54 миллиарда лет назад – и продлился 600 миллионов лет. От него здесь не осталось даже каких-либо «нормальных» горных пород, доступных для изучения.
Многие молодые безжизненные планеты в других мирах будут выглядеть именно так. В катархее планета еще полностью лишена жизни: она появится лишь после – в архее. Но сегодня планета пока еще крайне холодна. Очень разреженная атмосфера неспособна сохранить тепло, полученное от молодого Солнца. В то время наша звезда светила не так ярко, как сейчас, а ее светимость была на 30 процентов меньше.
Сутки на планете длились всего шесть часов, что было равно периоду обращения Луны вокруг Земли. А сам ее спутник находился на расстоянии каких-то 17 тысяч километров. Сейчас на этой высоте располагается внешний радиационный пояс, защищающий планету от солнечного ветра. Но в катархее не было ни радиационных поясов, ни магнитного поля у планеты. К слову, сейчас даже орбиты навигационных спутников находятся выше, чем Луна в тот период, – от 19 до 23 тысяч километров над уровнем моря, а геостационарные расположены в два раза дальше – около 35 тысяч.
Но это расстояние постепенно увеличивалось (поначалу со скоростью около 10 километров в год). К концу катархея скорость удаления Луны от Земли снизилась до четырех сантиметров в год, а расстояние между ними в то время составляло около 150 тысяч километров. Сегодня Луна уже улетела от нас на расстояние около 384,3 тысячи километров.
В то время Луна обращалась вокруг планеты так близко, что в результате действия приливных сил землетрясения на ее поверхности практически никогда не прекращались. Сразу после своего образования Земля имела достаточно однородный состав, не существовало ни ядра, ни земной коры. Она была сравнительно холодным космическим телом, и температура в ее недрах не превышала температуры плавления вещества. Но в течение катархея, в том числе благодаря нашему спутнику, на планете продолжались процессы уплотнения протовещества. С началом его расплавления и разогрева начался и новый геологический период истории Земли – архей. Луна же осталась практически первозданной – такой, какой мы ее знаем. А на Земле тем временем становится жарко и зарождается жизнь.
Раскаленная планета
На эту Землю нам лучше не садиться. Условия здесь круче, чем на современной Венере. Архейский этап в истории Голубой планеты продлился полтора миллиарда лет. И за это время она несколько раз меняла свой облик.
Планета раннего архея окутана плотной парогазовой оболочкой. Непроницаемая для солнечных лучей, она погрузила Землю в темноту – на поверхности царит мрак. Никакого кислорода здесь нет – только углекислый газ и водяной пар. Плотность и давление такой атмосферы значительно выше современных значений. Гидросфера планеты только появляется: воды на поверхности немного, а единого Мирового океана пока не существует. Единичные водоемы изолированы друг от друга и очень горячи: температура в них достигает 90 °C. А с неба то и дело падают метеориты. В начале эоархея – первой геологической эры архейского эона – продолжалось сопровождавшее с самого рождения Землю частое падение астероидов, это было время завершения так называемой поздней тяжелой бомбардировки.
Со временем парогазовая оболочка разделится на гидросферу и атмосферу. К концу палеоархея, следующей эры архейского эона, завершается формирование твердого ядра Земли. Вследствие этого напряженность магнитного поля планеты стала уже достаточно высокой и составляла не менее половины современного уровня. Этого достаточно, чтобы защитить газовую атмосферу от солнечного ветра.
«Планета-океан»
Мезоархей, третья эра архея, тоже не лучшее время для посещения планеты. Земля представляет собой «планету-океан»: вся ее поверхность – глобальный океан. Он неглубокий, очень соленый и горячий. Его воды имеют зеленоватый цвет за счет высокой концентрации растворенного двухвалентного железа, а небо над ним оранжевое – из-за высокой концентрации метана в атмосфере.
Суша представлена лишь вулканическими островами, которые на протяжении среднего архея росли в численности и постепенно складывались в первые крупные участки поверхности. Луна все еще находится близко к планете, и ее столь близкое присутствие вызывает гигантские приливные волны до 300 метров высотой. В практически лишенной кислорода атмосфере господствуют ураганные ветры. Земля постепенно остывает и замедляет суточное вращение.
В конце архея – неоархее – на арену истории Земли выходит кислородный фотосинтез: жизнь начинает менять планету. Атмосфера наполняется ядовитым газом – как ни странно, это кислород. В самом начале следующей эры, палеопротерозоя, глобальное изменение состава атмосферы стало причиной кислородной катастрофы.
Большинство живых организмов того времени были анаэробами: они не только не нуждались в кислороде, но и не могли существовать при его значительных концентрациях. В свою очередь, аэробы – организмы, использующие кислород для процессов синтеза энергии, предки большинства современных животных, растений и микроорганизмов. Они ограничены лишь «кислородными карманами», изолированными от остальной атмосферы пространствами, где был кислород. С изменением атмосферы, как говорят ученые, «биосфера вывернулась наизнанку». Организмы, для которых кислород был ядом, стали меньшинством и спрятались в места, где его не было, а доминирующее положение заняли аэробные сообщества.
«Планета-снежок»
Такая планета полностью покрыта льдом – от горизонта до горизонта. Мы знаем, что это Земля. Вот только какого периода? Одно из древнейших и наиболее продолжительных оледенений на Голубой планете – гуронское оледенение. Оно началось и закончилось в палеопротерозое – геологической эре, стартовавшей после неоархея.
Архейский океан, который покрывал Землю, замерз на 300 миллионов лет. Причиной этого древнейшего и наиболее продолжительного оледенения на Земле стала кислородная катастрофа, в ходе которой в атмосферу поступило большое количество кислорода, выработанного фотосинтезирующими организмами. Метан, ранее присутствовавший в атмосфере в больших количествах, вносил основной вклад в парниковый эффект – гораздо больший, чем углекислый газ. Рост концентрации свободного кислорода удалил метан из атмосферы, окислив его в углекислый газ и воду. Солнце в то время грело все еще значительно слабее, чем в наши дни. Поэтому именно метан, как сильный парниковый газ, защищал поверхность планеты от замерзания. В отсутствие метанового парникового эффекта температура упала, что привело к глобальному оледенению.
Однако заморозка поверхности никак не могла остановить тектоническую активность земной мантии. Вулканы продолжали выбрасывать в атмосферу углекислый газ, и со временем его накопилось достаточно, чтобы восстановить парниковый эффект и растопить льды, заковавшие планету на миллионы лет.
На самом деле Земля становилась «снежком» как минимум три раза. Спустя более миллиарда лет после гуронского оледенения, в протерозое, планета замерзала дважды: сначала на 60 миллионов лет, в другой раз – на 15 миллионов лет. Отсюда и название этого геологического периода – криогений, от древнегреческого «холод».
Планета фиолетовых растений
Это планета фиолетового цвета. Такой, вероятно, была Земля в период появления первых растений. Но это предположение еще не стало общепринятым, и ученые давно ищут ответ на вопрос, почему современные растения имеют зеленый окрас. Большая часть излучения солнечного света приходится на зеленую часть видимого светового спектра, через него передается основная масса энергии.
Однако растения, использующие хлорофилл, игнорируют эту самую «питательную» часть спектра. Нелогично. Ученые из Университета Мэриленда предполагают, что первые микроорганизмы – предшественники растений – все-таки имели фиолетовую окраску.
Для поглощения солнечной энергии они использовали не зеленый фотосинтетический пигмент хлорофилл, а ретинол. Он поглощает зеленый свет и отражает назад красный и фиолетовый, комбинация которых и кажется нам фиолетовой. Возможно, в условиях зарождения жизни, когда свободный кислород был в дефиците, использование ретинола было более приемлемым, так как организмы его легче синтезировали. Сегодня мы можем найти ретинол, к примеру, в мембране фотосинтетических микробов, называемых галобактериями.
Фиолетовая жизнь доминировала на молодой Земле. Она захватила зеленую часть спектра, и, чтобы выжить в этих условиях, предки современных растений, появившиеся после, вынуждены были приспосабливаться к использованию свободной части спектра. Конкурентная борьба происходила, вероятнее всего, в древнем океане. Конкуренты фиолетовых организмов, прежде всего хлорофилловые, развивались под богатым слоем микроорганизмов – ретиноловых, уже изъявших зеленую часть светового спектра и отразивших синюю и красную. Но в итоге хлорофилл оказался более эффективным для фотосинтеза, нежели ретинол. И фиолетовые растения вскоре оказались вытеснены с Земли.
Планета гигантских насекомых
Триста миллионов лет назад: карбон, или каменноугольный период. Воздух наполнен кислородом. Но не спешите снимать скафандр – его здесь слишком много! Доля кислорода в земной атмосфере и уровень его давления выше, чем сегодня.
На арену жизни выходят гигантские насекомые. И питаются они отнюдь не нектаром. Гигантские стрекозы меганевры с размахом крыльев до одного метра – плотоядны. Их пища – диктионевриды – «букашки» размером с голубя. А вот и самое крупное членистоногое за всю историю Земли – гигантская многоножка артроплевра с тридцатью парами ног. Длина ее тела может достигать 2,6 метра. За год это насекомое съедает до тонны растительности.
Кто-то может подумать, что это планета страшных снов. И, кажется, вот-вот из тропического леса появится гигантский паук. На самом же деле единственное, чего вы здесь не увидите, – эти самые гигантские пауки. Паукообразные дышат не трахеями, а «легочными мешками», которые подобны ввернутым внутрь тела жабрам. Дыхание насекомых происходит иначе.
Карбоновый гигантизм характерен только для трахейнодышащих. Гемолимфа – «кровь» насекомых как современных, так и карбонового периода – не переносит кислород. Дыхание осуществляется при помощи трахей – ветвящихся трубочек, непосредственно соединяющих клетки внутренних органов с воздушной средой. Воздух внутри такой трубки неподвижен, а принудительной вентиляции, как в различных типах легочных мешков, там нет. Приток кислорода внутрь тела, как и отток углекислого газа, происходит за счет диффузии при разнице парциальных давлений этих газов на внутреннем и внешнем концах трубки. Такой механизм подачи кислорода жестко ограничивает длину трахейной трубки и, соответственно, максимальный размер тела самого насекомого. Чем больше в атмосфере кислорода и, следовательно, его парциального давления (то есть давления отдельно взятого компонента газовой смеси), тем больше возможная длина трахеи и размер самого насекомого.
Каменноугольный период – время образования колоссальных запасов каменного угля. Химическое равновесие в атмосфере сместилось: из биологического круговорота изъяты огромные массы неокисленного углерода. В процентном соотношении это подняло уровень кислорода в атмосфере и дало толчок эволюции насекомых.
Пройдет несколько десятков миллионов лет, и событие, причины которого до конца не известны, изымет из атмосферы излишек кислорода. Катастрофа, получившая название Великое пермское вымирание и случившаяся около 252 миллионов лет назад, приведет к вымиранию большинства морских и наземных животных и станет единственным массовым вымиранием насекомых, прежде всего гигантских.