Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Кислородная атмосфера и более эффективный метаболизм, связанный с аэробным дыханием, привели к появлению и росту многообразия многоклеточных организмов. Многоклеточность открывает путь для дифференциации частей тела и их адаптации к различным полезным задачам. Для этих организмов становятся доступными новые источники энергии и питательных веществ. Многоклеточные водоросли и растения смогли пустить корни в почву, где им стала доступна вода и растворимые питательные вещества, а также протянуть свои фотосинтезирующие листья к солнечному свету. Животные смогли искать еду и находить новые источники питания. Половое размножение резко усилило эволюционный потенциал, открыв возможность для повторной рекомбинации генетического материала в каждом поколении.
Катастрофы, влияющие на эволюцию биосферы.Сильное изменение атмосферы — увеличение в ней количества кислорода, обсуждавшееся выше, произошло в результате более эффективного использования солнечной энергии цианобактериями, то есть причиной этого стала жизнь. Появление кислорода, очень токсичного газа для раннего анаэробного мира, вызвало мощный стресс как у самих цианобактерий, так и у других организмов. Это было катастрофой, но в то же время открывало новые возможности.
Впрочем, биосфера сталкивалась и с другими катастрофами. Глобальные ледниковые периоды, когда вся Земля или большая ее часть была покрыта льдами, могли уничтожить жизнь на поверхности. По геологическим данным мы знаем, что первые сухопутные формы жизни — спорообразующие растения — захватили континенты лишь около 450 млн лет назад, а раньше, в ледниковые периоды, на суше не было признаков жизни. В то время вся жизнь находилась либо под водой вблизи берега, либо под землей. Кроме того, в до-кембрийский ледниковый период, когда развивались фотосинтезирующие водоросли, потенциальной причиной катастрофы мог стать толстый лед. К счастью, этот лед мог не полностью покрывать тропические области. К тому же свет способен проникать даже сквозь трехметровый слой льда и поддерживать жизнь; а кроме этого, некоторые живые существа могли процветать в водяных карманах внутри льда, как это происходит в наше время в некоторых ледяных озерах Антарктиды. Если бы сегодня на Земле по каким-то причинам началось оледенение, жизнь континентальной поверхности имела бы такие же возможности для выживания, какие мы наблюдаем в Антарктиде.
В новостях нам постоянно сообщают о землетрясениях и цунами. За последние десятилетия к самым многочисленным жертвам — около 300 000 человек — привело цунами 26 декабря 2004 года, возникшее из-за мощнейшего землетрясения на морском дне. Землетрясения в густонаселенных местах могут оставить без крова миллионы людей. Но эти трагические события не приводят к глобальному уничтожению природы.
Разрушительные геологические явления могут иметь разный масштаб. Небольшой одиночный вулкан может привести к серьезным разрушениям местного масштаба. Мощное извержение вулкана имеет глобальное значение. При извержении вулкана Кракатау в 1833 году было выброшено 25 км3 вещества в форме лавы и пепла (эквивалентного 10 км3 плотной горной породы). Большая часть пепла осталась в верхних слоях атмосферы на высоте 80 км и вызвала заметное понижение температуры по всей Земле, продолжавшееся несколько лет. Базальтовая магма из мантии может добраться до поверхности через разломы коры. В области вулкана Лаки в Исландии такие разломы случались несколько раз. Последний был в 1783–1784 годах, когда 15 км3 лавы вышло на поверхность, образовав небольшое базальтовое «наводнение». При этом было выброшено много ядовитых газов. Треть населения Исландии погибла от голода и примерно три четверти домашнего скота сдохло, отравившись фтором. В Европе десятки тысяч людей погибли из-за плотного серного тумана. В 1784 году в Северной Америке была самая холодная зима за всю историю.
Бывают и более мощные извержения, но, к счастью, довольно редко. Озеро Тоба в Индонезии — это кальдера сверхмощного вулканического извержения, случившегося около 73 000 лет назад и бывшего, вероятно, самым мощным за последние несколько миллионов лет. Скальный эквивалент объема пепла этого события составил 800 км3, что в 20 раз больше самого мощного в истории человечества извержения вулкана Тамбора в 1815 году. В результате этого извержения вся Юго-Восточная Азия покрылась метровым слоем вулканического пепла. Оно вызвало глобальное понижение температуры примерно на 3 °C в течение нескольких лет и настоящую вулканическую зиму. Антрополог Стэнли Амброуз (Иллинойсский университет) предположил, что в эпохи мощных древних извержений эволюция человечества проходила через «бутылочное горлышко», когда население сильно сокращалось.
Разными по масштабу были не только вулканические извержения, но и извержения из разломов. Десятки «больших вулканических провинций» (Large Igneous Province, LIP) были обнаружены на континентах и морском дне. Формирование таких областей отчасти загадочно; возможно, оно вызвано мощными мантийными плюмами. Известно только, что большие вулканические области формировались за геологически короткое время — за пару миллионов лет, и что лава выходила на поверхность в больших объемах. Базальтовое наводнение, образовавшее плато Деккан в Индии 60–70 млн лет назад, имело объем лавы 500 000 км3 и покрыло площадь, примерно равную площади Франции. Если сравнить эти цифры с историческим Исландским разломом (см. выше), то легко представить, какие разрушения мог причинить этот базальтовый поток. В этом смысле особый интерес представляет датировка мощных Сибирских траппов на Восточно-Сибирской платформе, поскольку по возрасту они очень близки к глобальному пермо-триасовому вымиранию, случившемуся около 252 млн лет назад.
В пору молодости Земли от падающих на нее астероидов и комет была польза, поскольку они приносили нужные для будущей биосферы вещества — воду, силикаты, углерод, а также азот для атмосферы. Но после первого миллиарда лег эти космические гости уже стали источником опасности для развивающейся жизни. Доказательством этого служит падение на месте современного полуострова Юкатан (Мексика) 65 млн лет назад 10-километрового астероида, вызвавшее вымирание динозавров и многих других биологических видов.
В настоящее время угроза падения астероидов и комет исходит от двух областей их обитания. Главный пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера содержит десятки тысяч астероидов опасного размера и бесчисленное множество маленьких астероидов (рис. З0 10).
Рис. 30.10. Ударный кратер в Аризоне возник около 50 000 лет назад в результате падения железо-никелевого метеорита диаметром 50 м. Взрыв был эквивалентен взрыву 150 атомных бомб, сброшенных на Хиросиму. С разрешения U S Geological Survey.
К счастью, эти объекты находятся на довольно стабильных орбитах, которые практически никогда не приводят их в центральную область Солнечной системы. Но за 4,6 млрд лет орбиты некоторых из них постепенно изменились и теперь пересекаются с орбитой Земли. Чтобы найти эти потенциально опасные «околоземные объекты» (Near Earth Objects, NEO), с середины 1980-х годов функционирует несколько небесных патрулей. Потенциально опасными объектами считаются те, которые приближаются к Земле на 0,05 а. е. (75 млн км, примерно 600 диаметров Земли) и при этом имеют размер более 200 м. В августе 2008 года таких объектов было обнаружено 1400.
А полное их число, вероятно, составляет около 5500, причем 750 из них имеют размер более 1 км. Вероятность, что какой-либо из них за ближайшие 100 лет врежется в Землю, составляет менее 1/10 000. Техника и методика наблюдений постоянно совершенствуются, поэтому все потенциально опасные объекты будут обнаружены примерно к 2020 году. Повторные наблюдения позволят астрономам точно вычислить их орбиты. Если о столкновении станет известно заранее, то будет достаточно времени, чтобы отклонить астероид, то есть изменить его орбиту по крайней мере на расстояние радиуса Земли. Предположим, чтобы перестраховаться, что подлетающий объект нужно отклонить лет за 40 до опасной встречи, так чтобы он миновал Землю по крайней мере на расстоянии ее радиуса. Тогда для этого будет достаточно слабого «толчка», всего около 1 см/с.
Кометная опасность имеет совершенно другой характер. Кометы приходят из внешних областей Солнечной системы и не оставляют нам времени для подготовки к встрече с ними. Обычно их замечают, когда они приближаются к Солнцу на расстояние ближе Юпитера. Если вычисления покажут, что им грозит столкновение с Землей, то для подготовки к встрече у нас остается не более 5 лет. Только стремительные действия и мощный «толчок» могут предотвратить столкновение. Вероятность столкновения случайно залетевшей кометы с Землей можно оценить: численно она примерно равна отношению сечения Земли к площади круга радиусом как у земной орбиты:
