Международная группа ученых обнаружила доказательства того, что первые наземные растения распространились по планете гораздо быстрее и оказали гораздо более мощное влияние на климат, чем считалось ранее. Проанализировав химический состав древних морских отложений, исследователи пришли к выводу, что около 455 миллионов лет назад произошла «зеленая революция» — буквально за 10 миллионов лет первые растения захватили сушу и насытили атмосферу кислородом. Резкое снижение концентрации СО2 в атмосфере спровоцировало одно из самых суровых оледенений в истории Земли, которое стало причиной массового вымирания на границе ордовикского и силурийского периодов.
Долгое время считалось, что завоевание суши растениями было растянутым процессом, который начался в середине ордовикского периода, около 460 млн лет назад, и продолжался в течение всего силура и девона, заняв примерно 100 млн лет. В слоях среднего ордовика палеоботаники находят первые криптоспоры несосудистых растений, а в наземных осадочных породах позднего ордовика — первые споры сосудистых растений.
Но время, когда распространение наземной флоры стало массовым настолько, что это начало оказывать влияние на климат планеты, оставалось предметом споров. Сложность заключается в том, что окаменелости первых мхов и печеночников — древнейших наземных растений — практически не сохранились в геологических слоях, а имеющиеся редкие находки не дают представления о масштабах их реального распространения. И здесь на помощь палеонтологам приходят геологи и геохимики.
Авторы исследования — ученые из Китая, США и Великобритании под руководством Джао Минъюя (Mingyu Zhao) из Института геологии и геофизики Китайской академии наук — предложили в качестве маркера распространенности наземных растений использовать отношение органического углерода (Corg) к общему фосфору (Ptotal). Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution.
Наземные растения принципиально отличаются от морских первичных продуцентов тем, что они производят органическое вещество со значительно более высоким соотношением органического углерода к фосфору, то есть у сухопутных растений и морских водорослей разный геохимический профиль. Так, современные наземные растения содержат в 10 раз больше углерода относительно фосфора (Corg/Ptotal от 1000 до 2000), чем фитопланктон в океане — в среднем 106 атомов углерода на один атом фосфора (это так называемое соотношение Редфилда (Redfield ratio), которое сохраняется относительно постоянным для всех видов фитопланктона во всех слоях океана).
Авторы исходили из того, что растения, колонизировав сушу, начали производить огромное количество органики. Часть этой органики смывалась реками в мировой океан и захоранивалась в донных отложениях. Если в какой-то момент в морских породах резко возрастает доля углерода по отношению к фосфору, значит, туда начало поступать много наземного органического материала.
Исследователи проанализировали более 21 тысячи образцов морских осадочных пород (сланцев и аргиллитов), собранных по всему миру, и охватывающих временной период от неопротерозоя до современности. В выборку не включали карбонатные и богатые железом породы, а также другие отложения, в которых соотношение Corg/Ptotal могло быть искажено в результате диагенетических и других наложенных процессов.
При обработке данных также учитывали окислительно-восстановительные условия (редокс-обстановки) образования пород. Известно, что в бескислородной среде органика сохраняется лучше, в кислородной — хуже. Поэтому ученые разделили все образцы на три группы: отложившиеся в окислительных, ферругинозных (бескислородных, богатых железом) и эвксинических (бескислородных, богатых сероводородом) условиях. Это позволило отделить локальные эффекты от глобальной картины.
Исследователи обнаружили, что около 455–445 млн лет назад в морских отложениях произошел резкий скачок отношения Corg/Ptotal — в среднем оно выросло в три раза. До рубежа 455 млн лет назад среднее соотношение Corg/Ptotal составляло около 75, а после этого подскочило в среднем до 207.
Проведенные статистические тесты (t-критерий Стьюдента, анализ точек изменения, пермутационный тест и др.) подтверждают, что это не случайность (вероятность случайности стремится к нулю — p < 0,001). Изменение произошло не плавно, а именно в очень узкий временной промежуток. Из этого авторы делают вывод о том, что распространение наземных растений происходило не постепенно, а в виде мощного всплеска в позднем ордовике.
Рост Corg/Ptotal зафиксирован во всех типах осадочных пород, независимо от места сбора. Это отметает версию о том, что скачок связан с локальным замором или приурочен к замкнутому бассейну с пониженным содержанием кислорода, в котором органика лучше сохранялась. Рост был глобальным.
Ученые рассмотрели и другие возможные причины резкого роста отношения Corg/Ptotal и не нашли удовлетворительных объяснений.
Тектоника плит — между 480 и 450 млн лет назад не было резких изменений в распределении типов континентальных окраин, которые могли бы повлиять на захоронение углерода. Основные столкновения континентов произошли позже, около 440 млн лет назад.
Диагенез — процессы преобразования осадка в твердую породу обычно ведут к потере углерода и снижению соотношения Corg/Ptotal, а не к его росту.
Состав планктона — в океанах позднего ордовика не произошло никакой революции, которая могла бы так резко изменить химический состав самих водорослей;
Уровень CO2 и температура — модели показывают, что в этот период концентрация углекислого газа в атмосфере падала, а температура снижалась. Если бы это влияло на фитопланктон, его соотношение Corg/Ptotal должно было бы падать, тогда как данные показывают рост.
Формы фосфора — анализ показал, что доля органического фосфора в общем балансе не изменилась, значит, скачок Corg/Ptotal вызван именно ростом доли органического углерода.
Итак, с точки зрения авторов, единственное логичное объяснение — что в океан в это время действительно поступило огромное количество органики с суши. Исследователи подсчитали, что всего за 15 млн лет (460–445 млн лет назад) доля «наземного» углерода в морских отложениях выросла почти с нуля до 42%. Последнее сопоставимо с современными значениями — в современных морских осадках континентального шельфа доля наземного органического вещества колеблется в пределах 30–57%. Получается, что уже в позднем ордовике поток органики с суши в океан достиг современного уровня. А это означает, что чистая первичная продуктивность наземных экосистем была намного выше, чем считалось ранее.
Дополнительным подтверждением того, что в конце ордовика в океан хлынул поток растительных остатков с суши, служит резкий рост абсолютного содержания органического углерода в морских отложениях в этот период. Например, в сланцах этот показатель вырос с 2,17 до 3,15%.
Почему первичная продуктивность выросла так быстро? Авторы предполагают, что дело в отсутствии эффективных деструкторов. Грибы и бактерии, способные разлагать лигнин и целлюлозу, не успели эволюционировать в достаточной мере и не могли справиться с потоком новой растительной органики, и углерод-насыщенные остатки растений практически без потерь смывались в океан и захоранивались в бескислородных условиях древних морей.
Стремительное развитие наземной растительности, по мнению исследователей, не могло не иметь глобальных последствий. Во-первых, растения производят кислород, который накапливался в атмосфере. Параллельно из атмосферы выводился углерод, который накапливался в огромных массах не успевающей сгнить в низкокислородной среде органики, то есть уходил в долговременное захоронение.
Исследователи обновили известную биогеохимическую модель COPSE (модель углерода, кислорода, фосфора, серы и эволюции). Они заложили в нее новые данные: поток захоронения наземной органики, не равный морскому, как считалось ранее, а превышающий его примерно вдвое (с учетом угля, озерных и речных отложений). Результаты моделирования кардинально отличаются от прежних версий. Согласно новой модели, атмосферный кислород достиг современного уровня (21%) уже в силурийском периоде, а не в девоне или карбоне, как полагали раньше. Это объясняет и еще одну палеонтологическую загадку: находки древнейшего ископаемого угля — результата лесных пожаров — в силурийских отложениях. Как известно, для возникновения лесного пожара нужно минимум 15–17% кислорода в атмосфере.
Второе серьезное изменение, связанное с быстрой колонизацией суши растениями, — резкое снижение концентрации углекислого газа в атмосфере. Мало того, что растения активно забирали СО2 из воздуха, распространение флоры и ее симбиоз с грибами ускорили выветривание горных пород, что еще сильнее снизило уровень этого парникового газа (рис. 2).
Кроме того, исследование показало, что колебания соотношения Corg/Ptotal демонстрируют два отчетливых пика, совпадающих с основными изотопными аномалиями углерода в позднем ордовике — около 454 млн лет назад (Гуттенбергский изотопно-углеродный сдвиг, Guttenberg Isotopic Carbon Excursion — GICE) и 447–442 млн лет назад (Хирнантский изотопно-углеродный сдвиг, Hirnantian Isotopic Carbon Excursion — HICE). Оба события представляют собой резкие положительные изменения (экскурсы) соотношения стабильных изотопов углерода (δ¹³C) в морских отложениях, которые считаются маркерами глобального изменения климата, предшествовавшими масштабному Хирнантскому оледенению, известному также как Ранний палеозойский ледниковый период. В результате резкого снижения концентрации углекислого газа в атмосфере (рис. 2, b) Земля вошла в режим «снежка» — огромные ледники сковали сушу, уровень моря упал, наиболее богатые жизнью шельфовые зоны обнажились. Всё это привело к массовому ордовикско-силурийскому вымиранию (450–440 млн лет назад).
Еще один интересный вывод, которые делают авторы статьи, — растения заселяли сушу неравномерно. Резкий рост отношения Corg/Ptotal в отложениях, связанных с древним континентом Лаврентия, охватывавшим большие части современных Северной Америки и Гренландии, фиксируется уже 460 млн лет назад. Другие континенты того времени — Гондвана, Балтика и Южно-Китайская платформы, судя по геохимическим данным, были заселены растениями на 5–10 млн лет позже (рис. 3).
Это соответствует палеонтологическим данным. Именно в отложениях Лаврентии возрастом около 460 млн лет найдены ископаемые свидетельства существования арбускулярных микоризных грибов, которые, вступая в симбиоз с корнями растений, помогают им добывать фосфор из бедных почв в обмен на углерод.
Получается, что первые мхи и печеночники были не просто пассивными наблюдателями эволюции, предшественниками силурийско-девонского растительного взрыва, который еще называют «наземной зеленой революцией», а сами оказались одними из самых ярких ее участников, которые изменили химию океана, наполнили воздух кислородом и подготовили почву (в прямом и переносном смысле) для всей дальнейшей эволюции жизни на суше. При этом по иронии судьбы случилось так, что эти пионеры наземной жизни чуть было не погубили всё живое на Земле, запустив механизм глобального оледенения.
По информации
https://elementy.ru/novosti_nauki/434412/Stremitelnoe_rasprostranenie_rasteniy_po_sushe_vyzvalo_odno_iz_samykh_surovykh_oledeneniy
Обозрение "Terra & Comp".
