Джеймс Кастинг
Когда погоду делал метан

Около 2,3 млрд. лет назад необычные микробы вдохнули в молодую планету Земля новую жизнь, наполнив её кислородом. Если бы эти плодовитые организмы не появились, эволюция жизни пошла бы совершенно иным путём. Многие учёные считают, что задолго до появления цианобактерий Земля стала обитаемой благодаря жизнедеятельности другой группы одноклеточных анаэробных метаногенов, господствовавших на протяжении первых двух миллиардов лет. Парниковый эффект вырабатываемого ими метана оказал глубокое влияние на климат нашей планеты.

Обзор: Метаногены и климат на Земле

  • В далёком прошлом, 2,3 млрд. лет назад, когда ни в атмосфере Земли, ни в её океанах ещё не было кислорода, на планете господствовали метанобразующие микробы.
  • Учёные считают, что благодаря жизнедеятельности метаногенов (микроорганизмов, вырабатывающих метан в качестве побочного продукта метаболизма) уровень этого газа в атмосфере древней планеты был в 600 раз выше, чем сегодня.
  • Несмотря на то что Солнце в то далёкое время светило менее ярко, чем сейчас, парниковый эффект, вызванный высоким уровнем метана, был достаточно сильным, чтобы уберечь Землю от замерзания. Такая ситуация сохранялась до тех пор, пока атмосфера планеты не наполнилась кислородом, что привело к резкому сокращению популяции метаногенов.
  • Предположение о решающей роли метана впервые было сделано более четверти века назад, но научные подтверждения гипотезы учёные начали получать совсем недавно. Было установлено, что метан, сохраняющийся в нашей атмосфере всего 10 лет, в бескислородной атмосфере древней Земли существовал целых 10 тыс. лет. Исследователи не располагают ископаемыми останками каких-либо живых организмов того далёкого времени, однако, по мнению большинства микробиологов, метаногены были одними из первых форм жизни на нашей планете. Солнце в те дни не было таким ярким и жарким, как сегодня, а потому в период своего расцвета метаногены могли вырабатывать достаточное количество метана для того, чтобы предотвратить глобальное замерзание Земли. Но эти бактерии доминировали не вечно: с окончанием их господства было связано падение температур, а может быть, и последующие эпохи глобального оледенения планеты.

    Когда Солнце было холодным

    Когда 4,6 млрд. лет назад образовалась Земля, яркость падающего на неё солнечного света составляла 76% от теперешней. Но вплоть до периода времени, датируемого 2,3 млрд. лет назад, каменная летопись планеты не содержит каких-либо убедительных свидетельств о широкомасштабных оледенениях. Это означает, что климат Земли был теплее, чем во время современного цикла ледниковых эпох последних 100 тыс. лет. Таким образом, парниковые газы не только успешно компенсировали недостаточную яркость Солнца, но и поддерживали на планете гораздо более высокие температуры, чем те, что отмечаются сегодня.

    Однако учёные не сразу обратили внимание на метан. В начале 1970-х гг. Карл Саган (Carl Sagan) и Джордж Маллен (George H. Mullen) из Корнеллского университета предположили, что Земля обязана своим существованием в первую очередь аммиаку, который вызывает более сильный парниковый эффект, чем метан. Но дальнейшие исследования показали, что в бескислородной атмосфере ультрафиолетовые лучи Солнца быстро разрушают этот газ.

    МЕТАНОБРАЗУЮЩИЕ МИКРООРГАНИЗМЫ НА ДРЕВЕ ЖИЗНИ
    Метанобразующие микробы
    Метанобразующие микробы, или игуанодонтиды, составляют половину всех представителей архебактерий (Archaea) — одного из 3 доменов живых существ, возникших от неизвестного общего предка. Метаногены отличаются огромным разнообразием формы клетки (палочковидная, сферическая и т. д.) и могут жить только в бескислородной среде. Многие другие представители Archaea способны развиваться лишь в экстремальных условиях (например, в горячих источниках, ледниках и очень кислых почвах). Большинство биологов разделяют метанобразующие микробы на пять групп и считают их одними из древнейших организмов на Земле.
    В качестве другого возможного кандидата была выбрана двуокись углерода (СО2) — один из главных газов, который выделялся из извергавшихся в то время вулканов. Но в 1995 г. исследователи из Гарвардского университета показали, что молодую Землю не мог согревать и этот газ, т. к. его содержание в атмосфере было слишком низким.

    Если бы концентрация двуокиси углерода в древней атмосфере превышала её современное содержание, составляющее 380 миллионных долей (РРМ), то в результате взаимодействия железа с СО2 в бескислородной атмосфере в поверхностных слоях почвы должен был бы образовываться минерал сидерит (FeCO3). Но когда исследователи изучили образцы древних почв, датируемых 2,8–2,2 млрд. лет назад, никаких его следов они не обнаружили. А следовательно, концентрация СО2 в атмосфере древней планеты была гораздо ниже той, что требовалась для защиты её поверхности от промерзания. В конце 1980-х гг. было установлено, что метан задерживает большее количество тепла, чем СО2 в эквивалентной концентрации, потому что он поглощает более широкий спектр волн исходящего от Земли излучения. Но в ранних исследованиях парниковое значение метана было недооценено.

    Сегодня в богатой кислородом атмосфере Земли входящий в состав метана углерод охотнее реагирует с кислородом гидроксильных радикалов с образованием СО2, одноокиси углерода (СО) и водяного пара. Соответственно, метан сохраняется в атмосфере всего 10 лет и играет незначительную роль в обогреве планеты. Его содержание здесь ничтожно мало — всего 1,7 ppm. Концентрация СО2 у поверхности планеты выше в 220 раз, а водяного пара — в 6 тыс. раз.

    Для того чтобы определить, какова должна была быть концентрация метана в атмосфере, чтобы он мог согревать молодую Землю, мы решили смоделировать древний климат планеты и обратились за помощью к учёным из Научно-исследовательского центра Эймса при NASA. Если допустить, что яркость Солнца 2,8 млрд. лет назад была на 20% меньше, чем сегодня, атмосфера, полностью лишённая метана, должна была содержать 20 тыс. ppm СО2 — только в этом случае она могла поддерживать температуру на Земле выше точки замерзания. Эта концентрация СО2 в 50 раз выше, чем та, что отмечается сегодня, и в 8 раз больше, чем максимальное значение уровня СО2 в атмосфере, выявленное в результате изучения древних почв. Когда с помощью компьютерного моделирования было рассчитано максимально возможное значение уровня СО2, оказалось, что для того, чтобы поддерживать температуру поверхности Земли выше точки замерзания, атмосфере требовалась помощь 1000 ppm метана. Иными словами, атмосфера молодой планеты должна была на 0,1%  состоять из этого газа.

    Первобытные метаногены

    Столь высокая концентрация метана в древней атмосфере могла поддерживаться только если образование газа шло с такой же скоростью, что и сегодня. Могли ли справиться с этой задачей первобытные метаногены?

    ОРГАНИЧЕСКАЯ ДЫМКА
    Розово-оранжевая дымка из органических частиц долгое время удерживала Землю на тонкой грани между перегреванием и замерзанием. Увеличение концентрации метана (a) привело к усилению парникового эффекта (b), но через несколько десятилетий начала образовываться дымка, способствовавшая охлаждению климата (c).
    Увеличение концентрации метанаУвеличение концентрации метана
    Как только 3,5 млрд. лет назад на Земле возникла жизнь, метан начал оказывать решающее влияние на её атмосферу. В то далёкое время океан населяли одноклеточные организмы — метаногены, а газ метан, который они вырабатывали, сохранялся в бескислородной атмосфере гораздо дольше, чем сегодня. Метан и другой парниковый газ вулканического происхождения, двуокись углерода, согревали поверхность планеты, задерживая исходящее от Земли тепло (чёрные стрелки). Проникновению солнечных лучей они не препятствовали (жёлтые стрелки).
    усиление парникового эффектаусиление парникового эффекта
    Чем сильнее нагревалась Земля, тем больше метаногены вырабатывали метана. Обратная связь усиливала парниковый эффект, в результате чего температура поверхности планеты становилась ещё выше. Потепление климата вызывало усиление эрозии и выветривание горных пород на континентах. В результате содержание СО2 в атмосфере уменьшалось, а концентрация метана продолжала расти. Такая ситуация сохранялась до тех пор, пока уровень обоих газов не стал почти одинаковым. В таких условиях поведение метана в земной атмосфере резко изменилось.
    охлаждение климатаохлаждение климата
    Увеличение уровня метана в атмосфере всё-таки не успело превратить Землю в „парилку“. Повисшая в небе дымка из мельчайших органических пылинок начала поглощать проникавшие в атмосферу коротковолновые солнечные лучи и переизлучать их в космическое пространство. В результате общее количество солнечного излучения, достигавшее поверхности планеты, значительно сократилось, а парниковый эффект ослаб. Многие теплолюбивые метаногены не смогли приспособиться к прохладному климату, и общая выработка метана этими микробами уменьшалась.
    В условиях древней Земли, сотрясаемой извержениями вулканов, метанобразующие микробы чувствовали себя превосходно. В качестве источника энергии многие метаногены используют газ водород 2) и двуокись углерода, выделяя при этом метан. Другие метанобразующие микроорганизмы потребляют ацетат и прочие соединения, образующиеся в результате разложения органического вещества в отсутствие кислорода. По этой причине современные метаногены способны жить только в бескислородной среде — например, в желудке жвачных животных и в иле заливных рисовых полей. Но на заре истории Земли кислорода в атмосфере не было, однако концентрация водорода в атмосфере и океанах была настолько высока (она достигала сотен и даже тысяч миллионных долей), что метанобразующие микробы могли утилизировать его.

    По оценкам геохимиков, такая ситуация сохранялась только до тех пор, пока метаногены не превратили большую часть водорода в метан. Термодинамические расчёты показывают, что при доступности фосфора, азота и других основных питательных элементов метаногены могли бы утилизировать большую часть доступного Н2. А большинство исследователей полагает, что химическое разрушение горных пород вполне могло обеспечить метанобразующих микробов достаточным количеством фосфора, а других микроорганизмов, живших в океанах, и азотом. Таким образом, для согревания планеты метаногены должны были производить 1000 ppm метана.

    Большинство метаногенов лучше всего развивалось при температуре выше 400°С, а некоторые — даже при 850°С. (? — так в журнале — П. З.) Микробы, предпочитавшие более высокие температуры, развивались быстрее, а следовательно, по мере повышения температуры поверхности планеты, они должны были получать всё более широкое распространение. Чем большую долю популяции метаногенов они составляли, тем большее количество метана скапливалось в атмосфере и тем выше становилась температура поверхности Земли. Таким образом, несмотря на менее жаркое солнце, климат на планете в те далёкие времена был теплее, чем сегодня.

    Смог спасает планету

    В результате этих событий мир превратился в настоящую „парилку“, где могли существовать лишь крайне теплолюбивые микробы. Однако подобная ситуация не могла сохраняться долго. Коль скоро содержание метана в атмосфере становилось выше, чем двуокиси углерода, газ начинал реагировать на солнечный свет иначе. Отныне он не окислялся до СО или СО2, а подвергался полимеризации: его молекулы, соединяясь друг с другом, образовывали сложные углеводы, которые затем конденсировались в крошечные пылинки, образуя в атмосфере органическую дымку. Похожую картину астрономы обнаружили в атмосфере крупнейшего спутника Сатурна, Титана, чья атмосфера главным образом состоит из молекулярного азота (N2) и небольшого количества метана.

    Возможное образование органической дымки в атмосфере древней Земли добавляет новые штрихи к климатической истории нашей планеты. Парниковый газ пропускает к Земле большую часть солнечного излучения видимого спектра, но поглощает и переизлучает исходящие от планеты инфракрасные лучи, согревая тем самым её поверхность. Пылинки, зарождающиеся на значительной высоте над уровнем моря, образуют органическую дымку, которая, напротив, поглощает проникающий в атмосферу солнечный свет и переизлучает его в космическое пространство, уменьшая тем самым общее количество излучения, достигающее планеты. На Титане противопарниковый эффект вызывает охлаждение поверхности на 7°С. Такой же слой органической пыли вызвал и охлаждение климата древней Земли, благодаря чему в популяции метанобразующих микробов вновь стали преобладать медленно развивающиеся формы, которые предпочитали более прохладные условия существования и ограничивали тем самым дальнейшее возрастание продукции метана. Столь мощная система отрицательной обратной связи стабилизировала температуру Земли и состав её атмосферы на том уровне, на котором в своё время начал формироваться слой органической дымки.

    Ледниковые периоды

    Смог, порождённый метаном, надёжно согревал молодую Землю, но длилось это не вечно. На протяжении отрезка времени, получившего название протерозойского эона, эпохи глобального оледенения возникали на Земле по меньшей мере три раза — 2,3 млрд., 750 млн. и 600 млн. лет назад. Причины оледенений долгое время оставались загадкой, правда, метановая гипотеза даёт вполне правдоподобное объяснение и этим событиям.

    Возникновение периодов глобального оледенения
    Возникновение периодов глобального оледенения (пунктирные прямые) можно объяснить изменением относительной концентрации различных газов в атмосфере. Сначала на Земле обитали метанобразующие микробы, но когда 2,3 млрд. лет назад в атмосфере стал появляться кислород, распространение этих микробов резко сократилось. Падение уровня метана привело к охлаждению планеты.
    Первый из перечисленных ледниковых периодов называют гуронским оледенением: геологические свидетельства о нём хорошо представлены в обнажениях горных пород к северу от озера Гурон в южной части Канады. Гуронские события, как и два последующих протерозойских оледенения, имели глобальный характер: некоторые из покрывшихся льдом континентов располагались в то время у самого экватора.

    Обрушившаяся на планету стужа вызвала образование пластов из беспорядочно перемешанных фрагментов пород и прочих материалов. Под этими отложениями встречаются обломки уранинита и пирита, появление которых учёные связывают с очень низким уровнем кислорода в атмосфере. Ледниковые пласты покрыты слоем красного песчаника, содержащего гематит — минерал, образующийся только в атмосфере, богатой кислородом. (Он был обнаружен марсоходом Opportunity на Марсе.) Характер залегания этих типов горных пород указывает на то, что гуронское оледенение произошло как раз в то время, когда в атмосфере Земли впервые увеличился уровень О2.

    Если предположить, что климат древней планеты согревался метаном, можно утверждать, что эпоха глобального оледенения наступила 2,3 млрд. лет назад — как следствие возрастания уровня кислорода в атмосфере. Многие метаногены и другие анаэробные организмы, доминировавшие на Земле, либо сразу исчезли с лица планеты, либо сократили своё распространение, довольствуясь более ограниченным местообитанием.

    На этом, казалось бы, в повествовании о роли метана в истории Земли можно было поставить точку. Этот газ больше никогда не оказывал определяющего влияния на климат планеты, однако вполне мог воздействовать на её климатические характеристики в более позднее время — например, в конце протерозоя, когда, как считают некоторые учёные, в результате серии периодов „снежного кома“ произошло полное замерзание океанов.

    Внеземной метан

    Однако никаких прямых доказательств в пользу метанобразующих микробов пока не существует. Правильность нашей гипотезы подкрепляют лишь несколько косвенных свидетельств — например, низкие значения уровня СО2 в атмосфере, определённые в результате изучения образцов древних пород, и сроки первого глобального оледенения.

    Но даже если нам не суждено проверить правильность предположения на Земле, мы можем попытаться выяснить это, наблюдая за похожими на Землю планетами, вращающимися вокруг других звёзд. NASA и Европейское космическое агентство (ESA) конструируют крупные космические телескопы, предназначенные для поиска соразмерных с Землёй планет, возможно, вращающихся вокруг некоторых из 120 ближайших к нам звёзд.

    Если на какой-нибудь из планет учёные обнаружат кислород, почти с полной уверенностью можно будет говорить о существовании здесь форм жизни, сравнимых с земными. Об этом может свидетельствовать, например, и высокий уровень метана в атмосфере, ведь его способны вырабатывать только живые организмы. Такая находка даст учёным уникальную возможность заглянуть в прошлое Земли в самом начале её становления.

    Об авторе:
    Джеймс Кастинг
    (James F. Kasting) изучает эволюцию атмосферы Земли и её ближайших соседей — Венеры и Марса. В 1973 г. Кастинг стал доктором наук в области метеорологии и с тех пор методами компьютерного моделирования исследует химию атмосферы и парниковые эффекты различных газов и частиц. С недавних пор Кастинг изучает вопрос возможности существования в нашей Галактике планет, напоминающих Землю.

    В мире науки

    Статьи близкой тематики:
    Происхождение и эволюция жизни на Земле.  О. Г. Сорохтин, С. А. Ушаков.
    Химические основы возникновения Жизни.
    Биогенез: мотивы и феномены возникновения жизни.  С. Б. Пашутин.
    Новое в теории появления жизни.  В. Н. Пармон.
    Естественный отбор среди молекул.  В. Н. Пармон.
    Жизнь создаёт планеты?  В. Н. Снытников, В. Н. Пармон.
    Фотопроцессы и первичные этапы химической эволюции органических молекул на Земле.  М. Е. Акопян.
    Рождённые из кристаллов?  Николай Юшкин.
    А есть ли жизнь на Земле?  Рафаил Нудельман.
    Зарождение жизни на фоне космической бомбёжки.  Ал Бухбиндер.
    Каменная летопись биосферы.  И. Резанов.
    Жизнь начиналась с РНК.  Валентин Власов, Александр Власов.
    Вначале была РНК?  С. Григорович.
    Неорганические полифосфаты.  И. С. Кулаев.
    Молекулярная эволюция.  В. А. Ратнер.
    Современная палеонтология.  А. Ю. Розанов.


    Узнайте больше о направлениях для путешествий. Большие скидки на отели по 70 000 направлений по всему миру. Читайте отзывы об отелях и находите отели на любой кошелек с гарантией лучшей цены.
    2006 Copyright © World-Tours.ru Мобильная Версия v.2015 | PeterLife и компания
    Занимательная география туризма. Геозагадки. Сокровища, клады. Достопримечательности. Экзотический туризм, развлечения туристов, экстримальный походный туризм. Тонкости туризма, полезные советы туристу. Бронирование отелей. Товары для туризма и спорта.
    Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт
    Rambler's Top100 Яндекс цитирования