Появление наземных растений изменило систему климатического контроля Земли

Появление растений на суше около 400 миллионов лет назад могло изменить естественный механизм регуляции климата Земли. К такому выводу пришло новое исследование под руководством учёных из UCL и Йельского университета.

Углеродный цикл, процесс перемещения углерода между горными породами, океанами, живыми организмами и атмосферой, действует как естественный термостат планеты, регулируя её температуру в долгосрочных масштабах.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature, учёные проанализировали образцы горных пород за последние три миллиарда лет. Они обнаружили свидетельства резкого изменения в функционировании этого цикла около 400 миллионов лет назад, когда растения начали колонизировать сушу.

Исследователи отметили изменение химического состава морской воды, зафиксированное в породах. Оно указывает на крупный сдвиг в глобальном образовании глины — «фабрике глинистых минералов» — с океанов на континенты.

Поскольку образование глины в океане (обратное выветривание) приводит к высвобождению углекислого газа (CO₂) в атмосферу, а глина на суше является побочным продуктом химического выветривания, которое удаляет CO₂ из воздуха, это сократило количество углерода в атмосфере. Это привело к охлаждению планеты и колебательному климату с чередованием ледниковых периодов и более тёплых эпох.

Учёные предположили, что этот переключение было вызвано двумя причинами:

1. Распространением наземных растений, которые удерживали почвы и глины на суше, не давая углероду смываться в океан.
2. Ростом числа морских организмов (губки, одноклеточные водоросли, радиолярии), использующих кремний для своих скелетов и клеточных стенок, что привело к снижению содержания кремния в морской воде, необходимого для образования глины.

Старший автор исследования доктор Филип Погге фон Страндманн (UCL Earth Sciences) отметил: «Наше исследование предполагает, что углеродный цикл функционировал принципиально иным образом на протяжении большей части истории Земли по сравнению с настоящим временем. Этот сдвиг, произошедший постепенно между 400 и 500 миллионами лет назад, по-видимому, связан с двумя крупными биологическими инновациями того времени».

Он добавил, что до этого изменения атмосферный CO₂ оставался высоким, что приводило к стабильному парниковому климату. После сдвига климат начал колебаться между ледниковыми периодами и тёплыми периодами, что способствовало эволюции и ускорило развитие сложной жизни.

Ведущий автор Боряна Калдерон-Асаэль, аспирант Йельского университета, сказала: «Измеряя изотопы лития в породах, охватывающих большую часть истории Земли, мы стремились выяснить, изменилось ли что-то в функционировании углеродного цикла в большом временном масштабе. Мы обнаружили, что это так, и это изменение, по-видимому, связано с ростом растительной жизни на суше и жизнью морских организмов, использующих кремний».

В ходе исследования учёные измерили изотопы лития в 600 образцах горных пород со всего мира. Литий имеет два стабильных изотопа: литий-6 (3 протона, 3 нейтрона) и более тяжёлый литий-7 (3 протона, 4 нейтрона).

Когда глина медленно образуется на суше, она сильно предпочитает литий-6, обогащая окружающую воду более тяжёлым изотопом лития-7. Масс-спектрометрический анализ показал рост уровня лития-7 в морской воде, зафиксированный в породах возрастом 400–500 миллионов лет. Это указывает на крупный сдвиг в образовании глины на Земле, совпадающий с распространением растений на суше и появлением морских организмов, использующих кремний.

Ключевой механизм:

• Глина на суше образуется как остаток химического выветривания — основного долгосрочного процесса удаления CO₂ из атмосферы. Атмосферный углерод образует с водой слабую угольную кислоту (H₂CO₃), которая с дождём растворяет породы. Высвобождаемые ионы (включая ионы кальция) попадают в океан, и в итоге углерод захоранивается в породах на дне.
• Образование глины в океане оставляет углерод в воде, и он в конечном счёте возвращается в атмосферу при газообмене на границе воды и воздуха.
• Связывание углерода при фотосинтезе растений нивелируется после их разложения и редко влияет на уровень CO₂ в масштабах, превышающих несколько сотен лет.