Самое массовое вымирание на Земле: конец загадки?

Любой, кто впервые читает о катастрофе на границе пермского и триасового периодов геологической истории нашей планеты, испытывает невольный трепет. Больше 95 процентов всех морских видов, 73 процента видов наземных позвоночных и даже 83 процента всех видов насекомых вымерли за считанные десятки тысяч лет. Человеку со всеми его ресурсами, оружием и воздействием на экологию и сегодня трудно уничтожить даже малую долю от такого биологического разнообразия. Что же должно было случиться, чтобы произошёл подобный апокалипсис — никогда не повторявшийся ни до, ни после массового пермского вымирания?

Убийцы — вулканы и потепление

Когда геологи впервые обнаружили большой перерыв в останках любых живых организмов в слоях геологических пород — и даже залежей ископаемого топлива — примерно на границе в 252 миллиона лет назад, трудно было не понять: что-то случилось. Один из главных инструментов в изучении столь давних времен — поиск отклонений по изотопам. Растения предпочитают усваивать из атмосферы такие молекулы углекислого газа, которые содержат атомы лёгкого углерода-12, и кислорода, что содержат более лёгкий кислород-16. Если по жизни нанесён удар, более тяжёлые углерод-13 и кислород-18 начинают встречаться в отложениях чаще. Анализируя соотношения этих изотопов, можно узнать, например, каким было содержание углекислого газа в воздухе — и косвенно понять, каким был климат. Так, при формировании в почве минерала кальцита в условиях высокой концентрации СО₂  в нём повышается содержание углерода-13, который обычно в плодородную почву (с гниющими остатками растений) попадает с трудом.

Исследование такими методами границ отложений перми и триаса показали очень странную картину. 252 миллиона лет назад концентрация углекислого газа почему-то взлетела до 2000 частей на миллион (сейчас — 400 на миллион). Соответственно, среднегодовая температура на планете, вероятно, поднялась на 8 градусов Цельсия. Даже на экваторе, где эффект потепления слабее всего, стало в среднем на 6 градусов теплее. Моря на мелководьях местами разогрелись до 40 градусов.

Палеонтологи довольно быстро установили, что большинство вымерших морских организмов должно было иметь низкую устойчивость к отравлению углекислым газом. И их гибель очень хорошо сочетается с его внезапным избытком в атмосфере. А вот наиболее устойчивыми к вымиранию оказались виды с самой малой скоростью метаболизма (таким сложнее быстро отравиться). Известковые губки, часть кораллов, плеченогие и многие другие организмы с внешним скелетом из карбонатов продемонстрировали хорошую выживаемость. Вроде бы всё верно: есть возможности для "складирования" лишнего углекислого газа и отработанные механизмы для его расходования на строительство внешних оболочек.

Из этого складывалась логичная картина. Главный поставщик углекислого газа для атмосферы — извержения вулканов. Внезапный взлёт содержания СО₂ должен быть связан с ними. Если очень хотеть что-то найти, то всё получится. И действительно, оказалось, что Сибирские траппы — огромная лавовая провинция в миллионы квадратных километров — изливались как раз на границе перми и триаса. Вот она, причина губительного насыщения атмосферы парниковым газом и всеобщего вымирания. Просто почему-то вдруг заработало слишком много вулканов сразу.

Что-то не срастается

Во всех отношениях понятное объяснение тут же вызвало у скептиков массу вопросов. Во-первых, почему такой массовой гибели не было ни до, ни после? Почему Сибирские траппы образовались именно тогда? Мы не так много знаем о внутренностях планеты, но и этого достаточно, чтобы понять: лава разливается регулярно и в любую эпоху.

За первым возражением быстро появилось второе. В спорах растений того времени нашли следы повреждений, показывающих, что на них влиял жёсткий ультрафиолет. Пока на планете есть озоновый слой, такое произойти не может. Иными словами, 252 миллиона лет назад он резко ослабел. Но вместе с углекислым газом вулканы выбрасывают много диоксида серы. А его максимум в спектре поглощения лежит в ультрафиолетовой области (190–220 нм). Это совпадает с максимумом в спектре поглощения озона, то есть если в атмосфере много этого газа, то ультрафиолет поверхности планеты достичь не может, даже если кислорода на ней станет много меньше. А значит, вымирание по времени не могло совпасть с "вулканическим потеплением".

Усложнило дело и то, что извержения вулканов шли и всё ещё идут уже в эпоху существования человечества. И из этого опыта известно: они не несут потепления. Наоборот, после них наступает вулканическая зима. 70 тысяч лет назад один супервулкан убил девять из десяти живущих людей именно вулканической зимой. Выжили только те, что ещё не успели выйти из Африки. Ясно, что если бы вулканы несли тепло, то именно им пришлось бы хуже всех.

Наконец, четверть века назад вулкан Пинатубо показал, что даже сравнительно умеренное извержение охлаждает всю планету на заметную величину. А вот потепления вызвать не может. Дело в том, что углекислый газ, выброшенный вулканом, энергично поглощают биосфера и горные породы, которые этот же вулкан и выносит на поверхность. Причём чем выше температура, тем быстрее метаболизм растений и скорость связывания парникового газа скальными породами.

Астероидный след

Была попытка привязать вымирание к традиционным героям таких трагедий — астероидам. В начале века были получены достоверные данные о наличии подо льдами Антарктиды огромного 480-километрового ударного кратера Земли Уилкса. По размерам он в 2,5 раза больше, чем Чиксулубский, оставленный астероидом, покончившим с динозаврами. Очевидно, что воронка в полтысячи километров остаётся только после действительно опасного снаряда. Правда, непонятно, как мог астероид вызвать потепление и последовавшее вымирание. 66 миллионов лет назад всё было наоборот: холод астероидной зимы настиг области, где до того был вечный плюс.

И тут вперёд выступила давняя теория: что удар действительно крупного астероида может вызвать серию мощнейших извержений вулканов в точке, ровно противоположной району удара — с другой стороны Земли. Авторы её пермского варианта предположили, что миллионы квадратных километров Сибирских траппов — естественное последствие удара тела, оставившего кошмарный след подо льдами Земли Уилкса.

Так это или нет — установить очень сложно. Поверхность нашей планеты из-за тектоники плит всё время двигается, и не так просто понять, что было напротив чего 252 миллиона лет назад. Рассчитать такой процесс ещё сложнее — нам не хватает знаний о том, что происходит ниже верхних слоёв мантии, куда не заглянуть имеющимися средствами зондирования. В пользу гипотезы говорит то, что Чиксулубский "убийца динозавров" действительно был почти антиподом Декканских траппов в Индии. Тогда былых владык планеты сгубил двойной удар — сначала астероидная зима, а затем вызванная ударом того же тела вулканическая. Но было ли то же самое в пермский период — вопрос более сложный. Оба вида зим не несут потепления, а ведь предполагается, что жизнь была почти убита именно им.

Вымерли от жадности

На фоне всех этих неувязок естественным образом проросли другие теории. Выяснилось, что около 252 миллионов лет назад археи (Methanosarcina) путём горизонтального переноса генов от других организмов научились перерабатывать соли уксусной кислоты в метан. К тому времени на морском дне было накоплено множество мёртвой органики, в которой непереработанной соли уксусной кислоты было очень много — ведь её там было некому поглощать. Археи могут там жить, а научившись вырабатывать из захороненных останков метан, должны были начать бурное размножение. При этом их метан никто не мог успеть поглотить — на поверхностности планеты, среди кислородсодержащих организмов, потребителей метана дефицит. А этот газ хотя и короткоживущий, но за 100-летний цикл даёт в 34 раза больший парниковый эффект, чем углекислый газ. Вот и причина рокового потепления — и безо всяких проблем с вулканической зимой.

И всё было бы с этой версией хорошо, если бы не одно "но". Для выработки метана по этому пути археям нужен фермент, включающий никель. А это довольно дефицитный для живых существ металл. Его могли принести извержения вулканов, особенно подводных. Но в сохранившихся слоях такие выбросы никеля наблюдаются уже после резких колебаний по соотношению углеродных изотопов. То есть сначала почти все вымерли, а уже потом на сцене появился никель — без которого сценарий "во всём виновата жадность архей" не должен был сработать.

А было ли потепление?

Другой проблемой оказались раскопки в Африке южнее Сахары — в других местах сохранившихся слоёв с поверхности суши для времени пермского вымирания почти нет. Оказалось, что 252 миллиона лет назад реки там из полноводных равнинных стали превращаться в извилистые и богатые островками. Это признак аридизации, более сухого климата. Но сильное глобальное потепление невозможно совместить с засушливым климатом. В зависимости от ветровых условий, каждый градус прироста температуры даёт увеличение осадков на 2–7 процентов. Потепление на 8 градусов в масштабе планеты должно дать более влажный климат.

Немедленно возник и другой вопрос. Конечно, "среднегодовые" 8 градусов — это очень резкий сдвиг вверх по термометру. Такой же разрыв между климатом Мурманска и Воронежа или Воронежа и Коста-Рики. Но проблема в том, что сходное по масштабу потепление на планете случалось, и даже позже, чем 252 миллиона лет назад. 56 миллионов лет назад на планете за считанные тысячи, если не сотни лет, температура взлетела на пресловутые 8 градусов. Содержание углекислого газа в атмосфере пробило не только 2000, но и 3000 частей на миллион. Кто же вымер? Толком на это сказать нечего. В отдельных экваториальных районах стало меньше фотосинтезирующих протистов, например, некоторых динофлагеллятов. Зато они тут же переместились в океан, который сейчас называют Северным Ледовитым (тогда там, конечно, льда не было).

Параллельно на суше вместо вымирания произошёл настоящий расцвет. Заметных исчезновений видов не было, зато парнокопытные и непарнокопытные распространились буквально по всему миру — и точно в момент пика потепления. Наши предки, приматы, совершили такую же экспансию. Если бы не потепление, вполне сопоставимое с рубежом перми и триаса, возможно, не было бы и эволюционного успеха людей. Как же так получилось, что нетеплокровная фауна от повышения температур в конце перми почти полностью вымерла, а теплокровные и нетеплокровные жители более близкой эпохи не пострадали?

С ног на голову

И вот в 2017 году появляются совсем иные данные: оказывается, из-за огромного удаления во времени прежние датировки пермского вымирания были слегка неточны, буквально на считанные сотни тысяч лет. Для четверти миллиарда лет точность отличная, но именно эта маленькая ошибка не давала увидеть главное.

Группа швейцарских исследователей с помощью уран-свинцового метода точнее, чем когда-либо ранее, датировала момент пика пермского вымирания. И тут выяснилось, что оно длилось всего 89 ± 38 тысяч лет, причём совпало не с наступлением морей из-за потепления, как считалось ранее, а с предшествовавшим их отступлением. Моря, как известно, быстро мелеют лишь при похолодании, когда их вода связывается в полярных шапках.

К сожалению, здесь есть проблемы — при таком коротком периоде похолодания непотревоженных пород от него должно было остаться очень немного. Собственно, поэтому этот период кратковременного похолодания так до сих пор и не изучен в деталях. В ту пору суши на полюсах не было, а найти следы ледовых шапок, когда-то бывших на поверхности океана, очень непросто. Кроме того, океаническая кора обновляется в среднем раз за 200 миллионов лет, то есть даже следы с морского дна той поры уже погребены глубоко в недрах планеты. Так что узнать, насколько именно похолодало, будет очень непросто.

И всё же пока эта гипотеза в наименьшей степени противоречит всему тому, что учёным удалось узнать о величайшем вымирании всех времён. Наконец стало вполне понятно, причём тут вулканы и, возможно, астероиды. И те и другие действительно могут вызывать мощные похолодания. Извержения пепла и выбросы диоксида серы из их жерл способны достигать стратосферы и блокировать солнечный свет. Сибирские траппы — беспрецедентно большие в истории планеты, других таких огромных просто нет. Масштабы вулканической зимы, вызванной ими, могли быть такими же.

Объяснима в таком сценарии и уникальность пермской катастрофы. Если её причины были связаны только с планетарными процессами, то она должна была повториться не раз. Но внешняя угроза — такая, как огромный астероид — фактор вероятностный. Кратеры в 500 километров за всю историю сложной (посткембрийской) жизни не повторялись. Значит, и других таких катастроф не должно было произойти. Вопрос тут лишь в одном: достаточно ли мы внимательно смотрим на небо, чтобы не проморгать ещё один такой камень в будущем?