Где у планеты легкие: как леса влияют на земной климат
Нам, людям, может показаться, что фотосинтез для того и существует, чтобы обеспечивать нас кислородом. Но растения так не думают. И не только растения: к фотосинтезу способны водоросли (многие из которых с растениями находятся в весьма отдаленном родстве), лишайники, некоторые бактерии.
Главная цель фотосинтеза — поглотить углекислый газ (CO₂) ради содержащегося в нем углерода (C). Организм-фотосинтетик превращает этот углерод в органику, из которой и состоит. А кислород (O₂) — это побочный продукт фотосинтеза. Но он важен и для самого «производителя»: ведь он тоже дышит. Дыхание — это как бы фотосинтез наоборот: оно вновь соединяет кислород с углеродом в углекислый газ.
В биосфере кислород с углеродом, как инь и ян, существуют вместе и зависят друг от друга. Поэтому, чтобы разобраться с легкими планеты, нам предстоит проследить за приключениями углерода. Да и разговор о климате невозможен без обсуждения углекислого газа — парникового, как нам теперь постоянно напоминают.
Углерод в природе постоянно циркулирует. Из неорганических веществ он переходит в органические, становится частью живых организмов, а затем снова возвращается в неорганическое состояние. Это круговращение называется циклом углерода. В нем участвует атмосфера, океан, земная кора и жизнь.
Великое вращение
Начнем с неживой природы. Атмосферный углекислый газ, соединяясь с водой, превращается в угольную кислоту (H₂CO₃). Каждый из нас ощущал ее вкус, когда пил обыкновенную газировку. Эта кислота реагирует с силикатами в горных породах (это называется силикатным выветриванием).
Получаются соли угольной кислоты — карбонаты. Всем знаком карбонат кальция — главный компонент обычного мела. Карбонаты и угольная кислота через реки и озера попадают в океан. Здесь половина поступившего углерода вновь превращается в углекислый газ, который улетучивается с поверхности воды и возвращается в атмосферу.
А вот оставшаяся половина усваивается живыми организмами. Часть поглощается водорослями, а из остального морские животные сооружают себе внутренние и внешние скелеты, от раковин до коралловых рифов. Со временем все это захоранивается под оседающими сверху частичками минералов и превращается в ископаемые, скрытые в осадочных породах. Именно так образовался уже упоминавшийся мел.
Коралловые рифы в Андаманском море
Фото: Shutterstock / Fotodom.ru
Если бы на этом цикл заканчивался, весь углерод давным-давно оказался бы погребен. К счастью, тектонические плиты движутся. Когда одна плита заходит под другую, она погружается в мантию Земли и расплавляется. Соединения углерода сгорают, превращаясь в углекислый газ. Вулканические процессы возвращают его в атмосферу.
А как же леса? Растения оказывают огромное влияние на цикл углерода. Они поглощают CO₂ из атмосферы и превращают его в органику, из которой строят собственные тела. Этот углерод передается по пищевой цепочке к растительноядным животным, а от них к хищникам. В дальнейшем он возвращается в атмосферу либо как продукт дыхания, либо как продукт разложения мертвых организмов. Но бывает и так, что мертвые растения не разлагаются, и тогда углерод захоранивается в осадочных породах. Так возникают полезные ископаемые, такие, как торф, нефть и уголь.
Блеск и нищета джунглей
Чаще всего именно тропические леса называют легкими планеты. Растений там действительно предостаточно. Они борются за каждый клочок земли и каждую капельку солнечного света. По многовековым стволам карабкаются лианы, а на ветвях ютятся орхидеи. Как ни странно, именно по этой причине тропики вносят весьма скромный вклад в кислородные закрома планеты.
Да, тропические растения поглощают много углекислого газа, превращая его в органику. Но это происходит лишь днем. А за ночь зеленые труженики поглощают значительную часть выработанного за день кислорода в процессе дыхания. Кстати, в жарком климате растения дышат особенно интенсивно. А ведь в полном жизни тропическом лесу много и других потребителей кислорода: животных, грибов, бактерий…
В тропиках невелика разница между кислородом, выделившимся при фотосинтезе, и кислородом поглощенным
Фото: Masako Metz
И все же, пока лист зеленеет, он вырабатывает гораздо больше кислорода, чем потребляет. Это простая арифметика. Лист состоит из органики, аккумулировавшей в себе углерод (C), полученный из углекислого газа (CO₂). Значит, соответствующее количество O₂ остается в атмосфере. Но каждая часть растения рано или поздно отмирает. И тогда любой листочек, стебелек, опавшая веточка перерабатывается жителями подстилки и почвы. Органика вновь разрушается до углекислого газа, и тот возвращается в атмосферу.
Так и выходит, что в тропических лесах разница между кислородом, выделившимся в процессе фотосинтеза, и кислородом, поглощенным в процессе дыхания и разложения, не такая уж и большая. Ученые дают разные оценки, сколько атмосферного кислорода производится тропическими лесами. Кто-то считает, что это всего 6%, кто-то утверждает, что 16%. В любом случае эта цифра небольшая. Но это не значит, что не стоит заботиться о тропических лесах. Эти проценты ценны и необходимы, чтобы состав нашей атмосферы оставался стабильным.
Скромное обаяние планктона
Настоящие легкие планеты — вовсе не леса. Самоотверженные труженики, производящие больше всего кислорода и поглощающие больше всего углерода, — это микроскопические океанические водоросли, фитопланктон.
Биолюминесцентное свечение планктона на Мальдивах
Фото: Shutterstock / Fotodom.ru
Почему у планктона получается то, что не выходит у тропических лесов? Дело в том, что океан — совсем иная экосистема. Да, фитопланктон тоже дышит и поглощает часть выработанного им самим кислорода. Но кислород плохо растворяется в морской воде и быстро улетучивается с ее поверхности, переходя в атмосферу.
А после своей гибели фитопланктон медленно погружается в морские глубины. Там растворенного кислорода совсем мало. Это раздолье для особых (анаэробных) бактерий, которые не только не нуждаются в кислороде, но и избегают его как яда. Им и достается углерод (C) мертвого фитопланктона. А поскольку эти бактерии не потребляют кислород (O₂), они не возвращают в атмосферу углекислый газ (CO₂).
В итоге фитопланктон вырабатывает в десять раз больше кислорода, чем тратит. А поглощенный углерод отправляет на дно океана, где он и лежит, пока вместе с тектонической плитой не попадает в мантию.
Сила Сибири
Почти вся Сибирь покрыта лесами и болотами. Эти экосистемы производят меньше кислорода, чем океан, но больше, чем тропические леса. Особенно выделяются сибирские болота. Скудная местная растительность вечно борется с бедными почвами и холодной водой. И все же — живет, фотосинтезирует, вырабатывает кислород и поглощает углекислый газ.
Васюганские болота Западной Сибири — одни из крупнейших в мире
Фото: Shutterstock / Fotodom.ru
А отмершие части растений опускаются на дно, где нет никого, кто мог бы ими полакомиться. Там они и лежат, нетронутые, постепенно спрессовываясь в торф. И таким образом углерод оказывается погребен, а CO₂ в атмосфере становится меньше. К сожалению (хотя, тут с какой стороны посмотреть, жить-то на болотах нельзя), болота распространены не так широко, чтобы стать вторыми легкими Земли после океана.
Вместе с болотами работает и тайга. Под пологом лиственниц и елей лежат ковры из хвоинок. Хвоя — крайне неблагодатный источник питания, она жесткая, бедная питательными веществами, а бывает еще и со смолой. Очень немногие организмы способны переработать хвою, и так она и лежит, почти нетронутая, сохраняя в себе связанный углерод.
Рождение кислорода
Кислород — очень химически активное вещество, он легко вступает в реакции и расходуется в них. Этот газ давно закончился бы, если бы его запасы не пополнялись живыми организмами. Современная атмосфера существует только благодаря фотосинтезу. Расскажем, когда и как она возникла.
Наша планета сформировалась около 4,5 млрд лет назад. В разных уголках Земли найдены следы жизни (хотя и небесспорные) возрастом от 3,5 до 4 млрд лет. Но в первый миллиард лет своего развития жизнь не потребляла и не вырабатывала кислород.
Все изменили крошечные создания — цианобактерии, возникшие 2,8–2,7 млрд лет назад. Это были первые существа, освоившие фотосинтез современного типа: углекислый газ + вода = органика + кислород. До этого существовали (и до сих пор сохраняются у экзотических микробов) другие типы фотосинтеза, без выделения кислорода.
Но у изобретения цианобактерий было важное преимущество: оно требовало только углекислого газа и воды, которых везде было предостаточно, а не редких веществ вроде сероводорода.
Сине-зеленые водоросли (цианобактерии) называют прудовой накипью
Фото: Shutterstock / Fotodom.ru
В результате цианобактерии бурно размножились и заселили океан, выбрасывая в атмосферу огромные массы кислорода. Поначалу он тут же исчезал в химических реакциях. Цианобактериям потребовалось почти полмиллиарда лет усердной работы, чтобы концентрация кислорода в атмосфере достигла 1% от современного уровня. Но этого стало достаточно, чтобы наступила катастрофа для всего живого.
Жизнь, миллиард с лишним лет развивавшаяся в бескислородной атмосфере, не просто не нуждалась в кислороде. Она не умела защищаться от этого химически активного газа, он был для нее разрушительным ядом. Распространение кислорода обернулось глобальным вымиранием. Большинство организмов вымерло, а немногие выжившие спрятались в уголках, куда не проникал кислород. На этом беды не закончились. Изымая углекислый газ из атмосферы, цианобактерии ослабили парниковый эффект. В результате мир вступил в эпоху великого Гуронского оледенения. Земля превратилась в «снежный шарик» на долгие 300 млн лет.
Лишь немногие виды научились защищаться от кислорода, а потом и дышать им. Но нет худа без добра. Кислородное дыхание дает столько энергии, что некоторые потомки этих первопроходцев сумели не просто развиться, но и превратиться в многоклеточные организмы. Если бы не кислородная революция, Земля так и осталась бы планетой микробов.
Между прочим, хлоропласты — внутриклеточные «органы», в которых происходит фотосинтез, — это, по сути, цианобактерии, прирученные и допущенные внутрь клетки. Так что в каком-то смысле весь кислород на планете до сих пор производят именно эти «революционеры».
Первые леса
Растения появились в океане — родной стихии многоклеточных. Но на суше куда больше и солнечного света, и углекислого газа. Так что уже более 420 млн лет назад, в силурийский период, они вышли на сушу. Впрочем, первые растения континентов все-таки росли в воде, едва приподнимаясь над ней. Вышедшим из океана растениям внове было главное свойство суши — то, что она сухая. Им потребовалось время, чтобы научиться экономить воду.
Лишь в середине девонского периода, 390 млн лет назад, возникли предшественники лесов. В низинах раскинулось вечнозеленое редколесье из древесных папоротников более пяти метров в высоту и трав, перемежающихся бесплодной поверхностью. Но эта зелень оказывала еще мало влияния на климат. Только через 10 млн лет возникли первые настоящие леса — археоптерисовые.
Археоптерисы (не путать с оперенной рептилией археоптериксом!) не имеют сколько-нибудь близких родственников среди современных растений. Это были высокие, выше 40 метров, деревья. У них были крупные листья, жившие по несколько лет, как у современных тропических растений, и мощные корни, проникавшие глубоко в землю.
Археоптерисы еще не обладали семенами, они размножались спорами, а для этого им нужна была напитанная влагой почва. И археоптерисы сами себе создавали нужные условия: сомкнутые кроны пропускали мало света и затрудняли испарение. Археоптерисовый лес напоминал современный тропический с его вечным полумраком, сыростью и стройными стволами, уходящими в вышину.
Археоптерисы распространились по всем континентам девонской Земли, захватив низины. Даже в высоких широтах находят их споры, хотя и не остатки древесины. И пусть мы пока не знаем, как они выживали в полярном климате, будем надеяться, скрытые в недрах окаменелости ждут своего часа.
Распространение археоптерисовых лесов очень интересным образом сказалось на климате. За время существования этих лесов содержание углекислого газа в атмосфере упало с 0,4% до 0,18% (для сравнения, содержание CO₂ в атмосфере современной Земли составляет всего 0,03–0,045%). Почему?
Прежде всего потому, что мощные корни археоптерисов, пробуравившие землю, усилили силикатное выветривание. Углерод устремился в океан, где был захоронен в осадочных породах. Кроме того, тогда еще не появились организмы, способные эффективно перерабатывать лигнин — вещество, укрепляющее древесину. Так что углерод консервировался и в отмерших стволах археоптерисов.
Резкое падение уровня CO₂ должно было бы привести к похолоданию (вспомним «Землю-снежок»). Однако, что удивительно, температура на планете практически не изменилась. Дело в том, что покрывшаяся лесами суша стала отражать меньше солнечных лучей. Поглощаемое солнечное тепло скомпенсировало ослабление парникового эффекта.
Мир гигантских многоножек
Еще один впечатляющий пример влияния лесов на климат — каменноугольный период (359–299 млн лет назад). Именно тогда возникли основные запасы каменного угля, отсюда и название. И сформировались они именно в лесах.
Земля в тот период выглядела очень по-разному в разных регионах, так что для определенности поговорим о каменноугольных лесах нынешней Европы. Располагалась она тогда на экваторе (о, движение континентов!). На первый взгляд, эти леса могли бы показаться похожими на субтропические пальмовые леса или мангровые заросли. Но на деле это были гигантские жаркие болота. Над водой возвышались далекие давно вымершие родственники современных плаунов и хвощей.
Пейзаж каменноугольного периода
Фото: NTVTIKO
Современные плауны и хвощи тоже часто растут на болотах, но в высоту редко достигают и колена. А тогда это были гигантские деревья, до 50 метров в высоту и до метра в диаметре. Стволы лепидодендронов обильно ветвились у верхушки, образуя густые кроны с мелкими листочками, а каламиты отчасти напоминали громадные ели, «ветви» которых образовали четко разделенные уровни. Среди них с громким жужжанием пролетали стрекозы меганевры с размахом крыльев до полуметра.
У подножия стволов змеились огромные многоножки артроплевры (до 2,5 м в длину и до 50 кг массы). В воде, между поваленными стволами и ветвями, рыскали гигантские хищные земноводные, похожие на саламандр. Например, эогиринус вырастал до 4,5 м в длину от носа до кончика хвоста, а весить мог больше полутонны.
Но, возможно, главной особенностью этих лесов было то, что стволы погибших деревьев, упав в воду, оставались там лежать нетронутыми. Живая природа все еще не научилась разлагать лигнин древесных стволов. Поэтому некому было перерабатывать стволы погибших исполинов, опускавшиеся на дно болот. Со временем они превратились в залежи каменного угля — грандиозный склад изъятого из атмосферы углерода.
И снова вспомним об уравнении C + O₂ = CO₂. Поскольку захороненный углерод не превращался в углекислый газ, содержание кислорода в атмосфере в каменноугольном периоде достигло рекордных 35%. Только благодаря этому и существовали гигантские членистоногие. При нынешнем уровне кислорода их примитивная дыхательная система не может обслуживать крупное тело.
Но — вспомним о парниковом эффекте — нехватка углекислого газа вызвала серьезное похолодание. К концу каменноугольного периода большая часть суши покрылась ледниками.
Каков итог нашей прогулки по древней и современной Земле? Леса — это не совсем «легкие планеты». Но они оказывают серьезное влияние на климат Земли, контролируя баланс между углекислым газом и кислородом. Поэтому стоит беречь лес, если мы хотим сохранить привычный уютный мир, без оледенений, невыносимой жары и гигантских многоножек.