Миллиард лет в запасе: ученые выяснили, сколько еще может процветать жизнь на Земле

Долгое время научное сообщество придерживалось довольно пессимистичного взгляда на долгосрочное будущее жизни на Земле. Центральным элементом этого прогноза было неумолимое увеличение светимости Солнца, которое, по расчетам, должно было привести к катастрофическим последствиям для земной биосферы. Повышение температуры поверхности нашей планеты, вызванное растущей активностью Солнца, рассматривалось как спусковой крючок для цепочки событий, которые в конечном итоге приведут к резкому падению уровня углекислого газа в атмосфере. Учитывая, что CO2 является основой фотосинтеза и, следовательно, краеугольным камнем большинства пищевых цепей, такое развитие событий означало бы неминуемую гибель растительного мира и последующий коллапс всей экосистемы. Картина вырисовывалась безрадостная: безжизненная пустыня, выжженная беспощадным Солнцем, — вот что, по мнению многих ученых, ожидало Землю через миллиард лет.

Однако наука не стоит на месте, и новые исследования зачастую заставляют нас пересматривать устоявшиеся представления. Недавно опубликованная на сервисе препринтов arxiv работа группы ученых под руководством Р.Дж. Грэхема из Чикагского университета ставит под сомнение этот пессимистичный сценарий. Авторы исследования, опираясь на последние данные о функционировании карбонатно-силикатного цикла Земли, приходят к выводу, что жизнь на нашей планете может продлиться существенно дольше, чем считалось ранее, возможно, еще на миллиард лет.

Ключевую роль в этом пересмотре играет переосмысление роли карбонатно-силикатного цикла — сложного геохимического процесса, играющего важнейшую роль в регуляции уровня углекислого газа в атмосфере. Упрощенно этот цикл можно описать следующим образом: атмосферный углекислый газ, растворяясь в дождевой воде, образует слабую кислоту, которая вступает в реакцию с силикатными породами на поверхности Земли. В результате этих реакций образуются продукты, которые переносятся реками в океан, где, в свою очередь, вступают в реакции с морской водой, формируя карбонатные минералы. Эти минералы осаждаются на дне океана, эффективно изымая углерод из атмосферы и «запирая» его в земной коре. Таким образом, карбонатно-силикатный цикл действует как своего рода планетарный термостат, регулируя концентрацию CO2 и, следовательно, температуру поверхности Земли.

Долгое время считалось, что с повышением температуры этот процесс ускоряется, что и должно было привести к снижению уровня CO2 в будущем под воздействием растущей светимости Солнца. Однако новые данные, полученные в ходе исследований процессов выветривания, свидетельствуют о том, что зависимость карбонатно-силикатного цикла от температуры не так сильна, как предполагалось ранее. Оказалось, что гораздо важнее для него концентрация самого углекислого газа.

Вооружившись этой новой информацией, исследователи построили комплексные модели, прогнозирующие изменение климата и биосферы Земли в отдаленном будущем. В этих моделях учитывалось взаимодействие множества факторов, включая изменение светимости Солнца, температуру поверхности планеты, продуктивность растений (с учетом разных типов фотосинтеза) и, конечно же, динамику карбонатно-силикатного цикла. Результаты моделирования оказались весьма неожиданными: взаимодействие всех этих факторов приводит к тому, что снижение уровня CO2 происходит значительно медленнее, чем предполагалось ранее. Более того, в некоторых сценариях моделирования наблюдался даже временный рост концентрации углекислого газа в атмосфере.

Это означает, что растения, скорее всего, не столкнутся с CO2-голоданием в ближайшие миллиарды лет, как предсказывали предыдущие модели. Угроза для них придет с другой стороны — из-за перегрева планеты и так называемого «перехода во влажную теплицу».

По мере повышения температуры поверхности Земли, вызванного ростом светимости Солнца, атмосфера будет насыщаться водяным паром. Водяной пар является мощным парниковым газом, поэтому его накопление в атмосфере приведет к усилению парникового эффекта и дальнейшему повышению температуры, создавая петлю положительной обратной связи. В конечном итоге, температура может достичь критических значений, при которых выживание растений станет невозможным. Это и есть «переход во влажную теплицу» — точка невозврата, за которой биосфера Земли претерпит необратимые изменения.

Кроме того, избыток водяного пара в верхних слоях атмосферы будет подвергаться воздействию ультрафиолетового излучения Солнца. Это приведет к расщеплению молекул воды на водород и кислород. Водород, будучи самым легким элементом, будет постепенно улетучиваться в космос, что приведет к постепенной потере воды планетой. Этот процесс, известный как «утечка водорода», может в конечном итоге превратить Землю в сухую и безжизненную пустыню.

Согласно новым расчетам, «переход во влажную теплицу» произойдет не ранее чем через 1,6-1,86 миллиарда лет. Это существенно отодвигает предполагаемый срок гибели биосферы, даря жизни на Земле еще как минимум миллиард лет.

Этот результат имеет значение не только для понимания будущего нашей планеты, но и для поисков жизни за ее пределами. Более длительный срок существования сложной биосферы на Земле может свидетельствовать о том, что «сложные шаги» в эволюции жизни — например, появление многоклеточности или возникновение разумной жизни — не так уж редки, как считалось ранее. Это, в свою очередь, повышает вероятность обнаружения жизни на других планетах и дает нам больше оснований для оптимизма в поисках внеземного разума.

В заключение можно сказать, что новое исследование карбонатно-силикатного цикла и его влияния на будущее биосферы заставляет нас пересмотреть наши представления о долгосрочной перспективе жизни на Земле. Хотя «влажная теплица» и представляет собой неизбежную угрозу в далеком будущем, у нас есть еще как минимум миллиард лет, чтобы наслаждаться богатством и разнообразием земной жизни, а также продолжать задаваться вопросом: одиноки ли мы во Вселенной?