Пожары в Антарктиде: как Южный полюс пылал во времена динозавров

Сегодня Антарктида покрыта ледяным щитом толщиной в несколько километров, а средняя температура во внутренних районах континента опускается ниже минус пятидесяти градусов Цельсия. Однако в геологическом прошлом полярные регионы выглядели совершенно иначе. В позднем меловом периоде, около 90 миллионов лет назад, на планете не было постоянных полярных шапок. В приполярных широтах Южного полушария росли густые влажные леса, а климат оставался умеренным даже зимой, несмотря на многомесячную темноту полярной ночи.

Международная исследовательская группа из Великобритании и Германии опубликовала в научном журнале Communications Earth & Environment результаты анализа осадочных пород, поднятых со дна океана вблизи берегов Западной Антарктиды. Ученые установили, что всего в 900 километрах от Южного полюса регулярно происходили растительные пожары.

Это открытие привело к неожиданному выводу: регулярный огонь не уничтожал экосистему, а способствовал появлению древнейшего из известных сфагновых торфяников в Южном полушарии. Полученные данные меняют представления ученых о путях эволюции мхов, о древнем климате планеты и о том, как функционируют природные хранилища углерода в периоды сильного глобального потепления.

Бурение на дне моря Амундсена

Собрать геологические свидетельства мелового периода в Антарктиде крайне трудно: большая часть коренных пород погребена под ледником. По этой причине исследователи обратились к морским отложениям, куда миллионы лет с континента смывались пыльца, частицы почвы и остатки древесины.

Во время экспедиции на немецком научно-исследовательском судне Polarstern ученые работали в заливе Амундсена. В районе подводного желоба Пайн-Айленд они опустили на дно тяжелую роботизированную буровую установку MARUM-MeBo70. Работы велись на глубине 946 метров. Установка пробурила дно и извлекла тридцатиметровый керн — цилиндрический образец осадочных пород.

Самым ценным оказался нижний интервал керна. В нем находилась трехметровая толща темно-серого аргиллита (спрессованной глины), которую венчал пятисантиметровый слой плотного лигнита — бурого угля. Магнитные свойства пород и анализ ископаемой пыльцы показали, что возраст этих слоев составляет от 92 до 83 миллионов лет. Это эпоха позднего мела (туронский и сантонский века), период расцвета динозавров и экстремально теплого парникового климата.

Главной удачей исследователей стало качество сохранности органики. Пласты не подвергались сильному нагреву на больших глубинах, поэтому содержащиеся в них биохимические молекулы, споры растений и микроскопические частицы угля сохранили исходное химическое и клеточное строение.

Природа огня: вулкан или лесной пал

Следы пожаров мелового периода палеонтологи находили в Антарктиде и раньше. Но все предыдущие находки располагались далеко на севере, на Антарктическом полуострове или прилегающих островах. Причиной тех возгораний считались извержения вулканов: горячие потоки пепла и раскаленных газов двигались по склонам и выжигали хвойные заросли при температуре свыше 800-900 градусов Цельсия.

В заливе Амундсена картина оказалась иной. Ближайшие вулканы того времени находились в 400 километрах от места бурения. Чтобы выяснить истинное происхождение обугленных остатков, ученые применили оптическую микроскопию и молекулярный анализ.

В угле и глине исследователи обнаружили мацералы — твердые микроскопические компоненты ископаемых углей. Один из таких компонентов, фузинит, образуется исключительно в пламени. Ученые измерили его способность отражать свет при помощи оптического микроскопа. Этот показатель напрямую зависит от того, насколько сильно нагрелся органический материал при сгорании.

Показатели отражения оказались низкими. Расчеты показали, что температура горения составляла от 370 до 400 градусов Цельсия. Это полностью исключает воздействие раскаленной вулканической лавы или пепла. Такие значения соответствуют низовым лесным пожарам, при которых пламя медленно идет по лесной подстилке, сухой траве и кустарнику, почти не затрагивая кроны высоких деревьев.

Химический анализ также подтвердил горение живых растений. В образцах обнаружили высокое содержание полициклических ароматических углеводородов — веществ, образующихся при неполном сгорании древесины. Профиль этих молекул прямо указал на то, что топливом служила смолистая древесина хвойных деревьев.

В том же пласте угля исследователи нашли кусочки ископаемого янтаря. Когда низовой огонь повреждал кору деревьев, стволы начинали обильно выделять смолу для защиты ран, и впоследствии эта смола окаменела.

Почему горел влажный полярный лес

Факт регулярных пожаров в приполярном лесу на первый взгляд кажется противоречием. Согласно данным палеоклиматологии, среднегодовой уровень осадков в этом регионе составлял около 1120 миллиметров. Это влажный климат, близкий к климату современных умеренных дождевых лесов Новой Зеландии или северо-западного побережья Северной Америки.

Возгорания стали возможными из-за трех факторов:

1. Сезонное распределение влаги. Климатическое моделирование показывает, что в позднем мелу на побережье Западной Антарктиды действовали муссоны. Основные дожди выпадали зимой, в период полярной ночи. Летом же устанавливалась теплая и относительно сухая погода.
2. Непрерывный солнечный свет. Летом солнце не заходило за горизонт месяцами. Верхний слой лесной подстилки, опавшая хвоя и поверхностный мох быстро высыхали и становились горючими.
3. Высокий уровень кислорода. Атмосфера мелового периода содержала заметно больше кислорода, чем современная (по разным оценкам, до 25-28% против нынешних 21%). При такой концентрации газов пламя загорается легче, а порог влажности, при котором ветки и хвоя могут гореть, оказывается существенно выше.

Источником возгорания служили грозовые молнии. Сухой летний подрост загорался от ударов молний, и огонь регулярно распространялся по низу леса.

Кто рос в приполярных лесах

Под сканирующим электронным микроскопом исследователи изучили строение древесного угля из слоя лигнита. На стенках растительных клеток сохранились характерные микроскопические структуры: окаймленные поры трахеид и так называемая окончатая пористость на стыках клеток древесины.

Эти анатомические черты безошибочно определяют принадлежность сгоревших деревьев к семейству подокарповых (Podocarpaceae). Это древняя группа хвойных растений, возникшая в Южном полушарии. Их современные представители, такие как лагаростробос Франклина (Lagarostrobos franklinii), до сих пор растут во влажных лесах и болотах Тасмании, предпочитая кислые и насыщенные водой грунты.

Помимо подокарповых, в пыльцевом анализе ученые выявили араукарии, древовидные папоротники циатеи и редкие покрытосеменные растения семейства протейных. Это была развитая растительная формация, полностью адаптированная к условиям полярного светового дня и полярной ночи.

От леса к сфагновому болоту

Самое важное открытие исследователи сделали при послойном анализе пыльцы и растительных спор в керне. Образцы наглядно продемонстрировали процесс, который биологи называют гидросеральной сукцессией — последовательную смену одних растительных сообществ другими по мере обмеления и заболачивания низины.

В нижней части трехметрового пласта аргиллита преобладает пыльца древесных растений. В ней доминируют зерна Nyssapollenites (родственников современных болотных деревьев) и вымерших представителей таксодиевых. В этот период на месте бурения располагался проточный прибрежный заболоченный лес.

По направлению к верхней части керна структура слоев меняется:

• Количество пыльцы крупных деревьев быстро сокращается.
• Разнообразие древесных видов падает.
• Доля спор мха Sphagnumsporites (ископаемого предка сфагнума) резко растет и превышает 36% от всей найденной пыльцы и спор. Плотность спор достигает более 25 000 штук на 1 гр. породы.
• Резко возрастает количество спор папоротников.

Параллельно изменилась химическая среда. Исследователи проанализировали гопаноиды — стабильные молекулярные остатки клеточных мембран бактерий. Пространственная ориентация атомов в этих молекулах меняется в зависимости от кислотности среды. Анализ показал, что уровень pH в верхнем слое упал до 4,31.

Значение pH 4,31 указывает на сильнокислую среду, которая характерна исключительно для верховых (омбротрофных) болот, питающихся только дождевой водой. В таких болотах нет проточных грунтовых вод, приносящих минералы.

Одновременно с этим в керне зафиксирован резкий подъем концентрации нормальных алканов с цепочками из 23 и 25 атомов углерода. Эти восковые соединения характерны именно для сфагновых мхов: растения покрывают ими свои листья, чтобы уменьшить испарение влаги и защититься от внешних воздействий. Соотношение общего органического углерода к азоту превысило отметку 40, что также подтверждает формирование бедного питательными веществами торфяника.

Механика процесса: огонь как фактор отбора

Главная деталь исследования заключается в том, что пик концентрации древесного угля и обугленных частиц совпадает именно с периодом максимального развития сфагнового мха.

В обычных условиях лес стремится вернуть себе открытые площади: семена деревьев падают в мох, прорастают, всходы закрывают низкие растения от солнца кронами, а корни деревьев забирают воду. Однако регулярные низовые пожары нарушали этот баланс.

Схема взаимодействия выглядела следующим образом:

1. Уничтожение подроста. Низовой пожар температурой 370-400 градусов Цельсия проходил по осушенной за лето лесной подстилке. Огонь убивал молодые побеги хвойных деревьев и сжигал сухие верхушки кустарников, но не разрушал влажный нижний торфяной субстрат.
2. Освобождение пространства. Деревья не успевали восстановиться и сформировать сомкнутый полог. На открытых, хорошо освещенных участках первыми закреплялись быстрорастущие папоротники и мох.
3. Закисление и консервация среды. Закрепившийся сфагнум впитывал атмосферную воду и выделял органику, понижая pH до уровня ниже 4,5. Вода застаивалась в верхнем слое грунта, вызывая кислородное голодание корней. В такой среде семена большинства деревьев больше не могли прорасти.

Пожар в этой системе работал не как разрушитель, а как постоянный регулятор. Он останавливал естественное возвращение леса и удерживал территорию в состоянии открытого болота, стимулируя накопление торфа.

Пересмотр эволюции мхов на 35 миллионов лет

До сих пор самым древним надежным свидетельством существования сфагновых болот считался Шенинген в Германии. Его возраст составляет около 55 миллионов лет (эпоха раннего эоцена). Одиночные ископаемые фрагменты сфагнума палеонтологи находили и в более древних слоях, вплоть до триасового периода, но нигде не было признаков того, что этот мох образовывал самостоятельные болота и формировал залежи угля.

Находка в море Амундсена отодвигает время появления первых торфообразующих сфагновых экосистем на 35 миллионов лет в прошлое — с 55 до 90 миллионов лет назад.

Более того, это открытие опровергает устоявшуюся гипотезу биологов. Анализ ДНК современных видов сфагнума долгое время вел ученых к выводу, что сфагновые мхи широко развились в северных приполярных широтах, а в Южное полушарие переселились относительно недавно — в эпоху миоцена (около 15-20 миллионов лет назад), когда на Земле началось общее похолодание.

Антарктический керн доказывает: полноценные верховые сфагновые болота с кислой средой, накоплением торфа и характерным пожарным циклом существовали на широте 73 градусов южной широты уже в середине мелового периода. Эти экосистемы возникли независимо или распространились по планете на десятки миллионов лет раньше, чем предполагали генетические модели.

Значение для современной науки

Современные торфяники занимают лишь 3% площади суши, однако в них сосредоточено около трети всего углерода, связанного в почвах планеты. Это больше, чем удерживают все леса мира, вместе взятые. Если торф осушается или сгорает, законсервированный в нем углерод возвращается в атмосферу в виде углекислого газа и метана, дополнительно усиливая парниковый эффект.

Климатологов беспокоит состояние современных торфяников Сибири, Канады и Скандинавии: из-за потепления и засух они все чаще горят.

Материалы из скважины в Западной Антарктиде дают ученым наглядную геологическую модель того, как ведет себя экосистема торфяников в долгосрочной перспективе при концентрации углекислого газа свыше 1000 миллионных долей и полном отсутствии полярных ледников.

Опыт позднего мела показывает: даже в экстремально теплом парниковом климате торфяники способны не просто существовать в полярных широтах, но и накапливать углерод миллионы лет подряд. При этом естественные пожары служат обязательной частью их жизненного цикла, поддерживая границы болота и состав его флоры. Однако эта стабильность сохраняется только до тех пор, пока температура и режим осадков позволяют болоту удерживать достаточное количество влаги под слоем регулярного огня.

Источник: Communications Earth & Environment